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도 료, 도막, 시험방법, 평가, 시험조건
1. 머리말
도료는 가정생활에서 많이 사용되며 친숙한 존재이다. 그러나 그 평가 방법에 대해서는 일반적으로 알려지지 않은 것이 현실이다. 도료에는 물건을 지키는 「보호」, 색상에 따라 주의를 환기하는 「표시」, 아름다움을 제공하는 「미관」 등의 역할이 있으며, 최근에는 차열이나 항균과 같이 특수 기능을 갖게 한 것도 있다.
도료는 「보호, 표시, 미관」에서 중요한 아이템으로 성능을 판별하려면 올바르게 평가해야 한다. 다만 성능 평가는 쉽지 않고 도료는 훌륭한 완제품이지만 실력을 발휘하기 위해서는 도포 대상물의 성능을 장기간 유지 할 수 있는 도막을 형성해야 한다. 즉 도료·도막 양쪽을 평가할 필요가 있으며 올바르게 평가할 수 있는 「시험방법」이 요구된다.
일본의 산업규격에는 도료·도막의 시험방법 규격인 「JIS K5600 도료일반시험방법」 (총 9부로 구성)이 있다. 이번에 규격시험을 실행하는 데 있어서 공통사항 인 제1부 및 기본적인 물성평가에 관한 제2~5부의 도료·도막을 올바르게 평가하는 시험방법의 기본에 대해 해설한다. 내구성에 대해서는 다음 기회에 소개한다.
2. 시험을 실행할 때의 기본 적인 주의점
2.1. 막 두께 측정
시험방법을 준수하더라도 시험하는 기술이 모호하면 올바른 평가를 할 수 없다. 시험을 실행하는 기술의 기본으로서 제1부 「통칙」 JIS K5600-1-7:2014 막 두께를 예로 측정 시의 주의점에 관해 기술한다.
도막 두께가 100±10㎛로 규정되어 있는 경우 시험편의 막 두께가 이 범위가 아니면 올바른 평가는 할 수 없다. 시험편의 좋음과 나쁨이 결과를 좌우하기 때문에 시험의 유효성은 막 두께 측정의 정확성에 달려 있다.
막후계(膜厚計)는 시험판 소재에 따라 다르며, 자성을 가진 경우는 전자식 막후계, 자성을 가지지 않으면 와 전류식 막후계를 이용한다. 측정 시 표준 맞춤이 필요하며, 실제 측정 대상 시험편과 같은 소재, 같은 두께의 시험판으로 조정하는 것이 바람직하다. 표준 막은 교정된 손상이 없는 것을 사용하되, 측정 정밀도를 보증하는 데는 측정 대상 막 두께를 충분히 커버할 수 있는 범위의 것을 선택해야 한다. 또한, 시험편 끝부분은 측정오차가 커지므로 측정 위치로 피해야 하며 규격에서는 단부(端部) 효과로 「시험판 단부(端部)에서 25mm 이상 떨어진 부위 또는 단부로부터의 거리가 그 계기를 교정했을 때와 같은 부위에서 이루어져야 한다.」라
고 적혀 있다. 그리고 만곡부의 측정도 영향이 크기 때문에 교정에는 주의를 요구한다.
2.2. 점도
도막 시험에 제공하는 시험편을 제작할 때 유동성 관점에서 도장단계에서 점도 측정이 필요한 경우가 있다. 유동성 평가를 실행할 경우 JIS K5600-2-2:1999 점도에서는 도료의 성상에 따라 사용하는 측정기가 다르다고 기술되어 있다. 도료의 성상에 따라 3종류의 측정법이 규정되어 있으며 희석한 비교적 저점도 도료의 경우 플로우 컵 법, 투명도료에서는 가드너 형 거품 점도계 법, 뉴턴 또는 비뉴턴 액체에서는 스토머 점도계법이 사용된다. 점도 측정의 주의점은 도료에 맞는 측정기기를 선택하는 것뿐만 아니라 측정기 및 시료를 측정 환경 온도로 유지해야 한다. 측정 중의 온도 변화는 점도의 정확성을 손상함으로 특히 주의한다.
2.3. 환경조건
시험방법을 숙지하고 올바르게 평가하는 것은 중요하지만 시험하기 전의 문제로 주의할 것은 「시험 환경」이다. 시험편의 양생 및 시험 시 환경조건의 중요성에 관해 기술한다.
제1부 「통칙」 JIS K5600-1-6:1999 양생 및 시험의 온도 및 습도에서는 표준조건이라 불리는 「온도 23±2℃, 상대습도(50±5%)」가 기본이다. 전술한 점도 측정도, 이 조건을 벗어난 환경에서 실시할 경우 점도 조정이 불충분한 상태에서 도장 된 도막이 되어 규격에 정해져 있는 성능을 충족시키지 못할 우려가 있다. 예를 들어 도막의 형성기능을 평가하는 JIS K5600-3-3:1999 경화 건조성에서는 <그림 1>에 나타낸 장치를 이용하여 거즈를 댔을 때 도막의 상처 또는 흉터 유무에 따라 건조상태를 평가하지만, 환경조건을 유지할 수 있는 항온항습실에서는 상시 같은 결과를 얻을 가능성이 크다. 반면 환경조건을 유지할 수 없는 방(온·습도 컨트롤 없음)의 경우 계절에 따라 결과가 달라질 수 있는 것이 쉽게 예상된다. 또 시험에 제공하는 도막 두께가 정해진 범위에 없으면 환경조건이 갖춰져 있어도 올바른 평가를 할 수 없다.
2.4. 측색(測色)
적용하는 규격에서 시험조건이 다른 경우에 대해 측색(測色) 관계 사례를 소개한다.
제4부에서는 「도막의 시각 특성」에 관한 규격이 있다. JIS K5600-4-3:1999 색상의 육안 비교에서는 「색상 관찰조명」의 규정이 있어 자연 주광 또는 인공 주광을 이용하는 것이 기술되어 있다. 인공 주광에서는 규격에 따른 「색상 관찰 부스 인공조명」을 이용하므로 문제가 없으나 자연 주광 조명을 사용할 경우 확산 주광을 적용해야 한다. 이 확산 주광은 북반구에서는 부분적으로 흐린 북쪽 하늘로부터의 것이 바람직하며, 적어도 2000lx 레벨의 조도로 직사광선을 피하도록 규정되어 있다. 색상을 육안으로 평가할 때 이 조건 이외에서는 측정자에 따라 결과가 다를 수 있으므로 주의가 필요하다. 또한, JIS K5600-4-4:1999 측색(원리)에서는 표준 illuminant는 상대 색의 온도가 약 6500K로 자연 주광에 상당하는 CIE 표준 illuminant D65를 색상측정용으로 규정하는 것이 바람직하다고 하는데 그중에는 JIS K5665:2018 노면 표시용 도료의 은폐율, 확산 반사율이나 황색도 등 보조 illuminant C를 사용하는 것을 규정하는 제품규격도 있다.
광원 이외에도 반사광을 측정하는 방법으로서 정 반사광을 포함하는 경우와 포함하지 않는 경우의 두 가지가 있어 목적에 맞게 사용해야 한다.
3. 평가 방법이 여러 개 있는 시험
기계적 성질의 하나인 부착성에 관한 시험은 JIS K5600- 5-6:1999 부착성(cross cut 법), 5-7:2014 부착성(pull-off 법) 두 가지가 있다.
cross cut 법은 대상 도막의 소지에 달하는 격자 모양의 칼집을 넣어 테이프를 붙이고, 그 테이프를 벗겼을 때 잔존(殘存)한 도막의 상태를 평가한다. 한편, pull-off법은 대상 도막에 지그를 부착하고 연직(鉛直) 방향으로 지그를 떼어내어 <그림 2>, 떼어냈을 때의 최대하중을 단위 면적당으로 환산하여 나타낸다. 따라서 쌍방의 시험방법에서 얻어지는 성능 값은 다르게 표현되기 때문에 부착성의 직접 비교는 곤란해진다.
한편, 굳이 다른 시험방법을 이용해 다각적으로 평가하는 예도 있다. JIS K5600-5-1:1999 내(耐) 굴곡성(원통형 mandrel 법)에서는 피도 물이 굴곡(屈曲)할 때 발생하는 균열에 의해, JIS K5600-5-2:1999 내(耐) cupping 성에서는 피도 물이 강제로 밀려날 때 기판의 변형에 의한 균열에 의해, JIS K5600-5-3:1999 내(耐) 추출 낙하성에서는 추가 충돌할 때의 충격 또는 기재의 변형에 의한 균열에 의해 부착성을 평가한다. 같은 부착성을 평가하는 경우라도 각각 목적에 맞는 시험방법을 선택함으로써 다각적인 평가가 가능해진다.
또한, 콘크리트 구조물에 적용되는 표면피복재의 부착성능을 평가할 때, 단축 인장(引張)시험에서는 기판 파괴를 일으킬 정도의 부착성을 나타내지만, 시험방법 규격은 아니지만, 도막 박리현상을 고려한 외형의 박리 저항성 시험 <그림 3>에서는 기판과 도포 재의 계면에서 쉽게 벗겨지는 등 파괴 형태가 다른 현상 <그림 4>도 보고되었다1). 다른 시험방법을 적용함으로써 다각적인 성능평가가 가능해진다.
Bridge girder의 돌출부에서는 중성화 등의 영향으로 내부 철근 부식의 부식 팽창 압에 의해 콘크리트 편이 박락되는 사례가 있으며 최근 방지책으로 박락 방지재가 시공되는 사례가 있다.
박락 방지에 관한 시험방법은 JSCE-K533:2013 콘크리트 편의 박락 방지에 적용하는 표면피복재의 밀어내기 시험방법(토목학회 기준)이 있어 콘크리트의 박락방지 저항성을 정량적으로 평가하는 방법으로 활용되고 있다<그림 5, 6>. 기준이 되는 변위 이상에서의 최대 강도를 평가하는데 파괴 형태로서 취성적(脆性的)인 파괴를 나타내지 않는 것을 부기한 규격2)도 있다.
시험방법은 같더라도 평가 기준이 다를 수 있으므로 주의한다.
4. 시험조건이 여러 개 있는 시험
마지막으로 JIS K5600 시리즈는 아니지만 하나의 시험항목에 복수의 시험조건이 규정되어 있는 사례를 소개한다.
JIS A 6021:2022 건축용 도막 방수재에서는 열화 후 인장 성능을 평가할 때 촉진폭로처리를 실행하는 방법이 2종류가 있으며 Open Flame Carbon Arc lamp(250시간 조사) 또는 xenon arc 광원(325시간 조사) 중 하나를 선택할 수 있다. 요구되는 성능 값은 같지만, 선택방법에 따라 조사시간이 다르다. 또 본 건에 대해서는 2가지 방법을 비교한 사례3)가 있으며, 17종류의 시료를 쌍방의 촉진폭로처리를 실행한 결과 9종류의 시료에서 인장 성능에 유의차(有意差)를 인정하고 시료에 따라서는 2가지 촉진폭로처리 방법에서 결과에 차이가 생길 가능성이 기록되어 있다. 선택하는 처리방법에 따라 결과가 달라지는 등 합격 여부 판정에 영향을 미칠 우려가 있으므로 주의해야 한다.
5. 맺음말
시험을 실행할 때의 주의점으로서 주로 도료 일반 시험방법을 중심으로 개략적으로 설명했다. 시험방법 규격에는 조건이 세세하게 규정되어 있어 어느 하나가 빠져도 올바른 평가는 어렵다. 도료의 시험방법은 「도료」로서의 최종 제품의 성능을 평가하는 동시에 도료를 부가함으로써 완성되는 도장 완료 제품인 「도막」으로서의 평가를 실행하는 데 중요하다. 「시험조건」의 중요성을 이해하고 항상 시험방법을 준수하여 올바른 평가를 해주기 바란다.
[참고문헌]
1) 야마다 타쿠지(山田卓司)、츠쿠다 요이치(佃洋一), 야마모토 다카시(山本貴士), 구니에다 미노루(国枝稔), 미야가와 도요아키(宮河豊章) : 표면 피복 공법의 부착특성에 착목(着目)한 내구성 평가 방법에 관한 연구, 재료, Vo l .61, No.10, 2012.10
2) 한신(阪神)고속도로 주식회사 : 도료 구조물의 보수요령 제2편 콘크리트 구조물의 표면 보호 요령(2018)
3) 사쿠라이 다캐시(櫻井剛) : Vague 일본도료검사협회 뉴스, No.135(2014)
[Profile]
야마다타쿠지(山田卓司, Yamada Takuji)
일반재단법인 일본도료검사협회 전무이사 박사(공학)
1985년 재단법인 일본도료검사협회 입사, 도료의 시험·검사 및 JIS 인증업무에 현재까지 종사. ISO 일본 위원, JIS 원안작성위원 외
