KR101756920B1 - 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제 - Google Patents

캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고탄성중합체수지에 세라믹 분말, 판상유리플레이크 등을 혼합한 주제성분과 경화제에 아민 촉진제, 세라믹 분말 등을 혼합한 경화제성분을 혼합하여 제조한 세라믹코팅제를 선박에 도포하여 코팅함으로써, 판상유리플레이크가 기지면에 평행하게 배열되어 수분이나 산소에 대한 투과 저항성을 개선할 수 있으며, 캐비테이션을 형성할 때 발생하는 강한 수압의 충격과 진동, 소음 등을 흡수하여 저감시킬 수 있고 코팅면의 기계적 물성이 우수하여 캐비테이션에 대한 침식을 방지함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있어 선박의 방향타, 프로필러, 펌프, 파이프 엘보 등의 산업설비와 발전설비에 적용하여 유지, 보수에 소요되는 원가를 절감하는 효과를 얻을 수 있는 것이 특징이다.

Description

캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제{CAVITATION PREVENTING EROSION ORGANIC-INORGANIC HYBRID RESIN CERAMIC COATING MATERIAL }
본 발명은 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고탄성중합체수지에 세라믹 분말, 판상유리플레이크 등을 혼합한 주제성분과 경화제에 아민 촉진제, 세라믹 분말 등을 혼합한 경화제성분을 혼합하여 제조한 세라믹코팅제를 선박에 도포하여 코팅함으로써, 판상유리플레이크가 기지면에 평행하게 배열되어 수분이나 산소에 대한 투과 저항성을 개선할 수 있으며, 캐비테이션을 형성할 때 발생하는 강한 수압의 충격과 진동, 소음 등을 흡수하여 선박의 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제에 관한 것이다.
일반적으로, 고부가가치인 선박의 운항에 중요한 역할을 차지하고 있는 방향타(Rudder)와 프로펠러 등의 내구성을 향상시키기 위하여 캐비테이션으로부터 손상되는 도막을 최소화하려고 여러 분야에서 연구가 지속되어져 왔다.
공동현상(Cavitation), 즉 캐비테이션이란 고속 회전하는 프로펠러와 이를 지지하고 있는 구조물들의 부분에서 발생되어지는 물리적인 현상으로 프로펠러의 회전 속도가 갑자기 빨라지면서 날개 배면에 저압부가 생겨 진공상태에 가까워지면 그 물이 증발하여 수증기가 되어지고, 수중에 녹아있던 공기도 더해져서 날개면의 일부에 캐비테이션 현상을 형성하는 것이다.
상기 캐비테이션 현상은 베르누이 원리와 삼중점이라는 이 두가지의 이론을 이해해야는데, 베르누이 방정식은 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합이 항상 일정하다는 에너지 보존의 법칙이며, 두 지점의 높이가 같거나 위치에너지 차이가 무시할 수 있을 정도로 작을 때는 유속이 커지면 압력이 작아지고, 유속이 작아지면 압력이 커진다는 것으로 알려져있다.
상기에서 베르누이 원리는 유체의 속력이 증가하면 압력이 감소한다는 말로 프로펠러의 단면을 살펴보게되면 물과 만나는 각도에 따라서 접촉되는 면적이 달라지는 것을 알 수 있고 작용과 반작용에 의해 속도 차이가 발생되어지는 것을 알 수 있다. 따라서 속도와 압력의 상관관계를 설명해주는 베르누이 원리로 속도차가 발생하면 동시에 압력차이도 발생한다는 사실을 알 수 있다.
그리고 삼중점은 물질의 상태는 온도와 압력에 의하여 달라진다는 이론으로 고체, 액체, 기체의 3가지가 공존하는 온도와 압력의 조건으로 베르누이 원리에 의한 속도가 증가하면 압력이 감소한다는 의미에 따라 프로펠러의 압력이 낮아져 포화압력 이하로 낮아지면 프로펠러 주변의 물은 액체에서 기체로 변하는 물질변화를 이루어 물이 수증기로 변하며 공기방울이 생기게 되는 현상인 캐비테이션이 발생하게 된다.
현재 캐비테이션 현상에는 1. 얇은층 캐비테이션(Sheet Cavitation), 2. 기포형 캐비테이션(Bubble Cavitation), 3. 앞면 캐비테이션(Face Cavitation), 4. 줄꼴 캐비테이션(Streak Cavitation), 5. 코드 캐비케이션(Chord Cavitation), 6. 와류 캐비테이션(Vortex Cavitation) 등의 여러 가지 종류가 있다고 알려져 있다.
한편, 선박 방향타의 경우 급속히 회전하는 프로펠러의 속도와 낮은 압력으로 인한 캐비테이션의 발생에 의한 손상을 방지하기 위하여 스테인리스 강재 보강(lining)이나 방향타와 스크류의 형상을 개선하여 설계를 최적화하고는 있으나 근본적인 해결방법을 찾아내기에는 아직 미흡하여 방향타의 손상을 미연에 방지하기 위한 선주의 요청에 따라 탄성을 지닌 캐비테이션용 코팅제를 도포하여 코팅하는 것이 현실이다.
상기와 같은 현실로 인해 현재 국내 여러 조선소에서 미국과 영국에서 개발된 제품들이 상용화되어 있으나 상기 제품들은 전량 수입에 의존하고 있어 가격이 상당히 고가이므로 소형 선박의 경우에는 상기 제품들을 적용하여 보수하기 보다는 방향타 자체를 교체하는 실정에 있어 국산화 제품개발이 시급하다고 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 일환으로 국내 조선소 및 해군관련 기관에서 가격 경쟁력 확보와 선박의 내구성과 작업성이 국외제품 대비 동등 이상인 캐비테이션 코팅제를 국산화하자는 요구가 매우 높아 현재 연구 중에 있다.
그리고 선박 방향타의 또 다른 파손의 주요한 요인으로는 철계 소재를 사용하므로 인해 해수에 의한 극심한 부식이 일어나며, 이로 인해 캐비테이션에 의해 손상되는 부분을 더욱 가속시키는 원인이 됨으로써, 이를 해결하기 위하여 아연판을 양쪽 면에 부착하는 노력이 이루어지고 있으나 빠른 유속 변화에 따른 침식부위 증가와 와류가 발생하여 운항중에 유실의 우려가 있어 이를 계속해서 확인하고 유실부분을 부착해주어야 하는 문제점이 있다.
또한 최근 선박들은 기계적 성능들이 향상되어 고속 운항이 증가됨에 따라 방향타의 캐비테이션에 의한 손상이 더욱 심각해져 큰 문제점으로 부각되고 있다. 이러한 경향으로 각종 유체와 관련된 설비에 대해서는 캐비테이션 발생에 대하여 각별한 주의를 하지 않으면 안되는게 현실이다.
등록특허공보 10-1010915(2011. 01. 25) 공개특허공보 10-2007-00747695(2007. 07. 18) 공개특허공보 10-2011-0074048(2011. 06. 30) 미국특허공보 US 4,753,826(1988. 06. 28) 미국특허공보 US 4,847,122(1989. 07. 11)
상기의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 본 발명은 고탄성중합체수지에 세라믹 분말, 판상유리플레이크, 층상 실리케이트 등을 혼합한 주제성분과 경화제에 아민 촉진제, 세라믹 분말, 층상 실리케이트 등을 혼합한 경화제성분을 혼합하여 제조한 세라믹코팅제를 선박에 코팅함으로써, 코팅층의 우수한 기계적 물성으로 인해 캐비테이션에 대한 침식을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있어 선박의 특정부위에 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 판상유리플레이크가 세라믹코팅제의 기지면에 평행하게 배열되어 수분이나 산소에 대한 투과 저항성을 개선함으로써, 캐비테이션을 형성할 때 발생하는 강한 수압의 충격과 진동, 소음 등을 흡수하여 저감시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은 캐비테이션 침식방지용 코팅제에 있어서,
상기 코팅제는 주제성분(a) 100 중량부에 대하여 경화제성분(b) 20~30 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 과제 해결 수단으로 한다.
상기에서 주제성분(a)은 고탄성중합체수지 100 중량부에 대하여 세라믹 분말 5~10 중량부, 판상유리플레이크 5~10 중량부, 층상 실리케이트 3~7 중량부, 첨가제 3~7 중량부를 포함하여 이루어지고, 상기 경화제성분(b)은 경화제 100 중량부에 대하여 아민 촉진제 30~40 중량부, 세라믹 분말 20~30 중량부, 층상 실리케이트 5~10 중량부, 첨가제 5~10 중량부를 포함하여 이루어지는 것이 특징이다.
그리고 상기 고탄성중합체수지는 SBR(Styrene-butadien rubber), NBR(Acrylonitrile butadiene rubber), CTBN(Carboxyl terminated butadiene acrylonitrile), EPM(Ethylene propylene rubber), EPDM(Ethylene proplene diene rubber), Bisphenol A diglycidyl ether, PPGDGE(Polypropylene glycol diglycidyl ether), BGE(Butyl glycidyl ether), 1,6HDGE(1,6 Hexanediol digylcidyl ether), DPGDB(Dipropylene glycol dibenzoate), 우레탄 변성 에폭시계 가소제 수지 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하며, 상기 세라믹 분말은 이산화티탄, 실리카, 탈크, 탄산칼슘,마이카, 황산바륨, 운모, 방청안료 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용한다.
또한 상기 경화제는 폴리에틸아민, 폴리에테르아민, 폴리글리콜아민, 폴리글리콜디아민, 폴리옥시프로필렌디아민, 폴리옥시알킬렌아민, 폴리옥시알킬렌디아민, 트리에틸렌글리콜디아민, 폴리이서아민, 폴리아마이드아민 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하며, 상기 첨가제는 전체 첨가제 100 중량부에 대하여 분산제 20~30 중량부, 가소제 20~30 중량부, 소포제 10~20 중량부, 레벨링제 20~30 중량부, 커플링제 20~30 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 판상유리플레이크는 장축의 평균 길이가 100~1700㎛이고, 두께가 100nm~5㎛인 것으로서, 유리 망목형성제(network former)와 유리 망목수식제(network modifier)를 포함하되, 상기 유리 망목형성제로는 SiO2이고, 상기 유리 망목수식제는 Na2O, K2O, CaO, Al2O3, B2O3, MgO, ZnO로 이루어진 군에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제는 주제성분과 경화제성분을 혼합하여 선박에 코팅함으로써, 판상유리플레이크가 기지면에 평행하게 배열되어 수분이나 산소에 대한 투과 저항성을 개선할 수 있어 캐비테이션을 형성할 때 발생하는 강한 수압의 충격과 진동, 소음 등을 흡수하여 저감시킬 수 있고, 코팅면의 기계적 물성이 우수하여 캐비테이션에 대한 침식을 방지함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있어 선박의 방향타, 프로필러, 펌프, 파이프 엘보 등의 산업설비와 발전설비에 적용하여 유지, 보수에 따른 원가를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 것이 특징이다.
도 1은 캐비테이션에 대한 침식 저항성 성능시험시 노출시간에 따른 누적침식깊이를 나타낸 그래프이다.
상기와 같은 효과를 달성하기 위한 본 발명은 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제에 관한 것으로서, 본 발명을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위 내에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 캐비테이션 침식방지용 코팅제에 있어서,
상기 코팅제는 주제성분(a) 100 중량부에 대하여 경화제성분(b) 20~30 중량부를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 주제성분(a)과 경화제성분(b)으로 구성되는 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제는 판상유리플레이크가 기지면에 평행하게 배열되므로 인해 수분이나 산소에 대한 투과 저항성을 개선할 수 있어 캐비테이션을 형성할 때 발생하는 강한 수압의 충격과 진동, 소음 등을 흡수하여 저감시킬 수 있으며 아울러, 기계적 물성이 우수하여 캐비테이션에 대한 침식을 방지함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있어 선박의 방향타, 프로필러, 펌프, 파이프 엘보 등과 같은 설비에 코팅할 경우 우수한 효과를 얻을 수 있는 것이 특징이다.
본 발명에서 사용되는 주제성분(a)은 고탄성중합체수지 100 중량부에 대하여 세라믹 분말 5~10 중량부, 판상유리플레이크 5~10 중량부, 층상 실리케이트 1~3 중량부, 첨가제 1~3 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에서 고탄성중합체수지는 세라믹코팅제의 반발타성과 기계적 물성을 향상시켜 선박의 각종 설비에 코팅할 경우 강한 수압과의 충격으로 발생하는 진동, 소음 등을 저감시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 100 중량부인 것이 바람직하다. 상기 고탄성중합체수지의 사용량이 상기 범위를 벗어날 경우에는 세라믹코팅제의 기계적 물성이 떨어져 캐비테이션 형성시 발생하는 강한 수압의 충격과 진동, 소음 등을 저감시키는데 어려움이 있다.
그리고 상기 고탄성중합체수지는 스틸렌부타디엔고무(SBR), 아크릴로니트릴부타디엔고무(NBR), 카르복실부타디엔아크릴로니트릴(CTBN), 에틸렌프로필렌고무(EPM), 에틸렌프로필렌디엔고무(EPDM), 비스페놀A디글리시딜에테르, 폴리프로필렌글리콜디글리시딜에테르(PPGDGE), 부틸글리시딜에테르(BEG), 1,6헥산디올디글리시딜에테르(1,6HDGE), 디프로필렌글리콜디벤조에이트(DPGDB), 우레탄 변성 에폭시계 가소제 수지 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
상기에서 세라믹 분말은 세라믹코팅제의 기계적 물성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 고탄성중합체수지 100 중량부에 대하여 5~10 중량부인 것이 바람직하다. 상기 세라믹 분말의 사용량이 5 중량부 미만일 경우에는 세라믹코팅제의 기계적 강도가 저하되어 캐비테이션에 대한 저항성이 떨어지는 문제점이 있고, 상기 세라믹 분말의 사용량이 10 중량부를 초과할 경우에는 다른 혼합물의 첨가량에 비해 세라믹 분말의 사용량 과다로 세라믹코팅제가 도포된 코팅층이 너무 강해 탄성율, 신율, 인장강도와 같은 기계적 물성이 저하될 우려가 있다.
한편, 상기 세라믹 분말의 입자는 5 내지 50㎛ 인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 분말의 입자가 상기 범위를 벗어날 경우에는 세라믹 분말의 표면적 차이로 세라믹코팅제의 기계적 물성을 유지하는데 어려움이 있다.
그리고 상기 세라믹 분말은 이산화티탄, 실리카, 탈크, 탄산칼슘, 마이카, 황산바륨, 운모, 방청안료 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
상기에서 판상유리플레이크는 세라믹코팅제에 평행하게 배열되어 수분이나 산소에 대한 침투 저항성을 개선하는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 고탄성중합체수지 100 중량부에 대하여 5~10 중량부인 것이 바람직하다. 상기 판상유리플레이크의 사용량이 5 중량부 미만일 경우에는 판상유리플레이크의 사용량 부족으로 세라믹코팅제에 배열되어 있는 판상유리플레이크의 밀도가 떨어져 수분이나 산소에 대한 침투 저항성이 저하될 우려가 있고, 상기 판상유리플레이크의 사용량이 10 중량부를 초과할 경우에는 판상유리플레이크의 사용량 과다로 세라믹코팅제에 배열되어 있는 판상유리플레이크의 밀도가 높아 수분이나 산소에 대한 침투 저항성은 향상시킬 수 있으나 세라믹코팅제의 기계적 물성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 판상유리플레이크는 장축의 평균 길이가 100~1700㎛이고, 두께가 100nm~5㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 판상유리플레이크의 길이 및 두께가 상기 범위를 벗어날 경우에는 판상유리플레이크가 세라믹코팅제에 평행하고 균일하게 배열되지 않을 수 있다.
한편, 상기 판상유리플레이크는 유리 망목형성제(network former)와 유리 망목수식제(network modifier)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 유리 망목형성제로는 SiO2이고, 상기 유리 망목수식제는 Na2O, K2O, CaO, Al2O3, B2O3, MgO, ZnO로 이루어진 군에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 유리 망목형성제와 유리 망목수식제의 혼합량은 유리 망목형성제 50~70 중량부와 유리 망목수식제 30~50 중량부를 혼합하는 것이 적합하다. 상기 혼합량이 상기 범위를 벗어날 경우에는 세라믹코팅제에 혼합되는 판상유리플레이크 의 성능이 저하될 우려가 있다.
상기에서 층상 실리케이트는 세라믹코팅제를 도포할 때 작업성과 새깅성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 고탄성중합체수지 100 중량부에 대하여 1~3 중량부인 것이 바람직하다. 상기 층상 실리케이트의 사용량이 1 중량부 미만일 경우에는 도막의 새깅성이 떨어져 1.0~2.0mm 두께의 도막을 형성하는데 어려움이 있고, 상기 층상 실리케이트의 사용량이 3 중량부를 초과할 경우에는 세라믹코팅제의 높은 점도로 인해 작업성이 저하되는 문제점이 있다.
상기에서 첨가제는 주제성분의 저장성, 내구성과 같은 기계적 물성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 고탄성중합체수지 100 중량부에 대하여 첨가제 1~3 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 첨가제의 사용량이 1 중량부 미만일 경우에는 첨가제의 사용량 저하로 다른 혼합물들과 반응은 완전히 이루어질 수 있으나, 저장성, 내구성과 같은 기계적 물성이 저하될 우려가 있고, 첨가제의 사용량이 3 중량부를 초과할 경우에는 사용량 과다로 다른 혼합물들과 반응이 완전히 일어나지 않아 잔존하는 첨가제로 인해 내구성이 저하될 우려가 있다.
한편, 상기 첨가제는 전체 첨가제 100 중량부에 대하여 분산제 20~30 중량부, 가소제 20~30 중량부, 소포제 10~20 중량부, 레벨링제 20~30 중량부, 커플링제 20~30 중량부를 포함하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분산제는 주제성분들을 균일하게 분산시켜 저장안정성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 분산제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 각 성분들이 균일하게 분산되지 않아 저장안정성이 저하될 우려가 있고, 분산제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 각 성분들은 균일하게 분산시킬 수 있으나, 전해질 역할로 인한 이중으로 층이 형성되어 주제성분의 접착력이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 분산제는 DISPERBYK110, DISPERBYK182, DISPERBYK2051, DISPERBYK2264(독일 BYK사 제품), EFK-A4330, EFKA-5044, EFKA-5220(독일 BASF사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 가소제는 고탄성중합체수지에 가소성을 증가시켜 주제성분들을 혼합할 때 작업성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 가소제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 고탄성중합체수지에 가소성이 증가되지 않아 주제성분들을 혼합할 때 작업성이 떨어질 우려가 있고, 가소제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 고탄성중합체수지에 가소성이 지나치게 증가하여 물성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 가소제는 DBP(디부틸프탈레이트),DOP(디옥틸프탈레이트),DIDP(디이소데실프탈레이트),DPGDB(디프로필렌글리콜디벤조에이트),ESBO(Epoxidized Soybean Oil) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
상기 소포제는 주제성분들을 혼합할 때 발생하는 거품을 억제하는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 10~20 중량부인 것이 바람직하다. 소포제의 사용량이 10 중량부 미만일 경우에는 발생하는 거품의 억제력이 저하되어 그 효과가 미미하며, 소포제의 사용량이 20 중량부를 초과할 경우에는 소포제의 사용량 과다로 주제성분의 기능이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 소포제는 BYK-054, BYK-066N, BYK-A555, BYK-1790(독일 BYK사 제품), EFKA-SI 2008, EFKA-2040(독일 BASF사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
상기 레벨링제는 도막의 유동성을 개량하여 표면장력 차이에 의한 색얼룩이나 분화구 현상 등의 결함방지 및 표면 레벨링성을 부여하기 위해 사용하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 레벨링제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 레벨링 효과를 발휘하는데 어려움이 있고, 레벨링제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 재도장시 세라믹코팅제의 층간 부착성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 레벨링제는 BYK-320, BYK-333, BYK-342, BYK-354, BYK-358N, Silclean3700(독일 BYK사 제품), EFKA-3030, EFKA-3033, EFKA-3570, EFKA-3580, EFKA-3778(독일 BASF사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
상기 커플링제는 유기수지와 무기안료의 계면접착력을 높이는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 커플링제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 커플링제의 사용량 부족으로 도막의 물성이 저하될 우려가 있고, 커플링제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 커플링제의 사용량에 비례하여 도막의 물성이 좋아지지 않고 도리어 물성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 커플링제는 BYK-C8000(독일 BYK사 제품), XIAMETER OFS-6011, XIAMETER OFS-6040(미국 Dowcorning사 제품), SILA ACE S-510(일본 Chisso사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 경화제성분(b)은 경화제 100 중량부에 대하여 아민 촉진제 30~40 중량부, 세라믹 분말 20~30 중량부, 층상 실리케이트 5~10 중량부, 첨가제 5~10 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에서 경화제는 고탄성중합체수지의 상온 경화가 가능할 수 있으면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 동절기에 저온경화성이 우수하고 건조성이 빠른 타입 및 가소성이 우수한 것을 사용하는 것이 적합하며, 그 사용량은 100 중량부인 것이 바람직하다. 상기 경화제의 사용량이 상기 범위를 벗어날 경우에는 고탄성중합체머수지의 경화가 원활하게 이루어지지 않아 세라믹코팅제의 도막강도 저하 및 미건조 및 표면 접착성 등이 저하되는 문제점이 발생할 우려가 있다.
그리고 상기 경화제는 폴리에틸아민, 폴리에테르아민, 폴리글리콜아민, 폴리글리콜디아민, 폴리옥시프로필렌디아민, 폴리옥시알킬렌아민, 폴리옥시알킬렌디아민, 트리에틸렌글리콜디아민, 폴리이서아민, 폴리아마이드아민, 만니쉬(Mannich)형 타입의 경화제 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
상기에서 아민 촉진제는 경화제의 반응성을 촉진시키고, 주제성분과 혼합하여 제조되는 세라믹코팅제의 기계적 물성을 향상시켜 캐비테이션을 형성할 때 발생하는 강한 수압의 충격과 진동, 소음 등을 흡수하여 저감시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 경화제 100 중량부에 대하여 30~40 중량부인 것이 바람직하다. 아민 촉진제의 사용량이 30 중량부 미만일 경우에는 경화제의 반응성 저하로 세라믹코팅제의 건조가 지연될 우려가 있고, 아민 촉진제의 사용량이 40 중량부를 초과할 경우에는 아민 촉진제의 반응이 원활하지 않아 캐비테이션을 형성할 때 강한 수압에 의해 발생하는 충격과 진동, 소음 등을 저감시키는데 어려움이 있다.
상기에서 세라믹 분말은 경화제에 균일하게 분산시켜 경화제의 기계적 물성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 경화제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 세라믹 분말의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 세라믹 분말의 사용량 저하로 경화제에 분산된 세라믹 분말의 밀도가 떨어져 경화제의 기계적 물성이 저하될 우려가 있고, 세라믹 분말의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 세라믹 분말의 사용량 과다로 경화제에 균일하게 분산되지 않아 경화제의 기계적 물성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 세라믹 분말은 이산화티탄, 실리카, 탈크, 탄산칼슘, 마이카, 황산바륨, 운모, 방청안료 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
상기에서 층상 실리케이트는 경화제의 성분(b)을 주제성분(a)과 혼합할 때 작업성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 경화제 100 중량부에 대하여 5~10 중량부인 것이 바람직하다. 층상 실리케이트의 사용량이 5 중량부 미만일 경우에는 경화제의 점도가 떨어져 주제성분과 혼합한 세라믹코팅제로부터 요구하는 도막의 두께를 얻는데 어려움이 있고, 층상 실리케이트의 사용량이 10 중량부를 초과할 경우에는 경화제의 높은 점도로 인해 주제성분과 혼합할 때 작업성이 저하될 우려가 있다.
상기에서 첨가제는 경화제성분의 저장성, 내구성과 같은 기계적 물성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 주제성분 100 중량부에 대하여 첨가제 5~10 중량부인 것이 바람직하다. 첨가제의 사용량이 5 중량부 미만일 경우에는 첨가제의 사용량 저하로 다른 혼합물들과 반응은 완전히 일어날 수 있으나, 저장성, 내구성과 같은 기계적 물성이 저하될 우려가 있고, 첨가제의 사용량이 10 중량부를 초과할 경우에는 사용량 과다로 다른 혼합물들과 반응이 완전히 일어나지 않고 남아있는 잔존 첨가제로 인해 내구성이 저하될 우려가 있다.
한편, 상기 첨가제는 전체 첨가제 100 중량부에 대하여 분산제 20~30 중량부, 가소제 20~30 중량부, 소포제 10~20 중량부, 레벨링제 20~30 중량부, 커플링제 20~30 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분산제는 경화제성분들을 균일하게 분산시켜 저장안정성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 분산제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 혼합된 성분들이 균일하게 분산되지 않아 저장안정성이 저하될 우려가 있고, 분산제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 혼합된 성분들은 균일하게 분산시킬 수 있으나, 전해질 역할로 인해 경화제성분들이 이중 층으로 형성되어 접착력이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 분산제는 DISPERBYK110, DISPERBYK182, DISPERBYK2151, DISPERBYK2164(독일 BYK사 제품), EFK-A4330, EFKA-5044, EFKA-5220(독일 BASF사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
상기 가소제는 경화제성분들에 가소성을 증가시켜 혼합할 때 작업성을 향상시키는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 가소제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 경화제성분들에 가소성이 증가되지 않아 혼합할 때 작업성이 떨어질 우려가 있고, 가소제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 경화제성분들에 가소성이 지나치게 증가하여 물성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 가소제는 DBP(디부틸프탈레이트),DOP(디옥틸프탈레이트),DIDP(디이소데실프탈레이트),DPGDB(디프로필렌글리콜디벤조에이트),ESBO(Epoxidized Soybean Oil) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
상기 소포제는 경화제성분들을 혼합할 때 발생하는 거품을 억제하는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 10~20 중량부인 것이 바람직하다. 소포제의 사용량이 10 중량부 미만일 경우에는 발생하는 거품의 억제력이 저하될 우려가 있고, 소포제의 사용량이 20 중량부를 초과할 경우에는 소포제의 사용량 과다에 따른 그 효과가 미약하다.
그리고 상기 소포제는 BYK-054, BYK-066N, BYK-A555, BYK-1790(독일 BYK사 제품), EFKA-SI 2008, EFKA-2040(독일 BASF사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
상기 레벨링제는 도막의 유동성을 개량하여 표면장력 차이에 의한 색얼룩이나 분화구현상 등의 결합방지 및 표면 레벨링성을 부여하기 위해 사용하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 레벨링제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 레벨링 효과를 발휘하는데 어려움이 있고, 레벨링제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 재도장시 세라믹코팅제의 층간 부착성이 저하될 우려가 있다.
그리고 상기 레벨링제는 BYK-320, BYK-333, BYK-342, BYK-354, BYK-358N, BYK-Silclean3700(독일 BYK사 제품), EFKA-3030, EFKA-3033, EFKA-3570, EFKA-3580, EFKA-3778(독일 BASF사 제품), Q4-3667(미국 Dowcorning사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
상기 커플링제는 유기수지와 무기안료의 계면접착력을 높이는 역할을 하는 것으로서, 그 사용량은 첨가제 100 중량부에 대하여 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 커플링제의 사용량이 20 중량부 미만일 경우에는 도막의 물성이 저하될 우려가 있고, 커플링제의 사용량이 30 중량부를 초과할 경우에는 커플링제의 사용량 과다로 인해 도막의 물성이 오히려 떨어질 우려가 있다.
그리고 상기 커플링제는 BYK-C8000(독일 BYK사 제품), XIAMETER OFS-6011, XIAMETER OFS-6040(미국 Dowcorning사 제품), SILA ACE S-510(일본 Chisso사 제품) 중에서 1종 또는 그 이상을 사용할 수 있다.
한편, 상기와 같이 제조되는 세라믹코팅제는 주제성분(a) 100 중량부에 대하여 경화제성분(b) 20~30 중량부와 디메칠카보네이트 10~30 중량부, 메탄올 10~30 중량부, 메칠아세테이트 20~40 중량부, 톨루엔 60~70 중량부, 아세톤 5~10 중량부로 이루어진 희석제 30 중량부를 투입하고 이를 상온에서 혼합하여 스프레이, 붓, 롤러 도장이 가능한 세라믹코팅제를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 구성을 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같으며, 본 발명의 구성은 반드시 하기 실시예에 의해서만 한정하는 것은 아니다.
1. 주제성분의 제조
NBR변성 비스페놀A디글리시딜에테르 100 중량부에 실리카 6 중량부, 판상유리플레이크 7 중량부, 층상 실리케이트 2 중량부와 여기에 첨가제로서, DISPERBYK-110 분산제 1 중량부, DPGDB 가소제 1 중량부, BYK-054 소포제 1 중량부, BYK-354 레벨링제 1 중량부 및 BYK-C8000 커플링제 1 중량부를 반응용기에 투입한 다음 상온에서 1시간 동안 교반하여 주제성분을 제조하였다.
2. 경화제성분의 제조
폴리에틸아민 100 중량부에 아민 촉진제로서 제파민(Jeffamine)-A399 35 중량부, 실리카 30 중량부, 층상 실리케이트 7 중량부와 여기에 첨가제로서, DISPERBYK-110 분산제 1.5 중량부, ESBO 가소제 1.5 중량부, BYK-054 소포제 1.5 중량부, Q4-3667 레벨링제 1.5 중량부 및 XIAMETER OFS-6011 커플링제 1.5 중량부를 반응용기에 투입한 다음 상온에서 1시간 동안 교반하여 경화제성분을 제조하였다.
3. 세라믹코팅제의 제조
(실시예 1)
상기 1의 주제성분 100 중량부에 상기 2의 경화제성분 25 중량부를 투입하고 이를 상온에서 혼합하여 세라믹코팅제를 제조하였다.
(실시예 2)
상기 1의 주제성분 100 중량부에 상기 2의 경화제성분 25 중량부와 디메칠카보네이트 20 중량부, 메탄올 20 중량부, 메칠아세테이트 30 중량부, 톨루엔 50 중량부, 아세톤 10 중량부로 이루어진 희석제 30 중량부를 투입하고 이를 상온에서 혼합하여 스프레이, 붓, 롤러 도장이 가능한 세라믹코팅제를 제조하였다.
(비교예 1)
국내 조선소에서 사용되는 우레탄변성 에폭시 타입의 미국 N사 제품을 선택하였다.
(비교예 2)
국내 조선소에서 사용되는 폴리우레아 타입의 영국 B사 제품을 선택하였다.
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2의 코팅제를 하기방법에 의해 부착강도, 인장강도, 연신율, 경도, 도막의 두께에 따른 캐비테이션의 소음, 캐비테이션에 대한 침식 저항성 성능시험을 측정하였으며, 그 결과는 [표 1]~[표 3]과 같다.
1)부착강도시험
각 코팅제의 시편은 ASTM D4541-09의 시험법에 의거하여 3.2㎜ 철판인 피도체에 1.5㎜ 두께로 코팅하고 상온에서 72시간 동안 경화시킨 후 도막의 부착강도를 측정하였다.
2) 인장강도 및 연신율 시험
각 코팅제의 시편은 ASTM D638-10의 시험법에 의하여 Type I의 시편을 제작한 다음 상기 시험법에 따라 인장강도 및 연신율을 측정하였다.
3) 경도시험
각 코팅제의 시편은 ASTM D2240의 시험법에 의하여 시편을 제작한 다음 상온에서 72시간 동안 경화시킨 후 상기 시험법에 따라 도막 경도를 측정하였다.
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
부착강도(MPa) 13.1 13.2 9.3 7.5
인장강도(N/㎟) 7.5 7.8 8.8 7.1
연신율(%) 53 54 36 555
경도(shore A/D) shore D35 shore D35 shore 40 shore 37
상기 [표 1]에 의하면 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 1 및 2에 비해 부착강도, 인장강도, 연신율, 경도에 있어 일정한 물성을 유지함으로써, 기계적 물성이 우수하여 선박의 방향타, 프로펠러 등의 코팅제로 사용하는데 적합한 것으로 평가되었는데 비해 비교예 1의 경우 부착강도, 인장강도 및 경도에 있어 물성이 우수한 것으로 평가된데 비해 연신율이 낮아 강한 압력에 대한 저항성이 떨어져 선박의 방향타, 프로필러 등에 사용하기에 문제점이 있는 것으로 평가되었고,
그리고 비교예 2의 경우에는 부착강도, 인장강도의 물성이 낮은데 비해 연신율이 높아 강력한 캐비테이션의 충격으로 인해 저항성이 요구되는 선박의 코팅제로 사용할 경우 초후도막이 아닌 코팅으로는 소재에 충격이 가해져 도막의 박리, 박락, 들뜸 등이 일어날 수 있는 문제점이 있는 것으로 평가되었다.
4) 캐비테이션의 소음 평가
각 코팅제의 시편은 3.2㎜ 철판인 피도체에 1.5㎜ 두께로 코팅하고 상온에서 72시간 동안 경화시킨 후 캐비테이션 발생시 소음의 정도를 측정하였다. 측정방법은 혼팁(Horn tip)과 소음측정기의 거리는 30㎝ 이격하여 측정하였으며 그 결과는 [표 2]와 같다.
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
시편두께(15mm) 80.2dB 80.3dB 85.5dB 83.5dB
* 데시벨(dB) 별 소음 정도
20dB: 매우 조용한 정도 40dB: 조용한 정도 60dB: 일상음 정도
80dB: 시끄러운 정도 100dB: 매우 시끄러운 정도 120dB: 고통을 느낄 정도
상기 [표 2]에 의하면 실시예 1 및 실시예 2의 경우 캐비테이션의 소음이 80.2~80.3dB로 평가되어 약간 시끄러운 것으로 평가된데 비해 비교예 1 및 비교예 2의 경우에는 캐비테이션의 소음이 83.5~85.5dB로 평가되어 실시예 1 및 실시예 2에 비해 더 시끄러운 것으로 평가되어 캐비테이션에 대한 침식 저항성이 약한 것으로 평가되었다.
5) 캐비테이션에 대한 침식 저항성 성능시험
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2의 세라믹 코팅제를 SUS 304재질의 가로,세로 20㎜, 두께 5㎜ 크기의 시편에 1.5㎜의 두께로 코팅하고 상온에서 72시간 동안 경화시킨 후, 증류수 용액 내 12±4㎜의 깊이에 침지하여 Modified ASTM G32의 테스트 규격에 의하여 시험하였다. 상기 시편의 조건은 평균두께가 1.5㎜이며, 표준편차는±150㎛이었다.
상기 침식 저항성 성능시험은 상기 시편을 20분, 40분, 60분, 80분, 100분, 120분으로 총 6회 측정하였으며, 각 측정 간격마다 시편을 60℃오븐에 넣어 10분 동안 건조하고 시편의 무게는 0.1mg까지 2회 측정한 후 도막의 손상과정을 평균누적침식 깊이, 침식 저항성, 부피 면적으로 평가하였으며, 그 결과는 [표 3]과 같다. 그리고 [도 1]는 노출시간에 따른 누적침식깊이를 나타낸 그래프이다.
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
MDE(㎛/h) 1.41 1.21 2.27 3.20
Rc(h/㎛) 0.88 0.83 0.44 0.31
㎣/h 4.55 4.84 9.08 12.81
* 진동수: 20KHz, 진폭: 50㎛, 온도: 25±2℃
* MDE(Mean Depth of Erosion): 평균침식깊이로 침식에 따라 감소한 평균 두께로 나타내며, 무게감소를 측정한 후 밀도로 나누어 계산한다.
* Rc: 캐비테이션 침식 저항성으로 평균 침식 깊이의 역수에 시간을 곱한 것으로서, 1㎛ 두께의 도막을 침식시키는데 걸리는 시간을 의미한다.
상기 [표 3] 및 [도 1]에 의하면 실시예 1 및 2의 경우에는 평균누적침식 깊이, 침식 저항성, 부피 면적에 있어서 매우 우수한 것으로 평가되었으나, 비교예 1 및 2의 경우에는 평균누적침식 깊이, 침식 저항성, 부피 면적에 있어 실시예 1 및 2에 비해 2배 이상 나쁜 것으로 평가되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 플레이크를 이용한 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제는 상기의 바람직한 실시 예를 통해 설명하고, 그 우수성을 확인하였지만 해당 기술분야의 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 캐비테이션 침식방지용 코팅제에 있어서,
    상기 코팅제는 고탄성중합체수지 100 중량부에 대하여 5 내지 50㎛의 세라믹 분말 5~10 중량부, SiO2의 유리 망목형성제 50~70 중량부와 Na2O, K2O, CaO, Al2O3, B2O3, MgO, ZnO로 이루어진 군에서 1종 또는 그 이상 선택된 유리 망목수식제 30~50 중량부를 포함하며, 장축의 평균 길이가 100~1700㎛이고, 두께가 100nm~5㎛인 판상유리플레이크 5~10 중량부, 층상 실리케이트 1~3 중량부, 첨가제 1~3 중량부를 포함하는 주제성분(a) 100 중량부와 경화제 100 중량부에 대하여 아민 촉진제 30~40 중량부, 세라믹 분말 20~30 중량부, 층상 실리케이트 5~10 중량부, 첨가제 5~10 중량부를 포함하는 경화제성분(b) 20~30 중량부를 혼합하여 이루어지되,
    상기 고탄성중합체수지는 스틸렌부타디엔고무(SBR), 아크릴로니트릴부타디엔고무(NBR), 카르복실부타디엔아크릴로니트릴(CTBN), 에틸렌프로필렌고무(EPM), 에틸렌프로필렌디엔고무(EPDM), 비스페놀A디글리시딜에테르, 폴리프로필렌글리콜디글리시딜에테르(PPGDGE), 부틸글리시딜에테르(BEG), 1,6헥산디올디글리시딜에테르(1,6HDGE), 디프로필렌글리콜디벤조에이트(DPGDB), 우레탄 변성 에폭시계 가소제 수지 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하며,
    상기 첨가제는 분산제 20~30 중량부, 가소제 20~30 중량부, 소포제 10~20 중량부, 레벨링제 20~30 중량부, 커플링제 20~30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 경화제는 폴리에틸아민, 폴리에테르아민, 폴리글리콜아민, 폴리글리콜디아민, 폴리옥시프로필렌디아민, 폴리옥시알킬렌아민, 폴리옥시알킬렌디아민, 트리에틸렌글리콜디아민, 폴리이서아민, 폴리아마이드아민 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 침식방지용 유,무기 복합 세라믹코팅제.

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