코팅제용 난연성 첨가제의 제조 방법 및 생성된 제품

코팅제용 난연성 첨가제의 제조 방법 및 생성된 제품 {METHOD FOR PREPARING A FIRE RETARDANT ADDITIVE FOR COATINGS AND RESULTING PRODUCTS}

본 발명은 목재 또는 이들의 파생물과 같이 연소되기 쉬운 재료를 위한 마감재로서 또는 건축 자재에 적용되는 코팅제에서 사용하기 위한 첨가제의 제조 방법에 관한 것이며, 보호될 재료를 피복할 시에 난연성을 제공하는 것을 목적으로 하며, 구체적으로는 본 발명은 코팅제에 첨가제를 혼입하기 쉽게 하는 분산제, 상용화 비히클 (유기 용매), 물 및 수지의 혼합물과 금속 수산화물로 제제화되는 첨가제의 제조 방법에 관한 것이다.

주거용 건물의 건축, 또는 업무 및 휴가 등의 다른 활동을 위한 건물에 화염를 억제하고 화염이 느리게 퍼지도록 하는데 도움을 주는 수단을 도입할 필요성이 널리 공지되어 있다. 예를 들어, 일부 국가는 건물 안에 들어가는 가구의 제조를 위한 재료만큼이나 건물 건설용 재료에 대한 법규를 공표하였다.

대부분의 가구는 미학적인 목적 뿐만 아니라 가구 재료의 보호를 위한 코팅제를 가지며, 이들 코팅제의 대부분은 불연성이지만 기재 재료의 자연적인 연소 특성에 부가될 경우 화염의 번짐을 위한 우수한 원천을 생성한다.

난연성인 코팅제가 발견될 수 있으며, 이들은 기본적으로 포스페이트, 실리케이트, 보레이트 (팽창성)로 제조된다. 언급된 바와 같은 팽창성 난연 재료는 화염의 작용으로 인해서, 먼저 재로 전환되고 이어서 기재 재료로 화염이 통과되는 것을 지연시키는 크러스트를 형성하는 발포층을 형성한다.

한편, 금속 수산화물이 다양한 분야, 예컨대 케이블, 가구, 지붕 타일 등을 위한 코팅과 함께 예를 들어 중합체에서 난연성 첨가제로서 사용된다. 수산화마그네슘은 환경 친화적이고 연기 억제제로서 사용되는 경우 유독성 연무를 방출하기 않기 때문에 다른 유형의 난연제에 비해서 이점이 있다.

금속 수산화물의 사용을 통해서, 화염 확장의 문제를 제어하는 다수의 대안이 이미 존재한다. 일부 예를 하기에 언급한다.

유럽 특허 제1156092호에는, 수산화마그네슘을 사용하여 형성된 2성분 접착제의 제조가 기재되어 있으며, 이 접착제는 난연성이 있는 바니쉬로서 사용될 수 있다고 언급되어 있다.

미국 특허 제6448308호에는, 적린을 기재로 하는 난연성 코팅 제제의 일부로서의 수산화마그네슘이 기재되어 있다. 수산화마그네슘은 구체적으로는 불길을 억제하는 동안 인산의 생성을 감소시키기 위해서 사용한다.

미국 특허 제4849298호에는, 페인트의 제조에서의 수산화알루미늄의 사용이 기재되어 있으며, 이것을 페인트에 직접 첨가하고, 또한 페인트의 일부 통상적인 충전제 (예를 들어, TiO ₂ )의 대체제로서 사용된다. 이 특허에는 상기 첨가제를 사용하여 제조된 코팅제의 난연성 효과가 기재되어 있다.

적절하게 처리된 수산화마그네슘을 목재 코팅제, 예를 들어 바니쉬 및 실란트 또는 건축재(architectonic), 예컨대 페인트, 방수재 등에 도입함으로써, 우수한 난연성 및 연기 억제 효과가 달성된다. 이에 따라 제조된 코팅제는 이의 최종 특징 (광택, 투명도, 피복력, 기계적 강도 등)을 변화시키지 않는다.

<발명의 목적>

이전의 연구에서 인식되는 문제점의 해결책으로, 본 발명의 목적은 연소되기 쉬운 표면을 피복하고 보호하도록 설계된 코팅제의 제조에서 사용하는 경우 효율성이 기존의 난연성 코팅제에 의해서 제공되는 것보다 우수한 난연제 및 연기 억제제인 첨가제를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보호할 표면에 적용하기 전에 코팅제에 쉽게 혼입되는 난연 첨가제를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은, 방염 성분으로서 첨가제를 재료에 혼입하여 화염에 노출되었을 경우 유독한 잔류물을 생성하지 않도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 난연 성분이 금속 수산화물 류인 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 본 발명의 첨가제의 난연 성분이 적용 전에 코팅제의 내부 부피에서 뭉치지 않는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 본 발명의 첨가제의 난연 성분이 피복되고 보호될 표면의 최종 코팅 필름에서 균일한 (균질한) 방식으로 분포되는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 난연성 첨가제가 (첨가제가 첨가될) 코팅제의 기본 특성, 예컨대 바니쉬의 투명도에 영향을 주지 않는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 (첨가제가 포함될) 코팅제의 그레인 미세도(grain finesse)와 유사한 그레인 미세도를 나타내는 첨가제의 난연성 성분이다.

<발명의 개요>

본 발명의 방법 성분으로 제조된 코팅제의 첨가제는 난연성의 원천으로서 입자의 크기에 따라서 특성이 상이한 금속 수산화물, 바람직하게는 수산화마그네슘을 포함하며, 이것은 생성된 첨가제가 선택된 코팅제에 효율적으로 융합될 수 있도록, 첨가제가 혼입될 코팅제의 특성에 따라서 처리된다.

본 발명의 방법 성분으로 생성된 첨가제의 일부 특성은 다음과 같다.

a) 금속 수산화물 입자의 평균 직경 (D ₅₀ )은 코팅제의 목적하는 최종 기능에 따라서 1 나노미터 내지 10 마이크로미터의 범위에서 선택된다.

b) 첨가제 중의 금속 수산화물 입자의 농도는 99 중량％ 이하일 수 있다.

본 발명의 방법은 유기 용매, 분산제, 수지 및 일부 경우에는 물로 이루어진 물질 중에서 다른 상용화 비히클 (유기 용매 또는 물), 분산제 및 임의로는 계면활성제로 처리된 금속 수산화물 입자의 페이스트, 바람직하게는 현탁액을 제조하며, 이것은 다음의 이점이 있다.

1. 난연성의 이전의 비교 시험에서 포스페이트로 구성된 기재를 갖는 것보다 수산화마그네슘을 주로 갖는 코팅제에서 보다 우수한 결과를 얻었다는 점에서, 팽창성 첨가제의 난연성보다 우수한 효율을 제공한다. 이러한 결과는 화염의 작용에 의한 중량％의 손실로서 표현된다.

2. 첨가제가 (첨가제가 혼입될) 코팅제와 상용성인 기재를 가지므로, 코팅제의 제조에 통상적으로 사용되는 것과 상이한 장비를 사용할 필요 없이, 시판되는 코팅제에 혼입되기 쉽다.

3. 마감재로부터 목적하는 최종 외관을 제공하는 추가의 코팅제를 적용할 필요가 있는 포스페이트 기재의 난연제와는 다르게 코팅제의 최종 외관을 변경시키지 않는다. 본 발명의 첨가제를 사용하면, 코팅제의 광택, 투명도, 피복 능력, 기계적 저항성 등이 변하지 않는다.

4. 환경 친화적이며 생물에 유해하지 않다. 각종 연구에서, 난연 코팅제에서의 금속 수산화물의 사용은 할로겐 및 인 화합물이 사용되는 제품보다 이점이 있으며, 유독한 가스를 발생시키지 않으며 수산화물의 분해 반응에서의 물의 방출이 연기 배출을 억제하는데 도움이 된다는 것이 밝혀졌다.

5. 수산화마그네슘에 적용되는 표면 처리는 코팅 물품의 광택, 투명도, 피복력, 기계적 저항성 등과 같은 특성을 유지시키면서, 수산화마그네슘이 첨가제의 수지 및 코팅 물품과 상용성이 되도록 하는 표면 첨가제 부류로부터 선택된다.

하기 설명을 읽을 시에 첨부된 도면을 참고하면 하기의 설명이 보다 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 목적인 첨가제의 생성을 위한 방법을 나타낸 블록 다이아그램이다.

본 발명의 방법에 따라 제조된 첨가제는 바람직하게는 단분산성이며 평균 입자 크기가 1 나노미터 내지 10 마이크로미터 범위로부터 선택되며 크기가 매우 다양하며 순도가 90％ 이상인 금속 수산화물로부터 형성된다.

금속 수산화물 입자는 최종 코팅제에서의 융합을 위해서 처리되어, 초기 수산화물 비히클과 형성될 첨가제의 기재와의 상용성이 제한되지 않도록 수성 유기 현탁액 또는 더스트 현탁액 중에서 수산화물로부터 분리될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에서, 금속 수산화물은 수산화마그네슘이다. 이의 난연성 이외에, 수산화마그네슘은 분자가 하기 반응식 (1)과 같이 분해될 경우 물을 방출하므로 연기의 배출을 억제하는데 도움을 줄 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 첨가제의 제조 방법의 블록 다이아그램인 도 1을 참고하면, 금속 수산화물 입자의 예비 처리를 나타내는 블록 (10) 내지 (40)으로 구성되는 제1 구역 및 첨가제 자체의 제조 방법을 나타내는 블록 (50) 및 (60)으로 구성되는 구역의 2개의 구역이 존재한다.

구역 I 또는 예비 처리 상에서, 블록 (10)은 첨가제의 제조에 사용될 난연 성분, 바람직하게는 금속 수산화물의 습윤 페이스트를 나타내며, 물이 존재하지 않을 것을 요구하는 일부 매우 특별한 분야의 경우에는 건조 분말 형태의 수산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 상기에서 언급된 바와 같이, 수산화물은 평균 크기가 1 나노미터 내지 10 마이크로미터이고 순도가 90％ 이상인 입자로 형성된다. 이 물질은 다음 블록에 첨가된다.

블록 (20)은 함유된 물을 제거하고 물을 "상용성" 유기 용매로 대체시킬 목적으로 금속 수산화물의 습윤 페이스트를 세척하는 "비히클의 변화"로서 지칭되는 작업, 즉 상들의 분리를 자극하지 않고 유기 용매가 최종 목적물 ("목적" 코팅제)의 용매 또는 희석제와 함께 혼입되는 것을 나타내며, 이것은 목적 코팅제와 접촉할 시에 덩어리의 형성을 막을 것이며, 상기 방법은 강한 교반으로 바람직하게는 5 내지 30분 동안 또는 필요한 시간 동안 수행된다. 혼합은 원주 속도가 2 m/sec 이상 및 30 m/sec 이하인 샤프 디스크 또는 다른 장치가 구비된 확산기를 사용하여 소용돌이 패턴의 교반으로 수행될 것이다. 교반 후, 상이 분리되고, 고체 상태에서 잔류 수분이 5％ 미만이 될 때까지 이 공정이 반복될 수 있다.

용매 또는 희석제의 특성 및 최종 목적물의 수지의 특성에 따라서, 블록 (15)에 나타낸 바와 같이 "비히클의 변화" 작업 (20) 전에 입자에 표면 처리 (16)을 제공하는 것이 필요하다고 평가될 경우, 목적 코팅제와 상용성인 통상적인 계면활성제를 사용하여 금속 수산화물을 반응시킬 수 있다.

"비히클의 변화”공정 (20)은 구역 II 내의 분산 단계 (50)에서 또는 코팅제에 혼입되거나 또는 처리될 표면 상에 코팅제를 적용할 시에 수산화물 입자들이 함께 뭉치지 않도록 한다.

결정 블록 (30)은, 목적 코팅제 중의 수지 및 용매 또는 희석제의 특성으로 인해서 첨가제 내의 허용 잔류 수분이 0에 가까운 매우 낮은 수준인 경우, "비히클의 변화" (20)이 완결되면, 고체 상을 건조 공정 (40)에 도입하며, 건조 단계에서의 작업 온도는 항상 비히클의 비점보다 낮아야 함을 나타낸다. 상기 작업은 목적 코팅제에 대한 허용되는 잔류 수분이 얻어질 때까지 계속된다.

작업 결과는, 이후의 첨가제 제조를 위해서 저장될 수 있는 "건조" 수산화물 분말이다. 상기 공정으로 얻은 생성물은 12 개월 동안 분산성의 "건조" 분말로 유지될 수 있다.

이전 단계에서, 최종 분야에서 수분 함량이 5％인 것이 용인되면, 블록 (30)으로 표시된 건조 단계는 생략한다.

이어서, 공정의 제1 상의 상기 두 단계 중 하나로부터 유래된 "건조" 또는 습윤 상태로 얻어진 생성물은 구역 II 내의 분산 공정 (50)으로 전달되며, 이것은 본 발명의 재료인 목적 코팅제에서 사용할 준비가 된 첨가제의 제조에 적절하다고 인지되었다.

이 단계에서, 블록 (20) 또는 (30)으로부터 유래된 페이스트 또는 "건조" 분말이 분산 공정 (50)에 첨가되며, 이 공정에서 상용성 수지 및 상용성 분산제가 하기 표에 따라서 목적 코팅제에 첨가된다.

분산 (50)은 원주 속도가 15 내지 30 m/sec인 교반기 또는 분산기로 수행된다. 혼합물의 점도는 바람직하게는 코팅제와 함께 사용될 동일한 기재이거나 적어도 이것과 상용성이어야 하는 용매 또는 희석제의 첨가에 의해서 목적 코팅제의 점도로 조정한다. 혼합물 중의 분산제의 백분율은 건조 기재 중의 수산화물을 기준으로 0.5 내지 10％로 유지된다.

분산 공정 (50)으로부터 얻은 생성물 (60)이 본 발명의 첨가제이며, 이 생성물은 금속 수산화물이 99 중량％ 이하인 바람직한 형태의 제형일 수 있다.

본 발명의 방법에 의해서 얻는 첨가제가 갖는 이점 중에는, 단계 (20)에서의 비히클의 변화 처리 및 단계 (50)에서의 수지 및 분산제와의 혼합의 결과, 생성물이 상기 표에 따른 적절한 분산제, 수지 및 계면활성제를 선택하여 제조된 목적 코팅제와 완전히 상용성이며, 또한 형성된 금속 수산화물 입자의 분산액이 매우 높은 균질성을 유지한다는 것이 포함된다. 목적 코팅제에 첨가되는 경우, 첨가제는 신속하고 쉽게 융합될 것이며, 이것이 입자가 전체 부피에 걸쳐서 균질성을 유지하게 하고, 이로 인해서 보호할 표면 상에 적용한 후 코팅 층에서 균질성이 유지된다.

투명한 마감재에서 유용한 본 발명의 바람직한 수단에서, 변동이 적고 (단분산성이고) 평균 크기가 나노입자인 입자가 사용되며, 이의 사용에 의해 바니쉬의 투명도 특성이 변화되지 않으며, 이것은 보다 큰 크기의 입자 또는 불균일한 샘플 또는 넓게 분산된 샘플을 사용할 경우 보장되지 않는다.

이러한 이유로 인해서, 투명한 바니쉬를 위한 첨가제의 제조에서는, 평균 크기 범위가 매우 작은 입자를 사용하는 것이 제안된다. 동일한 방식으로, 불투명한 코팅제의 경우, 보다 큰 크기의 입자를 사용할 수 있으며, 텍스쳐화(texturized) 마감재에서는 매우 큰 범위의 입자를 사용할 수 있다.

매우 큰 범위 (10 마이크로미터)의 입자의 사용은 보호할 표면 상의 코팅 층에서 균질하게 분포되지 않으며, 이로 인해서 난연 효율이 상당히 감소된다.

하기 표 2에 일반적인 분야에서 사용되는 각종 통상적인 코팅제 부류에 추천되는 물질 및 파라미터 값의 선택을 요약하였고, 이는 본 발명에 따른 절차에 따라서 첨가제를 제조하는 것을 가능하게 하고, 목적 코팅제에 혼입되기 쉽고, 난연 및 연기 억제 성분 입자의 균질(균일)한 분포 및 코팅제의 목적하는 특성을 보존하는 등의 특성을 제공할 것이다.

표 1 및 표 2의 데이터의 사용을 보다 쉽게 이해하기 위해서, 하기 실시예는 표준 ASTM D1360에 따라서 수행하였다. 이들은 본 발명의 절차에 따른 첨가제의 제조를 위한 다양한 대안의 예시이다.

실시예 1. 알키드 기재의 코팅제에 사용하기 위한, 잔류 수분이 5％ 미만인 첨가제의 제조.

1. 입자 크기 분포 (카울터(COULTER) LS 230으로 시판되는 기계에서 레이저 회절에 의해서 측정)가 D ₁₀ , 59.0 nm; D ₅₀ , 92.7 nm; D ₉₀ , 153 nm이고 수분이 65％인 나노미터 수준의 수산화마그네슘를 분리하였다. 예시의 목적으로, 본 출원인은 1200 그램을 사용하였다.

2. 배출구가 있는 6 리터 용기에 수산화마그네슘을 넣었다.

3. 에틸렌 글리콜 부틸 에테르 3600 그램을 붓고, 원주 속도가 5 내지 30 m/sec인 분산 추진기로 교반하였다 (분산시켰다). 교반 (분산)을 5 내지 15 분 동안 유지시켰다.

4. 원심분리기, 디캔터(decanter), 여과기 또는 액체로부터 고체를 분리하는 다른 수단을 사용하여, 분리를 완결시키기 위해 선택된 장비의 성능에 따라서 액체 부분을 가능한 많이 제거하였다.

5. 물질의 수분 함량이 5％ 미만이 될 때까지, 얻은 페이스트로 단계 3 및 4를 반복하였다.

6. 이어서, 단계 5로부터의 페이스트를 적절한 건조 기계에 넣고, 유기 용매를 제거하였다. 건조기는 용매의 비점보다 높은 온도에서 작동되지 않아야 하며, 이것은 얻은 수산화마그네슘 분말이 입자의 크기를 변화시키지 않으며 난연성 첨가제에의 이의 융합을 효과적이게 할 것이다.

7. 알키드 수지 590 그램을 주둥이가 없는 1.0 리터 버젤리어스(Berzelius) 비이커에 넣었다.

8. 비이커를 분산을 위한 추진체 및 변류기(deflector)가 구비된 분산 장치에 넣었다.

9. 수지를 원주 속도가 1 내지 5 m/s인 온화한 속도에서 교반하였다.

10. 수지와 상용성인 분산제 DCM-305 (산 기가 있는 공중합체) 10 그램을 부었다.

11. 이것에 단계 6에서 얻은 수산화마그네슘 400 그램을 넣었다.

12. 수산화마그네슘이 완전히 습윤될 때까지 매질을 계속 교반하였다.

13. 혼합물이 균질해지면, 효율적인 분포를 보장하는 충분한 전단 속도 (원주 속도가 15 내지 30 m/s)를 가질 때까지 분산기의 속도를 증가시켰다.

14. 15분 동안 또는 적용 미세도에 도달하는데 필요한 시간 동안 분산을 유지시켰다.

실시예 2. 5％ 미만의 잔류 수분이 요구되는 니트로셀룰로오스 기재 코팅제에 사용하기 위한 첨가제의 제조.

1. 니트로셀룰로오스 수지 490 그램을 주둥이가 없는 1.0 리터 버젤리어스 비이커에 넣었다.

2. 분산을 위한 추진체 (직경 7 센티미터) 및 변류기가 구비된 분산 장치에 비이커를 넣었다.

3. 수지를 온화한 속도에서 교반하였다.

4. 수지와 상용성인 분산제 DCM-305 (산 기가 있는 공중합체) 10 그램을 부었다.

5. 평균 입자 크기가 100 나노미터인 건조 수산화마그네슘 400 그램을 넣었다.

6. 수산화마그네슘이 완전히 습윤될 때까지 온화하게 계속 교반하였다.

7. 혼합물이 균질해지면, 효율적인 분포를 보장하는 충분한 전단 속도 (원주 속도 15 내지 30 m/s)를 가질 때까지 분산기의 속도를 증가시켰다.

8. 15분 동안 또는 적용 미세도에 도달하는데 필요한 시간 동안 분산을 유지시켰다.

실시예 1에서 제조된 알키드 바니쉬용 난연성 첨가제는 시판되는 임의의 알키드 바니쉬와 상이한 비율로 혼합할 수 있다. 또한, 실시예 2에서 제조된 니트로셀루로오스 기재 실러용 난연성 첨가제는 시판되는 임의의 니트로셀룰로오스 기재 실러와 혼합할 수 있다.

가장 일반적으로는, 목재로 제조된 제품용 바니쉬에서, 실러를 바니쉬로서 종종 사용할 수 있다. 표 3에 실시예 1 및 2에서 제조한 난연성 첨가제와 혼합된 실러 및 바니쉬의 상이한 조합 및 ASTM D1360에 따른 화염 시험에 이들을 적용한 결과를 나타내었다.

하기 표 4에 상이한 유형의 코팅제에 적용되는 상이한 유형의 수지와 함께 제조된 첨가제의 예를 나타내었다

상기 시험의 수산화마그네슘이 있는 첨가제의 목재 코팅제에서의 사용 효과를 하기 표 5에 나타내었다. 이는 상기 절차에 따라서 제조된 첨가제의 적용 예의 결과를 나타낸다.

코팅제가 수산화마그네슘을 포함하는 경우 난연성 효과를 명백하게 관찰할 수 있었다. 물리적 시험에서, 코팅제의 적용 후에 본 발명의 첨가제가 있는 코팅의 최종 외관은 첨가제가 없는 코팅의 외관에 비해서 변하지 않았으며, 이것은 바니쉬와 같은 높은 투명성을 갖는 코팅의 경우에도 명백하였다.

이러한 관점에서, 수산화물 입자의 크기뿐만 아니라 크기의 균일성 및 적용된 최종 코팅 층에서의 입자 분포의 균일성이 중요하다.

상기 실시예를 통해서 기재되고 설명된 바와 같이, 본 발명은 첨가제가 첨가되는 코팅제의 특성에 영향을 주지 않으면서, 난연성 및 연기 억제성을 갖는 첨가제의 제조 방법에 관한 것이다.

당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 실시예에서 표면, 특히 목재 및 이의 파생물을 보호하기 위한 일반적인 코팅제를 사용하였으며, 이들 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며 본 발명의 예시이고, 다른 표면에 적용하기 위한 다른 코팅제에서 첨가제의 사용은 본 발명의 범위 내이며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위에 비추어 고려되어야 한다.