환경 친화적인 도료 첨가제로의 커들란의 응용 및 농도 최적화

문찬준,  이중헌

조선대학교 화학공학과, mcj_cmopp@hanmail.net

Use of Curdlan as a Color Paint Additive

Moon Chan Jun, Lee Jung Heon

Department of Chemical Engineering of Chosun University, mcj_cmopp@hanmail.net

서 론

도료는 제품의 보호, 아름다움 추구, 제품표시 등의 다양한 목적으로 개발되어 사용되어 왔다. 도료의 원료가 대부분 화학합성을 통하여 제조되어 왔기 때문에 화학물질의 취급에서 야기되는 환경문제에 대한 의식이 높아지고, 도료의 과량 사용으로 인한 환경 문제가 최근 대두되면서 도료의 특성을 향상 시키려는 원료의 개발이 지속적으로 추진되고 있다.[1] 이런 문제점을 극복하기 위한 일환으로 최근 도료 업계는 무공해, 자원절약형 도료를 지향하고 있으며 무공해 도료의 연구방향으로 분체화, 무용제화, 하이솔리드화, 수용화 및 천연도료의 개발 등 다각적으로 실시하고 있는 실정이다[2].

이러한 도료용 화합물에 천연고분자를 이용하는 것은 환경 친화적인 제품의 개발이 가능할 뿐만 아니라 사용 후 환경복원 측면에서 우수한 도료화합물의 후보 물질이며 합성고분자 물질을 대체할 중요한 천연물질이다.

본 논문에서 사용된 커들란은 생물고분자로서 커들란의 고유의 특성에 의해 알칼리성 용액에서는 용액의 유동특성을 향상시키며 특히 용액에 입자가 존재하는 경우 입자의 분산 상태를 일정하게 하는 특성이 있다[3,4,5].  기존의 합성고분자의 사용에 비해 우수한 특성을 보유하며 이전에 이러한 고분자를 이용한 페인트의 분산제의 응용은 아직까지 없다. 본 발명에서의 생물고분자인 커들란을 페인트의 컨디셔너로 사용할 경우 첨가제의 양을 현저히 감소시킬 수 있고, 현탁액중의 안료 표면에 첨가제를 사용하여 최적 효과를 기대하는 것이 가능하다.

본 론

1. 재료 및 방법

안료의 원료로는 붉은색 및 검은색 물감을 사용하였다. 물감의 분산 및 착색력을 향상시키기 위하여 커들란 분말(더멋진 바이오텍(주), 대전)을 사용하였다. 커들란의 농도에 따른 물감의 착색도를 측정하기 위해 색차계(Applied Color System Co., U.S.A. model ACS-4500 Spectro Senser Ⅱ)를 이용하였으며[6-7], 물감의 착색 및 안료 입자의 분산 특성을 측정하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy, JEOL, JSM-840A)을 이용하였다[8]. 붉은색 물감 실험에서는 먼저 커들란의 용해도를 증가시키기 위하여 알칼리 용액(NaOH 용액)을 소량 첨가 후   커들란 분산제를 만들었다. 붉은색 물감의 초기 pH는 7이었으므로 전 처리 없이 커들란 수용액을 섞은 후 색을 칠하여 물감의 분산성 및 착색정도를 관측 하였다. 증류수 50 ml에  curdlan의 양을 조절하여 각기 다른 농도의 분산제를 만든 후 커들란 수용액 2 ml와 붉은색 물감 0.2 g과 잘 혼합 후 백색 종이에 붓을 사용하여 칠하였다. 색칠 후 색감 및 색도를 비교하고 안료입자의 분산특성을 측정하기 위해 SEM을 사용하여 촬영하였다.

검정색 물감 실험에서는 위와 같은 방법으로 커들란 분산제를 제조하였으며 검정색 물감의 초기 pH가 4.0 이었으므로 전처리 과정으로 물감에 2N NaOH 0.1 ml를 첨가시켜 초기 pH를 7로 만든 후 붉은색 물감과 같은 방법으로 실험하였다.

2. 실험결과 및 고찰

2-1. 붉은색 잉크에 커들란용액 첨가 후 색도의 변화

커들란의 농도가 다른 분산제를 만들어 물감에 첨가한 후 물감을 흰 종이 위에 채색하였다. 커들란의 농도에 따른 채색도의 변화는 Figure 1과 같은 실험 결과를 보였으며, 색차계를 이용하여 분석한 결과를 Figure 2에 나타내었고, 이를 바탕으로 커들란 농도에 따른 색도 변화 값으로 Figure 3와 같은 결과를 얻었다.

Figure 1. Effect of curdlan addition on chromaticity

붉은색   물감의 경우 커들란의 함량이 0.4%□1%일 때 착색력이 향상되었으며 0.6%일 때 가장 특성이 우수하였으며 색이 골고루 분산되는 현상을 관찰 하였다.

안료입자의 분산특성을 측정하기 위해 색칠한 종이의 표면을 SEM을 이용하여 촬영한 결과 붉은색 물감을 사용한 경우 커들란을 첨가하지 않았을 때 종이의 섬유소 위에 안료가 골고루 분포되지 않기 때문에 섬유소의 선이 선명하게 나타남을 관찰할 수 있었다. 커들란의 농도가 0.4 % 이상이 되면서부터 섬유소 위에 안료가 골고루 퍼져있는 표면을 관찰 할 수 있었으며 섬유소의 형태가 점차 사라짐을 볼  수 있다. 커들란 1 % 용액을 사용한 경우 종이의 표면이 균일하게 칠해진 형태를 볼 수 있어 Figure 1 에서와 같은 진한 붉은 색으로 나타남을 볼 수 있었다.  종이 표면상에서 안료의 분산력은 위와 같은 범위에서 안료 입자의  분산력이 증가되는 현상을 관찰 할 수 있었다. 종위위에 물감이 착색되어 있는 현상을 전자 현미경 사진을 통하여 확대해 본 결과 커들란을 첨가하지 않은 경우 섬유소의 줄기가 선명하게 드러나 색감이 일정하지 않음을 알 수 있었으나 커들란의 농도가 높을수록 표면에 일정하게 착색되어 섬유소의 줄기가 관측되지 않는 현상을 볼 수 있었다. 농도가 높은 커들란 용액의 경우 전자 현미경 사진에 의하면 착색이 잘되는 것으로 보이나 점도의 증가로 인하여 Figure 1에서와 같이 착색 면이  끊기는 현상을 볼 수 있었다. 그러므로 붉은색 물감에 대한 최적 커들란의 농도는  0.5 % 정도인 것으로 측정되었다.

2-2. 검정색 잉크에 커들란 용액 첨가 후 색도의 효과

커들란이 물감의 착색력에 변화를 주는 효과를 측정하기 위해 검정색 물감에 커들란의 농도가 다른 분산제를 만들어 물감에 첨가한 후 물감을 흰 종이 위에 채색하였다. 커들란의 농도에 따른 채색도의 변화는 Figure 1과 같은 실험 결과를 보였으며, 색차계를 이용하여 분석한 결과를 Figure 4에 나타내었고, 이를 바탕으로 커들란 농도에 따른 색도 변화값으로 Figure 5와 같은 결과를 얻었다.

유채색인 붉은 색과 달리 무채색인 검정색에서의 색도는 초기부터 높았으며 첨가된 커들란의 농도가 증가 할수록 채색도는 증가하였다. 검은색 물감에 커들란의 함량이 0.1%□1%일 때 착색력이 향상되었으며 붉은색 페인트와 마찬가지로 0.6%일 때 착색 특성이 가장 우수하였다. 커들란의 농도가 1.2 % 이상인 경우에는 용액의 점도 증가로 인하여 물감에 의해 착색된 표면이 갈라지는 현상이 관측되었다.

커들란의 첨가량에 따른 색도의 변화를 측정한 결과 초기 커들란의 농도가 낮은 경우에는 색도에 영향을 적게 미치나 첨가량이 0.4 % 이상으로 증가하는 경우 색도가 급격히 증가하다 색이 포화됨에 따라 영향이 줄어듦을 볼 수 있다. 실험결과 커들란의 최적 농도는 0.5 % 정도로 나타났으며 색도는 60 % 이상 증가하는 것으로 나타났다.

Figure 2. Effect of curdlan addition on chromaticity

Figure 3. Effect of curdlan addition on the color differences

Figure 4. Effect of curdlan addition on chromaticity

Figure 5. Effect of curdlan addition on the color differences

결 론

본 연구는 커들란을 알칼리 수용액에서 녹여 페인트 안료에 첨가하여 혼합한 후 상업용 페인트를 제조하는 방식으로 첨가되는 생물고분자의 농도를 조절함으로써 페인트의 특성을 조절할 수 있으며 첨가되는 물질을 감소시키는 것이 가능하였다. 특히, 생체에 무해한 고분자를 사용함으로써 환경 친화적인 페인트 제조에 응용될 수 있다. 특히 발현되는 색감이 우수하며 골고루 분산되는 특성이 우수한 것으로 연구 결과로 나타났다.

페인트 및 물감 사용 시 분산의 효과감소 및 혼합이 균일하게 되지 않기 때문에 색감이 얼룩지거나 말림 현상이 일어나기 때문에 이의 해결을 위해 합성 고분자를 사용한다. 본 발명에서는 기존의 합성 고분자 대신에 생물고분자를 사용하여 분산의 효과를 극대화하고 이를 이용함으로써 다른 첨가제의 첨가량을 감소 시켜 페인트 제조 시 원가 절감효과 등의 부대적인 효과를 얻는 것이 가능하다.

본 연구에서는 생물 고분자인 커들란의 유동화 특성에 기인한 안료의 분산 개선 및 첨가제로서의 기능을 확대하기 위해 다음과 같은 방법으로 페인트를 제조한 결과 우수한 분산특성을 보였으며 색감도 우수한 것으로 나타났다. 커들란의 사용은 추가 비용을 투자하지 않고 페인트의 색감을 향상시킬 뿐만 아니라 페인트 내의 안료 분체를 골고루 분산시키는 효과를 나타낸다. 본 연구에서 사용된 커들란은 페인트 뿐 만 아니라 물감, 잉크 등의 다양한 용도로 쓰이는 것이 가능하다. 본 발명의 단점은 생물 고분자인 커들란

이 pH 10 이상에서 녹기 때문에 안료를 푼 페인트의 pH가 염기성이 되어야 하는 단점도 있다. 그럼에도 불구하고 커들란을 첨가한 도료는 분산효과의 우수성에 의해 페인트의 품질을 증가시킬 뿐 아니라 물감의 끝 부분의 말림 현상을 감소시켜 우수한 성능의 paint의 제조를 가능하게 한다.

참고문헌

1. Lee, J. H., Jin, C. I.: □Development Trends of Environmental Production Paints□,       Prospectives of Industrial Chemistry, 5, 18-24(2002).

2. Kim, H. J., Lee, B. H.: □Development Trends of Natural Coatings□, Prospectives of     Industrial Chemistry, 5, 35-43(2002).

3. Lee, J. H., Shin, S. E., Rhee, K. H.: □An Experimental Study on the Enhancement     of Fluidity and Strength of Concrete with Curdlan□, HWAHAK KONGHAK, 40,     400-403 (2002).

4. Ogawa, K., Turugi , J. & Watanabe, J.: Carbohydr, Res., 29 397(1973).

5. Toshio, T., Takayoshi, M., Toshiro, M.: □Influence of Alkaline Concentration on       Molecular Association Structure and Viscoelastic Properties of Curdlan Aqueous      Systems□, Inc. Biopoly, 42 479-487(1997).

6. Kim, J. S.: □Color Analysis of Cobalt-based Pigments in Chemical Composition of the Lime Glazes□, Applied Chemistry, 6, 131-134 (2002).

7. Shim, M. S.: □An Experimental Analytic Study on the Discolation of Exterior Paint     of Buildings□, 한국색체학회, 9 1-20 (1997).

8. Lee, D. I.: □The structure of model coatings: latex-bond plastic pigment coatings□,     Progress in Organic Coatings, 45 341-358  (2002).