KR101766085B1 - Ptfe 코팅용액 코팅방법 및 ptfe 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트 - Google Patents

Ptfe 코팅용액 코팅방법 및 ptfe 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트 Download PDF

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Abstract

비드밀링을 통해 다이아몬드 분말을 유기용매에 분산시켜 분산용액을 제조하는 분산단계; 분산용액에 실란용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조하는 혼합단계; 혼합용액에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)입자의 크기가 0.1~6㎛인 PTFE용액을 첨가하여 코팅용액을 제조하는 첨가단계; 제조된 코팅용액을 피스톤스커트 표면에 코팅하여 복수의 딤플(Dimple)이 분포된 코팅층을 형성시키는 코팅단계; 및 코팅층을 건조시킨 후 열처리하는 경화단계;를 포함하는 PTFE 코팅용액 코팅방법이 소개된다.

Description

PTFE 코팅용액 코팅방법 및 PTFE 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트 {COATING METHOD USING PTFE COATING SOLUTION AND PISTON SKIRT COATED PTFE COATING SOLUTION}
본 발명은 PTFE용액의 입자크기 제어를 통해 표면에 복수의 딤플이 형성된 코팅층을 형성시켜 이러한 딤플이 오일포켓 역할을 하게 함으로써 마찰저감 효과를 극대화시킨 PTFE 코팅용액 코팅방법에 관한 것이다.
피스톤은 엔진에서 발생하는 마찰에 의한 에너지 손실 중 30~50% 차지할 정도로 마찰에 민감한 부품이다. 특히 엔진의 폭발 행정시의 압력에 의해 30 ~ 40MPa 이상의 압력으로 실린더 내부 표면과 마찰을 일으키면서 왕복운동을 한다. 이때 발생하는 마찰손실을 최소화하기 위해 피스톤스커트 표면에 그라파이트, MoS2 등의 고체윤활제를 활용한 수지 코팅을 적용하였다.
한편, 최근에는 다이아몬드 분말을 비드밀링하여 유기용매에 분산시킨 후, 여기에 실란용액을 혼합하여 실란용액이 다이아몬드 분말의 입자를 둘러쌈으로써 다이아몬드 분말의 입자들이 서로 응집되지 않고 나노 크기를 유지한 채 분산된 상태를 유지하도록 하는 혼합용액을 제조하고 이후 혼합용액에 훌륭한 저마찰 특성을 지닌 PTFE(Polytetrafluoroethylene)용액을 첨가시킨 PTFE 코팅용액이 산업계에서 코팅 및 윤활제로 활용되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0103242 A
본 발명은 PTFE용액의 입자크기 제어를 통해 표면에 복수의 딤플이 형성된 코팅층을 형성시켜 이러한 딤플이 오일포켓 역할을 하게 함으로써 마찰저감 효과를 극대화시킨 PTFE 코팅용액 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PTFE 코팅용액 코팅방법은 비드밀링을 통해 다이아몬드 분말을 유기용매에 분산시켜 분산용액을 제조하는 분산단계; 분산용액에 실란용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조하는 혼합단계; 혼합용액에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)입자의 크기가 0.1~6㎛인 PTFE용액을 첨가하여 코팅용액을 제조하는 첨가단계; 제조된 코팅용액을 피스톤스커트 표면에 코팅하여 코팅층을 형성시키는 코팅단계; 및 코팅층을 건조시킨 후 열처리하는 경화단계;를 포함한다.
복수의 딤플(Dimple)은 50~350㎛ 지름을 가질 수 있다.
분산단계에서 비드밀링을 통해 유기용매에 분산된 다이아몬드 분말의 입자크기는 100~400nm일 수 있다.
분산단계에서 분산용액은 유기용매 100 중량부에 다이아몬드 분말 5~10 중량부가 혼합될 수 있다.
혼합단계에서 실란용액은 아미노 관능기를 구비할 수 있다.
혼합단계에서 혼합용액은 다이아본드 분말 100 중량부에 실란용액 2~6 중량부가 혼합될 수 있다.
첨가단계에서 제조된 코팅용액의 점도는 20000~26000cps일 수 있다.
경화단계에서 열처리는 200~220℃에서 10~20분간 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 PTFE 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트는 비드밀링을 통해 다이아몬드 분말을 유기용매에 분산시켜 분산용액을 제조하는 분산단계; 분산용액에 실란용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조하는 혼합단계; 혼합용액에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)입자의 크기가 0.1~6㎛인 PTFE용액을 첨가하여 코팅용액을 제조하는 첨가단계; 제조된 코팅용액을 차량의 부품 표면에 코팅하여 코팅층을 형성시키는 코팅단계; 및 코팅층을 건조시킨 후 열처리하는 경화단계;를 거쳐서 제조된다.
코팅층의 표면에는 50~350㎛ 지름을 갖는 복수의 딤플(Dimple)이 분포될 수 있다.
복수의 딤플은 0.5~10개/mm²로 분포될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 PTFE 코팅용액 코팅방법에 따르면, 오일포켓 역할을 하는 복수의 딤플을 피스톤스커트의 코팅층 표면에 형성시켜 마찰저감이 극대화시키는 효과를 기대할 수 있게 된다.
기존재의 경우와 비교하여 마찰계수가 약 33% 정도 저감되고, 차량의 연비는 약 0.3%향상된다. 차체의 중량저감 없이도 코팅용액만의 교체로 연비의 향상효과를 기대할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤스커트 표면의 비코팅면과 코팅층을 확대한 사진.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코팅층의 표면을 확대한 사진.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 PTFE입자가 분포된 모습을 나타낸 사진.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Dry조건에서 기존재, 비교예 및 실시예의 마찰계수를 비교한 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 윤활조건에서 기존재, 비교예 및 실시예의 마찰계수를 비교한 그래프.
도 6은 본 발명의 기존재와 실시예의 시간에 따른 마찰계수의 변화를 과찰한 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 PTFE 코팅용액 코팅방법은 비드밀링을 통해 다이아몬드 분말을 유기용매에 분산시켜 분산용액을 제조하는 분산단계; 분산용액에 실란용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조하는 혼합단계; 혼합용액에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)입자의 크기가 0.1~6㎛인 PTFE용액을 첨가하여 코팅용액을 제조하는 첨가단계; 제조된 코팅용액을 피스톤스커트 표면에 코팅하여 복수의 딤플(Dimple)이 분포된 코팅층을 형성시키는 코팅단계; 및 코팅층을 건조시킨 후 열처리하는 경화단계;를 포함한다.
다이아몬드 분말, 유기용매, 실란용액 및 PTFE용액으로 구성되는 코팅용액을 피스톤스커트의 표면에 코팅하여 코팅층을 형성시킴에 있어서, 기존과는 달리 PTFE용액의 PTFE입자의 크기를 제어하여 코팅층의 표면에 오렌지필 현상으로 인한 기포자국을 의도적으로 형성시킴으로써 마이크로 단위의 복수의 딤플이 랜덤하게 분포되도록 한다. 이와 같이 코팅층의 표면에 마이크로 단위의 복수의 딤플을 분포시킴으로써 PTFE 자체의 마찰저감효과 외에도 기포에 의한 텍스처링(Texturing)효과도 가미되어 피스톤스커트의 마찰저감을 극대화시킬 수 있는 것이다. 하기 본 발명에 따른 PTFE 코팅용액 코팅방법을 단계적으로 설명하기로 한다.
분산단계를 통해 다이아몬드 분말이 유기용매에 분산된다. 바람직하게는 다이아몬드 분말로는 입경 10~100nm의 분포를 갖는 분말이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 유기용매로는 극성 유기용매인 NMP(N-methyl pyrrolidone)가 사용될 수 있다. NMP의 경우 PTFE용액과의 상용성이 있고 끓는점(204℃)이 높아 비드밀링 중 쉽게 휘발하지 않으며 실란 처리 온도인 60~70℃에서 비산하거나 발화하지 않아 다른 유기용매에 비해 선호된다.
또한, 이러한 유기용매는 PTFE입자의 크기 변경에 따른 점도 조절을 목적으로 한다. 때문에 NMP, MIBK(Methylisobutylketone), Xylene이 혼합된 유기용매를 사용할 경우 PTFE입자의 크기와는 무관하게 점도가 낮아지므로 피스톤스커트 표면에 충분한 두께로 코팅층을 형성하기 위한 점도 확보를 위해 바람직하게는 NMP와 MIBK가 혼합된 유기용매가 사용될 수 있고, 더욱 바람직하게는 NMP가 단독으로 사용될 수 있다.
비드밀링을 통해 유기용매에 분산된 다이아몬드 분말은 바람직하게는 유기용매 100 중량부에 대하여 5~10 중량부 첨가될 수 있는데 유기용매 100 중량부에 대하여 다이아몬드 분말이 5 중량부 미만일 경우 밀링의 효율이 낮고 10 중량부 초과시 점도 증가로 밀링 이후 비드로부터 다이아몬드 분말을 분리가 어렵다는 단점이 있다. 따라서 유기용매 100 중량부에 대한 다이아몬드 분말은 5~10 중량부로 제한한다.
바람직하게는 밀링에 사용되는 비드의 직경은 0.1 ~ 0.3mm 범위로 한다. 비드의 직경이 0.1mm 미만인 경우 밀링 효율은 좋으나 밀링 후 분리가 어려워 손실이 크며, 0.5mm 초과의 경우 밀링 효율이 떨어져 나노 크기의 입자를 얻는 것이 불가능하기 때문이다. 비드의 재질은 특별히 한정되지 않으며 예로서 지르코니아 비드가 사용될 수 있다.
다음으로, 혼합단계에서는 분산단계를 거쳐 제조된 분산용액을 실란용액과 혼합한다. 바람직하게는 본 발명에 따른 PTFE 코팅용액 코팅방법의 실시예로서, 실란용액으로는 유기 관능기로 아미노기를 갖는 것이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는 아미노프로필-트리메톡시실란(Aminopropyl-trimethoxysilane: ATS)가 사용될 수 있다. 실란용액은 다이아몬드 분말과의 결합력이 우수한 무기 관능기인 메톡시기를 포함하고 있어 다이아몬드 입자의 표면에 결합하여 다이아몬드 입자끼리의 응집현상을 방지함으로써 분산력을 향상시킨다.
유기 관능기는 후술하게 될 PTFE 및 PAI(바인더)와 결합을 형성해서 내마모성을 향상시킨다. ATS는 아미노기가 포함하고 있는 N-H 결합에 존재하는 비공유 전자쌍이 PTFE와의 결합에 우수한 특성을 가지므로 다이아몬드 분말의 분산성을 향상시키는 동시에 PTFE 및 PAI와의 부착성을 극대화시키는 것이다.
바람직하게는 본 발명에 따른 PTFE 코팅용액 코팅방법의 실시예로서, 실란용액은 다이아몬드 분말 100 중량부에 대하여 실란용액 2~6 중량부의 비율로 분산용액과 실란용액이 혼합될 수 있다. 그 후 혼합용액을 60~70℃에서 5~7시간 동안 교반하는 과정이 수행될 수 있다. 실란용액의 첨가량은 다이아몬드 분말 입자의 입도에 따른 표면적에 주로 좌우되나 다이아몬드 분말 100 중량부에 대하여 2~6 중량부면 대부분의 다이아몬드 분말의 입자들 표면에 단일층을 형성하는데 충분하다. 다만, 6 중량부를 초과하게 되면 과량의 실란용액이 남게 되므로 바람직하지 않다.
혼합용액의 온도를 60~70℃범위로 유지하는 이유는 실란용액의 가수분해 반응을 유도하여 다이아몬드 분말의 입자들을 효과적으로 둘러싸기 위함인데, 60℃ 미만 시 반응성이 낮고, 70℃ 초과 시 유기용매의 휘발성이 커지는 문제점이 있다. 또한, 교반시간이 5시간 미만 시 가수분해 반응이 불충분하고, 7시간 초과 시 과량의 유기용매가 휘발하여 유기용매에 대한 다이아몬드 분말의 함량비가 크게 변하는 문제점이 발생하므로 5~7시간 동안 교반이 바람직하다.
분산용액과 실란용액이 혼합된 혼합용액은 PTFE용액에 첨가되어 코팅용액으로 제조된다. 이러한 코팅용액은 마찰저감의 극대화가 요구되는 엔진의 피스톤스커트에 프린트 스크린 방식으로 코팅된다. 혼합용액에 첨가되는 PTFE용액의 PTFE입자크기는 0.1~6㎛ 범위로 제한한다. 이는 코팅용액이 피스톤스커트의 표면에 코팅될 때 코팅층 표면에 복수의 딤플을 형성시키기 위함이다.
상기에서 언급한 바와 같이 피스톤스커트의 경우 엔진의 마찰로 인한 에너지손실을 방지하기 위해 표면에 마찰저감 목적의 코팅용액이 코팅되는 것인데 PTFE입자가 갖는 기포흡착성을 이용하기 위해 PTFE입자의 크기를 제어하여 코팅층 표면에 복수의 딤플을 형성시킨다.
이러한 복수의 딤플이 코팅층 표면에 형성되는 경우 딤플이 오일포켓 역할을 하게 되어 윤활유를 코팅층 자체에 함유하게 됨으로써 마찰저감의 극대화가 가능해지는 것이다. PTFE입자의 크기를 0.1㎛ 미만으로는 생산 자체가 어렵고 PTFE입자의 크기가 6㎛을 초과하게 되면 코팅층 표면에 복수의 딤플 형성이 어렵게 되므로 PTFE입자의 크기를 0.1~6㎛ 범위로 제한하는 것이 타당하다. 이렇게 PTFE입자의 크기를 제어하여 피스톤스커트 표면의 비코팅면과 코팅층을 비교한 사진인 도 1에서 확인할 수 있는 것과 같이 코팅층의 표면에 복수의 딤플이 생성된 것을 확인할 수 있다. 이는 코팅층의 표면을 자세히 확대한 사진인 도 2에서도 확인할 수 있으며, 이는 도 3과 같이 PTFE입자가 고르게 분포되었기 때문이다.
PTFE입자 크기의 제어에 따른 피스톤스커트의 마찰저감 효과는 마찰계수 시험장비인 TE77을 이용한 시험결과를 나타낸 그래프인 도 4 및 도 5를 통해 알 수 있다.
도 4의 경우 오일이 존재하지 않는 Dry조건에서 고체윤활제로 MoS2를 사용하는 기존재와 고체윤활제로 8㎛입자 크기의 PTFE를 사용하는 비교예와 고체윤활제로 1㎛입자 크기의 PTFE를 사용하는 실시예의 마찰계수를 비교한 그래프로서, 비교예와 실시예의 경우 기존재보다 마찰계수가 작으며, 실시예가 비교예보다 큰 차이는 없으나 모든 하중에 대해 마찰계수가 작은 것을 확인할 수 있다.
도 5의 경우 오일이 존재하는 윤활조건에서 고체윤활제로 MoS2를 사용하는 기존재와 고체윤활제로 8㎛입자 크기의 PTFE를 사용하는 비교예와 고체윤활제로 1㎛입자 크기의 PTFE를 사용하는 실시예의 마찰계수를 비교한 그래프로서, Dry조건과 비교하여 실시예의 마찰계수가 기존재 및 비교예에 비해 월등하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 상기에서도 언급한 것처럼 PTFE입자 크기의 제어로 코팅층의 표면에 복수의 딤플을 형성하여 이러한 딤플이 오일포켓 역할을 하기 때문이다.
도 6의 그래프에서 알 수 있듯이 이렇게 본 발명에 따른 PTFE 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트가 적용되는 차량의 경우 기존재의 경우와 비교하여 마찰계수가 약 33% 정도 저감되었으므로 차량의 연비는 약 0.3%향상되었다. 차체의 중량저감 없이도 코팅용액만의 교체로 연비의 향상효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 2에서 확인할 수 있듯이 코팅층에 형성되는 복수의 딤플은 50~350㎛ 지름을 가질 수 있고, 0.5~10개/mm²로 분포될 수 있다. 딤플의 지름이 50㎛ 미만일 경우 오일을 담는 오일포켓으로의 기능이 원활하지 못하고 딤플의 지름이 350㎛을 초과하게 되는 경우 딤플의 깊이가 코팅층 두께를 초과할 수 있으므로 딤플 지름의 크기는 50~350㎛로 제한한다. 딤플의 분포정도가 0.5개/mm2 미만일 경우 오일을 충분히 담아내지 못하여 마찰저감의 효과가 미비하고 딤플의 분포정도가 10개/mm2를 초과할 경우 코팅층의 내구성이 약해지는 문제가 있으므로 딤플의 분포정도는 0.5~10개/mm²로 제한한다.
한편, 코팅용액의 점도는 최소한의 코팅을 위해 바람직하게는 15000~35000cps 사이에서 결정되어야 하고, 더욱 바람직하게는 20000~26000cps로 제한할 수 있다. 또한, 이와 같은 조건을 만족시키는 코팅용액의 고형분 함량은 30~50%가 되어야 한다. 코팅용액의 점도가 20000cps 미만일 경우 충분한 코팅 두께를 얻기 어려우며, 26000cps 초과시 코팅 메쉬가 막히는 문제가 발생한다. 따라서 코팅용액의 점도는 20000~26000cps로 제한하는 것이 타당하다.
피스톤스커트부는 코팅 전 미리 알칼리 에칭될 수 있다. 알칼리 에칭에는 수산화나트륨(NaOH)이 사용되는데 보다 구체적으로는 10wt% 수산화나트륨 용액으로 9~11초 에칭된 후 50wt% 질산(HNO3) 용액에서 50~70초 동안 초음파 세척된다. 이러한 알칼리 에칭을 통해 코팅될 면의 조도를 거칠게 함으로써 코팅용액과 피스톤스커트 표면 간의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 에칭 시간이 9초 미만이면 충분히 에칭이 이루어 지지 않아 원하는 표면조도가 얻어지지 않고 에칭 시간이 11초를 초과하면 과도하게 에칭이 되어 코팅 후의 코팅 표면 물성을 좋지 않다. 스크린프린팅 시의 바람직한 메쉬 사이즈는 150~180 mesh 정도이다.
피스톤스커트의 표면에 코팅층이 형성되는 코팅단계 이후에는 자연 또는 열풍 건조를 통해 코팅층을 안정화시키고 200~220℃에서 10~20분간 소성, 즉 열처리 경화시킨다. 열처리 온도가 200℃ 미만일 경우는 코팅용액의 경화가 충분하지 않아 내마모성이 좋지 않고 220℃를 초과할 경우는 피스톤스커트의 열변형을 가져올 수 있다. 따라서 열처리 온도는 200~220℃로 제어함이 타당하다.
본 발명에 따른 PTFE 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트는 비드밀링을 통해 다이아몬드 분말을 유기용매에 분산시켜 분산용액을 제조하는 분산단계; 분산용액에 실란용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조하는 혼합단계; 혼합용액에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)입자의 크기가 0.1~6㎛인 PTFE용액을 첨가하여 코팅용액을 제조하는 첨가단계; 제조된 코팅용액을 차량의 부품 표면에 코팅하여 코팅층을 형성시키는 코팅단계; 및 코팅층을 건조시킨 후 열처리하는 경화단계;를 거쳐서 제조된다.
코팅층의 표면에는 50~350㎛ 지름을 갖는 복수의 딤플(Dimple)이 분포될 수 있고 이러한 복수의 딤플은 0.5~10개/mm²로 분포될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (11)

  1. 비드밀링을 통해 다이아몬드 분말을 유기용매에 분산시켜 분산용액을 제조하는 분산단계;
    분산용액에 실란용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조하는 혼합단계;
    혼합용액에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)입자의 크기가 0.1~6㎛인 PTFE용액을 첨가하여 코팅용액을 제조하는 첨가단계;
    제조된 코팅용액을 피스톤스커트 표면에 코팅하여 복수의 딤플(Dimple)이 분포된 코팅층을 형성시키는 코팅단계; 및
    코팅층을 건조시킨 후 열처리하는 경화단계;를 포함하고,
    상기 코팅단계는, 코팅층의 표면에 50~350㎛ 지름을 갖는 복수의 딤플(Dimple)을 형성시키는 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액 코팅방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    분산단계에서 비드밀링을 통해 유기용매에 분산된 다이아몬드 분말의 입자크기는 100~400nm인 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액 코팅방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    분산단계에서 분산용액은 유기용매 100 중량부에 다이아몬드 분말 5~10 중량부가 혼합된 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액 코팅방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    혼합단계에서 실란용액은 아미노 관능기를 구비하는 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액 코팅방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    혼합단계에서 혼합용액은 다이아본드 분말 100 중량부에 실란용액 2~6 중량부가 혼합된 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액 코팅방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    첨가단계에서 제조된 코팅용액의 점도는 20000~26000cps인 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액 코팅방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    경화단계에서 열처리는 200~220℃에서 10~20분간 수행되는 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액 코팅방법.
  9. 비드밀링을 통해 다이아몬드 분말을 유기용매에 분산시켜 분산용액을 제조하는 분산단계;
    분산용액에 실란용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조하는 혼합단계;
    혼합용액에 PTFE(Polytetrafluoroethylene)입자의 크기가 0.1~6㎛인 PTFE용액을 첨가하여 코팅용액을 제조하는 첨가단계;
    제조된 코팅용액을 차량의 부품 표면에 코팅하여 표면에 50~350㎛ 지름을 갖는 복수의 딤플(Dimple)이 분포된 코팅층을 형성시키는 코팅단계; 및
    코팅층을 건조시킨 후 열처리하는 경화단계;를 거쳐서 PTFE 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    복수의 딤플은 0.5~10개/mm²로 분포된 것을 특징으로 하는 PTFE 코팅용액이 코팅된 피스톤스커트.
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