세상 모든 표면에 존재하는 것, 표면 코팅

1. 세상 모든 표면에 존재하는 것, 표면 코팅의 개념

 
코팅, 도막 사용처는 범위가 무척이나 광범위 합니다. 왜냐하면 소재를 보호기 때문입니다. 우리가 흔히 사용하는 인체용 코팅에는 메뉴큐터, 로션, 새치 개선 염색제 등이 있습니다. 또한, 차량용 광택제, 세정제, 왁스 등도 안경 도금 등 여러 다양한 곳에 활용되고 있습니다.

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표면코팅, 필름 형성 물질과 안료, 용제 및 기타 첨가제의 혼합물, 표면에 도포하고 경화하거나 건조하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다. 정전방지, 내화, 불연, 스트레치방지, 녹방지, 미적 향상, 광택 향상, 발수성 등 기능성이 있는 얇은 필름 도막이라고 할 수 있습니다. 페인트 코팅은 건성유 및 바니쉬, 합성 투명 류의 수지 성분으로 구성되어 있으며 주요 기능들은 노화되는 환경으로 부터 물체의 표면을 보호하는 것을 칭합니다. 이러한 코팅 페인트 제품은 표면의 특징을 강조하거나 눈에 잘 보이지 않게 함으로써 사물의 미관적 매력을 향상키킬 수 있습니다. 
 
산업계와 소비자가 사용하는 대부분의 표면 코팅 제품들은 합성 고분자 제품이며, 석유화학에 기반합니다. 즉, 견고하고 유연하며 접착력이 있으며 매우 크고 상호 연결된 분자로 구성된 공업적으로 합성된 생산물질 입니다. 표면에 적용할 때 필름의 형태를 하며 이 때 안료 성분이 혼합 분산되어 색상, 불투명도, 광택 및 기타 특성을 제공합니다. 필름으로 형성되고 잘 도포되기 위해 초기 액체의 형태이며 이러한 액체의 특성을 안정화 시키는 것이 각종 포함된 첨가제 성분입니다. 
그 중 페인트(가장 일반적인 유형의 코팅)에 중점을 두고 말씀 드릴 예정이며 건성유 및 바니시와 같은 다른 유형의 코팅도 간간히 설명하겠습니다. 

2. 세상 모든 표면에 존재하는 것, 표면 코팅에 사용되는 폴리머

 
폴리머는 우리가 일반적으로 접착성분, 본드성분이라고 말하며 전문용어로 수지라고 말합니다. 에폭시, 알키드, 우레탄, 우레아, 아크릴 등의 이름이 대표 폴리머를 제품 용어화하여 칭하는 명칭입니다.
이러한 수지 기반 폴리머 표면 코팅 재료는 폴리머의 연속 매트릭스 내 분산된 안료 입자와 기타 첨가제로 구성된 2가지 이상 복합하여 구성된 재료를 기반으로 하며, 폴리머 성분은 코팅 필름에 기판 접착 능력, 대부분의 내화학성 및 유연성을 제공합니다. 또한, 필름의 연속성, 환경적 외부 충격(스트레스)에 대하 견디는 내구성, 광택 특성, 대부분의 기계적 및 열적 특성 등을 필름 코팅에 영향을 주며 화학적 반응성도 폴리머의 기질에 따라 구분합니다.코팅 폴리머의 주요 특성은 분자량, 분자량 분포, 유리 전이온도 및 용해도 입니다. 또한 폴리머를 구성하는 반응성 분자 그룹과 폴리머가 형성되는 동역한 및 메커니즘, 즉 단게 성장 중합에 의한 형성되는지 또는 사슬 성장 중합에 의해 형성되는지 여부도 중요합니다.  또한, 폴리머의 특성 중 가지형 구조, 선형 구조 형태를 가지고 있습니다. 3 차원의 가교 네트워크를 형성하기 위해 여러 위치에서 공유 결합된 폴리머 사슬로 구성된 구조는 경화 중에 코팅 필름으로 형성되는 경우가 많습니다. 
 
단계 성장 폴리머에는 폴리에스테르 , 에폭시 , 폴리우레탄 , 폴리아미드 , 메라민 및 페놀수지가 포함됩니다 . 이는 두 개의 서로 다른 단량체(폴리에스테르의 경우 산과 알코올 반응기) 사이의 반응에 의해 가장 자주 형성됩니다 . 이 일반적인 종류의 폴리머는 유기 코팅 분야에서 널리 사용됩니다. 사슬 성장 중합체는 단량체 내의 탄소-탄소 이중(때로는 삼중) 결합이 열리고 유사한 단량체가 성장하는 사슬의 끝에 연속적으로 첨가되어 형성됩니다. 코팅 분야에서 대표적인 사슬 성장 폴리머로는 폴리에틸렌 , 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐이 있습니다.
비반응성 형태로 사용되는 경우 사슬 성장 폴리머는 일반적으로 열가소성 고분자량 재료입니다. 
 
코팅 용도의 경우 특정 사슬 성장 중합 방법 중 하나인 라텍스 또는 에멀젼 공정이며, 가장 간단한 형태의 유화 공정에는 비누를 표면 작용제 또는 계면활성제로 사용하여 물에 있는 큰 단량체 방울을 안정화시키는 과정이 포함됩니다 . 수용성 자유 라디칼 개시제가 첨가되어 계면활성제에 의해 형성되는 미셀 이라고 불리는 작은 집합체 내의 중합에 의한 라텍스 입자 . 라텍스 코팅은 폴리머의 수성 분산액으로 적용되기 때문에 용제를 사용하지 않고 비누와 물로 청소할 수 있고 적용이 매우 쉽고 내구성이 뛰어나 일반 건축 도장용 도료용에서 매우 보편적으로 사용 중입니다. 라텍스 중합체(에멀젼도료, 수성도료)는 입자-입자 유착 공정에 의해 필름을 형성합니다.
 

3. 세상 모든 표면에 존재하는 것, 표면 코팅이 형성되는 과정

 
스프레이, 붓질, 로라, 레기 또는 다양한 도막화 도장 공정을 통해 표면 코팅이 진행됩니다.
대부분의 필름 형성 공정에서 상대적으로 낮은 점도의 액체 코팅이 고체 표면 기재(소재)에 적용되고 경화되어 사용자가 원하는 특성을 갖는 고체, 고분자, 폴리머 기반 접착성의 도막이 생성됩니다. 가장 일반적인 응용 분야에서 이 필름의 두께 범위는 0.5~500마이크로미터(0.0005~0.5밀리미터 또는 0.00002~0.02인치)입니다.
 
1960년대 이전의 코팅은 고형분 함량이 낮은 액체인 경우가 많았으며, 필름 형성 중에 상당한 양의 유기 용매가 대기 중으로 방출되었습니다. 
 
이로인해, 환경적, 경제적 압박으로 인해 코팅의 용제 함유량이 감소했으며 코팅 설계자는 도막 건조 공정을 친환경성을 고려하고 개선해야 했습니다. 결과적으로 현재 도장 공정에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.
용매(신나) 또는 캐리어 액체의 증발의 의해 형성되는 도막, 저분자량, 저점도 고분자 전구체의 경화건조, 그리고 작은 입자들의 합체로 인한 도막형성(수성페인트). 특정 코팅의 경우 전체 도막형성 공정은 실제로 이 세 가지가 복합적으로 혼합될 수 있습니다.
 
가교 경화에 의해 형성되는 도막(공용용 및 바닥재용 에폭시, 우레탄, 우레아, 분체, 소부도료 등)은 최고 성능의 코팅 필름 중 일부는 전적으로 폴리머의 반응을 기반으로 하여 3차원적으로 가교된 네트워크를 구축합니다. 이것은 매우 오래된 기술인 동시에 매우 새로운 기술입니다 . 중세시대 건성유를 용제 없이 사용하여 완전히 산화 가교에 의해 필름을 형성하는 페인트를 제조하였습니다. 건성유는 적어도 50%의 불포화 지방산 트리글리세리드를 함유한 아마인유나 동유와 같은 천연 제품입니다. 공기 중의 산소와 반응하면 이러한 오일이 교차 결합하여 장식 및 보호 특성을 갖는 네트워크 폴리머를 형성합니다.나무검, 로진 등 수용성 천연 수지와 테레빈유 등 천연  용제 로 개질된 건성유를 말한다. 다양한 기질에 주조하고 건조(보다 정확하게는 경화)시키면 바니시는 용제의 증발과 오일에 있는 불포화 지방산의 가교 반응에 의해 필름을 형성합니다 . 가교 반응은 상당히 복잡하지만 본질적으로 지방산에 대기 산소를 첨가하여 지방산이 과산화수소 유도체를 형성하는 과정을 포함합니다. 이러한 과산화수소는 특히 백연이나 나프텐산 코발트 와 같은 건조제의 존재 하에서 분해 되어 자유 라디칼을 형성한 다음 남은 불포화 지방산과 교차 결합합니다.
새로운 가교 기술은 도포 직전이나 도중에 혼합되고 신속한 가교를 통해 최종 폴리머 코팅을 형성하는 2성분 100% 고체 반응 시스템을 기반으로 합니다. 예를 들면 이소시아네이트 함유 화합물 과 알코올 의 반응 으로 폴리우레탄을 형성하는 것입니다. 많은 경우 점도를 조절하기 위해 용매를 사용하는데 , 이는 급속한 중합이 진행됨에 따라 상당히 증가할 수 있습니다. 또한 특정 응용 분야의 시간 및 온도 요구 사항 내에 반응이 완료되도록 돕기 위해 촉매가 필요한 경우가 많습니다.
 
증발 기반 도막 형성 공정(아크릴, 락카 등)은 코팅에 사용되는 폴리머의 분자량 과 특성이 용매에 용해되기 전에 완전히 발현됩니다. 그런 다음 완전히 배합된 코팅을 개발하기 위해 안료와 첨가제를 첨가합니다. 액체 코팅은 기판에 적용되며, 용매 증발에 의해서만 필름이 형성되고 고체 코팅이 남습니다.
 
증발 기반 필름 형성은 낮은 고체 함량과 다량의 유기 용매를 기반으로 합니다. 이는 가장 빠르고 간단한 필름 형성 방법 중 하나이며 1920년대부터 1950년대까지 자동차 생산 라인에 사용된 니트로셀룰로오스 래커의 기초였습니다. 이는 여전히 많은 스프레이 페인트의 필름 형성 방식입니다. 그러나 이는 그 자체로 많은 양의 용매를 대기 중으로 방출하는 필름 형성 방식입니다 . 이러한 이유로 래커 (용매 증발에 의해서만 필름을 형성하는 코팅이라고 함)는 환경법에 의해 심각하게 제한되었습니다.
 
유착기반 도막 형성 공정(건축용 수성페이트 류)은 크기가 0.05~1.0 마이크로미터인 작은 폴리머 입자가 물이나 유기 용매에 분산액으로 형성되고 폴리머가 유리 전이 온도 ( Tg ) 보다 높고 본질적으로 고무 같은 경우 투명한 폴리머 필름이 형성될 수 있습니다. 분산액이 콘크리트 등의 소재에 적용됩니다. 물에 부유하는 폴리머 입자는 표면 매개 힘으로 인해 함께 흐르거나 합쳐져 도막을 형성합니다. 중합체가 Tg 미만 이어서 단단하고 유리질 상태인 경우, 소량의 유착제(고분자를 가소화하고 유효 Tg 를 낮추는 용매, 도막형성제)가 시스템에 추가되어 필름 형성을 보조합니다. 이 합체는 나중에 증발하여 고체 폴리머 필름을 남깁니다.
 
유착 기반으로 한 도막의 형성은 주로 라텍스 폴리머에서 발생하지만 폴리머 입자가 유기 용매에 분산되는 시스템에서도 발생합니다 . 그러나 유기 용매 사용에 대한 제한으로 인해 물이 주된 담체 용매가 되었습니다.
수성 유착과 밀접한 관련이 있는 또 다른 필름 형성 방식은 다음과 같이 알려진 고체 페인트 입자의 용융 및 융합입니다.분 체 코팅은 유색 고분자 입자의 스프레이 또는 유동층으로 물체를 코팅하고 입자를 가열하여 융합시켜 연속 필름을 형성하는 공정입니다. 용융 및 융합 과정 중에 다른 반응이 발생할 수도 있지만 주된 필름 형성 반응은 입자의 융합 또는 유착입니다.
 

4. 세상 모든 표면에 존재하는 것, 표면 코팅의 정리

자동차 도장

 
상기 내용을 정리해보면 다양한 소재에 다양한 코팅재료가 존재하며 접착성분에는 수지 폴리머가 역할을 하고 기능적 색상 그리고 기능 측면에서 안료가 그 역할을 분담한다고 보시면 됩니다. 그리고 때에 따라서는 촉매 첨가제를 혼합하여 건조성 등을 조정할 수 있습니다. 폴리머, 수지는 증발형 타입, 유화 타입, 경화 타입이 있습니다. 다만 유성 신나가 코팅 내부에 있 증발형 타입은 대기환경, 인체 유해성 등으로 환경적인 제약이 있으며 유화타입 흔히 건축용 수성페인트 류를 주로 사용하며 고형분의 경화타입으로 우레탕 방수, 에폭시 라이닝 바닥재 용으로 활용하고 있습니다.