KR101440349B1 - 셀프-힐링 강구조물 도장공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀프-힐링 강구조물 도장공법에 관한 것으로 강구조물 표면의 이물질을 제거하기 위하여 그라인딩 또는 폴리싱 처리하는 단계; 그라인딩 또는 폴리싱 처리된 강구조물의 표면을 고압수로 세척하는 단계; 고압수로 세척된 강구조물 표면에 폴리비닐 부틸알 수지, 유기실란, 붕산염 화합물, 폴리포스페이트, 인산, 페놀수지 및 금속분말을 포함하는 프라이머를 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계; 및 프라이머층 상면에 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 지환족계 아민화합물, 탄화규소, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유, 무기섬유, 수성바인더, 수산화알루미늄 및 황산바륨으로 이루어진 셀프-힐링 조성물을 도포하여 셀프-힐링층을 형성하는 단계;를 포함함으로써, 강구조물에 도포된 셀프-힐링층이 일부 부식에 취약한 부위와 연결판의 겹친 부위의 도막두께를 보완하여 도막의 균열을 완화시키고 열화인자를 차단하는 탁월한 효과를 가지고 있다.

Description

셀프-힐링 강구조물 도장공법{Painting method of steel structure for self healing}
본 발명은 자기치유작용이 가능한 조성물을 강구조물에 도포하는 강구조물의 도장공법에 관한 것이다.
비철금속이나 철재 구조물 등의 강구조물의 표면은 부식이나 침식 등의 원인으로 산화가 서서히 이루어져 이를 이용한 구조물의 내구성이 저하되어 내구년한이 짧은 경향이 있다.
특히, 해안지구, 공장지구 또는 대기오염지구와 같이 부식원인 인자가 많이 존재하는 지역의 강구조물은 해염입자 또는 산성비에 의한 부식이 우려된다. 강구조물을 이루는 강재는 산소와 수분에 의하여 자연적으로 부식이 진행되기도 하지만, 여기에 해염이나 제빙에 사용되는 염 또는 산성물질에 의하여 부식의 진행이 가속화되기도 한다.
이에 강구조물의 표면에 도막을 형성시켜 부식과 침식을 방지하는 다양한 방법이 사용되어 왔으나, 구조물의 구조적인 수명에 비하여 도막의 수명이 짧으므로 유지 및 보수과정을 거쳐야 하는 번거로움이 있다.
또한, 종래의 도막 조성물 기술은 제품 자체의 물성은 우수하지만 강구조물을 산화 또는 부식시켜 도막이 박리되거나 크랙이 발생하는 문제점이 있으며, 도막이 투수성 및 통기성이 있어서 습기가 도막에 침투되어 금속을 산화시키는 문제점이 있다.
또한, 비철금속면에서는 도료가 피도체에 젖어야 접착성이 발현되지만 젖지 못하여 박리되는 문제가 있으며, 기온의 변화에 금속의 수축과 팽창에서 오는 신율을 도막이 흡수하여야 하지만 경질성이라서 흡수를 못하여 크랙이 발생하거나 박리되는 문제가 있다.
또한, 자외선에 의한 내후성이 우수하지 못하여 산화로 인한 침식 또는 부식이 발생하는 문제점이 있으며, 내열성이 낮아 하절기에 높은 열에 산화를 촉진하는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 산업의 발달로 아황산가스, 암모니아가스 등의 각종 가스에 노출 시 내약품성이 떨어져 강구조물이 산화되는 문제가 있으며, 내한성이 약하여 기온이 영하로 지속되면 수축으로 인하여 크랙이 발생하는 문제가 있다.
상기와 같은 종래 도료 조성물의 문제점으로 인하여 강구조물의 내구년한이 감소하므로, 이러한 도료 조성물의 품질을 개선시켜 도장을 하는 방법이 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2008-0094427호 한국등록특허 제1170794호 한국등록특허 제0918615호 한국등록특허 제1007507호
본 발명의 목적은 자기치유작용(셀프-힐링)이 가능한 조성물을 이용하는 강구조물의 도장공법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 셀프-힐링 강구조물 도장공법은 강구조물 표면의 이물질을 제거하기 위하여 그라인딩 또는 폴리싱 처리하는 단계; 상기 그라인딩 또는 폴리싱 처리된 강구조물의 표면을 고압수로 세척하는 단계; 상기 고압수로 세척된 강구조물 표면에 폴리비닐 부틸알 수지, 유기실란, 붕산염 화합물, 폴리포스페이트, 인산, 페놀수지 및 금속분말을 포함하는 프라이머를 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계; 및 상기 프라이머층 상면에 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 지환족계 아민화합물, 탄화규소, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유, 무기섬유, 수성바인더, 수산화알루미늄 및 황산바륨을 포함하는 셀프-힐링 조성물을 도포하여 셀프-힐링층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 프라이머는 폴리비닐 부틸알 수지 100 중량부에 대하여 유기실란 5 내지 20 중량부, 붕산염 화합물 30 내지 200 중량부, 인산 5 내지 40 중량부, 페놀수지 50 내지 200 중량부 및 금속분말 20 내지 100 중량부를 포함할 수 있다.
상기 셀프-힐링 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 폴리그리시딜화합물 1 내지 20 중량부, 실리카 1 내지 30 중량부, 지르코늄 10 내지 40 중량부, 알루미나 10 내지 40 중량부, 지환족계 아민화합물 40 내지 80 중량부, 탄화규소 5 내지 20 중량부, 무기질계 규소수지 10 내지 30 중량부, 아연 또는 산화철 10 내지 30 중량부, 유기섬유 1 내지 20 중량부, 무기섬유 5 내지 40 중량부, 수성바인더 20 내지 80 중량부, 수산화알루미늄 5 내지 20 중량부 및 황산바륨 1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
상기 에폭시 수지는 비스페놀 F형 에폭시수지 10 내지 20 중량%, 노블락 에폭시수지 20 내지 30 중량%, 다이머 지방산 변성타입 에폭시수지 25 내지 35 중량% 및 실리케이트 변성 에폭시수지 30 내지 45 중량%를 포함할 수 있다.
상기 유기섬유는 섬유질 상태로 파쇄한 종이 분쇄물, 목재분 및 식물성 화이버로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며; 무기섬유는 암면, 글라스울, 혐누암면 및 세리믹울로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 수성바인더는 우레탄아크릴레이트 수지 10 내지 45 중량% 및 수성 아크릴레이트 수지 55 내지 90 중량%로 이루어질 수 있다.
상기 수성바인더는 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 지환족계 아민화합물, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유 및 무기섬유 혼합물과 1: 2-5 중량비로 혼합될 수 있다.
상기 셀프-힐링 조성물은 강도 증진재를 더 포함할 수 있으며, 강도 증진재는 규조토, 규회석, 마이카, 탄산칼슘, 펄라이트 및 일라이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 셀프-힐링 조성물을 이용한 강구조물 도장공법은 강구조물에 도포된 셀프-힐링층이 일부 부식에 취약한 부위와 연결판의 겹친 부위의 도막두께를 보완하여 도막의 균열을 완화시키고 열화인자를 차단하는 탁월한 효과를 가지고 있다.
또한, 자기치유작용(셀프-힐링)이 가능하여 약간의 도막 탈락 또는 크랙 등은 스스로 치유가 가능하므로 도막의 수명이 길어져 강구조물의 내구연한을 연장시킴으로써 유지관리 비용을 최소화할 수 있다.
또한, 정전기가 감소되어 분진 등의 이물질이 도막에 부착되는 것을 방지하므로 내구성이 향상되며, 내구성 및 내화학성이 획기적으로 향상되므로 강구조물이 산성비 또는 아황산가스 등으로 부식되거나 침식되는 것을 방지할 수 있고, 방청성, 내충격성, 열차단성, 노화방지성, 내후성 등이 우수하다.
뿐만 아니라, 휘발성물질의 방출을 억제하므로 친환경적이며, 일반적으로 도막과 접착성이 약한 부분인 용접부위, 도금면 또는 비철금속면과 셀프-힐링 도막이 우수한 접착성을 보인다.
본 발명은 자기치유작용(셀프-힐링)이 가능한 조성물을 이용하는 강구조물의 도장공법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 셀프-힐링 강구조물 도장공법은 강구조물(비철금속 및 철재 구조물) 표면의 이물질을 제거하기 위하여 그라인딩 또는 폴리싱 처리하는 단계; 상기 그라인딩 또는 폴리싱 처리된 강구조물의 표면을 고압수로 세척하는 단계; 상기 고압수로 세척된 강구조물 표면에 폴리비닐 부틸알 수지, 유기실란, 붕산염 화합물, 폴리포스페이트, 인산, 페놀수지 및 금속분말을 포함하는 프라이머를 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계; 및 상기 프라이머층 상면에 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 지환족계 아민화합물, 탄화규소, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유, 무기섬유, 수성바인더, 수산화알루미늄 및 황산바륨을 포함하는 셀프-힐링 조성물을 도포하여 셀프-힐링층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 강구조물은 표면이 산화되기 쉬워 녹이 존재하는 것이 일반적이므로 도장 전에 녹을 제거하여야 한다. 또한 강구조물의 도장은 시공직후에 이루어지기도 하지만, 오랜 시간이 경과한 후에 재도장을 하는 경우도 있으므로 강재 표면의 이물질과 녹을 제거하는 과정이 중요하다. 강구조물의 표면에서 이물질과 녹을 제거하는 과정은 그라인딩이나 폴리싱 처리에 의한다. 그라인딩이나 폴리싱은 모두 이물질이나 녹으로 오염된 강재의 표면을 일정 깊이로 깍아내는 공정이다.
다음으로, 상기 그라인딩 또는 폴리싱 처리된 강구조물의 표면을 고압수로 세척한다. 상기 그라인딩 또는 폴리싱 처리된 강구조물의 표면에는 그라인딩 또는 폴리싱 처리 과정에서 발생된 녹 또는 강구조물의 분말이 남아 있으므로 프라이머층의 형성 전에 이들이 제거되어야 한다. 이 과정은 고압수에 의한 세척에 의하여 수행될 수 있는데, 고압수 세척에 사용되는 압력은 300 내지 500 bar의 범위에서 적절하게 선택될 수 있다.
또한, 상기 그라인딩이나 폴리싱 처리 후에도 강구조물의 표면에 녹이 일부 남아 있을 수 있다. 이러한 경우 잔류 녹은 강구조물과 셀프-힐링 조성물의 접착력을 약화시켜 도막의 내구성을 저하시키는 원인이 될 수 있으므로 그라인딩이나 폴리싱 처리 후에 화학적인 처리를 통하여 잔류 녹을 추가로 제거하는 단계가 포함될 수 있다. 화학적인 처리를 통해 녹을 제거하기 위해 사용되는 녹 제거제는 혼합산, 겔화제(gelation agent), 분산제 및 물을 포함한다. 혼합산은 염산, 인산, 글루코산 및 옥살산으로 이루어지며 녹을 제거하는 유효성분이다. 겔화제는 수직면의 강구조물에 녹 제거제가 효과적으로 도포될 수 있도록 녹 제거제에 일정 점도를 부여하는 역할을 수행하는데, 상용화된 겔화제로 Carbopol 934(BF Goodrich, USA) 등이 사용될 수 있다. 분산제는 녹 제거제의 유효성분과 겔화제 등이 균일하게 분산될 수 있도록 하는 역할을 수행하며, 트리에타놀아민(triethanolamine, TEA) 등이 사용될 수 있다. 이때, 녹 제거제는 물 100 중량부에 대하여 혼합산 8 내지 15중량부, 겔화제 0.5 내지 2 중량부 및 분산제 0.5 내지 2 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 혼합산의 함량이 8 중량부 미만인 경우에는 녹의 제거 효율이 떨어지고, 15 중량부 초과인 경우에는 산성이 강하여 작업 안전성이 낮아진다. 또한, 겔화제의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우에는 녹 제거제의 점도가 지나치게 낮아서 작업성이 낮아지고, 2 중량부 초과인 경우에는 점도가 지나치게 높아서 또한 작업성이 낮아진다. 또한, 분산제의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우에는 효과적인 분산이 이루어지지 않고, 2 중량부 초과인 경우에는 경제성이 낮아진다. 상기 혼합산은 옥살산 100 중량부에 대하여 염산 20 내지 40 중량부, 인산 70 내지 90 중량부 및 글루코산 40 내지 50 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기의 조성범위에서 효과적인 녹의 제거가 이루어지며, 녹 제거제는 도포된 후 1시간 내지 3시간이 경과한 후에 제거되는 것이 바람직한데, 그라인딩 또는 폴리싱 처리의 정도에 따라 녹의 잔류량이 달라지므로 그라인딩 또는 폴리싱의 처리 정도에 따라 녹 제거제의 잔류시간을 적절히 조절할 수 있다. 녹 제거제는 수용성 성분으로 이루어져 있으므로, 고압수를 이용하여 제거할 수 있다.
다음으로, 물리적인 처리 또는 선택적으로 물리적인 처리와 화학적인 처리로 이물질 및 녹이 제거된 강구조물의 표면에 프라이머층을 형성한다. 강구조물에 크랙과 같은 균열이 발생한 경우에는 선택적으로 균열부분에 탄성 퍼티재를 도포할 수도 있는데, 탄성 퍼티재는 강구조물의 크랙 부분에 채워져 균열 발생 초기 대응의 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에 사용되는 프라이머는 프라이머층을 형성하기 위해 사용되는 강구조물 도장의 하도재료로서 크롬산아연 안료나 무수크롬산과 같은 유해물질을 포함하고 있지 아니하여, 도장작업자의 안전이 보장되는 친환경성 프라이머이다. 또한, 상기 프라이머는 유기실란을 포함하고 있는데, 유기실란은 일반적으로 R-Si(OR')3의 구조식으로 표현될 수 있고, 이때 R은 에폭시, 아크릴, 비닐과 같은 유기그룹을 나타내며, R'는 메틸, 에틸의 알코올기를 나타낸다. 알콕시 그룹(OR')3은 수화반응을 통하여 피막을 형성할 수 있는 R-Si(OH)3의 실라놀을 형성하고 금속표면에 실록산의 유기피막을 형성한다. 실란은 주로 부착성을 향상하는데 효과가 있으나, 부식억제 효과가 시간경과에 따라 급격히 열화되는 경향이 있으므로, 본 발명에서는 하도재료로 사용하였다.
프라이머는 폴리비닐 부틸알 수지 100 중량부에 대하여 유기실란 5 내지 20 중량부, 붕산염 화합물 30 내지 200 중량부, 인산 5 내지 40 중량부, 페놀수지 50 내지 200 중량부 및 금속분말 20 내지 100 중량부를 포함한다. 상기 폴리비닐 부틸알 수지로는 평균중합도 약 500 내지 1,000, 부틸화도 57 내지 70 몰%인 것을 들 수 있다. 상기 유기실란으로는 아미노 메틸트리메톡시실란, 아미노메틸에톡시실란, N-(β-아미노에틸) 아미노메틸트리메톡시실란, 아미노메틸디에톡시실란, N-(아미노에틸) 아미노메틸트리부톡시실란 등을 들 수 있다. 상기 붕산염 화합물로는 붕산아연(2ZnO·3B2O3·5H2O), 붕산바륨(BaB2O4·H2O), 붕산칼슘(CaCo·B2O3·5H2O), 4붕산칼륨(K2B4O7·5H2O), 4붕산칼슘(CaB4O7·6H2O), 4붕산나트륨(Na2B4O7), 4붕산바륨(BaB4O7), 4붕산망간(MnB4O7·8H2O), 4붕산아연(ZnB4O7), 4붕산리티움(Li2B4O7), 메타붕산마그네슘(Mg2B2O4·8H2O), 올소붕산알루미늄(Al2O3·B2O3) 등이 사용될 수 있다. 상기 페놀수지로는 평균 분자량이 약 100 내지 1,000 정도인 것을 들 수 있다. 상기 금속분말은 약 500 내지 180 메쉬 크기의 알루미늄, 아연, 마그네슘, 주석, 실리콘 또는 구리를 들 수 있다.
상기 프라이머의 조성은 방식성과 셀프-힐링 조성물과의 밀착성을 고려한 것으로, 상기 조성범위를 벗어나면 방식성이 낮아질 수 있다. 또한 페놀수지의 함량이 200 중량부를 초과인 경우에는 셀프-힐링 조성물과의 밀착성이 현저히 낮아질 수 있다.
다음으로, 상기 프라이머층 상면에 셀프-힐링 조성물을 도포하여 셀프-힐링층을 형성함으로써 강구조물에 도포된 셀프-힐링층이 일부 부식에 취약한 부위와 연결판의 겹친 부위의 도막두께를 보완하여 도막의 균열을 완화시키고 열화인자를 차단한다.
상기 셀프-힐링 조성물은 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 지환족계 아민화합물, 탄화규소, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유, 무기섬유, 수성바인더, 수산화알루미늄 및 황산바륨을 포함할 수 있다.
에폭시 수지
에폭시 수지는 비스페놀 F형 에폭시수지, 노블락 에폭시수지, 다이머 지방산(Dimer Fatty Acid) 변성타입 에폭시수지 및 실리케이트 변성 에폭시수지로 이루어진다.
여기서, 에폭시수지의 에폭시당량은 150 내지 200 g/eq이며, 바람직하게는 170 내지 190 g/eq이다. 만약 상기 범위를 벗어나는 경우에는 에폭시수지의 특성을 발휘하지 못하고 물성이 저하될 수 있다.
상기 비스페놀 F형 에폭시수지는 강구조물과 셀프-힐링도막(셀프-힐링층)의 접착성을 보완하며, 이하의 노블락 에폭시수지의 내화학성 및 내오존성을 강화시키고, 다른 에폭시수지가 강구조물의 표면에 매끄럽게 입혀질 수 있도록 한다. 비스페놀 F형 에폭시수지의 함량은 10 내지 20중량%, 바람직하게는 13 내지 16중량%이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 강구조물과 셀프-힐링도막의 접착성이 약해지는 문제가 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 접착성이 저하될 수 있다.
상기 비스페놀 F형 에폭시수지의 점도는 8000 내지 11000 CPS(Centi Poise), 바람직하게는 9500 내지 10500 CPS이며, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 비스페놀 F형 에폭시수지의 특성을 발휘하지 못하고 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 노블락 에폭시수지는 우수한 내약품성과 내열성을 갖는 수지일 뿐만 아니라, 내산성 및 내알칼리성이 우수하여 산화나 노화현상을 방지할 수 있으므로 해안 소금물에 의한 강구조물의 부식, 공장 등에서 방출되는 아황산가스로 인한 부식 또는 산성물질로 인한 부식을 방지할 수 있다. 노블락 에폭시수지의 함량은 20 내지 30중량%, 바람직하게는 24 내지 27중량%인다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 내열성과 내산성이 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 내약품성이 저하될 수 있다.
노블락 에폭시수지의 점도는 25000 내지 35000 CPS, 바람직하게는 29000 내지 31000 CPS인데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 노블락 에폭시수지의 특성을 발휘하지 못하고 물성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 다이머 지방산 변성타입 에폭시수지는 기온에 따라 수축과 팽창이 심한 강구조물에 신율이 적은 도막을 형성하여 갈라지거나 박리되는 문제를 해결하기 위해 사용된다. 다이머 지방산 변성타입 에폭시수지의 함량은 25 내지 35 중량%, 바람직하게는 28 내지 32 중량%이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 유연성이 충분히 부여되지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 과도한 유연성으로 도막의 내구성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 실리케이트 변성 에폭시수지는 강구조물 표면에 셀프-힐링 조성물이 접착되지 않아 들뜸현상이 발생하여 크랙과 부풀음이 생김으로써, 강구조물 표면이 산화되어 내구성이 저하되는 문제를 해결하기 위해 실리케이트 수지와 에폭시수지를 합성한 실리케이트 변성 에폭시수지를 사용한다. 실리케이트 변성 에폭시수지의 함량은 30 내지 45중량%, 바람직하게는 35 내지 40중량%이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 접착력이 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 경제성이 저하될 수 있다.
폴리그리시딜화합물
폴리그리시딜화합물은 희석제로 사용되는 것으로서 휘발성 물질의 방출이 없으며, 도막두께를 두껍게 하여 내구성을 향상시킨다. 여기서, 폴리그리시딜화합물이란 폴리그리시딜을 포함하는 화합물이면 어떤 것이든 무방하지만, 폴리그리시딜 에테르 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
폴리그리시딜화합물의 함량은 상기 에폭시수지 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 15 중량부이다. 폴리그리시딜화합물의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 희석제의 역할을 수행하지 못하고 내구성 향상도 미미할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 과다한 희석으로 인하여 셀프-힐링도막의 전반적인 물성이 저하될 수 있다.
실리카
실리카(Silica)는 공기를 포함하는 미분형태인 것이 바람직하고, 평균입경이 1 내지 10 ㎛, 바람직하게는 3 내지 6 ㎛이다. 실리카를 공기가 포함되고 미분형태로 첨가하는 것은 미분형태에서 알갱이 사이에 공기층이 형성되어 내충격성을 향상시킬 뿐만 아니라, 열차단 효과가 뛰어나 열화방지에도 탁월한 효과가 있기 때문이다. 이때 실리카의 평균입경이 상기 하한치 미만인 경우에는 내충격성 및 열차단 효과가 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 공기층이 형성효과가 떨어지므로 열차단 효과가 저하될 수 있다.
또한, 실리카의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부, 바람직하게는 5 내지 15 중량부이다. 실리카의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 내충격성 및 열차단 효과를 발휘할 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 효과에 비하여 경제적이지 못할 수 있다.
지르코늄
지르코늄은 자외선 등에 의해 강구조물 표면의 온도가 상승하여 산화 또는 노화현상이 가속화되는 것을 방지하기 위하여 열차단을 위해 첨가된다. 지르코늄의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 40 중량부, 바람직하게는 20 내지 30 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 충분히 열차단을 하지 못할 수 있으며, 성기 상한치 초과인 경우에는 다른 성분의 반응을 저해하여 물성이 전반적으로 저하될 수 있다.
알루미나
알루미나는 상기 지르코늄과 같이 열분산 효과를 나타낸다. 알루미나의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 40 중량부, 바람직하게는 25 내지 30 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 충분한 열분산 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 다른 성분의 반응을 저해하여 물성이 전반적으로 저하될 수 있다.
지환족계 아민화합물
지환족계 아민화합물은 자외선 등으로부터의 노화방지성이 우수하며, 셀프-힐링 조성물에 의한 도막의 내구성을 강화시킨다. 지환족계 아민화합물의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 40 내지 80 중량부, 바람직하게는 50 내지 60 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 충분한 노화방지효과가 나타나지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 과다하게 경화되어 신율이 저하되어 크랙이 발생할 수 있다.
탄화규소
탄화규소는 상기 지르코늄과 함께 열분산을 통해 열을 감소시킨다. 상기 탄화규소의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부, 바람직하게는 10 내지 15 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 충분한 열분산 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 효과에 비하여 경제성이 떨어질 수 있다.
무기질계 규소수지
무기질계 규소수지는 도막 표면에서 발생하는 정전기를 감소시켜 분진 등의 이물질이 도막에 부착되어 내구성을 저하시키는 것을 방지한다. 무기질계 규소수지의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부, 바람직하게는 15 내지 20 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 충분한 정전기 감소 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 내구성이 감소할 수 있다.
아연 또는 산화철
아연 또는 산화철은 강구조물에 대해 방청성을 부여하여 방청효과를 현저히 증가시킨다. 아연 또는 산화철은 분말형태로 사용하고, 평균입경은 30 내지 150 ㎛, 바람직하게는 40 내지 70 ㎛이다. 평균입경이 상기 하한치 미만인 경우에는 반응성이 너무 커서 오히려 방청효과가 떨어질 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 반응이 일어나지 않아 방청효과가 저하될 수 있다.
또한, 아연 또는 산화철 분말의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부, 바람직하게는 15 내지 25 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 방청효과의 증가가 미미할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 내구성 및 내열성이 저하될 수 있다.
유기섬유
유기섬유는 도막의 부착강도를 증진시키고 내충격성을 향상시키는 것으로서, 구체적으로는 섬유질 상태로 파쇄한 종이 분쇄물, 목재분 및 식물성 화이버로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
유기섬유의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 강도 및 내충격성이 향상되지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 셀프-힐링 조성물과 강구조물의 부착강도가 저하될 수 있다.
무기섬유
무기섬유는 압축강도 또는 인장강도를 증가하여 높은 압력(500㎏/20sq.cm)과 충격에도 파괴되지 않으며 탄성을 유지시켜줄 뿐만 아니라 셀프-힐링(도막 스스로 치유되는 기능)이 가능하도록 하는 것으로서, 구체적으로 암면, 글라스울, 현무암면 및 세라믹울로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
무기섬유의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 40 중량부, 바람직하게는 15 내지 30 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 높은 압력과 충격에 쉽게 파괴되고 셀프-힐링이 되지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 더 이상 효과가 향상되지 않아 경제적이지 못할 수 있다.
수성바인더
수성 바인더는 셀프-힐링 조성물과 강구조물의 부착강도를 향상시키는 것이다.
수성 바인더의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 20 내지 80 중량부, 바람직하게는 40 내지 70 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 셀프-힐링 조성물과 강구조물과의 부착강도가 우수하지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 셀프-힐링 조성물의 인장강도 등 기계적 물성이 저하될 수 있다.
수성 바인더는 수성 우레탄아크릴레이트 수지 10 내지 45 중량% 및 수성 아크릴레이트 수지 55 내지 90 중량%로 이루어진 것으로서, 수성 우레탄아크릴레이트 수지는 우레탄 프레 폴리머 20~30 중량%, 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 2~8 중량%, 메틸메타크릴레이트 1~3 중량%에 나머지를 물로 하여 100 중량%로 이루어지며; 수성 아크릴레이트 수지는 폴리에틸렌글리콜계 계면활성제 0.5~2 중량%, 메틸메타크릴레이트 5~15 중량%, 부틸아크릴레이트 5~15 중량%, 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 5~15 중량%, 나머지를 물로 하여 100 중량%로 이루어진다.
이러한 수성 바인더는 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 지환족계 아민화합물, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유 및 무기섬유 혼합물과 1: 2-5 중량비로 혼합되는 것이 셀프-힐링 조성물과 강구조물과의 부착강도 향상을 위해 바람직하다.
수산화알루미늄
수산화알루미늄은 음이온 화합물로 음이온과 원적외선이 방출되는 특성을 가지며 내구성, 내수성, 표면 경도를 향상시키고 조성물의 셀프-힐링이 가능하도록 하는 것으로서, 수산화알루미늄의 평균입경은 100 ㎚ 내지 2 ㎛일 수 있다. 수산화알루미늄의 평균입경이 상기 하한치 미만인 경우에는 상기 특성들을 만족하지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 조성물이 제대로 도포되지 못하며 표면이 매끄럽지 못할 수 있다.
수산화알루미늄의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부, 바람직하게는 10 내지 15 중량부이다. 수산화알루미늄의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 상기 특성들을 만족하지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 탄성 및 접착성이 저하될 수 있다.
황산 바륨
황산바륨은 내구성, 내수성, 표면 경도를 향상시키는 것으로서, 황산바륨의 평균입경은 100 ㎚ 내지 2 ㎛일 수 있다. 황산바륨의 평균입경이 상기 하한치 미만인 경우에는 상기 특성들을 만족하지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 셀프-힐링 조성물이 도포되지 못하고 셀프-힐링 조성물이 도포된 후 표면이 매끄럽지 못할 수 있다.
황산바륨의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 3 내지 7 중량부이다. 황산바륨의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 상기 특성들을 만족하지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 탄성 및 접착성이 저하될 수 있다.
강도 증진재
강도 증진재는 도막의 강도를 향상시키는 것으로서, 구체적으로 규조토, 규회석, 마이카, 탄산칼슘, 펄라이트 및 일라이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 들 수 있으며, 바람직하게는 강도 외에 다양한 특성을 향상시키기 위하여 규조토, 규회석, 마이카 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이다.
상기 규조토는 낮은 열 전도율, 높은 용융점, 낮은 열 팽창율, 고온에서의 낮은 수축률, 훌륭한 열충격 저항성 및 온도 증가에 따른 강도 향상 등의 여러 가지 성질로 인해서 뛰어난 단열재 역할을 하며 단열의 최대 온도는 보통 950 내지 1000 ℃일 뿐만 아니라 방음 효과도 갖는다. 상기 규회석(Wollastonite)은 인장강도 및 굴곡강도를 증대시키며 저흡습성 및 절연성이 우수하고 열팽창이 거의 없어 치수안정성을 부여할 뿐만 아니라 탄산칼슘, 탈크에 비해 강화재로서 인장강도를 상승시킨다. 상기 마이카는 인장강도 및 굴곡강도 등 기계적 물성을 향상시키며, 열 저항성 및 제진성이 우수하고, 내마모성을 나타낸다.
강도 증진재의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부, 바람직하게는 20 내지 25 중량부이다. 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 강도가 향상되지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 도막의 셀프-힐링 효과가 저하될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
제조예 1. 프라이머의 제조
폴리비닐 부틸알 수지 100 중량부에 대하여 아미노 메틸트리메톡시실란 15 중량부, 붕산바륨 70 중량부, 인산 15 중량부, 페놀수지 100 중량부 및 아연분말 50 중량부를 혼합하여 프라이머를 제조하였다.
제조예 2. 에폭시 수지의 제조
비스페놀 F형 에폭시수지 15 중량%, 노블락 에폭시수지 25 중량%, 다이머 지방산 변성타입 에폭시수지 30 중량% 및 실리케이트 변성 에폭시수지 30 중량%를 혼합하여 에폭시 수지를 제조하였다.
제조예 3. 수성 바인더의 제조
우레탄아크릴레이트 수지 40 중량% 및 수성 아크릴레이트 수지 60 중량%를 혼합하여 수성 바인더를 제조하였다. 이때 상기 우레탄아크릴레이트 수지는 우레탄 프레폴리머 30 중량%, 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 8 중량%, 메틸메타크릴레이트 2 중량%, 물 60 중량%로 이루어지며; 수성 아크릴레이트 수지는 폴리에틸렌글리콜계 계면활성제 1 중량%, 메틸메타크릴레이트 10 중량%, 부틸아크릴레이트 15 중량%, 2-하이드록시에틸메타크릴레이트 15 중량%, 물 59 중량%로 이루어진다.
실시예 1.
강구조물의 표면을 그라인딩 처리한 후 고압수로 세척한 다음 상기 제조예 1에소 제조된 프라이머로 도포하여 프라이머층을 형성한다. 형성된 프라이머층 상면에 상기 제조예 2에서 제조된 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 폴리그리시딜화합물 10 중량부, 입자 크기가 5 ㎛인 실리카 13 중량부, 지르코늄 25 중량부, 알루미나 28 중량부, 지환족계 아민화합물 55 중량부, 탄화규소 13 중량부, 무기질계 규소수지 18 중량부, 입자 크기가 60 ㎛인 산화철 20 중량부, 유기섬유 10 중량부, 무기섬유 25 중량부, 수성바인더 65 중량부, 평균입경이 1 ㎛인 수산화알루미늄 15 중량부 및 평균입경이 1 ㎛인 황산바륨 5 중량부를 포함하는 셀프-힐링 조성물을 도포하여 셀프-힐링층을 형성하였다.
실시예 2.
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 셀프-힐링 조성물을 제조예 2에서 제조된 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 폴리그리시딜화합물 20 중량부, 입자 크기가 9 ㎛인 실리카 25 중량부, 지르코늄 35 중량부, 알루미나 35 중량부, 지환족계 아민화합물 75 중량부, 탄화규소 19 중량부, 무기질계 규소수지 28 중량부, 입자 크기가 90 ㎛인 아연 30 중량부, 유기섬유 15 중량부, 무기섬유 35 중량부, 수성바인더 75 중량부, 평균입경이 2 ㎛인 수산화알루미늄 20 중량부 및 평균입경이 2 ㎛ 황산바륨 10 중량부로 하였다.
실시예 3.
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 셀프-힐링 조성물에 제조예 2에서 제조된 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 강도 증진재로 규조토 23 중량부를 추가하였다.
비교예 1.
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 셀프-힐링 조성물에서 유기섬유를 사용하지 않았다.
비교예 2.
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 셀프-힐링 조성물에서 무기섬유를 사용하지 않았다.
비교예 3.
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 셀프-힐링 조성물에서 수성바인더를 사용하지 않았다.
비교예 4.
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 셀프-힐링 조성물에서 수산화 알루미늄을 사용하지 않았다.
시험예 .
실시예 및 비교예에서 제조된 셀프-힐링 조성물로 코팅된 도막의 물성을 하기와 같이 수행하였다.
1. SHORE-D 경도: 3000 ㎛으로 도장된 도막을 SHORE-D 경도계를 사용하여 측정하였다.
2. 내수성: 유리판 위에 셀프-힐링 조성물을 도장하고 1주일간 침적 시험을 실시하여 색상, 광택 변화 및 기타 도막 결함 여부를 관찰하였다.
3. 내마모성: 폴리에스테르(POLYESTER) 필름 위에 셀프-힐링 조성물을 도장하고 타버 어브레이젼(TABER ABRASION) 시험기를 사용하여 시험한다. NO. CS-17의 어브레이젼 휠(ABRASION WHEEL)을 사용하고 1000 g의 하중을 가하여 1000회전 시험하여 도막의 손실량을 측정하였다.
4. 내충격성: 두께 2 mm 이상의 스틸 패널(STEEL PANEL)에 셀프-힐링 조성물을 도장하고 70 lb-in의 충격을 가한 후 도막 파손, 부착저하 여부를 관찰하였다.
5. 내화학성: 밤라이트 위에 셀프-힐링 조성물을 도장하고 1주일간 스포팅(spotting)시험을 실시하여 색상, 광택변화 및 기타 도막 결함 여부를 관찰하였다.
6. 방수성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 40 ℃의 물을 도막층 위에 부은 후, 투수되는지 여부를 관찰하였다.
7. 내열성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 이를 100 ℃온도 하에서 10분간 유지시킨 후 부풀음 등의 현상이 있는지 관찰하였다.
8. 내한성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 이를 -25 ℃온도 하에서 10분간 유지시킨 후 크랙이 발생하는지 관찰하였다.
9. 방청성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 상온에서 168시간동안의 폭로시험을 통해 모체의 산화여부를 관찰하였다.
10. 노화방지성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 이를 강한 자외선에 5시간가량 노출시킨 후 노화현상이 발생하는지 관찰하였다.
11. 유연성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 이를 -25℃ 에서 100℃로 온도를 상향 또는 하향 조절하면서 크랙이 발생하는지 관찰하였다.
12. 내후성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 이를 자외선 조사기로 120시간 동안 강한 자외선을 조사하여 황변발생 등의 변화가 있는지 관찰하였다.
13. 열차단성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도포하고 도막에 50℃의 열을 1시간동안 가한 후, 강구조물 표면에 미치는 온도변화의 비율을 측정하였다.
14: 접착성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도장하고 건조대 내부에서 5일 동안 자외선 조사를 한 후, 접착불량으로 박리현상이 있는지 여부를 관찰하였다.
15: 셀프-힐링성: 강구조물 표면상에 셀프-힐링조성물을 도장하고 일부 타락시킨 후 탈락된 부분의 몇 %가 채워지는 지를 측정하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비고
SHORE-D경도 ◎ ○ ◎ △ △ △ X
내수성 ◎ ○ ◎ ○ ○ ○ X
내마모성 ◎ ○ ◎ △ △ △ X
내충격성 ◎ ○ ◎ X X △ ○
내화학성 CH3COOH ◎ ◎ ◎ ○ △ △ ○ 10% 용액 SPOTTING
HCl ◎ ◎ ◎ ○ △ △ ○
NaCl ◎ ◎ ◎ ○ △ △ ○
H2SO4 ◎ ◎ ◎ ○ △ △ ○
NaOH ◎ ◎ ◎ ○ △ △ ○
방수성 ◎ ○ ◎ △ ○ △ △
내열성 ◎ ◎ ◎ ○ ○ △ △
내한성 ◎ ○ ◎ ○ ○ △ △
방청성 ◎ ○ ◎ ○ △ △ △
노화방지성 ◎ ○ ◎ ○ ○ △ △
유연성 ◎ ○ ◎ △ △ ○ ○
내후성 ◎ ◎ ◎ ○ ○ △ ○
열차단성 ◎ ○ ◎ ○ ○ ○ ○
접착성 ◎ ◎ ◎ X ○ X △
셀프-힐링성(%) 40 25 27 25 5 5 3
◎: 우수 ○: 양호 △: 보통 X: 불량
위 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 셀프-힐링 조성물로 형성된 도막은 비교예에 비하여 셀프-힐링성이 우수한 것으로 확인되었다. 또한, 비교예에 비하여 경도, 내수성, 내마모성, 내충격성, 내화학성, 방수성, 내열성, 내한성, 방청성, 노화방지성, 유연성, 내후성, 열차단성 및 접착성 모두 우수한 것으로 확인되었다.

Claims (10)

  1. 강구조물 표면의 이물질을 제거하기 위하여 그라인딩 또는 폴리싱 처리하는 단계;
    상기 그라인딩 또는 폴리싱 처리된 강구조물의 표면을 고압수로 세척하는 단계;
    상기 고압수로 세척된 강구조물 표면에 폴리비닐 부틸알 수지, 유기실란, 붕산염 화합물, 폴리포스페이트, 인산, 페놀수지 및 금속분말을 포함하는 프라이머를 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계; 및
    상기 프라이머층 상면에 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 실리카, 지르코늄, 알루미나, 지환족계 아민화합물, 탄화규소, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유, 무기섬유, 수성바인더, 수산화알루미늄 및 황산바륨을 포함하는 셀프-힐링 조성물을 도포하여 셀프-힐링층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프라이머는 폴리비닐 부틸알 수지 100 중량부에 대하여 유기실란 5 내지 20 중량부, 붕산염 화합물 30 내지 200 중량부, 인산 5 내지 40 중량부, 페놀수지 50 내지 200 중량부 및 금속분말 20 내지 100 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 셀프-힐링 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 폴리그리시딜화합물 1 내지 20 중량부, 실리카 1 내지 30 중량부, 지르코늄 10 내지 40 중량부, 알루미나 10 내지 40 중량부, 지환족계 아민화합물 40 내지 80 중량부, 탄화규소 5 내지 20 중량부, 무기질계 규소수지 10 내지 30 중량부, 아연 또는 산화철 10 내지 30 중량부, 유기섬유 1 내지 20 중량부, 무기섬유 5 내지 40 중량부, 수성바인더 20 내지 80 중량부, 수산화알루미늄 5 내지 20 중량부 및 황산바륨 1 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 비스페놀 F형 에폭시수지 10 내지 20 중량%, 노블락 에폭시수지 20 내지 30 중량%, 다이머 지방산 변성타입 에폭시수지 25 내지 35 중량% 및 실리케이트 변성 에폭시수지 30 내지 45 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유기섬유는 섬유질 상태로 파쇄한 종이 분쇄물, 목재분 및 식물성 화이버로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 무기섬유는 암면, 글라스울, 혐누암면 및 세리믹울로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수성바인더는 우레탄아크릴레이트 수지 10 내지 45 중량% 및 수성 아크릴레이트 수지 55 내지 90 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수성바인더는 에폭시 수지, 폴리그리시딜화합물, 지환족계 아민화합물, 무기질계 규소수지, 아연 또는 산화철, 유기섬유 및 무기섬유 혼합물과 1: 2-5 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 셀프-힐링 조성물은 강도 증진재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 강도 증진재는 규조토, 규회석, 마이카, 탄산칼슘, 펄라이트 및 일라이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 셀프-힐링 강구조물 도장공법.
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