1. 증점제의 정의 및 기능
수성 페인트의 점도를 크게 높일 수 있는 첨가제를 증점제라고 합니다.
증점제는 코팅의 생산, 보관 및 시공에 중요한 역할을 합니다.
증점제의 주요 기능은 코팅의 점도를 높여 사용 단계별 요구 사항을 충족하는 것입니다. 그러나 코팅이 사용 단계별로 요구하는 점도는 다릅니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
보관 과정에서 안료의 침전을 방지하기 위해서는 점도가 높은 것이 바람직합니다.
시공 과정에서 페인트가 붓질이 잘 되고 과도한 얼룩이 생기지 않도록 적당한 점도를 갖는 것이 바람직합니다.
시공 후, 처짐을 방지하기 위해 짧은 시간 지연 후 점도가 빠르게 높은 점도로 복귀하는 평탄화 과정(레벨링 과정)이 필요합니다.
수성 코팅제의 유동성은 뉴턴 유체의 유동성이 아닙니다.
페인트의 점도가 전단력 증가에 따라 감소하는 경우, 이를 의사소성 유체라고 하며, 대부분의 페인트는 의사소성 유체입니다.
의사소성 유체의 흐름 거동이 그 이력, 즉 시간에 따라 변하는 경우, 이를 요변성 유체라고 합니다.
코팅제를 제조할 때, 첨가제를 넣는 등의 방법으로 코팅제의 점성(thixotropic)을 의도적으로 높이려고 하는 경우가 많습니다.
코팅의 요변성이 적절하면 코팅의 여러 단계에서 발생하는 모순을 해결하고 저장, 시공 평탄화 및 건조 단계에서 요구되는 코팅 점도의 차이를 충족할 수 있습니다.
일부 증점제는 페인트에 높은 요변성을 부여하여, 정지 상태 또는 낮은 전단 속도(예: 보관 또는 운송)에서 높은 점도를 유지함으로써 페인트 내 안료의 침전을 방지합니다. 또한 높은 전단 속도(예: 도장 공정)에서는 점도가 낮아져 도장면의 유동성과 평활성이 확보됩니다.
요변성은 요변성 지수(TI)로 나타내며 브룩필드 점도계를 사용하여 측정합니다.
TI = 점도(6r/min에서 측정) / 점도(60r/min에서 측정)
2. 증점제의 종류 및 코팅 특성에 미치는 영향
(1) 종류 화학적 조성에 따라 증점제는 유기 및 무기의 두 가지 범주로 나뉜다.
무기질 유형에는 벤토나이트, 아타펄자이트, 알루미늄 마그네슘 실리케이트, 리튬 마그네슘 실리케이트 등이 있으며, 유기질 유형에는 메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 아크릴산 또는 메틸 아크릴레이트 단일중합체 또는 공중합체, 폴리우레탄 등이 있습니다.
코팅의 유변학적 특성에 미치는 영향 측면에서 증점제는 요변성 증점제와 연관성 증점제로 나뉩니다. 성능 요구 사항 측면에서 증점제의 양은 적으면서 증점 효과는 우수해야 하고, 효소에 의한 분해가 쉽지 않아야 하며, 시스템의 온도나 pH 값 변화에도 코팅의 점도가 크게 감소하지 않고, 안료와 충전제가 응집되지 않아야 합니다. 또한 저장 안정성이 우수하고, 수분 보유력이 좋으며, 뚜렷한 거품 발생 현상이 없고 코팅 필름의 성능에 악영향을 미치지 않아야 합니다.
① 셀룰로오스 증점제
코팅에 사용되는 셀룰로오스 증점제는 주로 메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스이며, 그중 후자 두 가지가 더 흔하게 사용됩니다.
하이드록시에틸 셀룰로오스는 천연 셀룰로오스의 포도당 단위에 있는 하이드록실기를 하이드록시에틸기로 치환하여 얻은 제품입니다. 제품의 규격 및 모델은 주로 치환 정도와 점도에 따라 구분됩니다.
하이드록시에틸셀룰로오스는 용해형, 속분산형, 생물학적 안정성형으로 구분됩니다. 사용 방법에 있어서는 코팅 제조 공정의 여러 단계에 첨가할 수 있습니다. 속분산형은 건조 분말 형태로 직접 첨가할 수 있습니다. 다만, 첨가 전 시스템의 pH는 7 미만이어야 합니다. 이는 하이드록시에틸셀룰로오스가 낮은 pH에서 천천히 용해되기 때문이며, 입자 내부로 수분이 충분히 침투할 시간을 확보한 후 pH를 높여 빠르게 용해되도록 해야 합니다. 이와 유사한 방법으로 특정 농도의 접착제 용액을 제조하여 코팅 시스템에 첨가할 수도 있습니다.
하이드록시프로필 메틸셀룰로오스하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 천연 셀룰로오스의 포도당 단위에 있는 하이드록실기를 메톡시기로 치환하고 나머지 부분은 하이드록시프로필기로 치환하여 얻은 제품입니다. 점증 효과는 하이드록시에틸셀룰로오스와 거의 동일하며, 효소 분해에 대한 저항성도 있습니다. 그러나 수용성은 하이드록시에틸셀룰로오스보다 떨어지고, 가열 시 겔화되는 단점이 있습니다. 표면 처리된 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 사용 시 물에 직접 첨가할 수 있습니다. 교반 및 분산 후, 암모니아수와 같은 알칼리성 물질을 첨가하여 pH를 8~9로 조절하고 완전히 용해될 때까지 교반합니다. 표면 처리되지 않은 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 사용 전 85℃ 이상의 뜨거운 물에 담가 팽윤시킨 후 실온으로 식히고 찬물이나 얼음물에 넣어 완전히 용해시킵니다.
②무기 증점제
이러한 증점제는 주로 벤토나이트, 마그네슘 알루미늄 실리케이트 점토 등의 활성 점토 제품으로 구성됩니다. 증점 효과 외에도 우수한 현탁 효과를 가지며, 침전을 방지하고 도막의 내수성을 저해하지 않는다는 특징이 있습니다. 도막이 건조되어 필름을 형성한 후에는 도막 내 충전재 역할을 하는 등의 장점도 있습니다. 다만, 도막의 평활성을 크게 저해한다는 단점이 있습니다.
③ 합성 고분자 증점제
합성 고분자 증점제는 주로 아크릴 및 폴리우레탄(연관성 증점제)에 사용됩니다. 아크릴 증점제는 대부분 카르복실기를 함유하는 아크릴 고분자입니다. pH 8~10의 물에서 카르복실기는 해리되어 팽윤되지만, pH가 10보다 크면 물에 용해되어 증점 효과를 잃습니다. 따라서 증점 효과는 pH에 매우 민감합니다.
아크릴레이트 증점제의 증점 메커니즘은 첫째, 증점제 입자가 페인트 내 라텍스 입자 표면에 흡착되어 알칼리 팽윤 후 코팅층을 형성함으로써 라텍스 입자의 부피를 증가시키고, 입자의 브라운 운동을 억제하여 페인트 시스템의 점도를 증가시키는 것입니다. 둘째, 증점제의 팽윤은 수용액상의 점도를 증가시킵니다.
(2) 증점제가 코팅 특성에 미치는 영향
증점제의 종류가 코팅의 유변학적 특성에 미치는 영향은 다음과 같습니다.
증점제의 양이 증가함에 따라 페인트의 정적 점도가 크게 증가하며, 외부 전단력을 가했을 때 점도 변화 추세는 기본적으로 일관적입니다.
증점제의 효과로 인해 페인트는 전단력을 받을 때 점도가 급격히 떨어져 의사소성(pseudoplasticity)을 나타냅니다.
소수성으로 변형된 셀룰로오스 증점제(예: EBS451FQ)를 사용하면, 높은 전단 속도에서 증점제 양이 많을 경우 점도가 여전히 높게 유지됩니다.
WT105A와 같은 연관형 폴리우레탄 증점제를 사용할 경우, 전단 속도가 높더라도 증점제 양이 많으면 점도가 여전히 높게 유지됩니다.
아크릴계 증점제(예: ASE60)를 사용하면, 첨가량이 많을 경우 정적 점도는 급격히 상승하지만, 전단 속도가 높아질수록 점도는 급격히 감소합니다.
3. 연관형 증점제
(1) 점도 증가 메커니즘
셀룰로스 에테르와 알칼리 팽윤성 아크릴 증점제는 수성상만 점도를 높일 뿐, 수성 페인트의 다른 성분에는 점도 증가 효과가 없으며, 페인트의 안료와 에멀젼 입자 간의 유의미한 상호작용을 유발하지 못하므로 페인트의 유동성을 조절할 수 없습니다.
연관형 증점제는 수화에 의한 점도 증가 외에도, 자체적인 연관 작용, 분산 입자와의 연관 작용, 그리고 시스템 내 다른 구성 요소와의 연관 작용을 통해 점도가 증가하는 특징을 갖습니다. 이러한 연관 작용은 높은 전단 속도에서 해리되고 낮은 전단 속도에서 재연동되어 코팅의 유동성을 조절할 수 있게 합니다.
연관형 증점제의 점증 메커니즘은 분자 구조가 친수성 사슬의 선형 고분자 화합물이며, 양 끝에 소수성 그룹이 있는 형태, 즉 구조 내에 친수성 및 소수성 그룹을 모두 가지고 있어 계면활성제 분자의 특성을 나타낸다는 데 있습니다. 이러한 증점제 분자는 수용액상에서 수화 및 팽창하여 점성을 높일 뿐만 아니라, 수용액의 농도가 일정 값을 초과하면 미셀을 형성합니다. 이 미셀은 에멀젼의 고분자 입자 및 분산제를 흡착한 안료 입자와 결합하여 3차원 망상 구조를 형성하고, 서로 연결되고 얽혀 시스템의 점도를 증가시킵니다.
더욱 중요한 것은 이러한 결합들이 동적 평형 상태에 있다는 점이며, 이러한 결합된 미셀들은 외부 힘을 받을 때 위치를 조절할 수 있어 코팅이 평탄화 특성을 갖게 된다는 것입니다. 또한, 분자가 여러 개의 미셀을 포함하고 있기 때문에 이러한 구조는 물 분자의 이동 경향을 감소시켜 수용액상의 점도를 증가시킵니다.
(2) 코팅에서의 역할
대부분의 연관형 증점제는 폴리우레탄이며, 상대 분자량은 10³~10⁴ 자릿수로, 일반적인 폴리아크릴산 및 셀룰로오스 증점제(상대 분자량 10⁵~10⁶)보다 두 자릿수 낮습니다. 분자량이 낮기 때문에 수화 후 유효 부피 증가량이 적어 비연관형 증점제보다 점도 곡선이 더 완만합니다.
연관형 증점제는 분자량이 낮아 수용액상에서 분자 간 얽힘이 제한적이므로 수용액상에 대한 증점 효과가 크지 않습니다. 낮은 전단 속도 영역에서는 분자 간 결합 전환이 결합 파괴보다 크기 때문에 전체 시스템은 본래의 현탁 및 분산 상태를 유지하며 점도는 분산 매질(물)의 점도에 가깝습니다. 따라서 연관형 증점제는 낮은 전단 속도 영역에서 수성 페인트 시스템의 겉보기 점도를 낮추는 효과를 나타냅니다.
연관형 증점제는 분산상 내 입자 간의 결합으로 인해 분자 간 위치 에너지를 증가시킵니다. 따라서 높은 전단 속도에서 분자 간 결합을 끊는 데 더 많은 에너지가 필요하고, 동일한 전단 변형률을 얻는 데 필요한 전단력 또한 더 커지므로, 시스템은 높은 전단 속도에서 더 높은 겉보기 점도를 나타냅니다. 높은 고전단 점도와 낮은 저전단 점도는 페인트의 유변학적 특성에서 일반적인 증점제의 부족한 부분을 보완할 수 있습니다. 즉, 두 가지 증점제를 함께 사용하여 라텍스 페인트의 유동성을 조절하고, 두꺼운 도막 형성 및 도막 유동성과 같은 다양한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 4월 28일