KR100895052B1 - 무기질 세라믹 코팅제 조성물 - Google Patents

무기질 세라믹 코팅제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실란 화합물과 실리카 졸, 알루미나 졸 및 지르코니아 졸의 혼합물로 이루어지는 무기질 결합제에 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 융점조절제와 같은 첨가제를 혼합하여 무기질 세라믹 코팅막을 형성함으로써, 낮은 온도에서 우수한 소결 밀도를 형성시켜 코팅막의 표면경도를 향상시키므로 코팅막의 내구성, 내열성을 높일 뿐만 아니라, 내식성을 향상시키고, 가열시 열전도율을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 무기질 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것으로, 이와 같은 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 이용하여 냄비, 프라이팬, 전자렌지의 캐비티 어셈블리, 고기구이판 등과 같은 각종 조리기구나, 생활용품, 건축자재, 건강보조기구 등에 코팅막을 형성시키면, 고밀도로 인해 코팅막의 물성을 상승시켜 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 그리고 소성시 융점조절제에 의해 보다 저온으로 소성할 수 있어 제조원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
실란화합물, 실리카졸, 알루미나졸, 지르코니아졸, 샌드브라스팅, 세라믹 코팅.

Description

무기질 세라믹 코팅제 조성물{Inorganic ceramic coating agent composite}
본 발명은 무기질 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실란 화합물과 실리카 졸, 알루미나 졸 및 지르코니아 졸의 혼합물로 이루어지는 무기질 결합제에 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 융점조절제와 같은 첨가제를 혼합하여 무기질 세라믹 코팅막을 형성함으로써, 낮은 온도에서 우수한 소결 밀도를 형성시켜 코팅층의 표면경도를 향상시키므로 코팅층의 내구성, 내열성을 높일 뿐만 아니라, 내식성을 향상시키며, 가열시 열전도율을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 무기질 세라믹 코팅제 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 주거생활에 밀접하게 사용되는 전자렌지, 고기구이판, 냄비, 프라이팬 등과 같은 각종 조리용품이나, 히터, 선풍기, 냉장고, 다리미 등과 같은 생 활용품, 그리고 건축자재, 건강보조기구, 산업용품 등은 기능성을 향상시키기 위한 방안으로 다양한 코팅제를 개발하여 사용되고 있다.
특히, 조리용품이나 생활용품의 경우에는 내산성, 내마모성, 내구성, 내열성, 내식성 등이 주로 요구되고, 건축 내외장재나 건강기구 등은 항균성, 탈취성, 원적외선 방사, 음이온 발생 등과 같은 기능성을 주로 요구하고 있다.
기능성 중에서도 원적외선은 근적외선과 마이크로파의 중간 파장을 가진 빛으로 인체의 피부속 약 40m/m까지 침투하여 인체세포를 구성하는 분자와 공명정진, 분자운동 촉진에 의해 스스로 열을 내게 하는 특성이 있어 노폐물 배설효과, 미용효과, 혈액순환 효과가 탁월한 것으로 이미 알려져 있으며, 음이온은 혈액의 정화작용, 인체의 저항력 증가작용, 자율신경계 조절작용, 공기정화작용, 먼지 제거 및 살균작용이 뛰어난 것으로 알려져 있어 원적외선 및 음이온을 방출할 수 있는 기능성 코팅제를 선호하고 있다.
한편, 이와 같은 무기질 세라믹 코팅제의 기술이 다양하게 개발되어 특허 출원된 내용을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제512599호(등록일자:2005.08.29)에서는 바인더로서 사용되는 실란, 산화규소 및 물이 혼합된 규소혼합물에 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 안료를 첨가하여 제조된 무기질 세라믹 코팅제 조성물이 제안되어 있으나, 이와 같은 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 이용하여 가열조리기구 등에 코 팅층을 형성시킬 경우 코팅층의 결합력 향상을 위해서는 소성온도가 높아야 하고, 그리고 바인더로서 사용되는 규소혼합물이 산화규소와 물로 이루어지는 친수성의 특성으로 인해 내구성이 저하될 우려가 있다.
그리고 대한민국 공개특허공보 제2005-0072928호(2005.07.13)는 무기질 용매, 기능성 첨가제, 실리콘계 오일 중합제, 안료 등으로 이루어진 비점착성 및 청소 용이성 기능이 강화된 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 이용하여 주방용품, 가전제품 등에 코팅층을 형성시키는 기술을 제안하고 있으나, 이와 같은 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 이용하여 주방용품, 가전제품 등에 코팅층을 형성할 경우 코팅층의 결합력이 떨어져 소결 밀도가 저하되므로 장기간 사용시 코팅층이 균열 등으로 인해 박리될 우려가 있다.
따라서 본 발명자는 상기와 같은 무기질 세라믹 코팅층의 문제점을 해결하기 위하여 연구 개발한 결과 실란 화합물과 실리카 졸, 알루미나 졸 및 지르코니아 졸의 혼합물로 이루어지는 무기질 결합제에 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 융점조절제와 같은 첨가제를 혼합하여 코팅막을 형성함으로써, 소결밀도를 높여 코팅막의 표면경도를 상승시켜 우수한 내구성, 내식성과 같은 물성을 장기간 유지할 수 있게 함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 실란 화합물과 실리카 졸, 알루미나 졸 및 지르코니아 졸의 혼합물로 이루어지는 무기질 결합제에 기능성 충진제, 세라믹 파우더와 같은 첨가제를 혼합하여 기재의 표면에 코팅막을 형성시킴으로써, 코팅막의 표면을 고밀도로 소결시켜 표면경도를 상승시키므로 인해 내구성, 내열성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 무기질 세라믹 코팅 조성물을 제공하기 위한 것을 과제로 한다.
그리고 본 발명은 실란 화합물과 실리카 졸, 알루미나 졸, 지르코니아 졸로 이루어진 무기질 결합제와 세라믹 파우더 등을 소결시 융점조절제를 첨가함으로써, 소결시 온도를 낮출 수 있어 에너지 소비량을 절감하면서 우수한 소결 밀도로 코팅막을 형성하여 세라믹 코팅막으로부터 원적외선 및 음이온이 방출될 뿐만 아니라, 가열시 열전도율을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 제공하기 위한 것을 다른 과제로 한다.
본 발명은 무기질 결합제, 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 안료를 포함하는 무기질 세라믹 코팅 조성물에 있어서,
상기 무기질 결합제는 화학식이 RnSiX4-n인 실란 화합물 40~50 중량부와, 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화규소 20~40중량%에 물 60~80중량%를 혼합한 실리카 졸 20~25 중량부와, 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화알루미늄 10~20중량%에 물 80~90중량%를 혼합한 알루미나 졸 15~20 중량부 및 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 지르코니아 10~20중량%에 물 80~90 중량%를 혼합한 지르코니아 졸 15~20 중량부로 이루어진 무기질 결합제로서,
상기 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 기능성 충진제 7~12 중량부, 세라믹 파우더 15~20 중량부, 융점조절제 5~10 중량부 및 안료 1~3 중량부로 이루어지고,
그리고 상기 기능성 충진제는 티탄산칼륨, 알루미나 또는 천연광물인 토르말린, 황토, 견운모, 자수정, 생광석, 죽탄, 의왕석, 귀양석, 흑요석, 맥반석, 광명석, 용암, 귀신석 중에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합물을 사용하고,
상기 세라믹 파우더는 원적외선 방사물질인 석영, 몬조나이트, 편마암류 및 유문암질 응회암과 음이온 방출물질인 스트론튬, 바나듐, 지르코늄, 세륨, 네어디뮴, 란탄, 바륨, 류비듐, 세슘, 갈륨 중에서 각각 1종 또는 그 이상을 선택하여 음이온 방출물질과 원적외선 방사물질을 1 : 1 중량비로 혼합한 혼합물을 사용하며,
상기 융점조절제는 장석 또는 운모 중에서 1종을 선택하여 사용하며,
또한 상기 실란의 화학식 RnSiX4-n은 상기에서 X는 서로 같거나 다르고, 가수분해 가능한 기 또는 히드록시기이고, 라디칼 R은 서로 같거나 다르고, 수소, 탄소수 10 미만의 알킬기를 나타내고, n은 0, 1 또는 2인 실란이 하나 이상 사용되는 것을 특징으로 하는 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 과제 해결 수단으로 한다.
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본 발명은 실란 화합물과 실리카 졸, 알루미나 졸 및 지르코니아 졸로 이루어지는 무기질 결합제에 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 융점조절제와 같은 첨가제를 혼합하여 기재의 표면에 코팅막을 형성함으로써, 코팅막의 표면을 고밀도로 소결시켜 표면경도를 상승시키므로 내구성, 내열성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성을 향상시킬 수 있고, 세라믹 코팅막으로부터 원적외선 및 음이온을 방출시킬 뿐만 아니라 가열시 열전도율을 증가시킬 수 있어 냄비, 프라이팬, 전자렌지, 고기구이판 등과 같은 각종 조리기구나, 생활용품, 건축자재, 건강보조기구 등의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 그리고 소성시 융점조절제에 의해 보다 저온으로 소성할 수 있어 제조원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무기질 세라믹 코팅 조성물에 있어서,
상기 무기질 세라믹 코팅제 조성물은 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 기능성 충진제 7~12 중량부, 세라믹 파우더 15~20 중량부, 융점조절제 5~10 중량부 및 안료 1~3 중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 무기질 세라믹코팅 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서 무기질 결합제는 코팅막의 내구성, 내마모성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성 및 열전도율을 향상시키기 위한 것으로서, 무기질 결합제의 혼합량은 100 중량부인 것이 바람직하다.
그리고 상기 무기질 결합제는 실란 화합물 40~50 중량부, 실리카 졸 20~25중량부, 알루미나 졸 15~20 중량부 및 지르코니아 졸 15~20 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기에서 실란 화합물은 무기질 혼합물과 화학 반응하여 결합되는 것으로서, 실란 화합물의 혼합량은 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 40~50 중량부인 것이 바람직하다. 실란 혼합물의 혼합량이 상기에서 한정한 범위를 벗어날 경우 실란 화합물과 무기질 혼합물의 결합력의 저하로 고열에서 박리현상이 일어날 우려가 있다.
그리고 상기 실란 화합물은 바인더(binder) 역할을 하는 것으로서, 더욱 구체적으로는 상기 실란 화합물은 화학식이 RnSiX4-n인 실란 또는 그로부터 파생된 올리고머를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 화학식 RnSiX4-n에서 X는 서로 같거나 다르고, 가수분해 가능한 기 또는 히드록시 기이고, 라디칼 R은 서로 같거나 다르고, 수소, 탄소수 10 미만의 알킬기를 나타내고, n은 0, 1 또는 2인 실란이 하나 이상 사용된다.
상기에서 실리카 졸은 무정질 실리카 미립자가 수중에서 콜로이드 미립자를 형성하여 실란 화합물과 화학반응으로 결합되는 것으로서, 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 20~25 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다. 실리카 졸의 혼합량이 상기 범위를 벗어날 경우에는 실란 화합물의 결합력의 약화로 물성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 실리카 졸은 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화규소(SiO2) 20~40 중량%에 분산매로 물 60~80 중량%를 혼합시켜 사용하는 것이 바람직하며, 필요에 따라 상기 혼합물의 량을 적절히 조절하여 사용할 수 있다.
상기에서 알루미나 졸은 낮은 온도에서 우수한 소결 밀도를 형성하여 도막의 표면경도, 내마모성, 내구성과 같은 기계적 특성과 내알칼리성, 내식성과 같은 화학적 특성을 강화시키기는 역할을 하는 것으로, 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 15~20 중량부인 것이 바람직하다. 알루미나 졸의 혼합량이 15 중량부 미만이 될 경우 소결 밀도가 떨어져 도막의 물리적 화학적 특성이 저하될 우려가 있고, 20 중량부를 초과할 경우 도막의 소결 밀도의 향상으로 물리적 화학적 특성은 향상될 수 있지만 소결 밀도의 향상으로 도리어 도막의 표면이 변형될 우려가 있다.
그리고 상기 알루미나 졸은 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화알루미늄(Al2O3) 10~20 중량%에 분산매로 물 80~90 중량%를 혼합시켜 사용하는 것이 바람직하며, 필요에 따라 상기 혼합물의 량을 적절히 조절하여 사용할 수 있다.
상기에서 지르코니아 졸은 소결시 높은 강도와 경도로 인해 온도변화에 강하여 내열성과 내식성과 같은 물성을 향상시키는 역할을 하는 것으로 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 15~20 중량부인 것이 바람직하다. 지르코니아 졸의 혼합량이 15 중량부 미만이 될 경우 강도 및 경도의 저하로 물성이 저하될 우려가 있고, 지르코니아 졸의 혼합량이 20 중량부를 초과할 경우 강도 및 경도의 물성은 향상될 수 있지만 충격력이 약해질 우려가 있다.
그리고 상기 지르코니아 졸은 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 지르코니아(ZrO2) 10~20 중량%에 분산매로 물 80~90 중량%를 혼합시켜 사용하는 것이 바람직하며, 필요에 따라 상기 혼합물의 량을 적절히 조절하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 기능성 충진제는 실란 화합물과 무기질 혼합물 사이에서 도막의 크랙을 방지하고 점도를 조절하여 도막의 물리적 화학적 특성을 개선시키는 역할을 하는 것으로서, 기능성 충전제의 혼합량은 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 7~12 중량부인 것이 바람직하다. 기능성 충진제의 혼합량이 7 중량부 미만이 될 경우 도막의 광택이나 접착력의 저하가 우려되고, 12 중량부를 초과할 경우 도막의 표면이 거칠게 되는 등 오히려 악영향이 발생할 우려가 있다.
그리고 상기에서 사용하는 기능성 충진제는 티탄산칼륨과 알루미나 또는 토르말린, 황토, 견운모, 자수정, 생광석, 죽탄, 의왕석, 귀양석, 흑요석, 맥반석, 광명석, 용암, 귀신석 중에서 1종 또는 그 이상을 선택한 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 기능성 충진제는 입자형태가 침상 또는 판상으로 되어 있어, 결합제 사이에서 도막의 크랙을 방지하거나 코팅제의 점도를 조절해 주는 역할을 하는 것에 장점이 있다.
본 발명에서 세라믹 파우더는 도막의 기계적 물성을 향상시키고, 원적외선 방사와 음이온을 방출시키기 위해 혼합하는 것으로서, 세라믹 파우더의 혼합량은 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 15~20 중량부인 것이 바람직하다. 세라믹 파우더의 혼합량이 15 중량부 미만이 될 경우 원적외선 및 음이온 방출 효과를 기대할 수 없고, 20 중량부를 초과할 경우 도막의 상태변화 및 접착력이 저하될 우려가 있다.
상기 세라믹 파우더는 음이온 방출량 및 원적외선 방사량을 감안하여 음이온 방출물질과 원적외선 방사물질을 1 : 1 중량비로 혼합시키는 것이 바람직하다.
상기에서 원적외선 방사물질은 40도에서 원적외선 방사율이 90%이상인 석영, 몬조나이트, 편마암류 및 유문암질 응회암과 같이 천연광물질군으로부터 1종 또는 그 이상을 선택한 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
상기에서 음이온 방출물질은 스트론튬, 바나듐, 지르코늄, 세륨, 네어디뮴, 란탄, 바륨, 류비듐, 세슘, 갈륨 중에서 선택된 하나의 희토류 천연석으로부터 1종 또는 그 이상을 선택한 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 융점조절제는 도막을 소결시켜 코팅막을 형성할 때 혼합물의 용융상태를 낮추어 보다 저온에서 도막을 형성시키는 역할을 하는 것으로서, 융점조절제의 혼합량은 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 5~10 중량부인 것이 바람직하다. 융점조절제의 혼합량이 5 중량부 미만이 될 경우 코팅막을 형성할 때 소결온도가 상승할 우려가 있고, 10 중량부를 초과할 경우 상대적으로 기타 혼합물의 혼합량 부족으로 소성시 도막이 흘러 온도 저하시 수축현상의 발생으로 인해 도리어 도막의 밀도가 저하될 우려가 있다.
상기에서 사용되는 융점조절제는 장석, 운모 중에서 1종을 선택하여 사용할 수 있지만 바람직하게는 장석을 사용하는 것이 적합하다.
한편, 본 발명에서 세라믹 코팅층의 두께는 20~60㎛인 것이 바람직하며,세라믹 코팅층의 두께가 20㎛ 미만이 될 경우 코팅막의 소결 밀도의 한계로 내구성, 내마모성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성이 저하될 우려가 있고, 세라믹 코팅막의 두께가 60㎛을 초과할 경우 기계적 화학적 물성은 향상되지만 그 에 따른 효과가 미약하다.
그리고 본 발명에 따른 세라믹 코팅제 조성물은 코팅층의 색상을 내기 위해 안료를 사용하며, 안료의 혼합량은 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 1~3 중량부인 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 안료의 사용량은 상기에서 한정한 바 있지만 안료의 색상 또는 소비자의 요구나 제조자의 필요에 따라 상기에서 정한 범위에만 반드시 한정되는 것은 아니고 안료의 채도, 명도 등에 따라 적절히 조정되어 질 수 있고, 그리고 안료의 종류는 특별히 한정하는 것은 아니고 통상적인 안료 중에서 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기와 같이 본 발명에 따라 표면처리된 가열기구는 기재의 외부 표면을 화학적 방법에 따라 기재표면을 코팅막으로 표면처리 함으로써, 기재표면의 경도, 내마모성, 내구성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성을 향상시키기고, 열전도율을 높임으로써, 조리용품이나 가전제품 등과 같은 생활용품에 사용되는 금속재질 또는 플라스틱재질의 기재 표면의 위생성을 향상시켜 인체에 유효하게 작용할 수 있도록 한 것이 장점이다.
이하 본 발명에 따른 무기질 세라믹 코팅제 조성물의 제조과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무기질 세라믹 코팅제 조성물의 제조방법에 있어서,
실란 화합물과 무기질 혼합물을 반응시켜 무기질 결합제를 제조하는 공정과;
상기 무기질 결합제에 첨가제를 혼합하여 무기질 세라믹 혼합물을 제조하는 공정과;
상기 무기질 세라믹 혼합물을 균질기로 교반한 다음 여과하는 여과공정;을 거쳐 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 제조하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 무기질 세라믹 코팅제 조성물의 제조방법을 각 공정별로 상세히 설명하면 아래의 내용과 같다.
상기 무기질 결합제를 제조하는 제조공정에서는 먼저, 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 결합제로 사용되는 화학식이 RnSiX4-n인 실란 화합물 40~50 중량부에 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화규소(SiO2) 20~40 중량%에 물 80~60중량%가 혼합된 실리카 졸 20~25 중량부와 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화알루미늄 10~20 중량%에 물 80~90 중량%가 혼합된 알루미나 졸 15~20 중량부와 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 지르코니아 10~20 중량%에 물 80~90 중량%가 혼합된 지르코니아 졸 15~20 중량부로 이루어진 무기질 결합제를 상온에서 혼합한 다음 반응기에 넣고 교반시켜 50~60℃에서 화학적 반응에 의해 졸(sol) 상태의 무기질 결합제를 제조하는 공정이다.
상기 무기질 세라믹 혼합물 제조공정에서는 상기 무기질 세라믹 제조공정에서 제조된 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 도막의 기능성을 높이기 위해 기능성 충진제 7~12 중량부와 음이온 방출물질 및 원적외선 음이온 방출물질이 혼합된 세라믹 파우더 15~20 중량부와 소결온도를 조절하기 위한 융점조절제 5~10 중량부와 색상을 내기 위한 안료 1~3 중량부를 반응기에 투입하고 혼합하여 50~60℃에서 화학반응에 의해 무기질 세라믹 혼합물을 생성시키는 공정이다.
상기 무기질 세라믹 혼합물 제조공정에서 첨가되는 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 융점조절제 및 안료에 대해서는 상기 세라믹 코팅제 조성물에 사용하는 구성성분과 동일한 성분으로 상기에서 이미 상세히 설명한바 있어 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
한편, 본 공정에서 무기질 세라믹 혼합물을 반응시 혼합물의 점도 및 반응속도를 조절하기 위하여 필요에 따라 세라믹 혼합물의 전량에 대하여 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 중에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합물을 5~10 중량%를 첨가하여 점도 및 반응속도를 조절할 수 있다.
상기 여과공정에서는 상기 공정에서 제조된 무기질 세라믹 혼합물을 균질기(Homogenizer)에 넣고 20~30분간 1000~1500rpm/min으로 교반하여 입자가 균일화 되도록 한 후, 약 325~400메시(Mesh)의 여과망을 통과시켜 걸러진 입자를 코팅제로 서 추출하는 여과공정을 거쳐 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 제조하게 된다.
한편, 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 이용하여 주방용품 등의 가열기구에 코팅막을 형성시키는 방법을 도 1를 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 기재에 무기질 세라믹 코팅막을 형성시키는 방법에 있어서,
판재 형태의 기재 표면을 전처리하는 전처리공정(100)과;
전처리한 기재의 표면에 요철을 형성시키기 위한 샌드브라스팅공정(200)과;
상기 샌드브라스팅한 표면에 상기 조성물에 의해 제조된 코팅제로 세라믹 코팅막을 형성시키는 세라믹 코팅막 형성공정(300)과;
세라믹 코팅막이 형성된 기재를 가열하여 코팅막을 경화시키는 소성공정(400);을 거쳐 기재의 표면에 세라믹 코팅막이 형성되어 진다.
이하, 본 발명에 따른 기재의 코팅방법을 각 공정별로 상세히 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에서 전처리공정(100)은 판재 형태의 기재 표면에 부착되어 있는 각종 오염물질을 제거하여 도막의 밀착성을 높이기 위한 것으로 통상적으로 실시하는 공정은 탈지공정(101), 수세공정(102)의 단계를 거쳐 처리된다. 한편, 상기에서 기재는 금속재질 또는 플라스틱재질로서 특별히 한정되지는 않는다.
상기에서 전처리 공정(100)은 판재 형태의 기재를 가공하여 전자렌지, 고기구이판, 냄비, 프라이팬 등과 같은 각종 조리용품이나, 히터, 선풍기, 냉장고, 다리미 등과 같은 생활용품, 건축자재, 건강보조기구, 산업용품 등의 형상으로 각각 제조한 다음, 상기 기재의 표면에 부착되어 있는 각종 오염물질을 제거하는 탈지공정(101)을 수행한다.
상기 탈지공정(101)에서는 오염물질의 성질 즉, 식물성유지, 동물성유지, 광물성유지에 따라 탈지방법이 다르기 때문에 통상적으로 오염물질을 간편하게 제거할 수 있도록 유기용제 또는 다양한 첨가제를 사용하여 오염물질을 제거한다.
상기 수세공정(102)에서는 상기 탈지공정(101)에서 각종 오염물질을 제거하기 위해 사용한 유기용제 또는 다양한 첨가제를 제거하기 위해 깨끗한 물을 이용하여 세척하는 공정이다.
상기와 같이 세척된 기재는 표면에 형성되어 있는 녹, 스케일 등을 제거하여 전처리공정을 완료한다.
본 발명에서 샌드브라스팅공정(200)은 기재의 표면에 세라믹 코팅막이 잘 코팅될 수 있도록 금강사 또는 모래 등을 이용하여 샌드브라스팅하여 조밀하게 요철 형상들을 형성시키는 공정이다.
그리고 본 발명에서 세라믹 코팅막 형성공정(300)은 샌드브라스팅에 의해 요철이 형성된 기재의 표면에 노즐 구경 1.0~1.2㎜의 스프레이 건(gun)을 사용하여 압력 6~7㎏/㎤ 하에서 20~60㎛ 두께로 코팅막을 형성시키는 공정이다. 이와 같이 세라믹 코팅막 형성공정은 제조자의 필요에 따라 상기 코팅막은 스프레이 건(gun) 이외에 다양한 방법에 의해 세라믹 코팅막을 형성할 수 있다.
상기에서 코팅막의 형성조건 및 두께가 상기에서 한정한 범위를 벗어날 경우에는 내구성, 내마모성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성이 저하되거나 또는 열전도율이 저하될 우려가 있다.
본 발명에서 소성공정(400)은 코팅막에 융점조절제를 첨가함으로 인해 산화반응에 의해 무기질 결합제와 세라믹 파우더 등이 저온소성에도 화학적 결합력이 우수하여 고밀도의 코팅막을 형성시키므로 인해 코팅막이 기재로부터 박리되지 않음에 따라 각종 조리용품이나, 생활용품, 건강보조기구 등에 사용되는 금속 또는 플라스틱 기재의 표면을 양호하게 보호할 수 있도록 하는 공정이다.
본 발명에서 소성 조건은 150~250℃의 온도에서 60±10분 동안 소결시켜 표면처리하는 것이 바람직하다. 소성 조건이 상기에서 한정한 범위를 벗어날 경우에 는 무기질 결합제와 세라믹 파우더 등의 결합력 저하로 기재표면의 경도, 내마모성, 내구성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성이 저하될 우려가 있다.
상기와 같이 본 발명에 따라 표면처리된 가열조리기구 등을 사용하여 열을 가할 경우 코팅제 내에 함유된 각종 무기성분이 층밀 구조를 형성하여 결합이 더욱 단단하게되어 세라믹 코팅막을 형성하게 됨으로써, 기재와 코팅막이 서로 박리되는 현상을 방지하면서, 열이 가해질 경우 상기 무기질 세라믹 코팅막으로부터 원적외선 방사 및 음이온이 방출될 뿐만 아니라, 표면경도를 더욱 상승시켜 내구성과 내열성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성을 더욱 강화할 수 있는 것에 장점이 있다.
이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그리고 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니다.
1. 세라믹 코팅 금속의 제조
(실시예 1)
무기질 결합제 100 중량부에 대하여 기능성 충진제 7 중량부, 세라믹 파우더 20 중량부, 융점조절제 5 중량부, 안료 1 중량부로 이루어지는 세라믹 코팅제 조성 물을 전처리공정을 거친 알루미늄판 표면에 금강사를 이용하여 샌드브라스팅하여 요철을 형성시킨 다음 그 표면에 노즐 구경 1.2㎜의 스프레이 건(gun)을 사용하여 압력 7㎏/㎤ 하에서 40㎛ 두께로 세라믹 코팅층을 형성시킨 후 200℃의 온도에서 60분 동안 소결시켜 코팅하였다.
(실시예 2)
무기질 결합제 100 중량부에 대하여 기능성 기능성 충진제 10 중량부,세라믹 파우더 17 중량부, 융점조절제 8 중량부, 안료 3 중량부로 이루어지는 세라믹 코팅제 조성물을 제조하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄판 표면을 코팅하였다.
(실시예 3)
무기질 결합제 100 중량부에 대하여 기능성 충진제 12 중량부, 세라믹 파우더 15 중량부, 융점조절제 10 중량부, 안료 2 중량부로 이루어지는 세라믹 코팅제 조성물을 제조하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄판 표면을 코팅하였다.
상기 실시예 1 내지 3의 세라믹 코팅 조성물에서 사용한 무기질 결합제는 실란 화합물 40~50 중량부, 실리카 졸 20~25 중량부, 알루미나 졸 15~20중량부, 지르코니아 졸 15~20중량부로 이루어지는 것을 사용하였으며, 상기 실란 화합물은 화학식이 RnSiX4-n인 실란 화합물을 사용하였으며, 상기 실리카 졸은 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화규소 30 중량% 및 물 70 중량% 혼합시킨 것을 사용하였으며, 상기 알루미나 졸은 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화알루미늄 20 중량% 및 물 80 중량%로 혼합하여 이루어지는 것을 사용하였으며, 상기 지르코니아 졸은 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 지르코니아 20 중량% 및 물 80 중량%로 혼합하여 이루어지는 것을 사용하였으며, 기능성 충진제는 티탄산칼륨과 알루미나를 1 : 1로 혼합한 것을 사용하였으며, 세라믹 파우더는 원적외선 방사물질인 석영, 몬조나이트와 음이온 방출물질인 스트론튬, 바나듐을 균일한 양으로 사용하였고, 융점조절제는 장석을 사용하였다.
그리고 상기 실란 화합물은 화학식 RnSiX4-n에서 X는 서로 같고, 가수분해 가능한 기이고, 라디칼 R은 서로 같고, 수소, 탄소수 10 미만의 알킬기를 나타내고, n은 1인 실란을 사용하였다.
(비교예 1)
실란 화합물 50 중량부와 실리카 졸 50 중량부를 혼합한 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 실시예 1과 동일한 기능성 충진제 7 중량부, 세라믹 파우더 20 중량부, 안료 1 중량부로 이루어지는 세라믹 코팅제 조성물을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄판 표면을 코팅하였다.
(비교예 2)
실란 화합물 45 중량부와 실리카 졸 55 중량부를 혼합한 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 실시예 2와 동일한 기능성 충진제 10 중량부,세라믹 파우더 17 중량부, 안료 3 중량부로 이루어지는 세라믹 코팅제 조성물을 제조하여 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 알루미늄판 표면을 코팅하였다.
(비교예 3)
실란 화합물 40 중량부와 실리카 졸 60 중량부를 혼합한 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 실시예 3과 동일한 기능성 충진제 12 중량부, 세라믹 파우더 15 중량부, 안료 2 중량부로 이루어지는 세라믹 코팅제 조성물을 제조하여 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 알루미늄판 표면을 코팅하였다.
2. 측정방법 및 평가
상기 1에 의해 코팅된 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에 대하여 아래의 시험방법에 의해 도막 강도, 내구성, 내수성, 내식성을 측정하여 그 결과를 [표 1]에 나타내었다.
1) 도막 강도, 내수성(내비등수성 시험에 따름), 내식성 시험은 KSD 8303의 알루미늄 및 알루미늄 합금의 양극산화 도장 복합 피막의 측정방법에 따라 측정하 여 평가하였다.
2) 내구성 시험은 BS 7069/1998에 따라 내마모성을 측정하되, 코팅층이 형성된 시편을 3M 7447 스코치브라이트(scotchbrite)에 놓고 4.5kg의 하중으로 좌우 왕복시켜 코팅층이 벗겨지는 사이클(cycle) 수를 측정하여 평가하였다.
구 분 측정항목
도막강도 내구성 내수성 내식성
실시예 1 9H 9000cycle 이상없음 9.8
2 9H 8500cycle 이상없음 9.8
3 9H 8700cycle 이상없음 9.8
비교예 1 6H 6500cycle 주름, 균열발생 9.2
2 6H 6100cycle 주름, 균열발생 9.2
3 6H 6300cycle 주름, 균열발생 9.2
상기 [표 1]에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3은 무기질 혼합물로 실리카 졸에 알루미나 졸, 지르코니아 졸을 추가하고, 융점조절제를 첨가함으로써, 코팅막이 조밀하게 고밀도로 형성되어 도막 강도를 45도 각도로 연필심을 닫게하고 도막면을 누르면서 균일한 속도로 5회 측정하였지만 측정한 결과 9H에서 파열현상이 발견되지 않는 반면 비교예 1 내지 2는 무기질 결합제에 알루미나 졸과 지르코니아 졸을 혼합하지 않고, 융점조절제를 첨가하지 않음에 따라 코팅막이 조밀하게 형성되지 않아 7H에서 파열현상이 각 2개 발견되었다.
내구성 측정은 코팅막이 형성된 시편을 3M 7447 스코치브라이트(scotchbrite)에 놓고 4.5kg의 하중으로 좌우 왕복시켜 코팅막이 벗겨지는 사이클(cycle)을 측정한 결과 실시예 1 내지 3은 실란 화합물과 무기질 혼합물의 결합력 향상으로 코팅막이 잘 벗겨지지 않는데 반해 비교예 1 내지 3은 실란 화합물과 실리카 졸의 결합으로 인해 결합력이 다소 떨어져 코팅막의 내구성이 실시예 1 내지 3에 비해 저하되는 것으로 평가되었다.
내수성 측정은 이온교환수를 넣은 비커에 시험편을 넣고 95℃ 이상으로 가열하여 5시간 동안 놓아둔 후 육안으로 관찰한 결과 실시예 1 내지 3은 코팅막에 주름, 균열, 부품, 벗겨짐과 같은 박리 현상이 전혀 발견되지 않는데 반해 비교예 1 내지 3의 경우 미세한 주름과 균열현상이 발견되었다,
내식성 측정은 온도와 분무가 외부 공기의 영향을 받지 않고, 시료에 떨어진 용액을 사용하지 않으며, 천정에 맺힌 시료가 떨어지지 않는 상태에서 48시간 동안 아세트 산 산성의 염수용액을 일정한 주기로 분무하고 부식상태에 따라 피막의 내식성을 육안으로 관찰한 결과 실시예 1 내지 3은 시편에 미세한 흔적의 반점이 일부 발견되는데 반해 비교예 1 내지 3의 경우 시편에 육안으로 확연히 표시되는 반점이 발견되었다.
따라서 실시예 1 내지 3의 경우 실리카 졸, 알루미나 졸, 지르코니아 졸이 혼합된 무기질 혼합물과 실란 화합물의 강한 결합력으로 고밀도의 코팅막을 형성함으로써, 도막 강도, 내구성, 내수성, 내식성의 물성이 우수하게 나타나는데 반해 비교예 1 내지 3의 경우 알루미나 졸, 지르코니아 졸을 첨가하지 않음에 따라 코팅막의 결합력이 보다 떨어져 세라믹 코팅막이 쉽게 훼손될 우려가 있는 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무기질 세라믹 코팅제 조성물을 이용한 가열기구의 우수성에 대하여 상기의 실시예를 통해 상세히 설명하였지만 본 발명은 상기의 구성에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 치환, 변형 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 기재에 샌드브라스팅과 세라믹 코팅막을 순차적으로 형성하는 순서를 나타내는 공정의 블록도에 관한 것이다.

Claims (10)

  1. 무기질 결합제, 기능성 충진제, 세라믹 파우더, 안료를 포함하는 무기질 세라믹 코팅 조성물에 있어서,
    상기 무기질 결합제는 화학식이 RnSiX4-n인 실란 화합물 40~50 중량부와, 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화규소 20~40중량%에 물 60~80중량%를 혼합한 실리카 졸 20~25 중량부와, 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 산화알루미늄 10~20중량%에 물 80~90중량%를 혼합한 알루미나 졸 15~20 중량부 및 0.2~1.0㎛ 입자크기의 분말 지르코니아 10~20중량%에 물 80~90 중량%를 혼합한 지르코니아 졸 15~20 중량부로 이루어진 무기질 결합제로서,
    상기 무기질 결합제 100 중량부에 대하여 기능성 충진제 7~12 중량부, 세라믹 파우더 15~20 중량부, 융점조절제 5~10 중량부 및 안료 1~3 중량부로 이루어지고,
    그리고 상기 기능성 충진제는 티탄산칼륨, 알루미나 또는 천연광물인 토르말린, 황토, 견운모, 자수정, 생광석, 죽탄, 의왕석, 귀양석, 흑요석, 맥반석, 광명석, 용암, 귀신석 중에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합물을 사용하고,
    상기 세라믹 파우더는 원적외선 방사물질인 석영, 몬조나이트, 편마암류 및 유문암질 응회암과 음이온 방출물질인 스트론튬, 바나듐, 지르코늄, 세륨, 네어디뮴, 란탄, 바륨, 류비듐, 세슘, 갈륨 중에서 각각 1종 또는 그 이상을 선택하여 음이온 방출물질과 원적외선 방사물질을 1 : 1 중량비로 혼합한 혼합물을 사용하며,
    상기 융점조절제는 장석 또는 운모 중에서 1종을 선택하여 사용하며,
    또한 상기 실란의 화학식 RnSiX4-n은 상기에서 X는 서로 같거나 다르고, 가수분해 가능한 기 또는 히드록시기이고, 라디칼 R은 서로 같거나 다르고, 수소, 탄소수 10 미만의 알킬기를 나타내고, n은 0, 1 또는 2인 실란이 하나 이상 사용되는 것을 특징으로 하는 무기질 세라믹 코팅제 조성물.
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