KR100244663B1 - 내후성강의 피막처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내후성강에 내후성강으로 부터의 표면 철산화물의 유출을 방지하고 표면에 방식성이 높은 안정한 산화피막을 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 방청피막처리방법은 2층으로 구성되며, 내후성강재 표면에 아연-알미늄-인산철 안료와 무기용매로 조성된 내후성강용 방청피막처리액을 도포하여 제1층 도장피막을 형성한 후, 상기 제1층 도장피막상에 염화고무계 수지와 아크릴계수지가 혼합된 처리액을 도포하는 피막처리방법이다.

본 발명에 의한 방법으로 내후성강을 처리하는 경우, 처리후 시간이 경과함에 따라 제2피막층은 풍화되어 없어지며 제1피막층도 피막내부의 인산철, 아연등이 부식성 이온들을 차단하면서 서서히 산화되어 풍화되며 내후성강 표면에는 여러 가지 내부화학작용에 의해 안정한 산화피막층이 형성됨을 나타낸다.

Description

내후성강의 피막처리방법

본 발명은 각종 강교량 및 건축구조재 등에 사용되는 내후성강의 피막처리방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 내후성강으로 부터의 표면 철산화물의 유출을 방지하고 표면에 방식성이 높은 안정한 산화피막을 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반 강구조물에 있어서 페인트도장, 금속도금 등 부식방지에 소요되는 높은 유지비를 절감하기 위해 무도장 사용이 가능한 내후성강재가 크게 주목받고 있다.

내후성강재는 일반강재의 조성에 소량의 크롬, 구리, 니켈 등의 합금원소를 첨가한 것으로 방식처리 없이 대기중에 노출되어도 강표면에 치밀한 비정질 산화피막이 형성되고 이 형성된 산화피막층이 더 이상의 부식을 방지하는 보호막 역할을 하게끔 합금설계한 내식성 강재이다.

따라서, 내후성강재는 방식처리하지 않고 무도장으로 사용됨으로 많은 유지비를 절감할 수 있는 장점이 있다. 현재 내후성강은 방식처리하지 않고 무도장으로 사용하거나, 내후성강용 방청피막도료로 도장하여 사용하거나 혹은 일반 페인트로 도장하여 사용하고 있다.

내후성강재에 안정된 산화피막이 형성되는 과정은 초기단계(1-2년경과), 중간단계(3-5년경과) 및 안정단계(5-10년경과)로 구성된다. 초기단계에서는 일반강재와 같이 부식되며, 중간단계에서는 부식산화층 내부에서 크롬, 구리, 니켈 등의 작용으로 치밀한 안정산화층이 형성되기 시작되고 안정단계에서는 크롬, 구리, 니켈 등의 원소로 이루어진 치밀하고 안정한 암갈색 산화피막층이 형성되어 부식이 거의 진행되지 않는다.

그러므로, 이러한 내후성강재가 무도장으로 대기중에 노출되어 안정된 산화피막층이 형성되기 위해서는 장소에 따라 5-10년 정도의 시간이 요구되며, 또한 대기노출시 초기기간은 일반 강과 유사하게 붉은색의 녹이 발생하며 강우시 빗물에 씻겨 나온 녹물이 주위 구조물 등을 오염시켜 미적외관을 해치기도 한다. 또한 내후성강재의 특성상 해안지역이나 공업지역, 다습지역에서는 염소, 아황산가스의 영향으로 아무리 시간이 경과하여도 안정된 산화피막의 형성이 불가능하고 보통 일반강과 비슷하게 금속의 부식이 진행된다.

따라서 내후성강 표면에 안정된 산화피막을 확실히 형성하게하고, 철산화물의 유출방지, 미적외관확보, 1회 도장으로 반영구적 수명 등을 가능케 하는 내후성강용 방청피막 처리방법이 주로 사용되어 왔다.

종래의 내후성강용 방청피막형성 처리법은 주로 일본에서 많이 사용되고 있으며 이 방법은 하도로 인산염처리후, 각각의 다른 중도와 상도를 칠하는 방법으로 되어 있다. 이 방법은 교량과 같은 대형 강구조물을 도장하는 경우 인산염처리시 발생하는 다량의 인산처리가 환경오염과 작업환경을 해치고 공정이 복잡하며, 또한 상도와 중도계면에서의 상도와 중도의 접착력이 불량하여 상도가 떨어지는 피막 불량이 발생하기도 한다.

또한 국내 특허출원제94-34701호 "내후성강용 방청피막 도료'는 작업성과 경제성에서 잇점 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 안정산화피막형성이 어려운 단점이 있다.

또한 국내 특허출원제95-46806호 "내후성강의 피막처리방법"은 강의 표면을 2층으로 피막처리한다. 즉, 내후성강재 표면에 아연-알미늄-망간 안료와 무기용매로 이루어진 내후성강용 방청피막 처리액을 도포하여 제1층의 도장피막을 형성시킨후 그 위에 제2층으로 암갈색의 부티랄(butyral)수지계 처리액을 도포하여 도장피막을 구성하는 피막처리방법이다. 그러나 이 방법은 2층의 부티랄 수지계 처리액이 자외선, 수분에 노출되는 경우 변색되는 경향이 있어 장기적으로 대기중에 노출되는 경우에는 외관이 손상되는 단점이 있다. 또한 제1층 처리액 조성 성분중 망간은 산화성이 큼으로 분말상태에서 재료를 장기간 보관할 수 없다는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 표면 철산화물의 유출을 방지하고 표면에 방식성이 우수한 안정한 산화피막을 형성함과 동시에 장기간 외부에 노출되는 경우, 외관이 손상되지 않는 깨끗한 도막상태로 유지되도록 하는 내후성강의 방청피막처리 방법을 제공하는자 하는 것이다. 나아가, 본 발명의 다른 목적은 경제성, 작업성 및 안정성이 개선된 내후성강의 방청피막처리 방법을 제공하는 것이다.

더욱이, 본 발명에 의한 방청피막처리시 사용되는 처리액은 저장안정성이 우수하며 장기간 보관가능한 방청피막처리액이다.

제1도는 본 발명에 의한 방법으로 표면피막처리된 상태를 나타내는 내후성강의 단면도.

제2도는 본 발명에 의한 방법으로 표면피막 처리하여 복합부식 실험후 방청피막이 형성되는 것을 개념적으로 도시한 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 내후성강재 2 : 제1층 피막

3 : 제2층 피막 4 : 내후성강 안정피막층

본 발명에 의하면, 내후성강재 표면에 무기아연-알루미늄-인산철로 이루어진 안료와 용매로 조성된 내후성강용 방청피막 처리액을 도포하여 제1층 도장피막을 형성하는 단계; 및 상기 제1층 도장피막상에 수지피막 처리액을 도포하여 제2층 도장피막을 형성하는 단계; 를 포함하는 내후성강의 표면을 피막처리하는 방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 피막처리 방법은 2층으로 구성되며, 내후성강재 표면에 아연-알미늄-인산철 안료와 무기용매로, 조성된 내후성강용 방청피막 처리액(이하, "방청피막 처리액"이라 한다.)을 도포하여 제1층 도장피막을 형성시킨후 상기 제1층 도장피막상에 염화고무계 수지, 아크릴계 수지 및 염화파라핀계 수지가 혼합된 처리액(이하, "수지 피막 처리액")을 도포하는 피막처리 방법이다.

내후성강에 안정된 산화피막이 형성되도록 하는 방청피막의 필요조건은 내후성강 표면에 방청피막을 도장한 후 안정된 산화피막을 형성하는데 10-20년, 경우에 따라서는 30년의 장기간이 소요된다. 따라서 그 동안 피막이 강표면에서 분리되지 않도록, 피막내부 응력이 적고 금속표면과 피막사이의 계면 그리고 피막간에 밀착성이 우수해야 한다. 또한 기본적으로 안정한 산화피막이란 내후성강재 표면이 산화되어 합금원소들이 농축된 단단하고 치밀한 산화층임으로, 안정한 산화피막을 얻기 위해서는 방청 피막층이 주위 대기층으로부터 산소와 수분을 지속적으로 미량 투과시켜 강표면이 느린속도로 부식되도록 하여야 한다. 또한 활실한 안정 산화피막층을 얻기 위해서는 안정한 피막 형성을 저해하는 염소이온, 아황산가스 등 부식성 이온이 차단되어야 한다.

이러한 요건을 만족시키기 위해, 본 발명에 의한 방법에서는 먼저 내후성강의 표면에 아연-알루미늄-인산철분말로 이루어진 안료와 용매로 조성되는 내후성강용 방청피막 처리액을 도포하여 제 1층 도장피막이 형성되도록 한다.

상기 본 발명에 의한 내후성강의 피막차리시, 제 1층 도장피막용 처리액은 크게 안료와 용매로 조성되며, 안료는 아연, 알루미늄 및 인산철 분말과 산화알루미늄(Al oxide), 탄산칼슘(CaCO₃), 마이카와 같은 체질안료로 구성되어 있다. 피막의 강도를 보강하고, 도장시 흐름을 방지하는 역할을 하는 체질안료는 반드시 함유되어야 하는 것으로 아니나 통상 안료의 총중량을 기준으로 15%이하, 바람직하게는 5-10%이하로 첨가된다.

상기 용매로는 무기 실리케이트가 사용되며 상기 도료가 건조되었을 때 용매량이 너무 많은 경우는 피막내의 기공량이 적어져 적정량의 산소와 수분이 투과하기가 어렵고 너무 적으면 피막강도가 적어져 피막이 부서지기가 쉬워 성은이 저하된다. 따라서 건조피막에서 안료와 용매는 통상 85:15-95:5중량%, 가장 바람직하게는 90:10중량%로 혼합하는 것이 좋다.

상기 도료중 안료는 아연 분말, 알루미늄 분말, 인산철 분말의 혼합물로서 이들의 혼합비율을 알미늄의 밀도가 아연에 비해 1/3정도이므로 부피비로는 아연보다 3배정도 크기 때문에 상대적으로 거대한 알미늄 분말 사이사이에 아연분말이 존재하도록 아연분말의 혼합중량비를 1로 할 때 알미늄 분말은 0.6-1정도가 좋으며 또한 인산철분말에 의해 알루미늄분말 사이의 공간이 채워지도록 아연분말의 혼합중량비를 1로 할 때 망간분말은 0.2-0.6정도로 아얀분말과 혼합되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 아연, 알미늄 및 인산철분말은 1:0.6-1:0.2-0.6의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기, 제1층용 내후성강 피막처리행중 안료에 함유되어 있는 아연분말의 크기는 10㎛이하, 바람직하게는 2-7㎛이며, 인산철 분말의 크기는 1-6㎛, 바람직하게는 2-5㎛이며, 알미늄분말은 40㎛이하, 바람직하게는 20-35㎛이다.

일반적으로 도장시 피막두께가 50-70㎛정도이므로 알류미늄분말이 40㎛이상으로 너무 거대하면 알미늄분말 1개의 직경이 피막두께와 같아지므로 피막내에 알루미늄과 아연, 인산철분말 사이에 기공이 너무 많아질 수 있고 또한 분말이 거대하면 스프레이 도장시 노즐구멍을 막아 도장이 잘 안되는 문제가 있으므로 첨가되는 알루미늄분말의 크기는 40㎛이하인 것이 바람직하다. 상대적으로 거대한 알루미늄 분말사이에 인산철과 아연분말이 골고루 분산되어 쌓여 있기 위해서는 인산철분말과 아연분말은 알루미늄분말보다 작고 평균직경이 2-6㎛정도인 것이 보다 바람직하다. 안료내의 상기 아연, 알루미늄, 인산철분말의 크기는 주로 상기 범위내의 것이며, 한편, 아연분말:알루미늄분말:인산철분말의 크기비는 1:2.0-4.0:0.1-0.6인것이 바람직하다. 이와같이 각 분말의 크기비를 제한함으로써 안료내에 함유되어 있는 3가지 종류의 금속분말이 한곳에 모이지 않고 피막내부에 골고루 존재할 수 있으며, 알루미늄분말 사이의 기공이 아연 및 인산철분말에 의해 채워지게 됨으로, 내후성강용 방청피막처리액을 도포하여 제1층 도장피막을 형성한 후, 제2층 피막처리액 도포시 기포가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

내후성강에 상기와 같은 조건을 만족하는 방청피막 처리액을 도포하여 제1층 도장피막을 형성한 후, 그위에 염화고무계 수지와 아크릴계 수지로된 처리액을 도포하여 제2층 피막을 형성한다.

상기 제2층 피막 처리액은 안료 15-30중량%, 수지 40-50중량%, 기타 일반적으로 도금에 사용되는 첨가제 10중량% 이하 및 잔부용제로 구성된다. 상기 안료로는 탄산칼륨 및 산화알루미늄이 혼합된 무기안료 혼합체가 사용되며, 상기 탄산칼슘과 산화알루미늄은 바람직하게는 약 1:1 중량비율이 되며, 수지로는 염화고무계 수지, 아크릴계 수지 및 염화파라핀계 수지로된 혼합수지가 사용되며, 이들은 약 1 :1.2-1.7:0.5-1 비율로 혼합사용되며, 바람직하게는 1:1.5:0.7의 비율이 좋다. 염화고무계 수지와 상용성을 갖는 임의의 수지를 또한 혼합하여 사용할 수 있다. 또한 상기 염화파리핀계 수지는 전체도막에 유연성을 부여하는 가소제 역할을 한다.

한편, 내후성강 안정피막 수지 처리액은 적정량의 산소 및 수분 투과율이 요구되나, 안료의 함량이 15중량% 미만인 경우에는 상대적으로 수지의 함량이 많아 도막내 미세기공이 적어지게 되며, 따라서 산소 및 수분의 투과율이 적어 내후성강 표면에 안정피막이 형성되지 않는다. 안료함량이 30중량% 이상인 경우에는 상대적으로 단위 부피당 수지의 량이 적고 무기안료분말의 함량이 많아 도막이 부서지기 쉬우며 내부에 기공이 너무 많아 다량의 산소 및 수분이 투과된다. 따라서 수지처리로 단위 부피당 수지의 량이 적고 무기안료분말의 함량이 많아 도막이 부서지기 쉬우며 내부에 기공이 너무 많아 다량의 산소 및 수분이 투과된다. 따라서 수지처리액중 안료의 함량은 15-30중량%, 바람직하게는 20-25중량%이다.

처리액중 수지의 양은 안료의 양과 상대적인 것으로, 수지의 양이 40중량% 미만인 경우에는 도막내 수지의 양이 충분하지 않아 미세기공들이 많이 형성되며, 50중량%이상인 경우에는 도막내 수지의 양이 많아져 도막내 기공이 형성되지 않게 되며 따라서 산소 및 수분의 투과율이 매우 저하됨으로, 수지처리액중 수지의 함량은 40-50중량%, 바람직하게는 42-45중량%인 것이 좋다.

나아가, 피막 처리액중에는 일반적으로 도료 조성에 사용되는 첨가제가 함유될 수 있으며 첨가제로는 무기안료간의 엉김을 방지하는 분산제, 장기간 대기중에 노출되는 경우 수지의 안정성을 확보해주는 안정제, 도장시 처리액의 흐름현상을 방지하는 내제깅재(anti-sagging)등을 포함하며, 이들 첨가제는 대략 5-10중량%로 혼합된다. 상기 분산제, 안정화제 및 내세김제를 포함하는 첨가제가 10%이상 첨가되는 경우에는 도막의 물성에 영향을 미치게되며, 5%미만으로 너무 적으면 각 성능을 효과적으로 나타내지 못하게 된다.

또한 내후성 안정피막의 색상이 암갈색이므로 구조물의 미관을 위해 암갈색으로 색상을 조성하는 것이 좋다. 제2층 건조피막의 두께는 산소, 수분의 투과율의 마모율등을 고려하여 40㎛-60㎛ 정도인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 방법의 방식원리에 대하여 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 방법으로 내후성강재(1)에 제1층 방청피막처리액 및 제2층 수지처리액이 도포된 상태를 나타내는 단면도로 내후성강재위에 거대한 알미늄분말 사이에 아연분말과 인산철이 존재하고, 무기 실리게이트 용매로된 내후성강재에 제1층 피막(2)이 형성되며, 제1층 피막위에는 수지피막 처리액으로된 제2피막층(3)이 형성된다.

제2도는 본 발명에 의한 방법으로 안정피막 처리한 후, 복합부식실험을 실시한 다음의 단면도를 나타내는 것으로 시간경과함에 따라 제2층 피막층이 풍화되어 없어지고 제1층 피막층도 피막내부의 인산철, 아연등이 부식성 이온들을 차단하면서 서서히 산화되어 풍화되며 내후성강 표면에는 여러 내부화학작용에 의해 안정된 산화피막이 피막이 형성됨을 나타낸 것이다.

즉, 내후성강 안정피막 형성법은 교량 등의 토목·건축구조물에 내후성강을 사용하는 경우, 설립 초기에 발생하는 다갈색의 철 산화물이 주변을 오염시키고 대기오염등으로 인하여 안정 산화피막의 형성이 불가능한 곳에 구조물의 미관이 손상되지 않고 철산화물의 유출이 방지되고, 안정 산화피막이 형성되도록 적용되는 것으로, 본 발명에 의한 내후성강용 안정 피막 형성법에서는 외부에 노출되어 있는 제2층피막의 물리적인 차단막 효과에 의해 제2층 피막이 강우시 과다한 빗물이나 평상시 오염물질을 걸러주는 역할을 하며 또한 제1층 피막과 화학적으로 결합하여 매우 우수한 접착력을 나타낸다. 금속면과 접하여 있는 제1층 피막은 일반도료와 비교하여 안료: 용매비에서 안료가 많게 배합비를 조정하여 피막내의 기공이 많다. 따라서 대기중에서 일정량의 산소와 수분이 통과하게되며 장기간 대기중에 노출되는 경우 풍화된 제2층을 통과한 다량의 수분은 도료중에 일정량 포함되어 있는 아연분말과의 산화반응에 의해 소비된다.

또한, 제1층 처리액중에 함유되어 있는 인산철은 내후성강 표면에 치밀한 부동태피막의 형성을 촉진하는 작용을 한다. 시간이 경과한에 따라 제2층의 피막이 풍화가 되어 제1층이 대기에 노출되는 경우, 제1층 피막층은 상대적으로 거대한 알미늄 분말이 피막내부에 분포되어 있어 아연의 부식물들이 피막밖으로 빠져 나오지 못하고 치밀하게 피막내부에 쌓여 있게 된다.

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 수분이 적절히 공급되어 도막내부성분 및 인산철등과 여러 화학작용으로 형성된 안정된 산화 피막만이 남게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

[실시예]

오일이나 기타 이물질이 없는 내후성 강판을 블라스트 세척(blast cleanning)한후, 하기 발명예 1-3의 제1피막처리 도료를 상기 내후성강판에 도포하고 12시간이 경과한 후 발명예 1-3의 제2 수지피막도료로 내후성강판에 피막처리하였다. 또한 비교재 4-5로 상기 내후성강판을 피막처리하였다.

각각 상기한 바와같이 내후성강판을 피막처리한 후 피막이 완전히 건조된 후(약 3일후) 건조와 습윤이 순차적으로 반복되는 복합부식시험을 행하였다. 시험결과를 표면발청, 표면기포 및 도막밑 강재표면으로 하기 표6에 나타내었다.

하기 표 6에서,

표면발청은 도장표면에서 발청상태(부식생성물)의 유무를 나타내는 것이다.

◎ 발청이 없고 표면이 좋은 상태, XX 표면발청이 심한 상태

◎, ○, △, X, XX 5단계로 표시함

표면기포는 도장표면에 기포나 부풀음 현상발생 유무를 나타내는 것이다.

◎ 기포발생 없고 표면이 좋은 상태, XX 표면기포발생이 심한 상태

◎, ○, △, X, XX 5단계로 표시함

도막밑 강재표면 상태는 도막과 강재표면 사이에서의 안정녹의 발생유무 상태를 나타내는 것이다.

◎ 도막하부 강재와 경계면에 안정 피막층이 형성된 상태,

XX 안정 피막이 형성 안된 상태

◎, ○, △, X, XX 5단계로 표시함

*1 애경공업주식회사 상품명 supperchlon 510

*2 애경공업주식회사 상품명A-166S

*3 애경공업주식회사 상품명 CP #40

*4 애경공업주식회사 상품명 B-34-U : 안료의 침강방지 및 분산효과

*5 애경공업주식회사 상품명 ESO : 염소와 결합하여 물성 안정화 효과

*6 애경공업주식회사 상품명 SP-1000 : 도막의 흐름방지

*1 애경공업주식회사 상품명 supperchlon 510

*2 애경공업주식회사 상품명A-166S

*3 애경공업주식회사 상품명 CP #40

*4 애경공업주식회사 상품명 B-34-U : 안료의 침강방지 및 분산효과

*5 애경공업주식회사 상품명 ESO : 염소와 결합하여 물성 안정화 효과

*6 애경공업주식회사 상품명 SP-1000 : 도막의 흐름방지

*1 애경공업주식회사 상품명 supperchlon 510

*2 애경공업주식회사 상품명A-166S

*3 애경공업주식회사 상품명 CP #40

*4 애경공업주식회사 상품명 B-34-U : 안료의 침강방지 및 분산효과

*5 애경공업주식회사 상품명 ESO : 염소와 결합하여 물성 안정화 효과

*6 애경공업주식회사 상품명 SP-1000 : 도막의 흐름방지

상기 표6에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명에 의한 방법으로 내후성강재를 처리하는 경우, 본 발명에 의한 범위를 만족하는 발명에 1-3의 경우에는 내후성강 표면에 안정 산화피막에 형성을 방해하는 부식성 이온들이 피막의 물리적, 화학적 작용에 의해 효과적으로 차단되어, 표면발청, 표면기포 및 도막밑 강재표면등이 우수한 안정피막이 형성되며, 결과적으로 내후성강 사용이 재도장 및 방식유지 관리비가 대폭 절감되어 경제적으로 유용한 것이다.

Claims (3)

1. 내후성강재 표면에 아연분말, 알미늄분말 및 인산철분말로 이루어진 안료와 용매로 조성된 내후성강용 방청피막 처리액을 도포하여 제1층 도장피막을 형성하는 단계; 및 상기 제1층 도장피막에 수지피막 처리액을 도포하여 제2층 도장피막을 형성하는 단계; 를 포함하는 내후성강의 표면피막처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1층 방청피막 처리액은 아연분말:알루미늄분말:인산철분말이 1:0.6-1:0.2-0.6의 중량비로 혼합된 안료와 무기실리케이트 용매로 구성되며, 상기 아연분말:알루미늄분말:인산철분말의 입자크기비는 1:2.0-4.0:0.1-0.6이고, 상기 알미늄분말의 크기는 40㎛이하이며, 상기 안료:용매는 85:15-95:5중량비로 혼합됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2층 수지피막 처리액은 탄산칼슘과 산화알류미늄 혼합된 무기안료 15-30중량%, 둘 또는 그 이상의 염화고무계수지, 아크릴계 수지 및 염화파라핀계 수지가 혼합된 수지 40-50중량, 첨가제 최고 10중량% 및 잔부 용제로 구성됨을 특징으로 하는 방법.