천연 옻성분이 함유된 주방용기 코팅제{A coating agent containing natural sumac component for cooking vessel}

본 발명은 주방에서 밀접하게 사용되고 있는 조리기구용 코팅제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체에 유효한 원적외선과 음이온이 방출됨과 동시에 살균효과가 탁월한 천연 옻 성분이 함유된 주방용기 코팅제에 관한 것이다.

일반적으로, 전기, 전자제품 케이스, 생활용품으로 사용되는 냄비, 그릇, 컵, 식판, 등기구 커버, 위생용기 등의 제품은 현재 프라스틱, 스테인레스강, 알루미늄 합금 등의 소재로 다양한 형태로 제조되고 있다, 이와 같은 제품은 일상생활에서 가장 많이 접촉되는데, 이에 따라 인체에 무해하고 위생적인 소재의 사용이 무엇보다 중요하다.

각종 식생활에 밀접한 관련이 있는 전자렌지, 고기구이 판, 냄비, 프라이팬 등과 같은 각종 조리용품이나, 드럼형 세탁기, 히터, 선풍기, 냉장고, 다리미 등과 같은 생활가전용품, 건축재, 건강보조기구, 산업용품 등의 기능성을 향상시키기 위한 표면 코팅제가 다양하게 개발되어 사용되고 있다.

특히, 조리용품이나 생활가전용품의 경우에는 내산성, 내마모성, 내구성, 내열성, 내부식성 등이 주로 요구되고, 제품의 용도에 알맞는 특수 목적의 기능성을 주로 요구하고 있다. 이들 코팅제는 사용용도에 따라 항균수지도료, 산화착색 또는 무기질 법랑의 소성도료 등으로 구분되어 진다.

일예로 국내에서 제품으로 출시되어 있는 조리용품의 경우, 내열성을 향상시키고 부식등을 방지하기 위해 법랑 코팅된 조리기구가 다수 제안되어 있으나, 여기에서 사용되는 코팅제들은 내식성, 내마모성, 내열성등이 우수하도록 한 것에 촛점이 맞추어져 있으며, 비점착성(non-stick)이나 청소용이성 기능이 부여된 코팅제는 아니다. 특히, 무기질 법랑 코팅제의 경우, 건조온도가 850 ~ 1200℃의 고온이므로 제품의 열변형이 일어날 수 있기 때문에 사용시의 제약을 받고 있다.

최근에는 수지물에 기능재료를 혼합하여 각종 생활제품에 응용하고자 하는 연구가 매우 활발하게 진행되고 있기는 하지만, 이러한 종래의 코팅제들을 응용하는 기술들은 각각 그 특성에 따라서 적용범위가 한정되어 있거나, 사용된 물질이 서로 다른조성을 가지고 있는 경우로서, 광범위하게 응용하지 못하고 있다. 특히, 지금까지 제안된 코팅제들은 일상생활에 밀접한 생활용품에 적용되고 있기는 하지만, 그 기능이 극히 미미하여 효과를 제대로 발휘하고 있지 못할 뿐만 아니라, 그 사용범위도 극히 제한되는 문제점이 있었다.

종래의 코팅제중 비점착성이 우수한 물질로는 불소수지의 일종인 테프론(Teflon, PTFE)으로서 비록 경도가 약하고(2H 이하), 연속 사용온도는 낮지만(320℃ 이하), 아직까지 특별한 대체 물질이 없어 그 사용량은 계속 증대되어 왔다. 그러나, 현재 미국의 환경단체인 Environmental Working Group(EWG)에서는 테프론이 코팅되어 있는 용기로 가열조리시 발생하는 독가스에 카나리아새가 즉사했다는 시험내용을 발표하였다.

또한, 80년대 말에 등장한 세라믹코팅제는 세라믹 분말을 열융사방식으로 코팅함으로써 내열성, 내수성, 내유성, 내화학성, 경도, 내마모성 등이 우수하여 건축용, 열기분야 등에 사용되어 왔으나, 비점착성 및 내오염성이 불소수지보다 떨어져 주방용 내부 코팅 및 산업용의 특수 코팅분야에는 그 사용량이 미미한 실정이다.

본원출원인에 의해 등록된 특허 제0518163호에서는 금속 또는 플라스틱 기재의 표면에 코팅하여 위생적으로 양호하고, 인체에 무해하며, 비점착성 및 청소용이성 기능을 강화함으로써 그 최종 제품이 요구하는 물성을 만족할 수 있는 무기질 세라믹 코팅제를 제안한바 있다.

그러나, 상기한 특허와 같이 원적외선과 음이온이 방출되며 청소용이성을 갖는 우수한 코팅제 뿐만 아니라 다양한 기능성 코팅제가 출시되고 있음에도 불구하고, 주방용기의 표면에 부착되어 있는 세균들이 번식하는 것을 원천적으로 차단할 수 없는 문제점을 내포하고 있다.

한편, 옻은 약용으로 쓰이기도 하지만, 예로부터 목제품용 도료로도 사용되어 왔다. 옻칠은 경화된 다음에는 열이나 직사광선에 강하고, 내약품성이 우수할 뿐만 아니라 경도가 높기 때문에 도막이 오랫 동안 변질, 손상되지 않고 초기의 상태를 유지하는 장점이 있다. 이러한 옻칠은 제기 등과 같은 목제품에 주로 사용되는데, 목제품에 옻칠을 하면, 옻이 목제품의 섬유질 사이로 침투되어 옻칠이 목제품과 일체화되므로 옻칠이 목제품에서 쉽게 벗겨지지 않는다,

이와 같이 목제품에는 옻칠에 의해 견고한 도막이 형성되나, 목제품과 달리 표면이 매끄럽고 표면에 기공이 없는 금속제품에는 옻칠이 쉽게 벗겨지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 건조온도가 60 ~ 160℃ 범위인 비교적 저온에서 소성이 가능한 무기질 세라믹 코팅제에 세균번식을 방지할 수 있는 천연 옻성분을 첨가한 코팅제를 주방용기에 코팅함으로써 위생적인 주방용기 제품을 생산할 수 있는 천연 옻 성분이 함유된 주방용기 코팅제를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 청소용이성과 비점착 특성을 가지며 인체에 유효한 원적외선과 음이온이 방출될 수 있도록 기능성이 부가된 주방용기 코팅제를 제공함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 비교적 저온에서 소성이 가능하므로 금속제 용기 뿐만 아니라 플라스틱 용기와 같은 재질의 주방용기 표면에 용이하게 코팅할 수 있는 천연 옻 성분이 함유된 주방용기 코팅제를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 실란(silane) 하나 이상 또는 그로부터 파생된 올리고머(oligomer)를, 소정 마이크론 크기의 산화규소(SiO ₂ ) 입자 및/또는 알칼리 및 알칼리 토금속의 산화물 및 수산화물로 구성되는 군으로부터 선택된 화합물 하나 이상의 존재하에 가수분해 및 축중합한 무기질 용액 65 ~ 78 wt%, 도막의 물리,화학적 특성을 개선시키기 위한 기능성 충진제 10 ~ 19wt%, 색상을 내기 위한 안료분 1 ~ 2wt%, 광촉매기능을 발휘할 수 있는 나노사이즈의 티타늄옥사이드 0.5 ~ 10wt%, 슬립성 및 청소성을 보완 할 수 있는 실리콘계 오일 중합체 2 ~ 15wt% 및 살균효과를 발휘하기 위한 천연 옻성분 0.5 ~ 5wt%를 혼합하여 얻어진 주방용기 코팅제를 제공한다.

여기서, 상기 무기질 용액은 메틸트리메톡시실란 또는 테트라에톡시실란중 선택된 적어도 하나의 물질 100중량부에 대하여, 플로로실란 1 ~10중량부를 혼합하고, 여기에 실리카졸을 40 ~ 50 중량부를 첨가하여 소정시간동안 교반한 후, 발열반응에 의해 얻어진 용액을 사용한 것을 특징으로 한다.

또한, 실리콘계 오일 중합체는 슬립성과 내마모성을 부여할 수 있는 재질로서 예를들면 수용성 실리콘 오일로 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 나노사이즈의 티타늄옥사이드의 입자크기는 1 ~ 100nm인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 졸 - 겔 공법을 이용하여 플로로실란을 함유한 무기질 용액에 실리콘 중합체를 처방하여 얻어진 코팅제에 천연 옻성분을 첨가하여 주방용품에 적용함으로써 세균번식을 방지할 수 있는 항균, 방충효과가 우수하고 변색을 방지할 수 있는 위생적인 주방용품을 생산할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 원적외선 방사 효과, 비점착성 및 청소용이성 효과가 탁월하여 그 응용 제품의 기능을 극대화할 수 있으며, 옻 특유의 특성으로 인하여 은은하고 자연스러운 흑갈색 무늬가 형성되어 외관이 미려고 변색이 방지되는 주방용품을 생산할 수 있다.

셋째, 본 발명은 건조온도가 상온에서 160℃ 범위의 비교적 저온소성이 가능하고, 표면 코팅제로서 위생적으로 양호하고, 인체에 유익한 기능을 발휘하므로 금속재 용기 뿐만 아니라 플라스틱 재질의 주방용기의 표면 코팅제로 활용이 용이하다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 주방용기 코팅제는 세라믹 코팅제가 갖는 고유 물성에 비점착성과 청소용이성과 같은 물성을 가짐과 동시에 인체에 유효한 원적외선 및 음이온이 방출되고, 세균번식을 방지할 수 있는 천연 옻성분을 합성수지나 금속 기재의 표면에 코팅하여 최종 용기제품의 기능성을 향상시킬 수 있도록 구현한 것이다.

본 발명의 코팅제 조성물에 대해 설명하기에 앞서 하기의 [화학식1]을 참조하여 무기질 용액의 출발물질 구조와 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.

[화학식1]

R _n Si(OR') _4-n : 알콕시 실란으로서

여기서, R = 알킬기로 메틸기, 에틸기, 페닐기, CF ₃ CH ₂ CH ₂ , CF ₃ (CF ₂ ) ₅ CH ₂ CH ₂ , CF ₃ (CF ₂ ) ₇ CH ₂ CH _2, 등이고, R'= 메틸기, 에틸기, 페닐기 등이다.

위의 식 중 OR'은 가수분해성의 알콕시기로 물 또는 공기중의 수분, 소재표면의 흡착 수분에 의해서 가수분해되어 실라놀기(Si-OH)를 생성한다. 이 실라놀기는 다시 소재의 표면(M-OH) 사이에 옥산 결합(Si-OM)을 형성하여 소재와 결합된다.

여기서, 반응의 제어는 촉매, 용제, 물의 량 등으로 반응 속도를 조정하여 바인더화하고, 상기 바인더에 실리콘계 오일, 충진제, 무기안료, 점도조정제, 기능성 첨가제, 침강방지제, 용제 등을 넣은 후 분산하여 가장 사용하기 적합한 코팅제로 만들게 된다.

본 발명의 비점착성 코팅제의 원리는 다음과 같다.

본 발명은 규소-산소로 이루어진 안정된 무기질 축에 불소가 무기질 규소와 강력한 결합을 하고 있다.

이는 하기의 <표1>에서 보인 바와 같이 결합에너지가 높기 때문에 열에 안정된 특성을 발현하며, 규소 및 불소가 갖는 특성으로부터 비점착성, 내수성, 내화학성, 내마모성, 고경도의 특성이 나타난다.

또한, 규소-산소-규소(Si-O-Si) 결합은 유연하고 탄력성이 있어 내한성 및 반복적인 열충격성이 매우 뛰어나게 된다. 여기에 실리콘계 오일 중합체를 후첨하여 그 기능을 보강해 준다.

또한, <표2>에 보인 바와 같이 코팅제의 주골격을 이루는 구조 중 알킬기에 불소의 치환정도가 높을수록 임계표면의 장력이 낮아(액체의 접촉각은 커짐)짐에 따라 용매 등에 젖기 어렵고, 비점착성(Non-stick)은 양호하게 되는 표면특성을 갖는다. 이러한 구조적인 특성은 비점착성 이외 발수성, 내수성 및 발유성도 양호하게 된다.

상기에서 기술된 물질의 구조와 원리를 토대로 본 발명에 의한 무기질 세라믹 코팅제 조성물의 제조과정을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

(실시예)

본 발명에 의한 코팅제 조성물은 하기의 [화학식 2]의 실란 하나 이상 또는 그로부터 파생된 올리고머를, 마이크론 크기의 산화규소(SiO ₂ ) 입자 및/또는 알칼리 및 알칼리 토금속의 산화물 및 수산화물로 구성되는 군으로부터 선택된 화합물 하나 이상의 존재하에 가수분해 및 축중합시킨 후, 상기 축중합된 무기질 용액 65 ~ 78 wt%에 도막의 물리화학적 특성을 개선시킬 수 있도록 하기 위한 기능성 충진제 10 ~ 19wt%와, 색상을 내기 위한 안료분 1 ~ 2wt% 및 내마모성과 청소용이성을 보완해 줄 수 있는 실리콘계 오일 중합체 2 ~ 15wt% 및 천연 옻성분 0.5~5wt%을 첨가하여 얻어진다.

본 발명은 상기한 바와 같은 코팅제 조성물을 금속 또는 플라스틱 기재의 표면에 도포하고 열적으로 고밀화시켜 무기질 도막을 형성하게 된다.

[화학식 2]

RnSiX4-n

여기서, X는 서로 같거나 다르고, 가수분해 가능한 기 또는 히드록시기이고, 라디칼 R은 서로 같거나 다르고, 수소, 탄소 수 10미만의 알킬기를 나타내고, n은 0, 1 또는 2인 실란이 하나 이상 사용된다.

상기 무기질 용액은 일예로 메틸트리메톡시실란 또는 테트라에톡시실란중 선택된 하나의 물질 100중량부에 대하여, 실리카졸 30 ~ 50중량부를 혼합하여 제조한다. 또한, 다른 예로는 상기 메틸트리메톡시실란 또는 테트라에톡시실란중 선택된 하나의 물질 100중량부에 대하여, 플로로실란 1 ~ 10중량부를 혼합하고, 여기에 다시 실리카졸 30 ~ 50중량부를 혼합하여 제조한다.

상기 메틸트리메톡시실란과 테트라에톡시실란을 혼합하여 바인더 역할을 하는 결합제로 제조할 경우에는 메틸트리메톡시실란 : 테트라에톡시실란의 비를 2:1(바람직하기로는 33 ~ 47wt% : 17 ~ 23wt%의 비율)로 혼합하여 제조한다.

이때, 상기 무기질 용액인 결합제에 있어 메틸트리메톡시실란과 테트라에톡시실란이 각각 33 ~ 47wt% 및 17 ~ 23wt% 범위 이하로 투입될 경우, 반응성이 저하되며, 상기 범위 이상 투입될 경우 과반응이 일어나 결합제로서의 물성이 떨어지기 때문에 상기의 범위내에서 투입되어야만 물성이 가장 좋은 결합제를 얻을 수 있다.

또한, 실리카졸이 30 ~ 50wt% 범위 이하 또는 이상으로 첨가될 경우, 상기 메틸트리메톡시실란과 테트라에톡시실란 간에 실리콘-산소-금속(Si-O-Metal)의 결합력이 약하여 고열에서 박리되는 현상이 발생되기 때문에 상기의 범위내에서 혼합하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 바인더 혼합물 제조공정 진행시, 용액의 점도 및 반응속도를 조절하기 위하여 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 또는 알코올 혼합물중 선택된 어느 하나를 10 ~ 15wt%범위내에서 투입하여 조절할 수 있다.

상기 기능성 첨가제로서는 티탄산칼륨이나 알루미나등을 사용하여 내구성, 내노화성, 내마모성과 같은 물리화학적인 특성을 강화한다. 또한, 석영-몬조나이트, 편마암류 및 유문암질 응회암의 천연광물질군으로부터 선택된 하나 이상의 원적외선 광물질이나, 토르말린, 황토, 견운모, 자수정, 생광석, 죽탄, 의왕석, 귀양석, 흑요석, 맥반석, 광명석, 용암, 귀신석중 선택된 하나 이상의 천연석 재질 또는 해조탄, 비장탄중 선택된 하나 이상의 숯탄 재질로 이루어진 원적외선 및 음이온 광물질과, 광촉매물질등을 첨가하여 특별한 기능을 부가할 수 있다. 이들은 입자형태가 침상 또는 판상으로 되어 있어, 결합제 사이에서 도막의 크랙을 방지하거나 코팅제의 점도를 조절해 주는 역할을 하게 된다. 이러한 기능성 첨가제는 전체중량부에 대하여 10wt% 이하로 첨가될 경우, 광택이나 접착력의 저하를 야기할 수 있으며, 전체 중량부에 대하여 19wt% 이상 첨가될 경우, 도막의 표면이 거칠게 되는 등 오히려 악영향을 주기 때문에 전체중량부에 대하여 10 ~ 19wt% 범위내에서 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 실리콘계 오일 중합체는 슬립성(청소용이성)과 내마모성을 부여하기 위한 것으로, 예를들면 수용성 실리콘 오일중 선택된 하나 이상의 재질로 이루어진다.

이러한 실리콘계 오일 중합체는 전체 중량부에 대하여 2wt% 이하로 첨가될 경우 슬립성과 내마모성을 향상시키는 효과가 극히 미미하고, 또 전체 중량부에 대하여 15wt%이상으로 첨가될 경우 도막의 상태변화 및 접착력이 저하될 수 있으므로 전체중량부에 대하여 2 ~ 15wt% 범위내에서 첨가하는 것이 슬립성과 내마모성을 향상시키고 도막의 상태변화 방지는 물론, 접착력을 강하게 유지할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기의 혼합물에 입자크기가 1 ~ 100nm의 크기를 갖는 미립자 티타늄 옥사이드 0.5 ~ 10wt%가 더 첨가되어 광촉매 기능을 발휘할 수 있도록 한다.

상기 티타늄 옥사이드의 첨가비율중 전체중량부에 대하여 0.5wt%이하일 때에는 광촉매로서의 기능을 발휘하지 못하고, 10wt%이상일때에는 매우 고가인 광촉매의 기능부여란 경제성의 의미가 떨어진다.

또한, 광촉매기능을 발휘하기 위해서는 상기 티탄늄 옥사이드의 입자크기가 1 ~ 100nm의 것을 사용해야 한다.

상기 옻성분의 첨가비율중 전체 중량부에 대하여 0.5wt%이하일 때에는 항균, 방충효과가 미미하고, 5wt%이상일 때에는 경제성의 의미가 떨어진다.

상기와 같은 조성물로 이루어진 본 발명의 제조과정을 설명한다.

먼저, 코팅제의 주제로 하는 무기질 용액은 다음과 같이 제조한다.

본 실시예에서는 일예로 산화규소(SiO ₂ ) 졸의 제조과정을 설명한다.

메틸트리메톡시실란 또는 테트라에톡시실란중 적어도 선택된 하나의 물질 또는 혼합물질(메틸트리메톡시실란: 테트라에톡시실란이 33 ~ 47 : 17 ~ 23wt의 비율로 혼합된 물질) 100중량부에 대하여, 플로로실란 1 ~ 10중량부를 혼합하고, 여기에 실리카졸 30 ~ 50중량부를 혼합하여 교반시킨다. 상기 혼합용액은 화학반응에 의해 약 40 ~ 50℃에서 발열반응이 일어나며, 반응 중 혼탁한 상태에서 약 5 ~10분 후 맑은 투명액이 된다. 이때, 용액의 점도 및 반응 속도를 조절하기 위하여 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 또는 알코올 혼합물중 선택된 어느 하나를 10 ~ 15wt%범위내에서 투입하여 조정할 수 있으며, 이러한 공정을 거쳐 졸(sol)상태의 무기질 용액이 제조된다.

상기와 같은 제조공정을 통해 결합제와 실리카졸이 서로 결합되어 이루어진 무기질 용액에 도막의 물리 화학적 특성을 높이기 위해, 상기 무기질 용액 65 ~ 78wt%에, 티탄산 칼륨 또는 알루미나중 선택된 적어도 하나이상의 기능성 충진 물질 10 ~ 19wt와, 색상을 내기 위한 안료분 1 ~ 2wt%와, 광촉매성을 부여하기 위해 1 ~ 100nm크기의 티타늄 옥사이드 0.5 ~ 10wt%, 실리콘계 오일 중합체 2 ~ 15wt% 및 옻성분 0.5∼5wt%를 반응기에 투입하여 혼합하게 되면 화학반응에 의해 무기질 세라믹 혼합물이 형성된다.

이때, 상기 실리콘계 오일 중합체는 수용성이어야 하며, 막 형성후 그 기능이 유지되어야 한다.

상기 무기질 세라믹 혼합물 제조공정을 통해 만들어진 혼합액을 1차 교반후, 다시 균질기(Homogenizer)에 넣고 약 1 ~ 2시간 고속 교반하면서 입자가 균일화되도록 한 후, 약 325 ~ 1000메쉬(Mesh)의 망을 통과시켜 걸러진 입자를 코팅제로서 추출하는 혼합 및 여과공정을 실행하여 코팅제 제조를 완료한다.

상기와 같은 일련의 공정에 의해 제조된 본 발명의 무기질 세라믹 코팅제 조성물을각종 주방용기 기재 표면에 노즐 구경 1.0 ~ 1.2의 스프레이 건(gun)을 사용하여 압력 6 ~ 7㎏/㎤ 하에서 30±5㎛ 두께로 도포한 다음, 160 ~ 180℃에서 20 ~ 30분 동안 소성시키게 되면, 실리콘-산소-금속(Si-O-Metal) 결합을 형성하여 화학적으로 단단하게 결합된다.

상기 무기질 세라믹 코팅제 조성물이 코팅된 기재에 열을 가할 경우 코팅제내에 함유된 각종 무기성분이 층밀구조를 형성하여 실리콘-산소-금속 결합이 더욱 단단한 세라믹 막을 형성하게 됨으로써 기재와 코팅층이 서로 박리되는 현상은 발생되지 않는다.

하기의 <표3> 내지 <표5>는 본 발명의 코팅제를 각종 생활용품에 적용한 시험성적서이다.

접수번호 TBH-000710 / 한국화학시험연구원 / 2003.11.14

접수번호 TAH-003725 / 한국화학시험연구원 / 2003.11.11

접수번호 TBH-000715 / 한국화학시험연구원 / 2003.11.22

이상, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정하는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 여러 가지 변경, 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.