KR101963448B1 - 크롬­프리 아연­알루미늄 복합 무기질 코팅제，그 제조 방법 및 코팅 방법 - Google Patents

크롬­프리 아연­알루미늄 복합 무기질 코팅제，그 제조 방법 및 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복합 실리케이트 바인더 용액에 아연 및 알루미늄 플레이크를 첨가 후 교반하여 제조되는, 휘발성 유기화합물과 유해물질을 함유하지 않고, 내스크레치성, 부착성, 내식성 등이 우수하며, 낮은 열경화 온도로 경제적 코팅 공정을 수행할 수 있는 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조 방법에 따른 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제는 종래의 아연-알루미늄 복합 코팅제에서 사용되는 수지 바인더를 복합 실리케이트로 대체하여 열경화 온도를 낮춤으로서 에너지 비용을 대폭 감소시켜 코팅 공정비를 절감하고, 환경 및 인체에 유해한 휘발성 유기화합물을 포함하지 않으며, 코팅 후 물체 간의 부딪침에 의한 손상이 거의 발생하지 않도록 코팅의 부착력 및 표면 경도를 증가시켜 내 스크레치성을 강화시키고, 우수한 내식성, 내마모성, 내충격성, 내열성 및 내한성을 나타내므로 금속 소재 산업상 매우 유용한 발명이다.

Description

크롬­프리 아연­알루미늄 복합 무기질 코팅제，그 제조 방법 및 코팅 방법{CHROMIUM-FREE ZINC-ALUMINIUM COMPOSITE INORGANIC COATING AGENT, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND COATING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 크롬-프리(Cr free) 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복합 실리케이트 바인더 용액에 아연 및 알루미늄 플레이크를 첨가 후 교반하여 제조되는, 휘발성 유기화합물과 유해물질을 함유하지 않고, 내스크레치성, 부착성, 내식성 등이 우수하며, 낮은 열경화 온도로 경제적 코팅 공정을 수행할 수 있는 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것이다.
크롬-프리(Cr-free) 아연-알루미늄 플레이크(flake) 복합 코팅은 기존의 전기 아연 도금 및 용융 아연 도금을 대체하여 주로 자동차, 조선, 철도 및 산업 설비 등의 화스너 및 부품의 내식성을 향상시키기 위하여 국내외에 널리 사용되고 있으며, 주로 일본산 GEOMET, 미국산 MAGNI, 독일산 ATOTEC 등이 시장을 지배하고 있다.
그러나, 종래의 크롬-프리 아연-알루미늄 플레이크 복합 코팅 공정은 필수적으로 높은 열경화 온도(250~320℃)를 적용함으로서 에너지 소비량이 많으며, 모재 금속(base metal)의 미세조직을 변화시켜 강도가 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 휘발성 유기화합물(volatile organic compound, VOC)을 포함함으로서 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있고, 코팅 부착력 및 표면 경도가 낮아서 물체간 충돌로 인하여 코팅에 스크레치(scratch)가 쉽게 생기는 문제점이 있었다.
KR 10-0817157 B KR 10-0762465 B KR 10-2009-0062789 A KR 10-1993-0010208 A
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 열경화 온도를 낮추기 위하여 종래의 아연-알루미늄 복합 코팅제에서 사용되는 수지 바인더를 복합 실리케이트로 대체함으로서 환경 및 인체에 유해한 휘발성 유기화합물을 포함하지 않고, 코팅 후 물체 간의 부딪침에 의한 손상이 거의 발생하지 않도록 코팅의 부착력 및 표면 경도를 증가시켜 내 스크레치성(scratch resistance)을 강화시킨 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 코팅 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제에 의하면, 복합 실리케이트로서 Na2SiO3 20~21중량%, K2SiO3 12~14중량%, Zn2SiO4 18~20중량%, Al2SiO5 10~15중량%, Li2SiO3 5~10중량% 및 H2O 25~27중량%, 및 잔여의 첨가제를 포함하는 복합 실리케이트 바인더 용액 100중량부에 대하여, 직경 13~15μm의 아연 플레이크 10~30중량부 및 직경 13~15μm의 알루미늄 플레이크 2~8중량부를 포함하되, 상기 복합 실리케이트 바인더 용액은 무색 및 무취이고, 비중 1.2~1.3이며, pH 10~11이며, 상기 코팅제는 액상이고, 비중은 1.5~2.0이며, 점도는 Zahn cup #2 기준으로 20~22초일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제의 코팅 방법에 의하면, (1) 금속 모재 표면을 탈지하는 단계; (2) 금속 모재 표면을 블라스팅하는 단계; (3) 제3항에 기재된 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 금속 모재 표면에 코팅하는 단계; 및 (4) 코팅된 금속 모재를 90~150℃에서 30분 동안 열경화시키는 단계; 를 포함하되, 상기 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제는, Na2SiO3 20중량%, K2SiO3 12중량%, Zn2SiO4 20중량%, Al2SiO5 15중량%, Li2SiO3 5중량%, H2O 25중량% 및 첨가제 3중량%를 혼합하여 복합 실리케이트 바인더 용액을 제조하며, 제조된 복합 실리케이트 바인더 용액 100중량부에 직경 13~15μm의 아연 플레이크 20중량부, 직경 15~18μm의 알루미늄 플레이크 3중량부를 첨가하고, 10시간 동안 교반하여 제조하며, 탈지 처리된 금속 모재 표면에 대해 #200 알루미나 분말(Al2O3)을 사용하여 블라스팅하고, 압축공기 스프레이(공기압 50psi) 방식으로 상기 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제로 코팅하며, 코팅 처리된 금속 모재를 90℃의 온도에서 열경화할 수 있다.
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본 발명의 제조 방법에 따른 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제는 종래의 아연-알루미늄 복합 코팅제에서 사용되는 수지 바인더를 복합 실리케이트로 대체하여 열경화 온도를 낮춤으로서 에너지 비용을 대폭 감소시켜 코팅 공정비를 절감하고, 환경 및 인체에 유해한 휘발성 유기화합물을 포함하지 않으며, 코팅 후 물체 간의 부딪침에 의한 손상이 거의 발생하지 않도록 코팅의 부착력 및 표면 경도를 증가시켜 내 스크레치성을 강화시키고, 우수한 내식성, 내마모성, 내충격성, 내열성 및 내한성을 나타내므로 금속 소재 산업상 매우 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명의 복합 실리케이트 바인더 용액에 첨가되는 아연 플레이크의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 적용한 탄소강 볼트의 염수 분무 시험(KS D 9502) 1,000시간 전, 후의 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 액상의 내식용 코팅제이며, 아연 및 알루미늄 플레이크와 액상의 바인더로 구성되어 있다. 액상의 코팅제는 스프레이(spray), 딥스핀(dip & spin) 및 딥드레인(dip & drain) 등의 방법으로 금속의 표면에 도포되며, 열경화에 의하여 고상의 코팅층이 형성된다.
따라서, 본 발명은 복합 실리케이트로서 Na2SiO3 20~21중량%, K2SiO3 12~14중량%, Zn2SiO4 18~20중량%, Al2SiO5 10~15중량%, Li2SiO3 5~10중량% 및 H2O 25~27중량%, 및 잔여의 첨가제를 포함하는 복합 실리케이트 바인더 용액 100중량부에 대하여, 직경 13~15μm의 아연 플레이크 10~30중량부 및 직경 13~15μm의 알루미늄 플레이크 2~8중량부를 포함하는 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 제공한다.
상기 복합 실리케이트 바인더 용액은 무색 및 무취이고, 비중 1.2~1.3이며, pH 10~11인 것이 바람직하다.
상기 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제는 액상이고, 비중은 1.5~2.0이며, 점도는 Zahn cup #2 기준으로 20~22초인 것이 바람직하다.
바람직한 구체예로서, 본 발명의 아연 플레이크 및 알루미늄 플레이크는 평균 직경이 15μm이며, 평균 두께가 0.1μm일 수 있다.
상기 첨가제는 코팅제에 통상적으로 사용되는 성분을 의미하며, 예를 들어, 계면활성제, 습윤제, 분산제 및 점증제 등을 포함할 수 있다.
기존의 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 코팅제는 에폭시 수지를 바인더로 사용하며, 250~320℃의 높은 온도에서 열경화를 한다. 그러나,본 발명의 수지 대신에 Na, P, Li, Zn 및 Al을 포함하는 복합 실리케이트의 무기질을 바인더로 사용하며, 90~150℃의 낮은 온도에서 열경화를 시행함으로써, 모재의 강도를 희생하지 않고, 에너지 비용을 대폭 감소하여 코팅 공정비를 절감할 수 있다.
또한, 기존의 코팅제는 formaldehyde, benzene 및 toluene 등의 휘발성 유기화합물을 포함하고 있으나, 본 발명의 코팅제는 휘발성 유기화합물 및 인체 유해 물질(6가 크롬, 납, 수은 및 카드늄 등)을 전혀 포함하지 않기 때문에 친환경적이다.
또한, 본 발명의 코팅제에 의한 코팅은 기존의 제품에 비하여 내스크레치성 및 부착력이 우수하기 때문에 코팅 후 물체 간의 부딪침에 의한 손상이 거의 발생하지 않으며, 내식성 또한 우수하다.
상기 본 발명의 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제의 제조 방법을 제공한다.
(1) 복합 실리케이트로서 Na2SiO3 20~21중량%, K2SiO3 12~14중량%, Zn2SiO4 18~20중량%, Al2SiO5 10~15중량%, Li2SiO3 5~10중량% 및 H2O 25~27중량%, 및 잔여의 첨가제를 혼합하여 복합 실리케이트 바인더 용액을 제조하는 단계를 포함한다.
(2) 상기 복합 실리케이트 바인더 용액 100중량부에 대하여, 직경 13~15μm의 아연 플레이크 10~30중량부 및 직경 15~18μm의 알루미늄 플레이크 2~8중량부를 첨가하여 5~10시간 동안 교반하는 단계를 포함한다.
상기 복합 실리케이트 바인더 용액은 무색 및 무취이고, 비중 1.2~1.3이며, pH 10~11인 것이 바람직하다.
상기 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제는 액상이고, 비중은 1.5~2.0이며, 점도는 Zahn cup #2 기준으로 20~22초인 것이 바람직하다.
바람직한 구체예로서, 본 발명의 아연 플레이크 및 알루미늄 플레이크는 평균 직경이 15μm이며, 평균 두께가 0.1μm일 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 코팅제는 모재, 예를 들어, 탄소강 표면에 아래와 같은 공정으로 코팅 처리할 수 있다.
한편, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제의 코팅 방법을 제공한다.
(1) 금속 모재 표면을 탈지하는 단계를 제공한다.
(2) 금속 모재 표면을 블라스팅하는 단계를 제공한다.
(3) 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 금속 모재 표면에 코팅하는 단계를 제공한다.
(4) 코팅된 금속 모재를 90~150℃에서 30분 동안 열경화시키는 단계를 제공한다.
본 발명의 코팅 공정은 열경화 온도를 제외하고는 통상의 공정으로 진행될 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 구체예를 기재한 것일 뿐이며, 하기 실시예에 기재된 사항에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되어 해석되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1: 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제의 제조
Na2SiO3 20중량%, K2SiO3 12중량%, Zn2SiO4 20중량%, Al2SiO5 15중량%, Li2SiO3 5중량%, H2O 25중량% 및 첨가제 3중량%를 혼합하여 복합 실리케이트 바인더 용액을 제조하였다. 상기 제조된 복합 실리케이트 바인더 용액 100중량부에 직경 13~15μm의 아연 플레이크 20중량부, 직경 15~18μm의 알루미늄 플레이크 3중량부를 첨가하여 10시간 동안 교반하여 액상의 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 제조하였다.
실시예 2: 코팅 공정
실시예 1로부터 제조된 본 발명의 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 탄소강 볼트에 다음과 같은 방법으로 코팅 처리하였다. 탄소강 볼트의 표면에 붙은 기름 성분을 제거하기 위하여 알칼리 처리하였다. 탈지 처리된 볼트를 #200 알루미나 분말(Al2O3)을 사용하여 블라스팅하고, 압축공기 스프레이(공기압 50psi) 방식으로 본 발명의 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제로 코팅하였다. 다음으로, 코팅 처리된 볼트를 90℃의 온도에서 열경화시켰다.
실험예 1: 물성 평가
실시예 2로부터의 코팅된 탄소강 볼트 시편을 다음과 같은 시험 조건으로 유해성, 내식성, 내마모성, 내부착성, 내충격성, 내열/내한성 및 경도를 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
[표 1] 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 적용한 코팅의 주요 물성 평가
Figure 112018060715125-pat00001
실험예 2: 염수 분무 실험
실시예 2로부터의 코팅된 볼트를 공인시험기관(한국화학융합시험연구원)에 의뢰하여 염수 분무 시험(KS D 9502)을 하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2의 결과지에 나타난 바와 같이, 본 발명의 코팅된 볼트 시편은 중성 염수 분무 1,000시간 전, 후를 통하여 본 발명의 코팅제에 대한 내식성을 확인하였다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 복합 실리케이트로서 Na2SiO3 20~21중량%, K2SiO3 12~14중량%, Zn2SiO4 18~20중량%, Al2SiO5 10~15중량%, Li2SiO3 5~10중량% 및 H2O 25~27중량%, 및 잔여의 첨가제를 포함하는 복합 실리케이트 바인더 용액 100중량부에 대하여, 직경 13~15μm의 아연 플레이크 10~30중량부 및 직경 13~15μm의 알루미늄 플레이크 2~8중량부를 포함하되,
    상기 복합 실리케이트 바인더 용액은 무색 및 무취이고, 비중 1.2~1.3이며, pH 10~11이며,
    코팅제는 액상이고, 비중은 1.5~2.0이며, 점도는 Zahn cup #2 기준으로 20~22초인 것을 특징으로 하는 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제.
  4. 삭제
  5. (1) 금속 모재 표면을 탈지하는 단계;
    (2) 금속 모재 표면을 블라스팅하는 단계;
    (3) 제3항에 기재된 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제를 금속 모재 표면에 코팅하는 단계; 및
    (4) 코팅된 금속 모재를 90~150℃에서 30분 동안 열경화시키는 단계;
    를 포함하되,
    상기 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제는, Na2SiO3 20중량%, K2SiO3 12중량%, Zn2SiO4 20중량%, Al2SiO5 15중량%, Li2SiO3 5중량%, H2O 25중량% 및 첨가제 3중량%를 혼합하여 복합 실리케이트 바인더 용액을 제조하며, 제조된 복합 실리케이트 바인더 용액 100중량부에 직경 13~15μm의 아연 플레이크 20중량부, 직경 15~18μm의 알루미늄 플레이크 3중량부를 첨가하고, 10시간 동안 교반하여 제조하며,
    탈지 처리된 금속 모재 표면에 대해 #200 알루미나 분말(Al2O3)을 사용하여 블라스팅하고, 압축공기 스프레이(공기압 50psi) 방식으로 상기 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제로 코팅하며, 코팅 처리된 금속 모재를 90℃의 온도에서 열경화하는 크롬-프리 아연-알루미늄 복합 무기질 코팅제의 코팅 방법.
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