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인석 애
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 9, pp , 2009 박보람 1, 윤현정 1, 조홍 1, 하진욱 1* 1 순천향대학교화학공학 환경공학과 Formulation and Application of UV-Cured Hard Coating Compounds for PVC Tile Bo-Ram Park 1, Hyun-Jung Yoon 1, Zhao Hong 1, Jin-Wook Ha 1* 1 Department of Chemical & Environmental Engineering, Soonchunhyang University 요약본연구는건축자재로널리사용되는 PVC 바닥상재의표면을스크래치로부터보호하기위하여기존에사용하는광경화형우레탄-아크릴수지에내마모성을향상시킨광경화형하드코팅액개발에관한것이다. PVC 바닥상재용으로사용되는내마모성이없는우레탄-아크릴수지에 Al 2O 3(Al-160SG-3), Al(OH) 3(SH-8W) 및 SiO 2(KS-5000) 등서로다른내마모성을지닌물질을분말형태로수지의양대비함량 (wt%) 을 10~30% 로변화하여첨가한후링밀 (Ring Mill) 을사용, 배합하여수지의내마모성을향상시킨하드코팅액을제조하였다. 제조한하드코팅액은코팅층의두께조절이가능한코팅 (Bar-coating) 을사용하여 PVC 바닥상재에코팅한후내마모성, 연필경도, 부착력, 코팅두께등의코팅층표면물성을평가하였다. 연구결과, 수지에 Al 2O 3 분말 30% 를혼합하여제조한하드코팅액이내마모성 1등급, 연필경도 H, 부착력 100% 로가장좋은물성을보였으며, 전반적으로입자크기가작고, 분말함량이많을수록또한코팅두께가두꺼워질수록경도및내마모성이우수한것으로나타났다. Abstract This study is on development of UV-cured hard coating compounds which have more improved abrasion resistance than existing UV-cured urethane-acrylic resin, to prevent a surface of a widely used PVC tile as a constructive material from being scratched. To make a high abrasion resistant hard coating solution compared to UV-cured urethane-acrylic resin which has no abrasion resistance and been used for PVC tiles, we added powder substances of different abrasion resistant level, Al 2O 3(Al-160SG-3), Al(OH) 3(SH-8W), SiO 2(KS-5000), etc., to the resin, changing their contents from 10% to 30% against quantities of resin, and compounded it using Ring-Mill. After coating PVC tiles with the hard coating solution using bar-coating method that can adjust a thickness, we estimated some surface properties abrasion resistance, pencil hardness, adhesive power, thickness of coating, and so on. As a result, a hard coating solution added 30% Al 2O 3 powder to the resin had the finest surface properties the first grade in abrasion resistance, H in pencil hardness, 100% in adhesive power, and a hard coating solution which showed excellent solidity and abrasion resistance has smaller particle size, higher powder content, and thicker coating thickness. Key Words : PVC Tile, UV-Cure, Hard Coating, Wear-Resistant, 1. 서론 1970 년대부터일기시작한아파트건축붐에따라급 * 교신저자 : 하진욱 (chejwh@sch.ac.kr) 접수일 09 년 07 월 07 일수정일 09 년 08 월 19 일게재확정일 09 년 09 월 16 일 격히늘어난건축용도료 ( 용제형 ) 의수요는관련분야의양적팽창은가져왔으나질적인기술은그에부응하지못하여많은환경오염문제를야기시켰다. 2396

2 이에전세계적으로환경보존에관한관심이크게고조되어최근환경규제는모든산업분야에서범세계적인차원으로확산되고있으며, 국내도장산업에서도휘발성유기물질 (Volatile organic compound, VOC) 의배출을줄이기위해많은연구가진행되고있다. 이러한환경규제에대처할수있는광경화형수성도료는제조공정에서용제를전혀사용하지않는 Non-VOC 형도료로환경친화적이며다른도료보다우수한생산성을가진도료로서최근선진국에서산업전분야에걸쳐괄목할만한성장세를이루고있다. 특히, 아파트건축경기의성장세에힘입어 PVC상재와타일등은연간 USD 50억불 ( 약 5조원 ) 의거대시장을형성하고있으며, 선진기업들은제품에다양한기능성을부가하여특수기능을가진도료및가공기술개발에많은노력을기울이고있다 [1-6]. 하지만국내 PVC 상재와타일은단순표면보호만을목적으로하고있으며용제형의도료가많이사용되기때문에, 빠르고다양하게변화하는소비자의요구를만족시키면서환경규제에대처할수있는친환경기능성도료의개발과이를적용할수있는첨단기술의개발이필요하다. 본연구에서는기존 PVC상재에사용되는용제형광경화도료를대체하고, 바닥재로많이사용되는 PVC타일의마모현상을방지하기위한표면강화기능을개선할수있는환경친화적이며내마모성 (Wear-resistant) 을지닌광경화형수성도료에대한연구를진행하였으며, 본하드코팅연구를바탕으로복합기능을갖는 PVC Tile을개발중에있다. 2. 실험 2.1 코팅액제조방법및코팅조건 PVC Tile의내마모성을증가시키기위해일반 UV코팅액 ( 국산, ( 주 ) 큐엔탑 ) 에 Al 2O 3(alumi -num oxide) 내마모제 Al-160SG-3( 일본, Sho -wa Denko사 ), Al(OH) 3(aluminum hydroxide) 내마모제 SH-8W( 국산, ( 주 )KC) 와 SiO 2(silicon dioxide) 내마모제 KS-5000( 국산, ( 주 )21세기실리카) 을수지의양대비 10%, 20%, 30% 함량으로조절하여첨가하였다. 일반 UV코팅액의조성은표 1과같다. [ 표 1] UV 코팅액의조성 함량 광개시제 4.9 모노머 48.8 올리고머 45.7 첨가제 0.6 합 계 100 세가지내마모제의화학적성분은표 2에나타내었다. [ 표 2] 내마모제화학적성분 aluminum oxide aluminum hydroxide silicon dioxide Al 2O Al(OH) SiO Na 2O Fe 2O TiO L.O.I UV코팅액과 내마모제를 배합하기 위해 Ring Mill-RG25( 국산, ( 주 ) 암스텍산업 ) 를사용하여 1720rpm 으로 30분간밀링하여하드코팅액을제조하였다. 제조 한코팅액을 10cm 10cm 크기의 PVC Tile에두께조절이 가능한두가지 Bar-coater(No.7, No.12) 를사용하여코팅 하였다. 코팅한 PVC Tile은 UV경화기 ( 국산, Lichtzen) 로 자외선조사량 1.5kw, 경화속도 1.5m/min, 경화횟수 1회 로동일한조건에서경화하였다. 코팅액제조방법및코 팅조건은그림 1과같다. 2.2 코팅층물성평가 코팅된 PVC Tile의 hardness 평가중내마모성은 Steel wool tester기 ( 국산, K사 ) 로 Tile 표면에각각 500g과 1kg 의하중으로 Steel wool을 20회왕복한후육안관찰로 1~3등급으로평가하였다. 긁힘이나흠이없다면 1등급, 긁힘이 5줄이하이면 2등급, 5~10줄이면 3등급, 그외는 등급이하로구분하였다. 2397

한국산학기술학회논문지제 10 권제 9 호, 2009 [ 그림 4] 코팅두께테스트평가방법 [ 그림 1] 코팅액제조및 UV 경화코팅조건 부착력평가는 ASTM D

500g의하중으로 5회왕복후긁힘정도에따라평가하였다. [ 그림 5] 부착력테스트평가방법 3.

3 한국산학기술학회논문지제 10 권제 9 호, 2009 [ 그림 4] 코팅두께테스트평가방법 [ 그림 1] 코팅액제조및 UV 경화코팅조건 부착력평가는 ASTM D 3359에근거하여코팅표면에 1mm간격으로십자형의칼집을내어 100개의정방형을만들고 3M 테이프를잘밀착시켜일정한힘으로수회떼어내어코팅층과기재와의밀착정도를관찰하였다. 코팅의박리등급에따른자세한기준은그림 5와같다. [ 그림 2] 내마모테스트평가방법 경도는연필경도측정기로 KS M ISO 15184에기준하여 PVC Tile 표면에 45도각도로규정된연필의심을대고 500g의하중으로 5회왕복후긁힘정도에따라평가하였다. [ 그림 5] 부착력테스트평가방법 3. 결과및고찰 [ 그림 3] 연필경도테스트평가방법코팅두께의측정은초음파 multi-layer 코팅두께측정기 ( 미국, Defelsko, positector 100) 로 5회측정후평균값으로평가하였다. PVC Tile의알맞은하드코팅의조건을찾기위하여 Particle size가다른 Al 2O 3(aluminum oxide) 분말과 Al(OH) 3(aluminum hydroxide), SiO 2(silicon dioxide) 분말의함량을조절하여하드코팅액을제조하였다. 내마모제의함량을 30% 이상첨가할경우점도가높아져 Ring Mill을할수없었다. 시료는내마모제의품명과함량에따라각각세가지로분류하여표기하였고, 연구에사용된내마모제의종류와 Particle Size, 첨가된함량은표 3 에나타내었다. 2398

4 [ 표 3] 내마모제종류와함량에따른코팅액의분류분류품명함량 A-10 10% Al-160SG-3 A-20 Al 2O 3 20% (0.93μm) A-30 30% S-10 10% SH-8W S-20 Al(OH) 3 20% (8.66μm) S-30 30% K-10 10% KS-5000 K-20 SiO 2 20% (7.27μm) K-30 30% 3.1. Al 2O 3 내마모제의코팅층물성내마모제 Al 2O 3(aluminum oxide) 로제조한하드코팅액 A-10, 20, 30을 PVC Tile에코팅하여평가한결과는표 4와같다. 내마모성 Test 결과하중 500g에서는모두동일한 1등급이나왔으나하중1kg에서 A-30이 1등급으로제일양호하였다. 연필경도에서는시료 A-10, 20은 HB로동일하게나왔고, A-30은 H로가장우수한결과를얻었다. Bar-coater에따른 Test결과는 A-20에서내마모성하중 1kg과연필경도에서만 No.7보다 No.12가한단계씩높은다른결과를보이고나머지시료는동일한결과가나왔다. 부착력은 ASTM D 3359 부착력평가에따라최상등급인 5B로모두매우우수하였고, 코팅두께는 Bar-coater No.7으로코팅시 16μm이고, No.12으로코팅시 27.43μm이므로적절하게나왔다. Al 2O 3 의하드코팅의결과분말함량이많을수록, 코팅두께가두꺼울수록우수한것으로나타났다. [ 표 4] Al 2O 3 내마모제의코팅층물성평가 A-10 A-20 A-30 하중500g 1등급 1등급 1등급내마모성하중1kg 2등급 2등급 1등급 No.7 연필경도하중500g HB HB H 코팅두께초음파 19.0μm 18.6μm 19.0μm하중500g 1등급 1등급 1등급내마모성하중1kg 2등급 1등급 1등급 No.12 연필경도하중500g HB H H 코팅두께초음파 26.2μm 27.6μm 27.7μm 3.2 Al(OH) 3 내마모제의코팅층물성내마모제 Al(OH) 3(aluminum hydroxide) 로제조한하드코팅액 S-10, 20, 30을 PVC Tile에코팅하여평가한결과는표 5와같다. [ 표 5] Al(OH) 3 내마모제의코팅층물성평가 S-10 S-20 S-30 하중500g 등급이하 3등급 3등급내마모성하중1kg 등급이하등급이하등급이하 No.7 연필경도하중500g - HB HB 코팅두께초음파 14.3μm 18.3μm 16.3μm하중500g 등급이하 3등급 3등급내마모성하중1kg 등급이하등급이하등급이하 No.12 연필경도하중500g - HB HB 코팅두께초음파 26.0μm 27.0μm 26.2μm내마모성 Test 결과 S-10은모두등급이하로좋지않은결과를얻었고, S-20, 30은하중 500g에서 3등급, 하중 1kg에서는모두등급이하로동일한결과를얻었다. 연필경도 Test결과 S-10에서는 HB에서도표면물성을보여가장낮은등급으로평가되었으며, S-20, 30은 HB로동일하게나왔다. Bar-coater에따른내마모성, 연필경도 Test는 No.7, No.12 모두동일한결과를보였다. 이는내마모성, 연필경도 Test의결과가비교적좋지않아코팅두께의차이가없는것으로판단된다. 부착력은 Al 2O 3 의하드코팅의결과와같은 5B로최상등급이나왔고, 코팅두께도적절하게나왔다. Al(OH) 3 의하드코팅의결과분말함량이많을수록, 우수한것으로나타났다. 3.3 SiO 2 내마모제의코팅층물성내마모제 SiO 2(silicon dioxide) 로제조한하드코팅액 K-10, 20, 30을 PVC Tile에코팅하여평가한결과는표 6과같다

5 한국산학기술학회논문지제 10 권제 9 호, 2009 [ 표 6] SiO 2 내마모제의코팅층물성평가 K-10 K-20 K-30 하중500g 내마모성 2등급 1등급 1등급 하중1kg 3등급 2등급 2등급 No.7 연필경도하중500g HB HB H 코팅두께 초음파 16.3μm 16.2μm 18.7μm 하중500g 2등급 1등급 1등급 내마모성 하중1kg 3등급 2등급 2등급 No.12 연필경도하중500g HB H H 코팅두께 초음파 28.3μm 27.0μm 27.7μm 왔고, Al(OH) 3 분말을혼합하여제조한하드코팅액은 3등급또는등급이하로판정되어부합하지못한결과가나왔다. SiO 2 분말을혼합하여제조한하드코팅액은내마모성 1~3등급, 연필경도 H~HB으로 Al 2O 3 분말을혼합한하드코팅액과비교적비슷한결과를보였다. 부착력은모든코팅액이 100% 로좋은물성을보였다. Bar-coater에따른코팅두께는 No.7에서 14~19μm, No.12에서 26~28 μm로적절한코팅두께가측정되었다. 연구결과, Al 2O 3 (Al-160SG-3) 분말 30% 와수지를혼합하여제조한하드코팅액을 Bar -coater No.12 (27.43 μm ) 로코팅한 PVC 바닥상재가내마모성 1등급, 연필경도 H, 부착력 100% 로가장좋은물성을보였다. 따라서전반적으로입자크기가작고, 함량이높을수록, 또한코팅두께가두꺼워질수록경도및내마모성이우수한것으로판단된다. 본하드코팅의연구를바탕으로복합기능을갖는 PVC Tile을개발중에있다. 내마모성 Test 결과 K-10은하중 500g에서 2등급, 하중 1kg에서 3등급으로나오고, K-20, 30에서는하중 500g 에서 1등급, 하중 1kg에서 2등급으로동일한결과가나왔다. 연필경도에서는 HB~H로우수한결과를보였고, 그중에서 K-20은 Bar-coater에따라서연필경도가 HB인 No. 7보다 No. 12에서 H로한등급더높게나와코팅두께가두꺼워질수록경도및내마모성이우수한것으로판단된다. 부착력은 Al 2O 3, Al(OH) 3 내마모제의코팅층물성평가와같이모두최상등급인 5B로매우우수하였으며, 코팅두께역시 Bar-coater No.7은 16~18μm, Bar-coater No.12는 27~28μm로적절하게나왔다. 4. 결론 주로바닥재로많이사용되어지고있는일반 PVC 바닥상재의경우바닥재위에놓이는물건이나사람, 또는물건의마찰에의해표면에손상이오거나마모가일어나게된다. 이러한마모현상을방지하기위하여소재의표면을코팅함으로써환경친화적이며복합기능성을지닌광경화형하드코팅제를제조하였다. 기존의우레탄-아크릴수지에내마모성을증가시키기위해서로다른 3종의내마모제 Al 2O 3 (Al-160SG-3), Al(OH) 3 (SH- 8W), SiO 2(KS-5000) 을첨가하여 PVC Tile에코팅한후그물성을관찰하였다. 수지에 Al 2O 3 분말을혼합하여제조한하드코팅액의경우내마모성 1~2등급, 연필경도 H~HB의결과가나 참고문헌 [1] 유동식, 김선길, 이지호, 하진욱, 열경화형고기능성하드코팅액에관한연구, 응용화학, Vol. 9, No. 2, pp. 13~16, [2] 윤석은, 우희권, 김동표, 자외선경화형유기 / 무기복합코팅에의한폴리카보네이트의내마모성향상연구, 폴리머, Vol. 24, No. 3, pp. 389~398, [3] 박찬, 박동수, Michael McNallan, " 탄화규소세라믹스염화에의한카본코팅의내마모성에관한연구 ", 한국부식학회지, Vol. 30, No. 6, pp. 336~341, [4] 문제익, 최재훈, 황현득, 김현중, 김남홍, " 광개시제의함량에따른 UV경화형분체도료의물리적특성 ", 접착및계면, Vol. 9, No. 2, pp. 32~37, [5] 오대희, 김대진, 서관호, "PVC 컴파운드의기계적물성에대한가소제의영향 ", 엘라스토머, Vol. 34, No. 5, pp. 391~398, [6] 이만성, 조남주, " 졸-겔법으로제조한유-무기복합코팅제의내마모및광학적특성 ", 공업화학, Vol. 12, No. 6, pp. 643~648,

박보람 (Bo-Ram Park) [ 준회원 ] 2009 년 2 월 : 순천향대학교환경공학과 ( 공학사 )

종신회원 ] 1986 년 2 월 : 연세대학교화학공학과 ( 공학사 ) 1990 년 8 월 : ( 미 )Univ.

of Illinois 화학공학과 ( 공학박사 ) 1995 년 3 월 ~ 현재 : 순천향대학교에너지환경공학과교수

2009 년 3 월 ~ 현재 : 순천향대학교화학공학 환경공학과석사과정 조홍 (Zhao Hong) [ 준회원 ]

6 박보람 (Bo-Ram Park) [ 준회원 ] 2009 년 2 월 : 순천향대학교환경공학과 ( 공학사 ) 2009 년 3 월 ~ 현재 : 순천향대학교화학공학 환경공학과석사과정 하진욱 (Jin-Wook Ha) [ 종신회원 ] 1986 년 2 월 : 연세대학교화학공학과 ( 공학사 ) 1990 년 8 월 : ( 미 )Univ. of Illinois 화학공학과 ( 공학석사 ) 1993 년 5 월 : ( 미 )Univ. of Illinois 화학공학과 ( 공학박사 ) 1995 년 3 월 ~ 현재 : 순천향대학교에너지환경공학과교수 윤현정 (Hyun-Jung Yoon) [ 준회원 ] 2009 년 2 월 : 순천향대학교환경공학과 ( 공학사 ) 2009 년 3 월 ~ 현재 : 순천향대학교화학공학 환경공학과석사과정 조홍 (Zhao Hong) [ 준회원 ] 1998 년 7 월 : 南京大學校化學科 ( 理學士 ) 2008 년 3 월 ~ 현재 : 순천향대학교화학공학 환경공학과석사과정 2401

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Investigation of the Korean Traditional Hobun Manufacturing Technique NATIONAL RESEARCH INSTITUTE OF CULTURAL HERITAGE 2008 Investigation of the Korean Traditional Hobun Manufacturing Technique - Centering