2025년, 도료 산업은 “친환경 전환”과 “성능 향상”이라는 두 가지 목표를 향해 빠르게 나아가고 있습니다. 자동차 및 철도 운송과 같은 고급 도료 분야에서 수성 도료는 낮은 VOC 배출량, 안전성 및 무독성 덕분에 “대안”에서 “주류”로 자리매김했습니다. 그러나 고습도 및 강한 부식과 같은 가혹한 적용 환경과 도료의 내구성 및 기능성에 대한 사용자들의 높아진 요구를 충족하기 위해 수성 폴리우레탄(WPU) 도료 분야의 기술 혁신은 계속해서 빠르게 진행되고 있습니다. 2025년에는 제형 최적화, 화학적 변형 및 기능 설계 분야의 산업 혁신이 이 분야에 새로운 활력을 불어넣을 것입니다.
기본 시스템 심화: "비율 조정"에서 "성능 균형"까지
현재 수성 코팅제 중 "성능 선도자"로 꼽히는 2액형 수성 폴리우레탄(WB 2K-PUR)은 폴리올 시스템의 비율과 성능 균형을 맞추는 핵심 과제에 직면해 있습니다. 올해 연구팀은 폴리에테르 폴리올(PTMEG)과 폴리에스터 폴리올(P1012)의 시너지 효과에 대한 심층적인 연구를 진행했습니다.
전통적으로 폴리에스터 폴리올은 조밀한 분자간 수소 결합으로 인해 코팅의 기계적 강도와 밀도를 향상시키지만, 과량 첨가 시 에스테르기의 강한 친수성으로 인해 내수성이 저하됩니다. 실험 결과, 폴리올 시스템에서 P1012가 40%(g/g)를 차지할 때 최적의 균형이 이루어지는 것으로 확인되었습니다. 이 경우 수소 결합은 과도한 친수성 없이 물리적 가교 밀도를 증가시켜 염수 분무 저항성, 내수성, 인장 강도를 포함한 코팅의 종합적인 성능을 최적화합니다. 이러한 결과는 특히 기계적 성능과 내식성이 모두 요구되는 자동차 섀시 및 철도 차량 금속 부품과 같은 분야에서 WB 2K-PUR 기본 배합 설계에 대한 명확한 지침을 제공합니다.
"강성과 유연성의 결합": 화학적 변형을 통해 새로운 기능적 한계를 열다
기본 비율 최적화가 "미세 조정"이라면, 화학적 변형은 수성 폴리우레탄에 있어 "질적인 도약"을 의미합니다. 올해는 두 가지 변형 방식이 두드러졌습니다.
경로 1: 폴리실록산 및 테르펜 유도체를 이용한 시너지 효과 증진
표면 에너지가 낮은 폴리실록산(PMMS)과 소수성 테르펜 유도체의 조합은 WPU에 "초소수성 + 높은 강성"이라는 두 가지 특성을 부여합니다. 연구진은 3-메르카프로필메틸디메톡시실란과 옥타메틸시클로테트라실록산을 사용하여 하이드록실 말단 폴리실록산(PMMS)을 제조한 다음, UV 조사에 의한 티올-엔 클릭 반응을 통해 바이오매스 유래 캄펜의 유도체인 이소보르닐 아크릴레이트를 PMMS 측쇄에 접합하여 테르펜 기반 폴리실록산(PMMS-I)을 형성했습니다.
개량된 WPU는 놀라운 성능 향상을 보여주었습니다. 정적 접촉각은 70.7°에서 101.2°로 증가하여 연잎과 같은 초소수성에 근접했고, 수분 흡수율은 16.0%에서 6.9%로 감소했으며, 견고한 테르펜 고리 구조 덕분에 인장 강도는 4.70MPa에서 8.82MPa로 급증했습니다. 열중량 분석 결과 열 안정성 또한 향상된 것으로 나타났습니다. 이 기술은 지붕 패널 및 측면 스커트와 같은 철도 운송 외장 부품에 통합된 "방오 + 내후성" 솔루션을 제공합니다.
경로 2: 폴리이민 가교결합을 통한 "자가 치유" 기술 구현
자가 치유 기술은 코팅 분야에서 인기 있는 기술로 자리 잡았으며, 올해 연구에서는 이 기술을 WPU의 기계적 성능과 결합하여 "고성능 + 자가 치유 능력"이라는 두 가지 측면에서 획기적인 성과를 달성했습니다. 폴리부틸렌 글리콜(PTMG), 이소포론 디이소시아네이트(IPDI), 폴리이민(PEI)을 가교제로 사용하여 제조한 가교 WPU는 17.12MPa의 인장 강도와 512.25%의 파단 신율(고무에 가까운 유연성)이라는 뛰어난 기계적 특성을 보였습니다.
무엇보다 중요한 것은 이 소재가 30°C에서 24시간 내에 완전한 자가 복원을 이루어내어, 복원 후 3.26MPa의 인장 강도와 450.94%의 신장률을 회복한다는 점입니다. 따라서 자동차 범퍼나 철도 운송 차량 내부와 같이 긁힘이 발생하기 쉬운 부품에 매우 적합하며, 유지 보수 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
나노 스케일 지능형 제어: 방오 코팅을 위한 "표면 혁명"
고급 코팅에는 낙서 방지 및 손쉬운 세척이 필수적인 요구 사항입니다. 올해는 "액체형 PDMS 나노풀" 기반의 오염 방지 코팅(NP-GLIDE)이 주목을 받았습니다. 이 코팅의 핵심 원리는 폴리디메틸실록산(PDMS) 측쇄를 수분산성 폴리올 골격에 접합 공중합체인 폴리올-g-PDMS를 통해 접합하여 직경 30nm 미만의 "나노풀"을 형성하는 것입니다.
이 나노풀에 PDMS를 풍부하게 함유시킴으로써 코팅은 "액체와 같은" 표면을 갖게 됩니다. 표면 장력이 23mN/m 이상인 모든 시험 액체(예: 커피, 기름 얼룩)는 자국을 남기지 않고 미끄러져 내려갑니다. 경도가 3H(일반 유리와 유사)임에도 불구하고 코팅은 탁월한 오염 방지 성능을 유지합니다.
또한, “물리적 장벽 + 약한 세척” 방식의 낙서 방지 전략이 제안되었습니다. 이 전략은 HDT 기반 폴리이소시아네이트에 IPDI 삼량체를 도입하여 필름 밀도를 높이고 낙서 침투를 방지하는 동시에 실리콘/불소 세그먼트의 이동을 제어하여 장기간 낮은 표면 에너지를 유지하는 것입니다. 정밀한 가교 밀도 제어를 위한 DMA(동적 기계 분석)와 계면 이동 특성 분석을 위한 XPS(X선 광전자 분광법)를 결합한 이 기술은 산업화 준비가 완료되었으며 자동차 도료 및 3C 제품 케이스의 오염 방지 분야에서 새로운 기준이 될 것으로 기대됩니다.
결론
2025년에는 WPU 코팅 기술이 '단일 성능 향상'에서 '다기능 통합'으로 진화할 것입니다. 기본 배합 최적화, 화학적 변형의 혁신, 기능적 설계 혁신 등 모든 과정에서 핵심은 '친환경성'과 '고성능'의 시너지 효과를 내는 데 있습니다. 자동차 및 철도 운송과 같은 산업에서 이러한 기술 발전은 코팅 수명 연장 및 유지 보수 비용 절감은 물론 '친환경 제조'와 '고급 사용자 경험'이라는 두 가지 측면에서 모두 향상을 가져올 것입니다.
게시 시간: 2025년 11월 14일