KR100244652B1 - 내후성강의 피막처리 방법 - Google Patents

내후성강의 피막처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 강교량, 건물 구조재, 방호펜스등에 사용되는 내후성강의 피막처리 방법에 관한 것으로, 내후성 강판상에 무기 방청피막 처리액및 부틸랄(butyral)수지계 방청피막 처리액을 순차로 도포하여 도장피막을 형성시키므로서, 내후성, 강우 사용시 폭로 초기단계에서의 유출 철산화물의 발생을 억제하고 강표면에 안정산화피막층을 형성시켜 별도의 재도장 및 보수작업없이 반영구적인 사용이 가능한 내후성강의 피막처리방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기한 목적달성을 위한 본 발명은 내후성 강의 표면에 안정된 산화피막을 형성시키는 방법에 있어서, 상기 내후성 강재 표면에 아연, 알루미늄 및 망간으로 구성된 안료 및 용매로 조성되는 무기 방청피막 처리액을 도포하여 제 1층 도장피막을 형성하는 단계; 및 상기 제 1층 도장피막상에 안료, 수지, 인산및 용제로 조성되는 부틸랄 수지계 방청피막 처리액을 도포하여 제 2층 도장 피막을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 내후성강의 피막 처리방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

내후성강의 피막처리 방법
제1도는 본 발명 피막처리 방법 실시후 상태를 나타내는 단면도.
제2도는 본 발명 피막처리 방법 실시후 안정 산화피막 형성원리 개념도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 내후성 강재 2 : 제 1층 피막
3 : 제 2층 피막 4 : 내후성강 안정 산화피막층
본 발명은 각종 강교량, 건물 구조재, 방호펜스등에 사용되는 내후성강의 피막처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 강 표면의 철산화물 유출을 방지하고 표면에 방식성이 높은 안정 산화피막을 형성시키는 방청 피막처리 방법에 관한 것이다.
일반 강구조물에 있어서 페인트 도장, 금속도금 등 부식방지에 소요되는 높은 유지비를 절감하기 위해 무도장 사용이 가능한 내후성강재가 크게 주목받고 있다.
내후성강재는 일반강재 조성에 소량의 크롬, 구리, 니켈 등의 합금원소를 첨가한것으로 아무 방식처리 없이 대기중에 노출되어도 강표면에 치밀한 비정질의 산화피막이 형성되고 형성된 산화피막 층이 더 이상의 부식을 방지하는 보호막역할을 하게끔 합금설계한 내식성 강재이다. 따라서, 내후성강재는 방식처리없이 무도장으로 사용되어 많은 유지비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
내후성 강재에 안정된 산화피막형성되는 과정은 초기단계는(1-2년 경과)보통 일반강재와 부식진행, 및 부식정도가 동일하고,중간단계는(3-5년 경과)부식 산화층 내부에서 크롬, 구리, 및 니켈등의 작용으로 치밀한 안정산화층 형성을 시작하며, 안정단계에서는 (5-10년 경과)크롬, 구리, 및 니켈등의 원소로 이루어진 치밀하고 안정한 암갈색의 산화피막층이 형성되어 부식진행이 거의 없는 상태로 된다.
그러므로 내후성강재가 무도장으로 대기중에 노출되어 안정된 산화피막층이 형성되기 위해서는 장소에 따라 5-10년 정도의 시간이 요구되며 또한 대기노출시 초기기간은 일반강과 유사하게 붉은 색의 녹이 발생하며 강우시 빗물에 씻겨 나온 녹물이 주위 구조물 기둥 등을 오염시켜 미적외관을 해치기도 한다. 또한 내후성강재의 특성상 해안지역이나 공업지역, 다습지역에서는 염소, 아황산가스의 영향으로 아무리 시간이 지나도 안정 산화피막 형성이 불가하며 보통 일반강재와 비슷하게 금속의 부식이 진행된다.
따라서 내후성강 표면에 안정된 산화피막을 확실히 형성가능케 하고, 철산화물의 유출방지, 미적외관 의장성확보, 1회 도장으로 반영구적 수명등을 가능케 하는 내후성강용 방청피막 처리방법이 자주 사용된다.
기존의 내후성강용 방청피막형성 처리법은 주로 일본에서 많이 쓰고 있고 이 방법은 하도로 인산염처리후, 각각의 다른 중도와 상도를 칠하는 방법으로 되어 있다. 이 방법은 교량과 같은 대형 강구조물 도장시 인산염처리때 발생하는 다량의 인산처리가 환경오염과 작업환경을 해치고 공정이 복잡하며, 또한 상도와 중도계면에서의 상도와 중도의 접착력 불량현상으로 상도가 떨어지는 피막 불량이 발생하기도 한다.
또한 국내 특허출원 94년 제 34701호 "내후성강용 방청피막 도료"는 작업성과 경제성에서 잇점이 있고 1겹도장으로 내후성강 표면에 안정산화피막을 전원지역에서는 형성시킬수 있으나 단겹이기 때문에 내마모성이 나빠 충격에 도막이 잘부서지며 공장지역 등 심한 부식성 환경에서는 아황산 가스, 산성비 등의 영향으로 국부적으로 안정 산화피막형성이 어려운 단점이 있다.
이에, 본 발명자는 상기한 종래방법의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된것으로, 본 발명은 내후성 강판상에 무기 방청피막 처리액및 부틸랄(butyral)수지계 방청피막 처리액을 순차로 도포하여 도장피막을 형성시키므로서, 내후성 강재 사용시 폭로 초기단계에서의 유출 철산화물의 발생을 억제하고 강표면에 안정산화피막층을 형성시켜 별도의 재도장 및 보수작업없이 반영구적인 사용이 가능한 내후성강의 피막처리방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 내후성강의 표면에 안정한 산화피막을 형성시키는 방법에 있어서, 상기 내후성 강재 표면에 아연, 알루미늄 및 망간을 주성분으로 하는 안료 및 용매로 조성되는 무기 방청피막 처리액을 도포하여 제 1층 도장피막을 형성하는 단계; 및 상기 제 1층 도장피막상에 안료, 수지 및 용제로 조성되는 부틸랄수지계 방청피막 처리액을 도포하여 제 2층 도장 피막을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 내후성강의 피막처리방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대해서 보다 상세히 설명한다.
내후성강에 안정된 산화피막을 형성케 하는 방청피막의 필요조건은 내후성강 표면에 방청피막 도장후 안정된 산화피막 형성과정이 10-20년간의 장기간이기 때문에 그 동안 피막이 강표면에서 떨어지는 것을 막기 위해서는 피막내부 응력이 적고, 금속표면과 피막사이 계면 그리고 피막간에 밀착성이 우수해야 하며, 기본적으로 안정 산화피막이란 내후성강재 표면이 산화되어 합금원소들이 농축된 단단하고 치밀한 산화층이기 때문에 안정 산화피막을 얻기 위해서는 방청 피막층이 주위 대기층으로 부터 산소와 수분을 적당히 투과시켜 강표면을 느린속도로 부식시켜야 한다. 또한 확실한 안정 산화피막층을 얻기 위해 염소, 아황산개스 등 부식성 이온을 차단하여야 한다.
이러한 요건을 만족하기 위해서 본 발명에서는 먼저 내후성강의 표면에 다음과 같이 조성되는 무기 방청피막 처리액을 도포하여 제 1층 도장피막층을 형성시킴이 바람직하다.
본 발명 방청 피막처리 방법에 사용되는 제 1층용 무기 방청피막 처리액은 크게 안료와 용매로 조성되며, 상기 안료는 아연, 알미늄, 및 망간금속의 분말과 산화알미늄(Al oxide), 탄산칼슘(CaCO3) 마이카(Mica)와 같은 체질안료로 구성되어 있다. 피막의 강도보강, 도장시 흐름을 방지하는 역할을 하는 체질안료는 통상 전체 안료 중량의 15%이하, 바람직하게는 5-10%이며 이 체질안료는 반드시 함유되어야 하는 것은 아니다. 상기 용매는 무기계 실리케이트로 이루어지고 상기 도료가 건조됐을 때 용매량이 너무 많은 경우는 피막내의 기공량이 적어져 적정량의 산소와 수분이 투과하기가 어렵고 너무 적으면 피막강도가 적어져 피막이 부서지기가 쉬워 성능이 저하된다. 따라서 건조피막에서 안료와 용매의 혼합비는 통상 85:15~95:5이고, 이 혼합비중에서 90:10이 가장 바람직하다.
제1층용 무기 방청 피막 처리액중 안료에 함유되어 있는 아연분말의 크기는 10㎛이하, 바람직하게는 2-7㎛사이이며, 망간분말이 크기는 10-30㎛, 알미늄 분말은 40㎛이하, 바람직하게는 20-35㎛으로 관리하는 것이다. 이는 일반적으로 도장시 피막두께가 50-70㎛정도이므로 알미늄분말이 40㎛이상으로 너무 거대하면 알미늄분말의 1개의 직경이 피막두께와 같아지므로 피막내에 알미늄과 아연분말, 망간분말 사이에 기공이 너무 많아질 수 있고 또한 분말이 거대하면 스프레이도장시 노즐구멍을 막아 도장이 잘 안되는 문제점이 있어 첨가되는 알미늄분말의 크기는 직경이 40㎛이하가 적당하다. 상대적으로 거대한 알미늄 분말사이에 망간과 아연분말이 골고루 분산되어 쌓여 있기 위해서는 망간분말은 알미늄 분말보다 적은것이 좋으며 평균직경 10-30㎛정도가 바람직하다. 10㎛이하 크기의 망간분말은 산화성높아 제조시 산화될 가능성이 있다. 따라서 이와같이 각각의 분말의 크기를 달리함으로써 3종의금속분말 안료가 한군데 모이지 않고 골고루 피막내부에 존재할 수 있다.
안료중 금속안료끼리의 혼합비율은 알미늄의 밀도가 아연이나 망간에 비해 1/3정도이므로 부피비로는 아연보다 3배정도 크기 때문에 알미늄 분말 사이사이로 아연과 망간분말을 집어 놓기 위해서는 아연분말 혼합중량비를 1로 할때 알미늄 분말은 0.5-1정도가 알맞다. 또 망간은 장기간 대기 폭로시 피막이 풍화되어 망간분말이 산화될때 암갈색의 망간 산화물로 표면을 덮기 위해서는 아연분말 혼합중량비를 1로 할때 망간분말은 0.5-1.0정도 혼합되는 것이 좋다.
본 발명에서는 상기와 같은 조건을 만족하는 무기 방청피막 처리액을 도포하여 제 1층 도장피막을 형성한 후, 그위에 다음과 같은 부틸랄수지계 처리액을 도포하여 제 2층 피막을 형성시킴이 바람직하다.
부틸랄 수지계 처리액은 안료, 수지 및 인산이 중량비 1:1:0.5로 이루어지며, 안료는 크롬산아연과 크롬산납 혼합제 3-10중량%이 적당하다. 이때 안료가 3%로 너무 작으면 피막중 안료성분이 너무 적어 방식효과가 떨어지고, 너무 많으면 피막이 잘 부스러지는 현상이 나타난다. 수지는 부틸랄수지 및 부틸랄수지와 상용성을 갖고 있는 수지이며 함량이 3%미만이면 피막이 잘부스러지며 10%이상일 경우는 점도가 커서 도장작업성이 나쁘므로 부틸랄수지는 3-10중량%적당하다. 인산은 1.5%미만 이면 효과가 없고 5%이상이면 상온에서 피막건조가 잘 안되는 단점이 있어 인산은 1.5-5중량%는 첨가되는 것이 바람직하다. 또한 내후성 안정피막의 색상이 암갈색이므로 구조물의 미관을 위해 암갈색으로 색상을 조성하는 것이 좋다.
이하, 본 발명의 방식원리를 설명하면 다음과 같다.
내후성강 방청피막 처리법은 적용 목적이 교량 등의 토목, 건축구조물에 내후성강 사용시 설립 초기에 발생하는 다갈색의 철 산화물이 주변을 오염시키고 대기오염등으로 인한 안정 산화피막의 형성이 불가한 곳에 구조물의 미관적 의장성을 갖게하고 철산화물 유출방지, 안정 산화피막 형성을 보증하는 것이다.
또한 1회도장으로 반영구적 수명을 보장하는데 있다. 본 발명 내후성강용 안정 방청피막 처리법은 외부에 노출되어 있는 제 2층 피막은 물리적인 차단막 효과로 강우시 과다한 빗물이나 평상시 오염물질을 걸러주는 역할을 하며 제 1층 피막과는 화학적으로 결합하여 매우 우수한 접착력을 가진다. 금속면과 접하여 있는 제 1층 피막은 일반도료와 비교하여 안료:용매비에서 안료가 많게 배합비를 조정하여 피막내의 기공이 많다. 따라서 대기중에서 일정량의 산소와 수분이 통과할수 있고 우천시 제 2층을 통과한 과다한 수분은 일정량이 도료중에 포함되어 있는 망간, 아연 분말과 산화반응을 일으키며 소비된다. 망간의 산화 반응성이 아연보다 좋아 먼저 망간이 산화되고 따라서 아연이 산화된다. 일정기간 경과후 암흑색의 망간 산화물이 제 1층 피막내부에 존재하며 외부와 접하는 제 2층이 시간이 감에 따라 피막이 풍화가 되어 제 1층이 대기에 노출될때 제 1층 표면에 존재하는 내후성강의 안정 산화피막 색상과 같은 암갈색의 망간 산화물로 인하여 마치 시간에 따라서 안정 산화피막이 형성되는 것 같은 구조물의 의장성을 갖을수 있다. 안료중 상대적으로 거대한 알미늄분말이 피막내부에 분포되어 있어 망간이나 아연의 부식물들이 피막밖으로 빠져 나오지 못하고 치밀하게 피막내부에 쌓여있게 된다.
망간, 아연의 부식생성물들은 취약(brittle)하고 강도가 약해 시간이 지남에 따라 피막이 풍화하면서 서서히 분말상이 되어 없어진다. 따라서 마침내는 피막이 풍화되어 없어지고 내후성강 표면에는 그동안 산소와 수분의 적당한 공급과 도막 내부성분과 여러 화학작용으로 형성된 안정된 산화 피막만이 남게 된다.
이하, 본 발명 내후성강용 방청피막 도료의 작용을 도식적으로 설명한다.
제 1도는 본 발명은 내후성강용 방청 피막처리 방법으로서 내후성강 표면과 접촉하는 제 1층은 안료가 구형의 아연, 알미늄, 망간분말로 이루어지며 상기의 아연, 알미늄, 망간의 혼합비가 1:0.5-1:05-1이고, 상기 아연분말 : 알미늄분말:망간분말의 크기가 1:4.0-7.0:1.0-3.0이고 상기 알미늄분말의 크기가 40㎛이하이고 그리고 상기 용매가 무기 실리케이트로 이루어진 방청피막 처리액을 도포하여 제 1층 도장피막 형성후, 안료, 수지, 및 인산으로 이루어지며 안료는 크롬산아연과 크롬산납 혼합제 3-10중량%, 수지는 부틸랄수지 및 부틸랄수지와 상용성을 갖고 있는 수지 3-10중량%, 인산은 1.5-5중량% 나머지는 용제로 되어있는 제 2층 부틸랄수지계 방청피막처리액을 도포한 것을 특징으로 하는 내후성강의 안정 방청피막처리 방법 실시후 단면상태를 나타내는 것이다.
제 1층은 거대한 알미늄분말 사이에 아연, 망간분말이 있고 일반적인 도료 조성보다 안료대비 용매량이 적어 피막중간에 수많은 미세한 틈이 형성되어 있다. 이 공간으로 일정량의 수분과 산소가 통과할 수 있음을 알 수 있다. 그리고 무기질 실리케이트 용매가 전체적인 피막을 형성하고 있다. 제 2층은 판형의 크롬산 아연안료가 물리적인 차단막을 형성함을 알 수 있다.
제 2도는 본 발명 안정피막 처리 후 복합부식실험을 실시한 다음의 단면모습으로 시간에 감에 따라 제 2층 피막층이 풍화되어 없어지고 제 1층 피막층도 피막내부의 망간, 아연등이 부식성 이온들을 차단하면서 서서히 산화되어 풍화되며, 내후성강 표면에는 여러 내부 화학작용에 의해 안정된 산화피막이 형성됨을 나타낸다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
오일이나 기타 이물질이 없는 내후성 강판을 블라스트 청정(blast cleanning)후, 상기 강판상에 하기표 1내지 표 5와 같은 발명재 및 비교재의 조건을 만족하도록 처리액을 도포한후, 표면도막이 완전 건조된 12시간후 건조와 습윤이 순차적으로 되풀이 되는 복합 부식 실험을 2000시간동안 행하고, 그 결과를 하기표 6에 나타내었다.
하기표 1은 발명재(1), 표 2는 발명재(2), 표 3은 발명재(3), 표 4는 비교재(1)로서 무기 Zn-Al-Mn계 도료를 1겹으로 두께 70㎛가 되도록 한 경우이고, 표 5는 비교재(2)로서 일본 내후성 강재 표면처리재로 3겹의 피막으로 구성되어 있다.
표면발청:도장표면에서의 발청상태(부식생성물)유무
◎ 발청이 없고 표면이 좋은상태, XX 표면발청이 심한 상태
◎, 0, △, X, XX 5단계로 표시함
표면기포:도장표면에 기포나 부풀음 현상발생유무
◎ 기포발생 없고 표면이 좋은 상태, XX 표면기포발생이 심한 상태
◎, 0, △, X, XX 5단계로 표시함
도막밀 강재표면:도막과 강재표면 사이에서의 안정녹 발생 유무 상태
◎ 도막하부 강재와 경계면에 안정피막층이 형성되어 있는 상태
XX 안정피막이 형성 안된 상태
◎, 0, △, X, XX 5단계로 표시함
상기 표 6에서 알수 있는 바와같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재(1-3)의 경우는 표면발청정도, 표면기포정도 및 도막 및 강재표면의 상태에 있어서 모두 우수한 정도를 나타내는 반면에, 본 발명의 범위를 만족하지 못하는 비교재(1-2)의 경우는 표면에 국부적인 적청이 발생되어 특성이 열화됨을 알 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명의 내후성강 방청피막 처리방법은 적정량의 산소와 수분이 피막을 통과하기 쉽고, 또한 내후성강 표면에 안정 산화피막 형성을 방해하는 부식성 이온들을 피막의 물리적, 화학적 작용에 의해 효과적으로 차단하여 결과적으로 내후성강 사용시 재도장 및 방식유지 관리비가 대폭 절감되어 경제적으로도 유용한 효과가 있다.
또한 본 발명은 우수한 안정산화피막을 형성함과 동시에 기존의 방법인 인산염처리 산세공정을 생략하여 환경오염 및 경제성 작업안정성을 대폭 향상시키는 효과가 있을 뿐만아니라 내후성강의 무도장 사용시 폭로 초기단계에 발생하는 다갈색 녹물과 가루 등의 유출 철산화물의 발생을 억제하고 내후성강 표면에 안정 산화피막층을 형성시켜 별도의 재도장 및 보수작업 없이 반영구적인 사용이 가능한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 내후성 강의 표면에 안정된 산화피막을 형성시키는 방법에 있어서, 상기 내후성 강재 표면에 아연, 알루미늄 및 망간을 주성분으로 하는 안료 및 용매로 조성되는 무기 방청피막 처리액을 도포하여 제 1층 도장피막을 형성하는 단계; 및 상기 제 1층 도장피막상에 안료, 수지, 인산및 용제로 조성되는 부틸랄 수지계 방청피막 처리액을 도포하여 제 2층 도장 피막을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 내후성강의 피막 처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 무기 방청피막 처리액은 아연, 알미늄 및 망간을 주성분으로 하는 안료와 무기실리케이트의 용매가 건조피막에서의 중량비가 85:15-95:5의 범위가 되도록 조성되며, 상기 안료중 아연, 알미늄 및 망간의 혼합비는 1:0.5-1:0.5-1.0, 크기비는 1:4.0-7.0:1.0-3.0이고, 알미늄 분말의 크기는 40㎛이하인 것을 특징으로 하는 내후성강의 피막처리방법.
  3. 제1항에 있어서, 부틸랄수지계 방청피막 처리액은 안료:3-10중량%, 수지:3-10중량%, 인산:1.5-5중량% 및 잔부:용제로 조성됨을 특징으로 하는 내후성강의 피막 처리방법.
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