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Methyltrimethoxysilane과 Trimethylethoxysilane을 이용한 비불소계 발수 코팅 도막의 제조
Preparation of Non-Fluorinated Water Repellent Coating Films Using Methyltrimethoxysilane and Trimethylethoxysilane 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.2, 2019년, pp.177 - 184  

김동구 (건양대학교 의료신소재학과) ,  이병화 (대흥화학공업(주) 기술연구소) ,  송기창 (건양대학교 의료신소재학과)

초록
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Methyltrimethoxysilane (MTMS)과 trimethylethoxysilane (TMES)을 전구체로 사용하여 비 불소계 발수 코팅 용액을 제조하였다. 이 코팅 용액을 냉연 강판 위에 스핀 코팅하고 열 경화시켜 발수 코팅 도막을 제조 하였다. 이 과정 중 코팅 도막의 소수성에 미치는 TMES/MTMS의 몰 비 영향이 연구되었다. 코팅 도막의 소수성은 접촉각 측정, 표면 형상 분석 및 적외선 분광법을 사용하여 연구되었다. TMES/MTMS의 몰 비를 0에서 30까지 변화 시켰을 때, 코팅되지 않은 냉연강판의 접촉각은 $30^{\circ}$인 반면에 TMES/MTMS의 몰 비가 1인 경우는 접촉각이 $104^{\circ}$로 크게 증가하여 발수성이 향상되었다. 또한 TMES/MTMS의 몰 비가 10, 15, 25, 30인 경우는 각각 접촉각이 $109^{\circ}$, $114^{\circ}$, $117^{\circ}$, $144^{\circ}$로 TMES/MTMS의 몰 비가 증가할수록 냉연강판의 접촉각이 점차 증가하는 경향을 보였다. 이때 코팅 도막의 소수성은 표면 거칠기의 증가와 코팅 표면에서의 메틸 성분의 함량 증가로 인해 향상되었다. 특히 TMES/MTMS의 몰 비가 30인 경우에는 TMES의 메틸기로 인한 발수성뿐만 아니라 표면 입자의 존재로 인해 전체적인 표면 거칠기가 크게 증가하였기 때문에 $144^{\circ}$의 초발수성을 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Non-fluorinated water repellent coating solutions were obtained using methyltrimethoxysilane (MTMS) and trimethylethoxysilane (TMES) as precursors. The solutions were spin-coated on a cold-rolled steel sheet and cured thermally to prepare water repellent coating films. During this process, the effec...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고가이면서 환경 위해성이 높은 불소 소재를 대체하기 위해 가격이 저렴하며 환경 위해성이 없는 실리콘계 출발물질인 TMES와 MTMS를 사용하여 발수 코팅제를 제조하였다. 이 과정 중 TMES와 MTMS의 몰 비 변화, 물의 첨가량 변화, 촉매인 옥살산의 몰 수 변화와 같은 반응 변수가 코팅 도막의 발수성, 표면 상태 및 연필경도와 같은 물성에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 그 후 이 용액을 기재인 냉연강판 위에 도포시켜 발수 코팅 도막을 제조하여 110º 이상의 접촉각을 보이는 도막을 구현하였다. 이 과정 중 TMES/MTMS 몰 비, H2O/MTMS의 몰 비, 촉매인 옥살산의 첨가량 등의 반응 변수가 코팅 도막의 발수성, 표면 상태 및 연필경도와 같은 물성 변화에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
불소계 발수제의 위험요소는? 그러나 불소화합물은 가 격이 비싸고 환경적으로 위험한 성질로 인해 사용이 제한되고 있다. 이는 발수제에 포함되어 있는 PFOA (perfluorooctanoic acid)나 환경 호르몬으로 분류되는 PFOS (perfluorooctane sulfonate)가 쉽게 동 물이나 식물에 축적되며, 구강이나 흡입을 통해 인체에 쉽게 흡수 되므로 간의 손상 및 암을 일으키는 독성물질로 분류되어 최근 전 세계적으로 PFOS/PFOA 관련 제품의 판매 및 제조에 대한 규제가 강화되고 있기 때문이다[2,3]. 따라서 불소계 발수제의 대안으로는 왁스, 파라핀, 폴리우레탄, 덴드리머, 실리콘 등의 물질이 사용되고 있다[4].
발수제란 무엇인가? 최근 발수제는 발유성 및 소수성 등의 특수 기능을 가지므로 자가 세척(self-cleaning), 오일/물 분리(oil/water separation), 유체 저항 감소(fluid drag reduction) 등의 기능을 부여하는 표면개질제로 널 리 이용되고 있다[1]. 많은 연구자들이 불소를 소수성 표면을 구현 하는 가장 낮은 표면 에너지 물질로 선택하여 불소화합물을 이용한 불소계 발수제가 널리 이용되고 있다[1].
불소화합물의 사용이 제한되고 있는 이유는? 많은 연구자들이 불소를 소수성 표면을 구현 하는 가장 낮은 표면 에너지 물질로 선택하여 불소화합물을 이용한 불소계 발수제가 널리 이용되고 있다[1]. 그러나 불소화합물은 가 격이 비싸고 환경적으로 위험한 성질로 인해 사용이 제한되고 있다. 이는 발수제에 포함되어 있는 PFOA (perfluorooctanoic acid)나 환경 호르몬으로 분류되는 PFOS (perfluorooctane sulfonate)가 쉽게 동 물이나 식물에 축적되며, 구강이나 흡입을 통해 인체에 쉽게 흡수 되므로 간의 손상 및 암을 일으키는 독성물질로 분류되어 최근 전 세계적으로 PFOS/PFOA 관련 제품의 판매 및 제조에 대한 규제가 강화되고 있기 때문이다[2,3].
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참고문헌 (10)

  1. Kim, T, Jeong, J. and Chung, I., "Preparation of Superhydrophobic Surfaces Using Agglomeration Control of Silica Nanoparticles by Organic Solvent and Non-fluoride Self-assembled Monolayers," J. Adhesion and Interface, 16(3), 116-121(2015). 

  2. Lv, C., Wang, H., Liu, Z., Wang, C., Li, H., Zhao, Y. and Zhu, Y., "A Fluorine-free Superhydrophobic PPS Composite Coating with High Thermal Stability, Wear Resistance, Corrosion Resistance," Progress in Organic Coatings, 110, 47-54(2017). 

  3. Jeevajothi, K., Subasri, R. and Raju, K. R. C. S., "Transparent, Non-fluorinated Silica Coatings with Improved Mechanical Properties," Ceramics International, 39, 2111-2116(2013). 

  4. Kim, T. K., Kang, H. J. and Park, J. H., "Synthesis of Non-fluorinated Polystearyl Methacrylate Water Repellent and Its Properties on Textile Fibers," Textile Coloration and Finishing, 29(2), 55-61(2017). 

  5. Castellino, V., Cheng, Y.-L. and Acosta, E., "The Hydrophobicity of Silicone-based Oils and Surfactants and Their Use in Reactive Microemulsions," Journal of Colloid and Interface Science, 353, 196-205(2011). 

  6. Kim, D. G., Lee, B. W. and Song, K. C., "Preparation of Water-Repellent Coating Solution from Tetraethoxysilane and Methyltriethoxysilane by Sol-Gel Method," Korean Chem. Eng. Res., 56(3), 327-334(2018). 

  7. Yang, H., Pi, Pihui, Cai, Z. Q., Wen, X., Wang, X., Cheng, J. and Yang, Z. R., "Facile Preparation of Super-Hydrophobic and Super-Oleophilic Silica Film on Stainless Steel Mesh via Sol-Gel Process," Applied Surface Science, 256, 4095-4102(2010). 

  8. Park, J. H., Lee, B. W. and Song, K. C., "Preparation of Water-Repellent Coating Films from Tetraethoxysilane and Chlorotrimethylsilane on PMMA Substrates," Korean Chem. Eng. Res., in press (2019). 

  9. ASTM D 3359, "Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test," ASTM International, 927-929(1997). 

  10. Kuo, C. F. J., Chen, J. B., Shih, C. Y. and Huang, C. Y., "Silicon Resin Synthesized by Tetraethoxysilane and Chlorotrimethylsilane Through Hydrolysis-Condensation Reaction," J. Appl. Polym. Sci., 131(11), 40317(2014). 

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