KR100993727B1 - 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플레임 플라즈마 표면처리 공법을 이용하여 외장 플라스틱 부품에 대한 표면 처리를 하여, 기존 전처리 및 프라이머 공정을 대체할 수 있도록 한 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법에 있어서, 외장 플라스틱 사출품에 에어(AIR)와 LPG 또는 에어와 LNG간의 가스 혼합비와, 플라즈마 소스와 외장 플라스틱 사출품간의 거리, 플라즈마 처리속도, 가스혼합량을 인자로 하여, 플레임 플라즈마 표면 처리를 실시한 것을 특징으로 하는 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법을 제공한다.

외장 플라스틱 부품, 플레임 플라즈마 표면처리 공법, 에어, LPG, 도장

Description

자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법{Plastic Wheel-Cover Painting method Using Flame Plasma Surface-Treatment}

본 발명은 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플레임 플라즈마 표면처리 공법을 이용하여 외장 플라스틱 부품에 대한 표면 처리를 하여, 기존 전처리 및 프라이머 공정을 대체할 수 있도록 한 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법에 관한 것이다.

플라스틱을 소재로 한 자동차 부품 중에서 그 외장 부품은 기능적인 면과 함께 심미적 요소를 가미하기 위한 도장 처리를 필요로 한다.

범퍼 커버(Bumper Cover), 휠커버(Wheel Cover), 후사경 하우징(Outside Rear View Mirror Housing) 등이 대표적인 자동차용 플라스틱 외장부품이며, 이들 부품에 사용되고 있는 재료로는 폴리올레핀(Polyolefin), 폴리프로필렌 (Polypropylen), 나일론 (Nylon) 등이 있다.

이러한 플라스틱계 소재의 경우, 내후성, 내마모성, 내식 특성 및 미려한 외 관 효과 등의 향상을 위하여 건식코팅 및 페인팅 등을 통한 기능화 표면처리를 필수적으로 수행하고 있다.

현재 자동차용 플라스틱 부품의 도장 공정은 성형품 표면의 이물질 제거를 위한 전처리와, 성형품과 도막의 부착력 부여를 위한 프라이머 도포 과정을 거쳐 최종 도장을 진행한다.

먼저, 자동차용 외장 플라스틱 도장부품의 제조방법은:

1) 수지를 이용하여 설계된 형상 및 모양으로 플라스틱 부품을 사출 성형하는 단계;

2) 상기 사출 성형으로 제작된 플라스틱 부품의 표면을 청결히 하는 세정공정으로서 전처리(Cleaning)를 행하는 단계;

3) 상기 전처리 공정을 마친 후, 사출 성형품과 베이스 도료와의 부착력 증대를 위해 플라스틱 부품 표면에 프라이머를 도포하고 건조하는 단계;

4) 상기 프라이머 건조 완료 후 칼라를 구현하기 위해 베이스 도료를 도포하고 건조하는 단계;

5) 상기 베이스 도료 건조 완료 후, 베이스 도료층을 보호하기 위해 투명 또는 감광제(소광제)를 혼합한 클리어 코트를 도포하여, 자동차용 외장 플라스틱 도장부품의 제작 완료 단계; 를 포함하여 진행된다.

부연하면, 플라스틱 외장부품의 전체 표면에 걸쳐 프라이머가 도포되고, 다시 그 위에 베이스 도료가 적층되며, 가장 바깥부분에 클리어 코트가 도포되는 삼층 구조가 되도록 도장 공정이 이루어진다.

이때, 도막은 베이스 도료의 극성기와 사출성형품 표면의 극성기 간의 결합에 의해 도막이 형성 되어진다.

그러나, 자동차의 외장 플라스틱 도장부품중 휠커버는 그 재질이 나일론 소재로 되어 있는 바, 이 나일론 소재는의 경우 비극성의 성격을 지니고 있으므로 극성인 도료와의 부착이 제대로 이루어지지 않는다.

이러한 경우, 사출 성형품과 도료는 결합이 일어나지 않아 상호간의 부착력을 증가시키기 위해 프라이머를 도포하고 있다.

프라이머 공정을 삭제한 도장부품을 생산하기 위해서는 사출성형품의 표면장력 값을 최대한 높이는 것이 베이스 도료의 부착력을 증가 시키는 방법이다.

실제로, 나일론 소재로 사출된 휠커버 제품의 표면장력은 약 35 mN/m의 값을 보이는데, 이 정도의 표면장력으로는 사출성형품 표면과 베이스 도료 사이의 결합력이 약하여 도료의 박리현상이 쉽게 발생한다.

이러한 현상을 해결하기 위해서는 성형품 표면의 장력값을 높이는 것이 상당히 중요하다 할 것이다.

이에, 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 즉 플레임 플라즈마 표면처리를 통해 원가절감 및 생산성 향상, 그리고 도막부착력 증진에 따른 플라스틱 도장부품의 내구품질을 확보할 수 있는 방법을 제시하고자 연구 노력한 결과, 플라스틱 휠커버 등과 같은 도장공정에서 기존의 전처리 및 프라이머 공정을 대체하기 위한 가스 혼합비, 플라즈마 소스와 시편간의 거리, 플라즈마 처리속도 등을 변화시켜 플레임 플라즈마 표면처리 조건을 최적화 시킴으로써, 기존 전처리 및 프라이머 공정을 대체할 수 있는 플레임 플라즈마 표면처리 공정을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 자동차용 외장 플라스틱 부품의 기존 전처리 및 프라이머 공정을 대체할 수 있는 플레임 플라즈마 표면처리 공법을 이용한 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법에 있어서, 외장 플라스틱 사출품에 에어(AIR)와 LPG 또는 에어와 LNG간의 가스 혼합비와, 플라즈마 소스와 외장 플라스틱 사출품간의 거리, 플라즈마 처리속도, 가스혼합량을 인자로 하여, 플레임 플라즈마 표면 처리를 실시한 것을 특징으로 하는 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 가스 혼합비에 있어서, 에어와 LPG의 비율이 25 : 1 ~ 30 : 1 의 혼합비를 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 플라즈마 소스와 시편간의 거리는 7 ~ 12 cm 간격을 유지하도록 한 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 플라즈마 처리속도는 25 ~ 55 m/min 로 진행되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 혼합가스량은 600 ~ 800 l/min 유량을 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 에어와 LNG간의 가스 혼합비는 25 : 1 미만인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

플라스틱 휠커버 도장공정에서 기존의 전처리 및 프라이머 공정을 대체하기 위하여, 에어와 LPG간의 가스 혼합비, 플라즈마 소스와 시편간의 거리, 플라즈마 처리속도 등을 변화시켜 플레임 플라즈마 표면처리 조건을 최적화시킴으로써, 기존 전처리 및 프라이머 공정을 대체할 수 있고, 그에따라 전처리 및 프라이머 도료 삭제에 따른 원가절감 효과 및 생산성 향상, 도장품질 부분에서 품질향상에 따른 불량감소, 뿐만 아니라 도막부착력 증진에 따른 플라스틱 도장부품의 내구품질을 확보할 수 있는 제품을 제조할 수 있다.

또한, 플라스틱 부품의 재질에 따라 플라즈마 표면처리를 최적화시킨다면 어떠한 내외장 플라스틱 도장부품에도 확대 적용이 가능한 장점이 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 플레임 플라즈마 표면처리 공법을 이용한 플라스틱 휠커버 도장 방법에 관한 것으로서, 특히 자동차 외장 플라스틱 부품중 나일론 소재인 휠커버의 도장공정에서 전처리 및 프라이머 공정을 삭제하기 위한 플라즈마 표면처리 공정에 관한 것이다.

플라즈마란, 물질의 제4상태로서 기체상태의 분자들에 일정량의 에너지를 흡수시키면 기체분자는 하전을 띤 입자(음이온 또는 양이온, 라디칼, 전자)와 전기적으로 중성인 입자(원자)로 존재하게 되는데, 이를 일컫는 말이다.

이러한 플라즈마는 고 에너지의 반응성이 높은 상태로 존재하기 때문에, 다른 물질과 빠르게 반응하는 특성을 가지며, 이러한 플라즈마의 특성을 이용하여 고체 표면을 화학적으로 성질을 바꾸어 주는 것을 표면 개질이라고 한다.

최근 널리 사용되고 있는 부착력 향상을 위한 플라즈마 표면처리 공정은 케미칼 에칭(Chemical-Etching), 코로나(Corona Discharge) 처리, 전기표면처리(Electricl Surface Treatment), 플레임 플라즈마(Flame Plasma) 등과 같은 방법이 있으며, 이중에서도 플레임 플라즈마(Flame Plasma) 처리가 상업적으로 가장 많이 사용되고 있다.

플레임 플라즈마의 경우, 플라스틱 소재의 처리효과가 매우 높을 뿐만 아니라, 시설 설치가 간단하고, 작동 및 유지가 간단하고, 대면적 균일 처리가 가능하며, 오존 등의 환경 유해 및 인체 유해의 2차 생성물 등이 발생하지 않는 장점을 가지고 있다.

이에, 비극성인 나일론 소재 표면에 플레임 플라즈마 표면처리를 실시하게 되면, 나일론 소재의 표면이 극성으로 개질되므로, 프라이머 도포없이도 베이스 도료의 극성기와 결합력이 증가하게 되어 프라이머 공정을 삭제한 휠커버 도장부품을 생산할 수 있다.

플레임 플라즈마는 고온의 연소가스(약 1000 ~ 3000K)로 인하여 산소분자를 산소 라디칼, 이온 및 원자로 분해할 뿐만 아니라, C, N2, 자유전자, 양전하 및 활성화 기체 등을 함유하고 있다.

또한 에테르(Ether, R-O-C), 에스터(Ester, R-C=O-Or) 등의 활성기와 카복실(Carbooxyl, -COOH), 하이드록실(Hydroxyl, -OH)기 등을 가지고 있는데, 이러한 산소함유의 입자들과 산소-탄소의 활성화 그룹의 입자들이 다량 함유한 플라즈마를 이용하여 처리를 하였을 경우, 부착력 증대에 큰 효과를 가져 온다.

일반적으로 표면장력값이 높으면 도막부착력은 증가되는데, 플레임 플라즈마 처리시 표면장력을 증가시키기 위하여 조절할 수 있는 인자는 Air와 LPG의 가스 혼합비, 플라즈마 소스와 부품간의 거리, 플라즈마 처리속도 및 혼합가스량 등이 있다.

본 발명은 나일론 재질의 플라스틱 휠커버 도장공정에서 기존 전처리 및 프라이머 공정을 대체할 수 있는 플레임 플라즈마 표면처리 공법에 관한 것으로, 이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 바람직한 플레임 플라즈마 처리조건은 Air와 LPG의 가스 혼합비는 25 : 1 ~ 30 : 1, 플라즈마 소스와 부품간의 거리는 7 ~ 12 cm, 플라즈마 처리속도 는 25 ~ 55 m/min 로 이루어진 조건으로서, 혼합가스량은 600 ~ 800 l/min 정도이다.

이때, 주입가스는 Air와 LPG를 혼합한 것을 사용하며, 가스 혼합비가 25 : 1 미만일 경우에는 Air의 함량이 작아서 상대적으로 표면에 극성을 부여하는 산소의 함유량도 적어 표면개질의 효과가 떨어지는 문제가 있고, 30 : 1 을 초과하면 기계적으로 다소 불안정한 가스 주입이 이루어져 가스 혼합비를 신뢰할 수 없는 문제가 있으므로, Air와 LPG의 가스 혼합비는 25 : 1 ~ 30 : 1로 한정한다.

또한, 플라즈마 소스와 부품간의 거리는 7 cm 미만일 경우에는 플라즈마 소스와의 거리가 너무 가까워서 고온으로 인해 부품표면이 손상되는 문제가 있고, 12 cm 초과하면 플라즈마 표면처리가 제대로 이루어지지 않아, 도장 후 도막의 부착성 및 고압세차성 등의 도막물성이 떨어져서 박리가 일어나는 문제가 있으므로, 플라즈마 소스와 부품간의 거리는 7 ~ 12 cm로 한정하는 것이 좋다.

또한, 플라즈마 처리속도는 25 m/min 미만일 경우에는 플라즈마 처리속도가 너무 늦어서 생산성이 떨어지는 문제가 있고, 55 m/min 초과하면 플라즈마 표면처리가 미흡하여 표면개질이 제대로 이루어지지 않아 부착성 등의 도막물성이 떨어져서 박리가 일어나는 문제가 있으므로, 플라즈마 처리속도는 25 ~ 55 m/min 로 한정한다.

또한, 본 발명에서 주입되는 혼합가스량은 600 ~ 800 l/min가 바람직하며, 그 이유는 600 l/min 미만에서는 표면개질의 효과가 떨어지며, 800 l/min 를 초과할 경우에는 유량의 증가에 따른 산소활성종의 밀도가 증가함에 따라 충돌에 의한 운동에너지가 열에너지로 변환되어 온도가 급격히 상승하므로 부품표면이 손상될 수 있는 우려가 있기 때문이다.

또한, 본 발명은 나일론 재질의 휠커버 도장부품의 플레임 플라즈마 표면처리에 국한되지 않고, 내외장 플라스틱 도장부품에 관계없이 적용재질의 특성을 고려하여 표면처리 조건을 최적화한다면 다양한 재질의 내외장 플라스틱 도장부품에 적절히 조정되어 적용될 수 있다.

한편, 상기 LPG 대신 LNG를 사용할 수 있으며, 이때의 에어와 LNG간의 가스 혼합비는 25 : 1 미만이며, LPG의 주성분은 부탄과 프로판인반면, LNG의 주성분은 메탄이므로 탄화수소의 비율이 LPG보다 LNG가 낮기 때문에 가스 혼합비에서 LNG 함량이 그 만큼 낮아야 한다.

이하, 본 발명은 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명되나, 본 발명이 이러한 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 9

본 발명에 따른 도장 방법에 사용한 장비는 독일 ARCOGAS社에서 도입한 플레임 처리 유니트(Flame Treatment Unit) 와 버너(Burner)를 사용하였다.

시험에 사용한 가스는 시중에서 구입한 LPG를 사용하였고, 에어(Air)는 대기중의 공기를 블로워(Blower)를 통해 공급하여, 에어 및 가스 혼압 유니트(Air & Gas Mixing Unit)를 통해 혼합가스를 버너(Burner)로 공급 하였다.

독일 ARCOGAS의 플라즈마 장비를 사용하여 휠카바 사출성형품에 가스 혼합 비, 플라즈마 소스와 부품간의 거리, 플라즈마 처리속도를 인자로 하여 표면 처리를 실시하였다.

각 인자들의 세부조건은 가스 혼합비(Air : LPG)는 28 : 1, 26 : 1, 24 : 1, 플라즈마 소스와 부품간의 거리는 5 cm, 7.5 cm, 10 cm, 플라즈마 처리속도는 30 m/min, 40 m/min, 50 m/min 를 각각의 조건으로 하여, 다구치 실험계획법L9(3⁴)에 따라 표1의 조건으로 플레임 플라즈마 표면처리를 실시하였다.

최적의 플라즈마 표면처리 조건을 확보하기 위해 각각의 실시예 마다 표면장력값을 측정하였고, 표면장력 측정은 유럽(DIN - 독일 자동차 시험 규격) 및 미국(ASTM D-2578)에서 사용 중인 표면장력 측정용 테스트 잉크를 사용하여 실시하였다.

이와 같이, 나일론66의 휠커버 사출성형품에 프라이머 도장 대신, 표 1에 기재된 실시예 1 ~ 9의 플라즈마 표면처리 조건으로 처리한 다음, 베이스 도료 [UT5790-A-SPRINGSILVER, KCC]를 20 ~ 30 미크론 정도 도장하고 상온에서 5 ~ 10분간 건조한 다음, 클리어 코트 [UT5015-A-9000, KCC]를 30 ~ 40 미크론 정도 도장하고 70 ℃에서 30분간 건조하여 샘플을 완성하였다.

비교예

비교예는 나일론66의 휠커버 사출성형품에 전처리 세정을 실시한 후, 소재와 베이스 도료와의 부착성을 위해 프라이머[RP143-GREY, KCC]를 5 ~ 10미크론 정도 도장하고 상온에서 5 ~ 10분간 건조한 다음, 베이스 도료[UT5790-A-SPRINGSILVER, KCC]를 20 ~ 30미크론 도장하고, 상온에서 5 ~ 10분간 건조한 다음, 클리어 코트 [UT5015-A-9000, KCC]를 30 ~ 40미크론 정도 도장하여 70 ℃에서 30분간 건조하여 샘플을 완성하였으며, 플레임 플라즈마 표면처리 없이 현재 양산중인 사양과 동일하게 제작하였다.

시험예

실시예 및 비교예에 따라 최종 완성한 도장부품의 물성평가는 아래와 같은 항목을 실시하였다.

1) 외관 평가 : 실시예 및 비교예에 따른 시편 제품에 대한 외관 검사로서, 그 외관은 부풀음, 박리, 갈라짐, 핀홀, 기포, 이물, 흠, 도장얼룩, 오렌지 필(ORANGE PEEL) 등 용이하게 식별가능한 결함이 없어야 한다.

또한, 한도 견본이 있는 것은 이것과 동등이상의 품질을 가져야 한다.

2) 초기 부착성 시험 : 실시예 및 비교예에 따른 시편에 수평 및 수직 방향으로 2 mm 간격으로 11 cut 씩 Cross-cut을 행한 후 표면을 부드러운 솔로 깨끗이 하고, 적당한 폭과 길이의 규정된 테이프로 단단히 부착시킨 후 테이프를 한쪽 90°각도로 강하게 당겨서, 박리된 도막눈금의 개수를 새었다.

이를 바둑판 눈금 부착성 테스트라고도 하고, 총 100개의 바둑판 눈금에서 박리된 개수가 많을수록 부착성이 나쁜 것이다.

3) 내수성 시험 : 실시예 및 비교예에 따른 시편을 온도 40±2 ℃ 의 순수(H₂O)중에 240시간 침적시킨 후, 실온에서 1시간 방치한 다음, 상기의 부착성 시험을 실시하였다.

이때, 변색, 퇴색, 부풀음, 갈라짐, 부착성 저하가 없고 내굴곡성에도 변화가 없어야 한다.

4) 고압세차 시험 : 실시예 및 비교예에 따른 시편에 수평 및 수직 방향으로 2 mm 간격으로 11 cut 씩 Cross-cut을 행하여 바둑판 눈금을 100개 만든 후, 압력 70 kgf/㎠, 분사거리 100 mm, 분사각도 45 ℃, 물온도 23±5 ℃, 분사시간 30초의 조건에서 박리된 도막눈금의 개수를 새었다.

이와 같은 각 도막 물성평가는 각 시험별로 5개의 시편에 대하여 평가한 후 평균값을 취하였으며, 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에 나타낸 물성결과와 같이, 표면장력값이 높을수록 초기, 내수성 시험 후의 부착성을 비롯한 고압세차성 시험 등의 전반적인 도막 물성이 향상됨을 알 수 있었다.

표 1의 실시예 1, 2, 3, 5, 6 에서 보듯이, 표면장력값이 62 이상의 값을 가지는 경우, 부착성 시험에서 박리가 발생하지 않는 양호한 도막물성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 1의 경우, 실시예중에서 가장 높은 표면장력값을 가지나, 플라즈마 소스와 부품간의 거리가 가깝고, 플라즈마 처리속도가 늦어서 플라스틱 휠커버 외관이 고온에 의해 손상되는 현상이 발생하였다.

반면, 실시예 2, 3, 5, 6 은 현재 양산중인 비교예 1과 비교하여 동등이상 수준의 외관 및 도막물성을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 결과적으로 플레임 플라즈마 표면처리 공정이 기존 전처리 및 프라이머 공정을 대체할 수 있는 방법임을 상기 실시예와 비교예를 통해 확인할 수 있었다.

Claims (6)

1. 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법에 있어서,

   외장 플라스틱 사출품에 에어와 LPG 또는 에어와 LNG 간의 가스 혼합비, 플라즈마 소스와 외장 플라스틱 사출품 간의 거리, 플라즈마 처리속도, 가스혼합량을 인자로 하여 플레임 플라즈마 표면 처리를 실시하되,

   상기 가스 혼합비는 에어와 LPG의 비율이 25 : 1 ∼ 30 : 1 또는 에어와 LNG의 비율이 25 : 1 미만으로 하고,

   상기 플라즈마 소스와 시편 간의 거리는 7 ∼ 12cm로 하고,

   상기 플라즈마 처리속도는 25 ∼ 55m/min로 하고,

   상기 혼합가스량은 600 ∼ 800ℓ/min로 하여,

   플레임 플라즈마 표면 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 자동차용 외장 플라스틱 부품의 도장 방법.
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