KR101242570B1

KR101242570B1 - 자가냉각 특성을 갖는 내마모성 코팅 조성물

Info

Publication number: KR101242570B1
Application number: KR1020110059224A
Authority: KR
Inventors: 김승수; 이재락; 이병민
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2013-03-19
Also published as: KR20120139429A

Abstract

본 발명은 자가냉각 특성을 갖는 내마모성 코팅 조성물에 관한 것으로, 상세하게는 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 0.1 내지 3 중량%, 에폭시 수지 4 내지 25 중량%, 경화제 1 내지 5 중량% 및 잔부 용제를 포함하는 코팅조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 자가냉각 특성을 갖는 내마모성 코팅 조성물은 내열성, 내마모성, 자가냉각성 등을 나타내는 피막을 코팅할 수 있다. 특히, 자전거 휠셋과 같이 마찰에 의해 쉽게 마모될 수 있는 재료의 표면에 적용함으로써, 내마모성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

자가냉각 특성을 갖는 내마모성 코팅 조성물{Abrasion-resistant coating composition with self-cooling characteristics}

본 발명은 자가냉각 특성을 갖는 내마모성 코팅 조성물에 관한 것이다.

자전거는 철, 알루미늄, 티타늄, 유리섬유 복합소재, 탄소소재 등의 재료로 만들어지며, 이들 재료 중 가장 오래된 소재인 철은 강도 및 가공 상의 특성이 매우 우수하고, 기본적으로 용접에 따른 성질 변형이 거의 없어 가공이 쉽지만, 무게가 무거운 단점이 있다. 이에 따라, 1970년대부터는 알루미늄, 티타늄 등과 같은 경량소재가 사용되었으나, 알루미늄은 철에 비해 무게가 가벼운 장점이 있는 반면, 피로에 의하여 갑작스레 파손이 일어나는 단점이 있다. 즉, 사용자가 대처하기 전에 손상이 발생하여 갑작스러운 사고로 발전할 수 있으며, 꾸준히 발생하는 작은 충격들로 인하여 누적되는 피로로 쉽게 손상될 수 있다. 또한, 순수한 티타늄은 너무 연하고 잘 휘어지는 특성이 있어 다른 금속들과 함께 합금으로 제조하여 사용되고, 주로 알루미늄 및 바나듐을 혼합하여 사용되고 있으며, 이러한 티타늄 합금은 철과 알루미늄의 중간 정도에 해당하는 특성으로 철보다 강하지는 않지만 비교적 강도가 높은 편이고, 알루미늄처럼 가볍지는 않지만 비교적 무게가 가벼운 편이다. 그러나, 티타늄은 용접 등의 가공이 매우 어려운 단점이 있다. 티타늄은 용접 중에 산소가 접촉하게 되면 산화되어 손상되는 특성이 있어 진공 용접 또는 아르곤을 이용한 용접을 통해 가공되어야 하고, 이에 따른 가공비용 및 제품가격이 상승하는 단점이 있다. 또한, 유리섬유 복합소재가 개발되면서 많은 스포츠용품들이 유리섬유 복합소재로 제조되고 있으나, 상기 유리섬유 복합소재는 강철과 버금가는 탄성률을 나타내는 대신 피로에 약하고 진동 흡수율이 낮은 단점이 있다.

한편, 최근 개발된 탄소소재는 무게 대비 강성이 매우 우수하며, 특히 밀도는 알루미늄보다도 훨씬 낮으면서 강도는 철보다도 훨씬 강한 특성을 나타낸다. 또한 탄소섬유(carbon fiber, graphite fiber)는 유리섬유와 비교하여 탄성률이 약 5배 이상 높고, 피로 저항성이 우수하며, 금속 소재보다 단위 중량당 3배 이상의 충격에너지를 흡수한다.

상기한 바와 같은 탄소소재의 우수한 물성으로 인하여 고급 레저용 또는 경기용 자전거로 탄소소재를 적용하여 경량화를 달성하는 경향이 최근 두드러지고 있다. 그러나, 자전거 휠셋인 림, 디스크, 일체형 스포크 휠 등을 탄소소재로 제조하는 경우 브레이크 패드와의 마찰에 의하여 도 1의 사진에 도시한 바와 같이 파손이 발생하는 문제가 있다. 이와 같은 파손이 발생하면 탑승자가 다칠 우려가 있어 이를 방지하는 것이 매우 중요하고, 이에 따라 브레이크 패드와의 마찰에 견딜 수 있는 우수한 물성의 휠셋용 소재가 요구되고 있다.

브레이크와의 마찰로 인한 휠셋의 파손은 마찰에 의한 직접적인 물리적 파손과 마찰로 인한 온도 상승으로부터 기인한다. 즉, 탄소복합소재에 사용되는 에폭시수지와 같은 일반적인 고분자 소재는 온도가 상승하게 되면 고분자 분자체인의 유동성이 증가하고, 분자간의 엉킴이 풀려 물성이 저하되기 때문이다. 따라서, 자전거 휠셋의 파손을 방지할 수 있는 탄소복합소재는 내마모성이 우수하고, 높은 온도에서도 우수한 물성을 나타내는 내열성이 우수하여야 한다. 또한, 마찰열을 원활히 방출하여 자체 냉각기능이 있으며, 열 발생을 억제하여 물성저하를 방지할 수 있고, 소량 생산되는 고기능성 자전거의 산업상 특성에 적합하여야 한다.

한편, 고분자 수지를 포함하는 내열성 수지가 다수 개발된 바 있으며,

대한민국공개특허 제10-2008-0099696호에서는 기초 에폭시 수지인 KDP-550MC65, KDP-555MC80, 내열형 수지인 YDCN-500 series, BPA-Novolac과 같은 고무변성형 수지인 KR-450, R-1309 등과 경화제, 난연제 등을 혼합하여 난연성, 내열성, 내마모성을 나타내는 고무 변성 에폭시 수지-카본 섬유의 프리프레그 제조용 에폭시 수지가 개시된 바 있다.

대한민국등록특허 제10-1006162호에서는 모재와 금속층 간의 부착성이 향상되고 내열성, 내마모성 및 내식성(내약품성) 등이 향상되어 우수한 내구성을 갖는 자동차용 플라스틱 부품이 개시된 바 있으며, 에폭시-실리콘 변성 우레탄 수지를 포함하는 올리고머 성분; 실리콘 변성 아크릴레이트를 포함하는 모노머 성분; 광개시제; 및 유기 용제를 포함하는 UV 경화형 수지 도료를 코팅·경화시켜 형성되는 자동차용 플라스틱 부품을 제공하고 있다.

대한민국등록특허 제10-0537592호에서는 슬라이딩 부품의 내시징(seizing)성, 내마모성을 향상시키기 위하여 알콕시실릴기를 갖는 실란 변성 폴리아미드이미드 수지를 이용하여 슬라이딩 면에 피막을 형성시키는 내용이 개시된 바 있다.

대한민국공개특허 제1997-0062231호에서는 내마모성, 내열성, 내온수성, 내습성, 부착성 및 가공성이 뛰어난 급속경화성 피복 조성물을 개시한 바 있으며, 비스페놀 A형이고 에폭시 당량이 100∼2000인 에폭시수지, 아민계 경화제, 포스핀계 또는 이미다졸계 경화촉진제, 에폭시를 함유한 아크릴레이트를 경화제로 공중합한 공중합체을 제공하고 있다.

미국공개특허 제11/347,962호는 그래뉼(granule) 형태의 세라믹과 에폭시 수지를 복합화하여 제조되는 내마모성 복합체가 개시된 바 있고, 미국등록특허 6210790 B1호에서는 에폭시 또는 비닐기를 도입한 콜로이달 실리카와 다기능성 에폭시 또는 비닐 단량체를 혼합한 후, 빛 또는 열을 가하여 반응시킴으로써 제조되는 내마모성 고분자 복합체가 개시된 바 있다.

미국등록특허 제6485806 B1호에서는 내열성, 열수 안정성, 내마모성 등이 우수한 폴리페닐렌 설파이드 수지(polyphenylene sulfide resin)를 포함하는 다층 성형체를 개시한 바 있으며, 미국공개특허 제9/031,932호에서는 에폭시 실란, 4 기능성 실란 등을 포함하는 내마모성 코팅 조성물이 개시된 바 있다.

일본공개특허 제2008-327653호에서는 가혹한 코일 가공에 견디는 내마모성, 기계적 특성 및 내열성이 우수한 절연 전선을 제조하기 위하여 페녹시 타입의 에폭시 수지의 경화체로 절연피막층을 개발하였다.

일본등록특허 제2005-196325호에서는 내후성, 환경 변화 및 고온 환경에 대한 내구성, 내마모성, 내열수성을 자동차의 창문유리에 부여하기 위하여 폴리카보네이트 기재의 표면에 히드록시기 함유 메타크릴레이트를 포함하는 아크릴 공중합체와 블록화 폴리이소시아네이트 화합물 등이 코팅된 소재가 개시된 바 있다.

일본등록특허 제2004-321743호에서는 내마모성 및 내열수성을 부여할 수 있는 투명한 열 경화형 오르가노 실록산 수지 도료의 제조를 위하여 콜로이달 실리카와 알콕시 실란의 가수 분해물을 축합반응시켜 도료를 제조하는 내용이 개시된 바 있다.

일본등록특허 제2002-190925호에서는 크랙의 발생이 없고 우수한 내마모성, 내열수성 및 환경 변화 및 고온환경에서의 내구성을 나타내는 경화 피막을 제조하기 위하여 공중합 아크릴 수지, 폴리이소시아네이트 화합물 전구체 및 유기 주석계 경화 촉매를 포함하는 도료 조성물을 열경화시켜 제1층을 만들고, 상기 제1층 상부로 콜로이달 실리카 및 트리 알콕시 실란의 가수분해 축합물을 포함하는 오르가노 실록산 수지 조성물의 열경화 도막층을 제2층으로 적층하여 제조되는 피막이 개시된 바 있다.

이와 같이, 내열성 및 내마모성을 부여할 수 있는 종래기술이 다수 개발된 바 있으며, 이를 더욱 개선하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

이에 본 발명자들은 내열성 및 내마모성을 동시에 나타낼 수 있는 고분자 소재를 연구하던 중, 실란화된 반응성 수산화 무기화합물을 이용하여 내열성 및 내마모성을 동시에 나타내고, 자가냉각성 또한 나타낼 수 있는 코팅 조성물을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 자가냉각 특성을 갖는 내마모성 코팅 조성물을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 0.1 내지 3 중량%, 에폭시 수지 4 내지 25 중량%, 경화제 1 내지 5 중량% 및 잔부 용제를 포함하는 코팅조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 자가냉각 특성을 갖는 내마모성 코팅 조성물은 내열성, 내마모성, 자가냉각성 등을 나타내는 피막을 코팅할 수 있다. 특히, 자전거 휠셋과 같이 마찰에 의해 쉽게 마모될 수 있는 재료의 표면에 적용함으로써, 내마모성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 브레이크 패드와의 마찰에 의하여 파손된 자전거 휠셋을 나타낸 사진이고;
도 2는 수산화 알루미늄의 실란화 반응을 나타낸 모식도이다.

본 발명은 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 0.1 내지 3 중량%, 에폭시 수지 4 내지 25 중량%, 경화제 1 내지 5 중량% 및 잔부 용제를 포함하는 코팅조성물을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 코팅조성물은 실란화된 반응성 수산화 무기화합물을 0.1 내지 3 중량%의 비율로 포함한다. 상기 실란화된 반응성 수산화 무기화합물로는 아미노 실란화 수산화 알루미늄, 에폭시 실란화 수산화 알루미늄, 아미노 실란화 수산화 마그네슘, 실란화 수산화 마그네슘 등을 사용할 수 있다. 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘과 같은 수산화 무기화합물은 열에 의해 휘발되지 않으며, 난연제의 제조에 널리 사용되고 있는 물질이다. 특히, 상기 수산화 무기 화합물은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이 각각 180 ℃와 332 ℃의 온도에서 물을 방출하는 특성이 있다. 즉, 상기 온도 이상의 열이 가해질 경우 물이 방출되고, 방출되는 물은 540 cal/g의 증발열을 가지기 때문에 본 발명에 따른 상기 코팅조성물이 주위의 온도를 낮추는 자가냉각 특성을 발현할 수 있도록 한다.

<반응식 1>

2Al(OH)₂ → Al₂O(OH)₂ + 2H₂O

Mg(OH)₂ → MgO + H₂O

본 발명에 따른 코팅조성물은 상기 수산화 무기 화합물에 친유기성을 부여하기 위하여 무기 입자의 표면에 에폭시 수지와 반응할 수 있는 기능기를 도입하였고, 이에 따라 상기 수산화 무기 화합물과 에폭시 수지와 반응할 수 있는 기능기인 아민 및 에폭시기를 가지는 실란화합물을 반응시켜 실란화된 반응성 수산화 무기화합물을 제조하였다. 상기 실란화된 반응성 수산화 무기화합물은 친유기성을 나타내어 에폭시 수지와 혼합성이 향상되되, 난연성, 자가냉각성은 유지하며, 이에 따라 본 발명에 따른 코팅조성물이 난연성, 자가냉각성을 나타낼 수 있다. 또한, 실란화된 반응성 수산화 무기화합물은 친유기성으로 인하여 에폭시 수지와의 혼합이 용이하고, 이로 인하여 상기 코팅조성물을 이용하여 형성되는 코팅층의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 코팅조성물은 상기 실란화된 반응성 수산화 무기화합물을 0.1 내지 3 중량%의 비율로 포함한다. 만약, 상기 실란화된 반응성 수산화 무기화합물이 0.1 중량% 미만으로 포함되는 경우, 본 발명에 따른 코팅조성물이 난연성, 자가냉각성을 충분히 발현하지 못하는 문제가 있고, 상기 실란화된 반응성 수산화 무기화합물이 3 중량%를 초과하여 포함되는 경우, 코팅조성물의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 제조단가가 과도하게 상승하는 문제가 있다.

또한, 본 발명에 따른 코팅조성물은 에폭시 수지를 4 내지 25 중량%의 비율로 포함한다. 상기 에폭시 수지는 내마모성, 내유성, 방수성 등을 나타내어 코팅·라이닝제로 널리 사용되고 있으며, 본 발명에 따른 코팅조성물은 내마모성을 향상시키기 위하여 상기 에폭시 수지를 4 내지 25 중량%의 비율로 포함한다. 상기 에폭시 수지의 함량이 4 중량% 미만인 경우에는 본 발명에 따른 코팅조성물로 형성되는 코팅층으로 충분한 내마모성을 부여할 수 없는 문제가 있고, 상기 에폭시 수지의 함량이 25 중량%를 초과하는 경우에는 본 발명에 따른 코팅조성물의 점도가 과도하게 높아 코팅에 적합하지 않은 문제가 있다.

상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 AF형과 같은 비스페놀계 에폭시 수지 또는 노볼락 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 코팅조성물은 경화제를 1 내지 5 중량%의 비율로 포함한다. 상기 경화제로는 아민계 수지 또는 폴리아미도아민 수지를 사용할 수 있으며, 상기 경화제를 포함함으로써 본 발명에 따른 코팅조성물이 저온에서 경화될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 코팅조성물이 경화제를 1 중량% 미만으로 포함하는 경우에는 경화제의 함량이 부족하여 코팅조성물의 경화가 원활하지 않은 문제가 있으며, 상기 코팅조성물이 경화제를 5 중량%를 초과하는 비율로 포함하는 경우에는 과도한 경화제 첨가로 인하여 상기 코팅조성물의 경화를 제어하기 어려운 문제가 있고, 미반응 경화제에 의한 물성저하 문제가 있다.

본 발명에 따른 코팅조성물은 용제를 포함하여 코팅에 적합한 점도로 조절될 수 있고, 이에 따라 내열성 및 내마모성을 동시에 나타내는 코팅층을 용액공정으로 형성시킬 수 있다. 이때, 상기 용제로는 메틸에틸케톤(methylethylketone)을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 발명은

반응성 수산화 무기화합물을 실란화 반응시키는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 및 에폭시 수지를 용제에 첨가하고 교반하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2의 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 및 에폭시 수지가 첨가된 혼합물에 경화제를 첨가하고 교반하는 단계(단계 3)를 포함하는 코팅 조성물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 코팅 조성물의 제조방법에 있어서, 단계 1은 반응성 수산화 무기화합물을 실란화 반응시키는 단계이다. 상기 반응성 수산화 무기화합물은 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘과 같은 내열성, 난연성, 자가냉각성 등의 특성을 나타내는 물질로써 표면에 존재하는 수산화기(OH-)로 인하여 친수성을 나타낸다. 상기 단계 1에서는 상기 반응성 수산화 무기화합물에 친유기성을 부여하기 위하여, 상기 반응성 수산화 무기화합물과 아민 및 에폭시기를 가지는 실란화합물을 반응시켜 도 2에 도시한 바와 같이 실란화를 수행한다. 이에 따라, 상기 반응성 수산화 무기화합물의 친유기성이 향상되어 에폭시 수지와의 혼합성이 향상되고, 나아가 코팅층의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 코팅 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 및 에폭시 수지를 용제에 첨가하고 교반하는 단계이다. 상기 단계 1에서 실란화된 반응성 수산화 무기화합물은 실란화에 따른 친유기성 향상으로 인하여, 상기 단계 2에서 에폭시 수지와 원활하게 혼합될 수 있다. 상기 에폭시 수지는 내마모성을 나타낼 수 있는 특성이 있어, 상기 실란화된 반응성 수산화 무기화합물과 혼합됨으로써, 내마모성, 내열성, 자가냉각성 등의 특성을 동시에 발현시키는 코팅 조성물을 제조할 수 있다.

이때, 상기 용제는 코팅 조성물의 점도조절을 위해 더 포함되며, 적절한 양의 용제를 사용함으로써 코팅 조성물이 액상공정에 적합한 점도를 나타낼 수 있다. 이때, 상기 용제는 메틸에틸케톤(methylethylketone)을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 코팅 조성물의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2의 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 및 에폭시 수지가 첨가된 혼합물에 경화제를 첨가하고 교반하는 단계이다. 상기 경화제는 코팅 조성물이 저온 또는 상온에서 경화될 수 있도록 첨가되며, 아민계 수지, 폴리아미도아민 수지 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

나아가, 본 발명은 상기 코팅 조성물이 표면에 코팅되어 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재를 제공한다.

본 발명에 따른 탄소복합소재는 내마모성, 내열성, 자가냉각성 등의 특성을 부여할 수 있는 상기 코팅 조성물이 표면에 코팅되어 우수한 내마모성 및 내열성을 나타낸다.

이러한 특성으로 인하여 상기 탄소복합소재는 자전거 프레임 또는 휠셋에 적용될 수 있다. 일반적으로 자전거의 제작에 주로 사용되는 탄소복합소재는 세로 탄성율 (Longitudinal modulus)은 약 294 GPa, 가로 탄성률 (Transverse modulus)은 약 6.4 GPa, 평면 전단 탄성률 (In-plane shear modulus)은 약 4.9 GPa 정도의 특성을 나타내어 자전거 프레임, 휠셋 등을 만들기 위한 소재로는 적합하지만, 열에 의하여 물성이 저하되기 쉽고, 내마모성이 낮은 단점이 있으며, 자전거의 브레이크 패드에 의하여 마찰에 따른 파손이 발생할 수 있는 문제가 있다. 하지만, 본 발명에 따른 코팅 조성물이 표면에 코팅된 탄소복합소재는 내열성 및 내마모성이 향상되어 자전거 프레임, 휠셋 등에 적용하여도 브레이크 패드와의 마찰에 따른 파손을 방지할 수 있어, 자전거의 내구도 및 수명을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 코팅 조성물의 제조 1

단계 1 : 수산화알루미늄 100 g과 메틸에틸케톤 900 g을 둥근 플라스크에 첨가하고, 3-아미노프로필 트리메톡시실란(3-aminopropyl trimethoxysilane) 100 g을 더욱 첨가한 후, 12시간 동안 교반하며 환류시켜 실란화 반응을 수행하였고, 아미노실란화 수산화알루미늄을 제조하였다.

단계 2 : 상기 단계 1에서 제조된 아미노실란화 수산화알루미늄을 포함하는 분산액과 용제형 비스페놀 A형 에폭시수지(KD211GX75, 국도화학) 10 kg을 교반용기에 넣고 메틸에틸케톤 5 L를 첨가하여 혼합하였다.

단계 3 : 상기 단계 2의 혼합물에 아민계 경화제인 Jeffamine D230 (국도화학) 1.5 kg을 첨가하였고, 100 rpm으로 6시간 동안 교반하여 코팅 조성물을 제조하였다.

<실시예 2> 코팅 조성물의 제조 2

단계 1 : 수산화알루미늄 100 g과 메틸에틸케톤 900 g을 둥근 플라스크에 첨가하고, 3-글리시독시 프로필 트리메톡시실란(3-glycidoxy propyl trimethoxysilane) 100 g과 촉매로서 진한 암모니아수 20 g을 더 첨가한 후, 12시간 동안 교반하며 환류시켜 실란화 반응을 수행하였고, 아미노실란화 수산화알루미늄을 제조하였다.

<실시예 3> 코팅 조성물의 제조 3

상기 실시예 1의 단계 1에서 수산화 알루미늄 대신 수산화 마그네슘을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 코팅 조성물을 제조하였다.

<실시예 4> 코팅 조성물의 제조 4

상기 실시예 2의 단계 1에서 수산화 알루미늄 대신 수산화 마그네슘을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 코팅 조성물을 제조하였다.

<실시예 5> 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재의 제조 1

탄소 프리프래그를 이용하여 휠셋을 성형한 후 상기 실시예 1에서 제조된 코팅 조성물을 분무기에 넣고 휠셋으로 분무하여 고르게 코팅하였다. 이 후, 80 ℃의 반응용 오븐에서 2시간 동안 반응시킨 후, 100 ℃의 온도에서 4시간, 120 ℃의 온도에서 2시간 동안 더욱 열처리하여 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재를 제조하였다.

<실시예 6> 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재의 제조 2

실시예 2에서 제조된 코팅 조성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재를 제조하였다.

<실시예 7> 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재의 제조 3

실시예 3에서 제조된 코팅 조성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재를 제조하였다.

<실시예 8> 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재의 제조 4

실시예 4에서 제조된 코팅 조성물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재를 제조하였다.

<비교예 1>

용제형 비스페놀 A형 에폭시수지 (KD211GX75, 국도화학) 10 kg을 교반용기에 넣고, 메탈에틸케톤 5 L 및 아민경화제인 Jeffamine D230 1.5 kg을 더 첨가하였으며, 이를 100 rpm으로 6시간 교반하여 코팅제를 제조하였다.

<비교예 2>

수산화알루미늄 100g 및 용제형 비스페놀 A형 에폭시수지 (KD211GX75, 국도화학) 10 kg을 교반용기에 넣고, 메틸에틸케톤 5 L를 첨가하였다. 이 후, 아민경화제인 Jeffamine D230 1.5 kg을 더 첨가하였고, 이를 100 rpm으로 6시간 교반하여 코팅제를 제조하였다.

<비교예 3>

탄소 프리프래그를 이용하여 휠셋을 성형한 후 상기 비교예 1에서 제조된 코팅제를 분무기에 넣고 휠셋으로 분무하여 고르게 코팅하였다. 이 후, 80 ℃의 반응용 오븐에서 2시간 동안 반응시킨 후, 100 ℃의 온도에서 4시간, 120 ℃의 온도에서 2시간 동안 더욱 열처리하여 탄소복합소재를 제조하였다.

<비교예 4>

탄소 프리프래그를 이용하여 휠셋을 성형한 후 상기 비교예 2에서 제조된 코팅제를 분무기에 넣고 휠셋으로 분무하여 고르게 코팅하였다. 이 후, 80 ℃의 반응용 오븐에서 2시간 동안 반응시킨 후, 100 ℃의 온도에서 4시간, 120 ℃의 온도에서 2시간 동안 더욱 열처리하여 탄소복합소재를 제조하였다.

<실험예 1> 간접인장강도 시험

본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 코팅 조성물과 비교예 1 내지 2의 코팅제의 기계적 물성을 측정하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

실시예 1 내지 4의 코팅 조성물과 비교예 1 내지 2의 코팅제 각각을 직경 약 10 mm의 원통형 플라스틱 용기에 넣고 진공오븐을 이용하여 상온 및 진공 하에서 용매를 제거하였다. 이 후, 80 ℃의 반응용 오븐에서 2시간 반응시킨 후, 오븐의 온도를 더욱 상승시켜 100 ℃의 온도에서 4시간, 120 ℃의 온도에서 2시간 반응시켜 시료를 제조하였다. 제조된 시료를 직경 12 mm, 높이 6 mm의 디스크형 시편으로 만든 후, 만능시험기(Automated Material Testing System, Series IX, Instron)를 이용하여 시편의 간접인장강도를 측정하였다. 이때, 각 실험군에 대하여 6개의 시료를 측정하였고, 크로스헤드 속도는 1.0 mm/min이었으며, 간접인장강도 값은 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였다. 계산된 간접인장강도 값은 하기 표 1에 나타내었다.

시료명	간접인장강도 (MPa)
실시예 1	30.7 ± 2.3
실시예 2	29.6 ± 3.5
실시예 3	26.4 ± 2.4
실시예 4	25.7 ± 2.1
비교예 1	24.3 ± 1.1
비교예 2	23.7 ± 1.5

<수학식 1>

(상기 DTS는 간접인장강도(Diametral tensile strength, MPa)이고, P는 시편에 가해진 하중 (N)이고, D는 시편의 지름 (mm)이며, t는 시편의 두께 (mm)이다.)

표 1에 나타낸 바와 같이, 순수 에폭시수지로 제조된 비교예 1의 코팅제와 수산화알루미늄를 포함하는 비교예 2의 코팅제는 큰 차이 없이 거의 유사한 간접인장강도를 나타내었다. 반면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 코팅 조성물은 비교예들에 비하여 상대적으로 높은 간접인장강도를 나타내었다. 또한, 실란화 수산화알루미늄를 함유한 실시예 1 및 2의 코팅 조성물은 실란화 수산화마그네슘을 함유한 실시예 3 및 4의 코팅 조성물에 비해 상대적으로 높은 간접인장강도를 나타내었다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 코팅 조성물을 이용하여 기계적 강도가 우수한 코팅층을 제조할 수 있음을 확인하였고, 또한 실란화 수산화 알루미늄이 실란화 수산화 마그네슘보다 기계적 강도 향상 효과가 더 우수한 것을 확인하였다.

<실험예 2> 압축강도 시험

실시예 1 내지 4의 코팅 조성물과 비교예 1 내지 2의 코팅제 각각을 직경 약 10 mm의 원통형 플라스틱 용기에 넣고 진공오븐을 이용하여 상온 및 진공 하에서 용매를 제거하였다. 이 후, 80 ℃의 반응용 오븐에서 2시간 반응시킨 후, 오븐의 온도를 더욱 상승시켜 100 ℃의 온도에서 4시간, 120 ℃의 온도에서 2시간 반응시켜 시료를 제조하였다. 제조된 시료를 ASTM F451-86 규격에 의하여 직경 12 mm, 높이 24 mm 막대형 시편으로 제작하였고, 1.0 mm/min 크로스헤드 속도 및 1000.0 kgf의 load cell을 사용하여 압축강도를 측정하였다. 이때, 각 실험군에 대하여 6개의 시료를 측정하였고, 측정된 압축강도의 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

시료명	압축강도 (MPa)
실시예 1	89.3 ±2.7
실시예 2	87.6 ±1.7
실시예 3	84.6 ±2.8
실시예 4	83.4 ±3.2
비교예 1	79.8 ±2.1
비교예 2	80.5 ±1.9

표 2에 나타낸 바와 같이, 순수 에폭시수지로 제조된 비교예 1의 코팅제와 수산화알루미늄를 포함하는 비교예 2의 코팅제는 큰 차이 없이 거의 유사한 압축강도를 나타내었다. 반면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 코팅 조성물은 비교예들에 비하여 상대적으로 높은 압축강도를 나타내었다. 또한, 실란화 수산화알루미늄를 함유한 실시예 1 및 2의 코팅 조성물은 실란화 수산화마그네슘을 함유한 실시예 3 및 4의 코팅 조성물에 비해 상대적으로 높은 압축강도를 나타내었다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 코팅 조성물을 이용하여 기계적 강도가 우수한 코팅층을 제조할 수 있음을 확인하였고, 또한 실란화 수산화 알루미늄이 실란화 수산화 마그네슘보다 기계적 강도 향상 효과가 더 우수한 것을 확인하였다.

<실험예 3> 내마모성 시험

본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 코팅 조성물과 비교예 1 내지 2의 코팅제의 내마모성을 측정하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

실시예 1 내지 4의 코팅 조성물과 비교예 1 내지 2의 코팅제 각각을 직경 약 10 mm의 원통형 플라스틱 용기에 넣고 진공오븐을 이용하여 상온 및 진공 하에서 용매를 제거하였다. 이 후, 80 ℃의 반응용 오븐에서 2시간 반응시킨 후, 오븐의 온도를 더욱 상승시켜 100 ℃의 온도에서 4시간, 120 ℃의 온도에서 2시간 반응시켜 시료를 제조하였다. 제조된 시료를 직경 20 mm의 디스크형 시편으로 제조한 후, Williams 마모시험기를 이용하여 ISO 23794에 의거한 37 rpm으로 회전하는 연마 Disc(연마지)에 5.89 N의 하중을 가하며 상기 시편을 접촉시켜 내마모성 시험을 수행하였다. 시험편의 마모량은 10만 cycle 후의 무게 감소량으로 측정하였고, 시험회수는 5회를 행하였으며, 측정결과는 하기 표 3에 나타내었다.

시료명	무게 감소량 (mg)
실시예 1	212 ± 17
실시예 2	278 ± 26
실시예 3	391 ± 31
실시예 4	410 ± 39
비교예 1	763 ± 58
비교예 2	695 ± 52

표 2에 나타낸 바와 같이, 순수 에폭시수지로 제조된 비교예 1의 코팅제와 수산화알루미늄를 포함하는 비교예 2의 코팅제는 큰 차이 없이 거의 유사한 무게감소량을 나타내었다. 반면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 코팅 조성물은 비교예들에 비하여 상대적으로 낮은 무게감소량을 나타내었다. 또한, 실란화 수산화알루미늄를 함유한 실시예 1 및 2의 코팅 조성물은 실란화 수산화마그네슘을 함유한 실시예 3 및 4의 코팅 조성물에 비해 상대적으로 낮은 무게감소량을 나타내었다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 코팅 조성물을 이용하여 내마모성이 우수한 코팅층을 제조할 수 있음을 확인하였고, 또한 실란화 수산화 알루미늄이 실란화 수산화 마그네슘보다 내마모성 향상 효과가 더 우수한 것을 확인하였다.

<실험예 4> 자가냉각 시험

본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 코팅 조성물과 비교예 1 내지 2의 코팅제의 자가냉각성을 측정하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

실시예 1 내지 4의 코팅 조성물과 비교예 1 내지 2의 코팅제 각각을 직경 약 10 mm의 원통형 플라스틱 용기에 넣고 진공오븐을 이용하여 상온 및 진공 하에서 용매를 제거하였다. 이 후, 80 ℃의 반응용 오븐에서 2시간 반응시킨 후, 오븐의 온도를 더욱 상승시켜 100 ℃의 온도에서 4시간, 120 ℃의 온도에서 2시간 반응시켜 시료를 제조하였다. 제조된 시료를 직경 20 mm의 디스크형 시편으로 제조한 후, Williams 마모시험기의 연마 연마지에 5.89 N의 하중을 가하며 상기 디스크형 시편을 장착하고, 연마 디스크의 회전속도를 100 rpm으로 10분간 회전시킨 후, 적외선 온도계를 이용하여 시편의 온도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

시료명	표면온도 (℃)
실시예 1	56 ±6
실시예 2	58 ±5
실시예 3	74 ±8
실시예 4	72 ±5
비교예 1	92 ±6
비교예 2	51 ±7

표 4에 나타낸 바와 같이, 순수 에폭시수지로 제조된 비교예 1의 코팅제는 매우 높은 표면온도를 나타내어 자가냉각특성을 구비하지 못한 것으로 나타났고, 수산화알루미늄을 함유한 비교예 2의 코팅제는 상대적으로 가장 낮은 표면온도를 나타내어 자가냉각성이 매우 우수한 것으로 나타났다. 한편, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 코팅 조성물은 비교예들에 비하여 상대적으로 낮은 표면온도를 나타내었다. 또한, 실란화 수산화알루미늄를 함유한 실시예 1 및 2의 코팅 조성물은 실란화 수산화마그네슘을 함유한 실시예 3 및 4의 코팅 조성물에 비해 상대적으로 낮은 표면온도를 나타내어 자가냉각성이 더욱 우수한 것으로 나타났다. 이와 같이 표면온도가 낮아지는 것은 수산화 알루미늄 및 수산화 마그네슘과 같은 무기난연제가 물을 방출하여 시편의 온도를 낮추는 현상에 의하여 나타난다. 이때, 실란화 수산화알루미늄을 함유한 실시예 1 및 2의 코팅 조성물이 실란화 수산화마그네슘을 함유한 실시예 3 및 4의 코팅 조성물에 비해 표면온도가 더 낮은 것은 수산화알루미늄이 상대적으로 낮은 온도 (약 180 ℃)에서부터 물을 방출하기 때문이다. 또한, 비교예 2의 코팅제 내열성, 내마모성 같은 특성은 우수하지 않기 때문에 코팅제로써 적합하다고 볼 수 없다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 코팅 조성물을 이용하여 방열성이 우수한 코팅층을 제조할 수 있음을 확인하였고, 또한 실란화 수산화 알루미늄이 실란화 수산화 마그네슘을 사용하는 것보다 방열성이 더욱 우수한 것을 확인하였다.

Claims

실란화된 반응성 수산화 무기화합물 0.1 내지 3 중량%, 에폭시 수지 4 내지 25 중량%, 경화제 1 내지 5 중량% 및 잔부 용제를 포함하는 코팅조성물.
제1항에 있어서, 상기 실란화된 반응성 수산화 무기화합물은 아미노 실란화 수산화알루미늄, 에폭시 실란화 수산화알루미늄, 아미노 실란화 수산화 마그네슘 및 에폭시 실란화 수산화 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 일종인 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 비스페놀계 에폭시 수지 또는 노볼락(novolac) 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
제1항에 있어서, 상기 경화제는 아민계 수지 또는 폴리아미도아민(polyamidoamine) 수지인 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
제1항에 있어서, 상기 용제는 메틸에틸케톤(methylethylketone)인 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
반응성 수산화 무기화합물을 실란화 반응시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 및 에폭시 수지를 용제에 첨가하고 교반하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2의 실란화된 반응성 수산화 무기화합물 및 에폭시 수지가 첨가된 혼합물에 경화제를 첨가하고 교반하는 단계(단계 3)를 포함하는 코팅 조성물의 제조방법.
제1항의 코팅 조성물이 표면에 코팅되어 내마모성 및 내열성이 우수한 탄소복합소재.
제7항에 있어서, 상기 탄소복합소재는 자전거 프레임 또는 휠셋인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재.