요약:
1. 습윤제 및 분산제
2. 소포제
3. 증점제
4. 필름 형성 첨가제
5. 부식 방지제, 곰팡이 방지제 및 조류 방지제
6. 기타 첨가제
1. 습윤제 및 분산제:
수성 코팅은 물을 용매 또는 분산 매체로 사용하며, 물은 유전율이 크기 때문에 주로 전기 이중층이 겹칠 때 발생하는 정전기적 반발력에 의해 안정화됩니다. 또한, 수성 코팅 시스템에는 종종 고분자 및 비이온성 계면활성제가 포함되어 있는데, 이들은 안료 충전제 표면에 흡착되어 입체 장애를 형성하고 분산을 안정화합니다. 따라서 수성 페인트 및 에멀젼은 정전기적 반발력과 입체 장애의 복합적인 작용을 통해 안정적인 결과를 얻습니다. 단점으로는 특히 고가의 전해액에 대한 내성이 약하다는 점입니다.
1.1 습윤제
수성 코팅용 습윤제는 음이온성 습윤제와 비이온성 습윤제로 나뉩니다.
습윤제와 분산제를 함께 사용하면 이상적인 결과를 얻을 수 있습니다. 습윤제의 양은 일반적으로 1/1000 정도입니다. 습윤제의 단점으로는 거품 발생 및 코팅막의 내수성 저하가 있습니다.
습윤제 개발 동향 중 하나는 폴리옥시에틸렌 알킬(벤젠)페놀 에테르(APEO 또는 APE) 습윤제를 점진적으로 대체하는 것입니다. 이는 APEO 또는 APE가 쥐의 수컷 호르몬 수치를 감소시키고 내분비계에 영향을 미치기 때문입니다. 폴리옥시에틸렌 알킬(벤젠)페놀 에테르는 유화 중합 과정에서 유화제로 널리 사용됩니다.
이중 셀 계면활성제 또한 새로운 개발품입니다. 이는 스페이서로 연결된 두 개의 양친매성 분자로 구성됩니다. 이중 셀 계면활성제의 가장 주목할 만한 특징은 임계 미셀 농도(CMC)가 단일 셀 계면활성제보다 10배 이상 낮다는 점이며, 그 다음으로 높은 효율을 나타냅니다. 예를 들어, TEGO Twin 4000은 이중 셀 실록산 계면활성제로, 불안정한 거품 생성 및 소포 특성을 가지고 있습니다.
에어 프로덕츠는 제미니 계면활성제를 개발했습니다. 기존 계면활성제는 소수성 꼬리와 친수성 머리를 가지고 있지만, 이 새로운 계면활성제는 두 개의 친수성 그룹과 두세 개의 소수성 그룹을 가지고 있는 다기능성 계면활성제로, 아세틸렌 글리콜로 알려져 있으며, 엔비로젬 AD01과 같은 제품이 있습니다.
1.2 분산제
라텍스 페인트용 분산제는 인산염 분산제, 폴리산 단일중합체 분산제, 폴리산 공중합체 분산제 및 기타 분산제의 네 가지 범주로 나뉩니다.
가장 널리 사용되는 인산염 분산제는 헥사메타인산나트륨, 폴리인산나트륨(독일 BK Giulini Chemical Company 제품인 Calgon N), 삼폴리인산칼륨(KTPP), 피로인산사칼륨(TKPP)과 같은 폴리인산염입니다. 이러한 분산제는 수소 결합과 화학적 흡착을 통해 정전기적 반발력을 안정화시키는 기전을 가지고 있습니다. 장점은 사용량이 약 0.1%로 적으면서도 무기 안료 및 충전제에 대한 분산 효과가 우수하다는 것입니다. 하지만 단점도 있습니다. 첫째, pH 값과 온도가 상승함에 따라 폴리인산염은 쉽게 가수분해되어 장기 보관 안정성이 떨어집니다. 둘째, 매질 내에서 완전히 용해되지 않으면 광택 있는 라텍스 페인트의 광택에 영향을 미칠 수 있습니다.
인산 에스테르 분산제는 모노에스테르, 디에스테르, 잔류 알코올 및 인산의 혼합물입니다.
인산에스테르 분산제는 산화아연과 같은 반응성 안료를 포함한 안료 분산액을 안정화합니다. 광택 페인트 제형에서 광택과 세척성을 향상시킵니다. 다른 습윤 및 분산 첨가제와 달리, 인산에스테르 분산제를 첨가해도 코팅의 KU 및 ICI 점도에는 영향을 미치지 않습니다.
타몰 1254 및 타몰 850과 같은 폴리산 단일중합체 분산제(타몰 850은 메타크릴산 단일중합체임)와 오로탄 731A와 같은 폴리산 공중합체 분산제(오로탄 731A는 디이소부틸렌과 말레산의 공중합체임)가 있습니다. 이 두 종류의 분산제는 안료 및 충전제 표면에 강한 흡착 또는 고정력을 나타내고, 분자 사슬이 길어 입체 장애를 형성하며, 사슬 말단에 수용성을 가지는 특징이 있습니다. 또한, 일부는 정전기적 반발력을 추가하여 안정적인 결과를 얻습니다. 분산제의 우수한 분산성을 위해서는 분자량을 엄격하게 제어해야 합니다. 분자량이 너무 작으면 입체 장애가 불충분하고, 분자량이 너무 크면 응집이 발생합니다. 폴리아크릴레이트 분산제의 경우, 중합도가 12~18일 때 최적의 분산 효과를 얻을 수 있습니다.
AMP-95와 같은 다른 유형의 분산제는 2-아미노-2-메틸-1-프로판올이라는 화학명을 가지고 있습니다. 아미노기는 무기 입자 표면에 흡착되고, 하이드록실기는 물 쪽으로 뻗어 입체 장애를 통해 안정화 역할을 합니다. 크기가 작기 때문에 입체 장애는 제한적입니다. AMP-95는 주로 pH 조절제로 사용됩니다.
최근 분산제 연구는 고분자량으로 인한 응집 문제를 극복해 왔으며, 고분자량 분산제 개발이 주요 추세 중 하나입니다. 예를 들어, 유화 중합법으로 제조된 고분자량 분산제 EFKA-4580은 수성 산업용 코팅용으로 특별히 개발되었으며, 유기 및 무기 안료 분산에 적합하고 우수한 내수성을 지닙니다.
아미노기는 산-염기 결합 또는 수소 결합을 통해 다양한 안료에 대한 친화력이 뛰어납니다. 따라서 아미노아크릴산을 고정기로 하는 블록 공중합체 분산제가 주목받고 있습니다.
디메틸아미노에틸 메타크릴레이트를 고정기로 사용하는 분산제
Tego Dispers 655 습윤 및 분산 첨가제는 수성 자동차 페인트에 사용되어 안료의 배향을 돕는 것뿐만 아니라 알루미늄 분말이 물과 반응하는 것을 방지합니다.
환경 문제에 대한 우려로 인해 생분해성 습윤제 및 분산제가 개발되었으며, 그 예로 거품 발생량이 적은 EnviroGem AE 시리즈 이중 셀 습윤제 및 분산제가 있습니다.
2. 소포제:
전통적인 수성 페인트 소포제에는 여러 종류가 있으며, 일반적으로 광물유 소포제, 폴리실록산 소포제 및 기타 소포제의 세 가지 범주로 나뉩니다.
미네랄 오일 소포제는 주로 무광 및 반광 라텍스 페인트에 흔히 사용됩니다.
폴리실록산계 소포제는 표면 장력이 낮고, 강력한 소포 및 항소포 기능을 가지며, 광택에 영향을 미치지 않지만, 부적절하게 사용하면 코팅막 수축 및 재도장성 저하와 같은 결함을 유발할 수 있습니다.
기존의 수성 페인트 소포제는 소포 효과를 내기 위해 수용액상과 호환되지 않아 도막 표면에 결함이 발생하기 쉽습니다.
최근 몇 년 동안 분자 수준의 소포제가 개발되었습니다.
이 소포제는 소포 활성 물질을 담체 물질에 직접 접합하여 형성된 고분자입니다. 고분자의 분자 사슬에는 습윤성 하이드록실기가 존재하여 소포 활성 물질이 분자 주위에 고르게 분포되고, 활성 물질의 응집이 용이하며, 코팅 시스템과의 상용성이 우수합니다. 이러한 분자 수준의 소포제에는 광유계(FoamStar A10 시리즈), 규소 함유(FoamStar A30 시리즈), 비규소, 비오일계 고분자(FoamStar MF 시리즈) 등이 있습니다.
또한, 이 분자 수준의 소포제는 비상용성 계면활성제로 초접합 스타 폴리머를 사용하며, 수성 코팅 응용 분야에서 우수한 결과를 얻었다고 보고되었습니다. Stout 등이 보고한 Air Products의 분자 등급 소포제는 Surfynol MD 20 및 Surfynol DF 37과 같이 습윤성을 모두 갖춘 아세틸렌 글리콜 기반 거품 조절제 및 소포제입니다.
또한, VOC가 없는 코팅제 생산 요구를 충족하기 위해 Agitan 315, Agitan E 255 등과 같은 VOC 무함유 소포제도 있습니다.
3. 증점제:
증점제에는 여러 종류가 있으며, 현재 일반적으로 사용되는 증점제로는 셀룰로오스 에테르 및 그 유도체 증점제, 알칼리 팽윤성 연관 증점제(HASE), 폴리우레탄 증점제(HEUR) 등이 있습니다.
3.1. 셀룰로스 에테르 및 그 유도체
하이드록시에틸셀룰로오스(HEC)는 1932년 유니온카바이드(Union Carbide Company)에서 최초로 산업적으로 생산되었으며, 70년이 넘는 역사를 가지고 있습니다. 현재 셀룰로오스 에테르 및 그 유도체를 주성분으로 하는 증점제로는 하이드록시에틸셀룰로오스(HEC), 메틸하이드록시에틸셀룰로오스(MHEC), 에틸하이드록시에틸셀룰로오스(EHEC), 메틸하이드록시프로필베이스셀룰로오스(MHPC), 메틸셀룰로오스(MC), 잔탄검 등이 있으며, 이들은 비이온성 증점제이자 비결합성 수용액상 증점제에 속합니다. 그중 HEC는 라텍스 페인트에 가장 널리 사용됩니다.
소수성 변성 셀룰로오스(HMHEC)는 셀룰로오스의 친수성 골격에 소량의 장쇄 소수성 알킬기를 도입하여 Natrosol Plus Grade 330, 331, Cellosize SG-100, Bermocoll EHM-100과 같은 연관형 증점제로 사용됩니다. HMHEC의 증점 효과는 분자량이 훨씬 큰 셀룰로오스 에테르 증점제와 유사합니다. HMHEC는 ICI의 점도와 평탄성을 향상시키고 표면 장력을 감소시킵니다. 예를 들어, HEC의 표면 장력은 약 67mN/m인 반면, HMHEC의 표면 장력은 55~65mN/m입니다.
3.2 알칼리 팽창성 증점제
알칼리 팽윤성 증점제는 비결합성 알칼리 팽윤성 증점제(ASE)와 음이온성 증점제인 결합성 알칼리 팽윤성 증점제(HASE)의 두 가지 범주로 나뉩니다. 비결합성 ASE는 폴리아크릴레이트 알칼리 팽윤 에멀젼이고, 결합성 HASE는 소수성으로 개질된 폴리아크릴레이트 알칼리 팽윤 에멀젼입니다.
3.3. 폴리우레탄 증점제 및 소수성 변성 비폴리우레탄 증점제
폴리우레탄 증점제(HEUR)는 소수성 그룹으로 변성된 에톡실화 폴리우레탄 수용성 고분자로, 비이온성 연관 증점제에 속합니다. HEUR는 소수성 그룹, 친수성 사슬, 폴리우레탄 그룹의 세 부분으로 구성됩니다. 소수성 그룹은 연관 작용을 하며 증점에 결정적인 역할을 하는데, 일반적으로 올레일, 옥타데실, 도데실페닐, 노닐페놀 등이 사용됩니다. 친수성 사슬은 화학적 안정성과 점도 안정성을 제공하며, 폴리옥시에틸렌 및 그 유도체와 같은 폴리에테르가 주로 사용됩니다. HEUR의 분자 사슬은 IPDI, TDI, HMDI와 같은 폴리우레탄 그룹으로 연장됩니다. 연관 증점제의 구조적 특징은 소수성 그룹으로 말단이 치환된다는 것입니다. 그러나 시판되는 일부 HEUR의 경우 양 끝단의 소수성 그룹 치환도가 0.9 미만이며, 최적값은 1.7에 불과합니다. 분자량 분포가 좁고 성능이 안정적인 폴리우레탄 증점제를 얻으려면 반응 조건을 엄격하게 제어해야 합니다. 대부분의 고효율 폴리우레탄 증점제는 단계적 중합을 통해 합성되므로 시판되는 고효율 폴리우레탄 증점제는 일반적으로 분자량 분포가 넓은 혼합물입니다.
Richey 등은 형광 추적자 피렌 결합 증점제(PAT, 수평균 분자량 30000, 중량평균 분자량 60000)를 사용하여 0.02%(중량) 농도에서 Acrysol RM-825와 PAT의 미셀 응집도가 약 6임을 발견했습니다. 증점제와 라텍스 입자 표면 사이의 결합 에너지는 약 25 kJ/mol이며, 라텍스 입자 표면에서 각 PAT 증점제 분자가 차지하는 면적은 약 13 nm²로, Triton X-405 습윤제가 차지하는 면적(0.9 nm²)의 약 14배입니다. RM-2020NPR, DSX 1550 등과 같은 결합형 폴리우레탄 증점제도 있습니다.
환경 친화적인 연관형 폴리우레탄 증점제 개발이 널리 주목받고 있습니다. 예를 들어, BYK-425는 VOC 및 APEO가 없는 요소 변성 폴리우레탄 증점제입니다. Rheolate 210, Borchi Gel 0434, Tego ViscoPlus 3010, 3030 및 3060은 VOC 및 APEO가 없는 연관형 폴리우레탄 증점제입니다.
앞서 설명한 선형 결합형 폴리우레탄 증점제 외에도 빗살형 결합형 폴리우레탄 증점제가 있다. 소위 빗살형 결합형 폴리우레탄 증점제란 각 증점제 분자의 중간에 소수성 작용기가 달려 있는 것을 의미한다. SCT-200, SCT-275 등이 이러한 증점제에 해당한다.
소수성 변성 아미노플라스트 증점제(소수성 변성 에톡실화 아미노플라스트 증점제—HEAT)는 특수 아미노 수지를 네 개의 소수성 그룹으로 캡핑하는데, 이 네 반응 부위의 반응성은 서로 다릅니다. 일반적인 소수성 그룹 첨가 시에는 두 개의 소수성 그룹만 차단되므로, 합성 소수성 변성 아미노 증점제는 Optiflo H 500과 같은 HEUR과 큰 차이가 없습니다. 하지만 최대 8%까지 더 많은 소수성 그룹을 첨가하면 반응 조건을 조정하여 여러 개의 소수성 그룹이 차단된 아미노 증점제를 만들 수 있습니다. 물론 이것 또한 빗살형 증점제입니다. 이 소수성 변성 아미노 증점제는 색상 조색 시 다량의 계면활성제와 글리콜 용제를 첨가해도 도료 점도가 떨어지는 것을 방지할 수 있습니다. 이는 강한 소수성 그룹이 탈착을 방지하고, 여러 개의 소수성 그룹이 강한 결합력을 가지기 때문입니다. Optiflo TVS와 같은 증점제가 이에 해당합니다.
소수성 변성 폴리에테르 증점제(HMPE)는 HEUR과 유사한 성능을 보이며, Hercules 사의 Aquaflow NLS200, NLS210 및 NHS300 등이 대표적인 제품입니다.
변성 폴리우레아 증점제는 수소 결합과 말단기 결합의 효과로 점도를 증가시킵니다. 일반적인 증점제에 비해 침전 방지 및 처짐 방지 특성이 우수합니다. 말단기의 극성에 따라 변성 폴리우레아 증점제는 저극성, 중극성, 고극성 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 저극성 및 중극성 증점제는 용제계 코팅의 점도 증가에 사용되는 반면, 고극성 폴리우레아 증점제는 고극성 용제계 코팅과 수성 코팅 모두에 사용할 수 있습니다. 시판되는 저극성, 중극성, 고극성 폴리우레아 증점제 제품으로는 각각 BYK-411, BYK-410, BYK-420이 있습니다.
변성 폴리아미드 왁스 슬러리는 PEG와 같은 친수성기를 아미드 왁스의 분자 사슬에 도입하여 합성한 유동성 첨가제입니다. 현재 몇몇 브랜드는 수입되고 있으며, 주로 시스템의 요변성을 조절하고 항요변성 및 처짐 방지 성능을 향상시키는 데 사용됩니다.
게시 시간: 2022년 11월 22일