KR101755946B1 - 수성 고체 윤활제 및 이를 경화한 소음저감용 도막 - Google Patents

수성 고체 윤활제 및 이를 경화한 소음저감용 도막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불소수지 수분산액, 우레탄수지 수분산액 및 계면활성제가 물에 분산되어 있는 수성(Water-based) 고체 윤활제와, 상기 고체 윤활제를 재료 표면에 코팅 및 경화시킨 소음저감용 도막(Film)에 관한 것이다. 상기 도막은 마찰계수를 저감하고 내마모성을 증대시키는 윤활효능 이외에 소음을 저감시키는 효능을 가지고 있다.

Description

수성 고체 윤활제 및 이를 경화한 소음저감용 도막{Water-based Solid lubricant and cured film for reducing noise}
본 발명은 불소수지 수분산액, 우레탄수지 수분산액 및 계면활성제가 물에 분산되어 있는 수성(Water-based) 고체 윤활제와, 상기 고체 윤활제를 재료 표면에 코팅 및 경화시킨 소음저감용 도막(Film)에 관한 것이다.
고체 윤활제는 자기 윤활성을 지닌 고체 윤활 성분과 유기계 또는 무기계 바인더 성분이 용제로 고르게 분산되어 이루어진 용액 형태로 구성된다. 그리고, 재료 표면에 도포되어서는 용제는 증발되고 고체 윤활 성분과 바인더 성분만 남아 고체 도막(Film)을 형성함으로써 재료 표면의 마찰을 저감하고 내마모성을 증대시키는 윤활 기능을 하게 된다.
통상적으로 고체 윤활 성분으로는 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐, 황화납, 산화안티몬, 산화납, 질화붕소를 비롯하여 마찰계수가 낮은 고체 물질들이 사용되고 있다. 또한, 바인더 성분으로는 대표적으로 아크릴, 알키드, 셀룰로오즈 등과 같은 열가소성 수지, 페놀, 에폭시, 폴리에스테르 등의 열경화성 수지, 실리콘계 유기화합물과 같은 유기계 무기물 등이 사용되고 있다. 또한, 용제로는 물 또는 탄화수소류, 알콜류, 에스터류, 케톤류 등의 유기용제가 사용되고 있다.
대한민국 등록특허 10-0162553호(특허문헌 1)에는 고체 윤활 성분으로 이황화몰리브덴, 산화안티몬, 산화납, 질화붕소 등; 바인더 성분으로 에폭시/페놀의 복합 열경화성 수지; 및 왁스류를 톨루엔의 유기용제에 분산시켜 제조된 내마모성이 증진된 고체 윤활제가 개시되어 있다.
또한, 대한민국 등록특허 10-0314514호(특허문헌 2)에는 고체 윤활 성분으로 흑연, 테프론, 이황화몰리브덴; 바인더 성분으로 알킬염화설포네이티드-폴리에틸렌 중합체와 아크릴 중합체의 혼합물, 니트로 셀룰로오즈로 변성된 알키드계 중합체 또는 페놀로 변성된 클로로프렌 중합체를 혼합 유기용제(메틸에틸케톤+톨루엔+부틸아세테이트)에 분산시켜 제조된 고무소재에 적용되는 고체 윤활제가 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1과 특허문헌 2에 개시된 고체 윤활제는 주로 무기계 고체 윤활 성분을 포함하고 있고, 분산매로는 유기용제를 사용하고 있다. 그러나 유성(Oil-based) 고체 윤활제는 작업자에게 해로울 뿐만 아니라 유기용제가 휘발된 후에 피막에 오일이 계속 남아 주변 부품을 오염시키는 등의 단점이 있다.
따라서 종래의 유기용제를 분산매로 포함하는 고체 윤활제의 문제점을 해소시킬 수 있는 수성(Water-based) 고체 윤활제의 개발이 요구된다.
대한민국 등록특허 10-0162553호 대한민국 등록특허 10-0314514호
본 발명은 수성(Water-based) 고체 윤활제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 고체 윤활제를 코팅 및 경화시킨, 소음저감용 도막을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 과제 해결을 위하여, 본 발명은 고체 윤활제로서,
(A) 불소수지가 물에 55 ~ 65 중량% 농도로 분산된 불소수지 수분산액;
(B) 자기 유화형 우레탄 수지가 물에 30 ~ 34 중량% 농도로 분산된 우레탄수지 수분산액;
(C) 계면활성제 ; 및
(D) 물 분산매; 를 포함하는 수성(Water-based) 고체 윤활제를 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 고체 윤활제를 재료 표면에 코팅 및 경화시켜 형성된 소음저감용 도막을 그 특징으로 한다.
본 발명이 제공하는 고체 윤활제는 물 용제에 분산된 수성(Water-based) 코팅액으로 제조된다. 따라서 종래의 유기용제를 분산매로 사용하는 유성(Oil-based) 고체 윤활제의 단점을 해소시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명이 제공하는 고체 윤활제는 마찰계면에 코팅되어서는 내구성이 우수한 경화도막을 형성하며, 상기 경화도막의 형성으로 마찰계수를 낮추고 또한 소음을 저감시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고체 윤활제를 코팅 및 경화시켜 제조된 도막은 섬유, 금속, 유기 또는 무기고분자, 또는 이들의 조합을 소재로 사용하는 재료 표면에 대한 접착성이 우수하므로, 종래의 흡차음 소재를 대체하여 적용하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 윤활 성분과 바인더 성분이 물에 분산되어 있는 수성(Water-based) 고체 윤활제에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 고체 윤활제는
(A) 윤활 성분으로서 불소수지가 물에 55 ~ 65 중량% 농도로 분산된 불소수지 수분산액;
(B) 바인더 성분으로서 자기 유화형 우레탄 수지가 물에 30 ~ 34 중량% 농도로 분산된 우레탄수지 수분산액;
(C) 계면활성제 ; 및
(D) 물 분산매; 를 포함한다.
본 발명의 고체 윤활제를 구성하는 각 성분에 대해 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
(A) 윤활 성분
본 발명의 고체 윤활제는 윤활 성분으로서 불소수지가 포함된다. 상기 불소수지는 입자크기가 1 ㎛ 이하인 입자이고, 구체적으로는 0.1 ~ 0.8 ㎛의 입경을 가지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 상기 불소수지를 수분산액으로 제조하여 고체 윤활제에 포함시키는데, 불소수지 수분산액은 불소수지의 고형분 농도가 55 ~ 65 중량% 되도록 제조하여 사용하는 것이 좋다. 불소수지 수분산액에 있어서, 고형분 농도가 55 중량% 미만이면 침전으로 의해 저장 안정성이 저하될 수 있고, 65 중량%를 초과하면 고형분 입자끼리 뭉침에 의해 저장 안정성이 저하될 수 있으므로, 상기 농도 범위로 조절된 불소수지 수분산액으로 제조하여 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 고체 윤활제에는 고형분의 불소수지가 18 ~ 28 중량% 범위로 포함될 수 있다. 고체 윤활제에 포함되는 불소수지 고형분의 함량이 18 중량% 미만이면 내마찰 특성이 저하되어 목적하는 윤활성능을 기대할 수 없고, 불소수지 고형분의 함량이 28 중량%를 초과하면 상대적으로 바인더 성분의 함량이 감소되어 재료표면에 대한 접착력이 저하되어 도막이 쉽게 벗겨질 수 있으므로, 고체 윤활제 중에 포함되는 고형분의 불소수지 함량을 유지하는 것 좋다.
(B) 바인더 성분
본 발명의 고체 윤활제는 바인더 성분으로서 우레탄수지가 포함된다. 상기 우레탄수지는 자기 유화형 우레탄 수지로서 PU 세그먼트(-NH-COO-) 및 우레아 세그먼트(-NH-CO-NH-)로 이루어진 구조를 가지며, SO3 음이온이 치환되어 있다. 본 발명에서는 상기 우레탄수지를 수분산액으로 제조하여 고체 윤활제에 포함시키는데, 우레탄수지 수분산액은 우레탄수지의 고형분 농도가 30 ~ 34 중량% 되도록 제조하여 사용하는 것이 좋다. 우레탄수지 수분산액에 있어서, 고형분 농도가 30 중량% 미만이면 침전으로 인해 저장 안정성이 저하되며, 34 중량%를 초과하면 고형분 입자끼리 뭉침에 의한 저장안정성이 저하될 수 있으므로, 상기 농도 범위로 조절된 우레탄수지 수분산액으로 제조하여 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 고체 윤활제에는 고형분의 우레탄수지가 0.8 ~ 1.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 고체 윤활제에 포함되는 우레탄수지 고형분의 함량이 0.8 중량% 미만이면 재료표면에 대한 접착력이 저하되어 코팅 도막의 내구성이 떨어질 수 있고, 우레탄수지 고형분의 함량이 1.5 중량%를 초과하면 상대적으로 윤활 성분의 함량이 감소되어 도막의 내마찰 특성이 저하될 수 있으므로, 고체 윤활제 중에 포함되는 고형분의 우레탄수지 함량을 유지하는 것 좋다.
(C) 계면활성제
본 발명의 고체 윤활제는 계면활성제를 포함한다. 즉, 본 발명이 목적하는 수성(Water-based) 고체 윤활제를 제조하기 위해서는 불소수지 수분산액과 우레탄수지 수분산액이 물 분산매에 고르게 분산되는 것이 중요하다. 이에 본 발명에서는 윤활 성분과 바인더 성분이 물에 잘 분산될 수 있도록 계면활성제를 포함한다. 상기 계면활성제로서 폴리에틸렌글리콜형 비이온성 계면활성제를 사용하는 것이 특히 좋은데, 그 이유는 고른 분산이외에도 PTFE 수지와 우레탄 수지와의 상용성을 고려해야 하기 때문이다.
본 발명의 고체 윤활제에는 상기 계면활성제가 0.5 ~ 2 중량% 범위로 포함될 수 있다. 상기 계면활성제의 함량이 0.5 중량% 미만이면 윤활 성분과 바인더 성분을 물 분산매에 고루 분산시키는 것이 어려울 수 있고, 계면활성제의 함량이 2 중량%를 초과하면 고체 윤활제의 경화가 어려워져 도막이 형성되지 않을 수 있으므로, 상기 함량범위로 계면활성제를 포함시키는 것이 좋다.
(D) 분산매
본 발명의 고체 윤활제는 분산매로 물을 사용한다. 이로써 종래의 유성(Oil-based) 고체 윤활제에서 지적된 문제점을 모두 해소시킬 수 있다.
상기 분산매로 사용되는 물의 함량은 불소수지와 우레탄수지에 포함된 물의 함량까지도 고려하여 첨가되어야 한다. 따라서 본 발명에서는 물의 함량은 고체 윤활제 중에 포함되는 전체 물의 함량으로 정의될 수 있다.
본 발명의 고체 윤활제에는 물이 70 ~ 80 중량% 범위로 포함될 수 있다. 고체 윤활제에 포함되는 물의 함량이 70 중량% 미만이면 각 구성성분을 고르게 분산시키는 것이 어렵고, 물의 함량이 80 중량%를 초과하면 경화 도막을 형성하는 과정에서 수분 증발을 위하여 과다한 에너지를 소모할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기에서 설명한 고체 윤활제를 재료 표면에 코팅 및 경화시켜 제조한 도막에도 특징이 있다.
구체적으로 섬유, 금속, 유기 또는 무기고분자, 또는 이들의 조합으로 이루어진 소재로 된 재료의 표면에, 상기한 고체 윤활제를 코팅한 후에 경화시켜 도막을 형성할 수 있다.
상기 코팅은 침지법이나 분무법 또는 붓이나 로울러 등을 이용하여 통상의 방법에 의해 수행할 수 있다. 균일한 두께의 도막을 얻거나 양산성을 고려하면 분무법이 가장 적당하다.
상기 경화는 코팅 후에 상온에서 2 ~ 10시간 정도 건조한 후에 이루어지며, 경화온도에 따라 상온경화 또는 가열경화에 의해 수행할 수 있다. 예컨대 상온경화는 상온에서 24시간 이상의 경화 시간이 필요할 수 있다. 가열경화는 100 ~ 150℃ 온도를 유지하면서 30분 내지 5시간동안 경화한다.
상기한 코팅 및 경화를 통해 제조된 도막은 내구성이 우수하고 마찰계수가 낮으며, 특히 소음 저감효과가 탁월하다. 따라서 본 발명이 제공하는 도막은 소음저감을 목적으로 이용될 수 있다. 예를 들면, 소음이 발생될 우려가 있는 자동차의 내장재에 본 발명의 고체 윤활제를 코팅 경화하여 도막(코팅막)을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 소음저감용 도막은 기존에 소음저감 재료 예를 들면, 부직포를 대체하여 사용될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 6. 고체 윤활제의 제조
윤활 성분으로서는 입자크기가 1 ㎛ 이하인 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)이 60 중량% 농도로 물에 분산되어 있는 수분산액(PTFE dispersion, 듀폰사 제품)을 사용하였다. 바인더 성분으로서는 SO3 음이온으로 치환된 자기 유화형 우레탄수지가 30 중량% 농도로 물에 분산되어 있는 수분산액(수분산 우레탄수지, 보광사 제품)을 사용하였다. 계면활성제로서는 폴리에틸렌 글리콜형 비이온성 계면활성제(TRITON X-100, 삼천사 제품)를 사용하였다.
그리고, 하기 표 1 및 표 2에 나타낸 함량비로 상기에서 준비한 불소수지 수분산액, 우레탄수지 수분산액, 계면활성제를 실온에서 물에 혼합하고, 60 rpm의 교반속도로 5분 동안 교반하여 고체 윤활제를 제조하였다.
실험예 1. 고체 윤활제의 물성 평가
상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 6에서 제조한 고체 윤활제는 하기의 방법으로 마찰 특성을 평가하였다.
마찰 특성을 평가하기 위한 시편은 TPO(TheromoPlastic Olefin) 재질의 시편(10mm x 10mm)과 스틸(steel) 재질의 시편(20mm x 20mm)을 사용하였다. TPO 재질의 시편에 샘플을 도포한 후 30분간 자연 건조시켜 마찰측정기(SRV 시험기, 평가조건: 50N x 4.5mm x 상온)를 사용하여 마찰계수를 측정하였다. 또한, 마찰계수 측정 후의 시편의 표면 상태를 육안으로 관찰하여 코팅 도막에 대한 내구성을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 1과 표 2에 각각 나타내었다.
구분 실시예
1 2 3 4 5

조성
(중량%)		 불소수지1) 18 24 27 24 24
우레탄수지2) 1.2 1.2 1.2 0.9 1.5
계면활성제 1 1 1 1 1
물 79.8 73.8 70.8 74.1 73.5

물성		 마찰계수 0.065 0.062 0.058 0.060 0.067
마찰시험후
코팅면 		벗겨짐
없음 		벗겨짐
없음 		벗겨짐
없음 		벗겨짐
없음 		벗겨짐
없음
1)불소수지: 수분산액 중에 포함된 불소수지 고형분의 함량임.
2)우레탄수지: 수분산액 중에 포함된 우레탄수지 고형분 함량임.
구 분 비교예
1 2 3 4 5 6

조성
(중량%)		 불소수지1) 15 30 24 24 27 0
우레탄수지2) 1.2 1.2 0.6 1.8 0 1.2
계면활성제 1 1 1 1 1 1
물 82.8 67.8 74.4 73.2 72 97.8

물성		 마찰계수 0.12 0.069 0.16 0.23 0.08 0.35
마찰시험후
코팅면 		벗겨짐
없음 		벗겨짐 벗겨짐 벗겨짐
없음 		벗겨짐 벗겨짐
없음
1)불소수지: 수분산액 중에 포함된 불소수지 고형분의 함량임.
2)우레탄수지: 수분산액 중에 포함된 우레탄수지 고형분 함량임.
상기 표 1 및 표 2의 결과에 의하면, 고체 윤활제를 구성하는 불소수지와 우레탄수지의 함량은 도막의 마찰계수와 내구성에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
본 발명이 제안하는 함량비를 이루고 있는 고체 윤활제(실시예 1 ~ 5)는 마찰계수가 0.067 미만으로 낮게 유지되어 윤활성능이 우수하고, 마찰실험 후에 코팅면의 상태가 그대로 유지되는 내구 특성을 보유하고 있음을 확인할 수 있다.
이에 반하여, 윤활 성분인 불소수지가 미량 또는 미포함된 고체 윤활제(비교예 1, 6)는 마찰계수가 높아서 윤활성능이 저조함을 확인할 수 있다. 또한, 바인더 성분인 우레탄수지가 미량 또는 미포함된 고체 윤활제(비교예 3, 5)는 도막의 내구성이 열악하여 마찰실험 후에 코팅면이 벗겨졌고, 불소수지의 첨가량 대비하여 윤활성능의 개선 효과도 미약하였다. 비교예 2는 우레탄수지 대비하여 불소수지가 과량으로 포함된 고체 윤활제로서, 윤활성능이 우수하였지만 내구성이 열악하였다. 비교예 4는 불소수지 대비하여 우레탄수지가 과량으로 포함된 고체 윤활제로서, 코팅면의 내구성은 우수하였지만 마찰계수가 높아서 윤활성능이 저조하였다.
실험예 2. 소음저감 평가
본 실험예에서는 본 발명의 고체 윤활제를 코팅 및 경화시킨 도막에 의한 소음저감 효능을 평가하였다.
실험군으로는 상기 실시예 3에서 제조된 고체 윤활제를 두께 1 mm으로 코팅한 후에 상온에서 1시간 건조하여 도막을 제조하여 사용하였다. 그리고, 비교군으로는 부직포 흡음소재(두께 1 mm, 소재 TPO)를 사용하였다.
준비된 실험군과 비교군 각각을 자동차의 앞 문짝의 소음발생 부위에 부착한 후에 하고, BSR 평가(상온) 방법으로 소음량을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
소음발생 위치 소음량(dB)
실험군 비교군 대조군
Figure 112015123229470-pat00001
 ① 47.5 47.05 53.33
② 46.25 46.58 56.84
③ 46.88 46.53 49.87
실험군: 실시예 3의 고체 윤활제의 경화 도막
비교군: 부직포
대조군: 미적용
상기 표 3의 결과에 의하면, 본 발명이 제공하는 고체 윤활제 도막은 대조군에 대비하여 소음저감 효능을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명이 제공하는 고체 윤활제 도막은 기존의 흡음소재(부직포)에 준하는 소음저감 효능을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 고체 윤활제 도막은 윤활 성능과 소음저감 효능을 동시에 보유하는 재료이고, 기존 자동차 내장재의 흡음 재료로 사용되는 부직포를 대체 사용시 원가절감 및 작업성 개선 효과를 기대할 수 있다.

Claims (9)

  1. (A) 입자크기가 0.1 ~ 0.8 ㎛인 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)의 불소수지가 물에 55 ~ 65 중량% 농도로 분산된 불소수지 수분산액;
    (B) SO3 음이온이 결합된 자기 유화형 우레탄 수지가 물에 30 ~ 34 중량% 농도로 분산된 우레탄수지 수분산액;
    (C) 폴리에틸렌글리콜형 비이온성 계면활성제 ; 및
    (D) 물 분산매; 를 포함하는 고체 윤활제이며,
    상기 고체 윤활제에는 (A)고형분의 불소수지 18 ~ 28 중량%, (B)고형분의 우레탄수지 0.8 ~ 1.5 중량%가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 소음저감(NVH) 효능을 가지는 수성(Water-based) 고체 윤활제.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 윤활제에는 (C)비이온성 계면활성제가 0.5 ~ 2 중량% 포함된 것을 특징으로 하는 소음저감(NVH) 효능을 가지는 수성(Water-based) 고체 윤활제.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 윤활제에는 물이 70 ~ 80 중량% 포함된 것을 특징으로 하는 소음저감(NVH) 효능을 가지는 수성(Water-based) 고체 윤활제.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중에서 선택된 어느 한 항의 수성(Water-based) 고체 윤활제를 재료 표면에 코팅 및 경화시킨 소음저감용 도막.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 재료는 섬유, 금속, 유기 또는 무기고분자, 또는 이들의 조합으로 이루어진 소재의 것임을 특징으로 하는 소음저감용 도막.
KR1020150179885A 2015-12-16 2015-12-16 수성 고체 윤활제 및 이를 경화한 소음저감용 도막 KR101755946B1 (ko)

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JP2002030294A (ja) * 2000-06-08 2002-01-31 Ausimont Spa 低摩擦係数を有するポリウレタン
JP2004307570A (ja) * 2003-04-03 2004-11-04 Nichiyu Kagaku Kogyo Kk 難加工金属用の水性被覆潤滑剤組成物

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