KR100802395B1 - 고경도 무기계 코팅막 형성 방법 - Google Patents

고경도 무기계 코팅막 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상온에서 금속 또는 비철금속 모재 표면에 내마모성, 내약품성, 내화학성, 내오염성, 고경도 및 불연성을 가지는 고경도 무기계 코팅막을 형성할 수 있는 고경도 무기계 코팅막 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 모재 표면을 세척하여 불순물을 제거하는 단계; 상기 모재 표면을 초음파 세척하는 단계; 고경도 무기계 코팅제 조성물을 준비하는 단계; 상기 모재 표면에 상기 고경도 무기계 코팅제 조성물을 코팅하여 고경도 코팅막을 형성하는 단계; 상기 고경도 코팅막을 건조시키는 단계; 상기 모재를 250 ~ 270℃의 온도로 가열하여 상기 고경도 코팅막을 경화시키는 단계;를 포함하는 고경도 무기계 코팅막 형성 방법을 제공한다.
코팅제, 고경도, 무기계 코팅

Description

고경도 무기계 코팅막 형성 방법{METHOD FOR FORMING A INORGANIC COATED LAYER HAVING HIGH HARDNESS}
본 발명은 상온에서 금속 또는 비철금속 모재 표면에 내마모성, 내약품성, 내화학성, 내오염성, 고경도 및 불연성을 가지는 고경도 무기계 코팅막을 형성할 수 있는 고경도 무기계 코팅막 형성 방법에 관한 것이다.
종래의 코팅은 모재를 샌드블라스트하고, 모재를 40-60℃로 예열하여 법랑코팅, 불소코팅으로 금속 및 비철금속 모재 표면에 코팅하여 400℃ - 850℃의 높은 온도에서 가열 건조가 이루어지므로 그 온도가 고온인 단점이 있고 에너지 소비도 높아 경제적인 비용 부담이 문제점으로 대두되고 있다.
또한 코팅막에 유기물질이 함유되어 금속 및 비철금속 표면이 소수성 물질로 이루어져 각종 오염물질로 금속 및 비철금속 표면이 오염될 경우에는 쉽게 제거되지 않고 유기 용제 등으로 제거해야 하므로 2차 환경오염의 원인이 되고, 유기질 코팅의 경우 코팅시 환경유해물질이 나오고,화재시에는 유독가스 발생으로 인하여 치명적이며 환경오염의 주원인이 되는 문제점이 야기되고 있다.
따라서, 경제적이면서도 친환경적인 코팅방법의 발명이 요구되어지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 및 비철금속 모재에 모두 적용히 가능하며, 예열하지 않고서도 상온에서 간단히 코팅이 이루어질 수 있으며, 모재 표면에 고경도 무기계 코팅제를 코팅한 코팅막을 270℃±20℃로 가열 건조하는 단계를 포함하여, 화재시에도 불연성으로 유독가스 발생이 전혀 없어 친환경 자재로 우수한 고경도 무기계 코팅막 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 고경도 무기계 코팅막 형성방법은, 모재 표면을 초음파세척하는 초음파세척단계와, 고경도 무기계 코팅제 조성물을 준비하는 조성물준비단계와, 상기 모재 표면에 상기 고경도 무기계 코팅제 조성물을 코팅하여 고경도 코팅막을 형성하는 코팅막형성단계와, 상기 고경도 코팅막을 자연 건조하는 자연건조 단계 및 상기 고경도 코팅막을 가열건조시키는 가열건조단를 포함한다.
또한, 상기 초음파 세척단계는 28~48kHZ의 초음파에서 세척할 수 있다.
또한, 상기 조성물 준비단계는, 상기 고경도 무기계 코팅제를 150~400RPM의 속도로 분산하는 단계와, 분산된 혼합물을 100~300RPM의 속도로 교반하여 기포를 제거하는 탈포 단계로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 코팅막 형성단계에서, 코팅막 형성방법은 정전스프레이법, 디핑법, 초음파에 의한 코팅법, 진공 증착법, 질소 가스에 의한 코팅막 형성법 중에서 선택되는 방법일 수 있다.
또한, 상기 코팅막 형성단계에서, 고경도 무기계 코팅막의 두께는 1~35㎛일 수 있다.
또한, 상기 고경도 코팅막을 형성하는 단계는 2회이상 반복 될 수 있다.
또한, 상기 자연건조단계는, 20~30℃에서, 10분 이상의 시간 동안 진행할 수 있다.
또한, 상기 가열건조단계는 270±20℃에서 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 상기 가열건조단계는 분당 4~6℃의 속도로 온도를 상승시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 제2건조단계는 분당 4~6℃의 속도로 온도를 하강시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 모재는 금속, 비철금속, 도자기, 석재, 타일 중에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 초음파 세척단계에서 사용되는 세척제는 무기염이 포함된 수용성 세척제일 수 있다.
또한, 모재 표면의 유분을 제거하는, 침적 및 증기 세척단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 고경도 무기계 코팅제 조성물은 규산염 및 변성 규산염계 화합물 중에서 선택되는 물질을 용융하여 유리화한 프리트와, 미세 입자 실리카를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고경도 무기계 코팅제 조성물은 금속산화물, 수산화물, 인산화합물 중에서 1종 이상 선택되는 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상온에서 간단히 코팅이 가능하고, 건조 온도가 낮아 에너지 소비가 적으므로 경제적이면서도, 유독가스 발생이 없는 친환경적인 무기계 코팅막을 형성할 수 있다.
본 발명의 모재는 금속 및 비철금속재, 기타 가열 건조 온도에서 모재가 변형되지 않고 견디는 도자기, 석재, 타일 등의 다양한 소재가 사용가능하다.
본 발명은, 모재 표면을 초음파세척하는 단계와, 고경도 무기계 코팅제 조성물을 준비하는 단계와, 상기 모재 표면에 상기 고경도 무기계 코팅제 조성물을 코팅하여 고경도 코팅막을 형성하는 단계와, 상기 고경도 코팅막을 자연건조시키는 자연건조단계 및 가열하여 건조시키는 가열건조단계를 포함한다.
상기 초음파 세척단계는 모재를 수용성 세척제가 채워져 있는 초음파 탱크 안에 잠기도록 담근 후, 초음파를 발생시켜 모재 표면의 미세 부분까지도 세척할 수 있도록 한다. 초음파는 28~48 kHZ인 것이 바람직하다.
상기 초음파 세척단계에서는 무기염이 포함된 수용성 세척제를 사용한다. 무기염이 포함된 수용성 세척제를 사용하면, 모재의 표면에 형성되는 코팅막인 무기 계 코팅막과의 밀착도를 높이고, 고경도 코팅막을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 상기 초음파 세척단계 이전에, 유분 및 불순물을 제거하는 침적 및 증기 세척단계를 더 포함할 수 있다. 이는 모재 표면이 깨끗한 경우에는 별도로 진행할 필요가 없으나, 불순물이 있는 경우 적용 가능하다.
상기 침적 및 증기 세척단계는 모재의 표면에 부착되어 있는 광물성 합성유 등과 같은 각종 유분을 제거하기 위하여 진행되며, 모재를 탱크 안에 넣고 용제에 침적하여 세척하거나, 용제를 증발시켜 증기를 응축하여 모재 표면에 흐르도록 하여 흐르는 응축수에 의하여 유분 및 불순물을 깨끗이 세척되도록 한다. 증기의 응축에 의한 세척은 탱크에서 꺼낸 즉시 건조되므로 별도의 건조 단계를 거치지 않고서도 다음 단계로 넘어갈 수 있어 생산시간을 단축시킬 수 있다.
고경도 무기계 코팅제를 준비하는 단계는, 모재의 표면에 고경도 무기계 코팅제를 코팅하기 위한 준비단계로서, 고경도 무기계 코팅제를 교반하고 탈포하는 단계로 이루어진다.
상기 고경도 무기계 코팅제는 규산염 또는 변성 규산염계 프리트와 무기충전제, 미세 입자상 실리카 함유물질, 다가 금속 산화물이나 수산화물 또는 인산 화합물을 함유한 물질, 비이온 계면활성제, 알루미나, 분산제 및 기타첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 고경도 무기계 코팅제는 고경도, 항균성, 내수성, 내화학성, 불연성을 가지며 기재와의 부착력이 매우 우수한 코팅막을 효과적으로 형성할 수 있다.
본 발명에 의한 고경도 무기계 코팅제를 준비하는 단계는 고경도 무기계 코팅제를 교반하고 탈포한다.
상기 교반속도는 150~400RPM인 것이 바람직한데, 150 RPM 미만의 경우에는 조성물이 충분히 혼합되지 않는 문제가 있고, 400RPM를 초과하더라도 교반 성능에 차이가 크지 않으므로 150~400RPM의 속도에서 교반하는 것이 고경도 무기계 코팅제를 준비시의 교반 속도로 적당하다.
이렇게 준비된 고경도 무기계 코팅제를 앞서 세척된 모재의 표면에 코팅하는 코팅막 형성단계를 거치는데, 고경도 무기계 코팅제를 분무하는 방식으로 모재 표면에 코팅하여 고경도 무기계 코팅막을 형성한다.
이밖에도 고경도 무기계 코팅제를 코팅하는 방법으로는 정전스프레이 하는 방법, 코팅제에 담그는 디핑(침적)방법, 초음파를 이용하여 코팅하는 방법, 진공 증착하는 방법, 질소 가스 사용에 의한 방법 등 다양한 방법을 응용 가능하다.
고경도 무기계 코팅막은 1~35㎛로 형성하는데, 코팅막의 두께가 1㎛이하인 경우에는 고경도 무기계 코팅막의 경도가 현저히 약해지며, 35㎛ 이상인 경우에는 빛 투과도가 낮아져서 고경도 무기계 코팅막의 성질을 얻을 수 없는 문제점이 있다.
한편 본 발명에서는 모재 표면에 코팅막을 형성하는 단계를 2회 이상 반복할 수 있는데, 이 경우 1차 코팅막 형성 후 자연건조 후 2차 코팅막을 형성한다.
수회에 거쳐서 코팅을 하는 경우, 원하는 두께의 코팅막을 형성할 수 있고, 코팅막이 치밀해지고, 평활성이 좋아지나, 전 단계의 건조가 완전하지 못하여 가열단계에서 코팅막에 크랙이 발생할 위험이 있다.
본 발명에서 사용하는 코팅제에 실리카 미립자 또는 비정질 실리카 등을 첨 가하면 이들이 상온에서 규산염 또는 변성 규산염계 화합물 용액에 완전히 분산되면서 전체 코팅제 용액을 중화시킨다. 또한, 건조과정을 통해 코팅막이 형성될 때 실리카 입자들이 가열, 탈수 과정에서 코팅막 표면으로 부상하여 고착되면서 알칼리 금속 성분이 실리카의 정사면체 입체구조안에 고착되어 코팅막 표면으로 용출되는 것을 방지하게 되어 코팅막 표면이 알칼리 용출에 의한 백화현상이 나타나지 않고 내수성도 우수한 고경도 무기계 코팅막이 형성된다.
고경도 무기계 코팅막을 건조하는 단계는, 자연건조단계와, 가열건조단계로 나누어진다.
자연건조단계는 코팅막 내부에 존재하는 수분이 1차적으로 건조되는 단계인데, 상온 즉, 20~30℃에서 10분 이상의 시간동안 진행된다. 건도온도가 10℃미만인 경우에는 건조시간이 길어지고, 수분이 충분히 제거되지 않아 코팅막의 밀착성과 고경도에 영향을 미치고, 30℃초과인 경우에는 급격한 온도 상승으로 코팅막에 변형이 일어날 수 있으며, 가열건조단계를 거치면서 코팅막에 크랙이 발생할 수 있다.
상기 가열건조단계는 270℃±20℃로 가열 건조하는 단계로 고경도 무기계 코팅막을 완전히 건조하는 단계이다. 이를 위해 본 발명에서는 자연건조단계를 거친 모재를 건조로에 투입한다. 그리고 건조로 내부의 최고 온도를 270℃±20℃로 상승 시켜 건조시킨다. 이때 최고 온도가 250℃ 이하인 경우에는 코팅막의 건조가 충분히 이루어지지 않으며, 코팅막의 물성이 낮아지는 현상이 나타나며, 290℃ 이상인 경우에는 코팅막이 크랙과 부풀음 현상이 나타나 고경도 무기계 코팅막으로서의 물 성을 어렵게 한다.
한편 본 발명에서는 건조로의 내부 온도를 상승시키는 과정에서 온도 상승이 매우 중요하며, 온도 조절은 분당 4-6℃ 정도로 온도를 상승시키는 것이 적당하며, 이때 온도 상승이 분당 4℃ 미만인 경우에는 건조 시간이 너무 길어서 경제적인 부담이 발생하고, 6℃ 초과인 경우에는 급격한 온도 상승으로 인하여 코팅막의 물성에 변형이 나타나며, 크랙 및 부풀음 현상이 나타난다.
또한 본 발명에서는 최고 온도에서 온도를 냉각 시키는 과정에서도 서서히 온도를 내린다. 즉 전술한 바와 같이 온도를 급격히 냉각시키면 코팅막이 물성이 저하되고 크랙이 발생하고 밀착성에 영향을 미치게 한다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다음의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
먼저 금속 및 비철금속 모재 표면의 불순물 및 유분등을 세척을 통하여 깨끗이 제거한다. 그리고 고경도 무기계 코팅제를 준비한다. 다음으로 준비된 고경도 무기계 코팅제를 금속 및 비철금속 모재 표면에 코팅한다. 먼저 모재 표면에 3㎛ 정도의 두께로 코팅한 후, 상온에서 20분 동안 자연 건조 시킨다. 다음으로는 형성된 코팅막을 건조로에 투입한 후 원적외선 건조로로 분당 4-6℃로 온도를 상승시켜 최고온도 290℃에 이르게 한 다음 동일한 속도로 서서히 냉각시킨다.
실시예 2
먼저 금속 및 비철금속 모재 표면의 불순물 및 유분등을 세척을 통하여 깨끗이 제거한다. 그리고 고경도 무기계 코팅제를 준비한다. 다음으로 준비된 고경도 무기계 코팅제를 금속 및 비철금속 모재 표면에 코팅한다. 먼저 모재 표면에 3 정도의 두께로 1차 코팅한 후, 상온에서 20분 동안 자연 건조 시킨다. 그리고 나서 3㎛ 정도의 두께로 2차 코팅을 진행한다. 그리고 자연건조 과정을 다시 반복 진행하고, 이러한 과정을 4회 반복하여 약 12㎛ 정도이 두께로 코팅막을 형성한다. 다시 반복하여 상온에서 20분 동안 자연 건조 시킨다. 다음으로는 형성된 코팅막을 건조로에 투입한 후 원적외선 건조로로 분당 4℃로 온도를 상승시켜 최고온도 290℃에 이르게 한 다음 동일한 속도로 서서히 냉각시킨다.
비교예 1
실시예 1의 모재를 코팅하지 않았다.
비교예 2
실시예 1의 모재에 일반 불소수지 코팅막을 형성하였다.
이렇게 고경도 무기계 코팅제를 사용하여 완성된 고경도 무기계 코팅막을 형 성하였고 이를 시험한 결과를 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112007083390172-pat00001

Claims (15)

  1. 모재 표면을 초음파세척하는 초음파세척단계;와
    고경도 무기계 코팅제 조성물을 준비하는 조성물준비단계;와,
    상기 모재 표면에 상기 고경도 무기계 코팅제 조성물을 코팅하여 고경도 코팅막을 형성하는 코팅막형성단계;와
    상기 고경도 코팅막을 자연 건조하는 자연건조 단계; 및
    상기 고경도 코팅막을 가열건조시키는 가열건조단계;
    를 포함하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파 세척단계는 28~48kHZ의 초음파에서 세척하는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 조성물 준비단계는, 상기 고경도 무기계 코팅제를 150~400RPM의 속도로 분산하는 단계와, 분산된 혼합물을 100~300RPM의 속도로 교반하여 기포를 제거하는 탈포 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅막 형성단계에서, 코팅막 형성방법은 정전스프레이법, 디핑법, 초음파에 의한 코팅법, 진공 증착법, 질소 가스에 의한 코팅막 형성법 중에서 선택되는 방법에 의한 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅막 형성단계에서, 고경도 무기계 코팅막의 두께는 1~35㎛인 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고경도 코팅막을 형성하는 단계는 2회이상 반복 되는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 자연건조단계는, 20~30℃에서, 10분 이상의 시간 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열건조단계는 270±20℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열건조단계는 분당 4~6℃의 속도로 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2건조단계는 분당 4~6℃의 속도로 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재는 금속, 비철금속, 도자기, 석재, 타일 중에서 선택되는 것을 특 징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파 세척단계에서 사용되는 세척제는 무기염이 포함된 수용성 세척제인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 있어서 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    모재 표면의 유분을 제거하는, 침적 및 증기 세척단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 고경도 무기계 코팅제 조성물은
    규산염 및 변성 규산염계 화합물 중에서 선택되는 물질을 용융하여 유리화한 프리트;와
    미세 입자 실리카;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 고경도 무기계 코팅제 조성물은 금속산화물, 수산화물, 인산화합물 중에서 1종 이상 선택되는 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도 무기계 코팅막 형성방법.
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