PTFE 무함유 왁스 첨가제

폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 코팅 응용 분야에서 고유한 동작을 보이는 물질입니다. 전체적인 기계적 성능을 고치고 조정하고 내스크래치성 및 내마모성의 값을 개선하는 동시에 표면 마찰을 줄이기 위해 모든 종류의 코팅에 사용합니다. PTFE를 페인트 및 코팅용 첨가제로 사용하는 경우 광택 값 또는 기타 광학적 특성에 생기는 영향이 작기 때문에 식품 접촉 응용 분야에 적합합니다. 물질 자체는 화학적으로 불활성이고 내온도성이 있고 카르나우바 왁스 또는 폴리에틸렌 왁스와 같은 다른 왁스 첨가제에 비해 밀도가 높습니다. PTFE의 밀도가 높기 때문에 페인트 표면으로 방향을 정하고 코팅과 공기 사이의 인터페이스 내에서만 상호 작용을 하는 다른 많은 왁스 첨가제와 달리 이 왁스 첨가제는 코팅 필름 전체에 걸쳐 방향을 정할 수 있습니다(그림 1).

PTFE 왁스는 단독으로 또는 폴리에틸렌(PE) 왁스와 같은 다른 왁스 베이스와 조합하여 사용할 수 있습니다. 이러한 방식으로 사용할 경우 PTFE는 입자 크기가 매우 미세하고 입자 크기 분포가 좁아야 합니다. PTFE 기반 첨가제는 일반적으로 미분화 형태로 제공되거나 유기 용제에서 분산형으로 제공됩니다.1, 2

폴리테트라플루오로에틸렌은 퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)의 잘 알려진 대표 물질입니다. 불화 폴리머의 생산은 폴리머 자체와 함께 PFAS의 배출원입니다. 이 큰 합성 화학물질 그룹은 현대 사회에서 광범위하게 사용합니다. 비옷과 옥외 의류, 표면 처리, 내후성 및 내구성을 개선하기 위한 함침용 섬유에 사용합니다. PFAS는 고성능 방화복 및 소방용 거품뿐만 아니라 프라이팬, 솥 및 식품 포장과 같은 일상적인 기구에도 사용하며 눌음 방지 또는 세척 용이성과 같은 특성을 구현합니다. 또한, 앞서 언급했듯이, 이러한 물질은 내구성을 향상시키기 위해 다양한 페인트, 크롬 도금 및 건축 자재에 사용합니다.

이러한 응용 분야의 여러 특성에서 향상 및 개선이 있었지만 PFAS에는 단점과 부정적인 효과도 있습니다. 일부 PFAS는 인체에 독성이 있으며 잘 알려진 환경 오염 물질이기도 합니다. 유기 화학에서 가장 강력한 결합 중 하나인 탄소-불소 결합 때문에 분해에 대한 저항과 지속력이 큽니다. 이는 코팅 응용 분야에서 오래 지속되는 특성을 만드는 데는 효과적이지만 환경에 유해하며, 이러한 물질의 대부분은 방출원으로부터 먼 거리를 쉽게 이동한 다음 자연 환경에 축적될 수 있습니다. 연구에 따르면 PFAS는 빗물, 지하수, 식수 및 토양과 같은 수원을 쉽게 오염시킬 수 있습니다. 오염된 현장을 청소하는 작업은 어렵고 비용이 많이 듭니다. 또한 이러한 물질은 인간의 혈액에서 쉽게 발견될 수 있습니다. 테스트를 통해 PFAS가 면역 체계를 약화시킬 수 있으며 콜레스테롤 수치 상승 및 간 손상과 관련이 있다는 것을 알게 되었습니다.

그 결과, 글로벌 규제 기관에서 PFAS 함유 폴리머를 조사하기 시작했으며 PFAS 사용에 대한 대중과 과학적 관심을 높이기 위해 세계적인 주제로 만들었습니다. 유럽 화학물질청, 미국 환경보호국, 중국 생태환경부와 같은 세계적인 주요 규제 단체에서 이미 PFAS 사용에 대한 제약, 제한, 금지 및 지침을 발표했습니다.^3-8

새로운 제품군 구성원 소개

PTFE는 특성이 독특한 물질이지만, 일반적인 PE/PTFE 왁스 첨가제에 대한 대체 솔루션으로 개발된 대체품이 있습니다. BYK의 새로운 왁스 첨가제는 내마모성 및 내스크래치성을 개선하는 데 중점을 두면서 유사한 성능을 제공합니다. 시스템에 따라 마찰 계수(COF) 감소가 달라지고 광택에 최소한의 영향만 주며 식품 접촉 응용 분야에 적합합니다. 새로 개발된 이러한 세 가지 대체품은 용제 기반 및 수성 시스템에서 기존의 PTFE 기반 표준 왁스 첨가제와 직접 비교하는 데 사용할 수 있습니다(그림 2). 세 가지 신제품은 모두 전달 형태가 견고하며 D90:10µm의 매우 미세한 입자 크기로 미분화됩니다. 이는 다양한 응용 분야에서 재현 가능한 성능을 제공합니다. CERAFLOUR 1050은 PE 왁스 베이스를 사용하며 클리어코트 및 헤이즈에 민감한 시스템에 특히 권장됩니다. CERAFLOUR 1051은 변성 PE 합금을 왁스 베이스로 사용하며 광범위한 응용 분야에서 최상의 결과를 보여줍니다. CERAFLOUR 1052는 변성 PE 합금을 사용하며 COF 요구가 낮은 시스템에 권장됩니다.

새로운 제품군 구성원의 기술적 성능

지난 수십 년 동안 PTFE 기반 왁스 첨가제로 수립한 시장 표준을 새로운 대체품이 따라갈 수 있도록 기계적 성능이 중요한 다양한 테스트 시스템 및 응용 분야에서 개발을 수행했습니다.

음식 및 음료 캔은 몇 년 동안 내용물을 보호해야 합니다. 보관 기간이 길기 때문에 포장과 식품 사이의 상호 작용을 최소화해야 합니다. 캔 내부는 일반적으로 식품의 영향으로부터 캔의 완전한 상태를 보호하고 캔 금속과 식품 사이의 화학 반응을 방지하는 유기 층으로 코팅합니다. 한편, 보관이나 운송 중에 캔이 손상되는 것을 방지하고 매력적인 외관을 제공하기 위해 외부에도 코팅을 합니다. 즉, 내부 및 외부 코팅은 내스크래치성 및 COF 값과 관련된 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 캔 산업에서 내스크래치성에 대한 테스트는 TQC-sheen-mechanized 스크래치 테스터 705를 사용하여 수행합니다(그림 3). 정의된 바늘이 표면을 긁는 동안 테스트 패널을 고정하고 천천히 이동합니다. 코팅 파괴를 달성하기 위해 다양한 하중을 적용할 수 있습니다.⁹

표면의 COF 값을 평가하기 위해 일반적으로 사용하는 테스트 방법은 Altek 9505 이동성/윤활성 테스터를 사용하는 것입니다. 샘플을 가로질러 무거운 물체를 이동하여 마찰 계수를 결정하고 전자 아날로그 미터에 직접 표시합니다.10 새로운 왁스 등급을 테스트하는 이 두 가지 방법으로 얻은 결과가 그림 4에 나와 있습니다. 사용된 제제는 용제형 비스페놀-A-프리 폴리에스테르/멜라민 기반 클리어코트이며, 모든 왁스 첨가제는 총 제제에서 1% 고체 왁스와 함께 사용합니다.

CERAFLOUR 999 및 CERAFLOUR 996 R은 PTFE 변성 PE 왁스를 기반으로 하는 미분화 왁스 첨가제이며 비교를 위한 시장 표준으로 사용합니다. 또한 왁스 첨가제가 없는 코팅 샘플이 그림에 나와 있습니다. 결과를 보면 모든 제품이 왁스 첨가제를 사용하여 코팅 표면의 COF를 0.30(왁스 제외)에서 약 0.06까지 낮출 수 있다는 것을 분명히 알 수 있습니다. PTFE 기반 제품과 새로운 PTFE 무함유 제품 사이의 값은 매우 유사합니다. 이 코팅의 광택 경도에도 동일한 설명을 적용할 수 있습니다. 왁스 첨가제가 없는 대조 샘플은 내스크래치성이 100g에 불과하여 성능이 낮게 나타납니다. 각 왁스 첨가제를 사용하여 내스크래치성을 900g까지 높일 수 있습니다. PTFE 기반 왁스 첨가제를 새로운 PTFE 무함유 제품과 교환하면 성능 저하 없이 가능합니다.

특히 중요한 또 다른 응용 분야는 코일 코팅이며, 금속을 원하는 모양으로 성형하기 전에 코팅을 합니다. 사전 도색 금속은 다양한 색상과 질감으로 고품질의 도색 표면을 제공합니다. 사전 도색 금속의 표면은 무광택 또는 고광택일 수 있고 매끄럽거나, 오렌지 껍질 같은 느낌을 주거나, 특별한 질감이 될 수 있습니다. 사전 도색 금속은 다양한 강철 및 알루미늄 등급과 합금으로 제공됩니다. 코일 코팅에 사용하는 유기 코팅은 자동차 코팅과 같은 도포 후 필름보다 건조 도막 두께가 얇지만 여전히 뛰어난 기계적 및 광학적 성능을 제공합니다. 지속적인 코일 코팅 공정은 코일 대 코일 일관성을 통해 최고 품질 보증 표준을 제공합니다.11 이는 도포 과정을 계속 실행하고 코팅 공정 이후에 모든 부품 유형의 절단 및 성형이 가능하도록 COF 및 내마모성에 원하는 값을 정확하게 재현할 수 있고, 신뢰할 수 있고, 완벽하게 조정된 수준으로 유지할 수 있어야 한다는 것을 의미합니다. 물론 코팅 자체나 절단 및 성형 공정에 사용한 공구에 손상이 생기지 않아야 합니다. 코팅은 기계적 성능도 우수해야 하고 도포 후 플래시 오프 시간이 거의 없거나 전혀 없이 광택도가 일정하고 레벨링이 양호해야 합니다.¹²

코일 코팅의 내마모성을 평가하는 효과적인 방법은 Taber 테스트입니다(그림 5). 이 테스트를 수행하기 위해 정사각형 또는 원형의 약 100mm 테스트 패널을 고정 속도로 수직 축을 중심으로 회전하는 턴테이블 플랫폼에 장착합니다. 두 Taber 연마 휠에 특정 압력을 적용하고 시험편과 접촉하여 특유의 마찰-마모 작업을 수행하여 두 연마 휠의 슬라이딩 회전을 일으킵니다. 턴테이블이 회전함에 따라 휠은 샘플 때문에 반대 방향으로 구동합니다. 한 연마 휠은 주변을 향해 바깥쪽으로 시험편에 마찰을 일으키고 다른 안쪽 휠은 중앙을 향해 마찰을 일으키며 진공 시스템은 테스트 중에 발생한 느슨한 잔해를 제거합니다.¹³

무게 손실은 지정된 수의 회전 사이클이 지난 후 밀리그램 단위로 측정합니다. 그림 6에서 왁스 첨가제 CERAFLOUR 996 R 및 CERAFLOUR 999는 이 용제 기반 폴리에스테르/멜라민 코일 코팅 시스템과 비교하기 위한 시장 표준으로 다시 사용합니다. 모든 왁스 첨가제는 총 제제에서 1% 고체 왁스와 함께 사용합니다. 이를 통해 새로운 왁스 첨가제 CERAFLOUR 1050, CERAFLOUR 1051 및 CERAFLOUR 1052의 내마모성이 PTFE 기반 표준과 매우 유사하다는 것을 알 수 있습니다. 이들을 사용하면 각각 첨가제가 없는 대조 샘플과 비교하여 마모를 크게 줄이고 광택을 동일한 높은 수준으로 유지할 수 있습니다.

동일한 폴리에스테르/멜라민 코일 코팅 시스템에서 새로운 PTFE 무함유 왁스 첨가제에 추가 이점이 있을 수 있다는 점도 분명합니다. 각각 왁스 첨가제가 없는 대조 샘플에 비해 레벨링이 우수하고 이미지 선명도(DOI)가 높게 나타납니다. 그림 7에서 램프의 반사는 코팅 표면의 광택각으로 나타납니다. 모든 새로운 PTFE 무함유 대체품에서 레벨링이 우수하게 나타났지만 이 테스트 시스템에서는 왁스 첨가제 1051에서 특히 우수한 광학 성능이 나타납니다.

PTFE 기반 왁스 첨가제의 또 하나 특히 중요한 응용 분야는 컴퓨터 또는 가전제품용 코팅에서 DIY 에어로졸 및 드럼 코팅을 거쳐 농업, 농사 장비 및 자동차 인테리어용 코팅에 이르는 광범위한 공업용 코팅입니다. 산업용 코팅은 광범위한 기판에 사용할 수 있으며 방사선 경화, 재래식 건조, 열 경화 또는 2팩 경화와 같은 모든 유형의 코팅 기술에 사용할 수 있습니다. 이러한 코팅은 용제 기반, 용제 무함유 또는 수성일 수 있지만 공통점은 긁힘과 마모에 강해야 한다는 것입니다. 이 응용 분야에서 한 가지 추가 테스트 방법은 Wazau SN 27650에 따른 마모 테스트입니다(그림 8).

이 장치는 코팅의 내마모성을 결정합니다. 섬유 또는 종이에 대한 마찰과 같이 경미한 기계적 응력에 노출되는 표면에 적합합니다. 이 기준을 따르는 내마모성 시험은 거의 모든 평평한 표면에서 실행할 수 있습니다. 종이 테이프를 코팅된 플레이트 위로 100cm/min의 일정한 속도로 당긴 후 실린더를 사용하여 정의된 하중을 가해 시험편 영역으로 밀어 넣습니다. 내마모성 척도는 캐리어 소재를 볼 수 있게 만드는 데 필요한 종이 테이프의 길이(cm)입니다. 또한 종이가 시험편 위로 이동해야 하는 값으로 원하는 값(cm)을 설정할 수 있습니다.¹⁴

새로운 PTFE 무함유 제품은 Wazau 마모 및 Taber 마모에 대해 유기 공용제 함량이 10%인 수성 1팩 아크릴 에멀젼을 사용하여 평가합니다(그림 9). 각 왁스 첨가제는 총 제제에서 2% 고체 왁스와 함께 사용합니다. Taber 테스트에서는 각 측면에서 500g의 압력으로 CS10 그라인딩 휠을 1,000 바퀴 돌리고, Wazau 마모 테스트에서는 코팅이 견딜 수 있는 최대 종이 길이로 평가를 수행합니다. 또한 종이 길이가 300cm를 초과하면 각 샘플을 광학적으로 평가합니다. 결과를 보면 모든 새로운 PTFE 무함유 제품이 테스트에서 성능이 매우 우수하다는 것을 알 수 있습니다. Taber 마모를 왁스가 없는 대조 샘플의 25mg에서 새로운 왁스 첨가제를 사용하는 경우의 4mg 손실로 낮춥니다. 결과는 두 PTFE 기반 표준 왁스 첨가제와 매우 유사합니다. Wazau 마모의 경우 모든 새로운 PTFE 무함유 제품이 PTFE 기반 제품만큼 기계적 응력을 견딜 수 있는 것으로 나타났습니다. 특히 종이 길이 300cm 이후의 마모가 포함된 사진에서 왁스 첨가제가 없는 대조 샘플 및 PTFE 기반 왁스 첨가제와 비교하여 코팅에 대한 손상은 적고 동질적인 거동은 더 큰 것으로 나타났습니다.

개발 단계에서 수십 개의 샘플을 평가하고 다양한 응용 분야와 코팅 시스템에서 평가를 하고 다양한 평가 방법을 사용한 후에 새로 도입한 PTFE 무함유 왁스 첨가제가 PTFE 기반 PE/PTFE 왁스 첨가제를 대체할 가능성이 있다는 결론을 내릴 수 있습니다(그림 10). PTFE를 사용하지 않고도 내마모성 및 내스크래치성과 같은 잘 알려진 특성을 충족할 수 있습니다. 인간의 건강에 대한 유해한 영향과 환경 오염이라는 단점 없이 PTFE 기반 왁스 첨가제에 대한 대안이 될 수 있습니다. 제시된 결과는 광범위한 장기 테스트 및 개발 과정에서 선별된 강조 사항이며 이러한 신제품이 제공하는 잠재력에 대한 개요를 제공합니다. 이 프로젝트의 전체 개요를 마치자면, 개별 결과가 시스템에 따라 달라질 수 있기 때문에 세 가지 신제품을 모두 PTFE 기반 왁스 첨가제의 대체품으로 평가하는 것이 좋습니다. 주요 권장 사항은 특히 클리어코트 및 헤이즈에 민감한 시스템을 위한 CERAFLOUR 1050, COF 요구가 낮은 시스템을 위한 CERAFLOUR 1052, 광범위한 응용 분야에서 최상의 전체적인 결과가 요구되는 CERAFLOUR 1051을 테스트하는 것입니다.