평활성 및 표면조정제(Slip and Leveling agent)

평활성 및 표면조정제(Slip and Leveling agent)

 

도장한 후 도막의 결함에는 붓자국, 로울러 자국, 오렌지필(Orange peal), 분화구현상(Cratering:はじき), 핀홀(Pin Hole), 색얼룩 등의 도막표면에서 생기는 결함이 있다.
이들의 결함발생원인은 건조과정 중 발생하는 용제증발, 고분자량화에 따른 점성의 변화, 표면장력의 변화 등이 원인이다.

도료의 흐름성을 생각하면 도료는 점성이 낮은 뉴턴유체로 건조가 늦고 피도물에 습윤이 쉬운 도료일수록 레벨링이 좋다고 한다.
도료물성공학의 책¹⁾에는 도료의 레올로지(Rheology:거동, 유동학) 특성과 건조과정 및 도막형성과정을 총괄하여 레올로지-지수(저전단속도에서의 점도/고전단속도에서의 점도)가 적은 1.0(이상액체의 거동 Newtonian flow)에 가까운 도료는 도장과정에서나 도막형성 후에도 레벨링성이 아주 좋은 것을 지적하고 있다.²⁾
또한 보통 도막두께에서는 피도물을 충분히 적시기 위해서는 도료의 표면장력이 피도물의 임계표면장력보다 낮을 필요가 있다.

도막결함의 일종으로 색얼룩이 있다.
이 현상을 일으키는 원인은 도장 후 도막으로부터 용제증발에 의해 표면층은 점도가 높게 되고 온도가 낮아지기 때문에 표면물질의 밀도와 표면장력이 커지게 되어 도막내부로 가라않는다.
한편 도막내부로부터는 용제분이 많고 표면장력이 낮은 부분이 상승하므로 거의 전 표면에 미세한 대류현상이 일어난다.
이런 현상을 일반적으로 버나드셀(B nard Cell)이라고 알려져 있으며 아래의 그림에 나타내었다.

대류현상은 안룔를 포함한 도료나 클리어도료에서도 일어난다.
일반적으로 점도가 낮고 도막이 두꺼운 경우 일어나기 쉬우며, 점도가 높거나 도막이 얇은 경우에는 대류현상이 약하게 발생한다.
안료는 대류현상에서 안료의 역동도(易動度) 차이에 따라 분리가 일어나 색얼룩(Floating)의 원인³⁾이 된다.

분화구(Cratering) 현상은 도료 중 불용성의 기름이나 실리콘, 겔상의 입자, 상용성이 나쁜 수지 등의 표면장력이 낮은 이물질의 진입이 있는 경우 일어나기 쉽다.
또한 피도물에 그리이스나 기름, 윤활유, 유지에 의한 오염도 원인이 된다.
또한 공기 중에 이러한 미스트에 의한 영향은 아주 어려운 문제이다.
표면장력이 높은 입자는 도막 중에 흡수되어 도막의 결함을 일으키는 경우가 적지만, 표변장력이 낮은 Oil mist나 Spray mist가 도막 위에 부착된다면 분화구현상의 원인이 된다.

도막의 표면결함을 조정하는 첨가제로써는 평활성 첨가제(Leveling agent)와 표면조정제(Slip agent)가 있다.
Leveling제는 도막의 유동성을 개량하는 첨가제이다.
건조과정에서 도막의 점성변화에 영향을 미치는 것으로 방향족계, 케톤계, 에스텔계 등과 같은 수지에 대한 진용매의 고비점용제를 배합하여 도막에서의 용제증발속도를 조정한다든가 안료의 응집을 방지하는 팽윤분산제 등으로 레올로지-지수를 적게 만들어 레벨링성을 향상시킨다.

표면조정제는 건조과정에서 도막표면으로 배향하여 돔가의 표면장력을 균일화하여 색얼룩이나 분화구를 방지하는 첨가제이다.
표면조정제의 성질로서 도막표면에 배향하여 확산하는 것이 필요하고 확산계수는 다음 식으로 나타낸다.

S = rv - rA - rI > 0
	S  : 확산계수 rv : 도막의 표면장력 rA: 표면조정제의 표면장력 rI: 도료액상과 표면조정제의 표면장력

상기의 식에서 표면조정제의 표면장력은 건조과정 중 도막의 표면장력보다 작고 도료액상보다 표면장력이 적은 물질이라야만 된다.
또한 소량 첨가하여 효과를 발휘하기 위해서는 도료수지간의 상용성이 없는 것이 바람직하다.⁴⁾

비수계도료의 표면조정제로써 일반적으로 사용되고 있는 물질은 폴리아크릴산알킬(Poly alkyl acrylate), 폴리알킬비닐에테르(Polyalkyl vinyl ether), 셀룰로오즈 아세테이트 부틸레이트(Cellulose acetate butylate:CAB), 디메틸 폴리실록산(di-methyl polysiloxane), 메틸페닐 폴리실록산(Methyl phenyl polysiloxane), 유기 변성 폴리실록산(Organic modifide polysiloxane), 불소계 계면활성제 등이 있다.

폴리아크릴산알킬과 폴리알킬비닐에테르 등 분자의 형태가 직선쇄상중합물(直線鎖狀重合物)⁵⁾은 분자량과 알킬기의 종류에 따라 표면장력과 용해성이 다른데 표면조정제로 사용되는 분자량은 수평균분자량으로 약 3000∼30000 정도로 알킬기가 짧은 것이 많다.
비교적 다양한 종류의 도료에 사용되며 표면장력이 25∼30 dyn/cm로 실리콘계의 20 dyn/cm 가량과 비교하여 높기 때문에 실리콘계에서 결함이 되는 상도도장성, 층간밀착력이 나빠지는 문제는 없는 편이다.
또한 실리콘계와 불소계 계면활성제에서 나타나는 기포의 안정화가 없고 오히려 소포효과가 있는 것이 특징이다.

실리콘오일계는 오래전부터 색얼룩방지제, Slip제로 사용되 왔다.
계면활성 성능은 위에서 말한 폴리아크릴산계, 폴리비닐에테르계보다 크고 소량 첨가만으로도 효과를 발휘하는 반면 첨가량이 많으면 분화구현상의 원인이 되기 때문에 주의할 필요가 있다.
디메틸폴리실록산을 표면조정제로 사용하는 것의 점도는 일반적으로 5∼300cPs의 실리콘오일이다.
5∼50cPs의 실리콘오일은 상용성이 좋아 표면조정제로 많이 사용되고 있지만 증발성이 크기 때문에 효과가 일정하지 못하다.
50∼300cPs의 실리콘오일은 증발성은 낮지만 상용성이 나쁘기 때문에 첨가량에 주의할 필요가 있다.

도막의 색분리, 분화구와 실리콘오일에 대한 상세한 연구가 佑蘇, 高野氏에 의해 실시되어 색재협회지 1972년도에 보고된바 있다.⁶⁾

불소계면활성제는 다양한 종류의 수지와 용제에 대하여 우수한 상용성과 계면활성능력을 가지고 있어 분화구방지제로서 효과가 있지만 고가이고 또한 실리콘계와 같이 상도 작업성, 층간밀착성, 기포안정화의 문제점이 있어 한정된 도료에만 사용되고 있다.

1)	편집자는 이런 책을 아직 본 적이 없다. 아마도 일본에서 발간된 적이 있는 모양이다. 일반적으로 도료용 첨가제를 제조하는 회사(BYK, Tego 등)에서 비 정기적으로 저녈을 발간하며 도장 시 발생하는 불량의 유형과 도료용 첨가제의 작용기전을 수식 등 전문적인 분야까지 설명하고 있지는 않지만 상당히 상세하고 이해하기 쉽도록 잘 만들어져 있다.
2)	그러나, 도장 후 가장자리 맺힘이나 도료의 흘러내림(Sagging), 후막도장의 난점 등 문제가 당연이 따라다닌다.
3)	일반적으로는 분산된 안료의 크기와 밀도에 상관관계가 깊은 것으로 알려져 있다. 대표적인 색분리로써는 타이타늄옥사이드계 안료와 유기안료를 혼합했을 때 나타나는 Floating 이다.
4)	이런 경우에는 물론 도막의 백탁, 투명상태에서의 흐려짐, 저장 중의 분리 등을 충분히 고려하여야 한다.
5)	형태가 직선이 아니라 곁가지(Side Chine)이 없는 선상 고분자라는 것임. 일반적인 형상은 Random coil.
6)	당연하게도...일본사람과 일본학회지인 것 같다. 표면장력 등에 대한 상세한 보고서는 아니지만, 광범위하고 쉽게 접근할 수 있는 기술자료는 아무래도 BYK와 Tego에서 발행하고 있는 자료들이다.