KR101614079B1 - 고경도 폴리우레아 코팅재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고경도 폴리우레아 코팅재 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고경도 폴리우레아 코팅재 조성물은 이소시아네이트에 폴리에테르아민과 고경질 폴리올(Super-hard polyol)을 첨가함으로써, 신장율 보완과 경화시간 연장에 따른 소지와의 부착력을 증대시키는 효과가 있고, 저온에서도 도막 크랙이 없는 고경질 폴리우레아 코팅재를 만들 수 있다.

Description

고경도 폴리우레아 코팅재 조성물{COATING COMPOSITION WITH HIGHLY HARDNESS POLYUREA}

본 발명은 고경도 폴리우레아 코팅재 조성물에 관한 것이다.

통상적으로, 이소시아네이트의 -NCO-기와 아민의 -NH-기의 반응으로 우레아 결합을 하는 코팅재를 폴리우레아(Polyurea) 코팅재라고 부르며, 이는 반응이 매우 빨라 무(無)촉매 반응으로 수초 내에 도막이 형성된다.

이런 폴리우레아 코팅재는 도막 경도를 높이기 위해 주로 이소시아네이트의 NCO %를 높여 아민과의 우레아 반응성을 높이는 방법을 사용해 왔고, 대한민국 등록특허공보 제10-0993243호에는 상수도관 내부코팅용 폴리우레탄-폴리우레아 도료에 대해 제시된 바 있다.

이소시아네이트의 NCO %를 높여 아민과의 우레아 반응성을 높이는 종래의 방법은 급격한 반응으로 인해 약간의 경도 상승은 있으나, 수도강관용 타입(미국 수도협회 AWWA C-222 기준)인 고경도 폴리우레아의 기준인 Shore 65 D 이상의 경도를 올리는데 한계가 있었다.

즉, 이소시아네이트의 NCO %를 너무 높이면 급격한 반응성으로 인해 도막에 크랙이 자주 발생하는 하는 문제가 있었다.

따라서, 코팅재의 제조간 도막에 크랙이 발생하는 것을 방지하며, 고경도의 물성을 갖는 기술의 개발이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 높은 경도에도 크랙 없이 도막을 형성하여 외관 및 내구성이 향상되는 코팅재 조성물에 관한 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양으로 고경도 폴리우레아 코팅재 조성물은 NCO기의 함량이 16~20%인 이소시아네이트(Isocyanate) 100 중량부를 가지는 주제; 및 수평균분자량이 2000인 폴리에테르아민(Polyetheramine) 50~60 중량부, 수평균분자량이 5000인 폴리에테르아민 5~10 중량부, 폴리디에틸톨루엔디아민(Polydiethyltoluendiamine) 10~15 중량부 및 폴리에테르 폴리올(Polyether polyol) 10~20 중량부를 가지는 경화제; 를 포함할 수 있다.

또한, 경화제는 접착 증진제 1~2 중량부, 소포제 0.5~1 중량부 및 유색안료 3~5 중량부를 더 가질 수 있다.

그리고, 주제 및 경화제는 1:1의 부피비로 혼합될 수 있다.

아울러, 폴리에테르 폴리올의 수평균분자량은 500으로 마련될 수 있다.

한편, 접착 증진제는 감마-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Gamma-methacryloxypropyltrimethoxysilane), 감마-글리시드옥시프로필 메톡시실란(Gamma-glycidoxypropyltrimethoxysilane) 및 베타-(3,4-에폭시싸이클로헥실)에틸트리메톡시실란(β-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoysilane) 중 적어도 하나로 마련될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 이소시아네이트에 폴리에테르아민과 고경질 폴리올(Super-hard polyol)을 첨가함으로써, 신장율 보완과 경화시간 연장에 따른 소지와의 부착력을 증대시키는 효과가 있다.

둘째, 저온에서도 도막 크랙이 없는 고경질 폴리우레아 코팅재를 만들 수 있다.

셋째, 기존의 고경질 타입은 경화가 너무 빨라 외관상 먼지(dust)들이 날려 스프레이 도포시 작업자의 폭 만큼 평활성이 불량으로 외관에 문제점이 발생하였으나, 본 발명은 코팅재에 -OH-기를 가진 고경질 폴리올을 첨가시켜 반응 시간을 연장시키므로 아민(-NH-)기를 가진 폴리에테르 아민들 보다 반응성이 늦어져서 외관상 불량이 발생할 가능성을 차단하였다.

넷째, 기존의 고경질 타입은 경화가 너무 빨라서 도장건(GUN)에서 폴리우레아 코팅재가 도포 되고 남은 액들이 계속 쌓여 일정 시간 이후에는 도장건(GUN)을 청소하고 도포해야 하는 현장에서의 문제점들이 발생하여 공사기간이 연장되고 도포성이 불량한 단점이 있었으나, 본 발명은 코팅재에 고경질 폴리올을 첨가하여 반응성이 연장된다.

즉, 도장건 앞에 폴리우레아 액들이 쌓이기 전에 수초 내에 도포가 완료되므로 폴리우레아 액들이 전혀 쌓이질 않으며, 연속적인 작업이 가능하다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고경질 폴리올을 이용한 고경도 폴리우레아 코팅재를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 고경질 폴리올을 이용한 초속경화형 타입의 고경도 폴리우레아 코팅재의 반응성과 인장강도를 좌우하는 주제(主劑)인 -NCO-기를 가진 이소시아네이트(Isocyanate)를 프리폴리머화시킨 용액과, 수초 내의 반응을 일으키면서 크랙 없이 폴리우레아 도막을 형성시킬 수 있는 적은 분자량과 많은 관능기를 동시에 가지고 있는 폴리에테르 폴리올이 함유된 경화제 혼합물로 구성된다.

여기서, 주제인 프리폴리머 용액은 NCO기의 함량이 16~20%인 이소시아네이트 100 중량부로서, 프리폴리머 용액의 NCO기의 함량은 도막의 인장강도, 경도, 신장율, 반응속도 등의 물성을 결정하는 용액으로 NCO %(즉, -NCO-기 함유량)가 많을수록 도막 경도와 인장강도, 반응성(속도)가 높아지고, -NCO-기 함유량이 적을수록 도막의 신장율이 높아지고 경도는 낮아질 수 있다.

만일, NCO기의 함량이 16% 미만일 경우에는 도막의 경도가 너무 낮아져서 코팅재로서의 사용이 부적합하고, NCO기의 함량이 20%를 초과할 경우에는 도막에 크랙이 발생할 우려가 있으므로 NCO기의 함량이 16~20%로 구성된 프리폴리머 용액을 사용하는 것이 바람직하다.

경화제 혼합물은 폴리우레아 도막의 인장강도, 반응속도를 결정하는 수평균분자량(이하 '분자량'으로 약칭) 2,000의 폴리에테르아민(Polyetheramine) 50~60 중량부와 인열강도를 결정하는 분자량 5,000의 폴리에테르아민 5~10 중량부와 주사슬들의 망상구조를 이루게 하여 인장강도, 반응성, 경도를 결정하는 폴리디에틸톨루엔디아민(Diethytoluenediamine) 10~15 중량부와 도막의 탄성을 부여하는 -OH-기를 가진 분자량 500인 폴리에테르 폴리올(Polyether Polyol) 10~20 중량부와 소지면과의 접착력을 증가시키기 위한 접착 증진제 1~2 중량부와 도막의 기포 자국 없이 표면을 매끄럽게 하여 화려한 미관을 부여하고자 하는 소포제 0.5~1 중량부와 도막의 색상을 부여하고자 유색안료 3~5 중량부를 반응조에 투입하고 1,000~2,000 rpm 에서 1~2시간 동안 충분히 교반하여 제조한다.

경화제 혼합물에서 폴리우레아 도막의 인장강도, 반응속도를 결정하는 분자량 2,000의 폴리에테르아민의 첨가량이 50 중량부 미만이면 도막의 인장강도가 떨어지고, 60 중량부를 초과할 경우 인장강도는 증가하지만 반응속도가 빨라져 평활(levelling)하기 전에 도막이 형성되어 부착력이 급격하게 저하될 수 있으므로 50~60 중량부 범위 이내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

경화제 혼합물에서 폴리우레아 도막의 인열강도를 결정하는 분자량 5,000의 폴리에테르아민의 첨가량이 5 중량부 미만이면 도막이 쉽게 찢어지며, 10 중량부를 초과할 경우 인열강도는 증가하지만 저온(0℃ 이하)일때 크랙 현상이 일어날 수 있으므로 5~10 중량부 범위 이내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

경화제 혼합물에서 폴리우레아 도막의 망상구조를 이루게 하여 인장강도, 반응성, 경도를 결정하는 폴리디에틸톨루엔디아민의 첨가량이 10 중량부 미만일 때는 반응성이 느려 인장강도 및 경도가 감소하게 되고, 15 중량부를 초과할 경우에는 급격한 반응성으로 소지면과의 부착력이 현저히 저하되므로 10~15 중량부 범위 이내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

경화제 혼합물에서 폴리우레아 도막의 탄성을 부여하는 분자량 500인 폴리에테르 폴리올의 첨가량이 10 중량부 미만일 경우, 수초 내에 도막이 형성되는 급격한 반응성으로 인한 크랙 발생이 생기며, 20 중량부를 초과할 경우에는 탄성은 부여되나 너무 도막이 유연(Soft)하여 AWWA(미국수도협회) C-222 규격인 Shore 65 D 이상의 경도를 얻지 못하므로 10~20 중량부의 범위 이내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

경화제 혼합물에서 폴리우레아 도막과 소지면과의 접착을 증진시켜 주는 접착 증진제는 실란커플링제인 감마-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Gamma-methacryloxypropyltrimethoxysilane), 감마-글리시드옥시프로필 메톡시실란(Gamma-glycidoxypropyltrimethoxysilane) 및 베타-(3,4-에폭시싸이클로헥실) 에틸트리메톡시실란(β-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoysilane) 중 적어도 하나를 선택할 수 있고, 접착 증진제의 첨가량이 1 중량부 미만일 경우, 접착력이 저하되고 2 중량부를 초과할 경우는 도막 점착성이 남아 있을 우려가 있으므로 1~2 중량부 범위 이내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

경화제 혼합물에서 소포제는 폴리우레아 도막의 표면의 기포들을 제거하여 도막 외관 및 내마모성을 향상 시키는데, 실리콘계와 비실리콘계로써 하나를 선택 하는 것이 바람직하다.

만일, 소포제 중량이 0.5 중량부 미만이면 용액 내의 기포들을 제거하기가 힘들어 외관에 기포 자국들이 다수 발생하여 외관이 불량하며, 1 중량부를 초과하여 첨가할 경우에는 과첨가로 도막 표면에 소포제가 부상하여 층간 부착력이 불량으로 나타날 수 있으므로 0.5~1 중량부 범위 이내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

경화제 혼합물에서 폴리우레아 도막의 색상을 나타내는 유색안료는 유, 무기 안료로써 유색안료 중에서 하나 이상 선택할 수 있다. 만일, 유색안료가 3 중량부 미만이면 폴리우레아 코팅재 도막이 소지면에 대해서 은폐력이 불량하여 소지면이 보일 정도로 나타나고, 5 중량부를 초과할 경우에는 안료의 흡유량 때문에 경화제 혼합물의 점도가 상승하게 되는 문제점이 있으므로 3~5 중량부 범위 이내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

위와 같이 이루어진 본 발명에 따른 고경질 폴리올을 이용한 고경도 폴리우레아 코팅재를 이용하여 소지(철재, 콘크리트)면에 도막층을 형성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 철재면에 고경도 폴리우레아를 코팅시 소지면의 오염물이나 기존의 녹들을 제거하기 위해 블라스팅 전처리 작업을 진행을 하고 소지와 폴리우레아 코팅면의 층간 부착력을 높이기 위해 프라이머를 코팅 후, 고경도 폴리우레아를 코팅한다. 콘크리트 소지면에 있어서는 수화반응으로 콘크리트가 경화가 되는데 그에 따른 수분이 표면에 상승되어 레이턴스층이 발생한다. 이는 매우 얇은 층이고 부착력이 불량으로 나타나므로 전처리 과정에서 레이턴스층을 완전히 제거하고 제거 후 핀홀(Pin Hole)층이 나타나면 퍼티(Putty)로 핀홀을 메꾼 후, 폴리우레아와의 층간 부착력을 높이기 위해 콘크리트 전용 프라이머를 코팅을 한다.

위의 전처리 과정이 완료되면 폴리우레아 전용 장비인 2액형 고온, 고압 혼합충돌형인 특수 장비를 이용하여 압력 1,800~2,300 psi , 온도 65~70℃에서 폴리우레아 코팅재를 도포한다. 또한, 겨울철에는 온도 저하로 주제, 경화제들의 점도가 상승해 이 상태에서 도포시 이상적인 혼합비(부피비 1:1)가 맞지 않아 도막 물성 구현이 힘들다.

따라서, 겨울철에는 히팅밴드(Heating Band)를 제품 주위에 감아 간접적으로 온도를 높여 제품의 점도를 떨어 뜨려 이상적인 혼합 충돌로 최상의 도막물성을 얻을 수 있다.

상기한 설명들에 의거하여 본 발명의 일 실시예를 들어 자세히 설명하면 다음과 같다.

아래의 표 1과 같이 실시예 1~5는 경화제 용액의 조성물인 분자량 2,000의 폴리에테르아민 55 중량부, 분자량 5,000의 폴리에테르아민 7 중량부, 폴리디에틸톨루엔디아민 13 중량부, 분자량 500의 고경질 폴리에테르 폴리올 16 중량부, 접착 증진제 1.5 중량부, 소포제 0.7 중량부, 유색안료 4 중량부를 고정시키고, 주제인 프리폴리머화된 수지용액인 이소시아네이트의 NCO기 함량을 16%, 17%, 18%, 19%, 20%로 각각 변화시켰다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
주제	이소시아네이트 중량	100	100	100	100	100
	NCO % (16~20%)	16 %	17 %	18 %	19 %	20 %
경화제	폴리에테르아민(분자량:2,000)	55	55	55	55	55
	폴리에테르아민(분자량:5,000)	7	7	7	7	7
	폴리디에틸톨루엔디아민	13	13	13	13	13
	폴리에테르 폴리올	16	16	16	16	16
	접착증진제	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
	소포제	0.7	0.7	0.7	0.7	0.7
	유색안료	4	4	4	4	4

또한, 아래의 표2와 같이 실시예 6~10은 주제 용액인 프리폴리머용액의 NCO기 함량을 19%로 고정시키고 경화제 조성물인 분자량 2,000의 폴리에테르아민 55 중량부, 분자량 5,000의 폴리에테르아민 7 중량부, 폴리디에틸톨루엔디아민 13 중량부, 접착 증진제 1.5 중량부, 소포제 0.7 중량부, 유색안료 4 중량부로 고정시키고 폴리에테르 폴리올을 12, 14, 16, 18, 20 중량부로 각각 변화시켰다.

		실시예 6	실시예 7	실시예 8	실시예 9	실시예 10
주제	이소시아네이트 중량	100	100	100	100	100
	NCO %	19 %	19 %	19 %	19 %	19 %
경화제	폴리에테르아민(분자량:2,000)	55	55	55	55	55
	폴리에테르아민(분자량:5,000)	7	7	7	7	7
	폴리디에틸톨루엔디아민	13	13	13	13	13
	폴리에테르 폴리올	12	14	16	18	20
	접착증진제	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
	소포제	0.7	0.7	0.7	0.7	0.7
	유색안료	4	4	4	4	4

상기와 같은 실시예 1~10에 의해 제조된 고경질 폴리올을 이용한 고경도 폴리우레아 코팅재를 제조하여 철재 소지면의 방청성을 알아보기 위해 철판에 400~500㎛ 두께로 도포를 하여 방청성 및 외관의 부풀음 정도를 알아보기 위해 1,000시간 동안 염수분무 시험을 하여 확인하였다.

또한, 실시예 1~10에 의해 제조된 고경질 폴리올을 이용한 고경도 폴리우레아 코팅재를 제조하여 도막의 물성(인장, 신율, 경도)을 만능재료 시험기와 Shore D 경도계로 확인하고, 그 결과는 하기 표3에 기재된 바와 같다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	실시예 7	실시예 8	실시예 9	실시예 10
염수분무 시험(방청성)	불량	불량	양호	양호	양호	불량	불량	불량	양호	불량
인장강도 (Mpa)	15	16	18	19	20	14	16	18	20	21
신장율	412	381	359	324	302	387	355	367	325	307
경도 (Shore D)	47	53	59	66	69	49	54	61	66	크 랙 발 생

전술한 실시예 1~5에서 보는 바와 같이, 고경도 폴리우레아의 방청성을 알아보고자 염수분무 시험을 1,000 시간 동안 테스트한 결과, 주제 용액인 이소시아네이트의 NCO기 함량이 18% 이상일때 방청성이 우수한 결과를 보였다.

이는 NCO기 함량이 19% 이상일 경우, 일정 도막내의 가교 밀도성(견고함)이 우수하여 염수의 침투를 막아 철재 소지까지의 발청이 시작하는 것을 막아준다고 보이며, 이를 토대로 한 실시예 6~10에서는 이장강도, 신장율은 모두 양호하였으나 AWWA C-222 규격인 경도 Shore 65 D 이상의 폴리우레아 도막 경도를 얻기 위해서는 폴리에테르 폴리올이 18 중량부 이상일 경우에 방청성, 경도, 인장강도, 신장력이 우수하였다.

고경도 폴리우레아 도막을 얻고자 실시한 실시예 10의 경우, 경도는 제일 우수하였으나, 시간이 경과 후(경시변화) 미세한 크랙이 발생하여 방청성에 문제가 되었고, 주제부인 프리폴리머화된 이소시아네이트의 NCO기의 함량은 19%와 경화제의 조성물 중 하나인 폴리에테르 폴리올이 18 중량부인 실시예 9의 경우가 방청성, 인장강도, 신장율, 경도 면에서 가장 양호한 결과를 보였다.

폴리우레아 코팅재에서 도막의 경도(AWWA C-222 기준)를 Shore 65 D 이상의 물성을 얻기 위해서, 기존의 폴리우레아 코팅재의 경우에는 이소시아네이트의 NCO기 함량을 높여 제조하였으나, 이는 아민과의 반응성이 매우 빨라 수초 내에 도막을 형성하고, 그에 따른 반응열에 의한 수축 현상으로 소지면과의 부착성에서 많은 문제점들이 야기되었다.

그러나, 본 발명은 이소시아네이트에 폴리에테르아민과 고경질인 폴리에테르 폴리올을 첨가함으로써, 종래의 폴리우레아 코팅제에 비해 부착력이 증가되고, 고경도의 물성을 가지며, 신장율 보완과 경화시간 연장에 따른 소지와의 부착력이 증대되는 효과가 있고, 저온에서도 도막 크랙이 없는 고경질 폴리우레아 코팅재를 만들 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 표를 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

Claims (5)

1. NCO기의 함량이 18~20%인 이소시아네이트(Isocyanate) 100 중량부를 가지는 주제; 및
   수평균분자량이 2000인 폴리에테르아민(Polyetheramine) 50~60 중량부, 수평균분자량이 5000인 폴리에테르아민 5~10 중량부, 폴리디에틸톨루엔디아민(Polydiethyltoluendiamine) 10~15 중량부, 수평균 분자량이 500인 폴리에테르 폴리올(Polyether polyol) 18 중량부, 접착 증진제 1~2 중량부, 소포제 0.5~1 중량부 및 유색안료 3~5 중량부를 가지는 경화제; 를 포함하며,
   상기 주제 및 경화제는 1:1의 부피비로 혼합되는 것을 특징으로 하는
   고경도 폴리우레아 코팅재 조성물.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 접착 증진제는 감마-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Gamma-methacryloxypropyltrimethoxysilane), 감마-글리시드옥시프로필 메톡시실란(Gamma-glycidoxypropyltrimethoxysilane) 및 베타-(3,4-에폭시싸이클로헥실)에틸트리메톡시실란(β-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoysilane) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는
   고경도 폴리우레아 코팅재 조성물.