KR101371582B1 - 금속 기와의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법은, (a) 금속 판재를 이용하여 금속 베이스판을 성형하는 단계와, (b) 금속 베이스판의 표면에 접착액을 도포하고 이에 광물질을 부착하여 금속 베이스판의 표면에 광물질 코팅층을 형성하는 단계와, (c) 금속 베이스판에 형성된 광물질 코팅층을 열을 가하여 큐어링하는 단계를 포함하고, 접착액은 주 모노머로 2-EHA(2-Ethyl hexyl acryalte) 및 MMA(Methacrylic acid)와, 계면 활성제와, 기능성 모노머로 N-MAM-P(N-Methylol acrylamide, 50%) 및 인산염기(Phosphate group) 함유 모노머를 포함하고, (c) 단계의 큐어링 공정에서 큐어링 온도를 50℃에서 5분 동안 유지하고, 70℃에서 120분 동안 유지하며, 130℃에서 5분 동안 유지하여 광물질 코팅층을 큐어링하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법은 종래에 비해 낮은 큐어링 온도에서 단축된 시간 동안 금속 베이스판에 코팅된 광물질을 큐어링할 수 있다.

Description

금속 기와의 제조방법{Method for manufacturing metal roofing tile}

본 발명은 금속 기와의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 돌가루 등의 광물질이 접착액을 통해 금속 베이스판에 코팅되어 이루어진 금속 기와의 제조방법에 관한 것이다.

금속기와는 주택 등의 지붕 마감에 사용하는 건축자재이다. 이러한 금속기와는 금속판을 기와 또는 이에 가까운 모양으로 접어 굽혀 금속 베이스판을 마련하고, 이에 방식 도장을 한 후 표면에는 광물질 입자를 코팅하여 제조한다.

금속기와 이외에 지붕 마감에 사용하는 건축자재로는 전통기와(오지기와)와 아스팔트 슁글이 있다. 오지기와는 점토를 건조하여 약 1200℃의 고열로 구워낸 것으로, 심한 기후 변화에도 변형이 거의 없으며, 높은 에너지 효율을 갖는다는 장점이 있다. 그러나 오지기와는 무겁고 깨지기 쉬우며, 제조 비용이 높은 단점이 있다. 아스팔트 슁글은 아스팔트 펠트에 아스팔트를 침투시킨 후 무기질 유리섬유로 융화시켜 안료로 광물성 가루 또는 채색 돌입자를 입힌 지붕재이다. 아스팔트 슁글은 중심부의 유리 섬유 매트의 강도 부족과 컬링(Curling), 크래킹(Cracking), 스플리팅(Splitting) 등에 의해 구부러지거나 째지는 문제가 있다. 또한 외부 온도변화에 따른 수축팽창 능력 상실과 태양열과 온도 변화에 따른 경화현상으로 깨지기 쉽다. 더욱이, 오지기와나 아스팔트 슁글은 내구연한이 짧고, 보수하거나 교체할 때 환경 폐기물의 발생 등으로 인해 폐기물 처리의 어려움이 있다.

이러한 기존 지붕재의 단점으로 인해 최근의 지붕재 시장에서는 리사이클링이 가능하고 친환경적이며 내구연한이 20년 이상으로 긴 금속기와에 대한 관심이 커지고 있다. 또한 금속기와는 경제적이면서도 내구성 및 시공성이 좋아 세계적으로 그 시장규모가 매년 20% 이상씩 증가하고 있고, 국내에서도 최근 전원주택의 보급 증가와 함께 판매가 증가하고 있는 추세이다.

통상적으로 금속기와는 강판을 프레스 등을 이용하여 기와형상으로 성형한 금속 베이스판에 접착액을 이용하여 돌가루 등의 광물질을 접착한 후, 이를 고온에서 큐어링(Curing)하여 제조한다.

금속기와가 다른 지붕 마감재에 비해 갖는 주요 장점은 저렴한 가격이다. 그러나 최근 원자재 가격과 에너지 비용의 상승으로 금속기와의 제조 원가가 상승하고 있어, 금속기와 제조 업체는 금속기와의 품질을 유지하면서 제조 비용을 줄이기 위한 다양한 노력을 기울이고 있다.

이와 같은 금속기와에 접착액을 이용하여 광물질을 코팅하는 공법이 많이 사용된다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 금속 기와의 제조 공정 중 큐어링 공정을 개선하여 에너지 사용량을 줄임으로써, 제조 비용을 절감할 수 있는 금속 기와의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법은, (a) 금속 판재를 이용하여 금속 베이스판을 성형하는 단계와, (b) 상기 금속 베이스판의 표면에 접착액을 도포하고 이에 광물질을 부착하여 상기 금속 베이스판의 표면에 광물질 코팅층을 형성하는 단계와, (c) 상기 금속 베이스판에 형성된 상기 광물질 코팅층을 열을 가하여 큐어링하는 단계를 포함하고, (b) 단계에서 상기 접착액은 주 모노머로 2-EHA(2-Ethyl hexyl acryalte) 및 MMA(Methacrylic acid)와, 계면 활성제와, 기능성 모노머로 N-MAM-P(N-Methylol acrylamide, 50%) 및 인산염기(Phosphate group) 함유 모노머를 포함하는 수성 아크릴계 접착액이고, 상기 (c) 단계의 큐어링 공정에서 큐어링 온도를 50℃에서 5분 동안 유지한 후, 70℃에서 120분 동안 유지하였다가, 130℃에서 5분 동안 유지하여 상기 광물질 코팅층을 큐어링하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c) 단계의 큐어링 공정에서 상기 큐어링 온도를 상온에서 50℃까지 15분 동안 상승시키고, 50℃에서 70℃까지 25분 동안 상승시키며, 70℃에서 130℃까지 25분 동안 상승시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법은 낮은 온도에서 작용하는 접착액을 이용하여 금속 베이스판에 광물질을 코팅하고, 종래에 비해 낮은 큐어링 온도에서 단축된 시간 동안 금속 베이스판에 코팅된 광물질을 큐어링함으로써, 큐어링 공정에서의 에너지 소비량을 크게 줄일 수 있다.

또한 큐어링 공정에서 전기, 등유, LPG 등의 연료를 적게 사용함으로써, 제조시 탄소나 환경 오염물질의 배출량을 줄일 수 있어 친환경적이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 금속 기와의 제조방법을 이용한 금속 기와 제조 공정을 단계별로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 금속 기와의 제조방법의 큐어링 공정에서의 최적화된 큐어링 온도 제어 프로그램을 개발하기 위해 제작한 금속기와 테스트 샘플을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 금속 기와의 제조방법의 큐어링 공정에서의 최적화된 큐어링 온도 제어 프로그램을 나타낸 것이다.
도 4는 종래의 큐어링 공정에서의 큐어링 온도 제어 프로그램을 나타낸 것이다.
도 5는 도 3에 나타낸 큐어링 온도 제어 프로그램의 의한 큐어링 공정을 거친 금속기와 테스트 샘플을 물에 담가 중탕한 후의 모습을 나타낸 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의 된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일실시예에 의한 금속 기와의 제조방법은 도 1에 나타낸 것과 같이, 금속 베이스판 성형 공정(S10)과, 접착액을 이용한 광물질 부착 공정(S20)과, 광물질이 부착된 금속 베이스판에 열을 가하여 광물질을 고정하는 큐어링 공정(S30)을 포함한다. 금속 베이스판은 갈바륨(알루미늄 55% + 아연 45%) 도금 강판 등의 금속판재를 프레스 가공하여 제조하고, 광물질로는 화산석 돌가루에 안료로 색상을 입힌 돌가구 등이 이용될 수 있다. 여기에서, 접착액은 금속 베이스판의 표면에 도포되어 광물질을 금속 베이스판 표면에 고정하는 역할을 한다.

본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법은 제조 공정 중에서 큐어링 공정(S30)을 개선하여 제조 단가를 절감한 것으로, 구체적으로 큐어링 온도를 낮추고 큐어링 시간을 단축함으로써 열 발생을 위한 전기, 등유, LPG 등의 연료 소비량을 줄인 것이다. 큐어링 온도와 큐어링 시간은 광물질의 접착력에 큰 영향을 주는 공정 조건으로, 이들 공정 조건이 충족되지 못하면 광물질의 접착력이 약해져 제품의 품질이 떨어지게 된다. 따라서, 광물질의 접착력을 일정 수준 이상 유지하면서 큐어링 공정을 개선하기 위해서는 광물질이 부착된 금속 베이스판에 대한 큐어링 온도 제어에 대한 개선과 함께, 광물질을 금속 베이스판에 접착하는 접착액에 대한 개선이 필요하다.

앞서 설명한 것과 같이, 광물질을 금속 베이스판에 부착하는 접착액은 금속 베이스판의 표면에 도포되어 광물질을 금속 베이스판에 고정하는 것이므로, 금속 베이스판과 광물질과의 강한 접착력이 요구되며, 고온에서 경화되는 특성을 갖춰야 한다. 이러한 접착액은 큐어링 공정 시 광물질의 접착력에 영향을 주므로, 큐어링 공정의 개선을 위해서는 낮은 온도에서 작용하여 광물질을 금속 베이스판에 안정적으로 접착할 수 있는 접착액이 필요하다.

접착액은 금속 베이스판과 광물질과의 강한 접착력이 중요한 요구 물성이므로 건조시 표면으로 노출되어 물성에 악영향을 미치는 계면활성제의 종류와 적절한 사용량의 선택, 접착력을 좌우하는 아크릴계 주 모노머(Monomer)의 선택, 소량이 적용되는 것이나 건조 시간과 경화도 및 내열성, 접착력에 영향을 주는 기능성 모노머, 관능기 모노머 및 첨가제의 선택과 적용이 중요하다. 본 출원인은 접착액을 구성하는 구성 성분의 종류와 조성비를 적절히 선택하여 다양한 조성의 접착액 샘플을 제조하고, 제조된 접착액 샘플 중에서 낮은 온도에서 작용하면서 높은 접착력을 갖는 최적 조성비의 접착액을 개발하였다.

접착액 샘플은 에멀젼 라디칼 중합을 이용하여 제조하였다. 라디칼 중합 방법은 크게 벌크 중합, 용액 중합, 에멀젼 중합, 현탁 중합의 4가지 형태로 분류될 수 있는데, 이 중에서 에멀젼 중합은 다른 중합 방법과 달리 물을 기본 베이스로 하므로, 폭발의 위험성이 없고, 인체에 무해한 친환경적인 중합 방법이다.

아래의 [표1]은 제조한 접착액 샘플들에 대한 구성 성분 및 조성비를 나타낸 것이다.

위의 [표1]에 나타낸 것과 같은 접착액 샘플 제조에 있어서, 건조 시간과 경화도 및 내열성, 접착력에 영향을 주는 기능성 모노머로 가교 온도를 낮추기 위해 N-메틸올아크릴아마이드(N-MAM-P)보다 낮은 온도에서 가교가 이루어지는 가교 모노머인 Monomer-b를 적용해 보았으나, 중합도가 떨어져 접착력이 낮아지는 문제가 발생하였다. 따라서, Gelation 및 가교도를 고려하여 N-메틸 올아크릴아마이드(N-MAM-P)를 단독으로 1.5% 내외로 적용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 접착제는 가열을 통해 분자와 분자간에 공유 결합이나 이온 결합처럼 완전한 화학 결합이 형성되는 가교 반응이 진행됨으로써 경화하게 된다. 본 발명은 접착제의 성분과 조성비를 조정함으로써 접착제의 가교 반응이 일어나는 가교 온도를 낮출 수 있다.

아래의 [표2]은 [표1]에 나타낸 접착액 샘플 각각에 대한 Lab 테스트 결과를 나타낸 것이다. Lab 테스트에 있어서, 가교 온도는 통상의 가교 온도(대략 160℃)보다 낮은 130℃로 하고, 그 이외의 실험 조건은 동일하게 하여 진행한 것이다. 아래 [표2]에서 접착력은 금속 베이스판과 접착액 샘플 간의 접착력을 나타내고, 가교온도는 가교 반응이 일어난 접착액 샘플의 응집성 정도를 나타낸다. 안정성은 130℃에서 가교 반응시킨 후의 테스트 샘플의 안정성으로, 가교 반응 후 테스트 샘플의 부풀어 오름 현상이 있는지 없는지를 나타낸다. 구체적으로, 좋음(○)은 부풀어 오름이 없는 경우이고, 중간(△)은 육안으로 확인이 힘들 정도의 미세한 부풀어 오름이 1~2개 나타나는 경우이며, 나쁨(×)은 육안으로 확인할 수 있는 부풀어 오름 발생 또는 미세 부풀어 오름이 3개 이상 나타나는 경우이다.

(○: 좋음, △: 중간, ×: 나쁨)

[표2]에 나타낸 것과 같이, 각각의 접착액 샘플에 대한 테스트 결과, 접착액 샘플 #7이 낮은 가교 온도에서 높은 접착력을 발휘하여 가장 우수한 특성을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 바람직한 접착액으로는 증류수 52.1%, 계면 활성제인 Anion(소듐라우릴설페이트; Sodium lauryl sulfate)과 Nonion(엔피 불포함 유형; NP free type)이 각각 2.0% 및 0.4%, 개시제로 APS(Ammonium persulfate)와 SBS(Sodium metabisulfate)가 각각 0.2% 및 0.1%, 주 모노머로 2-에틸헥실아크릴레이트(2-EHA; 2-Ethyl hexyl acrylate), 메틸메타크릴레이트(MMA; Methyl Metha Acrylate)가 각각 19.8% 및 21.8%, 기능성 모노머로 엔-메틸올아크릴아미드-피(N-MAM-P; N-Methylol acrylamide, 50%)와 Monomer-a(인산기(Phosphate group) 함유 모노머)가 각각 1.5% 및 1%, 관능기 모노머로 아크릴산(AA; Acrylic acid)가 1.1%, 소포제가 0.1%, 첨가제가 1% 함유된 아크릴계 접착액인 것으로 나타났다. 여기에서, 기능성 모노머인 Monomer-a는 인산염기(Phosphate group) 함유 모노머로, 인산염기는 아크릴 모노머에 극성을 띠게 하여 금속나 유리 등과 무기물질에 접착력을 높여주는 역할을 한다. 그리고 첨가제는 멜라민수지(Melamine resin)로, 이는 가교 온도를 낮추었을 때 접착제와 금속 베이스판의 접착력을 강화시키고 접착제의 표면강도를 강화시켜주는 역할을 한다.

큐어링 공정에 대한 개선은 낮은 온도에서 반응하는 접착액의 개발과 함께, 근본적으로는 광물질의 접착력을 일정 수준 이상으로 유지하면서 큐어링 온도를 낮추고 큐어링 시간을 줄이는 것이다. 광물질의 접착력을 일정 수준 이상으로 유지하면서 큐어링 온도를 낮추고 큐어링 시간을 줄이기 위해서는, 시간에 따른 최적화된 큐어링 온도 제어가 필요하다.

본 출원인은 이를 위해 앞서 설명한 것과 같은 접착액 샘플 #7을 이용하여 도 2에 나타낸 것과 같은 금속기와 테스트 샘플을 제작하고, 이를 이용하여 큐어링 공정에서의 최적화된 온도 제어 프로그램을 개발하였다. 도 2에 나타낸 금속기와 테스트 샘플은 접착액 샘플 #7 50kg에 탄산칼슘 10kg과, 안료 200g과, 증점제 50g을 배합하고, 이를 이용하여 금속 베이스판에 광물질을 코팅하여 만든 것이다. 여기에서, 금속 베이스판으로는 갈바륨 강판(KS D 3770, 용융 55% 알루미늄 아연 합금 도금 강판)이 이용되었고, 광물질로는 화산석 돌가루에 안료로 색상을 입힌 돌가루가 이용되었다.

금속기와 테스트 샘플을 이용하여 찾아낸 큐어링 공정에서의 시간에 따른 최적화된 온도 제어 프로그램은 도 3에 나타낸 것과 같다. 이러한 본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법의 온도 제어 프로그램은 도 4에 나타낸 종래의 온도 제어 프로그램과 비교하여, 큐어링 온도를 낮추고, 온도 상승 시간을 늘렸으며, 정체 기간을 줄인 것이다. 이러한 큐어링 온도 제어 프로그램은 종래에 비해 낮은 큐어링 온도에도 불구하고 큐어링 공정에서 갑작스런 온도 상승으로 인한 광물질 코팅층의 표면 박리 현상을 줄이고, 광물질 코팅층의 접착력을 일정 수준 이상 유지할 수 있도록 해준다.

도 5는 금속기와 테스트 샘플을 본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법의 큐어링 온도 제어 프로그램을 이용하여 큐어링하고, 이를 100℃ 물에 담가 1시간 동안 중탕한 후의 사진이다. 도 5를 참고하면, 날카로운 도구로 광물질 코팅층의 일부를 제거하더라도 도구와 접촉한 부분만 광물질 코팅층이 벗겨지고 그 주변 부분의 코팅층은 벗겨지지 않고 유지되는 것을 통해 광물질 코팅층의 박리 현상은 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의한 금속 기와의 제조방법은 낮은 온도에서 작용하는 접착액을 이용하여 금속 베이스판에 광물질을 코팅하고, 종래에 비해 낮은 큐어링 온도에서 단축된 시간 동안 금속 베이스판에 코팅된 광물질을 큐어링함으로써, 큐어링 공정에서의 에너지 소비량을 크게 줄일 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (6)

1. (a) 금속 판재를 이용하여 금속 베이스판을 성형하는 단계;
   (b) 상기 금속 베이스판의 표면에 접착액을 도포하고 이에 광물질을 부착하여 상기 금속 베이스판의 표면에 광물질 코팅층을 형성하는 단계; 및
   (c) 상기 금속 베이스판에 형성된 상기 광물질 코팅층을 열을 가하여 큐어링하는 단계;를 포함하고,
   상기 (b) 단계에서 상기 접착액은 주 모노머로 2-에틸헥실아크릴레이트(2-EHA; 2-Ethyl hexyl acrylate) 및 메틸메타크릴레이트(MMA; Methyl Metha Acrylate)와, 계면 활성제와, 기능성 모노머로 엔-메틸올아크릴아미드-피(N-MAM-P; N-Methylol acrylamide, 50%) 및 인산염기(Phosphate group) 함유 모노머를 포함하는 수성 아크릴계 접착액이고,
   상기 (c) 단계의 큐어링 공정에서 큐어링 온도를 50℃에서 5분간 유지한 후, 70℃에서 120분간 유지하였다가, 130℃에서 5분간 유지하여 상기 광물질 코팅층을 큐어링하는 것을 특징으로 하는 금속 기와의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (c) 단계의 큐어링 공정에서 상기 큐어링 온도를 상온에서 50℃까지 15분 동안 상승시키고, 50℃에서 70℃까지 25분 동안 상승시키며, 70℃에서 130℃까지 25분 동안 상승시키는 것을 특징으로 하는 금속 기와의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 계면 활성제는 소듐라우릴설페이트(Sodium lauryl sulfate)와 엔피 불포함 유형(NP free type)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기와의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 접착액은 관능기 모노머로 아크릴산(AA; Acrylic acid)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기와의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 접착액은 멜라민수지(Melamine resin)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기와의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 베이스판은 갈바륨(알루미늄 55% + 아연 45%) 도금 강판이고, 상기 광물질은 화산석 돌가루에 안료로 색상을 입힌 돌가루인 것을 특징으로 하는 금속 기와의 제조방법.

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