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                                       제 2장 도료 도장을 위한 기초과학 -제 1 절 도장을 위한 기초화학

제 2 절 도장을 위한 기초화학

1. 화학의 기초

(1) 화학용어 정의

1) 분자와 원자(Molecule and Atom)

어떤 물질의 분자라는 것은 그 물질의 특성을 잃지 않는 최소단위의 미립자이다.
즉 서로 결합되어 있는 원자들의 집단을 분자라고 한다. 그리고 원자는 물질을 구성하고 있는 미립자로서 천연에는 원소의 수에 대응하는 종류가 존재한다.
2개이상의 원자가 결합하여 분자를 만들고 물질을 구성하는 경우와 원자가 직접으로 물질을 구성하는 경우가 있다.
물과 탄산가스는 전자에 속하고 동이나 네온가스는 후자의 예이다.

2) 원자의 구조

원자는 중신에 위치하는 원자핵과 그 주변을 고속으로 회전하는 1개이상의 전자로 되어있다. 원자핵은 正電荷를, 전자는 負電荷를 갖고 있지만 보통의 상태로서는 正負의 전하가 균형을 이루고 있으므로 원자의 밖에 전기적인 성질이 나타나지 않는다.
원자핵은 양자와 중성자라고 하는 소립자로 되어 있지만 보통 화학으로서는 원자핵안까지 들어갈 수가 없다.

3) 원 소 기 호

원소를 표시하기 위하여 알파벳으로 구성된 기호로서 원자기호라고 한다.
도장의 화학에 관계가 깊은 원소기호를 예를 들면
수소 H, 유황 S, 티탄 Ti, 알미늄 Al, 산소 O, 규소 Si,
크롬 Cr, 카드뮴 Cd, 탄소 C, 철 Fe, 주석 Sn, 칼슘 Ca,
질소 N, 아연 Zn, 수은 Hg, 나트륨 Na, 염소 Cl, 납 Pb,
코발트 Co, 바륨 Ba, 요오드 I, 구리 Cu, 망간 Mn, 마그네슘 Mg

4) 분 자 식 (Molecular Formula)

분자를 구성하고 있는 원자의 종류와 수를 원소기호와 수를 첨가로 표시한 것으로서 물은 H₂O, 황산은 H₂SO_4, 가성소다는 NaOH이다.

5) 화 학 결 합

물질안의 원자의 결합방법을 말하면 이온결합, 공유결합, 금속결합의 3가지 형식이 있다.

7) 비중과 밀도

어떤 체적의 물질의 질량과 그것과 동체적의 4℃의 물의 질량의 비를 비중이라 한다.

물질의 밀도  즉 비중 =---------------------------

4℃의 순수한 물의 밀도
1cm³속에 넣은 물질의 g수를 '밀도'라 한다.
비중은 밀도의 비이므로 단위가 없는 수자로 표시되어 밀도는 g/m³을 단위로 하여 표시한다. 물질의 체적은 온도로서 변화하니까 온도를 명기할 필요가 있다.
4℃의 물의 밀도는 0.999973g/m³이므로 비중과 밀도는 숫자상으로는 거의 같다.
기체의 비중은 물을 대신해 0℃에서 1기압의 공기를 표준하는 경우가 많다.

8) 비 점

1기압의 대기하에서 액체가 끓는 온도

9) 상 대 습 도

기상이나 일기예보는 단순히 습도라고 부르고 있다^.
공기중의 실제 수증기량(g/m₃)  
즉 상대습도(%)=---------------------------------
어떤 온도의 포화수증기량(g/m³) 으로 표시된다.
포화수증기량이란 것은 어떤 온도의 공기 1m³가 포함할 수 있는 한계수증기량을 말하는 것으로서 그 양을 넘은 수증기는 응결해서 물로 된다.

10) 점 도

액체와 기체를 합하여 流體라고 말한다.
流體가 파이프안을 지날때 흐름의 어려움을 점성이라 말하며 그 통과하기 어려움의 정도를 점도라고 한다.

11) 표 면 장 력

액체분자의 사이의 인력에 의하여 액체는 그 표면이 될 수 있는대로 수축하려는 힘이 항상 작용하고 있다. 즉 액체표면에 최소로 되려는 힘을 '표면장력'이라고 한다.
표면장력의 단위는 g/cm이고 단위길이에 작용하는 힘으로 표시된다.
예를 들어 컵속의 물이 넘칠듯하면서 넘치지 않는 것은 물방울이 구형이되고저 하는 것은 표면장력의 작용에 의한 것이다.

12) PPM(Part Per Million)

즉 100만분의 1의 약자로서 환경오염물질의 농도를 나타내는데 자주 쓰인다.
보통 수질오염의 경우에는 중량기준으로서 1,000,000g 즉 1톤의 수용액 가운데 1g의 용질이 포함되어 있을때 1ppm이라고 한다.
대기오염의 경우는 용적기준으로서 1,000,000ml 즉 1kl(=1m³)가운데 1ml의 기체물질이 포함될때 1ppm이라 한다.

(2) 산과 염기

산은 신맛을 내고 리트머스지를 붉게 변화시키고 염기를 중화하는 물질로 정의 되었고 , 염기는 쓴맛을 내고 리트머스지를 푸르게 변화시키고 산을 중화하는 물질로 정의되어 있다.

1) PH

pH는 독일말로 수용액속에 있는 수소이온의 농도를 말한다.
수용액의 성질을 나타내는 중요한 거으로서 1 - 14까지 수를 표시한다.

2) 산성

수용액의 pH가 7이상일 경우를 말한다.
청색리트머스지를 적색으로 변하고 철이나 알미늄등의 금속과 반응하여 수소를 발생한다. 염산이나 황산등의 산의 수용액은 산성이다. 그리고 pH7을 중성이라 말한다.

3) 알카리성

수용액의 pH가 7이상일 경우를 말한다.
적색리트머스지를 청색으로 변화하고 산성의 수용액과 반응하여 중성이 되면 이를 '중화'라고 한다.

(3) 유기화학과 고분자화학

1) 무기^.유기화합물

주로 탄소이외의 원소로서 구성된 화합물을 무기화합물이라하고 탄소를 중심으로서 구성되어 있는 화합물을 유기화합물이라고 한다.

2) 유 기 화 학

탄소원자는 4개의 결합'기'를 가지고 있고 그외 원자와 공유결합한다.

- C- - C - C - > C = C < - C ≡ C -

탄소원자 단일결합 이중결합 삼중결합

① 포화결합
탄소와 탄소간의 결합이 하나로 되어 있는 결합을 말한다.

② 불포화결합
탄소와 탄소간의 결합이 2중, 3중으로 되어 있는 결합을 말한다.
예를 들면 건성유나 반건성유는 분자구조가 불포화결합으로 되어 있다.

2) 고분자화학

수백에서 수만에 이르기까지 탄소원자가 결합해서 탄소경을 형성해서 그 골격이 거대한 분자를 만들어 특수한 유기화합물 천연에서 존재하는 셀룰로즈, 단백질, 고무등이고 인공적으로 만들어진 것을 합성수지, 합성섬유, 합성고무등은 고분자화합물이라고 한다.

① Monomer와 Polymer
고분자화학의 구조를 살펴보면 비교적 적은 분자들이 반복되어 거대한 것이 된 것을 알수 있다. 그 단위분자를 모노머 또는 단중체라 말하고 그 모노머가 수없이 결합되어 거대화된 것을 Polymer라 하고 또는 중합체라고도 한다.

② 중 합 반 응
단순히 중합이라고도 한다. 모노머가 다수결합해서 폴리머로 반응하는 것을 말한다. 중합형식에는 탄소원자간의 2중결합이 열리어서 중합하기 때문에 반응의 진행에 따라서 잃어버리는 분자가 없는 반응을 '부가중합'이라고 하고 물등의 작은 분자가 잃어버려서 중합하는 축중합(축합)반응의 2종류가 있다.

③ 열가소성
열을 가했을때 역성이 나타나고 차게하면 역성이 없어지는 이러한 변화가 반복하여 일어나는 경우를 열가소성을 갖는 물질이라 한다.

④ 열경화성
열을 가했을때 역성이 나타나고 차게 하면 역성이 없어지는 이러한 변화가 반복하여 일어나는 경우를 열가소성을 갖는 물질이라 한다. 즉 소부도료는 열경화성수지를 원료로 한다.

(1) 도료의 증발

오늘날 많은 도료는 유기용제를 쓰고 있다.
이들 도료가 건조하는 과정에서 우선 용제가 증발이 일어난다. 유기용제는 많은 종류가 있어 그 증발속도도 여러가지이다.
증발속도는 그 용제의 증기압과 밀접한 관계가 있어 증기압이 높으면 증발속도는 크다.
용제의 증발속도는 N-Butylacetate의 증발속도를 10으로 하였을때 상대속도가 나타난다.

다음표는 용제증발속도를 표시한 것으로서 희석제의 조성을 알고 있을때 이표의 수치로서 증발과정을 알 수 있으므로 편리하다.
각종용제의 증발속도(n-초산부틸 = 100)

(2) 도료의 건조

보일유를 시작하여 유성도료, 유변성알킷드수지도료 에폭시 수지지방산에스텔도료, 유변성페놀수지도료등 건조유나 반건성유를 배합시킨 도료를 건성유의 건조라 한다.
이들 도료는 건조는 주로 건성유가 공기중의 산소를 흡수하여 자동산화 중합에 의한다.
이들 건조제작용은 납, 코발트, 망간등의 화합물은 건성유의 건조화(산화)를 촉진하는 작용을 중합의 촉진이라 한다.
코발트, 망간은 산화의 촉진을 하고 납, 주석, 아연, 티탄등은 중합을 촉진에 효과가 있다.

합성수지도료의 건조는 주로 가교반응에 의한다. 도료에 이용되는 합성수지는 중합반응에 의하여 만들어진 고분자화합물로서 이미 쇄상등 강상의 분자구조를 갖고 있지만 이들 도료는 건조과정에서 촉매나 열의 작용에 의한다.

이런 형식의 반응을 가교반응이라 한다.

(3) 에말죤과 라택스

에말죤 혹은 라택스도료는 고분자화합물의 용액을 주체로 한 보통 도료로서 고분자의 수중분산현탁체를 갖고 있다.
따라서 건조과정으로서 분산한 것이 서로 붙는 응집작용이 중요하다.

< 계면활성제 >
물과 기름이 서로 어울리지 않는 액체가 접하는 경계를 계면이라 한다. 공기가 접하고 있는 액체의 표면에 표면장력이 작용하듯 액- 액계면에도 계면장력이 작용한다.
물과 유의 혼합액에 비눗물을 ?어 격렬하게 저으면 유탁애깅 되고 방치해도 2층으로 분리되지 않는다. 이것은 비눗물이 물의 계면장력을 적게하기 때문에 이러한 ??을 갖고 있는 물질을 계면활성제라고 말하며 특히 유탁액을 만드는 물질을 유화제라 한다.
비눗물의 분자구조안에는 기름과 친하여지는 부분(친유기)과 물에 친하기 쉬운 부분(친수기)이 있어 비누분자가 물과 유의 중재역할로 분산하기 쉽게 하는 것이다.

1) 에말죤(Emulsion)

액상의 물질을 유화제의 작용으로서 수중에 현탁시킨 것을 에말죤 혹은 유탁액이라 한다. 적당한 유화제로서 광범위한 물질을 에말죤으로 할 수 있지만 도료의 경우 유화제의 친수기가 남아 있어 내수성에 문제가 생길 경우가 있다.

2) 라택스(Latex)

원래는 고무나무에서 얻어지는 황색미를 띄는 유백색수액을 의미하지만 오늘날에 여러가지 합성고무라는 라택스가 만들어지고 있다. 고무상고분자가 미립자로서 수중에 현탁한 것으로서 미립자의 직경은 에말죤보다 자고, 0.5 - 5? 정도로서 전하를 나타낸다. 또 분자량이 큰 것이 에말죤과 다르다.
이들 수중현탁체가 얇게 도포하면 우선 물이 증발하기 시작해서 수중이 미립자의 사이의 거리가 좁아진다. 더욱이 물이 증발하면 결국 입자와 입자가 서로 붙어 융합한다. 물이 완전히 없어진 후에는 융합에 의하여 연속화된 피막이 남는다.
에말죤의 경우는 액상의 물질이 더욱 중합하여 고화하는 과정도 있지만 라택스의 경우는 특히 유황등의 촉매(가 )에 이르지 않는 한 고도의 가교가 일어나지 않는다.
즉 라택스는 건조도막의 단상이 전하를 끼고 수중에 현탁하고 있다고 보면된다.