KR101974529B1

KR101974529B1 - 수용성 상온경화형 고체윤활제

Info

Publication number: KR101974529B1
Application number: KR1020170122276A
Authority: KR
Inventors: 공호성; 한흥구
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-05-02
Also published as: KR20190033743A

Abstract

자기윤활성 고체입자 및 결합제를 포함하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제에 있어서, 상기 결합제는 수성 멜라민 수지 및 에멀젼 수지 중 적어도 하나와 폴리올에스테르 수지가 혼합된 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제가 제공된다.

Description

수용성 상온경화형 고체윤활제{A SOLID LUBICANT FOR WATERBORNE AIR-CURABLE COATING}

본 발명은 수용성 상온경화형 고체윤활제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내수성, 내하중성, 마찰특성 및 친환경성이 향상된 수용성 상온경화형 고체윤활제에 관한 것이다.

피막접착형 고체윤활제는 기본적으로 오일이나 그리스로는 윤활이 부적합한 극저온이나 고온, 고진공 등의 윤활개소 혹은 기계장치의 구조 특성상 일반 윤활제들의 공급이 불가능하여 반영구적인 윤활방법을 채택해야 하는 경우에 이용되는 일종의 특수 윤활제로서, 자기윤활(self-lubricating)성을 지닌 고체입자들을 유기 혹은 무기물 형태의 결합제와 용제로 이루어진 용액에 분산시킨 형태로서 재료 표면에 도포 시 용제 부분은 증발되고 고체입자와 결합제 성분만 고체피막을 형성하면서 남게 되어, 재료표면의 마찰계수를 줄이고 내마모성을 증대시키는 기능을 하게 된다.

이때, 결합제로 사용되는 물질로서는 재래부터 사용되던 전분 시럽으로부터 아크릴 및 셀룰로오즈와 같은 열가소성 수지, 페놀 및 에폭시 등의 열경화성 수지, 인산염 및 규산염 등과 같은 무기물에 이르기까지 다양하다. 보편적으로 내구성 및 내화학성이 특별히 요구되는 경우에는 페놀 및 에폭시 혹은 이들의 혼합물 형태의 열경화성 결합제를 이용하게 되며, 열경화 처리가 난해할 정도로 규모가 크거나 특성상 분해 작업이 어려운 기계요소 혹은 현장에서 손쉽게 처리를 요구하는 경우에는 상온경화형을 사용한다.

한편, 일반적으로 유기 중합체 수지계 결합제의 경우, 열가소성 수지로 이루어진 상온경화 형태의 결합제는 열경화성 수지로 이루어진 것에 비해 가교밀도가 상대적으로 낮기 때문에 본질적으로 경도 및 인성, 내열성 등이 낮은 성질을 지니고 있다. 따라서, 비교적 상온 경화형 피막접착 윤활제용으로 사용이 편리한 열가소성 수지를 결합제로서 사용할 때에는 결합제의 물성이 윤활제 성능에 큰 영향을 미치게 되므로 윤활피막의 내구수명을 증대시키기 위해서는 우선적으로 결합제의 특성을 향상시켜야 됨이 요구된다.

상온 경화 형태의 피막접착형 고체윤활제와 관련하여, 본 발명자들은 대한민국 특허 제 10-0244007호를 통하여 알키드 수지, 아크릴계 수지 및 셀로로오스계 수지로 이루어진 군에서 선택된 단일 또는 혼합형태의 열가소성 수지 10 내지 50 중량%에 다양한 종류의 자기윤활성 물질들을 이용하여, 상온에서 경화가 가능할 뿐만 아니라 윤활 성능이 우수하고 윤활 피막의 내구성이 양호한 피막형 고체윤활제 조성물 제조방법을 공개한 바 있다.

한편, 최근 지구환경 대기의 보전을 위하여 그 동안 자동차를 비롯한 다양한 산업계에서 도료나 코팅물질에 사용하는 휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compounds) 성분의 용제를 가능한 사용하지 않는 것이 요구되고 있으므로, 수지를 물에 녹이거나 혹은 분산시키는 에멀젼 형태의 친환경 수용성 도료 및 코팅제 사용에 대한 필요성이 크게 높아지고 있다. 수용성 코팅제는 물에 완전히 녹아 있는 친수성 수지를 사용하거나, 유화제에 의하여 물에 분산되어 있는 에멀젼계 형태의 수지, 입자 외부의 극성 수지에 의하여 물에 분산되어 있는 수분산계 수지 및 물로 희석하여 사용할 수 있는 기타 수성 수지 등이 사용되고 있다.

그러나 이와 같은 수용성 수지를 사용하는 코팅제의 경우에 사용이 편리하고 친환경성이 우수한 반면에, 수지 등 구성 재료가 불균일계일 뿐만 아니라 극성이 큰 물의 특성에 기인하여 건조과정에서 코팅제의 응집이 일어나거나 경화불량이 발생할 소지가 상대적으로 높다. 또한 일반 코팅윤활제에 비하여 내수성, 내후성, 내열성, 내마모성, 및 내하중성이 상대적으로 뒤떨어져 높은 하중 하에서 미끄럼 운동을 행하는 마찰접촉면을 보호하기 위하여 이들 문제점들을 효과적으로 보완하고 개선해야 할 필요성이 매우 높다.

특히 윤활 목적으로 사용하는 코팅제로서 수용성 에멀젼 수지를 사용하는 경우에는 물 용매의 극성이 높기 때문에 코팅제에 첨가되는 다양한 종류의 미세한 크기의 기능성 윤활성 필러들과 물리화학적 반응을 일으키지 않도록 분산안전성을 잘 유지하도록 함이 매우 중요한 기술적 요구 사항이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 내수성, 내열성, 및 미끄럼 마찰 마모 특성이 향상된 수용성 상온경화형 고체윤활제를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의하여 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 기재된 수단 또는 방법 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 자기윤활성 고체입자 및 결합제를 포함하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제에 있어서, 상기 결합제는 수성 멜라민 수지 및 에멀젼 수지 중 적어도 하나와 폴리올에스테르 수지가 혼합된 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제가 제공된다.

상기 폴리올에스테르 수지의 분자량은 10,000 내지 20,000일 수 있다.

상기 에멀젼 수지는 아크릴 에멀젼 수지일 수 있다.

상기 폴리올에스테르 수지 100 중량부에 대하여, 에멀젼 수지는 5 내지 50 중량부일 수 있다.

상기 결합제 100 중량부에 대하여, 멜라민 수지는 2 내지 20 중량부일 수 있다.

상기 자기 윤활제 100 중량부에 대하여, 결합제는 25 내지 250 중량부일 수 있다.

아울러, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면 전술한 고체 윤활제에 방청성 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 방청성 첨가제는 무기계 화합물 및 유기계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 무기계 화합물은 인산납 화합물, 염화주석, 크롬산스트론튬, 크롬산납, 크롬산아연, 산화아연 및 인산아연 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.

상기 유기계 화합물은 트리하이드록시벤젠, 부틸하이드록시톨루엔 및 디노닐나프탈렌 모노술폰산의 금속염 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

상기 고체윤활제 100 중량부에 대하여, 방청성 첨가제는 1 내지 5 중량부일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면 전술한 고체 윤활제에 산화방지제, 분산 안정제, 커플링제, 및 곰팡이 방지제 중 적어도 어느 하나의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 첨가제는 전체 고체윤활제 1000 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부일 수 있다.

상기 폴리올에스테르는 분자 구조 내에 카르복실기, 술폰산기, 에스테르기, 아미노기, 수산기 및 에테르기 중 적어도 어느 하나의 작용기를 포함할 수 있다.

상기 자기윤활성 고체입자는 이황화텡스텐(WS₂), 그라파이트(Graphite), 산화안티몬(Sb₂O₃), 테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불화흑연, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 산화납(PbO), 질화붕소(BN) 및 불화칼슘(CaF₂)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나와 이황화몰리브덴(MoS₂)을 포함할 수 있다.

상기 폴리올에스테르 수지는 불포화지방산과 다가 알코올의 탈수축합반응에 의해 제조된 것으로, 상기 불포화지방산은 올레산(Oleic acid), 아디핀산(Adipic Acid), 카프릴산(Caprylic acid) 및 카프로산(Caproic acid) 중 적어도 어느 하나이고,

상기 다가 알코올은 트리메틸올프로판(trimethylolpropane), 펜타에리트리톨(pentaerythritol) 및 네오펜틸글리콜(neopentylglycol) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 발명은 폴리올에스테르 수지와 수성 멜라민 수지를 혼합한 결합제를 사용함으로써, 수용성 고체 윤활제의 내열성을 증진시킴과 동시에 내하중성을 향상시켜, 고체 윤활 피막 코팅 윤활이 높은 하중 하에서 미끄럼 접촉할 때 윤활 성능이 현저히 향상시키는 이점이 있다.

또한, 상기 폴리올에스테르 수지 또는 폴리올에스테르 수지와 수성 멜라민 수지의 혼합수지에 물에 분산이 가능한 작은 크기의 아크릴 에멀젼 수지를 추가적으로 혼합함으로써, 코팅재의 내수성, 내후성 및 방청성을 보다 향상시킬 수 는 이점이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서상에 기재된 실시예에 제시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서, 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기윤활성 고체입자 및 결합제를 포함하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제의 결합제는 수성 멜라민 수지 및 아크릴 에멀젼 수지 중 적어도 하나와 폴리올에스테르 수지가 혼합된 형태이다.

이때, 상기 폴리올에스테르 수지와 수성 멜라민 수지 및/또는 아크릴 에멀젼 수지를 혼합한 결합제를 사용함으로써, 고체 윤활제의 내수성을 증진시킴과 동시에 고체 윤활 피막 코팅의 내열성 및 마찰 마모 윤활 성능이 현저히 향상됨을 발견하였다.

상기 자기윤활성 고체 입자는 자기윤활성을 지닌 고체 입자들이 유기물 형태의 결합제와 물 및 알코올 용제로 이루어진 용액에 고르게 분산된 형태로 구성되어 있으며, 재료 표면에 도포할 경우, 용제 부분은 증발되고 고체 입자와 결합제 성분만 남아 고체 피막을 형성함으로써, 재료 표면의 마찰을 저감하고 내마모성을 증대시키는 윤활 기능을 하게 된다.

본 발명에 적용할 수 있는 자기윤활성 고체 입자는 이황화몰리브덴(MoS₂) 및 임의로 이황화텡스텐(WS₂), 그라파이트(Graphite), 산화안티몬(Sb₂O₃), 테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불화흑연, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 산화납(PbO), 질화붕소(BN), 불화칼슘(CaF₂) 등으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이들은 이황화몰리브덴 단독으로 사용될 수도 있지만 시너지 효과를 얻기 위해 이황화몰리브덴과 상기 중 임의의 1종 이상의 화합물이 목적하는 물성을 띄도록 특정 비율로 배합된 혼합물로 사용될 수 있다.

또한, 자기윤활성 고체 입자의 평균 크기는 가능한 한 10 ㎛ 이내, 바람직하게는 3 내지 6 ㎛의 것을 사용하는 것이 효과적이다.

본 발명의 고체윤활제에서 자기윤활성 고체 입자 성분은 전체 고형분 100 중량부에 대하여 30 내지 70 중량부로 존재할 수 있다. 자기윤활성 고체 입자 성분들이 30 중량부 미만 존재하면 코팅층의 윤활성이 현격히 감소되고 마찰력이 높아져서 피막의 손상이 빠르게 진행되는 결과가 나타난다. 반대로 70 중량부를 넘는 경우에는 결합제의 함량이 상대적으로 줄어들게 되어 금속 표면에 대한 결합력이 약해져 윤활막이 쉽게 마모될 뿐만 아니라 견고하고 치밀한 피막의 형성이 어렵다.

본 발명에 적용할 수 있는 결합제는 수성 멜라민 수지 및 아크릴 에멀젼 수지 중 적어도 하나와 폴리올에스테르 수지가 혼합되어 사용되며, 상기와 같이 혼합 사용하는 경우, 고체 윤활제 피막 코팅 표면의 내열성, 내수성을 향상시킬 뿐만 아니라. 마찰 접촉시에 내마모 및 내하중성이 우수하여 기계적 마모 및 마찰 마모 특성 저하를 방지할 수 있는 이점이 있으며, 내구성, 미끄럼 특성 및 접착성이 향상된다.

이때, 상기 폴리올에스테르 수지는 분자 내에 카르복실기, 술폰산기, 에스테르기, 아미노기, 수산기, 에테르기 등의 작용기 하나 또는 둘 이상을 포함하는 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 폴리올에스테르 중에서 지방족 폴리올에스테르, 방향족 폴리올에스테르 등이 화합물을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 폴리올에스테르 수지는 불포화지방산과 다가 알코올의 탈수축합반응에 의해 제조된 것으로, 상기 불포화지방산은 올레산(Oleic acid), 아디핀산(Adipic Acid), 카프릴산(Caprylic acid) 및 카프로산(Caproic acid) 중 적어도 어느 하나이고, 상기 다가 알코올은 트리메틸올프로판(trimethylolpropane), 펜타에리트리톨(pentaerythritol) 및 네오펜틸글리콜(neopentylglycol) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

한편, 장기간에 걸쳐 미끄럼 마찰 접촉을 행하는 결합제의 바람직한 기계적 특성을 위하여, 상기 폴리올에스테르 분자량이 10,000 내지 20,000 범위의 것을, 보다 바람직하게는 10,000 내지 15,000 범위를 갖는 것을 사용하는 것이 좋다. 상기 분자량이 10,000 미만이면 수지의 취성이 증가하고, 20.000을 초과하면 기계적 특성이 저하되기 때문이다.

물에 녹는 수용성 수지는 화합물에 친수성 부분이 많아 경화 후에도 내수성이 떨어지거나 대기 습도에 의하여 물리적 특성이 열화 하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 결합제의 내수성을 향상시키기 위하여 에멀젼 수지를 혼합하여 사용하는 것이며, 이때 상기 에멀젼 수지는 0.1 내지 1.0㎛ 정도의 수지 입자가 유화제에 의하여 물에 분산한 분산형 에멀젼과 에멀젼 중합에 의해 만들어지는 아크릴계 에멀젼, 초산비닐 에멀젼, 우레탄 에멀젼, 지방산 변성 아크릴 변성 에폭시 에스테르를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아크릴 에멀젼을 사용할 수 있다.

이때, 상기 에멀젼 수지는 함께 사용하는 폴리올에스테르 수지 100 중량부에 대하여, 5 내지 50 중량부를 포함하도록 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 화합물을 10 내지 30 중량부를 포함하도록 혼합할 수 있다. 상기 에멀젼 화합물이 5 중량부 미만인 경우, 상기에서 기대한 특성을 발휘하기 어렵고, 50 중량부를 초과하여 포함하는 경우, 코팅층의 열적 및 기계적 특성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합제의 내열성 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여, 멜라민 수지를 포함할 수 있으며, 이때, 상기 멜라민 수지는 결합제 100 중량부에 대하여 2 내지 20 중량부를 포함할 수 있으며, 기 멜라민 수지가 5 중량부 미만인 경우, 상기에서 기대한 특성을 발휘하기 어렵고, 20 중량부를 초과하여 포함하는 경우, 상온 조건 하에서 코팅층의 경화 시간이 길어지거나, 또는 경화가 불충분하게 이루어지는 등의 문제가 발생할 수 있다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합제의 총 중량은 함께 적용되는 자기윤활성 고체 입자 100 중량부에 대하여, 25 내지 250 중량부를 포함할 수 있으며, 25 중량부 미만인 경우, 피막 형성 시 금속 표면에 대한 효과적인 접착력을 나타낼 수 없고, 250 중량부 이상인 경우, 결합제의 마찰 특성이 지배적으로 작용되어 마찰력이 높아지고, 이에 따른 마찰열의 증가로 피막이 쉽게 파손되는 결과를 초래한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 고체 윤활제에 방청성 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 상기 방청성 첨가제는 당해 기술분야에서 고체 윤활제의 윤활 특서을 저해하지 않으면서 동시에 우수한 방청성을 부여할 수 있는 물질은 제한없이 적용할 수 있다. 비제한적인 예로는 유기물계 방청성 첨가제 화합물 또는 무기물계 방청성 첨가제 단독으로 사용될 수 있고, 또는 방청성 시너지 효과를 얻기 위해 각각 상기 언급된 화합물들 중 임의의 2종 이상이 특정 비율로 배합된 혼합물로 사용될 수도 있다.

이때, 상기 유기계 방청성 첨가제는 당해 기술분야에서 사용되는 물질은 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로는 트리하이드록시벤젠, 부틸하이드록시톨루엔 및 디노닐나프탈렌 모노술폰산의 금속염 등이 단독 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 또한, 무기물계 방청성 첨가제 또한 당해 기술분야에서 사용되는 물질은 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로는 인산납 화합물, 염화주석, 크롬산스트론튬, 크롬산납, 크롬산아연, 산화아연, 인산아연 화합물 등이 단독 또는 혼합되어 사용될 수 있다.

아울러, 이러한 방청성 첨가제 성분은 전체 고체윤활제 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부로 존재할 수 있으며, 이때 방청성 첨가제의 첨가량은 윤활 특성과 서로 상반되는 관계를 나타내는데, 방청성 첨가제가 1 중량부 미만을 포함하게 되면 효과적인 방청성을 기대하기 어렵고, 5 중량부를 초과하여 사용하게 되면 피막의 윤활성이 급격히 저하되어 윤활 피막의 수명이 단축되는 결과를 초래하게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체윤활제는 전술한 성분 외에 산화방지제, 분산안정제, 커플링제, 곰팡이 방지제 등 당해 기술 분야에서 사용하는 첨가제를 더 사용할 수 있다. 산화방지제의 비제한적인 예로는 프로필겔레이트, 수지의 가교 밀도를 높여주는 티타늄 등을 사용할 수 있으며, 커플링제의 비제한적인 예로는 실란 화합물 등을 사용할 수 있다. 이때, 상기 첨가제들은 전체 고체윤활제 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부의 비율로 존재할 수 있으며, 5 중량부를 초과하여 과량으로 사용했을 경우에는 경제성이 없을 뿐만 아니라, 오히려 코팅층의 윤활 성능이 감소되는 경향이 나타나서 바람직하지 않다.

또한, 본 발명의 고체윤활제에 포함되는 화합물들의 순도는 98% 이상이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 고체윤활제를 제조하는 방법을 설명하나, 일 실시예에 불과할 뿐 당해 기술분야에서 적용되는 기술은 제한 없이 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 수용성 상온경화형 고체윤활제는 자기윤활성 고체 입자, 결합제 및 기타 첨가제들로 기본적으로 구성되며, 물, 부탄올, 셀루솔브 등의 진용매, 보조 용매 및 희석 용매를 포함하는 혼합 용매 일부에 넣고 밀링 장치를 이용하여 균일하게 분산시킨 후, 나머지 혼합 용매를 넣고 교반함으로써 최종적으로 완성할 수 있다.

이 때 고형분과 용제의 부피 비는 약 40:60 정도로서 원액을 제조한다. 코팅 피막의 두께가 용액의 고형분 농도에 좌우되므로 실제적으로 금속 표면 위에 도포할 때에는 목적하는 두께에 따라 원액을 재차 희석하여 사용할 수 있다.

피막코팅 윤활제의 두께는 5 내지 30 ㎛ 정도일 때가 효과적이며 약 15 ㎛ 내외가 가장 적합하다. 피막 두께가 이보다 두꺼운 경우에는 윤활성이 오히려 저하되며, 너무 얇을 경우에는 윤활성 및 방청성이 모두 저하한다.

피막코팅 윤활제 용액의 도포는 침지법이나 스프레이 분무법 및 붓 또는 로울러 등을 이용하는 방법 등에 의해 수행할 수 있으며, 균일한 두께의 코팅층을 얻거나 양산성을 고려해 볼 때 스프레이 분무법이 가장 적당하다.

건조 및 경화 시간은 상온에서 약 24 시간 정도 건조하여 용매를 휘발시키거나, 또는 바람직하게는 자연 건조 조건 하에서의 경화 후에 50 내지 80℃의 강제 대류형 오븐에서 약 10분 정도 경화시켜 완성한다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가지는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

[제조예 1]

전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 열가소성 수용성 수지인 폴리올에스테르 수지 결합제의 함량이 40.0 중량부, 이황화몰리브덴 37.0 중량부, 그라파이트 8.0 중량부, 산화안티몬 4.5 중량부, PTFE 10.0 중량부, 프로필겔레이트 0.15 중량부, 벤조트리아졸 0.10 중량부, 비이온계 계면활성제 0.15 중량부, 분산안정제 0.05 중량부, 소포제 0.05 중량부를 1차적으로 약 30 그램의 증류수에 비이온계 계면활성제를 용해시킨 후, 이 용액에 상기 자기윤활성 고체 입자들을 넣고 밀링장치를 이용하여 고르게 분산처리 한다. 이와 같이 표면이 비이온성으로 부동태화(passivation) 개질된 자기윤활성 고체입자들을 2차적으로 상기의 수용성 아크릴 에멀젼 수지에 넣고 분산안정제를 넣은 후 밀링장치를 이용하여 다시 고르게 분산시킨 다음, 프로필겔레이트, 벤조트리아졸, 소포제 등의 첨가제를 넣고 교반을 통하여 윤활제 용액을 제조하였다.

[제조예 2]

폴리올에스테르 수지에 총 결합제 100 중량부에 대하여 30 중량부의 아크릴에멀젼 수지를 혼합하고 고체윤활제의 결합제를 제조하여, 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 상기 결합제의 함량이 총 40 중량부가 되도록 하고, 나머지 성분들과 제조공정은 제조예 1에서와 동일하게 윤활제 용액을 제조하였다.

[실시예 1]

폴리올에스테르 수지에 총 결합제 100 중량부에 대하여 30 중량부의 아크릴에멀젼 수지와 5 중량부의 수성 멜라민 수지를 추가적으로 혼합한 고체윤활제 결합제를 구성하여, 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 상기 결합제 총 함량을 40 중량부로 하고, 나머지 성분들과 제조공정은 제조예 2에서와 동일하게 윤활제 용액을 제조하였다.

[실시예 3]

폴리올에스테르 수지에 총 결합제 100 중량부에 대하여 30 중량부의 아크릴에멀젼 수지와 5 중량부의 수성 멜라민 수지를 추가적으로 혼합하여 고체윤활제의 결합제를 구성하여, 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 상기 결합제의 총 함량을 30 중량부가 되도록 하고, 이황화몰리브덴 47.0 중량부, 그라파이트 8.0 중량부, 산화안티몬 4.5 중량부, PTFE 10.0 중량부, 프로필겔레이트 0.25 중량부, 밴조트리아졸 0.15 중량부, 분산안정제 0.05 중량부, 소포제 0.05 중량부로 구성되는 윤활제 조성물을 제조하였다.

[비교예 1]

상기 제조예 1과 비교하여, 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 폴리올에스테르 수지 결합제를 아크릴 에멀젼 수지 결합제 40 중량부로 대체하고, 나머지 성분들과 제조공정은 동일하게 윤활제 용액을 제조하였다.

[비교예 2]

상기 비교예 1과 비교하여, 자기윤활성 고체입자들을 비이온성 계면활성제를 이용하여 비이온성으로 개질시키는 과정을 제외하고, 직접 수용성 아크릴 에멀젼 수지 결합제에 밀링장치를 이용하여 분산시킨 다음에 프로필겔레이트, 벤조트리아졸, 소포제 등의 첨가제를 넣고 교반 후에 윤활제 용액을 제조하였다.

[비교예 3]

상기 제조예 2에서 아크릴 에멀젼 수지 함량을 동일한 중량부의 우레탄 에멜젼 수지로 대체하여 고체윤활제의 결합제를 구성하고, 나머지 성분들과 제조공정은 동일하게 윤활제 용액을 제조하였다.

[실시예 2]

상기 실시예 1과 비교하여, 총 결합제 100 중량부에 대하여 수성 멜라민 수지의 함량을 10 중량부로 상대적으로 증가하여 혼합한 고체윤활제의 결합제를 구성하여, 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 상기 결합제의 총 함량을 40 중량부로 하고, 나머지 성분들과 제조공정은 실시예 1과 동일하게 윤활제 용액을 제조하였다.

성능평가 시험방법

본 발명의 피막접착형 윤활제의 성능평가는 미국의 재료 및 시험 방법에 관한 규격 (ASTM)에 의한 팔렉스(Falex) 시험방법 (ASTM D-2625)과 LFW-1 시험방법 (ASTM D-2714)에 의하여 행하였으며, 팔렉스 시험에서는 건조 마찰조건 하에서의 고체윤활피막의 내하중성을 측정하였고, LFW-1 시험에서는 고체윤활피막의 내구수명 및 동마찰특성을 각각 평가하였다. LFW-1 시험에서의 시험하중은 관련 시험규격에 따라 630 파운드로 설정하였으며, 피막접착형 윤활제의 내구수명은 초기 길들이기 과정을 거쳐 안정화된 미끄럼 마찰계수 값이 대략 0.1 이상으로 증가되는 시점까지의 총 시험회전수를 기준으로 설정하였다. 아울러 모든 시험 결과는 최소 3회 이상을 반복하여 평균값을 얻었으며, LFW-1 시험에서의 미끄럼마찰계수는 초기 길들이기 과정을 거쳐 마찰특성이 안정화된 후의 측정값을 동마찰계수 시험결과로 취하였다.

피막접착형 윤활제를 도포시킬 시험 시편은 표면의 오염 물질을 완전히 제거한 후에 윤활제와의 결합력을 증대시키기 위하여 #120 메쉬(mesh) 크기의 알루미나 입자를 이용하여 샌드-블라스팅(sand-blasting) 처리를 하였다. 이때의 시험시편의 표면 조도는 약 0.8 내지 1.2 ㎛ 정도이며, 표면에 존재하는 입자를 제거한 후에 재차 세정처리를 하였고, 기타의 화성 피막 처리는 행하지 않았다

시험 종류	팔렉스 시험 (ASTM D-2625)	LFW-1 시험 (ASTM D-2714)
시험 종류	내하중성(파운드)	내구수명(총 사이클)	동마찰계수
제조예 1	1,750	8,900	0.08
비교예 1	500	500	0.08
비교예 2	-	-	-
제조예 2	1,750	20,600	0.07
비교예 3	1,500	20,200	0.07
실시예 1	2,000	21,000	0.07
실시예 2	2,250	21,500	0.07
실시예 3	2,000	38,500	0.06

제조예 1에 의하여 제조한 고체윤활제 시편의 팔렉스 시험에서 내하중성은 1,750 파운드 정도로 측정되었으며, LFW-1 시험에서는 내구수명이 8,900 사이클, 동마찰계수는 0.08 정도로 나타났다.

반면에, 상기 제조예 1의 폴리올에스테르 수지 결합제를 동일한 중량부의 아크릴에멀젼 수지로 대체하여 시험한 비교예 1에 의하여 제조한 고체윤활제 시편에서는 팔렉스 시험에서 내하중성은 500 파운드, LFW-1 시험에서의 내구수명은 500분 정도로 나타나, 전술한 제조예 1에서의 시험결과에 비하여 내마모성이 상대적으로 크게 뒤떨어짐을 확인할 수 있었다.

한편 자기윤활성 고체입자들을 비이온성 계면활성제를 이용하여 비이온성으로 개질시키는 과정을 제외하고 윤활제를 제조한 비교예 2의 경우에서는 코팅액 제조과정에서 코팅제의 응집이 발생하였다. 따라서 본 발명에서와 같이 결합제로서 수용성 에멀젼 수지를 사용하는 경우에는 코팅제에 첨가되는 다양한 종류의 미세한 크기의 표면이온 특성을 달리하는 기능성 윤활성 필러들과 물리화학적 반응을 일으키지 않도록 표면을 부동태화 시켜서 코팅액의 물리화학적 특성을 결정짓는 결합제 성분과의 표면반응에 의한 저장안정성의 저하를 방지하고 분산안전성을 잘 유지하도록 하는 것이 매우 중요한 기술사항임을 확인할 수 있었다.

한편 폴리올에스테르 수지에 총 결합제 100 중량부에 대하여 30 중량부의 아크릴 에멀젼 수지를 혼합하여 고체윤활제 결합제를 제조한 고체윤활제의 팔렉스 시험에서 내하중성은 1,750 파운드 정도로 상호 유사하게 측정된 반면에, LFW-1 시험에서는 내구수명이 20,600 사이클, 동마찰계수는 0.07 정도로 나타나, 폴리올에스테르 수지에 아크릴에멀젼 수지를 혼합한 고체윤활제 결합제의 경우에서 마찰 및 마모특성이 상대적으로 증가하는 것으로 나타났다. 상기와 같이 폴리올에스테르 수지에 아크릴에멀젼 수지를 혼합한 결합제로 제조한 고체윤활제는 내수성이 상대적으로 우수한 아크릴에멀젼 수지의 영향을 받아 고체윤활제의 마찰 마모 특성은 물론 내수성도 증가하는 시너지 효과가 상대적으로 클 것으로 판단된다.

한편, 상기 제조예 2에서의 아크릴에멀젼 수지를 동일한 중량부의 수용성 우레탄 수지로 대체하여 고체윤활제의 결합제를 제조한 비교예 3에서의 팔렉스 시험에서 내하중성은 1,500 파운드 정도로 측정되었으며, LFW-1 시험에서는 내구수명이 20,200 사이클, 동마찰계수는 0.07 정도로서, 상기 고체윤활제의 마찰 및 마모 특성이 제조예 2에서의 결과에서와 상호 유사하게 나타났다.

한편 폴리올에스테르 수지에 총 결합제 100 중량부에 대하여 30 중량부의 아크릴 에멀젼 수지와 5 중량부의 수성 멜라민 수지를 추가적으로 혼합하여, 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 상기 결합제의 총 함량이 40 중량부로 되도록 한 실시예 1의 경우에, 팔렉스 시험에서 내하중성은 2,000 파운드 정도로 측정되었으며, LFW-1 시험에서는 내구수명이 21,000 사이클, 동마찰계수는 0.07 정도로 나타났다. 따라서 수성 멜라민 수지를 결합제에 추가적으로 혼합한 경우에 내열성이 우수한 멜라민 수지의 영향을 받아 고체윤활제의 내하중성이 상대적으로 증가하는 것으로 판단되었다.

상기 고체윤활제 결합제 성분 내에 수성 멜라민 수지의 함량을 상대적으로 증가하여, 총 결합제 100 중량부에 대하여 멜라민 수지를 중량부 10 정도로 혼합한 실시예 2에서의 내하중성이 2,250 파운드 정도로 증가하는 결과는, 상기 멜라민 수지의 추가 혼입이 고체윤활제의 내하중성 증가에 영향을 끼치는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 결합제 내의 멜라민 수지의 함량을 총 결합제 100 중량부에 대하여 10 중량부 이상으로 증가할 경우에 상기 고체윤활제의 경화가 지연되거나 불량하게 진행될 가능성이 높다.

한편 상기 실시예 1에서와 비교하여, 동일한 결합제 조성물로서 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 결합제의 총 중량부를 30으로 감소시킨 실시예 3에서의 고체윤활제의 내하중성은 2,000 파운드 정도로 측정되었으며, LFW-1 시험에서는 내구수명이 38,500 사이클, 동마찰계수는 0.06 정도로 나타났다. 상기 결과는 본 발명의 성능시험 평가조건 하에서, 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 고체윤활제 성분 내에 함유되어 있는 자기윤활성 입자들의 총 함량비가 70 중량부 정도에서 고체윤활제의 마찰 및 마모 특성이 가장 우수함을 알 수 있었다. 그러나 고체윤활제 성분 내에 함유되어 있는 자기윤활성 입자들의 총 함량이 전체 윤활 조성물 100 중량부에 대하여 70 중량부 이상이 되어, 결합제의 함량이 상대적으로 30 중량부 이하로 감소할 경우에는, 상기 고체윤활제 코팅 표면이 거칠거나 불량하게 형성될 가능성이 높다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 이래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

비이온성으로 부동태화 개질된 자기윤활성 고체입자 및 결합제를 포함하고,
상기 결합제는, 상기 결합제 100 중량부에 대하여, 5 내지 50 중량부의 아크릴 에멀젼 수지, 2 내지 20 중량부의 수성 멜라민 수지, 및 잔부의 폴리올에스테르 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제.
제1항에 있어서,
상기 폴리올에스테르 수지의 중량평균분자량은 10,000 내지 20,000인 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 결합제의 함량은 상기 자기 윤활성 고체입자 100 중량부에 대하여 25 내지 250 중량부인 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제.
제1항에 있어서,
방청성 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제7항에 있어서,
상기 방청성 첨가제는 무기계 화합물 및 유기계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제8항에 있어서,
상기 무기계 화합물은 인산납 화합물, 염화주석, 크롬산스트론튬, 크롬산납, 크롬산아연, 산화아연 및 인산아연 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제8항에 있어서,
상기 유기계 화합물은 트리하이드록시벤젠, 부틸하이드록시톨루엔 및 디노닐나프탈렌 모노술폰산의 금속염 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제7항에 있어서,
방청성 첨가제의 함량은 상기 고체윤활제 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제1항 또는 제7항에 있어서,
산화방지제, 분산 안정제, 커플링제, 및 곰팡이 방지제 중 적어도 어느 하나의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제12항에 있어서,
상기 첨가제의 함량은 전체 고체윤활제 1000 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제1항에 있어서,
상기 폴리올에스테르는 분자 구조 내에 카르복실기, 술폰산기, 에스테르기, 아미노기, 수산기 및 에테르기 중 적어도 어느 하나의 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제.
제1항에 있어서,
상기 자기윤활성 고체입자는 이황화텡스텐(WS₂), 그라파이트(Graphite), 산화안티몬(Sb₂O₃), 테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불화흑연, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 산화납(PbO), 질화붕소(BN) 및 불화칼슘(CaF₂)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나와 이황화몰리브덴(MoS₂)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체윤활제.
제1항에 있어서,
상기 폴리올에스테르 수지는 불포화지방산과 다가 알코올의 탈수축합반응에 의해 제조된 것으로,
상기 불포화지방산은 올레산(Oleic acid), 아디핀산(Adipic Acid), 카프릴산(Caprylic acid) 및 카프로산(Caproic acid) 중 적어도 어느 하나이고,
상기 다가 알코올은 트리메틸올프로판(trimethylolpropane), 펜타에리트리톨(pentaerythritol) 및 네오펜틸글리콜(neopentylglycol) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수용성 상온경화형 고체 윤활제.