KR20140085164A - 무방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 절연피막 형성방법 및 무방향성 전기강판 - Google Patents

무방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 절연피막 형성방법 및 무방향성 전기강판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무방향성 전기강판 절연피막용 알루미늄 인산염, 이를 이용한 무방향성 전기강판의 절연피막 형성방법 및 이에 의해 제조되는 무방향성 전기강판에 관한 것으로, 85중량%의 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3): 10~50중량부와 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)로 이루어진 촉매제: 0.1~1.0 중량부를 포함하는 무방향성 전기강판 절연피막용 알루미늄 인산염 조성물, 이를 이용하는 절연피막 형성방법 및 무방향성 전기강판이 개시된다.

Description

무방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 절연피막 형성방법 및 무방향성 전기강판{INSULATION FILM COMPOSITION AND METHOD FOR FORMING INSULATION FILM OF NON-ORIENTED ELECTRICAL STEEL STEET AND NON-ORIENTED ELECTRICAL STEEL STEET MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 무방향성 전기강판 절연피막 조성물, 절연피막 형성방법 및 이에 의해 제조되는 무방향성 전기강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정인산, 수산화 알루미늄 및 트리메틸포스페이트 또는 헥사메틸인산트리아미드로 이루어진 촉매제를 포함하는 기술에 관한 것이다.
무방향성 전기강판은 압연판 위의 모든 방향으로 자기적 성질이 균일한 강판으로 모터, 발전기의 철심, 전동기, 소형변압기 등에 널리 사용되는데, 타발가공 후 자기적 특성의 향상을 위해 SRA을 실시하여야 하는 것과 SRA에 의한 자기적 특성 효과보다 열처리에 따른 경비 손실이 클 경우 SRA를 생략하는 두 가지 형태로 구동모터, 가전, 대형모터 수요가에서 구분하여 사용하고 있다.
한편, 절연피막 형성은 제품의 마무리 제조공정에 해당하는 과정으로서 통상 와전류의 발생을 억제시키는 전기적 특성 이외에 소정의 형상으로 타발가공 후 다수를 적층하여 철심으로 만들 때, 금형의 마모를 억제하는 연속타발 가공성과 강판의 가공응력을 제거하여 자기적 특성을 회복시키는 SRA 과정 후 철심강판간 밀착하지 않는 내젖음성(sticking), 내식성 및 표면 밀착성 등을 요구한다. 이러한 기본적인 특성 외에 코팅용액의 우수한 도포 작업성과 배합 후 장시간 사용 가능한 용액 안정성 등도 요구된다
무방향성 절연피막은 적층되는 철판 사이의 층간 절연을 주목적으로 하는데, 소형전동기기의 사용이 확대되면서 절연성뿐만 아니라, 가공성, 용접성, 내식성에 유리한 피막 성능을 주요한 물성으로 평가하게 되었으며, 최근 들어서는 강판 표면의 품질 또한 사용 특성에 영향을 미치면서 표면품질이 우수한 전기강판을 요구하게 되었다.
최근 전기강판 코팅제의 무크롬화가 활발히 진행되고 있는데, 크게 크롬산염 부재에 따른 내식성 및 밀착성 약화를 보강하기 위해 여러 종류의 금속인산염을 도입하는 방법과 콜로이달 실리카 도입을 통한 베리어 효과(Barrier effect)를 유도하는 방법으로 구분될 수 있다. 전자는 일본 특허 특개소2004-322079 공보에 개시되어 있는 바와 같이 인산 알루미늄(Al(H3PO4)3), 제1인산 칼슘(Ca(H3PO4)2), 제1인산 아연(Zn(H3PO4)2), 제1인산 마그네슘(Mg(H3PO4)2)를 단독 또는 적절히 혼합한 비율로 혼합한 복합 금속인산염을 사용하여 밀착성과 내식성을 향상시켰다.
그러나, 금속 인산염을 사용할 경우 인산염에 존재하는 정인산(H3PO4)이 도포 및 경화 후에도 피막의 점착성(Tacky)성을 유발할 수 있는데, 일본 특허 특개평 11-131250 공보, 한국 특허 1999-026912에 이와 같은 정인산의 Tacky성을 방지하기 위해서 유기산 및 실란 커플링제 등을 첨가하는 기술이 제안되었다.
또한, 인산염은 산업의 여러 용도로 사용되고 있으며 그 종류와 활용 분야는 다양하다. 인산염의 합성에 관해서 한국 특허 10-2006-0089034, 10-2006-0089161에는 난연제의 적용 용도로 수산화 금속 인산염으로써 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 수산화 칼슘의 결정성 분말을 물에 분산시켜 고온으로 상승시킨 다음 그 고액 혼합물에 인산 또는 올리고머형 인산, 또는 고분자형 인산 등을 적하시켜 수산화 금속 인산염을 각각 합성함으로써 반응에 참여시킨 인산을 산의 기능이 완화되어 염의 형태로 형성, 즉 물리화학적으로 안정적인 결정성 입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법이 제시되어 있다.
한편, 무방향성 전기강판에 우수한 절연성을 확보하기 위해서는 코팅 두께를 증가시키는 방법이 가장 일반적인 방법이나, 코팅두께가 증가할 경우, 무방향성 전기강판에서 요구하는 용접성, 내열성, SRA 전/후 밀착성 및 점적율(Stacking Factor) 등의 특성이 열위해지는 단점이 있었다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 무방향성 전기강판 절연피막용 금속인산염 및 이를 이용한 절연피막 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 85중량%의 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3): 10~50중량부와 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)로 이루어진 촉매제: 0.1~1.0 중량부를 포함하는 무방향성 전기강판 절연피막용 알루미늄 인산염이 제공될 수 있다.
상기 알루미늄 인산염에서 단일 결합(Al-P), 이중 결합(Al=P) 및 삼중 결합(Al≡P)의 합이 20~70%인 것을 특징으로 하며, 상기 정인산, 수산화 알루미늄 및 촉매제가 70~110℃에서 반응하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 85중량%의 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3): 10~50중량부와 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)로 이루어진 촉매제: 0.1~1.0 중량부를 포함하는 알루미늄 인산염을 편면당 0.5~1.0㎛ 두께로 도포한 후, 350~750℃의 온도 범위에서, 10~30 초간 가열하는 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 절연피막 형성방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 85중량%의 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3): 10~50중량부와 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)로 이루어진 촉매제: 0.1~1.0 중량부를 포함하는 알루미늄 인산염의 절연피막이 형성된 무방향성 전기강판이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 피복조성물 내의 무기물 비율을 조절함으로써, 절연 특성이 우수해지고, SRA후에도 피막 층의 손상이나 깨짐(Crack) 현상이 없어 무방향성 전기강판의 절연 특성과 내열성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 인산염의 P-MNR로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명에 따른 실시예는 무방향성 전기강판 코팅의 주요 성분인 금속인산염의 제조에 관한 것으로, 촉매제인 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)를 사용하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3)과 정인산(H3PO4)의 치환반응을 촉진시켜 무방향성 전기강판 절연코팅에 적합한 고농도의 알루미늄 인산염을 제조하는 방법을 제공한다.
보다 구체적으로는 중량%로, 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3)을 10~40중량부를 주입 후 촉매제로 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)을 0.1~1.0 중량부 주입하여 70~110℃에서 6~10시간 반응시켜 무방향성 전기강판의 표면에 우수한 내식성과 절연특성을 부여하는 고농도의 알루미늄 인산염을 제조하는 방법이 제공된다. 또한, 상기 제조된 알루미늄 인산염을 이용한 용액 안정성과 코팅작업성이 우수한 절연 피막 조성물이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는 상기 고농도 알루미늄 인산염은 85wt% 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3)을 10~50중량부를 넣고 70~110℃에서, 6~10시간에서 촉매제인 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)를 중량%로 0.1~1.0 중량% 사용하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3)과 정인산(H3PO4)의 치환반응시켜 제조하였다.
상기 정인산(H3PO4)을 수산화 알루미늄(Al(OH)3)으로 고온에서 촉매제인 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)을 넣고 반응시킬 경우 알루미늄(Al)과 인(P)와의 단일(Al-P), 이중 (Al=P) 및 삼중(Al≡P) 결합을 형성한다. 상기 정인산(H3PO4)과 치환된 수산화 알루미늄(Al(OH)3)의 량은 촉매제의 양이 많을수록 금속인산염 내에서 단일(Al-P), 이중 (Al=P) 및 삼중(Al≡P) 결합의 비율이 증가한다. 이는 알루미늄 인산염 내에 정인산(H3PO4)의 양을 최소화할 수 있어, 정인산에 의해 발생하는 표면 흡습성(Tacky) 및 석출 현상을 해결할 수 있다. 또한, 치환된 알루미늄 인산염의 량이 많을수록 수지와의 상용성이 향상되어, 피복조성물 내에 혼합 금속인산염의 비율을 높일 수 있다. 그러므로, 피복조성물 내에 높은 무기물 비율에 의해 절연 특성이 우수해지고, SRA후에도 피막 층의 손상이나 깨짐(Crack) 현상이 없어 절연 특성과 내열성이 우수해진다.
상기에 의해 제조된 알루미늄 인산염을 적용한 무방향성 전기강판 피막조성물을 편면당 0.5~1.0㎛ 두께로 도포한 후 350~750℃의 온도 범위에서 10~30 초간 가열한 다음 Franklin insulation tester로 절연을 측정했을 때, 미려한 표면을 형성하여 우수한 절연 특성을 가진 무방향성 전기강판을 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 실시예에서는 수지와의 우수한 상용성을 가지면서도 우수한 절연 특성을 가지는 무방향성 전기강판 절연 피막조성물용 알루미늄 인산염 제조 방법에 관한 것으로, 일정 조성비의 수산화 알루미늄(Al(OH)3)을 촉매제인 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)에 의해 고순도 알루미늄 인산염을 제조하는 방법을 제공한다.
먼저, 상기 각 성분의 역할 및 작용을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 실시예에서는 용액안정성과 수지와의 상용성이 우수할 뿐만 아니라, 무방향성 전기강판의 표면특성(내식성, 내후성, SRA 전/후 밀착성 등)이 우수한 알루미늄 인산염을 제조한다.
상기 금속인산염을 다량 포함한 피막조성물을 사용하여 무방향성 전기강판 표면에 코팅한 후 시간이 지나면 미반응된 정인산이 석출되어 정인산에 의한 흡습성 또는 표면 발분 현상이 나타날 수 있다. 따라서, 정인산에 의한 표면결함을 줄이기 위해서는 인산과 금속 수산화물의 적당한 비로 제조되어야 함을 물론이고 코팅용액 내에 인산이 차지하는 성분비가 매우 중요하다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 소재 표면과 인산염이 일정온도에서 촉매제에 의해 반응을 하고 이 중 반응에 참석 못하는 인산염은 정인산으로 석출된다.
이하에서는 각 성분의 역할 및 작용을 성분과 성분비에 따라 상세히 설명한다.
알루미늄 인산염은 정인산(H3PO4)을 고농도 수산화 알루미늄(Al(OH)3)으로 고온에서 촉매제에 의해 반응시킬 경우 알루미늄(Al)과 인산(H3PO4)이 수산화 알루미늄(Al(OH)3)의 주입량, 촉매제의 종류 및 양에 따라 단일(Al-P), 이중 (Al=P) 및 삼중(Al≡P) 결합을 20~70% 형성한다. 이때, 85wt% 인산(H3PO4) 100 중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3)의 주입량은 10~50중량부로 한다.
만약, 상기 수산화 알루미늄(Al(OH)3)의 주입량이 10 중량부 미만인 경우에는 피막조성물 내의 높은 정인산에 의해 표면 흡습성과 발분현상이 나타나고, 50 중량부를 초과하는 경우에는 금속 인산염이 재결정화되어 용액 안정성이 열위해지므로 본 발명에 따른 실시예에서의 수산화 알루미늄의 주입량은 상기 범위로 한정한다.
또한, 촉매제인 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)를 정인산 100중량부에 대하여 0.1~1.0 중량부를 주입한다. 만약, 상기 촉매제의 양이 0.1중량부 미만일 경우에는 단일(Al-P), 이중 (Al=P) 및 삼중(Al≡P)으로 치환되는 량이 20%이하로 표면 젖음(Sticky) 현상이 발생하고, 1.0중량부를 초과하는 경우에는 급격한 반응에 의해 알루미늄 인산염의 안정성이 열위해지므로 본 발명에 따른 실시예에서의 촉매제의 양은 상기 범위로 한정한다.
이때, 본 발명에서 사용되는 수산화 알루미늄과 정인산(phosphoric acid)의 구조는 아래의 그림과 같다.
Figure pat00001
<수산화 알루미늄 및 정인산 구조식>
또한, 본 발명에 따른 실시예에서의 정인산과 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 및 촉매제와의 반응에 의한 알루미늄 인산염의 제조 과정은 하기 식에서와 같다.
Al(OH)3 + H3PO4 + H2O --> H3PO4 + Al(H2PO4) + Al(HPO4)2 + Al(PO4)3 + Al(OH)3
또한, 하기 그림은 상기 반응에 의해 치환된 3가지 종류의 알루미늄 인산염을 구조식으로 나타냈다. 알루미늄(Al)과 인(P)와의 단일(Al-P), 이중 (Al=P) 및 삼중(Al≡P) 결합을 형성하고 있으며, 인산(H3PO4)과 치환된 수산화 알루미늄(Al(OH)3)의 량은 촉매제의 량이 증가할수록 금속인산염 내에서 단일(Al-P), 이중 (Al=P) 및 삼중(Al≡P) 결합의 비율이 증가하였다. 이는 알루미늄 인산염 내에 정인산(H3PO4)의 량을 최소화할 수 있어, 결국엔 정인산에 의해 발생하는 표면 흡습성(Tacky) 및 석출 현상을 해결할 수 있다.
Figure pat00002
<알루미늄 인산염 구조식>
본 발명에 따른 실시예에서는 상기의 방법으로 제조된 알루미늄 인산염을 무방향성 전기강판 코팅용액 제조에 적용할 경우 무방향성 전기강판의 기본 특성인 내식성, 내후성, 내열성 및 SRA전/후 밀착성이 우수할 뿐만 아니라, 절연성이 매우 우수한 무방향성 전기강판을 제공 받을 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
하기 표 1은 정인산 100g에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 10~50g과 촉매제로 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate)을 0.1~1.0g 넣고 반응 온도를 80~90℃ 및 100~110℃에서 8시간 반응시킨 후 용액 안정성과 단일(Al-P), 이중 (Al=P) 및 삼중(Al≡P) 결합 알루미늄 인산염의 비율을 나타냈다.
여기서 나타낸 비율은 P-NMR에서 획득한 피크(peak)의 면적을 환산하여 표현하였다. 표 1에서 알 수 있듯이 주입된 수산화 알루미늄(Al(OH)3)의 양이 증가할수록 획득되는 전체 알루미늄 인산염의 양이 증가함을 보이고 있으며, 촉매인 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate)의 량이 증가할수록 전체 알루미늄 인산염의 양이 증가함을 알 수 있다. 또한, 알루니륨 인산염 종류별 치환량을 비교해보면 전체적으로 이중 결합한 알루미늄 인산염의 양이 가장 많은 비율을 차지 하고 있음을 알 수 있다.
반응온도 및 촉매량에 따른 알루니륨 인산염 종류별 치환량 비교
주입량
(중량%)		 온도
(℃)		 촉매량
(중량%)		 인산염
안정성		 알루니륨인산염 종류별
치환량
인산 Al(OH)3 합 단일
(Al-P)		 이중
(Al=P)		 삼중
(Al=P)
발명예1 100 10 80~90 0.1 ⊙ 20 8 12 -
발명예2 100 30 80~90 0.1 ⊙ 27 12 15 -
발명예3 100 50 80~90 0.1 ⊙ 32 13 17 2
발명예4 100 10 80~90 0.5 ⊙ 31 10 18 3
발명예5 100 30 80~90 0.5 ⊙ 45 17 23 7
발명예6 100 50 80~90 0.5 ⊙ 56 19 25 7
발명예7 100 10 80~90 1.0 ⊙ 41 16 20 5
발명예8 100 30 80~90 1.0 ⊙ 59 21 29 9
발명예9 100 50 80~90 1.0 ⊙ 68 24 33 11
발명예10 100 50 100~110 1.0 × - - - -
도 1 및 도 2는 정인산 100g에 수산화 알루미늄(Al(OH)3)의 주입량을 각각 30, 50g 넣고 80~90℃의 반응 온도에서 촉매제 양을 각각 0.1, 0.5g 넣고 6시간 동안 반응시킨 후 P-NMR로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 수산화 알루미늄(Al(OH)3)과 촉매제량이 각각 30g, 0.1g 일 경우 삼중(Al≡P)결합을 갖는 알루미늄 인산염은 존재하지 않음을 알 수 있다. 반면, 도 2를 참조하면, 수산화 알루미늄(Al(OH)3)과 촉매량이 각각 50g, 0.5g일 경우, 전체적인 알루미늄 인산염의 양이 증가하며, 또한 삼중(Al≡P) 알루미늄 인산염의 양이 7% 이상 존재함을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 85중량%의 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3): 10~50중량부와 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)로 이루어진 촉매제: 0.1~1.0 중량부를 포함하는 무방향성 전기강판 절연피막용 알루미늄 인산염 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 인산염에서 단일 결합(Al-P), 이중 결합(Al=P) 및 삼중 결합(Al≡P)의 합이 20~70%인 무방향성 전기강판 절연피막용 알루미늄 인산염 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정인산, 수산화 알루미늄 및 촉매제가 70~110℃에서 반응하여 제조되는 무방향성 전기강판 절연피막용 알루미늄 인산염 조성물.
  4. 85중량%의 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3): 10~50중량부와 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)로 이루어진 촉매제: 0.1~1.0 중량부를 포함하는 알루미늄 인산염을 편면당 0.5~1.0㎛ 두께로 도포한 후, 350~750℃의 온도 범위에서, 10~30 초간 가열하는 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 절연피막 형성방법.
  5. 85중량%의 정인산(H3PO4) 100중량부에 대하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3): 10~50중량부와 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate) 또는 헥사메틸인산트리아미드(hexamethyl phosphoric triamide)로 이루어진 촉매제: 0.1~1.0 중량부를 포함하는 알루미늄 인산염의 절연피막이 형성된 무방향성 전기강판.
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