KR102259062B1

KR102259062B1 - 개선된 내구성을 가지는 투명한 소수성 코팅 물질 및 이를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR102259062B1
Application number: KR1020167011795A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 코에네; 바드레쉬 마이수리아; 타미 메트로케; 알레이나 맥그리거
Original assignee: 루나 이노베이션스 인코퍼레이티드
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: US10113067B2; MX2016004338A; MX381834B; WO2015051053A1; KR20160089361A; CN105765014B; EP3055371A1; CN105765014A; CA2926194C; CA2926194A1; US20160237283A1; EP3055371A4; EP3055371B1

Abstract

유리, 금속 또는 플라스틱 기판에 대한 내구성, 투명한, 무기-유기 하이브리드 소수성 코팅 물질이 제공된 것이다. 상기 코팅 물질은 일반적으로, 유기 중합성 실란(예를 들어, 이소시아나토프로필트리메톡시실란 또는 이소시아나토프로필트리에톡시실란과 같은, 우레탄 결합을 통해 실란과 기능화된 폴리올 또는 우레아 결합을 통해 실란과 기능화된 폴리아민), 무기 금속 알콕사이드(예를 들어, 테트라에톡시실란 또는 테트라메톡시실란과 같은 실리콘 알콕사이드) 및 플루오르화 실란[예를 들어, (3,3,3-트리플루오로프로필)트리메톡시실란 또는 노나플루오로헥실트리메톡시실란]으로 구성된 산 촉매화 축합 반응 생성물이다.

Description

개선된 내구성을 가지는 투명한 소수성 코팅 물질 및 이를 제조하는 방법{TRANSPARENT HYDROPHOBIC COATING MATERIALS WITH IMPROVED DURABILITY AND METHODS OF MAKING SAME}

정부 권한

본 발명은, Naval Air Warfare Center에 의해 수여된 계약 번호 N68335-10-C-0523(2765.01) 및 N68335-12-C-0117(2675.02) 하에 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정한 권리를 가진다.

분야

본원에 나타낸 실시형태는, 코팅 물질, 특히 투명한 및 소수성인 코팅 물질에 관한 것이다. 본원에 나타낸 실시형태에 따른 상기 코팅 물질은, 마모(abrasion) 및 공격적인 환경에 대항하는 개선된 내구성을 나타낸다.

배경

자동차 또는 항공기 윈드실드(windshields)와 같은, 표면에서의 워터쉐딩(Watershedding)은, 좋지 못한 조건 하에서 작업 동안에 보이기 위해, 운전자 또는 조정사의 능력에 영향을 미친다. 표면의 워터쉐드 능력(watershed capability)을 증가시키는 공통의 방식은, 윈드실드의 표면 에너지를 낮추는 소수성 표면 처리를 적용하는 것이고, 이로 인하여 윈드실드 표면에서 물이 구술 모양이 되고, 굴러 떨어지는 것을 유도한다. 왁스, 소수성 실리콘 중합체(예를 들어, RAIN-X^® 발수제) 또는 매우 높은 접촉 각도 및 극도로 낮은 롤 오프 각도(low roll off angles)를 가지는 초소수성 코팅(superhydrophobic coatings)과 같은, 다양한 타입의 표면 처리가 유리, 금속 또는 중합성 표면을 개선하기 위해 개발되고 있다. 그러나, 이러한 알려진 표면 처리가 내구성(durable)이 있지 않다.

Kanagasabapathy et al(이러한 것 및 본원에 인용된 그 밖의 모든 발행물의 전체는 참고문헌으로 본원에 명확히 포함된다)에 대한 US 특허 번호 8,338,351은, 부착 프로모터 기 및 낮은 표면 에너지 기를 함유하는 실세스퀴옥산(silsesquioxanes)의 소수성 나노입자를 포함하는 165 도 초과의 접촉 각도를 가지는 표면에서의 투명한, 거의-투명한 및 반-투명한 초소수성 코팅을 만들기 위한 공정 및 코팅 조성물을 개시하고 있다.

Van Benthem et al에 대한 US 특허 번호 8,187,707는, 일차 입자 및 상기 일차 입자의 표면에 대해 부착하는 이차 입자를 포함하는 라즈베리 형태의 입자를 포함하는 140 도 초과의 접촉 각도를 나타내는 초소수성 코팅을 개시하고 있다.

Azzopardi et al에 대한 US 특허 번호 6,340,502는, 상기 분자의 적어도 하나의 말단에서 퍼플루오르화된 기를 가지는 각각의 알콕시실란 및 할로실레인(halosilane)을 함유하는 소수성/올레포빅 코팅(hydrophobic/oleophobic coating)에 대한 조성물 및 투명한 기판에 상기 코팅을 적용하기 위한 방법을 개시하고 있다.

소수성/올레포빅 특성(hydrophobic/oleophobic property)을 부여하기 위해 알려진 제제의 예는, EP 0 492 417, EP 0 492 545 및 EP 0 672 779에 기재된 바와 같은 플루오르화된 알킬실란이다. 이러한 발행물에 따라, 상기 소수성 층은, 기판의 표면에 적용된 비-수성 유기 용매에서 플루오르화된 유기실란(fluorinated organosilanes)을 함유하는 용액으로부터 수득된 것이다[이의 알킬 기가 퍼플루오르화된 적어도 하나의 말단 기를 포함하는 알킬-트릴라호- 또는 트리알콕시실란(alkyl-trilaho- or trialkoxysilanes)]. 이러한 코팅과 연관된 문제점 중의 하나는, 이러한 코팅의 점진적인 제거에 의해, 특히, 상기 소수성 코팅의 재적용을 필요하게 만드는, 자동차의 윈드실드 와이퍼(car's windshield wiper)의 작용에 의한 것으로 증명된 바와 같은, 상기 코팅의 내구성 및 내식성(erosion resistance)이다.

Wilkes et al에 대한 US 특허 번호 6,072,018은, 디- 또는 트리-아민, 지방족 디올, 방향족 디올 또는 트리올과 같은 적어도 하나의 금속 알콕사이드 및 저분자 실란-기능화된 유기 화합물의 졸-겔 축합(sol-gel condensation)에 의해 형성된 마모 저항성 무기/유기 하이브리드 물질의 형성을 개시한 것이다. 본 발행물에 따라 개시된 물질은 이소시아네이트-기능화된 실란으로 저분자량 화합물을 기능화하고, 마모 저항인 것으로 알려져 있지만, 소수성이 아니다.

산, 염기 또는 유기 용매, 비 또는 자외선에 대한 노출 후와 같은, 연마 또는 공격적인 환경에서 내구성이 있는 유리, 중합성 및 금속성 기판의 워터쉐드 능력을 개선하기 위한 투명한 소수성 코팅에 대해 본 분야에서의 필요성이 남아있다. 이러한 필요로 하는 코팅은, 윈드실드, 솔라 패널, 페인트, 전자장치 등에 대한 투명한 보호성 코팅으로서 포함하는 수많은 적용에서 유용할 것이다. 본원에 나타낸 본 발명의 실시형태가 향하는 것은 이러한 필요로 하는 코팅을 제공하는 것이다.

요약

보통, 본원에 나타낸 바와 같은 코팅 물질은, 개선된 내구성, 마모 저항, 용매 저항(solvent resistance)(예를 들어, 물, 오일, 탄화수소, 제트 연료, 용매, 묽은 산, 묽은 염기), 비 저항(rain resistance), 소금물 저항, UV 빛 저항, 금속, 유리, 플라스틱 및 페인트된 표면을 포함하는, 다양한 기판에 대한 부착 및 유연성(flexibility)을 나타낸다. 따라서, 본원에 나타낸 실시형태의 새로운 투명한 소수성 코팅 물질은, 유리, 중합성 및 금속성 기판에서 워터쉐딩을 증가시키는 연마 또는 공격적인 환경, 환경적인 저항 및 화학적 저항에서의 개선된 내구성을 나타낸다.

본원에 기재된 실시형태에 따른 유리, 금속 또는 플라스틱 기판에 대한 내구성, 투명한, 무기-유기 하이브리드 소수성 코팅 물질은 일반적으로, 유기 중합성 실란, 무기 금속 알콕사이드 및 플루오르화된 실란으로 구성된 산 촉매화 축합 반응 생성물(acid catalyzed condensation reaction product)이다.

특정한 실시형태는, 예를 들어, 폴리우레탄 실란 또는 폴리우레아 실란, 유기 중합성 실란으로서 실란 기능화된 폴리올 또는 폴리아민을 이용할 것이다. 상기 실란 기능화된 폴리올은, 예를 들어, 2 내지 4 개의 히드록실 기를 가지는 폴리카프로락톤 폴리올 또는 적어도 2 내지 4 개의 일차 또는 이차 아민 기를 가지는 폴리아민, 예를 들어, 이소시아네이트-말단 실란으로 반응된 디에틸렌트리아민일 수도 있다. 상기 유기 중합체 실란은 바람직하게, 50 내지 10,000 g/mol의 중량 평균 분자량을 가질 것이다.

몇몇의 실시형태에 따라, 상기 금속 알콕사이드는, 분자 당 화학식 Si(R¹)_x(R²)_4-x에 의해 나타낸 적어도 하나의 실란 기를 가지는 적어도 하나의 가수분해 가능한 화합물을 포함할 것이고, 이 식에서, R¹은 C₁-C₈ 알킬 기, 에폭사이드 기, 비닐 기, 아크릴 기를 나타내고, R²는 가수분해 가능한 알콕시 기 또는 할라이드 기(halide group)를 나타내고, x 는 0, 1, 2 또는 3이다. 테트라메톡시실란 및 테트라에톡시실란이 바람직하다.

상기 플루오르화된 실란은 화학식 Rf¹Si(R¹)x(R²)₃ _-x을 가지는 화합물일 수도있고, 이 식에서, Rf¹은 완전히 또는 부분적으로 퍼플루오르화 단편을 나타내고, R¹은 알킬 기, 가수분해 가능한 알콕시 기 또는 할라이드 기를 나타내고, x는 0, 1 또는 2이다. 상기 퍼플루오르화 실란은, 비스-실란 말단 폴리플루오로폴리에테르 또는 플루오로-말단 실란, 예를 들어, (3,3,3-트리플루오로프로필)트리메톡시실란 또는 노나플루오로헥실트리메톡시실란일 수도 있다.

특정한 실시형태는, 약 1:10 내지 약 10:1 사이의 중량비로 나타낸 유기 중합성 실란 및 무기 금속 알콕사이드를 가질 것이다. 상기 플루오르화된 실란은 약 0.0001 내지 1 wt.% 사이의 양으로 존재할 수도 있다.

상기 코팅 물질은 또한, 마모 저항을 증가시키는 금속 산화 나노입자 및/또는 UV 저항을 증가시키는 UV 안정화제, 부식 저항(corrosion resistance)을 위한 부식 저해제를 임의적으로 함유할 수도 있다.

상기 코팅 물질은, 기판, 예를 들어, 유리, 중합성 또는 금속 위로 코팅(coating)으로서 적용되고, 이에 대해 시각적으로 투명한 소수성 경화된 코팅을 형성하기 위해 경화될 수도 있다.

상기 코팅 물질은, 유기 중합성 실란, 무기 금속 알콕사이드 및 플루오르화 실란을 포함하는 반응 혼합물을 산-촉매화 가수분해 축합 반응 조건 하에서 반응시킴으로써 제조될 수도 있다. 상기 수성의 산 촉매는, pH 5 이하, 예를 들어 약 2 내지 약 4 사이의 반응 혼합물의 pH 를 달성하기 위한 충분한 양으로 일반적으로 존재한다. 상기 산 촉매는, 무기산 또는 유기산, 예를 들어, 염산, 황산, 질산 및 아세트산일 수도 있다.

본 발명의 이러한 것들 및 다른 양상은, 이의 현재 바람직한 대표적인 실시형태의 하기의 상세한 설명에 제공된 충분한 고려 후에 보다 명확해질 것이다.

상세한 설명

본원에 기재된 실시형태에 따라, 유리, 금속 또는 플라스틱 기판에 대한 내구성, 투명한, 무기-유기 하이브리드 소수성 코팅 물질은 일반적으로, 유기 중합성 실란, 무기 금속 알콕사이드 및 플루오르화 실란으로 구성된 산 촉매화 축합 반응 생성물이다.

A. 유기 중합성 실란

상기 코팅 물질의 상기 유기 중합성 실란 구성요소는 필연적으로, 우레탄 결합 또는 폴리아민을 통해 금속 알콕사이드(예를 들어, 이소시아네이트 말단 실란)과 기능화된 실란인 폴리올(디올, 트리올, 테트라올, 펜톨 등을 포함하지만, 이로 제한되지 않음) 또는 우레아 결합(urea linkage)을 통해 금속 알콕사이드와 기능화된 실란을 포함할 것이다. 상기 폴리올과 상기 이소시아네이트-말단 실란 사이의 반응은, 디부틸틴디라우레이트(dibutyltindilaurate)와 같은 주석 촉매를 사용하여 촉매화될 수도 있다. 폴리에스테르, 폴레에테르, 폴리카르보네이트 등으로부터 유도된 이러한 것들과 같은 그 밖의 폴리올이 또한 사용될 수도 있다.

바람직한 실시형태에서, 상기 폴리올 또는 폴리아민은, 각각 우레탄 또는 우레아 결합을 통해 이소시아나토프로필트리메톡시실란(isocyanatopropyltrimethoxysilane) 또는 이소시아나토프로필트리에톡시실란으로 실란-기능화된 것이다.

상기 폴리우레탄 실란은, 적어도 2 개의 히드록실, 바람직하게는 3 또는 4 개의 히드록실을 보유하는 광범위한 범위의 분자, 올리고머, 또는 중합체성 폴리에테르 또는 폴리에스테르 기초된 폴리올로부터 생산될 수 있다. 50 내지 10,000 g/mol 사이의 분자량, 바람직하게는 1000 내지 2000 g/mol을 가지는 폴리올이 사용될 수도 있다. 예를 들어, Perstorp Corporation로부터 상업적으로 입수가능한 CAPA^TM 브랜드 폴리에스테르 폴리올, 또는 Bayer Material Science로부터 상업적으로 입수가능한 ARCOL^® 브랜드 폴리에테르 기초된 폴리올이 사용될 수도 있다.

대표적인 폴리에스테르 및 폴리에테르 폴리올은 폴리카프로락톤 디올 또는 트리올, 폴리에틸렌옥사이드 디올 또는 트리올을 포함하고, 상기에 나타낸 범위 내의 중량 평균 분자량을 가지는 폴리프로필렌 디올 및 트리올이 충분하게 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 하기의 구조식을 가지는 폴리카프로락톤 트리올이 사용될 수도 있다:

이 식에서, m+n+p =7-16이 사용될 수도 있다.

폴리아민은 대안적으로(alternatively), 우레아 결합을 통해 상기 이소시아네이트-말단 실란의 반응과 동일한 방식으로 사용될 수 있다. 상기 우레아 실란은, 광범위한 범위의 분자, 분자 당 적어도 2 개의 일차 또는 이차 아민 기, 바람직하게는 3 또는 4 개의 아민을 소유하는 올리고머, 또는 중합성 폴리아민으로부터 생산될 수 있다. 50 내지 10,000 g/mol 사이의, 바람직하게는 100-1000 g/mol의 분자량을 가지는 폴리아민이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 디에틸렌트리아민 또는 JEFFAMINE^® 아민이 JEFFAMINE^® T-403 폴리에테르 아민이 충분하게 사용될 수도 있는 것과 같이, Huntsman Petrochemical Corporation으로부터 상업적으로 입수가능한다.

본원에 사용된 바와 같은 용어 "폴리아민"에 의한, 둘 또는 그 이상의 일차 또는 이차 아민 기능기를 함유하는 어떠한 지방족 또는 방향족 화합물을 의미한다. 상기 폴리아민 화합물은, 포화된 또는 불포화된, 및 선형, 가지형, 또는 고리형(cyclic)을 포함하는 어떠한 적합한 백본 사슬 구조(backbone chain structure)를 가질 수도 있다. 대표적인 폴리아민은, 하기의 구조식을 가지는 디아민과 같은 폴리에테르아민을 포함한다:

이 식에서, x = 2 내지 70, 바람직하게는 x 는 2 내지 7 이다.

대안적으로, 상기 폴리에테르아민은 하기의 구조식을 가지는 트리아민이다:

이 식에서, n = 0 내지 5, 및 x + y + z는 3 내지 100이다. 바람직하게는 n = 1 및 x + y + z = 5 내지 6 이다.

B. 무기 금속 알콕사이드

상기 코팅 물질의 상기 무기 금속 알콕사이드 구성요소는, Si, Al, Ti, Zr 등을 기초로 하는 것과 같은, 적어도 하나의 금속 알콕사이드를 포함한다. 실리콘 알콕사이드가 바람직하다. 상기 실리콘 알콕사이드는 또한, 에폭사이드, 알킬, 페닐, 비닐, 메르캅토, 메타크릴산염 등과 같은 단일 작용기의 유기 모이어티를 포함할 수도 있거나, 비스-트리메톡시실릴에탄과 같은, 비스-실란 말단일 수도 있다(The silicon alkoxides may also comprise monofunctional organic moieties such as epoxide, alkyl, phenyl, vinyl, mercapto, methacrylate, and the like or be bis-silane terminated, such as bis-trimethoxysilylethane).

바람직한 금속 알콕사이드는, 분자 당 적어도 하나의 실란 기, Si(R¹)_x(R²)_4-x를 가지는 적어도 하나의 가수분해 가능한 화합물을 포함하고, R¹은 알킬 기[예를 들어, C₁-C₈, 중합가능한 기(polymerizable group)(예를 들어, 에폭사이드, 비닐, 아크릴), 또는 다른 유기 모이어티로 말단된 다른 알킬(other alkyls terminated with another organic moiety)(히드록실, 이소시아네이트, 아민, 티올 등)을 나타내고, R²는 가수분해 가능한 기(hydrolysable group)(예를 들어, 알콕시 또는 할라이드 기, 바람직하게는 메톡시, 에톡시 또는 클로로)를 나타내고, x 는 0, 1, 2, 3 이다. 바람직하게는, 상기 금속 알콕사이드는, 테트라에톡시실란 또는 테트라메톡시실란이다.

C. 플루오르화 실란

플루오르화 실란 화합물의 대표적인 예는 화학식 Rf¹Si(R¹)x(R²)₃ _-x을 가지는 것들을 포함하고, 이 식에서, Rf¹은 완전히 또는 부분적으로 퍼플루오르화 단편(예를 들어, 3,3,3-트리플루오로프로필, (퍼플루오로부틸)에틸, (퍼플루오로헥실)에틸, (퍼플루오로옥틸)에틸, 퍼플루오로도데실, 퍼플루오로테트라데실, 헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로데실, 노나플루오로헥실 또는 트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸)을 나타내고, R¹은 알킬 기(예를 들어, C₁-C₈, 바람직하게는 C₁-C₄ 일차 또는 이차 알킬 기)를 나타내고, R²는 가수분해 가능한 기(hydrolysable group)(예를 들어, 알콕시 또는 할라이드 기, 바람직하게는 메톡시, 에톡시 또는 클로로)를 나타내고, x는 0, 1 또는 2 이다.

바람직하게는, 화학식 Rf²[Q-C(R)₂- Si(R¹)_x(R²)_3-x]_z에 따른 플루오르화 실란 화합물이 사용되고, 이 식에서, Rf²는 다가 폴리(퍼플루오로옥시알킬) 또는 폴리(퍼플루오로옥시알킬렌) 단편을 나타내고, Q는 유기 2가 결합기(organic divalent linking group)를 나타내고(예를 들어, 아미드, 에테르, 에스테르 또는 우레탄 결합기를 포함한다), R¹은 알킬 기(예를 들어, C₁-C₈, 바람직하게는 C₁-C₄ 일차 또는 이차 알킬 기)를 나타내고, R²는 가수분해가능한 기를 나타내고, x 는 0, 1 또는 2이고; R은 수소 또는 1 내지 4 개의 탄소 원자의 알킬 기를 나타내고, 상기 R 기는 동일하거나 상이할 수도 있다. 바람직하게는 R은 수소이다.

상기 가수분해 가능한 기 R²는 동일하거나 상이할 수도 있고, 상기 플루오로화학 실란 화합물(fluorochemical silane compound)이 축합 반응을 받을 수 있도록, 일반적으로 적절한 조건, 예를 들어, 산성의 수성 조건 하에 가수분해가능하다. 바람직하게는, 가수분해 상의 상기 가수분해 가능한 기는, 실라놀 기(silanol group)와 같은 축합 반응을 받을 수 있는 기를 산출한다.

특정한 실시형태는, (3,3,3-트리플루오로프로필)트리메톡시실란, 노나플루오로헥실트리메톡시실란 등과 같은, 비스-실란 말단 폴리플루오로폴리에테르(bis-silane terminated polyfluoropolyether) 또는 플루오로-말단 실란(fluoro-terminated silane)을 포함하는 플루오르화 실란 구성요소를 이용할 것이다.

D. 산화 금속 입자(Metal Oxide Particles)

산화 금속 입자는, 마모 저항, 전기적 또는 광학적 특성과 같은, 원하는 특성을 부여하도록, 상기 코팅 제형에 임의적으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 실리카, 티타니아(titania), 지르코니아, 및/또는 알루미나의 산화 금속 입자가 사용될 수도 있다. 실리카(SiO₂)가 바람직하다. 광학 투명도에 대해, 상기 입자가 약 100 nm 미만, 예를 들어 약 1 nm 내지 약 100 nm 사이인 것이 바람직하다. 상기 바람직한 입자 크기는 1 내지 10 nm 지름 구체의 나노입자이다. 만약 존재한다면, 상기 입자는, 전체 제형 중량을 기초로, 약 50 wt.%까지, 바람직하게는 약 20 wt.% 내지 약 30 wt.%의 제형으로 포함될 수 있다.

D. 조성물 및 특성

상기 제형의 조성물은, 유연성, 경도, 마모 저항, 투명도, 또는 다른 원하는 물리적 특성에 대한 원하는 최종의 특성에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 제형에서 상기 중합성 실란 대 상기 금속 알콕사이드 또는 유기 기능적인 금속 알콕사이드의 중량 비는, 약 1:10 내지 약 10:1, 바람직하게는 약 3:1일 수도 있다. 상기 제형에서 플루오로실란의 중량 퍼센트는, 약 0.0001 내지 1 중량%, 바람직하게는 약 0.0005 내지 약 0.001 중량% 사이의 범위에서 사용될 수 있다.

상기 코팅 물질은, 물 및 수성의 산 촉매(aqueous acid catalyst)와, 이소프로판올과 같은 적절한 용매에서 무기 및 유기 구성성분을 혼합함으로써 생산될 수도 있다. 상기 수성의 산 촉매는 가수분해 가능한 실란 기의 가수분해를 개시하도록 첨가된다. 바람직한 산 촉매는, 염산, 황산 및 질산과 같은 무기산, 또는 아세트산과 같은 유기산을 포함한다. 충분한 산 촉매는, pH 5 이하, 바람직하게는 약 2 내지 4 사이의 pH 로 상기 반응 혼합물의 pH 를 낮추기 위해 첨가된다.

상기 플루오르화 실란 구성요소는 무기 및 유기 구성요소의 용액에 직접적으로 첨가될 수도 있다. 대안적으로, 상기 플루오로 구성요소는, 상기 코팅 용액에 첨가 전에 플루오로-기능화된 계면활성제와 또는 상기 계면활성제 없이 적절한 용매에서 산성화된 물과 예비가수분해될 수도 있다(the fluoro component may be prehydrolyzed with acidified water in a suitable solvent with or without the aid of a fluoro-functionalized surfactant prior to addition to the coating solution). 상기 코팅 제형은, Si-O-Si 결합을 통해 플루오로-기능화된 유기-무기 네트워크(fluoro-functionalized organic-inorganic network)를 유도하는, 유기, 무기 및 플루오로 실란 구성요소의 축합 및 가수분해에 의해 생산된다.

따라서, 상기 수득된 코팅 제형은 용매에, 또는 대안적으로 용매 없이 혼합될 수도 있다. 만약 사용된다면, 상기 용매는, 알코올(메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올 또는 부탄올 등) 또는 아세톤과 같은 그 밖의 물 혼합성 용매(other water miscible solvents)일 수도 있다. 상기 제형에서 상기 고형물의 농도는 말단 적용(end application), 또는 적용 방법에 대해 원하는 두께에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 상기 제형은, 약 15 wt.% 내지 약 25 wt.% 사이인 바람직한 고체 농도를 가지는, 약 5 wt.% 내지 약 100 wt.% 사이의 고체를 가질 것이다.

상기 코팅 물질의 용액은, 딥(dip), 브러쉬, 플로우 코트(flow coat), 스프레이 등을 포함하는 어떠한 통상적인 코팅 방법을 사용하여 상기 기판에 적용될 수도 있다. 상기 코팅을 경화시키는 것은, 원하는 특성, 예를 들어, 마모 저항, 유연성 등에 따라 달라지는 광범위한 범위의 온도, 또는 상기 코팅된 기판에 대한 열의 제한에서 성취될 수 있다. 상기 코팅은 약 25 ℃ 내지 약 150 ℃, 바람직하게는 약 75 ℃의 범위의 온도에서 경화될 수도 있다. 경화시키는 온도는 상기 기판과 양립가능성을 위해 변경될 수도 있다.

상기 경화된 코팅의 두께는 약 0.5 미크론 내지 약 20 미크론, 바람직하게는 약 1 미크론 내지 약 5 미크론의 범위에 있을 수도 있다.

본원에 기재된 바와 같은 상기 경화된 소수성 코팅은 광학의 투명도를 나타낼 것이다. 명확하게, 상기 경화된 소수성 코팅은, 적어도 약 99.5 %, 바람직하게 적어도 약 100 %의 가시광선에 대한 투명도를 나타낼 것이다. 상기 코팅은 1 % 미만 및 바람직하게는 0.1 % 미만의 가시광선에 대한 헤이즈(haze)에서의 변화를 또한 나타낼 것이다.

본원에 기재된 상기 소수성 코팅은, 상기 기판에 대한 증가된 화학적 저항, 오일 반발성, 물 반발성, 액체/가스 장벽, 마모 저항, 부식 저항 및 워터쉐드 능력(watershed capability)을 제공하도록, 다양한 기판의 물질을 코팅하기 위해 적합하다. 적합한 기판은, 유리, 알루미늄 및 스틸과 같은 금속, 폴리카르보네이트 및 아크릴과 같은 플라스틱, 경화된 시멘트, 콘크리트, 또는 그라우트(grout), 나무 및 페인트된 표면을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.

본 발명은, 이의 하기의 비-제한적인 예에 대한 참고로 추가적으로 이해될 것이다.

실시예 1

하기의 제형을 포함하는 코팅 물질은, 3/16 인치 두께 폴리카르보네이트 기판 위로 약 1 내지 5 미크론의 코팅으로서 적용되었다. 상기 코팅은 약 90 ℃의 온도에서 경화되었다. 상기 코팅된 기판은 투명도, 헤이즈 및 선명도 특성(clarity characteristics)을 포함하는 접촉 각도, 워터쉐드 각도 및 시각적인 외관(visual appearance)에 대해 테스트되었고, 코팅되지 않는 폴리카르보네이트 기판과 비교되었다.

코팅 물질 제형:

실란 기능적인 폴리올의 합성:

폴리카프로락톤 폴리올은 청소되고 완전히 건조된 유리그릇 내로 측정되었다. 유리그릇의 분리된 완전히 건조된 조각에서, 이소시아네이트 실란의 정확한 몰비(molar ratio)는 측정되었다[예를 들어, 폴리카프로락톤 디올은 이소시아네이트 대 카프로락톤의 두 배의 몰양(molar amount)을 필요로 할 것이다). 상기 이소시아네이트 유리그릇은 질소 블랭킷(nitrogen blanket)으로 덮고, 고무 격막(rubber septum)으로 밀봉되었다. 상기 촉매(즉, 디부틸틴 디라우레이트)는, 상기 폴리카프로락톤 폴리올 내로 측정된다. 이는 이소시아네이트 및 폴리카프로락톤 폴리올의 결합된 측정에 관하여 중량으로 0.1 %이 되도록 하는 것이다. 그리고 난 다음에 이러한 병은 또한 질소 블랭킷으로 덮고, 고무 격막으로 밀봉되었다.

상기 폴리카프로락톤 폴리올 및 촉매는 얼음 수조에서 교반시키기 위해 세팅되었다. 상기 이소시아네이트는, 상기 첨가 속도를 조절하기 위해 양성의 질소 흐름(positive nitrogen flow)을 사용하여, 상기 교반하는 카프로락톤-촉매 혼합물 내로 천천히 적가되었다(added dropwise). 상기 얼음 수조는 추가적인 단계 동안에 유지되어야 한다; 상기 반응은 열을 발생하고, 상기 얼음 수조는 부 반응(side reactions)의 가능성을 감소시킨다. 이소시아네이트의 모두가 참가된 때에, 상기 반응은 얼음 수조가 용해되기 때문에 실온이 되는 것을 가능하게 하였다. 상기 반응은 주위 온도에서 적어도 6 시간 동안 교반되었다. 상기 이소시아네이트 피크(~ 2270 cm^- ¹)의 감소는 FTIR을 통해 측정될 수 있다. 상기 이소시아네티가 완전히 반응하고, 상기 피크가 제거된 때에, 상기 폴리우레아 실란은 병에 담아져야하고, 질소로 덮여야 한다. 빛이 남아있는 촉매의 변색을 일으킬 수도 있기 때문에, 빛에 대한 노출을 감소시키기 위해, 상기 병은 앰버 유리, 또는 그 밖의 어두운 유리이어야 한다.

표준 코팅 합성:

상기 실란은 첫 번째로 혼합된다. 0.4 몰의 유기 실란 및 0.6 몰의 무기 실란의 몰비가 일반적이다. 전체 코팅 제형의 0.5 %를 초과하지 않는, 소량의 플루오르화 실란이 첨가된다. 이러한 혼합물에, 불소계면활성제가 플루오로실란과 유사한 양으로 첨가된다. 이러한 것은 상기 용매-기초된 시스템에서 플루오로실란의 보다 나은 혼합을 가능하게 할 것이다.

다음에, 상기 용매는 실란 혼합물에 첨가된다. 상기 용매 부피는 전체 코팅 용액의 대략 50 내지 80 %이어야 하지만, 원하는 코팅 두께에 따라 90 %까지일 수도 있다. 일반적인 용매는 이소프로판올, 에탄올, 또는 1-프로판올을 포함한다.

상기 용매 내로 실란의 완전한 확산 후에, 산성화된 물이 첨가되었다. 상기 물은 원하는 가수분해의 속도에 따라, 0.05 내지 0.1 M의 몰농도(molarity)로 산성화되어야 한다. 염산 또는 질산은 수용액의 pH 를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 산성화된 물은 상기 실란에서 상기 알콕시기를 가수분해하기에 충분한 몰비로 첨가된다.

상기 코팅 용액은 가수분해 완성에 따라 1 내지 2 시간 동안 혼합될 것이다. 상기 실란이 가수분해된 때에, 상기 코팅은 코팅 전에 1 μm 필터를 통해 여과된다. 코팅 적용은, 가장 좋은 결과에 대한 플로우, 브러쉬, 스프레이 또는 딥 코트 방법(dip coat method)을 사용하여 실행될 수 있다. 코팅된 경우에, 과량의 코팅이 경화 전에 상기 기판을 굴러 떨어지도록 하는 것을 가능하게 한다. 상기 코팅은 주위 온도에서 대략 15 분으로 고착 건조(tack free)이다. 상기 코팅은 대안적으로, 증가된 경도 및 단단함(toughness)을 위해 적어도 30 내지 60 분 동안 75 내지 90 ℃에서 경화될 수도 있다.

특정한 코팅 제형

	A	B
3-이소시아나토프로필 실란	74.211 g	74.211 g
Capa 3050 폴리에스테르 폴리올	54.0 g	54.0 g
디부틸틴디라우레이트	0.0641 g	0.0641 g
테트라에톡시 실란	35.8 g	35.8 g
퍼플루오로폴리에테르 실란	0.349 g	0.349 g
이소프로판올	461 g	461 g
IPA-ST 콜로이드성 실리카		233 g
0.05M HNO₃	57.1 g	57.1 g

표 2는, 선택된 코팅 기판에 대한 증가된 물 접촉 각도 및 감소된 워터쉐딩 각도를 나타낸 것이다.

코팅된 및 코팅되지 않는 기판에 대한 물 접촉 각도 및 워터쉐딩 각도

기판	물 접촉 각도	워터쉐드 각도 (120 μL)
폴리카르보네이트	80°	26°
폴리카르보네이트에서의 코팅 A	112°	3°
유리	50°	30°
유리에서의 코팅 A	112°	3°
아크릴(Acrylic)	75°	24°
아크릴에서의 코팅 A	111°	4°

표 3은, 어떠한 투명도, 헤이즈 또는 선명도(clarity)의 손실 없이, 코팅된 기판에 대한 뛰어난 광학 특성을 나타낸 것이다.

코팅된 및 코팅되지 않은 기판에 대한 광학 특성

기판	투명도(%)	헤이즈(%)	선명도(%)
폴리카르보네이트	92.4	1.5	100
폴리카르보네이트에서의 코팅 A	92.4	1.3	99.9
유리	93.9	0.8	100
유리에서의 코팅 A	94.1	0.3	100
아크릴	94.0	0.69	100
아크릴에서의 코팅 A	94.0	0.4	100

표 4는, 상기 코팅이 보다 낮은 헤이즈 수치에 의해 측정된 바와 같은 처리된 기판에 대한 개선된 마모 저항을 제공하는 것을 나타낸 것이다.

코팅된 및 코팅되지 않는 기판에 대한 광 전달 특성에서의 테이버 마모(Taber Abrasion)의 효과(ASTM D4060 - 500g/500cycles; CS10F wheels)

기판	투명도(%)	헤이즈(%)
폴리카르보네이트	89.0	35.0
폴리카르보네이트에서의 코팅 A	90.5	4.9
폴리우레탄	89.2	18.8
폴리우레탄에서의 코팅 A	90.6	5.9
아크릴	93.3	29.4
아크릴에서 코팅 A	93.8	4.2

콜로이드성 실리카의 첨가(Nissan Chemical Snowtex IPA-ST)는 표 5에 나타낸 바와 같이 마모 저항을 개선하기 위한 능력을 가진다.

콜로이드성 실리카의 첨가로 마모의 효과[상호간의 스틸울(reciprocal steel wool)]: 코팅 A vs 코팅 B

기판	코팅 A	코팅 B
물 접촉 각도	111°	112°
워터 쉐딩 각도	4°	4°
투명도	93.6%	93.9%
헤이즈	0.33%	0.48%
50 주기 마모 후의 헤이즈 (Haze after 50 cycles abrasion)	2.93%	1.45%
100 주기 마모 후의 헤이즈	3.59%	1.06%

실시예 2

실란 기능적인 폴리아민의 합성:

상기 폴리아민(예를 들어, 디에틸렌트리아민)은, 청소되고 완전히 건조된 유리그릇 내로 측정되었다. 유리그릇의 분리된 완전히 건조된 조각에서, 이소시아네이트 실란의 정확한 몰비가 측정되었다(예를 들어, 디에틸렌트리아민은 세 배의 이소시아네이트를 필요로 한다). 상기 이소시아네이트 유리그릇은 질소 블랭킷으로 덮고, 고무 격막으로 밀봉되었다.

상기 폴리아민은 얼음 수조에서 교반시키기 위해 세팅되었다. 상기 이소시아네이트는, 첨가 속도를 조절하기 위해 양성의 질소 흐름을 사용하여, 상기 교반하는 아민 혼합물 내로 천천히 적가되었다(added dropwise). 상기 반응이 열을 발생하고, 상기 얼음 수조는 부 반응(side reactions)의 가능성을 감소시키기 때문에, 상기 얼음 수조는 첨가 단계 동안에 유지된다. 상기 이소시아네이트의 모두가 첨가된 때에, 상기 반응은 얼음 수조가 용해되기 때문에 실온이 되는 것을 가능하게 하였다. 상기 반응은 주위 온도에서 적어도 6 시간 동안 교반되었다. 상기 이소시아네이트 피크(~2270 cm-1)의 감소는 FTIR을 통해 측정되었다. 상기 이소시아네이트가 완전히 반응되고 상기 피크가 제거된 때에, 상기 폴리우레아 실란은 병에 담아지고 질소로 덮인다.

본 발명이 가장 현실적이고 바람직한 실시형태가 되도록 현재 고려된 것과 관련되어 기재되면서, 본 발명이 상기 기재된 실시형태로 제한되지 않지만, 이와 반대로, 이의 본질 및 범위 내에 포함된 다양한 변형 및 동등한 배열을 포함하는 것을 의도하는 것으로 이해될 것이다.

Claims

폴리우레아 실란, 및 이소시아네이트-말단 실란(isocyanate-terminated silane)과 반응된 2 내지 4 개의 히드록실기를 가지는 폴리카프로락톤 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 중합성 실란;
무기 금속 알콕사이드; 및
플루오르화 실란;
으로 구성된 산 촉매화 축합 반응 생성물을 포함하는 소수성 코팅 물질.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 폴리카프로락톤 폴리올은 50 내지 10,000 g/mol 사이의 중량 평균 분자량을 가지는 것인, 소수성 코팅 물질.
삭제
제1항에 있어서,
상기 폴리우레아 실란은, 이소시아네이트-말단 실란을 가지는 적어도 2 개의 일차 또는 이차 아민 기를 가지는 아민의 반응 생성물인 것인, 소수성 코팅 물질.
제6항에 있어서,
상기 폴리우레아 실란은, 이소시아네이트-말단 실란을 가지는 디에틸렌트리아민의 반응 생성물인 것인, 소수성 코팅 물질.
제7항에 있어서,
금속 알콕사이드는, 분자 당 화학식 Si(R¹)_x(R²)_4-x로 나타내는 적어도 하나의 실란 기를 가지는 적어도 하나의 가수분해 가능한 화합물을 포함하고, 이때 상기 화학식에서, R¹은 C₁-C₈ 알킬 기, 에폭사이드 기, 비닐 기, 또는 아크릴 기를 나타내고, R²는 가수분해 가능한 알콕시 기 또는 할라이드 기(halide group)를 나타내고, x 는 0, 1, 2 또는 3인 것인, 소수성 코팅 물질.
제8항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은 화학식 Rf¹Si(R¹)_x(R²)_3-x을 가지는 화합물이고, 이때 상기 화학식에서, Rf¹은 완전히 또는 부분적으로 퍼플루오르화된(perfluorinated) 단편을 나타내고, R¹은 알킬기를 나타내고, R²는 가수분해 가능한 알콕시기 또는 할라이드기를 나타내고, x는 0, 1 또는 2인 것인, 소수성 코팅 물질.
제1항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은, 비스-실란 말단 퍼플루오로폴리에테르 또는 플루오로-말단 실란인 것인, 소수성 코팅 물질.
제1항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은, (3,3,3-트리플루오로프로필)트리메톡시실란 또는 노나플루오로헥실트리메톡시실란인 것인, 소수성 코팅 물질.
제1항에 있어서,
상기 유기 중합성 실란 및 상기 무기 금속 알콕사이드는 1:10 내지 10:1 사이의 중량비로 존재하는 것인, 소수성 코팅 물질.
제12항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은 0.0001 내지 1 wt.% 사이의 양으로 존재하는 것인, 소수성 코팅 물질.
기판 및 상기 기판 상에 코팅을 포함하는 코팅된 기판으로서, 상기 코팅은 제1항에 기재된 소수성 코팅 물질로 구성된 것인, 코팅된 기판.
제14항에 있어서,
상기 기판은 유리 기판, 중합성 기판 또는 금속 기판인 것인, 코팅된 기판.
제13항에 있어서,
상기 코팅은 상승된 온도에서 경화된 것인, 코팅된 기판.
폴리우레아 실란, 및 이소시아네이트-말단 실란과 반응된 2 내지 4 개의 히드록실기를 가지는 폴리카프로락톤 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 중합성 실란;
무기 금속 알콕사이드; 및
플루오르화 실란;
을 포함하는 반응 혼합물을, 산-촉매화 가수분해 축합 반응 조건 하에서 반응시키는 단계를 포함하는, 소수성 코팅 물질을 제조하는 방법.
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삭제
제17항에 있어서,
상기 폴리카프로락톤 폴리올은 50 내지 10,000 g/mol 사이의 중량 평균 분자량을 가지는 것인, 방법.
삭제
제17항에 있어서,
상기 폴리우레아 실란은, 이소시아네이트-말단 실란을 가지는 적어도 2 개의 일차 또는 이차 아민 기를 가지는 아민의 반응 생성물인 것인, 방법.
제22항에 있어서,
상기 폴리우레아 실란은 이소시아네이트-말단 실란과 디에틸렌트리아민의 반응 생성물인 것인, 방법.
제23항에 있어서,
금속 알콕사이드는, 분자 당 화학식 Si(R¹)_x(R²)_4-x로 나타내는 적어도 하나의 실란 기를 가지는 적어도 하나의 가수분해 가능한 화합물을 포함하고, 이때 상기 화학식에서, R¹은 C₁-C₈ 알킬기, 에폭사이드기, 비닐기 또는 아크릴기를 나타내고, R²는 가수분해 가능한 알콕시 기 또는 할라이드 기를 나타내고, x 는 0, 1, 2 또는 3인 것인, 방법.
제24항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은 화학식 Rf¹Si(R¹)_x(R²)_3-x을 가지는 화합물이고, 이때 상기 화학식에서, Rf¹은 완전히 또는 부분적으로 퍼플루오르화된 단편을 나타내고, R¹은 알킬기를 나타내고, R²는 가수분해 가능한 알콕시기 또는 할라이드기를 나타내고, x는 0, 1 또는 2인 것인, 방법.
제17항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은 비스-실란 말단 퍼플루오로폴리에테르 또는 플루오로-말단 실란인 것인, 방법.
제17항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은, (3,3,3-트리플루오로프로필)트리메톡시실란 또는 노나플루오로헥실트리메톡시실란인 것인, 방법.
제17항에 있어서,
상기 유기 중합성 실란 및 상기 무기 금속 알콕사이드는 1:10 내지 10:1 사이의 중량비로 존재하는 것인, 방법.
제28항에 있어서,
상기 플루오르화 실란은 0.0001 내지 1 wt.% 사이의 양으로 존재하는 것인, 방법.
제17항에 있어서,
pH 5 이하의 반응 혼합물의 pH를 달성하기 위한 양의 수성의 산 촉매의 존재에서 상기 반응을 실행하는 것을 포함하는 것인, 방법.
제30항에 있어서,
상기 반응 혼합물의 pH 는 2 내지 4 사이인 것인, 방법.
제30항에 있어서,
상기 산 촉매는 무기산 또는 유기산인 것인, 방법.
제32항에 있어서,
상기 산 촉매는 염산, 황산, 질산 및 아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 방법.