도료(塗料) 소개

도료(塗料)는 물체 표면에 도포하여 건조된 피막층(도막, film)을 형성하는 물질을 말한다. 그리고 페인트 (Paint)는 착색안료가 첨가된 불투명한 도료의 통칭이다.

 

 

 

도료(塗料) 소개

도료(塗料)는 물체에 도장(Painting, Coating)되어 도막(film)이 형성되었을 때 물체의 보호와 미장의 기능을 발휘하는 유동상태의 화학제품을 말한다. 도료 그 자체는 화학 제품으로 불리우고 있으나, 도료의 가치는 도장되어 소기의 성능을 가진 도막이 형성되어야만 발휘되는 것이며 결국 도료의 최종 목표는 도막이며, 도료는 단지 도막을 얻기 위한 재료에 불과하다.

 

 

도막 형성 기구

도장은 도료가 졸(sol)에서 겔(gel)로 이행되는 현상으로 이 과정에서 도막 형성 요소의 분자량 변화에 주안점을 두어 도막 형성 기구(건조 경화하는 경로)를 기준으로 분류하면 ① 용액형(물리적) 도료와 ② 가교형(화학적) 도료의 2종류로 분류할 수 있다.

분류	내용	도료 종류
용액형 (물리적) 도료	도막 형성 주요소가 아주 높은 고분자량을 가져서 도료액→도막이행에 있어서 분자량의 변화가 없고 단지 용제의 휘발에 의해서 연속 도막을 형성하는 도료를 말하며 일반적으로 강용제를 함유하고 형성된 도막은 그 용제에 재용해 된다.	락카, 비닐 수지 도료, 주정 도료
가교형 (화학적) 도료	도막 형성 주요소의 분자량은 비교적 작아 도장후 산소 또는 기타의 촉매 및 가열 등에 의해서 가교 반응이 진행되어 초기중합물(Prepolymer)이 고분자량화 하여 연속 도막을 형성하는 도료를 말하며 형성된 도막은 이미 Prepolymer가 아니기 때문에 그 도료에는 용해되지 않는다.	유성도료, 알키드수지도료, 폴리에스테르 도료, 에폭시 수지 도료, 우레탄 수지 도료 등

 

 

도료 종류

• 페인트 (Paint): 착색안료가 첨가된 불투명한 도료의 통칭이다.

• 바니쉬 (Varnish): 알콜계 용제에 수지류를 용해한, 용제 휘발에 의해 도막을 형성하는 도료를 주정도료(spirit varnish) 또는 간단히 니스라고 부른다. 소재(주로 목재) 표면처리에 사용하여 안료를 포함하지 않은 투명도료로 광택과 보호의 목적으로 사용한다.

• 락카 (Lacquer): 용제의 증발로 신속히 도막을 형성하는 투명도료이다. 보통 분사하여(spray) 사용하며, 경우에 따라 소량의 안료를 첨가하여 사용한다.

• 그리고 수지(Binder)의 종류에 따른 도료 종류가 있다. (아래 도료용 수지 소개 참조)

 

 

도료의 구성

• 도료는 수지(Binder)와 안료(Pigment, 유색안료 및 금속분말)로 구성되어 있으며, 도장 시에는 알맞는 유동상태를 부여하기 위하여 용제(Solvent)가 첨가된다. 이상의 3가지 성분 외에 도료의 물성을 증진하기 위하여 첨가되는 성분으로서 가소제, 건조제, 유화제 등과 같은 첨가제가 있다.

여기서 수지와 용제를 통틀어 전색제(展色劑; Vehicle)라고도 한다.

 

• 도료의 구성을 그 성분이 갖는 역할에 따라서 도막 주요소, 도막 부요소, 도막 조요소로도 분류된다.

① 도막 주요소 : 도막이 고착하여 본래의 목적인 보호와 미관에 직접 관계를 갖는 수지, 안료 등의 주성분을 말한다.

② 도막 부요소 : 도료를 만들기 쉽게 하거나 도료가 잘 건조하도록 적극적으로 돕는 역할을 갖는 분산제, 안정제 등의 첨가제라 불리우는 성분을 말한다.

③ 도막 조요소 : 안료와 수지를 연육할때에 사용되는 용제나 도장하기 쉽도록 가하는 신나 등과 같이 도장이 건조하면 소멸되어 버리는 성분을 말한다.

<그림 1> 도료의 분류

 

 

1. 수지 (binder, 결합제)

• 안료를 균일하게 분산시켜 도막에 광택, 경도, 부착성, 내구성 등을 부여시키는 것

• 도막은 수지 그 자체이며 도료로서의 성질과 능력은 수지가 결정한다.

- 자동차용 도료에는 투명성과 내구력이 있는 아크릴 수지가 주로 사용되고, 하도용으로는 알키드, 폴리에스테르, 에폭시 수지등도 사용된다.

• 도료용 수지 소개

수지 이름	수지 및 도료의 특성
아크릴 수지 (acryl resin)	• 아크릴수지도료는 투명성, 무변색, 광택, 내후성 등이 뛰어나 외장 도장용으로 사용. • 열가소성아크릴수지: 가교에 필요한 관능기가 없어서 용제휘발에 의해 도막을 형성. 단독 혹은 니트로셀룰로오스나 염화비닐계 수지와 함께 사용. 차량 도장, 건재 투명도장. • 열경화성 아크릴 수지: -OH및 -COOH를 가지는 아크릴수지에 멜라민 수지를 10-30% 혼합. 자동차, 차량, 전기기기, 사무용 기기 등의 금속판 도장에 사용
알키드 수지 (alkyd resin)	• 다가알코올과 다염기산의 폴리에스테르를 건성유 또는 반건성유 지방산이나 건성유, 반건 성유로 변성한 수지로 도료용 합성수지로서 가장 많이 사용된다. 이수지로 만든 상온건조 형 도료를 알키드수지도료라 한다. 값이 싸나 알칼리와 수분에 약하다.
비닐 수지 (vinyl resin)	• Vinyl 화합물로 만든 수지를 통칭하나, 도료 binder로는 Poly(vinyl chloride) Poly(vinyl acetate), Poly(vinyl butyral)을 사용한다. • PVC는 용해성과 부착성이 불량하여, 10∼15％의 초산비닐과 공중합시켜 사용한다. 유연성 등이 부족하기 때문에 가소제(DBP, DOP 등)를 첨가하여 도막의 성질을 조정한다. • 비닐수지도료는 대부분이 용제 증발의 속건성(30분)을 가지며, 내수, 내염수, 내약품성이 우수하고 지방족 용제에 잘 견딘다. 일반적으로 금속에 대한 부착력이 낮다.
페놀 수지 (phenolic resin)	• 도료에 사용되는 페놀수지는 네트워킹이 없는 열가소성 (노볼락, Novolak) 수지와 열경화 성(Resole)가 있다. (페놀계와 포름알데하이드의 축중합) • 페놀수지도료는 내수, 내산, 내화학성, 내열성, 내구성이 우수하나 변색되는 결점이 있다.
에폭시 수지 (epoxy resin)	• Bisphenol-A와 Epichlorohydrin을 축중합한 액상∼고상(M.W. 330∼3700) 투명수지이다. 경 화되면 우수한 도막을 형성. 접착력이 가장 우수. 경도, 강인성, 내수성, 내약품성 매우 우수. 10℃ 이하에서 경화가 느리므로 사용하지 않음. 중방식(heavy), 선박, 콘크리트 바닥, 내약품성 도장, 방수 도장, 폐수처리장, 물탱크 도장.
우레탄 수지 (urethane resin)	• 우레탄기를 가지거나 또는 건조과정 중에 우레탄 결합을 생성하는 수지로 만든 도료. • Isocyanate기는 상온에서도 폴리올과 반응하여 경화하기 때문에 자동차보수용, 대형차량, 철도차량, 항공기, 교량 등 가열건조가 곤란한 분야의 도장에 많이 사용. • 저점도, 광택성과 선영성(DOI)이 우수. 내후성, 내약품성 우수. Isocyanate prepolymer, Polyol 조성을 변화시켜서 도막의 강성, 유연성, 탄성의 조절이 가능.

 

 

2. 안료(Pigment)

• 전색제에 분산되어 있는 불용성 고체입자로서 경화된 후에 수지와 함께 도막(film)을 형성한다. (물에 용해되는 색상을 가진 입자는 염료)

• 안료의 중요한 성질로 은폐력과 착색력이 있다.
• 안료의 용도별 분류

안료는 용도와 특성에 따라 착색안료, 체질안료, 방청안료, 기타 안료로 구분한다.

분류	특성	예
착색안료	은폐력과 착색력을 가진 안료(분말)로 물, 기름, 용제에 녹지 않고 빛에 대한 내성이 있어야 한다. 착색안료에는 무기(착색)안료와 유기(착색)안료가 있다.	(유기) 금속화합물(산화물, 수산화물)과 Carbon Black 등 (무기) Azo계(수용성, 비수용성), 프탈로시아닌계, 축합다환계 안료 등
체질안료 (Extender, Filler)	은폐력, 착색력은 없으나 도막의 살오름성*, 기계적 성질, 점성 등을 개선하고 가격을 낮추기 위하여 사용한다. 점성을 조절하거나 광택을 낮추기도 하고, 중량을 높여서 도료 가격을 낮추는 효과를 준다. * 살오름성: 페인트 1회 도장 시에 충분한 두께의 도막이 형성되는 성능	백색점토, Talc, Silica, 탄산칼슘, Clay, Dolomite
방청안료	금속 표면을 물리적 또는 화학적 방법으로 녹슬지 않도록 방청성을 개선하기 위하여 사용하는 안료를 말한다. * 음극보호방법(Cathodic protection), 철 표면 부동태화, 철 표면 pH를 알칼리 분위기, 장벽보호방법(Barrier protection)	크롬산아연, 아연분말, 황산바륨 등
(기타) 내열안료	내열 도료에 사용되는 안료로 열에 안전한 물질(Aluminum paste, Carbon black, Zinc powder등)이나 소화성 물질(인산에스테르계) 첨가한다.
(기타) 발광안료	어두운 곳에서 빛을 발광한다. (도로 표지판, 도로 선)
(기타) 시온안료	온도 변화에 따라 색도가 변한다. (플라스틱 온도계나 온도센서에 사용)

 

 

3. 용제(solvent)

용제는 수지를 용해하는 성능을 가진 것으로, 일반적으로 도료 속에 혼입되어 있는 것을 말한다. 도료의 점도 조정에 사용하는 신나(희석제)는 용제를 혼합한 제품이다.

• 용제는 크게 극성용제와 비극성용제로 구분된다.

- 극성 용제: 분자구조에 극성기를 가진 용제 (Alcohol계, Ester계, Ketone계 (예, IPA, 메탄올, 에틸아세테이트, 아세 톤, MEK, MIBK, Cellusolve 등))

- 비극성 용제: 탄화수소계 (지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소)

• 용제의 증발속도(Evaporation rate) :

- 증발속도는 평활성(Leveling), 흐름성(Sagging), 퍼짐시간(Wet-edge time), 광택(Gloss) 등에 영향을 준다. 증발속도는 n-Butyl acetate의 증발속도를 기준 삼아서 측정한 상대증발속도(Relative evaporation rate)를 사용한다.

• 용제들의 상대증발속도

 

 

4. 첨 가 제
도료 및 도막의 성능 향상을 위해서 첨가하는 것
• 가소제(可塑劑) : 도막의 유연성, 노후방지, 내구성 등을 부여한다.
• 건조제(乾燥劑) : 드라이어라고 말하며 산화중합형 도료에 첨가하여 건조를 촉진함
• 분산제(分散劑) : 안료의 분산을 쉽게 하고, 분산된 안료의 재응집을 막아 준다.
• 침강 방지제 : 안료와 수지가 분리되어 침전하는 것을 방지하고 점도를 높여 사용을 쉽게 한다.
• 색분리 방지제 : 여러 가지 원색(조색제)을 혼합하였을 때 분리되는 현상을 방지한다.
• 자외선흡수제 : 색의 변색을 막아주는 물질(도막의 약화 방지) 

 

5. 경화제

자동차 보수용 도료에 사용되는 경화제로써는 우레탄계 도료에 사용되는 것과  에폭시계 도료에 사용되는 것으로 분류한다. 
• 우레탄계 도료용 경화제: 도료가 하도, 중도와 상도, 투명류에 따라서 사용 경화제(이소시아네이트)가 다르다. 

- 하도/중도 (프라이머, 프라서페) : 황변하고, 저가이면서 반응성이 빠르다.(예: TDI, MDI)

- 상도 도료 (색도료, 투명) : 황변하지 않고, 내후성이 우수하여 고가이다. TDI, MDI보다 반응성이 낮다.(예:HMDI, IPDI)
   * HMDI(헥사메틸렌 디 이소시아 네이트), IPDI(이소프론 디 이소시아 네이트)
• 에폭시계 경화제  

- 에폭시 수지는 내후성(변색성)이 나쁘기 때문에 하도용 이외는 사용하지 않음.  
- 에폭시 수지는 경화제로써 아민류, 폴리아마이드 수지 또는 이들로부터 변성된 물질이 가장 많이 사용됨.

 

Reference : 1. 동아대학교 도료세미나 도료 소개 자료

2. KFPA 도장공정 위험관리 가이드