KR102329505B1 - 제진강판용 표면처리 조성물 및 제진강판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제진성능이 개선된 제진강판을 제공하기 위한 것으로, 본 발명에 따르면 고분자 수지 및 평균 종횡비(L/D)가 100 이상인 무기나노입자를 포함하는 제진강판용 표면처리 조성물 및 상기 조성물에 의해 표면처리된 제진강판이 제공된다.

Description

제진강판용 표면처리 조성물 및 제진강판{SURFACE TREATMENT COMPOSITION FOR VIBRATION DAMPING STEEL SHEET AND VIBRATION DAMPING STEEL SHEET}
본 발명은 제진강판 표면처리용 조성물 및 제진강판에 관한 것이다.
제진강판은 외부 소음이나 진동을 차단하는 강판으로, 냉장고, 세탁기, 공기청정기와 같이 소음이 많이 발생하는 가전제품의 외판, 자동차 소음의 주원인인 엔진 오일팬, 데쉬 판넬 등과 같은 자동파 부품, 정밀 기기, 건축 자재 등 다양한 분야에서 사용된다.
제진강판은 일반적으로 두 장의 강판 사이에 고분자 수지를 적층하여 제조되는 구속형 제진강판과 한 장의 강판에 고분자 수지를 코팅하거나 적층한 비구속형 제진강판으로 나뉘어지며, 이러한 구속형 제진강판과 비구속형 제진강판은 제진 성능을 구현하는 방법에 차이가 있다. 구속형 제진강판의 경우 강판 사이에 적층된 고분자 수지의 전단 변형에 의해(도 1(a)), 비구속형 제진강판의 경우 강판에 코팅된 고분자 수지의 신축 변형에 의해(도 1(b)) 외부의 소음이나 진동 에너지를 열에너지로 변환한다.
제진강판과 관련된 종래 기술로는, 폴리에스테르 수지(일본 특허공개 소51-93770), 폴리아미드 수지(일본 특허공개 소56-159160), 에틸렌/α-올레핀과 가교 폴리올레핀(일본 특허공개 소59-152847)을 사용한 기술이 공지되어 있다. 이러한 종래 기술들은 고분자 수지의 점탄성 효과를 이용하여 제진 성능을 구현한 것이다. 이러한 배경에서 본 발명의 발명자들은 제진 성능을 개선하고자 하였으며, 본 발명을 도출하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 강판의 제진 성능을 향상시킬 수 있는 강판 표면처리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고분자 수지 및 평균 종횡비(L/D)가 100 이상인 무기나노입자를 포함하는 제진강판용 표면처리 조성물이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 강판 및 상기 강판의 적어도 일면에 상기 표면처리 조성물을 함유하는 제진층을 포함하는 제진강판이 제공된다.
본 발명에 따르면, 제진강판 제조 시 100 이상의 평균 종횡비(L/D)를 갖는 무기나노입자를 적용함으로써, 고분자 수지 계면 마찰에 의해 외부 진동에너지를 열에너지로 변환하여 외부 진동이나 소음을 차단할 수 있는 제진강판을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 제진강판의 외부 진동에너지 차단 원리를 나타낸 도면이다. 도 1(a)는 구속형 제진강판, 도 1(b)는 비구속형 제진강판이다.
도 2는 종래 제진강판에 외력이 가해졌을 때 강판에 진동 또는 크랙이 발생한 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 제진강판에 외력이 가해졌을 때 무기나노입자가 고분자 수지 계면에 마찰을 발생시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 구속형 제진강판과 비구속형 제진강판에 외력이 가해졌을 때 무기나노입자가 고분자 수지 계면에 마찰을 발생시키는 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 (a) 강판, (b) 종래의 제진강판, (c) 본 발명에 따른 제진강판의 제진성능을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 고분자 수지와 무기나노입자를 포함하는 제진강판 표면처리용 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 고분자 수지의 점탄성 효과뿐만 아니라 높은 종횡비(aspect ratio, L/D)를 갖는 무기나노입자의 계면 마찰(slip) 효과를 활용하여 강판의 제진성능을 구현할 수 있다.
제진강판은 두 장의 강판 사이에 필름 형태로 성형된 고분자 수지를 적층하여 제조되는 구속형 제진강판과 한 장의 강판에 고분자 수지를 코팅하거나 적층한 비구속형 제진강판으로 나뉘어진다. 제진강판에 적용되는 고분자 수지는 점탄성 효과를 갖는 것으로 전단 변형 또는 신축 변형에 의해 진동 에너지를 열에너지로 변환한다. 이러한 고분자 수지로는 에틸렌비닐아세테이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리비닐클로라이드 수지 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 수지를 사용할 수 있다.
한편, 제진강판 제조시 상기 고분자 입자를 단독으로 사용하는 경우, 강판에 진동, 소음과 같은 외력이 가해지면 고분자 수지의 깨지기 쉬운 특성(brittle)으로 인하여 제진층에 진동이 발생하고 나아가 크랙(crack)이 발생할 수 있다(도 2).
그러나 도 3과 같이 고분자 수지와 높은 평균 종횡비(L/D)를 갖는 무기나노입자를 혼합한 조성물을 사용하여 제진강판을 제조하는 경우에는 강판에 외력이 가해지더라도 쉽게 크랙이 발생하지 않는다. 이는 고분자 수지에 무기나노입자를 혼합함으로써 하드닝(hardening) 효과가 발생하여 고분자 수지의 강도, 경도 등 기계적 물성을 향상시키기 때문이다. 즉, 하기 식 (1)에 따라 높은 평균 종횡비(L/D)를 갖는 무기나노입자는 고분자 수지의 소프트(soft) 영역의 강도를 향상시키고, 브리틀(brittle) 영역을 더욱 단단하게 만들어 고분자 수지의 기계적 물성을 보완할 수 있다.
σc = σf + Vf θ +α[1-(1/D)/{2(L/D)}] + σm(1-Vf) 식 (1)
σc: 복합재료(Composite)의 기계적 물성
σf: 무기나노입자의 기계적 물성
σm: 고분자 수지의 기계적 물성
Vf: 무기나노입자의 부피 분율
θ: 무기나노입자의 배향 계수
α: 무기나노입자의 강도 인자 상수
L/D: 평균 종횡비
나아가 높은 종횡비(L/D)를 갖는 무기나노입자는 고분자 수지와의 접촉 면적을 증가시키고 이로써 고분자 수지 계면과의 마찰력 또한 증가킬 수 있다. 즉 도 4와 같이 고분자 수지 계면에서 발생한 마찰(slip)로 인해 외부 진동에너지를 열에너지로 변환하여 향상된 제진 성능을 구현할 수 있다.
상기와 같은 제진 성능을 구현하기 위해 평균 종횡비(L/D)가 100 이상인 무기나노입자를 사용할 수 있으며, 무기나노입자의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 그라파이트나노섬유, 탄소나노튜브, 나노 클레이 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 표면처리 조성물에 있어서, 무기나노입자는 고분자 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 무기나노입자의 함량이 0.1 중량부에 미치지 못하면 본 발명에서 구현하고자 하는 제진성능 발현이 어렵고, 20 중량부를 초과하면 조성물의 점도가 높아져 제진층이 형성이 어려울 수 있다.
또한 상기 조성물은 강판 표면처리를 위해 일반적으로 사용되는 첨가제를 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들어 웨팅제, 소포제, 가교제, 산화방지제 등을 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 제진강판 표면처리용 조성물을 사용하여 형성된 제진층을 갖는 제진강판에 대해 설명한다. 상기 제진층은 강판의 적어도 일면에, 필름 형태로 성형 후 적층하거나, 혹은 액상의 조성물을 도포함으로써 형성될 수 있다. 또한, 상기 제진층은 강판과 강판 사이에 필름 형태로 성형 후 적층하거나, 액상의 조성물을 도포함으로써 형성될 수 있다.
필름 형태로 성형된 제진층의 경우 고분자 수지를 녹는점 이상으로 가열하여 녹인 후 무기나노입자를 균일하게 혼합하고(melt brand 방식), 혼합물을 필름 형태로 성형한 것이다. 혼합 조건은 고분자 수지의 녹는점에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 필름의 두께는 25~200μm인 것이 바람직하다. 필름 형태로 성형된 제진층 제조시 바람직한 고분자 수지로는 에틸렌비닐아세테이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리비닐부티랄 수지 등을 들 수 있다.
한편 고분자 수지가 액상인 경우 적정량의 무기나노입자를 균일하게 혼합한 후, 두께가 1~200μm이 되도록 도포하여 제진층을 형성한다. 이 경우 바람직하게는 폴리에스테르 수지, 폴리비닐클로라이드 수지, 에폭시 수지 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 강판으로는 특별히 한정되지 않으며 냉연강판, 열연강판, 아연도금강판, 아연합금도금강판, 스테인레스 강판, 알루미늄판 등이 사용될 수 있으며, 일반적으로 금속판의 두께는 약 0.2-1.2mm일 수 있다.
본 발명과 같이 고분자 수지와 평균 종횡비(L/D)가 100 이상인 무기나노입자를 제진강판에 적용하는 경우, 고분자 수지의 점탄성과 무기나노입자의 마찰(slip)에 의해 진동에너지를 열에너지로 변환함으로써 제진성능을 확보할 수 있다(도 4).
실시예
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
1. 제진층 형성용 코팅액 및 필름 제조
(1) 실시예 1
폴리에스테르 수지 100g에 평균 종횡비(L/D)가 100이고 트리메틸스테아릴 암모늄(Trimethyl stearyl ammonium)으로 표면이 개질된 나노 클레이(Aldrich사) 10g을 투입한 후, 고속 교반기에서 3000rpm의 속도로 균일하게 분산시켜 코팅액을 제조하였다. 상기 제조된 코팅액을 사용하여 100μm 두께의 필름을 형성하였다.
(2) 실시예 2
폴리에스테르 수지 100g에 평균 종횡비(L/D)가 500인 탄소나노튜브 1g을 투입한 후, 고속 교반기에서 3000rpm의 속도로 균일하게 분산시켜 코팅액을 제조하였다. 상기 제조된 코팅액을 사용하여 100μm 두께의 필름을 형성하였다.
(3) 비교예 1
폴리에스테르 수지를 사용하여 100μm 두께의 필름을 형성하였다.
(4) 비교예 2
폴리에스테르 수지 100g에 평균 종횡비(L/D)가 1인 카본블랙을 10g을 투입한 후, 고속 교반기에서 3000rpm의 속도로 균일하게 분산시켜 코팅액을 제조하였다. 상기 제조된 코팅액을 사용하여 100μm 두께의 필름을 형성하였다.
2. 제진 성능 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 필름에 Dynamic mechanical analyzer(DMA)를 이용하여 상온에서 10hz의 주파수로 0.1%의 변형마다 감쇠에너지(Loss Modulus)를 측정하였다.
감쇠에너지(MPa)
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
나노 클레이
(평균 종횡비=100)		 탄소나노튜브
(평균 종횡비=500)		 - 카본블랙
(평균 종횡비=1)
변형율
(%)		 0.1 16 20 13 13
0.2 20 25 14 13.5
0.3 23 28 13 14.5
0.4 28 33 14 14
0.6 31 38 14 14
0.8 33 39 14 15
1.0 38 42 14 15
1.2 39 46 13 15
1.5 41 51 14 15
실시예 1, 2와 같이 평균 종횡비가 100 이상인 무기나노입자를 사용하여 제조된 필름의 경우 변형률에 따른 감쇠 에너지 값이 크고, 변형률이 높아질수록 감쇠에너지 값 또한 급격하게 커지는 것을 알 수 있다. 이는 필름에 외력이 가해지더라도 고분자 수지의 점탄성 특성과 고분자 수지 계면에서 발생하는 마찰로 인해 진동에너지가 열에너지로 변환된 것을 의미하는 것이다. 즉, 상기 감쇠에너지 측정 결과로부터 본 발명에 따른 고분자 수지와 평균 종횡비가 100 이상인 무기나노입자를 포함하는 코팅액 조성물을 제진성능이 우수한 제진강판 제조에 적용할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 고분자 수지 및 평균 종횡비(L/D)가 100 이상인 무기나노입자를 포함하는 제진강판용 표면처리 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 에틸렌비닐아세테이트 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리비닐클로라이드 수지 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제진강판용 표면처리 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무기나노입자는 그라파이트나노섬유, 탄소나노튜브, 나노 클레이 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 제진강판용 표면처리 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기나노입자는 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 20 중량부로 포함된 것을 특징으로 하는 제진강판용 표면처리 조성물.
  5. 강판 및
    상기 강판의 적어도 일면에 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 조성물을 함유하는 제진층을 포함하는 제진강판.
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