- 불소 계면활성제의 또 하나의 특성은 미량의 사용으로 우수한 표면장력의 저하를 이룰 수 있다는 것 입니다.
- 또 불소 계면활성제는 낮은 계면장력을 제공합니다.
불소계면활성제
Fluorosurfactant
불소 계면활성제를 수계 및 비수계 시스템에 첨가시 약 20 dynes / cm 이하로 급격하게 표면에너지를 낮추어 주며, 탄화수소계 계면활성제 (Hydrocarbon Surfactant)는 약 30 dyne / cm 정도의 표면장력을 또한 실리콘계 계면활성제 (Silicon Surfactant)는 약 25 dyne / cm 대의 표면장력 저하 특성을 가집니다.
불소계면활성제는 표면 근처에 다량으로 존재하기 쉬워 용매의 증발속도를 조절하고 우수한 균일도막 특성(레벨링)을 얻는 효과가 있습니다. 이러한 효과는 올리고머계 계면활성제에서 더욱 두드러지며 분자량, 매트릭스 수지와의 상용성 및 첨가제의 양에 따라 달라집니다.
낮은 계면장력(Lower Interfacial Surface Tension)은 수용성코팅시 안료(Pigment)나 고분자레진(Polymer resins)의 안정화에 매우 중요한 요건입니다.
불소계 계면활성제는
- 표면장력을 급격하게 떨어뜨리는 역할을 하며
- 페인트 및 코팅제가 표면의 오염을 극복 할 수 있도록 하며
- 수용성 및 용제 시스템에 모두 적용 가능합니다. 이는 불소계 계면활성제를 적용함으로 인하여 상기에 언급한 모든 문제점들이 쉽게 해결 될 있음을 의미 합니다.
더욱 중요한 사실은, 불소계 계면활성제는 건조과정 전체에 걸쳐 성능이 그대로 유지되며 이는 더욱 더 깨끗하고 평활한 표면 및 고광택 코팅을 가능하게 해 줍니다.
불소계면활성제는 페인트 및 코팅, 특히 VOC가 낮거나 없는 화학 물질로 배합된 배합을 단순화하는 다기능 첨가제로 사용됩니다.
- 웨팅
- 레벨링
- Penetrate
- 포밍 제어
- 화학적 안정성
- 열 안정성
- 표면장력 대폭 감소
웨팅(Wetting)
웨팅은 액체가 고체 표면 위에 넓게 퍼지는 현상으로, 표면장력과 계면장력에 의해 결정됩니다.
- 좋은 웨팅: 액체가 표면에 넓게 퍼져 고르게 도포됨
- 나쁜 웨팅(De-wetting): 액체가 뭉쳐 방울을 이루며 퍼지지 않음
불소계면활성제를 첨가했을 때의 웨팅 특성 개선
불소계면활성제(Fluorosurfactant)는 매우 낮은 표면장력을 가지므로, 소량만 첨가해도 웨팅 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.
불소계면활성제의 작용 메커니즘
- 고체-액체-기체 간 계면장력을 감소시켜 접촉각을 줄임
- 액체가 표면 위에 더 넓게 퍼질 수 있도록 하여 균일한 코팅과 접착력 확보
- 난코팅성 표면(예: PE, PP, PTFE 등)에도 웨팅 향상 효과가 있음
레벨링(Leveling)
레벨링이 중요한 이유
- 도장, 인쇄, 코팅 품질 향상
- 흐름 자국(flow mark), 브러시 자국, 얼룩 방지
- 광택/투명도/색상 균일성 확보
- 전자소자, 광학 필름 등에서 두께 제어 및 표면 평탄도 향상
불소계면활성제와 레벨링의 관계
- 불소계면활성제는 표면장력을 낮춰줄 뿐 아니라, 표면 위에서의 흐름성을 개선하여 레벨링 향상에도 기여합니다.
불소계면활성제의 역할
- 도포된 액체의 퍼짐성과 유동성 개선
- 고점도 시스템에서도 자연스러운 표면 평탄화 유도
- 모서리 수축(edge retreat) 현상 방지 → 코팅 가장자리까지 균일한 두께 유지
- 도포 불균일 문제 해결 → 미세패턴이나 정밀 필름에도 적합
Cratering & Pinholes 개선 효과 (by Fluorosurfactant)
Cratering (크레이터링)란?
- 코팅면에 생기는 작고 동그란 분화구 모양의 결함
- 주로 오염물, 기포, 유분, 미세먼지 등이 원인이며, 도포 중 표면장력 차이로 발생
- 광택 저하, 내후성 저하, 외관 불량 등을 유발함
Pinholes (핀홀)란?
- 코팅이나 필름 표면에 매우 작은 구멍이 생기는 현상
- 기포 파열, 용제 증발, 기재 표면의 습기 등으로 발생
- 방수성, 전기절연성 등 기능 저하 우려
불소계면활성제를 활용하면 코팅 품질이 향상되고, Cratering과 Pinholes 같은 표면 결함을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 이는 자동차 도장, 전자소재 필름, 잉크젯 프린팅, 광학 코팅 등 고품질 마감이 요구되는 분야에서 특히 유용합니다.
계면활성제의 화학구조상 변질적인 특징은 극성 또는 친매성이 크게 다른 적어도 2종 이상의 작용부분으로 이루어져, 한 분자내에 친수성 부분(hydrophilic part)과 소수성 부분(hydrophobic part)이 공존 되어 표면(surface) 또는 계면(interface)에 흡착(adsorp-tion)하여 표면 또는 계면의 성질을 극단적으로 변화시킨다.
계면활성제의 성능 즉 표면장력을 떨어뜨리는 능력은 소수성(HLB 값)의 세기로 나타내며,
불소(Fluorocarbon) > 실리콘 (Poly(dimethylsiloxane) groups) > 탄화수소 (Fatty hydrocarbon groups) 순으로 차이가 납니다.
탄화수소계 또는 실리콘계 계면활성제에 비해 불소계면활성제는 표면 장력을 훨씬 더 낮춥니다. 불소계면활성제가 첨가된 용액은 낮은 표면 장력(γL)으로 인해 우수한 웨팅성을 달성합니다.
FC vs. HC 계면활성제
불소 계면활성제
탄화수소 계면활성제
Fluorochemical 불소계 | Silicon 실리콘계 | Hydrocarbon 탄화수소계 | |
| 성능 (dynes/cm) | 16-20 | 20-25 | > 25 |
| 효율성 (use level. wt.)% | 0.01~0.30 | 0.10 ~ 0.50 | 0.50 ~ 5.0 |
안정성 : Strong acid/Alkaline Oxidizing Media Thermal | Excellent Excellent Excellent | Medium Poor Medium | Poor Poor Medium |
| 상대 구매 가격 | About 50~100 | About 10-50 | 1 |
| 사용당 상대적 비용 | 1~2 | 1~2 | 1 |
- 불소계면활성제는 건축용 코팅, 잉크, 페인트, 접착제, 코크, 고형분 코팅, 수용성 코팅, 방사선 경화 코팅 및 기타 산업용 코팅을 포함한 다양한 응용 분야에서 유동 및 레벨링제로 사용될 수 있습니다.
- 불소계면활성제는 수성 및 용제 기반 코팅 제제 모두에 사용할 수 있으며 특정 응용 분야에서 먼지 흡입 저항성과 얼룩 저항성에 대한 이점을 제공할 수 있습니다.
- 불소계면활성제의 권장 사용 수준은 활성 계면활성제 기준으로 0.05%~0.3%입니다. 그러나 사용 수준은 제형 내 기타 첨가제 및 용매의 적용 및 농도에 따라 달라질 수 있습니다.
대표적인 불소계면활성제
모두 적은 첨가량으로 실리콘이나 탄화수소계보다 우수한 성능을 보입니다.
3M
3M™ Fluorosurfactant FC-4430
3M™ Fluorosurfactant FC-4432
3M™ Fluorosurfactant FC-4434
3M™ Electronic Surfactant 4200
3M™ Electronic Surfactant 4300
Chemours
Chemours Capstone™ FS-3100
Chemours Capstone™ FS-30
Chemours Capstone™ FS-31
Chemours Capstone™ FS-61
Chemours Capstone™ FS-63
Taiwan Fluoro
Taiwan Fluoro TS-111
Taiwan Fluoro TS-112
Taiwan Fluoro TS-211
Taiwan Fluoro TS-214
Taiwan Fluoro TS-217
비이온계 불소계면활성제 비교표
항목 | FC-4430 | FC-4432 | FC-4434 | FS-3100 | FS-30 | FS-31 | TS-111 | TS-112 |
브랜드 | 3M | 3M | 3M | Chemours | Chemours | Chemours | Taiwan Fluoro | Taiwan Fluoro |
유형 | 비이온계 | 비이온계 | 비이온계 | 비이온계 | 비이온계 | 비이온계 | 비이온계 | 비이온계 |
조성 | 불소 중합체 (약 95 % 이상 actives) + 소량 용매 | 불소 중합체 (약 90 % 이상 actives) + 소량 용매 | 불소계 계면활성제 수용액, 25 % actives + 물 | 100 % 불소계 활성제 (무용매) | 25 % 불소계 활성제 + 물 | 25 % 불소계 활성제 + 물 | 100 % 불소계 활성제 (무용매) | 25 % 불소계 활성제 + 물 |
음이온계 불소계면활성제 비교표
항목 | FS-61 | FS-63 | TS-211 | TS-214 | TS-217 |
브랜드 | Chemours | Chemours | Taiwan Fluoro | Taiwan Fluoro | Taiwan Fluoro |
유형 | 음이온계 | 음이온계 | 음이온계 | 음이온계 | 음이온계 |
pH | 7.5 ~ 9.0 | 7 ~ 8.5 | 6.5 ± 1.5 | 7.0 ~ 9.0 | 6.5 ~ 8.5 |
조성 | 14% solids in water | 35% solids 20% isopropyl alcohol 45% water | 16 ± 2 % solid 30% isopropyl alcohol 50% water | 13 ~ 16 % solids in water | 36 % solid 20% isopropyl alcohol 44% water |
3M™ Fluorosurfactant 불소계면활성제
혁신적인 C4 화학 플랫폼을 기반으로 하는 3M 플루오로계면활성제는 제조업체에 광범위한 수성 및 용매 기반 코팅에서 뛰어난 수준의 성능과 제어력을 제공합니다.
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Taiwan Fluoro 불소계면활성제
- TF 불소 계면활성제는 페인트, 잉크, 수지, 세척 및 석유화학 산업에 적용될 수 있습니다. 뛰어난 레벨링 및 평활도, 웨팅, 유동성, 이형성, 수지에 대한 내유성 등을 제공합니다.
- 방담성으로 온실 필름의 김서림 방지 및 성장 속도 향상에 사용될 수 있습니다.
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