KR20090006695A - 금속 표면용 세라믹 코팅제 및 이를 이용한 금속 표면의세라믹 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 표면용 세라믹 코팅제 및 이를 이용한 금속 표면의 세라믹 코팅 방법에 관한 것이다.

본 발명의 금속 표면용 세라믹 코팅제는, 에폭시실란 100 중량 %와, 에폭시실란 중량 대비 130 ~ 190 중량 %의 에틸알콜 또는 이소프로필알콜 중 선택된 1 내지 2 종과, 에폭시실란 중량 대비 20 ~ 40 중량 %의 증류수와, 에폭시실란 중량 대비 30 ~ 50 중량 %의 테크라프로필오르소티타넌트 또는 테크라이소프로필티타네이트 또는 티타늄에틸아세토아세테이트 또는 티타늄 아세틸아세토네이트 또는 테트라노르말부틸티타네이트 또는 테트라티타늄이소프로폭사이드 중 선택된 1 내지 6종이, 졸-겔 합성법을 통해 제조되어 구성된다.

본 발명에 의해, 일반 폴리머에 기초한 유기코팅액으로부터 얻을 수 없는 표면경도, 내마모성, 내식성, 내열성 및 내후성을 발현할 수 있을 뿐만 아니라 수려한 외관을 달성함으로써 제품의 고급화를 꾀할 수 있고, 졸-겔 합성법을 통해 수용성 무기코팅제로 친환경적이며 인체에 무해하다.

금속, 표면, 코팅, 세라믹

Description

금속 표면용 세라믹 코팅제 및 이를 이용한 금속 표면의 세라믹 코팅 방법 {THE CERAMIC COATING AGENT FOR METAL FACE AND CERAMIC COATING METHOD OF METAL FACE USING IT}

첨단 기술에 응용되는 대부분의 물질은 복합체(composite)이다.

즉 복합체로 구성된 표면의 물성은 그 물질의 내부 또는 벌크(bulk) 물성과는 구별되는 특징이 있다.

예를 들면 자동차 산업 등에 사용되는 엔지니어링 부품은 경도(hardness)뿐만이 아니라 인성(toughness) 역시 동시에 우수하여야 한다.

두 가지 상반되는 물성을 모두 만족하기 위해서는 표면은 경도가 높고 내부 물질은 인성이 좋은 복합체로 구성되어야 한다.

이러한 상반되는 물성을 만족시키기 위해 이용되는 방법 중의 한 가지가 코팅이다.

이러한 코팅은 화학/물리 기상 증착법(chemical or physical vapor deposition), 전착공정(electrodeposition), 열융사공정(thermal spraying) 등의 오버레이코팅(overlay coating)과, 서로 다른 물질을 확산시켜 표면의 조성을 변경 시키는 확산 코팅(diffusion coating) 또는 화학적 컨버젼 코팅(chemical conversion coating), 표면이 신물질과 기존의 물질로 이루어지도록 외부에서 신물질을 도입하는 이온 플레이팅 공정 (ion implantation) 등이 있다.

위와 같은 여러 종류의 코팅 시 사용되는 물질은 금속, 비금속, 합금 등 매우 다양하다.

일반적으로 알루미늄, 티타늄, 스테인레스 스틸 등은 자체적으로 형성되는 산화막으로 표면이 보호되는 경우이며, 아연, 크롬, 주석 등을 코팅 금속으로 사용하는 단일 금속 코팅과 아연-알루미늄, 주석-니켈 등의 합금 원소를 사용하는 합금/복합 금속 코팅(alloy/composite metal coating) 등이 있다.

금속 코팅의 경우 비교적 크기가 작고, 고가인 정밀한 부품을 보호하기 위하여 사용된다.

비금속 코팅의 가장 대표적인 경우는 페인트, 고무, 플라스틱 등을 이용하는 유기코팅(organic coating)과, 세라믹 등을 이용하는 무기 코팅(inorganic coating) 등이 있으며, 금속, 목재 등에 코팅되는 페인트, 안경/망원경/브라운관에 응용되는 광학 코팅, 전자 부품에 사용되는 진공 증착 등이 그 예가 되겠다.

본 발명은 위와 같은 여러 코팅 중 금속 표면용 세라믹 코팅제 및 이를 이용한 금속 표면의 세라믹 코팅 방법에 관한 것이다.

금속 표면용 세라믹 코팅제에 관한 기술로, 규산염과 금속산화물 바인더, 이 소프로필알콜을 혼합하여 제조되는 '금속표면의 세라믹코팅 방법'(한국 공개특허공보 특1991-0007156)이 출원된 바 있다.

위와 같은 기술은 세라믹코팅 적용시 샌드블라스트 전처리작업을 해야 하며, 샌드블라스트 작업 후에도 산으로 탈지처리 및 알콜 및 증류수 세척 등과 같은 복잡한 일연의 전처리 공정을 진행해야 하는 문제점이 있었다.

그밖의 세라믹 코팅 외에 금속제 표면에 폴리머에 기초한 페인팅 또는 금속도금을 하거나 폴리에틸렌 코팅을 수행하여 금속제의 내후성, 내식성 등을 향상시키는 방법도 있으나, 페인팅 방법의 경우, 시공은 용이하나 내구성 및 표면경도가 미흡한 문제점이 있었다.

더욱이 최근 유기휘발성 규제강화로 인해 그 수요가 감소하고 있는 실정이다.

또, 금속도금법의 경우, 내구성은 양호하나 같은 금속계열로 인해 내식성, 내후성, 표면색상발현 효과 등에 한계가 있고 비용이 비싼 결점이 있다.

또한, 폴리에틸렌 코팅법은 부식 방지효과는 우수하나 금속제표면이 수려하지 못한 것이 단점으로 지적된다.

본 발명의 금속 표면용 세라믹 코팅제 및 이를 이용한 금속 표면의 세라믹 코팅 방법은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 대기중의 먼지, 유해가스, 습기 또는 유기물질 등으로 쉽게 변색, 부식되는 금속류를 졸-겔 합성법을 통해 제조한 수용성 친환경 세라믹 코팅제로 처리함으로써 내후성 및 내식성 뿐만 아니라 알콜 등으로 간단한 탈지처리를 통해 피착체와의 접착력 및 표면경도를 부여할 수 있는 방법을 제공하려는 것이다.

보다 구체적으로, 별도의 복잡한 전처리 과정을 거치지 않고, 금속 표면을 에틸 알콜로 세척한 후 코팅제를 스프레이나 침지 등의 방법으로 코팅시키려는 것이다.

또, 샌드블라스트 또는 산성용액 등을 이용한 초음파처리 후 유기용제로 금속 표면을 탈지 또는 세척을 해야하는 복잡하고 환경적으로 유해한 전처리 과정 없이 금속 표면에 코팅할 수 있게 하려는 것이다.

특히, 에폭시실란과 산화티탄의 졸-겔 합성법에 따라 용이하게 가수분해를 거쳐 중합되도록 하여 중합후 강력한 Si-O-Ti 결합을 이루어 우수한 표면경도 및 내열성, 내식성을 갖게 하려는 것이다.

또한, 금속의 종류에 관계 없이 범용적으로 사용할 수 있게 하려는 것이다.

또한, 투명 내지 착색된 세라믹 코팅제로 금속류를 처리함으로써 금속고유의 색상 뿐만 아니라 희망하는 디자인을 그대로 구현할 수 있는 방법을 제공하려는 것 이다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 금속 표면용 세라믹 코팅제는, 에폭시실란 100 중량 %와, 에폭시실란 중량 대비 130 ~ 190 중량 %의 에틸알콜 또는 이소프로필알콜 중 선택된 1 내지 2 종과, 에폭시실란 중량 대비 20 ~ 40 중량 %의 증류수와, 에폭시실란 중량 대비 30 ~ 50 중량 %의 테크라프로필오르소티타넌트 또는 테크라이소프로필티타네이트 또는 티타늄에틸아세토아세테이트 또는 티타늄 아세틸아세토네이트 또는 테트라노르말부틸티타네이트 또는 테트라티타늄이소프로폭사이드 중 선택된 1 내지 6종이, 졸-겔 합성법을 통해 제조되어 구성된다.

또, 에폭시실란 중량 대비 2 ~ 5 중량 %의 노화방지제 또는 자외선안정제 중 선택된 1 내지 2 종이 더 포함된 채 졸-겔 합성법을 통해 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한, 위와 같은 금속 표면용 세라믹 코팅제를 이용한 금속 표면의 세라믹 코팅 방법은, 에틸알콜로 금속 표면의 이물질 또는 유기물을 제거하는 단계; 상기 세라믹 코팅제를 스프레이 방법 또는 침지법으로 금속 표면에 코팅하는 단계; 세라믹 코팅제가 코팅된 금속 표면을 40 ~ 60 도의 온도에서 5 ~ 20분간 예비 건조하는 단계와; 금속 표면을 예비 건조된 온도에서 170 ~ 230 도의 온도까지 승온시켜 20 ~ 60분 동안 건조시키는 건조단계;로 구성된다.

본 발명에 의해 별도의 복잡한 전처리 과정을 거치지 않고, 금속 표면을 에틸 알콜로 세척한 후 코팅제를 스프레이나 침지 등의 방법으로 코팅시킬 수 있다.

보다 구체적으로 샌드블라스트 또는 산성용액 등을 이용한 초음파처리 후 유기용제로 금속 표면을 탈지 또는 세척을 해야하는 복잡하고 환경적으로 유해한 전처리 과정 없이 금속 표면에 코팅할 수 있게 된다.

특히 에폭시실란과 산화티탄의 졸-겔 합성법에 따라 용이하게 가수분해를 거쳐 중합되도록 하여 중합후 강력한 Si-O-Ti 결합을 이루어 우수한 표면경도 및 내열성, 내식성을 갖게 할 수 있다.

또한, 금속의 종류에 관계 없이 범용적으로 사용할 수 있게 된다.

또한, 일반 폴리머에 기초한 유기코팅액으로부터 얻을 수 없는 표면경도, 내마모성, 내식성, 내열성 및 내후성을 발현할 수 있을 뿐만 아니라 수려한 외관을 달성함으로써 제품의 고급화를 꾀할 수 있다.

또한, 본 발명의 세라믹 코팅제는 졸-겔 합성법을 통해 수용성 무기코팅제로 친환경적이며 인체에 무해한 장점도 내재하고 있다.

이하 본 발명의 금속 표면용 세라믹 코팅제에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 1차용액 제조

에폭시실란, 에틸알콜 또는 이소프로필알콜, 증류수를 혼합하여 1차 용액을 제조한다.

에폭시실란은 에폭시, 우레탄, 아크릴의 점착증진제나 필러와 강화물의 표면 처리용으로 사용되는 것으로, 3-글리시독시프로필트리매톡시실란, 베타-(3,4-에폭시시클로헥실)-에틸트메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, 2-글리시독시프로필트리메톡시실란 또는 이들 혼합 조성물을 말하며 아래와 같은 화학식을 갖는다.

1차 용액을 제조하는 구체적인 제조방법은, 에폭시실란 100 중량%을 정량하여 교반기가 부착된 용기에 투입한 후 에틸알콜 또는 이소프로필알콜을 에폭시실란 중량 대비 65 ~ 95 중량%, 증류수를 에폭시실란 중량 대비 10 ~ 20 중량% 정량하여 투입한 후 1시간 동안 교반시켜 1차 용액을 제조한다.

이러한 1차 용액에서는 에폭시실란과 물로부터 가수분해 및 발열반응이 발생되며, 가열은 하지 않는 것으로 하여 다음과 같은 반응식이 나타난다.

2. 세라믹 코팅제 제조

티타늄 시발물질로 이용되는 테크라프로필오르소티타넌트 또는 테크라이소프로필티타네이트 또는 티타늄에틸아세토아세테이트 또는 티타늄 아세틸아세토네이트 또는 테트라노르말부틸티타네이트 또는 테트라티타늄이소프로폭사이드 중 한가지를 선택하거나 2 내지 6종을 혼합한 혼합물을 에폭시실란 중량 대비 30 ~ 50 중량 % 준비하여 준비된 1차 용액에 투입한다.

이때, 에틸알콜 또는 이소프로필알콜을 에폭시실란 중량 대비 65 ~ 95 중량%, 증류수를 에폭시실란 중량 대비 10 ~ 20 중량% 정량하여 1차 용액에 함께 교반시키면서 투입한다.

이때, 발생되는 가수분해를 테트라프로필오르소티타넌트를 예로하여 다음에 제시하였다.

위와 같이 티타늄 시발물질로 테트라프로필오르소티타넌트가 1단계 용액에 투입되게 되면 겔화가 진행되며, 반응 종료 시점은 겔이 졸로 전환되는 시점, 즉 침전물이 사라질 때까지 계속하여 60 도 정도까지 교반을 계속한다.

위와 같은 졸-겔 합성법 (Sol-Gel Synthesis Method)은 용액이나 콜로이드 서스펜젼에서 세라믹 분말을 만드는 저온 합성법으로 공정중에서 공통적인 사항은 산이나 염기를 사용한 금속염이나 금속 알콕사이드의 가수분해와 축합반응이다.

반응속도는 온도, pH, 출발원료의 농도에 의해 결정되며 반응결과 생성된 겔을 건조한 후, 하소 또는 소결하면 수산화기를 갖고 있는 산화물이 최종 산화물 형태로 변환된다.

여러금속 졸을 화합시키거나 알콕사이드 혼합물의 동시 가수분해와 축합 반응에 의하여 나노 세라믹 혼합 산화물을 만들 수 있다.

Chemat Technology, Materials Modification, Nanocrystals Technology, Norton 같은 회사에서는 졸-겔 합성법을 이용하여 세라믹 나노분말이나 코팅용 제품을 생산하고 있다.

이 방법으로 생산된 분말은 특히 작은 입경(수 nm)과 큰 비표면적(~300 m2/g)을 지니게 되어 코팅제로 사용하기에 적합해지는 것이다.

이러한 졸-겔 합성법으로 얻어진 세라믹 코팅제는 다음과 같은 반응식을 갖게 된다.

위와 같이 제조된 세라믹 코팅제에는 선택적으로 에폭시실란 중량대비 2 ~ 5 중량 %의 자외선안정제나 노화방지제를 투입할 수도 있다.

위와 같이 제조되는 본 발명의 세라믹 코팅제는 수많은 실험과 연구를 통해 최적의 혼합비를 적출해 낼 수 있었다.

최적의 혼합비는 에폭시실란 100 중량 % 대비하여,

에틸알콜 또는 이소프로필알콜 중 선택된 1 내지 2 종은 에폭시실란 중량 대비 158.4 중량 %,

증류수는 에폭시실란 중량 대비 29.7 중량 %,

테크라프로필오르소티타넌트 또는 테크라이소프로필티타네이트 또는 티타늄에틸아세토아세테이트 또는 티타늄 아세틸아세토네이트 또는 테트라노르말부틸티타 네이트 또는 테트라티타늄이소프로폭사이드 중 선택된 1 내지 6종은 에폭시실란 중량 대비 39.6 중량 %의 비율로 혼합되는 것이 바람직했다.

아울러, 자외선안정제 또는 노화방지제 중 선택된 1 내지 2 종 역시 에폭시실란 중량 대비 3.3 중량 % 투입되는 것이 바람직했다.

이하 위에서 설명한 본 발명의 금속 표면용 세라믹 코팅제를 이용하여 금속 표면의 세라믹 코팅 방법을 설명하면 다음과 같다.

1. 금속 표면 세척

먼저 이물질 또는 유기물이 묻어 있는 금속 표면을 에틸알콜을 이용하여 이물질과 유기물을 제거한다.

이처럼 에틸알콜로 탈지처리만 하는 경우는 기존 세라믹코팅에 반드시 선행되어야 되는 샌드블라스트 작업을 거칠 경우 제품표면의 고유 디자인 발현이 어려운 경우 더욱 유효한 것으로 기존의 세라믹 코팅제를 이용한 코팅 방법과 구별되는 것이다.

2. 세라믹 코팅

본 발명의 세라믹 코팅제를 금속 표면에 코팅한다.

이때, 코팅 방법은 스프레이 방법 도는 침지법 등을 이용하면 된다.

이때 코팅되는 금속 표면의 온도는 약 30 ℃, 세라믹 코팅제는 약 30 ℃를 유지하는 것이 최적의 코팅층을 형성할 수 있다.

또한, 코팅의 두께는 1 내지 20 μm 범위 내에서 다양하게 제품용도에 따라 선택하되 두께 조절은 스프레이나 도포회수 또는 침지시간과 횟수로 조절한다.

3. 예비 건조

본 발명의 세라믹 코팅제가 코팅된 금속 표면을 40 ~ 60 도의 온도에서 5 ~ 20분간 예비 건조한다.

이때, 가장 적합한 온도는 50 ℃, 예열 시간은 15분이 바람직하다.

4. 건조 단계

예비 건조된 금속 표면을 예비 건조된 온도에서 170 ~ 230 도의 온도까지 천천히 승온시켜 20 ~ 60분 동안 건조시켜 세라믹 코팅을 완료한다.

이때, 가장 적합한 최종 온도는 200 ℃가 바람직하고, 건조 시간은 30분이 바람직하다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.

<실시예 1> 세라믹 코팅제 제조

글리시독시프로필트리메톡시실란 300g, 에틸알콜 480g, 증류수 90g, 자외선안정제10g을 준비하였다.

먼저 교반기가 부착된 용기에 글리시독시프로필트리메톡시실란 300g, 에틸알콜 240g, 증류수 45g을 넣고 1시간 동안 교반하여 1차 용액을 제조하였다.

그런 다음 테크라프로필오르소티타넌트 120 g과, 잔량의 에틸알콜 240g, 증류수 45g을 1차 용액이 담긴 용기에 지속적으로 교반시키면서 겔이 졸로 전환될 때까지 교반하였다.

그런 다음 10 g의 자외선안정제를 투입한 후 다시 한번 교반시켜 세라믹 코팅제를 제조하였다.

<실시예 2> 금속 표면의 세라믹 코팅

가로 세로 1 m 크기의 스테인레스 철판을 준비한 후 에틸 알콜로 철판 표면의 이물질을 제거하였다.

준비된 세라믹 코팅제를 스프레이 용기에 주입한 후 이물질이 제거된 철판에 뿌려 코팅층을 형성하였다.

이때, 철판의 온도와 세라믹 코팅제의 온도는 30도를 유지하도록 하였다.

코팅제가 도포된 철판을 50도의 온도에서 10분간 예비 건조시킨 후 200도까지 서서히 온도를 올려 30분간 경화시켜 금속 표면의 세라믹 코팅을 완료하였다.

위와 같이 별도의 공정 없이 에틸알콜로 탈지처리만 한 후 세라믹 코팅제를 코팅하여 코팅 공정이 간단해짐을 알 수 있었다.

본 발명은 상기에서 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 인지할 수 있음을 밝혀두고자 한다.

아울러, 본 발명의 금속 표면용 세라믹 코팅제 및 이를 이용한 금속 표면의 세라믹 코팅 방법에서 코팅 처리되는 금속은 종류에 따라 특별히 국한되는 것이 아니며, 그 형태 또한 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 세라믹 코팅제 제조 공정을 나타낸 공정도.

도 2는 본 발명의 세라믹 코팅제를 이용하여 금속 표면을 코팅하는 공정을나타낸 공정도.

Claims (3)

1. 세라믹 코팅제에 있어서,

   에폭시실란 100 중량 %와,

   에폭시실란 중량 대비 130 ~ 190 중량 %의 에틸알콜 또는 이소프로필알콜 중 선택된 1 내지 2 종과,

   에폭시실란 중량 대비 20 ~ 40 중량 %의 증류수와,

   에폭시실란 중량 대비 30 ~ 50 중량 %의 테크라프로필오르소티타넌트 또는 테크라이소프로필티타네이트 또는 티타늄에틸아세토아세테이트 또는 티타늄 아세틸아세토네이트 또는 테트라노르말부틸티타네이트 또는 테트라티타늄이소프로폭사이드 중 선택된 1 내지 6종이,

   졸-겔 합성법을 통해 제조되어 구성된,

   금속 표면용 세라믹 코팅제.
2. 제 1항에 있어서,

   에폭시실란 중량 대비 2 ~ 5 중량 %의 노화방지제 또는 자외선안정제 중 선택된 1 내지 2 종이 더 포함된 채 졸-겔 합성법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는,

   금속 표면용 세라믹 코팅제.
3. 금속 표면의 세라믹 코팅 방법에 있어서,

   에틸알콜로 금속 표면의 이물질 또는 유기물을 제거하는 단계;

   제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항의 세라믹 코팅제를 스프레이 방법 또는 침지법으로 금속 표면에 코팅하는 단계;

   상기 세라믹 코팅제가 코팅된 금속 표면을 40 ~ 60 도의 온도에서 5 ~ 20분간 예비 건조하는 단계와;

   상기 예비 건조된 온도에서 170 ~ 230 도의 온도까지 금속 표면을 승온시켜 20 ~ 60분 동안 건조시키는 건조단계;를 포함하여 구성된,

   금속 표면의 세라믹 코팅 방법.

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