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KR100564264B1 - 폴리알콕시실옥산 화합물, 그의 제조방법 및 그를 함유하는 피복 조성물 - Google Patents

폴리알콕시실옥산 화합물, 그의 제조방법 및 그를 함유하는 피복 조성물 Download PDF

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KR100564264B1
KR100564264B1 KR1019997007328A KR19997007328A KR100564264B1 KR 100564264 B1 KR100564264 B1 KR 100564264B1 KR 1019997007328 A KR1019997007328 A KR 1019997007328A KR 19997007328 A KR19997007328 A KR 19997007328A KR 100564264 B1 KR100564264 B1 KR 100564264B1
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KR
South Korea
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composition
coating
compound
polyalkoxysiloxane
resistance
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KR1019997007328A
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다나까세이치로
사와이타케시
고바야시히로시
오오바겐지
세키구치마키코
마쯔조에노부유키
카쯔마타하루오
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미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤
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Abstract

하기 성분 (A) 및 (B)를 함유하는 폴리알콕시실옥산 화합물:
성분 (A): 시성식 SiOx(OR1)y(OR2)z 으로 표시되는 폴리알콕시실옥산 화합물 (상기에서, z/(y+z)=0.05 내지 0.5 몰비, 0.5 ≤x ≤1.5, 2x + y + z = 4, R1은 메틸, 에틸 또는 이들의 혼합물이고, R2는 R1과 다른 유기기이다.) 또
성분 (B): 시성식 SiOx(OR1)y(OR2)z 으로 표시되는 폴리알콕시실옥산 화합물 (상기에서, 0.5 ≤x ≤1.5, 2x + y + z = 4, R1은 메틸 및/또는 에틸이고, R2는 3 내지 4의 탄소수를 갖는 하나 이상의 알킬기이다.)
이러한 폴리알콕시실옥산 화합물은 피복 형성용 조성물 또는 수성 유제 형성용 조성물에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

폴리알콕시실옥산 화합물, 그의 제조방법 및 그를 함유하는 피복 조성물 {POLYALKOXYSILOXANE COMPOUNDS, PREPARATION PROCESS THEREOF AND COATING COMPOSITIONS THE SAME}
본 발명은 기존의 도료, 코팅액 또는 다양한 형태의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수지 조성물에 배합될 때, 성분의 저장 안정성 및 상용성을 저하시키지 않고, 피복 또는 피복 필름에 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내산성, 내열성, 내수성 및 내용매성과 같은 기능을 제공할 수 있거나, 제공하기에 유용한 신규 폴리알콕시실옥산 화합물에 관한 것이다.
본 발명은 또한 기존의 수계 도료 (water-based coatings) 또는 수성 코팅액에 배합될 때, 저장 안정성 및 상용성을 유지할 수 있고, 수득되는 피복 또는 피복 필름에 내오염성 및 내후성과 같은 기능을 제공할 수 있는 상기의 폴리알콕시실옥산 화합물을 함유하는 신규한 수성 유제-형성 조성물에 관한 것이다.
최근에, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란 및 테트라부톡시실란 등을 부분 가수분해/축합시켜 얻어지는 알콕시기를 갖는 저-분자량 폴리알콕시실옥산 화합물의 사용이 공업 분야에서 점점 늘어나고 있다. 예를 들어, "MKC 규산염 MS51" 및 "MKC 규산염 MS56"은 테트라메톡시실란의 부분 가수분해/축합 생성물로서 미쯔비 시 케미컬 코포레이숀 사에 의해 제조되어 판매되어 왔다. 이러한 테트라메톡시실란의 부분 가수분해/축합 생성물은 피복 또는 피복 필름에 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내산성 및 내열성과 같은 유용한 기능을 제공하기 위하여 분말의 표면 처리 및 다양한 다른 유형의 기재에 도포되는 도료, 코팅액 및 무기 분말과 같은 충전제를 함유하는 수지 조성물에 부가된다.
그러나, 도료, 코팅액 또는 수지 조성물에 테트라메톡시실란의 부분 가수분해/축합 생성물을 부가하는 것은 그들의 저장 안정성에 영향을 끼칠 수 있다. 상세하게는, 그러한 부가는 점도의 증가 및 도포를 하는 과정 또는 피복을 저장하는 동안 도료 또는 피복 조성물의 고화(caking) 유발과 같은 문제의 원인이 된다.
테트라에톡시실란의 부분 가수분해/축합 생성물로서 "에틸 규산염 ES40" 콜코트사, 테트라부톡시실란의 부분 가수분해/축합 생성물로서 "MKC 규산염 BTS" (미쯔비시사)가 상업적으로 제조되어 판매되고 있다. 이러한 알콕시실란 및 그들의 부분 가수분해/축합 생성물이 상기의 도료에 부가 될 때 점도의 증가 및 고화를 유발할 가능성은 적다. 그러나, 어떤 경우에는 최종적으로 수득한 피복에 내오염성, 내찰상성 및 내열성 등과 같은 기대하는 기능을 제공하지 못할 수 도 있다. 특히 이러한 피복은 경도면에서 만족스럽지 못하다.
도료에 배합될 때, 저장 안정성 및 상용성을 유지하거나 향상시킬 수 있고, 또한 최종적으로 수득한 피복 또는 피복 필름에 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내산성 및 내열성과 같은 기능을 제공할 수 있는 알콕시실란 화합물의 부분 가수분해/축합 생성물을 제공하는 것이 바람직하다.
특히, 이러한 알콕시실란 또는 이들의 부분 가수분해/축합 생성물이 수계 도료에 배합될 때, 피복 또는 피복 필름에서 성분의 상용성 감소, 점도 증가, 겔화 및 시싱 (cissing)과 같은 문제를 발생시키고, 결과적으로 피복의 모양을 손상시키며, 이러한 문제는 수계 도료에 상기 생성물을 사용하지 못하도록 했다. 최근에, 용매-기재 도료가 환경 보호 및 안전을 위해 수계 도료로 변경되었으며, 이에 따라 수계 도료에 배합되었을 때, 저장 안정성을 손상시키지 않고, 피복에 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내산성, 내수성 및 내용매성 등과 같은 기능을 제공할 수 있는 현저한 효과를 나타내는 알콕시실란 화합물의 부분 가수분해/축합 생성물을 제공하는 것이 요구되어 왔다.
상기 문제를 해결하기 위한 본 발명자들의 연구 결과로, 특정 시성식으로 표현되는 폴리알콕시실옥산 화합물이 피복의 내오염성과 같은 기능 향상에 탁월한 효과를 갖고, 또한 다양한 형태의 성분 물질과 배합될 때 액체 상태에서 저장 안정성을 유지할 수 있다는 것을 발견하였다. 또한 이러한 폴리알콕시실옥산 화합물이 폴리알콕시폴리실옥산으로 유용하게 사용되었던 다양한 형태의 테트라알콕시실란의 부분 가수분해/축합 생성물에 비하여 분자량이 매우 증가되어도 안정한 액체 상태를 유지할 수 있음을 발견하였다.
본 발명은 상기 발견을 기초로 하여 달성되었으며, 일례를 하기에 설명한다.
본 발명의 제 1 요지는 하기 시성식으로 표현되는 폴리알콕시실옥산 화합물을 제공하는 것에 있다:
SiOx(OR1)y(OR2)z
상기에서, z/(y+z)=0.05 내지 0.5 몰비, 0.5 ≤x ≤1.5, 2x + y + z = 4, R1은 메틸, 에틸 또는 이들의 혼합물이고, R2는 R1과 다른 유기기이다.
본 발명의 제 2 요지는 하기의 시성식으로 표현되는 폴리알콕시실옥산 화합물을 제공하는 것에 있다:
SiOx(OR1)y(OR2)z
상기에서, 0.5 ≤x ≤1.5, 2x + y + z = 4, R1은 메틸 및/또는 에틸이고, R2는 3 내지 4의 탄소수를 갖는 하나 이상의 알킬기이다.
본 발명의 제 3 요지는 헤이즈 계수 A (haze factor A)가 2.0 이하인 폴리알콕시실옥산 화합물을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 4 요지는 하기의 시성식으로 표현되는 폴리알콕시실란 화합물의 성분 (A) 및 비이온성 계면활성제의 성분 (B)를 함유하는 수성 유제-형성용 조성물을 제공하는 것에 있다:
SiOa(OR1)b(OR2)c
상기에서, 0.5 ≤a ≤1.4, c/(b+c) = 0.05 내지 0.5, 2a + b + c = 4, R1은 메틸 또는 에틸이고, R2는 R1과 다른 유기기이다.
본 발명의 제 5 요지는 하기의 시성식으로 표현되는 폴리알콕시실옥산 화합물의 성분 (A), 용해도 변수 (SP)가 9.5 이하인 유기 용매 성분 (B) 및 비이온성 계면활성제의 성분 (C)를 함유하는 수성 유제-형성 조성물을 제공하는 것에 있다:
화학식 3
SiOa(OR1)b(OR2)c
상기에서 0.5 ≤a ≤1.4, c/(b+c) = 0.05 내지 0.5, 2a + b + c = 4, R1은 메틸 또는 에틸이고, R2는 R1과 다른 유기기이다.
본 발명은 하기에서 상세하게 기술한다.
우선, 폴리알콕시실옥산 화합물에 관한 본 발명의 제 1 내지 제 3요지를 설명한다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 시성식 SiOx(OR1)y(OR2) z로 표현된다. 본 발명에서 언급한 "폴리알콕시실옥산 화합물"은 알콕시기가 Si 원자에 결합되고, 화학식 (Si-O)n으로 표현되는 실옥산 구조를 갖는 화합물이다. 상기의 실옥산 구조는 직선형, 환형 및 측쇄형 일 수 있다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 다양한 분자량 분포를 갖는 조성물로 제공될 수 있으나, 이러한 화합물의 조성물은 상기의 시성식으로 나타낼 수 있는 것이 중요하다.
상기 화학식에서 x < 0.5 일 때, 화합물이 도료, 코팅액에 배합되거나 수지 조성물에 충전되어 피복에 사용될 때, 피복에 특정 기능을 제공하는 효과가 만족스럽지 못하다. 또한 그러한 화합물은 대략 축합 정도가 낮고, 분자량이 적으며, 저 비점 (200℃ 이하) 성분의 함량이 높다. 따라서, 이러한 화합물을 도료에 배합하여 그 조성물을 100℃ 이상의 온도에서 베이킹 및 경화시켜 수득한 도료 제제로 피복을 형성할 때 저 비점 성분은 휘발되는 경향이 있어, 피복에 유효한 성분으로 잔류하기 어렵다. 또한 휘발된 물질은 작업 환경을 악화시킨다는 문제점이 있다. 반면에, x > 1.5이면, 수득한 폴리알콕시실옥산 화합물은 너무 높은 점도를 가지고 있고, 겔화 되려는 성향이 있어, 결과적으로 피복의 저장 안정성이 악화되는 결과를 초래한다. 또한 수지 성분과 화합물의 상용성이 낮아질수록, 균일한 피복 조성물 또는 필름-형성용 조성물을 수득하기가 어려워진다.
x 값은 바람직하게는 0.7 ≤x ≤ 1.4, 더욱 바람직하게는 0.9 ≤x ≤1.3이다. 상기 조건을 만족하는 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물이 도료에 배합되어, 피복 형성용으로 사용될 때, 피복 작업성은 향상되고, 또한 수득한 피복의 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내산성 등과 같은 기능을 향상시키는 효과가 극대화될 수 있다. 또한 이러한 특성의 재현성이 향상된다.
R1은 메틸 및/또는 에틸이고, R2는 R1과 다른 유기기이다. 즉, 본 발명의 폴 리알콕시실옥산 화합물은 R1으로 하나 이상의 메틸 및 에틸을 갖고, R1 과 R2가 다른 하나 이상의 유기기를 가지며, 각각의 R1 및 R2는 복수개의 기를 나타낸다.
R1은 메틸 및/또는 에틸이기 때문에 도료에 배합된 본 발명의 화합물을 갖는 도료제제로 형성된 피복이 대기 중에 노출될 때, 화합물은 공기 중의 습기와 쉽게 가수분해되어 SiOH 기를 형성하고, 높은 내오염성, 특히 빗방울 내오염성을 갖는 친수성 피복 필름을 제조한다.
R1이 에틸 (C2)보다 더 많은 탄소수를 갖는 알킬기일 때, 수득한 피복은 내오염성, 특히 빗방울 내오염성이 불충분하다. 이것은 화합물의 가수분해가 불충분하기 때문에 피복을 외부 환경에 노출시켰을 때 SiOH기 형성이 과도하게 지연되는 것으로 판단된다. R1은 메틸인 것이 가장 바람직하며. 이때 내오염성을 제공하는 효과가 최대이다.
R2는 하나 이상의 n-프로필, 이소프로필, n-부틸 및 이소부틸인 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는 R2는 수지 부분과의 상용성 및 피복 조성물의 저장 안정성을 향상시키는 관점에서 3 내지 4개의 탄소수를 갖는 하나 이상의 알킬이다. R1 및 R2가 하기에 나타난 특정 범위의 비율을 가질 때, 높은 유기성을 갖는 R2는 피복 수지와 같은 높은 유기 물질과의 상용성을 향상시키는 기능을 가지며, 반면에 알콕시 기의 낮은 가수분해 반응성 또는 축합 반응성 때문에 유기 수지 및 안료를 함유하는 피복 조성물의 저장 안정성은 향상되는 것으로 판단된다. 그러나, R2가 상기 특정 범위보다 많은 수의 탄소를 가지면, 폴리알콕시실옥산 화합물을 함유하는 피복-필름 형성용 조성물 또는 피복 조성물로 형성된 피복의 내오염성, 내후성, 내찰상성 등의 기능이 악화된다. 따라서, R2는 상기 기능을 향상시키기 위하여 부틸, 특히 n-부틸인 것이 더욱 바람직하다.
R1 및 R2는 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물 이용하는 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 즉, 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물이 하기에 기술한 바와 같은 다양한 형태의 도료에 배합될 때, R1 및 R2는 도료 중의 수지 성분과의 상용성, 저장 안정성 및 형성되는 피복의 내오염성과 같은 소망하는 기능의 관점에서 선택된다.
z/(y+z)로 표현되는 R1 및 R2의 합에 R2의 비는 바람직하게는 0.05 내지 0.5, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.3 몰비이다.
z/(y+z) < 0.05인 폴리알콕시실옥산 화합물이 도료, 코팅액 또는 다양한 형태의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수지 조성물에 배합될 때, 수득한 배합물은 저장 안정성이 불량하고, 점도의 증가 및 겔화와 같은 문제점이 발생한다.
반면에 z/(y+z) > 0.5인 폴리알콕시실옥산 화합물이 도료, 코팅액 또는 다양한 형태의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수지 조성물에 배합될 때, 수득한 피복 은 내오염성, 내후성, 내찰상성 및 내산성이 불량하다.
특히, 0.9 ≤x ≤1.5 와 z/(y+z) = 0.05 내지 0.5 (그러나 2x + y + z =4)의 두 조건을 모두 만족하는 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물이 상기 도료에 배합될 때, 배합물은 매우 높은 저장 안정성을 나타내며 또한 도료의 상기 기능을 향상시키는 화합물의 효과가 최대이다. 계수 x, y 및 z는 하기의 방법으로 측정될 수 있다.
(1) Si과 결합하는 -OR1 및 -OR2는 각각 내부 표준으로 테트라브로모에탄을 사용한 1H-NMR에 의해 측정되고, 각각 Y' (몰/Kg) 및 z' (몰/Kg)로 표현된다. R1OH 및 R2OH의 양을 무시할 수 있을 경우에는 R1OH 및 R2OH의 양은 기체 크로마토그래피로 측정되며, y' 및 z'을 공제한다.
(2) 실리카 분석 (중량법: 가수분해 소성법)에 의해 측정되는 실리카 농도는 x' (중량%)로 나타낸다.
(3) x, y 및 z의 산출:
y = (y' ×60.1)/(x' ×10),
z = (z' ×60.1)/(x' ×10),
2x + y + z = 4 이므로 x = [4-(y + z)]/2이고 x는 Si-NMR 분석으로 측정될 수 있다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물의 분자량 (중량-평균 분자량)은 260 내지 5,000의 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 500 내지 4,500, 가장 바 람직하게는 900 내지 4,000이다. 상기 화합물의 중량-평균 분자량이 260 이하인 경우, 테트라알콕시실란 (단량체)의 함량이 너무 많게 되고, 특히 테트라알콕시실란의 경우에는 이러한 물질의 높은 독성 때문에 취급 시 주의가 요구되며, 작업자의 안전을 위해 충분한 장비를 필요로 한다. 반면에 테트라알콕시실옥산 화합물의 중량-평균 분자량이 5,000 이상인 경우, 점도가 증가되고 겔화가 발생하기 때문에 결과적으로 저장 안정성을 심하게 감소시킨다. 또한 수지 부분과의 상용성도 악화되며 균일한 피복 조성물 또는 피복-형성용 조성물을 수득하기 어려워진다.
260 내지 5,000 범위의 중량-평균 분자량을 갖는 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 점도가 25℃에서 3 내지 500 cp인 액체이며, 충분한 저장 안정성을 갖고, 다루기 쉬우며 또한 도료에 배합되기도 쉽다.
본 발명에서 언급되는 중량-평균 분자량은 표준으로 폴리프로필렌 글리콜을 사용한 GPC에 의해 측정한 것을 기초로 측정되며, 폴리메톡시실옥산 당량으로 환산된다. 1,000 이상의 분자량을 가지고 있는 통상적으로 가능한 MS51 및 MS56과 같은 폴리메톡시실옥산 화합물은 테트라메톡시실란의 가수분해/축합에서 분자량이 증가되기 때문에 많은 양의 물을 부가해야 한다. 많은 양의 물을 부가하면 수득한 폴리메톡시실옥산 화합물이 점도가 증가하며 겔화 경향이 높아져 적당한 액체 화합물을 수득하기가 어려워진다. 따라서, 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 분자량을 증가시킬 수 있다는 점에서 매우 획기적이며, 높은 저장 안정성을 가지고 실리카 함유물 형태로 도료에 배합되어 내오염성, 내후성, 내찰상성 및 내산성과 같은 기능을 제공하는 피복 필름의 유기/무기 배합물 피복을 형성한다.
본 발명의 폴리알콕시실란 화합물의 친수성 및 친유성 정도는 헤이즈 계수 A (㎖)로 나타내며 바람직하게는 2.0 이하, 더욱 바람직하게는 1.5 이하이다.
헤이즈 계수 A가 2.0을 초과하는 화합물은 화합물이 도료에 배합될 때, 배합물의 점도 및 겔화 증가를 유발하여 저장 안정성이 감소되는 문제점이 발생한다. 또한 그러한 화합물을 사용하여 형성한 피복은 내오염성과 같은 기능을 향상시키는 효과가 낮아지기 때문에 배합되는 화합물의 양을 증가시킬 필요가 있어 배합물의 저장 안정성이 낮아지게 된다.
헤이즈 계수 A가 작아질수록 화합물의 친유성은 높아진다. 상기의 헤이즈 계수 A는 수계 페인트와 같은 유기 성분을 함유하는 다양한 형태의 피복 조성물에서 성분의 상용성의 중요한 지표를 제공하므로 적절히 조절하는 것이 필요하다.
본 발명에서는 분자량 및 R2를 특정 범위로 정의함으로써 폴리알콕시실옥산 화합물의 헤이즈 계수 A를 적절히 조절하는데 성공하였다. 따라서 이러한 화합물은 피복 조성물에 사용할 때 매우 유용하다.
헤이즈 계수 A는 통상적인 방법에 따라 하기의 방법으로 측정된다 [Ichiro Nishi et al: 표면 활성제 편람, Clauses 324 내지 325, SangyoTosho, Ltd. (1965)].
측정할 샘플 2.5 g (실옥산 화합물)의 무게를 재고, 에탄올 (시약 특급)에 부가하여 총 부피 25 ㎖ (25 ㎖ 눈금 플라스크를 사용)로 만들었다. 이어, 용액 5 ㎖를 50 ㎖ 비이커에 피펫으로 가하고, 25℃ 온도로 고정하고, 용액을 저으면서 (자석 교반기를 사용) 25 ㎖ 뷰렛을 사용하여 2% 페놀 수용액으로 적정하였다. 용액 이 탁해지는 순간이 종말점이며, 적정한 2% 페놀 수용액의 ㎖ 수는 헤이즈 계수 A로 표현된다.
<폴리알콕시실옥산 화합물의 제조>
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물의 제조방법은 상술하지 않으나, 하기의 세 가지 공정이 전형적이다.
(1) 화학식 Si(OR1)4 (여기서, R1은 메틸 및/또는 에틸)로 표현되는 테트라알콕시실란을 80℃ 이하의 온도에서 물과 반응시켜 화합물의 가수분해/축합을 실시한 후, 알코올, 바람직하게는 하나의 OH기를 갖는 C3~4 알킬 알코올 (R2OH)을 가수분해/축합 생성물에 부가하여 가수분해/축합 생성물에 있는 알콕시기와 에스테르 교환 반응시킨다.
(2) 화학식 Si(OR1)4 (여기서, R1은 메틸 및/또는 에틸)로 표현되는 테트라알콕시실란과 알코올, 바람직하게는 하나의 OH기를 갖는 하나 이상의 C3~4 알킬 알코올 (R2OH)의 배합물에 물을 부가하여 가수분해/축합 반응 및 에스테르 교환 반응시킨다.
(3) 화학식 Si(OR1)n(OR2)4-n (여기서, R1은 메틸 및/또는 에틸, R2는 R1과 다른 유기기, 바람직하게는 하나 이상의 C3~4 알킬기)로 표현되는 테트라알콕시실란에 물 을 부가하여 가수분해/축합 반응시킨다.
상기 공정 (1) 내지 (3)의 중 어느 것에서, 물을 출발물질 테트라알콕시실란에 테트라알콕시실란 1 몰당 0.6 내지 1.6 몰의 양으로 부가하여 가수분해/축합 반응을 실시하였다. 최종적으로 수득한 폴리알콕시실옥산 화합물의 분자량은 부가되는 물의 양을 조정하여 조절할 수 있으며; 물을 테트라알콕시실란 1 몰당 0.6 몰 내지 1.6 몰의 양으로 테트라알콕시실란에 부가하여 가수분해/축합 반응을 실시함으로써 본 발명에서 명기한 범위 내의 분자량을 갖는 폴리알콕시실란 화합물을 수득할 수 있다. 부가 되는 물의 양이 0.6 몰 미만이면 생성하는 폴리알콕시실옥산 화합물은 260 보다 작은 중량-평균 분자량을 가지므로 미반응의 테트라알콕시실란의 잔류량이 증가하는 문제점이 발생한다. 반면에, 부가되는 물의 양이 1.6 몰을 초과하면 생성하는 폴리알콕시실옥산 화합물이 5,000 보다 많은 중량-평균 분자량 가지며, 점도 및 겔화가 뚜렷하게 증가여 생성물의 저장 안정성에 문제를 발생시킨다.
용매가 가수분해/축합 반응 계에 도입될 수 있다. 알코올, 에테르 또는 케톤과 같은 수용성 유기 용매가 바람직하게 사용된다.
공정 (1)에서 테트라알콕시실란 또는 그것의 가수분해/축합 반응 생성물로 에스테르 교환시켜 특성의 변화를 일으키는 것은 바람직하지 않으며, 에스테르 교환에 기여하지 않는 용매 또는 가수분해로부터 부생물로 형성되는 알코올과 동일한 형태의 알코올을 사용하는 것이 바람직하다. 부생 알코올 그 자체를 용매로 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
공정 (2)에서 에스테르 교환되는 출발물질 테트라알콕시실란 및 알킬 알코올 (R2OH) 모두 처음부터 공급되기 때문에, 용매가 사용되지 않거나 사용될 때, 테트라알콕시실란의 가수분해/축합 반응 또는 에스테르 교환 반응에서 부생물로 형성된 것과 동일한 알코올 또는 테트라알콕시실란과 에스테르 교환을 하지 않는 용매, 예를 들어 수용성 유기 용매 (에테르 또는 케톤)를 사용하는 것이 바람직하다.
공정 (3)에서 사용되는 용매는 공정 (2)에서 설명한 것과 동일한 용매이다.
사용되는 용매의 양은 보통 테트라알콕시실란 중량의 0.1 내지 10 배, 바람직하게는 0.1 내지 5.0 배이다.
가수분해 및 축합 반응을 실시할 때, 반응을 원활하게 하기 위해 임의로 촉매를 사용할 수 있다. 촉매는 염산, 황산 및 인산과 같은 무기산, 카르복시산, 술폰산과 같은 유기산 및 암모니아 및 수산화나트륨과 같은 알칼리를 사용할 수 있으나, 염산이 반응 종료 후, 쉽게 제거될 수 있으므로 바람직하다. 사용되는 염산의 양은 HCl로 환산하여 테트라알콕시실란 1 몰을 기준으로 보통 1 ×10-6 내지 1 ×10-1 몰, 바람직하게는 1 ×10-5 내지 1 × 10-2 몰이다.
테트라알콕시실란에 물을 가한 후 실시되는 반응의 온도는 80℃ 이하, 바람직하게는 테트라알콕시실란의 가수분해/축합 반응 및/또는 에스테르 교환 반응에서 생성되는 알코올의 비점 이하 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 촉매를 사용하는 경우에는 사용되는 촉매의 비점 이하 온도에서 반응을 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 테트라메톡시실란의 경우에는 메탄올의 비점 아래 온도에서 실시하 는 것이 바람직하고, 테트라에톡시실란의 경우에는 에탄올의 비점 아래 온도에서 반응시키는 것이 바람직하다. 가수분해/축합 반응 및/또는 에스테르 교환반응이 빨리 진행하도록 교반 하에 부생 알코올 또는 사용된 반응 용매의 비점에서 반응시키는 것이 더욱 바람직하며 실용적이다. 예를 들어, 테트라메톡시실란의 경우에 반응 온도는 66℃ 이하, 테트라에톡시실란의 경우에 반응 온도는 80℃ 이하이다. 온도가 상기에서 언급한 온도보다 낮으면 가수분해 및 축합 반응을 지연시키기 때문에 실용적이지 못하다. 반면에 상기에서 언급한 온도 보다 높으면 가압하에 반응을 실행해야 하기 때문에 적절한 장치가 필요하다.
본 발명에 따르면, 공정 (1)에서 알코올, 바람직하게는 하나의 OH기를 갖는 C3~4 알킬 알코올 (R2OH)을 테트라알콕시실란의 가수분해/축합 생성물에 부가한다. 알킬 알코올의 전형적인 예로는 n-프로판올, 2-프로판올, n-부탄올, 이소부틸 알코올, 2-부탄올 및 3-부탄올이다. 공정 (2)에서 알킬 알코올은 시작부터 출발 물질 테트라알콕시실란과 함께 공급된다.
본 발명의 바람직한 구체예에서는 출발 물질 테트라알콕시시란에 있는 알콕시기 (-OR1)의 알킬기 (R1) 보다 더 많은 탄소수를 갖는 알킬기가 에스테르 교환에 도입되도록 출발물질 테트라알콕시실란 및 알킬 알코올 (R2OH)이 선택된다.
이것은 생성된 폴리알콕시실옥산이 피복 조성물로 사용되는 특성을 극대화시키는 효과를 가지고 있다.
상기에서 설명한 하나의 OH기를 갖는 C3~4 알킬 알코올 (R2OH)을 테트라알콕시실란의 가수분해/축합 생성물에 부가하여 상기 반응 생성물에 있는 알콕시기 (-OR1)와 에스테르 교환시킨다. 이 반응의 온도는 테트라알콕시실란의 가수분해/축합 반응 생성물에 있는 알콕시기 (-OR1)와 C3~4 알킬 알코올 (R2OH) 사이에 에스테르 교환 반응을 진행시킬 수 있는 한 특별히 한정하지 않는다. 일반적으로, 테트라알콕시실란의 상기 가수분해/축합 반응의 온도와 동일한 온도일 수 있다.
공정 (1) 또는 (2)에서, 하나의 OH 기를 갖는 C3~4 알킬 알코올 (R2OH)과 같은 알코올이 반응 계에 부가되는 양은 테트라알콕시실란 1 몰을 기준으로 바람직하게는 0.05 내지 2.5 몰, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1.5 몰이다. 공정 (3)에서 출발 물질 테트라알콕시실란(OR1) 중에 (OR2)에 대한 비는 화학식 Si(OR1) n(OR2)4-2 (여기서, R1은 메틸 및/또는 에틸이고, R2는 하나 이상의 C3-4의 알킬)로 표현되는 테트라알콕시실란에 물을 가하여 가수분해/축합 반응을 시켜 수득한 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물의 시성식에 의해 정의된 범위 내로 적절히 결정한다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 도료에 배합하면, 피복에 내오염성을 제공하는 효과 및 피복 조성물, 특히 수계 피복 조성물에 저장 안정성을 개선시키는 효과가 최대로 될 수 있다.
상기의 알킬 알코올, 예를 들어 하나의 OH 기를 갖지만 분자 내 탄소수 4 이상을 갖는 알코올이외 다른 물질과 에스테르 교환 반응하는 경우에는 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물이 도료에 배합되어 피복을 형성하는 경우에 피복의 내오염성 및 내찰상성이 불만족스럽게 되는 문제가 발생하는 경향이 있다.
또한 분자 내 2 이상의 OH 기를 갖는 화합물과 에스테르 교환 반응이 일어나는 경우, 반응하는 동안 농축 (thickening) 또는 겔화가 발생하고, 또는 생성물의 점도가 증가하여 결과적으로 불량한 저장 안정성을 갖는다.
테트라알콕시실란의 가수분해/축합 반응은 부생물로서 테트라알콕시실란에 있는 알콕시기 (-OR1)에 상응하는 알코올 (R1OH)을 형성한다. 이 부생 알코올은 에스테르 교환시키기 전에 증발 될 수 있거나 또는 증발될 수 없다. 가수분해/축합 반응이 부생 알코올을 제거하는 동안 진행이 되면 문제는 없다.
또한, 테트라알콕시실란의 알콕시기 (-OR1)에 상응하는 알코올 (R1OH)은 하나의 OH 기를 갖는 C3-4 알킬 알코올 (R2OH)과 에스테르 교환 반응하여 부산물로서 형성되며, 및/또는 반응 용매는 에스테르 교환 반응이 일어나는 동안 증발될 수 있거나 증발될 수 없다. 가수분해/축합 반응 또는 에스테르 교환 반응이 부산물 알코올을 제거하는 동안 진행되면 문제가 발생하지 않는다.
상기에서 기술한 공정에 의해 본 발명의 탁월한 특성을 가진 폴리알콕시실옥산 화합물을 수득할 수 있다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물 내 테트라알콕시실란 함량은 1 중량% 미만으로 한정한다. 이것은 독성을 완화시키며 작업 환경에도 이익이 된다. 테트라알콕시실란을 1 중량%를 초과하여 함유하면 과량 부분을 증류와 같은 바람직한 방법에 의해 제거한다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 기존의 도료, 코팅액 또는 다양한 형태의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수지 조성물에 부가하여 도료 또는 배합 물질을 제조하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 폴리알콕시실옥산 화합물을 함유하는 피복-형성 조성물을 제조하거나 상기 폴리알콕시실옥산 화합물을 도료에 배합하여 기존의 피복 조성물을 제조할 수 있다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물의 함량은 이러한 화합물의 용도가 피복되는 기재에 피복의 밀착성을 향상시키거나 피복 표면의 내오염성 및 내후성과 같은 기능을 향상시키려는 목적인 경우, 도료 제제 내 상기 화합물의 적당한 함량은 도료 또는 코팅액의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 10 중량부 이하, 바람직하게는 1 내지 5 중량부이다. 따라서 본 발명의 화합물은 적은 양만 사용하여도 소망하는 효과를 이룰 수 있다.
물론, 본 발명의 폴리알콕시실옥산을 도료의 비휘발성 성분 100 중량부에 대하여 10 중량부를 초과하는 고농도로 부가할 경우에도 액체 형태에서 탁월한 저장 안정성 및 상용성을 가지며, 또한 그러한 도료 제제로 형성시킨 피복물은 그것의 특성, 특히 내열성, 내찰상성 및 내화학성이 향상된다. 그 경우, 특히 피복의 내찰상성을 향상시키려는 경우에 화합물의 적당한 함량은 도료의 비휘발성 성분 100 중 량부를 기준으로 보통 10 중량부 이상, 바람직하게는 20 내지 100 중량부이다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 함유하는 도료, 코팅액으로 형성시킨 피복의 내오염성을 향상시키기 위해서는 중량-평균 분자량이 1,000 이상, 바람직하게는 1,200 이상의 화합물을 이용하는 것이 바람직하다.
알콕시기, 특히 메톡시기를 갖는 폴리알콕시실옥산 화합물의 통상적인 부분 가수분해/축합 반응 생성물, 예를 들면 테트라메톡시실란은 상기 생성물의 중량-평균 분자량이 2,000 이상인 경우, 생성물 자체를 저장하기가 매우 불안정해진다. 반대로, 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 그 자신의 저장 안정성이 매우 향상된다. 즉, 분자량이 2,000 이상인 경우일지라도 겔화되지 않으며, 매우 놀랍게도, 액체 상태에서 단독으로 양호한 저장 안정성을 유지한다.
(도료)
본 발명의 화합물은 예를 들면 상온 건조형 도료를 함유하는 보통의 도료, 예컨대 끓인 오일, 오일 니스 및 스탠드 오일 등의 오일 페인트, 알키드 수지 도료, 아크릴 수지 도료, 아크릴 실리콘 수지 도료, 우레탄 수지 도료, 불소 수지 도료, 페놀 수지 도료, 에폭시 수지 에테르 도료, 캐슈 (cashew) 오일 페인트에 부가될 수 있다.
베이킹-건조 (bake-dried) 형태의 도료는 알키드 수지 도료, 멜라민 수지 도료, 아미드-알키드 수지 도료, 페놀 수지 도료, 에폭시 수지 도료, 폴리부톡시 수지 도료, 우레탄 수지 도료, 아크릴 수지 도료, 아크릴 실리콘 수지 도료 및 불소 수지 도료를 포함한다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 또한 수용성 수지 도료, 수분산성 수지 도료 및 수성 유제 수지 도료에 부가될 수 있다. 이러한 도료는 상업적으로 이용 가능한 것이다. 배합된 도료로 형성시킨 피복은 특히 내오염성 및 내찰상성이 우수하다.
수용성 수지 도료는 예컨대, 아크릴 멜라민 수지 도료, 폴리에스테르-멜라민 수지 도료, 폴리우레탄 수지 도료 및 에폭시 수지 도료를 포함한다. 수성 유제 수지 도료는 비닐 아세테이트 수지 도료, 비닐 아세테이트-아크릴 수지 도료, 비닐 아세테이트-가지 고 지방산 비닐 에스테르 수지 도료, 에틸렌-비닐 아세테이트 수지 도료, 아크릴 수지 도료, 아크릴 스티렌 수지 도료, 아크릴 우레탄 수지 도료, 아크릴 실리콘 수지 도료, 폴리에스테르 수지 도료 및 불소 수지 도료를 포함한다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 이러한 도료에 수지의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 1 내지 40 중량부의 양으로 부가되는 것이 바람직하다. 부가되는 양이 1 중량부 미만이면 피복 기능, 특히 내오염성 및 내찰상성을 향상시키기가 어렵고, 화합물의 양이 40 중량부를 초과하면 피복의 저장 안정성이 악화되며 형성된 피복이 크래킹 (cracking) 하기 쉬워진다. 도료에 부가되는 상기 화합물의 양은 바람직하게는, 수지의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 2 내지 20 중량부이다. 화합물을 2 내지 10 중량부 부가하는 것은 피복에 내오염성을 제공하기에 충분하다.
도료에 배합될 수 있는 안료는 무기 안료 예컨대, 염기성 탄산납과 같은 납 화합물, 아연화 (zinc white) 및 리토폰 (lithopone)과 같은 아연 화합물, 산화티 탄과 같은 티탄 화합물, 오레올린 (aureolin), 코발트 그린, 세룰린 블루-2, 코발트 블루, 코발트 바이올렛과 같은 코발트 화합물, 산화 철과 같은 철 화합물, 산화 크롬, 크롬화 납, 크롬화 바륨과 같은 크롬 화합물, 카본 블랙 등이고, 수불용성 프탈로시아닌계, 디옥사진계, 안트라퀴논계 및 퀴노프탈론 계와 같은 유색 화합물 및 그들의 금속 함유 화합물을 함유하는 유기 안료이다. 말할 필요 없이, 도료용 안료로 사용될 수 있는 다른 어떠한 화합물도 사용할 수 있다. 이러한 화합물은 단독으로 또는 2 개 이상이 서로 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 폴리아콕시실옥산 화합물을 이용한 안료 도료를 제조하는 것에서, 화합물은 안료가 이미 분산된 도료에 배합되거나, 또는 도료에 상기 화합물을 배합한 후에 안료를 부가할 수도 있다. 또한 안료를 폴리알콕시실옥산 화합물로 먼저 처리하여도 좋다. 다양한 형태의 염료를 함유하는 도료를 사용할 수도 있다. 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 사용하는 한 도료 제조를 위한 공지된 방법 및 기술을 사용할 수 있다.
도료에 배합되는 유기 용매의 종류는 본 발명에 한정되지 않는다. 예컨대, 알코올, 글리콜 유도체, 탄화수소, 에스테르, 케톤, 에테르 등, 각각 또는 그들 중 2 개 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 목적으로 사용가능한 알코올은 메탄올, 에탄올, n-부탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 이소부탄올, 옥탄올, 아세틸 아세톤 알코올 등을 포함한다. 글리콜 유도체는 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-n-프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노-n-부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 등을 포함한다.
탄화수소는 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등을 포함한다. 에스테르는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-부틸 아세테이트, 이소부틸 아세테이트, 메틸 아세토아세테이트, 에틸 아세토아세테이트 등을 포함한다. 케톤은 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 아세틸 아세톤 등을 포함한다. 에테르는 에틸 에테르, 부틸 에테르, 디옥산, 테트라하이드로퓨란 등을 포함한다. 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물이 상기에서 기술한 바와 같이 배합된 도료는 다양한 형태의 기재에 도포되어 내오염성 및 내후성과 같은 특정 특성을 가진 피복을 형성한다.
또한 상기 화합물이 다양한 형태의 수지와 상용성이 매우 양호하기 때문에 형성된 피복은 또한 경도 및 균일성이 향상된다. 물론, 본 발명의 화합물을 자체를 상기 용매에 배합시킬 수 있으며 또는 가수분해성 유기 조성물을 만들기 위해 상기 화합물에 물을 부가하여 실리카 피복을 형성할 수 있다. 이 경우, 용매의 함량은 폴리알콕시실옥산 화합물 100 중량부를 기준으로 보통 10 내지 5,000 중량부, 바람직하게는 25 내지 1,000 중량부, 더욱 바람직하게는 50 내지 500 중량부이다. 용매의 양이 10 중량부 미만이면, 생성된 액체 조성물은 저장 안정성이 낮고, 겔화되기 쉽다. 반면에, 용매 함량이 5,000 중량부를 초과하면, 이 조성물로 형성된 실리 카 도막은 두께가 아주 얇다.
(고실리콘 함유 도막)
상기에서와 같이 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 다양한 형태의 유기 화합물과 실리콘 성분으로서 배합되어 액체-실리콘 함유 조성물을 제조할 수 있으며, 그러한 조성물은 코팅액으로서 다양한 형태의 기재에 실시되어 피복될 수 있다. 즉, 상기 폴리알콕시실옥산 화합물은 다른 유기 화합물과 배합되어 실리콘-함유 조성물이 된다. 그러한 실리콘-함유 조성물을 사용하여 실리콘 함량이 높거나 실리콘이 풍부한 피복을 수득할 수 있다. 상기 제조에서 사용된 유기 화합물 및 폴리알콕시실옥산 화합물의 양은 보통 비휘발성 성분으로 환산하여 폴리알콕시실옥산 100 중량부를 기준으로 유기 화합물이 1 내지 400 중량부의 범위로 선택되는 것이 바람직하다. 유기 화합물/폴리알콕시실옥산 화합물의 비가 상기에서 정의한 범위 내이면, 폴리알콕시실옥산 화합물에 있는 경도 및 내열성과 같은 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 제조에서, 배합물의 비휘발성 성분 내 SiO2-농도가 작은 폴리알콕시실옥산 화합물은 10 내지 95 중량% 범위 내로 줄이는 것이 바람직하다.
상기 폴리알콕시실옥산 화합물과 배합되는 유기 화합물은 한정하지는 않으나 생성되는 피복의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이 실리콘이 풍부한 액체 조성물을 제조하기 위한 유기 화합물의 경우는 상기 폴리알콕시실옥산 화합물과 상용성이 양호한 화합물을 선택하는 것이 바람직하며, 특히 상기 폴리알콕시실옥산 화합물의 메톡시기를 축합시킬 수 있는 기 또는 가수분해를 통해 메톡시기와 축합될 수 있는 기를 가진 화합물이 바람직하다. 그러한 화합물의 예는 실란 커플링제 (보통 화학식 RSiX3으로 나타낸 화합물, 여기서, X는 가수분해성기, R은 유기기이다: 전형적인 예는 메타크릴레이트계, 에폭시계, 아민계, 비닐계 및 머르캅토계), 알킬알콕시실리콘, 2 이상의 상기기 또는 에폭시 구조를 갖는 아크릴 수지, 아크릴 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 우레탄 수지 및 불소 수지와 같은 중합체 및 1,4-부탄디올, 글리세린, 카테콜 (catechol) 및 레조르신 (resorsin)과 같은 다가 알코올이다.
배합물 내 각 성분, 특히 폴리알콕시실옥산 화합물 및 상기 유기 화합물은 액체에서 축합된 상태로 존재하거나 또는 간단히 혼합된 상태로 존재한다. 성분의 각 상태는 사용되는 유기 화합물의 종류 및 생성물의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 축합 반응은 반응계에서 부산물 알코올을 제거하여 가속화시킬 수 있다.
상기 폴리알콕시실옥산 화합물 및 유기 화합물은 배합물에 용매 또는 분산매를 부가하여 상용 상태로 하여 액체 조성물을 형성한다 (여기서 사용된 "상용 상태"라는 용어는 외관 상 균일 상태이고, 실옥산 화합물이 용해되거나 분산되는 것은 문제삼지 않는다). 어떤 종류의 유기 화합물의 경우에는 배합물을 일정 시간 동안 방치한 후, 교반하여 상용 상태를 생성할 수 있다.
(외벽용 도료 및 사이징 물질용 탑코트)
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 다양한 형태의 수지와 배합하여 도료를 형성할 수 있으며, 이는 다양한 형태의 기재에 도포할 수 있다. 특히, 외벽용 건축재로 사용되는 사이징 물질 (sizing material)에 통상적인 유기 수지계 도료를 도포한 후, 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 함유하는 탑코팅 (top coating) 을 도포하여 외관이 우수할 뿐만 아니라 경도 및 내오염성이 우수한 외벽재를 수득할 수 있다. 또한 폴리알콜시실옥산의 비 (rain) 얼룩 방지 효과를 얻기 위한 보수 유지(maintenance)에 필요한 노력이 크게 감소되며, 매우 탁월한 건축재가 제공된다. 상기 도료를 제조하기 위하여 본 발명의 폴리알콕시실옥산과 배합되는 수지는 특별히 한정하지는 않지만, 예를 들어 아크릴 수지, 아크릴 고무 수지, 우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 아크릴 우레탄 수지, 우레탄 고무, 아크릴 실리콘 수지, 불소 수지 등과 같은 유기 수지이다. 탄성을 갖는 것이 바람직하다.
수지 부분에 대한 폴리알콕시실옥산의 비는 비휘발성 성분으로 환산하여 수지 100 중량부를 기준으로 20 중량부 이하이며, 바람직하게는 약 1 내지 10 중량부이다.
그렇게 수득한 탑코트는 사이징 물질에 도포될 때, 매우 높은 밀착성을 나타낸다. 본 발명에 따른 피복 조성물이 탑코트로서 도포될 수 있는 사이징 물질은 세라믹 사이징 물질 및 금속 사이징 물질을 포함한다. 본 발명의 탑코팅은 또한 외장용 타일에 도포할 수도 있다. 세라믹 사이징 물질은 마그네슘 카보네이트 판, 경질 대패밥 판, 나무 섬유 충전 시멘트 칼슘규산염-성형 판, 펄프 충전 시멘트 압출 성형 판 등을 포함한다. 본 발명의 탑코팅 도포 범위는 이러한 용도에 한정하지 않는다.
외벽재는 무기 도료, 불소 도료, 색농도 (color shade) 도료, 모래 도료, 골재 충전 도료, 스퍼터 (sputter) 도료, 라메 충전 (lame-filled) 도료 등을 포함하며, 이러한 도료 중 어느 것은 본 발명의 폴리알콕시실옥산을 함유하는 피복 조성 물을 사용하여 수득할 수 있다.
(수지 복합 재료)
보통의 수지 복합 재료는 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물이 다양한 형태의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수지 조성물에 도포될 때 사용될 수 있다. 이러한 수지 조성물에 적합한 충전제는 무기 충전제 예컨대, 카본 블랙, 흑연, 탄소 섬유 (carbon fiber), 카본 벌룬 (carbon ballon) 및 목탄 분말과 같은 탄소성 물질, 실리카, 알루미나, 산화 마그네슘, 규조토, 산화 아연, 산화 티탄, 산화 칼슘, 산화 마그네슘, 산화 철, 산화 주석, 산화 안티몬 및 아철산염 (ferrite)과 같은 산화물, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 수산화 칼슘과 같은 수산화물 및 염기성 탄산 마그네슘, 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘, 탄산 아연, 탄산 바륨, 도소나이트 (dawsonite) 및 하이드로탈사이트 (hydrotalcite)와 같은 탄산염, 황산 칼슘, 황산 바륨 및 석고 섬유와 같은 황산염, 및 활석, 진흙, 운모, 칼슘 규산염, 몬모릴로나이트 (montmorillonite), 벤토나이트 (bentonite), 활성 진흙, 세피올라이트 (sepiolite), 이모골라이트 (imogolite), 세리사이트 (sericite), 유리 섬유, 유리 구슬 및 실리카-계 벌룬과 같은 규산염; 또 유기 충전제 예컨대, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 아라미드 및 폴리에틸렌 테트라플루오라이드 (상품명 "테프론"), 우드밀 (wood meal), 녹말, 펄프 및 분말화된 고무이다. 이러한 충전제는 단독 또는 2 개 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
충전제의 형태는 예컨대, 유리 섬유 및 탄소 섬유와 같은 섬유 모양, 칼륨 티타네이트, 슬래그 섬유 및 수염 모양의 침상, 활석, 운모, 견운모, BN 및 MIO와 같은 판상, 구형, 탄산 칼슘, 실리카, 진흙 및 실리카-계 벌룬과 같은 미립자 또는 무정형이다. 이러한 충전제는 충전 또는 경도 향상을 주목적으로 하는 일반적인 충전제이거나 또는 피복에 압전성, 전기전도성 및 자성과 같은 특정 특성을 제공하도록 주로 디자인된 기능성 충전제일 수 있다.
매트릭스로서 다양한 형태의 수지 물질 예컨대, 페놀, 멜라민, 불포화 폴리에스테르, 폴리이미드, 에폭시, 우레탄, 폴리부타디엔, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, ABS, 클로로프렌 및 폴리이소프렌을 사용할 수 있다.
복합 재료 물질은 공지의 방법으로 제조할 수 있다. 그의 전형적인 예로는 충전 분말을 먼저 본 발명의 폴리알콕시실옥산으로 표면 처리 시킨 후, 수지 물질과 배합하는 방법과 폴리알콕시실옥산 화합물과 충전 분말을 수지 물질과 배합하는 방법 (소위 내첨법: internal addition method)이 있다.
상기 폴리알콕시실옥산이 충전 분말의 표면 처리에 사용될 경우, 상기 화합물은 충전제 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 5 중량부 부가한다. 표면 처리는 보통의 방법, 예컨대 헨쉘 믹서 (Henschel mixer) 또는 볼 밀 (ball mill)로 실시할 수 있다.
폴리알콕시실옥산 화합물은 Si-H 결합이 없기 때문에 표면 처리 시, 수소 기체를 생성하지 않아 사용하기에 매우 안전하다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산을 사용한 분말의 표면 처리는 보통의 습윤 공정 또는 건조 공정을 사용할 수 있다. 건조 공정을 사용하는 경우에는, 예컨대 헨쉘 믹서와 같은 건조 방법을 사용하여 믹서/교반기를 이용하는 것이 편리하다.
원료 분체 (feed stock powder)와 소정 량의 실옥산 화합물을 믹서/교반기에 공급하고, 분말 표면이 충분히 습윤될 때까지 상온에서 혼합하여, 교반시킨 후, 물과 같은 휘발성 성분이 증발하는 동안 폴리알콕시실옥산의 가교반응을 용이하게 하도록 교반 하에 100 내지 150℃로 가열하여 표면 처리된 분말을 수득하였다. 소정량의 실옥산 화합물로 원료 분체를 균일하게 습윤시킬 수 없는 경우에는 폴리알콕시실옥산 화합물은 사용하기 전에 물로 희석시킬 수 있다. 매트릭스의 친화성을 높이기 위하여 원료 분체를 실옥산 화합물 특히, 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물 또는 그것을 물로 희석화한 용액으로 표면 처리한 후, 필수적으로 건조 등을 행한 후, 유기 화합물과 상기 폴리알콕시실옥산 화합물을 배합하여 제조한 실리콘-함유 조성물을 함유하는 코팅액으로 처리한다.
내첨법 (internal addition method)에 의한 비-처리된 분말과 수지와 같은 충전제 혼합시, 상기 폴리알콕시실옥산 화합물을 부가하는 경우에는 상기 화합물은 전체 충전제 100 중량부를 기준으로 보통 0.1 내지 20 중량부, 바람직하게는 1 내지 10 중량부이다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 사용하여 혼합 조작 시 점도를 감소시킬 수 있다.
상기 폴리알콕시실옥산 화합물은 다양한 형태의 기재와 탁월한 친화성을 가지고 있기 때문에 다양한 형태의 기재의 피복을 위해 단독으로 또는 유기 화합물, 특히 실란 커플링제 (coupling agent)와 코팅액을 형성하여 사용될 수 있다. 그러 한 도료가 도포될 수 있는 기재의 예로는 유리, 시멘트, 콘크리트 및 철, 납, 니켈, 금, 은, 알루미늄, 희토류 금속, 코발트와 같은 금속, 카본 블랙, 흑연, 카본 섬유, 활성탄 및 탄소중공구 (hollow carbon)와 같은 탄소성 물질, 실리카, 알루미나, 산화 티탄, 산화 베릴륨, 산화 철, 산화 아연, 산화 마그네슘, 산화 주석, 산화 안티몬, 바륨 페라이트 및 스트론튬 페라이트와 같은 구형 산화물, 수산화 알루미늄 및 수산화 마그네슘과 같은 수산화물, 탄산 칼슘 및 타산 마그네슘과 같은 탄산염, 황산 칼슘과 같은 황산염, 활석, 진흙, 운모, 칼슘 규산염, 유리, 유리중공구 (hollow glass sphere) 및 유리 섬유와 같은 규산염, 칼슘 티타네이트, 납 티타네이트 지르코네이트, 알루미늄 나이트리드, 실리콘 카바이드 및 카드뮴 술피드와 같은 분말화된 다양한 형태의 무기 물질, 우드밀, 녹말과 같은 유기 섬유, 다양한 형태의 유기 안료, 폴리스티렌 및 나일론을 포함한다. 사용되는 충전제가 일반적인 충전제이거나 또는 전기전도성, 전자기파 차단성, 자성, 방음성, 열전도성, 난연성 및 내마모성과 같은 특정 성질을 제공하는 기능성 충전제인 경우 다양한 형태의 분말을 처리 할 수 있다. 이러한 표면처리된 분말은 상기의 수지 복합물 뿐만 아니라 다양한 형태의 물질, 예컨대 오일 페인트, 합성 수지 도료, 수용성 수지 도료, 유제 도료, 골재-충전 유제 도료, 트래픽 페인트 (traffic paint), 퍼티 (putty) 및 코크 (caulk) 등의 도료, 슈 솔 (shoe sole), 전선, 타이어, 공업 용품, 벨트, 호스, 고무 인포 (rubberized fabric), 접착제 (glue), 접착 테이프, 라텍스 및 백-사이징 (back-sizing) 등의 고무 제품, 도료용, 내장용 및 합성지 등의 종이 제품, PVC, 폴리올레핀, 에폭시/페놀 수지 및 불포화 폴리에스테르 등의 합성 수지 제품 및 전기 용접봉, 유리 약품, 산중화제, 의약품, 식품, 제당용 물질. 치약, 클리너, 벙커 샌드 (bunker sand), 농약, 배합사료 및 건축재 등의 각종 공업 제품에도 사용될 수 있다. 상기 분말은 또한 충전제로서 섬유 또는 수지 조성물과 혼합되어 FRP (fiber reinforced plastic) 제품으로 성형될 수 있다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물 또는 상기 화합물과 유기 화합물을 배합하여 수득한 실리콘 함유 조성물과 종이 등의 다공성 물질을 배합하는 경우, 다공성 물질은 액체 폴리알콕시실옥산 화합물 또는 실리콘 함유 조성물에 침지되어 건조된다. 상온에서 가열 하에 가교 반응을 실시하여 처리된 물질에 난연성 및 평활성 (smoothness)을 부여 할 수 있다. 상기 폴리알콕시실옥산 화합물 또는 실리콘-함유 조성물을 접착 용도로 사용하는 경우는 상기 화합물 또는 실리콘-함유 조성물을 우선 피접착 표면에 도포하여 상기 화합물 또는 실리콘-함유 조성물이 완전히 경화되기 전에 피접착 표면을 압착한다. 상기 화합물 또는 이의 가수분해 용액으로 피접착 표면을 예비 피복시키면 한층 접착 강도가 향상된다.
수성-유제 형성용 조성물에 관한 본 발명의 제 4 요지는 하기에 설명한다.
본 발명의 구체예는 특정 시성식으로 표시되는 폴리알콕시실옥산 화합물을 비이온성 계면활성제와 배합하여 얻어진 특정 조성물이 기존의 수성 도료와 배합되는 경우에도 액체 상태에서 탁월한 저장 안정성을 나타내고, 또한 피복에 내오염성 및 내후성과 같은 기능을 제공하는데 유용하다는 발견을 기초로 한다.
< 성분 A : 폴리알콕시실옥산 화합물>
본 발명의 수성-유제 형성용 조성물에 사용되는 폴리알콕시실옥산 화합물은 하기의 시성식으로 표시된다.
화학식 3
SiOa(OR1)b(OR2)c
여기서, 0.5 ≤a ≤1.4, a < 0.5인 경우, 상기 화합물이 기존의 수계 도료, 코팅액 또는 다양한 형태의 분말을 함유하는 수성 수지 조성물에 배합될 때, 피복의 상기 기능을 유도하는 속도가 느리며, a > 1.4인 경우, 얻어진 조성물은 점도가 높고 겔화되기 쉬어 저장 안정성을 감소시켜 불량하게 만든다.
바람직한 a의 범위는 0.6 ≤a ≤1.3, 더욱 바람직하게는 0.7 ≤a ≤1.2이다. a가 이러한 범위 내에 있을 경우, 기존의 수계 도료 등에 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 배합시켜 수득한 도료 제제는 작업성을 향상시키며 또한 수득한 피복에 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내산성 등의 기능을 부여하는 능력을 향상시킨다. 또한 그러한 기능의 양호한 재현성을 얻을 수 있다.
탁월한 내오염성 및 비 얼룩 저항력을 가진 도료를 수득하기 위해서는 R1이 메틸 및/또는 에틸인 것이 반드시 필요하다. R1이 그와 같이 정의될 때, 피복 조성물에 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 배합하여 수득한 도료를 옥외 노출시킨 경우, 그 화합물은 공기 중의 수분과 쉽게 가수분해되어 SiOH기를 생성하여 친수성 피복 필름을 형성한다.
R1이 에틸 (C2)보다 많은 탄소수를 갖는 알킬기인 경우, 화합물의 가수분해성 은 감소되어 실외 노출시 SiOH 기의 형성이 줄어들어 상기 도료 기능 (내오염성 및 비 얼룩 저항력)의 향상이 제한을 받는다. 이러한 이유로 R1은 메틸인 것이 가장 바람직하다.
R1이 메틸 또는 에틸, 바람직하게는 에틸이다. R2는 R1과 다른 유기기, 예컨대 하나 이상의 알킬기, 시클로 알킬기, 알콕시알킬기, 아릴기, 아랄킬기 및 알킬폴리옥시알킬레닐기이다.
R2는 이러한 기 중 적어도 하나인 것이 바람직하다. 왜냐하면 피복 조성물을 수계 도료 등과 본 발명의 화합물을 배합하여 제조하는 경우, 화합물의 수지 성분과의 상용성 및 조성물의 저장 안정성이 향상되기 때문이다.
전형적인 R2의 예는 하기와 같다.
알킬기: 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 2-에틸헥실, 옥틸, 데실 등이며, 이러한 기는 직선형 또는 측쇄형이다.
시클로알킬기: 시클로헥실, 시클로부틸, 시클로펜틸 등.
알콕시알킬기: 메톡시에틸, 에톡시에틸, 부톡시에틸 등.
아릴기: 페닐, 톨일, 크실일 등.
아랄킬기: 벤질, 펜에틸 등.
알킬폴리옥시알킬렌일기: CH3-(OCH2CH2)n-, C2H 5-(OCH2CH2)n-, CH3-(OCH2CHCH3)n-, C2H5-(OCH2CHCH3)n- 등.
R2는 피복 조성물의 수지 성분과의 상용성 및 수득한 피복의 내오염성, 내후성, 내산성 등의 기능 향상의 관점에서 대부분 선택된다. 특히, 상기 폴리알콕시실옥산 화합물의 경우에 R2는 다양한 범위에서 선택될 수 있으므로 수지 성분으로 사용되는 다양한 종류의 유기 화합물과 양호한 상용성을 얻을 수 있다. R2는 프로필 (C3) 이상의 탄소수를 갖는 알킬기인 것이 특히 바람직하다. 탄소수가 많을수록 화합물이 높은 유기 성질을 갖고, 피복 수지 등의 높은 유기성질을 갖는 물질과 높은 상용성을 얻을 수 있다. 또한 알콕시알킬기의 경우, 화합물이 유기 수지 또는 안료를 함유하는 도료에 배합될 때 가수분해/축합 반응이 저하되어 저장 안정성이 향상된다. 그러나 알킬기의 탄소수가 필요 이상으로 많으면, 화합물의 상용성 및 조성물의 저장 안정성이 향상될지는 몰라도 얻어진 피복의 내오염성, 내후성 및 내찰상성이 악화되기 때문에 R2는 C4 내지 C8 알킬기인 것이 가장 바람직하다.
R1 및 R2는 본 발명의 수성 유제-형성용 조성물에 사용되는 폴리알콕시실옥산 화합물의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 폴리알콕시실옥산 화합물이 하기에 기술하는 바와 같이 수계 도료에 배합되는 경우에는 R1 및 R2는 피복 조성물에서 수지 성분과 화합물의 상용성 및 저장 안정성과 내오염성 등의 피복 기능의 관점에서 선택된다.
c/(b+c)로 표시되는 R1 및 R2에 대한 R2의 몰비는 바람직하게는 0.05 내지 0.5, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.3이다. c/(b+c) < 0.05의 폴리알콕시실옥산 화합물이 기존의 수계 도료, 코팅액 또는 다양한 종류의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수성 수지 조성물에 배합될 경우, 배합물은 낮은 저장 안정성을 가지며, 점도의 증가 및 겔화 등의 문제를 발생시킨다. 반면에 c/(b+c) > 0.5의 폴리알콕시실옥산 화합물이 기존의 수계 도료 등에 배합될 때, 배합물로 형성된 피복은 내오염성, 내후성, 내찰상성 및 내산성 등의 기능을 향상시키는 것이 불충분하다.
특히 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물이 수계 도료 등에 배합되는 경우, 0.5 ≤a ≤1.4 및 c/(b+c) < 0.05 내지 0.5 (2a + b + c = 4)의 두 조건을 모두 만족할 때, 배합물은 탁월한 저장 안정성을 나타내며, 또한 이 배합물로 형성시킨 피복은 내오염성, 내찰상성, 내산성 등의 기능 향상이 매우 우수하다.
계수 a, b, c는 하기의 방법으로 측정될 수 있다.
(1) Si 원자에 결합하는 -OR1 및 -OR2는 각각 내부 표준으로 테트라브로모에탄을 사용한 1H-NMR에 의해 측정되고, 각각 b' (몰/Kg) 및 c' (몰/Kg)로 표현된다.
(2) 실리카 분석 (중량법: 가수분해 소성법)에 의해 측정되는 실리카 농도는 a' (중량%)로 나타낸다.
(3) a, b 및 c의 산출:
b = (b' ×60.1)/(a' ×10),
c = (c' ×60.1)/(a' ×10),
2a + b + c = 4 로부터 a = [4-(b + c)]/2.
주) a는 Si-NMR 분석으로 측정할 수 있다.
본 발명의 수성 유제 형성용 조성물에 사용되는 폴리알콕시실옥산 화합물의 중량-평균 분자량은 260 내지 5,000의 범위이며, 바람직하게는 400 내지 4,000, 더욱 바람직하게는 500 내지 3,000이다. 중량-평균 분자량이 260 미만인 경우, 테트라알콕시실란 (단량체)의 함량이 너무 많게 되고, 특히 테트라메톡시실란의 경우에는 이러한 물질의 높은 독성 때문에 취급 시 주의가 요구되며, 작업자의 안전을 위해 충분한 장비를 필요로 한다. 반면에 중량-평균 분자량이 5,000을 초과하는 경우, 점도가 증가되고 겔화가 발생하기 때문에 저장 안정성을 심하게 악화시킨다. 260 내지 5,000 범위의 중량-평균 분자량을 갖는 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 점도가 25℃에서 3 내지 500 cp인 액체 물질이며, 충분한 저장 안정성을 갖고, 다루기 쉬우며 또한 도료에 배합되기도 쉽다.
본 발명에서 사용되는 폴리알콕시실옥산 화합물의 중량-평균 분자량은 표준으로 폴리프로필렌 글리콜을 사용한 GPC 측정을 기초로 결정된다. 1,000 이상의 분자량을 가지고 있는 공지의 MS51 및 MS56과 같은 폴리메톡시실옥산 화합물은 테트라메톡시실란의 가수분해/축합에서 분자량이 증가되기 때문에 많은 양의 물을 부가해야 한다. 많은 양의 물을 부가하면 수득한 폴리메톡시실옥산 화합물이 점도가 증가하고 겔화 경향이 높아져 적당한 액체 화합물을 수득하기가 어려워진다. 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 분자량을 증가시킬 수 있다는 점에서 매우 획기적이며, 높은 저장 안정성을 가지고 실리카 함유물 형태로 수계 도료 등에 배합되어 유기/무기 배합물을 형성하며 피복의 내오염성, 내후성, 내찰상성 및 내산성과 같은 특정 기능을 향상시키는 피복 필름의 획기적인 발전을 제공한다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물은 예를 들어, 테트라메톡시실란 및/또는 테트라에톡시실란의 부분 가수분해/축합 생성물에 있는 메톡시기 및/또는 에톡시기의 일부를 메톡시기 또는 에톡시기 이외의 알킬기, 시클로알킬기, 알콕시알킬기, 아릴기, 아랄킬기 및 알킬폴리옥시알킬레닐기의 하나 이상을 갖는 알콜기를 사용하여 소정의 정도로 에스테르 교환 반응 시켜 수득할 수 있다. 물론, 이러한 공정이 상기 화합물을 제조할 수 있는 유일한 방법은 아니다.
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물 중의 테트라메톡시실란 함량은 1 중량% 이하인 것이 바람직하며, 이 경우, 독성의 문제를 피할 수 있고, 안전한 작업을 촉진실킬 수 있다. 테트라메콕시실란 함량이 1 중량%를 초과할때는 증류에 의해 여분의 성분을 제거하는 등의 적절한 조치를 취한다.
< 성분 (B): 계면활성제 >
본 발명은 상기의 폴리알콕시실옥산 화합물에 비이온성 계면활성제를 배합하여 수성 유제 형성용 조성물을 제조하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구체예에 사용되는 비이온성 계면활성제의 예는 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 소르비톨 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 글리세린 지방산 에스테르 및 폴리옥시에틸렌 알킬아민을 포함한다. 이러한 계면활성제는 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 폴리알콕시실옥산 화합물과 양호한 상용성을 갖는 다른 종류의 비이온성 계면 활성제를 사용하여 수성 유제-형 성용 조성물을 제공할 수도 있다. 적절한 비이온성 계면활성제는 저장 안정성, 상기 조성물을 함유하는 수성 도료로 형성시킨 피복의 외관 및 내오염성, 내후성, 내산성, 내수성, 내용매성 등의 특정 기능을 향상시키는 능력의 관점에서 선택된다. 폴리알콕시실옥산 화합물과 비이온성 계면활성제를 배합하여 수성 유제-형성용 조성물을 제조하고 그것을 기존의 수계 도료에 부가하여 안정한 유제를 형성하는 것에서, HLB치가 8.0 이상의 비이온성 계면활성제를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 9.0 이상이다. 사용되는 비이온성 계면활성제의 HLB치가 8.0 미만이면 안정한 유제를 형성하기가 어려워져서 수성 유제 형성용 조성물이 배합된 수계 도료의 저장 안정성이 낮아진다. 또한 피복된 도료의 외관 및 내오염성, 내후성, 내산성, 내수성 및 내용매성 등의 필름 특성이 악화된다.
< 수성 유제-형성용 조성물 >
본 발명의 "수성 유제-형성용 조성물"은 상기에 나타낸 특정 시성식으로 표현되는 폴리알콕시실옥산 화합물과 상기에서 언급한 비이온성 계면활성제의 혼합물이다. 이러한 조성물은 기존의 수계 도료 등에 부가되어 피복의 저장 안정성을 훼손시키지 않으며 피복에 내오염성, 내후성, 내산성, 내수성, 내용매성 등의 특정 기능을 제공한다.
비이온성 계면활성제의 함량은 폴리알콕시실옥산 화합물 100 중량부를 기준으로 바람직하게는 1 내지 50 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 30 중량부이다. 계면활성제의 함량이 1 중량부 미만이면 폴리옥시실옥산 화합물을 계면활성제에 배합하여 제조한 수성 유제-형성용 조성물을 수계 도료에 부가하여 안정한 유제를 형 성하기 어렵다. 계면활성제의 함량이 50 중량부를 초과하면 그러한 도료로 형성된 피복은 피복에 잔류하는 계면활성제 때문에 내후성, 내찰상성, 내수성 등의 특성이 악화되므로 50 중량부를 초과하는 계면활성제의 첨가는 피한다.
폴리알콕시실옥산 화합물 및 계면활성제의 혼합은 상온에서 교반기 또는 상온에서 다른 바람직한 수단을 사용한 공지의 방법으로 효과적으로 실시할 수 있다. 혼합을 균일하게 할 수 있는 한 어떠한 혼합 방법도 사용될 수 있다.
< 용도 >
상기에서 기술한 본 발명의 수성 유제-형성용 조성물은 기존의 수계 도료, 코팅액 또는 다양한 종류의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수성 수지 조성물에 부가될 때, 입자 크기 0.1 내지 20 μ을 갖는 안정한 유제를 형성할 수 있고, 도료 물질 또는 배합 물질로 사용하기에 적합하다.
도료 중의 조성물의 함량은 피복되는 기재의 점착성을 향상시키거나 내오염성, 내후성 및 피복 표면의 특성을 향상시키기 위해 사용되는 경우에 보통 수계 도료 또는 코팅액의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 폴리알콕시실옥산 화합물로 환산하여 10 중량부 이하, 바람직하게는 1 내지 7 중량부의 양으로 부가된다. 따라서 상기 조성물을 적은 양만 부가해도 소망하는 효과를 얻을 수 있다.
물론, 본 발명의 수성 유제-형성용 조성물이 수계 도료 또는 코팅액의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 폴리알콕시실옥산 화합물로 환산하여 10 중량부를 초과하는 고농도로 부가되는 경우에도 조성물은 액체 형태에서 탁월한 상용성을 나타내며 피복 특성, 특히 내열성, 내찰상성 및 내화학성을 향상시킬 수 있다.
상기의 경우에 부가되는 조성물의 양은 수계 도료 또는 코팅액의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 폴리알콕시실옥산 화합물로 환산하여 보통 10 중량부 이상, 바람직하게는 10 내지 70 중량부이다.
피복 표면의 내오염성을 향상시키기 위해서는 500 이상의 중량-평균 분자량을 갖는 폴리알콕시실옥산 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
< 수계 도료 >
본 발명의 수성 유제-형성용 조성물은 수분산 수지 도료 또는 수성 유제 수지 도료에 부가될 수 있다. 이 경우, 다양한 종류의 상업적으로 가능한 수계 도료를 사용할 수 있다. 그러한 도료가 실시된 피복은 특히 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내수성 및 내용매성이 우수하다.
예를들어, 상기 수성 유제-형성용 조성물은 비닐 아세테이트 수지 도료, 비닐 아세테이트-아크릴 수지 도료, 비닐 아세테이트-측쇄 고 지방산 비닐 에스테르 수지 도료, 에틸렌-비닐 아세테이트 수지 도료, 아크릴 수지 도료, 아크릴 스티렌 수지 도료, 아크릴 우레탄 수지 도료, 아크릴 실리콘 수지 도료, 폴리에스테르 수지 도료 및 불소 수지 도료 등에 부가될 수 있다.
부가되는 수성 유제 형성용 조성물의 양은 수지의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 폴리알콕시실옥산 화합물로 환산하여 1 내지 40 중량부의 양으로 부가되는 것이 바람직하다. 부가되는 조성물의 양이 1 중량부 미만이면, 피복의 내오염성 및 내찰상성을 향상시키기가 어렵고, 조성물의 양이 40 중량부를 초과하면 생성된 도료가 저장 안정성이 약하고, 그 도료로 형성된 피복은 균열되기 쉽다.
부가되는 상기 조성물 양의 바람직한 범위는 수지의 비휘발성 성분 100 중량부를 기준으로 폴리알콕시실옥산 화합물로 환산하여 2 내지 30 중량부의 양으로 부가되는 것이 바람직하다. 2 내지 10 중량부의 양은 피복에 특히 내오염성을 제공하기에 충분하다.
도료에 배합될 수 있는 안료는 유기 및 무기 안료를 포함한다. 무기 안료의 예는 백납 (염기성 탄산납)과 같은 납 화합물, 산화 아연 및 리토폰 (lithopone)과 같은 아연 화합물, 산화 티탄과 같은 티탄 화합물, 오레올린 (aureolin), 코발트 그린, 세룰린 블루 2, 코발트 블루 및 코발트 바이올렛과 같은 코발트 화합물, 산화 철과 같은 철 화합물, 산화 크롬, 크롬화 납, 크롬화 바륨과 같은 크롬 화합물, 카본 블랙 등을 포함한다. 유기 안료의 예는 프탈로시아닌 계, 디옥사진 계, 안트라퀴논 계 및 퀴노프탈론 계와 같은 수불용성 유색 화합물 및 그들의 금속 함유 화합물을 포함한다. 말할 필요없이, 도료용 안료로 사용되는 한 다른 어떠한 화합물도 도료용 안료로 사용될 수 있다. 이러한 안료는 단독으로 또는 2 개 이상 서로 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 수성 유제 형성용 조성물을 사용하여 안료를 첨가한 도료를 제조하는 경우에 상기 조성물은 안료가 이미 분산된 도료에 배합되거나, 또는 도료에 상기 화합물을 배합한 후에 안료를 부가할 수도 있다. 물론, 다양한 형태의 염료를 함유하는 도료를 사용할 수도 있다. 본 발명의 수성 유제 형성용 조성물을 사용하는 한 공지된 방법으로 도료를 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 수성 유제 형성용 조성물이 기존의 수계 도료, 코팅액 또는 다양한 종류의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수성 수지 조성물에 혼합될 때, 얻어진 유제의 저장 안정성을 향상시키거나 피복의 특정 기능을 향상시키기 위하여 소량의 음이온성 계면활성제 및/또는 양이온성 계면활성제 또는 양성 계면활성제를 부가할 수 있다. 이러한 계면활성제는 보통 물을 함유하고 있기 때문에 본 발명의 수성 유제 형성용 조성물의 제조 과정에 부가되면 폴리알콕시실옥산 화합물이 시간에 따라 질 (quality)이 변화하는 가수분해/축합 반응을 한다. 따라서, 바람직하게는 이러한 계면활성제는 기존의 수계 도료, 코팅액 또는 다양한 종류의 분말과 같은 충전제를 포함하는 수성 수지 조성물에 사전에 부가되거나 또는 본 발명의 수성 유제-형성용 조성물과 동시에 부가된다. 본 발명에서 상기 목적으로 사용되는 음이온성 계면활성제는 예컨대, 지방산염, 알킬황산 에스테르염, 알킬아릴술포네이트, 알킬나프탈렌술포네이트, 알킬술포숙시네이트, 알킬디페닐 에테르 디술포네이트, 알킬 포스페이트, 폴리옥시에틸렌알킬황산 에스테르염, 알킬알릴황산 에스테르염, 나프탈렌술폰산-포르말린 축합물 및 그의 염, 폴리옥시에틸렌알킬포스포릭 에스테르 및 그의 염을 포함한다. 이러한 음이온성 계면활성제는 복합물로 사용될 수 있다. 다른 종류의 음이온성 계면활성제를 사용할 수도 있다.
본 발명의 양이온성 계면활성제는 한정되지는 않지만 알킬아민염, 4차 암모늄염, 알킬피리딘염, 알킬이미다졸염 등을 포함하며, 이는 단독으로 또는 복합물로 사용될 수 있다. 양성 계면활성제는 한정되지는 않지만 알킬베타인, 알킬아민 옥사이등을 포함하며, 이는 단독으로 또는 복합물로 사용될 수 있다.
사용되는 계면활성제의 양은 상기의 비이온성 게면활성제의 양보다 적은 것 이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 그것의 1/2 이하다.
(외벽용 도료 및 사이징 탑 코팅)
본 발명의 수성 유제 형성용 조성물은 다양한 종류의 수성 수지 물질과 배합하여 다양한 종류의 기재에 도포할 수 있는 도료로 제조할 수 있다. 특히, 외벽용 건축재로 사용되는 사이징 물질에 통상의 유기 수지계 도료를 도포하고 추가로 본 발명의 수성 유제 형성용 조성물을 함유하는 수계 도료를 탑코트로서 부가 함으로써 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내수성, 내용매성 뿐만 아니라 외벽용 물질에 양호한 외관을 제공할 수 있다. 또한 폴리알콕시실옥산이 비 얼룩 방지 효과를 제공하므로 보수유지를 위해 필요한 노동력이 큰 폭으로 줄어들고, 매우 탁월한 건축재를 제공한다.
본 발명의 수성 유제 형성용 조성물을 함유하는 상기의 수계 도료로 형성한 탑코트는 또한 사이징 물질에 도포되었을 때 높은 밀착성을 나타낸다. 상기 도료가 도포될 수 있는 사이징 물질은 세라믹 사이징 물질 및 금속 사이징 물질을 포함한다. 상기의 탑코팅은 또한 외장용 타일에 도포될 수 있다. 세라믹 사이징 물질의 예는 한정되지는 않지만 탄산마그네슘 판, 경질 대패밥 판, 나무 섬유 충전 시멘트 칼슘규산염-성형 판, 펄프 충전 시멘트 압출성형 판 등을 포함한다. 본 발명에 따른 탑코팅은 이러한 기재 중 제한 없이 어느 것에도 도포 될 수 있다.
무기 도료, 무기물질 함유 도료, 불소 도료, 컬러 쉐이드 (color shade) 도료, 모래 도료, 골재 충전 도료, 스퍼터 (sputter) 도료, 라메 충전 (lame-filled) 도료 등의 다양한 종류의 도료는 외벽재로서 도포될 수 있다. 본 발명의 수성 유제 형성용 조성물은 그러한 도료로 이용되는 도료 물질에 함유되어도 좋다.
다른 수성 유제 형성용 조성물에 관련되는 본 발명의 제 5 요지는 하기에 기술한다.
본 발명의 구체예는 특정 시성식으로 표시되는 폴리알콕시실옥산 화합물을 용해도 계수 (SP) 9.5 이하를 갖는 유기 용매 및 비이온성 계면활성제와 배합하여 얻어진 특정 도료 조성물이 기존의 수계 도료에 배합되어도 액체 상태에서 높은 저장 안정성을 나타내고 또한 피복의 내오염성 및 내후성과 같은 기능을 매우 우수하게 제공할 수 있다는 발견을 기초로 한다.
< 성분 A : 폴리알콕시실옥산 화합물>
본 발명의 수성-유제 형성용 조성물의 폴리알콕시실옥산 화합물은 하기의 시성식으로 표시된다.
화학식 3
SiOa(OR1)b(OR2)c
여기서, 0.5 ≤a ≤1.4, a < 0.5인 경우, 상기 화합물을 기존의 수계 도료, 코팅액 또는 다양한 형태의 분말을 함유하는 수성 수지 조성물에 배합하여 수득한 도료로 형성시킨 피복의 내오염성, 내후성 등의 소망하는 기능 향상을 달성하기 어렵고, 반면에 a > 1.4인 경우, 얻어진 폴리알콕시실옥산 화합물이 점도가 높고 겔화되기 쉬어 저장 안정성을 매우 악화시킨다. 바람직한 a의 범위는 0.6 ≤a ≤1.3, 더욱 바람직하게는 0.7 ≤a ≤1.2이다. a가 이러한 범위 내에 있을 경우, 기존의 수계 도료 등에 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 배합시켜 수득한 도료는 작업성을 향상시키며 또한 수득한 피복에 내오염성, 내후성, 내찰상성, 내산성 등의 기능을 부여하는 능력을 향상시킨다. 또한 그러한 기능의 양호한 재현성을 얻을 수 있다.
R1은 메틸 및/또는 에틸이며, 바람직하게는 메틸이다. R2는 R1과 다른 유기기 예컨대, 하나 이상의 알킬기, 시클로알킬기, 알콕시알킬기, 아릴기, 아랄킬기 및 알킬폴리옥시알킬렌일기이다.
< 성분 (B): 유기 용매 >
본 발명의 구체예는 상기의 (A) 성분인 폴리알콕시실옥산 화합물에 성분 (B)인 용해도 계수 (SP)가 9.5 이하인 유기 용매를 배합하는 것을 특징으로 한다.
폴리알콕시실옥산 화합물은 물 존해하에 가수분해/축합반응을 하고, 고분자량화되어 최종적으로 겔이 되는 성질을 가지고 있다. 본 발명자들은 폴리알콕시실옥산 화합물의 수계 도료를 첨가하여 사용한 경우에 수득한 피복에 내오염성, 내후성 및 내수성과 같은 기능 향상을 제공하는 지에 대해 예의 검토하였다. 그 결과, 상기의 특정 시성식으로 표현되는 폴리알콕시실옥산 화합물을 SP가 9.5 이하인 친수성 유기 용매에 용해시킨 경우, 물 존재하에도 화합물의 저장 안정성이 매우 향상되고 겔화가 일어나기 어려운 형태로 사용할 수 있다는 것을 발견하였다. 이것은 폴리알콕시실옥산 화합물이 친유성 유기 용매에 용해되어 화합물이 유제화 될 때, 상기 용매가 유제 계면에 존재하기 때문에 폴리알콕시실옥산 화합물과 물 사이에 접촉 빈도가 경감되기 때문인 것으로 판단된다.
이 구체예에서 사용되는 친유성 유기 용매의 SP는 바람직하게는 9.5 이하, 더욱 바람직하게는 9.0 이하이다. SP > 9.5인 경우, 유기 용매는 친수성이 증가하며 상기의 용매에 용해시킨 폴리알콕시실옥산 화합물의 용액이 계면활성제 (하기에 기술함)와 함께 수계 도료에 부가되어 유제화 되어도 저장 안정성의 향상은 기대할 수 없다.
본 발명에 사용되는 9.5 이하의 SP를 갖는 친유성 유기 용매는 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 할로겐화 탄화수소, 에테르, 케톤, 알데히드, 에스테르, 글리콜 유도체 및 질소 화합물을 포함한다. 이러한 용매는 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
탄화수소의 예는 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 스티렌, 에틸벤젠, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산, 미네랄 스피리트 (mineral spirit), 솔베소 100 (Solvesso 100), 솔베소 150, 솔베소 200, 프레온 113, 프레온 112, 프레온 21, 2,2-디클로로프로판, 1,2-디클로로프로판, 클로로포름, 프로필 클로라이드, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌 및 클로로벤젠이다.
에테르의 예는 디아밀 에테르, 디에틸 에테르, 에틸이소부틸 에테르, 디부틸 에테르, 디프로필 에테르 및 디메틸 에테르이다.
케톤의 예는 메틸 에틸 케톤, 디에틸 케톤, 메틸 부틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸 프로필 케톤, 메틸 이소프로필 케톤, 메틸 아밀 케톤, 메틸 이소아밀 케톤, 메틸 헥실 케톤, 에틸 아밀 케톤, 디이소프로필 케톤, 메틸 노닐 케톤, 디이 소부틸 케톤 및 디부틸 케톤이다.
알데히드의 예는 부틸알데히드 및 벤즈알데히드이다. 에스테르의 예는 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 이소프로필 아세테이트, n-부틸 아세테이트, 이소부틸 아세테이트, n-아밀 아세테이트 및 이소아밀 아세테이트이다. 글리콜 유도체의 예는 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 및 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트이다.
질소 화합물의 예는 벤조니트릴 및 카프로니트릴이다.
본 발명의 친유성 유기 용매의 예는 상기에 언급하였다. 바람직한 용매는 이들 중에서 선택되거나, SP 치가 9.5 이하이고, 본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물과 상용성이 우수하며 또한 계면활성제 (하기에 기술함)와 배합하여 수성 유제 형성용 조성물을 형성하고 기존의 수계 도료에 부가될 경우에 저장 안정성 유지, 피복의 양호한 외관 제공 및 내오염성, 내후성, 내산성, 내수성 및 내용매성과 같은 기능을 향상시키는 다른 종류의 친유성 유기 용매를 선택할 수 있다.
친유성 유기 용매/폴리알콕시실옥산 화합물의 혼합비는 친유성 유기 용매가 폴리알콕시실옥산 화합물 100 중량부를 기준으로 20 내지 500 중량부, 바람직하게는 50 내지 200 중량부의 비로 배합되며, 폴리알콕시실옥산 화합물은 친유성 유기 용매에 용해되어 균일한 용액을 형성한다. 친유성 유기 용매의 비가 20 중량부 미만인 경우, 상기 용매와 계면활성제를 혼합하여 수성 유제 형성용 조성물을 형성하고, 그것을 기존의 수계 도료에 부가하여 얻어진 도료의 저장안정성은 유지하기가 어렵다. 친유성 유기 용매의 비가 300 중량부를 초과하는 경우, 폴리알콕시실옥산 화합물의 함량은 감소되며 그에 따라 내오염성, 내후성 및 내수성과 같은 피복 기능을 향상시키기 위해 기존의 수계 도료에 부가되는 수성 유제 형성용 조성물의 양이 증가한다. 이것은 도료 중에 유기 용매의 함량을 증가시키는 문제를 발생시키며 도료의 점도도 증가시킨다.
< 성분 (C): 계면활성제 >
본 발명은 성분 (A)로서 폴리알콕시실옥산 화합물, 성분 (B)로서 SP치가 9.5 이하인 유기 용매 및 성분 (C)로서 비이온성 계면활성제를 배합하여 수성 유제 형성용 조성물을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
성분 (C)로 사용되는 비이온성 계면활성제의 예는 한정되지는 않지만, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 소르비톨 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 글리세린 지방산 에스테르 및 폴리옥시에틸렌 알킬아민을 포함한다. 이러한 계면활성제는 단독으로 또는 2 개 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 적절한 계면활성제는 폴리알콕시실옥산 화합물과의 상용성 및 저장 안정성, 피복의 외관 및 내오염성, 내후성, 내산성, 내수성, 내용매성 등의 특정 기능을 향상시키는 능력의 관점에서 선택된다.
상기 수성 유제-형성용 조성물을 기존의 수계 도료에 부가하여 안정한 유제를 형성하는 것에서, HLB치가 8.0 이상의 비이온성 계면활성제를 사용하는 것이 특히 바람직하며, 더욱 바람직하게는 9.0 이상이다. 사용되는 비이온성 계면활성제의 HLB치가 8.0 미만이면 안정한 유제를 형성하기가 어려워져서 수성 유제 형성용 조성물이 배합된 수계 도료의 저장 안정성이 낮아진다. 또한 피복된 도료의 외관 및 내오염성, 내후성, 내산성, 내수성 및 내용매성 등의 특성이 악화된다.
비이온성 계면활성제의 함량은 성분 (A)로서 사용된 폴리알콕시실옥산 화합물과 성분 (B)로 사용된 SP < 9.5 인 유기 용매의 혼합물 100 중량부를 기준으로 바람직하게는 1 내지 50 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 30 중량부이다. 비이온성 계면활성제의 함량이 1 중량부 미만이면, 상기의 수성 유제 형성용 조성물을 기존의 수계 도료에 부가하여 안정한 유제를 형성하기가 어려워진다.
비이온성 계면활성제의 함량이 50 중량부를 초과하는 경우, 상기 수성 유제 형성용 조성물을 이용하여 수계 도료와 함께 형성시킨 피복은 내후성, 내찰상성, 내수성 등이 불량하므로 과량의 계면활성제는 피해야 한다.
< 수성 유제 형성용 조성물 >
본 발명의 "수성 유제 형성용 조성물"은 시성식 a로 표시되는 폴리알콕시실옥산 화합물 (성분 A), SP < 9.5인 유기 용매 (성분 B) 및 비이온성 계면활성제 (성분 C)의 혼합물이다. 이 조성물은 기존의 수계 도료에 부가하여, 도료의 저장 안정성을 유지하면서 내오염성, 내후성, 내산성, 내수성 및 내용매성과 같은 기능을 갖는 피복을 형성할 수 있다.
본 발명의 수성 유제 형성용 조성물은 성분 (A), (B) 및 (C) 3 개를 믹서 또는 교반기를 사용하는 통상의 방법으로 몇 분 내지 몇 시간 동안 혼합하여 제조할 수 있다. 제조 방법은 성분을 균일하게 용해시킬 수 있는 한 제한하지 않는다. 성 분의 용해를 용이하게 하기 위하여 가열할 수 있다. 혼합의 순서는 (A)과 (B)를 먼저 혼합한 후, (C)를 부가하거나, 또는 (A)와 (C) 또는 (B)와 (C)를 먼저 혼합하고, (B) 또는 (A)를 부가할 수 있다. 물론, (A), (B) 및 (C)를 모두 혼합할 수도 있다. 이렇게 얻어진 수성 유제 형성용 조성물은 수계 도료, 코팅액 또는 다양한 종류의 분말과 같은 충전제를 함유하는 수성 수지 조성물에 배합되어 사용하는 경우에, 액체 상태에서 도료의 저장 안정성을 향상시키고, 얻어진 피복에 상기에서 언급한 탁월한 기능을 부여한다.
도 1은 실시예 19에서 수득한 유제의 현미경 사진이다.
도 2는 실시예 30에서 수득한 유제의 현미경 사진이다.
본 발명은 다음 실시예에 의해서 더욱 상세히 설명되며, 모든 %는 별도 언급이 없는 한 중량 기준이다.
실시예 1:
산 촉매, 물 95 g 및 메탄올 315 g을 테트라메톡시실란 1,000 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 n-부탄올 120 g을 가하고 그 혼합물을 점차적으로 가열하여 에스테르 교환반응을 시킨 후 잔류 알코올을 제거하면서 메탄올을 증발시켜버림으로써 실옥산 화합물 A를 얻었다.
실시예 2:
n-부탄올 360 g을 첨가하여 실옥산 화합물 B를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 3:
n-부탄올 600 g을 첨가하여 실옥산 화합물 C를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 4:
산 촉매, 물 117 g 및 메탄올 315 g을 테트라메톡시실란 1,000 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 n-부탄올 149 g을 첨가하여 실옥산 화합물 D를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 5:
산 촉매, 물 128 g 및 메탄올 320 g을 테트라메톡시실란 1,015g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 n-부탄올 137 g을 첨가하여 실옥산 화합물 E를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 6:
산 촉매, 물 64 g 및 메탄올 157 g을 테트라메톡시실란 497 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 n-부탄올 132g을 첨가하여 실옥산 화합물 F를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 7:
산 촉매, 물 135 g 및 메탄올 315 g을 테트라메톡시실란 1,000 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 n-부탄올 128 g을 첨가하여 실옥산 화합물 G를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 8:
산 촉매, 물 135 g 및 메탄올 315 g을 테트라메톡시실란 1,000 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 n-부탄올 251 g을 첨가하여 실옥산 화합물 H를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 9:
산 촉매, 물 73 g 및 메탄올 156 g을 테트라메톡시실란 495 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 n-부탄올 124g을 첨가하여 실옥산 화합물 I를 얻는 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 10:
산 촉매, 물 30.5 g 및 메탄올 73.9 g을 테트라메톡시실란 234 g 및 n-부탄올 61.5 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응 및 에스테르 교환반응시켰다. 그 다음 반응 혼합물을 점차적으로 가열하여 잔류 알코올을 제거하면서 메탄올을 증발시켜 버림으로써 실옥산 화합물 J를 얻었다.
실시예 11:
산 촉매, 물 10.4 g 및 메탄올 21.3 g을 화학식 Si(OCH4)3.08(OC4H9)0.92로 나타내지는 테트라알콕시실란 100 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 혼합물을 점차적으로 가열하여 잔류 알코올을 제거하면서 메탄올을 증발시켜 버림으로써 실옥산 화합물 K를 얻었다.
비교예 1:
산 촉매, 물 90 g 및 메탄올 315 g을 테트라메톡시실란 1,000 g에 가하여 얻은 혼합물을 약 65℃에서 환류 하에 가수분해/축합반응시켰다. 그 다음 혼합물을 점차적으로 가열하여 잔류 메탄올을 증발 제거하여 실옥산 화합물 L을 얻었다.
비교예 2:
산 촉매, 물 162 g 및 메탄올 418 g을 테트라메톡시실란 1,323 g에 가하여 실옥산 화합물 M을 얻는 것을 제외하고는 비교예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
비교예 3:
산 촉매, 물 172g 및 메탄올 418g을 테트라메톡시실란 1,324g에 가하여 실옥산 화합물 N을 얻는 것을 제외하고는 비교예 1에서와 동일한 과정을 반복하였다.
실시예 1∼11 및 비교예 1∼3에서 얻어진 실옥산 화합물 A∼N의 시성식과 분자량을 표 1에 나타냈고, 그 물성은 표 2에 나타냈다.

Figure 111999009481811-pct00001

Figure 111999009481811-pct00002
실시예 12∼14 및 비교예 4∼6:
실시예 1, 2 및 3과 비교예 1에서 각각 얻어진 실옥산 화합물 A, B, C 및 L, MKC 실리케이트 BTS(테트라부톡시실란, 미쓰비시 가가쿠사 제) 및 에틸 실리케이트 ES40(COLCOAT CO., LTD 사제)를 각각 16 중량부의 양으로 범용 도료인 안료(산화 티탄 분말-충전)가 첨가된 아크릴 멜라민 도료(상품명:TOHAACRON H700, TOHPE 사제; 비휘발성 성분 45 중량%) 100 중량부(비휘발성 성분으로 환산)에 첨가하여 도료 조성물을 제조하였다. 탈염수 1.5 중량부와 말레산 0.2 중량부를 상기 조성물에 가하고, 조성물이 50℃ 가속 시험에서 겔화될 때까지 요구되는 일수를 세어 밀봉된 상태에서 저장 안정성을 평가하였다. 그 결과를 표 3 및 4에 나타냈다. 이들 각각 의 도료 조성물을 도포기에 의해 주석판 시트 상에 도포하고 170℃에서 20분 동안 경화시켜 약 30μ의 건조 두께를 갖는 도막을 형성하였다. 50℃ 가속 테스트에서 도료 조성물의 저장 안정성과 도막의 연필 경도 시험(찰상 시험)의 결과를 표 3 및 4에 나타냈다.
Figure 111999009481811-pct00003
Figure 111999009481811-pct00004
실시예 15 및 16, 그리고 비교예 7 및 8:
실시예 4 및 7과 비교예 1 및 2에서 각각 얻어진 실옥산 화합물 D, G, L 및 M을 6 중량부의 양으로 범용 수성 아크릴 유제 수지(상품명:WOLTEX DX/White, TOHPE 사제) 100 중량부에 첨가하여 도료 조성물을 제조하였다. 밀봉된 상태에서 이들 도료 조성물의 저장 안정성을 조성물이 25℃에서 겔화될 때까지 요구되는 일수를 세어 평가하였다. 그 결과를 표 5 및 6에 나타냈다.
Figure 111999009481811-pct00005
Figure 111999009481811-pct00006
실시예 17:
실시예 15 및 16에서 얻어진 각각의 도료 조성물 그리고 실옥산 화합물 없이 수성 아크릴 유제 수지만을 함유하는 도료 조성물을 도포기에 의해 주석판 시트 상에 도포한 후 실온에서 방치하여 약 30 μ의 건조 두께를 갖는 도막을 형성하였다. 얻어진 도막을 1개월간 옥외 노출 시험(일본 가나가와켄 가와사키시 다마쿠에서 1997년 4월 15일부터 5월 15일 까지)을 하였다.
옥외 노출 시험후, 실시예 15 및 16의 실옥산 화합물-함유 도료 조성물로 형성된 도막은 실옥산 화합물을 함유하지 않은 도료 조성물로 형성된 도막보다 빗살 무늬와 같은 오염이 적었고 표면 외관이 더 좋았다.
(수성 유제 형성용 조성물의 제조)
실시예 18:
실시예 2 및 8, 그리고 비교에 1 및 3에서 각각 얻어진 실옥산 화합물 H, B, N 및 L, 그리고 비이온성 계면활성제(폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르 형; HLB-12)를 실온에서 혼합하여 수성 유제 함유 조성물 A∼D를 제조하였다. 성분들의 혼합비와 액체의 외관은 표 7에 나타냈다.
Figure 111999009481811-pct00007
(수성 유제-형성용 조성물의 유제 입자 크기의 확인)
실시예 19:
실시예 18의 수성 유제-형성용 조성물 A 20 중량부와 물 100 중량부를 200ml-뚜껑 달린 유리병에 넣고 쉐이커로 15분 동안 흔들어 유제를 제조하였다. 투과형 미분 간섭(transmission differential interference) 현미경으로 유제의 상태를 관찰한 결과 유제는 20 μ이하의 구형 입자로 이루어졌음이 확인되었다. 이 유제의 현미경 사진을 도 1에 나타냈다.
(기존 수계 도료에 대한 부가 시험)
실시예 20∼28 및 비교예 9∼15:
실시예 19에서 제조된 수성 유제 형성용 조성물 A∼D 또는 실옥산 화합물 H, B, N 및 L을 기존이 수계 도료에 배합한 후 쉐이커로 15분 동안 흔들어 도료 조성물을 제조하였다. 각 배합 조성물과 상기 얻어진 도료 조성물에 대한 저장 안정성 시험 결과를 표 8 및 9에 나타냈다. 시험에 사용된 기존의 수계 도료는 다음과 같다:
뉴 글로스타 (New Glostar) (상품명, 간사이 페인트 사 제품): 반응-경화 아크릴 수지 도료, 비휘발성 성분 = 52 중량%
알레스 아쿠아 글로스 (Ales Aqua Gloss) (상품명, 간사이 페인트 사 제품): 반응-경화 우레탄 수지 도료, 비휘발성 성분 = 58 중량%
알레스 아쿠아레탄 (Ales Aquarethane) (상품명, 간사이 페인트 사 제품): 비휘발성= 56 중량%
Figure 111999009481811-pct00008
Figure 111999009481811-pct00009
(도막의 평가)
이들 도료 조성물을 도포기에 의해 SUS 304 판 상에 도포한 후 경화시킨 다음, 얻어진 도막(두께 40∼60 μ)의 성질을 평가하였다. 특히, 이들 도막과 물의 정적 접촉각과 탄소 오염에 대한 내성을 측정하였다. 그 결과를 표 10에 나타냈다.
Figure 111999009481811-pct00010

주) 탄소 오염에 대한 내성:
카본블랙 10% 수분산액 몇 방울을 도막 표면에 도포한 후 실온에서 24시간 방치하여 건조시켰다. 그 다음, 도막 표면을 물로 세정한 후, 도포된 카본블랙 분산액의 흔적을 육안으로 관찰하고 다음과 같이 평가하였다:
○: 흔적이 발견되지 않음
△: 흔적이 약간 발견됨
X: 광범위하게 흔적이 발견됨
또한, 실시예 20∼23 및 26∼28 그리고 비교예 9, 11, 12 및 14의 도막을 1개월간 옥외 노출 시험(일본 기타큐슈시 야와타니시쿠 구로사키에 소재하는 미쓰비 시 가가쿠사의 구로사키 공장 연구실 빌딩의 지붕에서 1997년 11월 26일부터 12월 26일 까지)을 하였다. 그 결과를 표 11에 나타냈다.
Figure 111999009481811-pct00011
(수성 유제 형성용 조성물의 제조)
실시예 29:
실시예 8 및 비교예 1과 3에서 얻어진 실옥산 화합물 H, B, N 및 L, 친유성 유기 용매 및 비이온성 계면활성제 (폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르 계; HLB = 12)를 상온에서 혼합하여 수성 유제 형성용 조성물 E와 I를 제조하였다. 배합 조성물 및 액체 외관을 표 12에 나타내었다.
Figure 111999009481811-pct00012
(수성 유제 형성용 조성물의 유제 입자 크기 확인)
실시예 30:
실시예 29의 수성 유제 형성용 조성물 20 중량부와 100 중량부의 물을 200 ㎖ 뚜껑 달린 유리 병에 넣고 쉐이커로 약 15분 동안 흔들어 유제를 제조하였다. 투과형미분간섭현미경으로 유제의 형태를 관찰하여 유제가 20 μ이하의 구형 입자로 구성되어 있다는 것을 확인하였다. 도 2는 유제의 현미경 사진이다.
(기존의 수계 도료에 첨가 시험)
실시예 31 내지 40 및 비교예 16 내지 22:
수성 유제 형성용 조성물 E 내지 I를 실시예 3에서 제조하고, 실옥산 화합물 H, B, N, L을 기존의 수계 도료에 배합하여 쉐이커로 15 분동안 흔들어 피복 조성물을 제조하였다. 배합 조성물과 얻어진 피복 조성물의 저장 안정성 시험 결과를 표 13에 나타내었다.
사용한 기존의 수계 도료를 하기에 나타내었다:
뉴 글로스타 (상품명, 간사이 페인트 사 제품); 반응-경화 아크릴 수지 도료, 비휘발성 성분 = 52 중량%
알레 아쿠아 글로스 (상품명, 간사이 페인트 사 제품); 반응-경화 우레탄 수지 도료 비휘발성 성분 = 58 중량%
알레 아쿠아레탄 (상품명 간사이 페인트 사 제품); 비휘발성 성분 = 56 중량%
Figure 111999009481811-pct00013
Figure 111999009481811-pct00014
(피복의 평가)
피복 조성물을 SUS 304 판에 도포기를 사용하여 도포하고, 경화시켰다. 얻어진 피복 (30 내지 50 μ두께)의 물성을 평가하였다. 피복과 물의 정적 접촉각 및 카본 오염에 대한 내성을 측정하였다. 결과는 표 15에 나타내었다.
Figure 111999009481811-pct00015
주) 탄소 오염에 대한 내성:
카본블랙 10% 수분산액 몇 방울을 도막 표면에 도포한 후 실온에서 24시간 방치하여 건조시켰다. 그 다음, 도막 표면을 물로 세정한 후, 도포된 카본블랙 분산액의 흔적을 육안으로 관찰하고 다음과 같이 평가하였다:
○: 흔적이 발견되지 않음
△: 흔적이 약간 발견됨
X: 광범위하게 흔적이 발견됨
또한, 실시예 31 내지 34 및 38 내지 40과 비교예 16, 18, 20 및 21의 피복 을 1 달 동안 옥외 노출 시험 (일본 기타큐슈시 야와타니시쿠 구로사키에 소재하는 미쓰비시 가가쿠사의 구로사키 공장 연구실 빌딩의 지붕에서 1997년 11월 26일부터 12월 26일 까지)을 하였다.
결과는 표 16에 나타내었다.
Figure 111999009481811-pct00016
본 발명의 폴리알콕시실옥산 화합물을 함유하는 피복 형성용 조성물 및 피복 조성물은 종래의 폴리알콕시실옥산 화합물을 함유하는 피복 형성용 조성물 및 피복 조성물에 비하여 저장 안정성, 상용성을 저하시키지 않고, 얻어진 피복에 내오염성, 내찰상성, 내열성 등의 기능을 제공할 수 있는 매우 획기적인 것이다.
또한, 본 발명의 수성 유제 형성용 조성물은 종래의 폴리알콕시실옥산 화합 물을 기존의 수계 도료에 배합시킨 경우에 비하여 액체 상태에서 저장 안정성이 우수하고, 또한 도막에 내오염성, 내후성 등의 기능을 제공할 수 있는 매우 우수한 것이다.

Claims (17)

  1. 하기 화학식으로 표시되고, z/(y+z)=0.05 내지 0.5 몰비인 폴리알콕시실옥산 화합물:
    SiOx(OR1)y(OR2)z
    상기식에서, 0.5 ≤x ≤1.5, 2x + y + z = 4, R1은 메틸, 에틸 또는 이들의 혼합물이고, R2는 R1과 다른 유기기이다.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 중량 평균 분자량이 260 내지 5,000인 폴리알콕시실옥산 화합물.
  4. 제 1항에 있어서, 25℃에서 점도가 3 내지 500 cp인 폴리알콕시실옥산 화합물.
  5. 제 1항에 있어서, R1이 메틸이고 R2가 n-부틸인 폴리알콕시실옥산 화합물.
  6. 제 1항에 있어서, 헤이즈 계수 A가 2.0 이하인 폴리알콕시실옥산 화합물.
  7. 제 1항에 있어서, 테트라메톡시실란 함량이 1 중량% 이하인 폴리알콕시실옥산 화합물.
  8. 제 1항에 따른 폴리알콕시실옥산 화합물 100 중량부 및 유기 화합물 1 내지 400 중량부를 함유하는 피복 형성용 조성물.
  9. 제 1항 및 제3항 내지 제 7항중 어느 한 항에 따른 폴리알콕시실옥산 화합물을 도료에 배합시키는 것을 포함하는 피복 조성물의 제조방법.
  10. 하기의 성분 (A), (B)를 함유하는 수성 유제 형성용 조성물:
    성분 (A): 화학식 SiOa(OR1)b(OR2)c 으로 표시되는 폴리알콕시실옥산화합물 및
    성분 (B): 비이온성 계면활성제
    상기식에서, 0.5 ≤a ≤1.4, c/(b+c) = 0.05 내지 0.5, 2a + b + c = 4, R1은 메틸 또는 에틸이고, R2는 R1과 다른 유기기이다.
  11. 제 10항에 있어서, 성분 (B)의 비이온성 계면활성제 HLB 치가 8.0 이상인 수성 유제 형성용 조성물.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 따른 수성 유제 형성용 조성물과 수성 수지, 물 또는 그들의 혼합물을 배합시킨 것을 함유하는 수성 유제 형성용 조성물.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 따른 수성 유제 형성용 조성물과, 안료, 분말 또는 그들의 혼합물 및 수성 수지, 물 또는 그들의 혼합물을 함유하는 피복 조성물.
  14. 하기의 성분 (A), (B) 및 (C)를 포함하는 수성 유제 형성용 조성물:
    성분 (A): 화학식 SiOa(OR1)b(OR2)c 으로 표시되는 폴리알콕시실옥산화합물, 또
    성분 (B): 용해도 계수 (SP)가 9.5 이하인 유기 용매 및
    성분 (C): 비이온성 계면활성제
    상기식에서, 0.5 ≤a ≤1.4, c/(b+c) = 0.05 내지 0.5, 2a + b + c = 4, R1은 메틸 또는 에틸이고, R2는 R1과 다른 유기기이다.
  15. 제 14항에 있어서, 성분 (c)의 비이온성 계면활성제 HLB 치가 8.0 이상인 수성 유제 형성용 조성물.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 따른 수성 유제 형성용 조성물과 수성 수지, 물 또는 그들의 혼합물을 배합시킨 수성 유제 조성물.
  17. 제 14항 또는 제 15항에 따른 수성 유제 형성용 조성물과 안료, 분말 또는 그들의 혼합물 및 수성 수지, 물 또는 그들의 혼합물을 함유하는 피복 조성물.
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