KR100405532B1 - 접착촉진용 유기 1차 아민 실란을 이용한 알루미늄 접합방법 - Google Patents

접착촉진용 유기 1차 아민 실란을 이용한 알루미늄 접합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 모재 접합방법에 있어서, 알루미늄 접합모재 표면을 유기 1차 아민 실란수용액에 담지한 후 10 내지 30분 후에 꺼내어 세척하고, 약 50 내지 70℃에서 약 30분 내지 90분간 방치한 후, 접착제를 도포하고 제 2의 알루미늄 재료와 접합하는 알루미늄 접합방법에 관한 것으로, 접합용접 작업시 발생되는 유해가스 또는 산화처리시 사용되는 산용액 등의 열악한 작업환경을 개선할 수 있고, 더욱이 종래 용접, 리벳, 볼트/너트 등에 의한 접합방법을 대체함으로써 경량화가 가능하며, 궁극적으로 실차연비 향상이 유도되는 유용한 발명이다.

Description

접착촉진용 유기 1차 아민 실란을 이용한 알루미늄 접합방법{A method for bonding aluminum adherend using primary amine silane as a bonding promotor}
본 발명은 접착촉진용 유기 실란을 이용한 알루미늄 접합방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄 차체조립을 위한 고분자 접착제 사용시 초기강도 및 내구성 향상을 위하여 접착촉진용으로 1차 아민 실란을 이용한 알루미늄 접합방법에 관한 것이다.
최근 세계적인 자동차 산업은 환경보호, 연비향상 및 대체 에너지원 자동차 개발을 목표로 차체를 중심으로 한 구조물 경량화를 추구하고 있다.
자동차 차체 경량화를 위하여 선택가능한 재료로는 알루미늄, 플라스틱 및 복합재료 등이 있으나, 현재 승상용 차량 전반에 적용되고 있는 차체 재료는 알루미늄이다.
종래 차량 차체의 주재료인 강판을 포함하여 알루미늄 재료 역시 차체조립을 위하여 일반적으로 용접 또는 리벳, 볼트/너트 등이 사용되어 왔으나, 최근 고분자접착제를 이용한 접합기술이 개발되어 2차적 경량화 및 부식방식, 용접후 도장공정 중 오븐의 고온에 노출시 발생 가능한 변경 방지, 용접시 발생되는 유해가스에 의한 작업환경 개선 등이 실현되고 있다.
상기 고분자 접착제를 이용한 차체 접합 정도은 접합하고자 하는 면의 상태에 의해 결정적으로 좌우되므로 알루미늄의 경우에는 통상 표면을 산화처리하여 접착제를 사용하였다. 상기 산화처리방법은 알루미늄 표면에 다공성 미세 산화물 층을 형성시켜 표면적 즉 표면 거칠기를 증대시켜 원하는 접착력을 달성하는 것이다.
일반적인 알루미늄 산화처리법은 알루미늄을 양극, 탄소 또는 납을 음극으로 하여 황산, 크롬산 등의 수용액 중에서 전해하면 알루미늄이 산화되며 그 표면에 산화물(γ-Al2O3)의 다공성 피막이 형성된다. 상기 대표적인 알루미늄 산화처리법으로는 FPL(Forest Product Laboratory)산화처리법이 있다. 그러나, 상기 산화처리법은 고온, 다습한 지역에서 장기간 사용될 경우 접합계면으로 확산되는 고온의 습기에 의해 산화물 층이 파괴되어 접합강도가 현저히 감소되는 단점이 있었다. 이와 같은 산화층 파괴에 의한 접합강도의 감소는 산화물 층이 건조되어도 회복되지 않아 구조물로서 계속적인 사용이 불가능할 뿐 아니라, 상기 알루미늄 산화처리법은 공정이 복잡하고 알루미늄 전해시 산용액을 사용하므로 작업조건 및 환경에도 악영향을 주는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자는 상기 문제점을 해결하기 위하여 노력하여 오던 중 종래 산화처리에 의한 표면처리에 의존하지 아니하고 단순히 접합하고자 하는 알루미늄 표면을 유기기능성 1차 아민 실란 용액에 담금처리하여 알루미늄 표면을 처리한 후 통상의 접착제를 이용하여 접착하면 향상된 초기 접합강도 및 내구성을 달성할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 접착촉진용 유기 1차 아민 실란을 이용하여 초기 접합강도 및 내구강도가 우수한 알루미늄 접합방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 알루미늄 접합모재 표면을 실란수용액에 10 내지 30 분간 담지한 후 세척하고, 약 50 내지 70℃에서 약 30분 내지 90분간 방치한 후, 접착제를 도포하고 피접합재와 접합하여 초기강도 및 내구성을 향상시키는 알루미늄 접합방법을 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 알루미늄 접합모재 표면을 실란수용액에 10 내지 30 분간, 바람직하게는 약 15분 내지 20분간 담지한 후 꺼내어 물로 세척하고, 약 50 내지 70℃ 바람직하게는 약 60℃에서 약 30분 내지 90분간 바람직하게는 약 60분간 방치한 후, 통상의 알루미늄 접착제 바람직하게는 에폭시 접착제를 도포하고 피접합재 바람직하게는 제 2의 알루미늄재와 접합하여 초기강도 및 내구강도를 향상시키는 알루미늄 접합방법을 제공한다.
본 발명의 실란수용액은 부피비로 1차 아민 실란 1% 및 메탄올 25% 및 증류수 75% 혼합하여 충분히 교반한 균질 실란 수용액이다. 상기 1차 아민 실란은 하기 화학식 1로 표시되며,
R1Si(OR2)3,
상기 화학식 1에서, R1은 분지쇄 또는 직쇄의 탄소원자수 3 내지 40의 1차 아민기이고, R2는 탄소원자수 2 내지 10의 분지쇄 또는 직쇄의 알킬기 또는 알콕시로 치환된 알킬 또는 아릴이다.
상기 유기 1차 아민 실란은 알루미늄 모재표면 및 접착제 계면에서 강한 화학결합을 제공하는 것으로 이해되며, 반응기작은 R2그룹이 가수분해되어 히드록시기로 치환된 후, 가수분해된 실란은 히드록시기를 통해 응축반응되어 고분자를 형성함과 동시에 알루미늄 모재와 화학흡착반응, 건조 및 자기응축을 통하여 알루미늄 모재와 커플링되고, 상기 R1에 의해 접착제와 커플링되어 강한 접착제-실란-금속 모재의 화학결합이 형성되는 것으로 이해된다. 상기와 같은 접착제-실란-금속 모재간의 결합은 고온 및 다습 조건하에 장기간 노출되는 경우 실란과 금속 모재간의 결합이 끊어질 수 있으나, 상기 실란-금속 모재간 결합 및 분해반응은 가역반응이므로 건조후에는 다시 회복될 수 있다.
본 발명의 접합방법은 초기 강도 및 내구강도가 요구되는 알루미늄 부품간 및 알루미늄 및 기타 재질의 재료의 접합에 적용가능한 알루미늄 접합방법이며, 이들 결합부품의 내구성 및 초기강도는 종래 접합방식에 의한 특성보다 현저히 향상되어 부품의 경량화를 달성할 수 있어 내구성이 요구되는 부품결합에 유용하게 적용될 수 있는 것이다.
이하 실시예, 비교실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예, 비교실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
아세톤으로 표면 불순물을 제거한 알루미늄 2024-T3(두께: 1.6 mm)를 실란수용액에 담지한 후, 약 10분 후에 꺼내어 모재표면을 물로 세척하였다.
상기 모재를 60℃에서 약 1시간 방치하였다. 상기 모재표면에 3성분 에폭시 접착제(Miller Stephenson사, 상품명: Epon 433)을 도포한 후, 제 2알루미늄 2024-T3 판을 상기 도포면에 접합시켜 ASTM D1002-72표준시험법에 의한 실험예에 시험편으로 사용하였다. 상기 실란수용액은 부피비로 트리에톡시프로필아민실란 1% 및 메탄올 25% 및 증류수 75% 혼합하여 충분히 교반한 균질 실란 수용액이다.
<실시예 2> 내지 <실시예 5>
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시험편을 제작하되, 실란수용액 제조에 있어서, 각각 트리에톡시프로필아민실란을 2%, 3%, 4% 및 5%를 혼합하여 균질 실란 수용액을 제조하였다.
<비교실시예 1>
아세톤으로 표면 불순물이 제거된 알루미늄 2024-T3(두께: 1.6mm) 모재표면에 3성분 에폭시 접착제(Miller Stephenson사, 상품명: Epon 433)을 도포한 후, 제 2 알루미늄 2024-T3을 상기 도포면에 접합시켜 ASTM D1002-72표준시험법에 의한 실험예에 비교 시험편으로 사용하였다.
<비교실시예 2>
아세톤으로 표면 불순물이 제거된 알루미늄 2024-T3(두께: 1.6mm) 모재표면에 FPL 산화처리한 후, 3성분 에폭시 접착제(Miller Stephenson사, 상품명: Epon 433)을 도포한 후, 제 2 알루미늄 2024-T3을 상기 도포면에 접합시켜 ASTM D1002-72표준시험법에 의한 실험예에 비교 시험편으로 사용하였다.
<실험예>
상기 실시예 1 내지 5 및 비교실시예 1 내지 2에서 각각 얻은 시험편들을 ASTM 1002-72 표준 시험방법(Single Lap Shear Test)에 따라 시험하였다. 즉, 접합 가압력은 13.8 kPa를 적용하여 인트스론 시험기에서 각 5회 시험 후 평균값을 얻었다(표1)
(단위: Mpa)
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교실시예1 비교실시예2
초기강도 15.4 15.6 15.7 15.5 15.3 9.3 30.5
내구강도 12.6 12.6 12.7 12.5 12.5 0.0 15.0
상기 표1에서 유기 실란을 접착촉진제로 선택한 실시예 1 내지 5에서 접합강도 및 내구강도는 비교실시예1과 대비하여 현저하게 향상되었음을 알 수 있다. 본 발명에 의하여 실란이 제공하는 화학결합 분해반응은 건조시 회복되는 가역반응이므로 산화처리에 의한 비교실시예 2와 대비하여 장기간 사용시 내구강도가 실질적으로 더욱 향상된다.
본 발명은 종래 산화처리법에 의한 문제점을 해소하여 더욱 신뢰성 높은 내구강도를 제공하며, 소량의 유기 1차 아민 실란 및 메탄올을 사용하므로 종래 산화처리법에 대비하여 접합공정에 있어서 원가절감을 달성할 수 있으며, 접합용접 작업시 발생되는 유해가스 또는 산화처리시 사용되는 산용액 등의 열악한 작업환경을 개선할 수 있는 매우 유용한 발명이며, 더욱이 종래 용접, 리벳, 볼트/너트 등에 의한 접합방법을 대체함으로써 경량화가 가능하며, 궁극적으로 실차연비 향상이 유도되는 발명이다.

Claims (3)

  1. 알루미늄 모재 접합방법에 있어서, 알루미늄 접합모재 표면을 유기 1차 아민 실란수용액에 담지한 후 10 내지 30분 후에 꺼내어 세척하고, 약 50 내지 70℃에서 약 30분 내지 90분간 방치한 후, 접착제를 도포하고 제 2의 알루미늄 재료와 접합하는 것을 특징으로 하는, 접착촉진용 유기 1차 아민 실란을 이용한 알루미늄 접합방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유기 1차 아민 실란수용액은 부피비로 1차 아민 실란 1 내지 5% 및 메탄올 25% 및 증류수 70 내지 75% 혼합하여 충분히 교반된 균질 실란 수용액인 것을 특징으로 하는, 접착촉진용 유기 1차 아민 실란을 이용한 알루미늄 접합방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 유기 1차 아민 실란은 트리에톡시프로필아민실란인 것을 특징으로 하는, 접착촉진용 유기 1차 아민 실란을 이용한 알루미늄 접합방법.
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