KR20150128125A

KR20150128125A - 사판식 압축기의 사판용 접동부재 코팅 조성물

Info

Publication number: KR20150128125A
Application number: KR1020140054993A
Authority: KR
Inventors: 이계영
Original assignee: 이계영
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-11-18
Also published as: KR101729028B1

Abstract

본 발명은 바인더인 열경화성 혹은 열가소성 수지에 고체 윤활제, 여러 가지 종류의 용매 및 기타 첨가제 등의 배합비율을 조절하여 내마모성, 비소착성, 윤활성, 및 내열성뿐만 아니라 기재와의 부착력 및 가요성을 향상시켜 CO₂가스를 냉매로 사용하는 경우에도 소착이 발생하지 않는 우수한 접동부재 액상도료 조성물에 관한 것이다.
액상도료의 구성비가 고형분 20∼40중량%와 용제 60∼80중량%로 구성되며 용매의 점도는 32∼36 cP인 액상도료이고 이 액상도료의 조성물의 고형분과 용매를 포함하는 각각의 성분에 대한 구성비는 전체 조성물에 대한 중량비로 PAI 10∼30중량%, 고체윤활제(PTFE)는 5∼15중량%이며, 금속산화물(예: Al₂O₃), 카본블랙 및 실란카플링제는 각각 5중량%이하이며, 용매인 NMP 20∼40중량%, 크실렌 및 DMAC는 5∼20중량%, MEK 10∼30중량%이며, 용매인 NMP, 크실렌, DMAC, 및 MEK의 상호 혼합비율은 각각 40∼50중량%, 10∼15중량%, 2∼7중량%, 및 25∼40중량% 범위이며, PTFE의 입도는 0.2∼1.0㎛인 것을 사용하고, 금속산화물인 알루미나와 카본블랙은 평균입경이 약 2㎛이하인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 사판식 압축기의 사판용 윤활부재 액상도료 조성물에 관한 것이다.

Description

사판식 압축기의 사판용 접동부재 코팅 조성물{Coating compositions of sliding members for the swash plate of the swash plate type compressor}

본 발명은 사판식 압축기의 사판용 접동부재 코팅 조성물과 이 조성물이 코팅된 사판에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 철계 또는 알루미늄계 사판의 내마모성, 내소착성, 내열성 및 윤활성이 우수한 표면 처리를 위한 코팅 조성물과 이 조성물이 기재에 코팅된 사판에 관한 것이다.

자동차 공조장치의 압축기로 많이 사용하고 있는 사판식 압축기는 회전축에 경사지게 고정된 사판과 이 사판의 전후 면에 슈가 여러 개 삽입되어 피스톤과 결합되어 작동된다. 회전축이 회전하면 회전축에 설치된 디스크 형태의 사판이 회전하게되며 이 슈가 개입된 사판의 회전운동을 피스톤의 왕복운동으로 변환시켜 냉매를 압축, 팽창시켜 방출한다. 이러한 사판식 압축기는 운전초기에 냉매가 존재하는 하우징 내에 윤활유가 도달하기 전에 금속재의 사판과 슈가 접동하는 경우 접동부가 윤활유가 없는 상태가 되어 소착현상이 발생하기 쉽다. 또 최근에 개발된 CO₂가스를 냉매로 사용하는 사판식 압축기에서는 압축기 내의 압력이 10MPa까지 도달하기 때문에 사판과 슈와의 접동압력이 상승하게 되어 사판의 접동부위에 소착이 발생될 우려가 있다. 이러한 소착을 방지하기 위하여 사판의 금속기재와 수지 윤활피막 사이에 동이나 알루미늄계의 재료를 용사하여 이 금속 용사 층에 납 도금, 주석도금, 납-주석도금, PTFE 피복, MoS₂ 또는 MoS₂-흑연 혼합 피복한 것(특허문헌 1)이 제안된 것도 있으며 이것은 사판의 금속기재와 수지 윤할 피막사이에 동이나 알루미늄계의 용사 층을 형성하는 목적은 수지 윤활피막이 소착되는 경우에도 수지 윤활피막이 떨어지지 않게 하기 위하여 수지 윤활 피막이 마모되어도 슈와 금속기재가 직접 접동하지 않아 소착의 발생을 방지하는 것이다. 그러나 용사 층의 형성은 비용 상승이나 평면정도가 낮아지는 결점이 있어 PTFE를 함유하는 고체윤활제를 열경화수지인 폴리아미드이미드에 고착한 접동 층을 가지는 사판에 대하여 접동 하는 슈의 표면에 니켈도금을 설치하여 사판과 슈와의 윤활성을 높혀 소착을 방지하는 방법도 제안되고 있다.(특허문헌 2)

철계 또는 알루미늄계의 재질을 사판으로 사용하여 PTFE, MoS₂, WS₂, 인상흑연 등의 고체윤활재와 내마모성이나 기재에 대한 밀착성의 증대를 위해 금속산화물 혹은 실란카플링재 등을 폴리아미드이미드 수지 등의 바인더에 혼합한 재료를 여러 종류의 용제에 분산시킨 슬러리 상태의 접동부재로 제조하여 사판의 전후 면에 윤활피막을 형성한다.(특허문헌 3∼4) 이러한 윤활부재의 조성에 있어서 사판의 표면상태, 바인더 수지, 고체윤활제, 첨가제 및 용제 등으로 구성된 접동부재의 물성 및 이 접동부재를 사판의 표면에 코팅하는 조건 등에 따라 윤활특성이 상당한 차이를 나타낸다. 특헌문헌 3에 개시된 내용을 보면 원판상의 강판의 양 표면을 연마가공하여 슈와 접동하는 접동면에 불소수지(PTFE 등)가 40∼50 중량%, 흑연 1∼10중량%, 매트릭스 수지 45∼55중량%가 배합된 저마찰 수지 피복층을 형성하는 것을 특징으로 하는 경우가 있으며, 특허문헌 4에서는 바인더 30∼70중량%와 고체윤활재 25∼60중량% 및 기타 첨가재 5∼10중량%로 구성된 윤활부재에 관하여 개시되어 있다. 그러나 상기한 예에서는 윤활부재의 비율만을 개시하고 있으며 윤활부재 도료에 대한 조성물의 액상 슬러리 조성에 관하여는 언급한바가 없으며 따라서 접동부재의 코팅 작업을 위한 접동부재 슬러리 중의 고형분(바인더, 고체윤활제, 기타 첨가제 등)의 함량, 용제의 종류 및 접동부재 액상도료의 점성 등에 관한 내용은 결여되어 있다. 그러나 실제로 상기한 접동부재를 사판의 표면에 코팅하는 작업에 있어서는 고체윤활재의 조성물에 대한 구성비와 함께 용제의 종류 및 그 첨가량에 따른 고형분 함량 및 점성 변화 등이 윤활부재의 내마모성, 기재와의 부착성, 내열성, 내구성, , 소착성 및 윤활성 등의 제반 물리화학적인 특성에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 실제로 용제의 량이 너무 과량인 경우에는 어떤 도장 방식에 의해서도 균일하고 얇은 코팅 층을 얻기가 어렵고 점성이 너무 낮은 경우에도 기재에 대한 도료의 부착력이 약하여 요구하는 두께의 코팅 막을 형성하기 어렵다.

(특허문헌 1) 일본공개특허 특개평8-199327(1986. 8. 6.)

(특허문헌 2) 일본공개특허 특개2002-089437(2002. 3. 27.)

(특허문헌 3) 일본공개특허 특개2009-209727(2009. 9. 17.)

(특허문헌 4) 대한민국 등록특허 10-1086847(2011. 11. 18)

따라서 본 발명에서는 바인더인 열경화성 혹은 열가소성 수지에 고체 윤활제, 여러 가지 종류의 용제 및 기타 첨가제 등의 배합비율을 조절하여 내마모성, 비소착성, 윤활성, 및 내열성뿐만 아니라 기재와의 부착력 및 가요성을 향상시켜 CO₂가스를 냉매로 사용하는 경우에도 소착이 발생하지 않는 우수한 접동부재 액상도료 조성물 및 이 도료가 코팅된 사판을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 바인더 수지로 열경화성·열가소성 수지인 폴이아미드이미드를 사용하고 고체 윤활제로 PTFE, MoS₂,WS₂, h-BN(질화붕소), 및 팽창흑연 등을 사용하며, 충전제로 탄화규소, 알루미나, 산화지르콘, 산화티탄, 카본블랙 등의 미분말을 사용하여 내마모, 내열, 내소착성 및 윤활성이 우수한 표면 코팅 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 실란커플링제를 사용하여 내열성 및 가재에 대한 고체윤활제의 분산성 및 부착성을 증대시키는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 접동부재 조성물인 바인더 수지, 고체윤활제, 금속산화물, 및 기타 첨가물과 코팅작업을 위한 액상도료의 고형분(접동부재) 및 점성 조절을 위한 용제와의 혼합비율과 용제의 종류 및 용매 상호간의 혼합비율 등에 대한 구성비를 조절하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명은 바인더 수지로 열경화성 수지인 폴리아미드이미드(polyamide imide)를 사용하고, 고체 윤활제로 PTFE를 주로 사용하나 이외에도 소량의 MoS₂,WS₂, h-BN(질화붕소), 및 팽창흑연 등을 사용 할 수도 있으며, 충전제로 탄화규소(SiC), 알루미나(Al₂O₃), 산화지르콘(ZrO₂), 산화티탄(TiO₂), 카본블랙(C) 등의 미분말을 사용하며, 고체윤활제나 충전제 등의 기재에 대한 부착 증진을 위해 실란카플링제를 사용 하는 것을 특징으로 하는 접동부재 조성물에 관한 것이다.

또한 압축기 사판에 상기한 윤활부재를 코팅하기 위한 액상도료를 제조하기 위하여 여러 가지 종류의 용제를 혼합하여 사용하며 용제로는 노르말 메틸피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 크실렌(Xylene 1-2-dimethylbenzene, xyl), 메톡시프로필 아세테이트(methoxypropyl acetate, DMAC), 부타논(butanone, methyl ethyl ketone, MEK)를 사용하여 윤활부재 코팅용 액상 도료의 고형분 및 점성을 조절하는 것을 특징으로 하는 윤활부재 액상 도료에 관한 것이다.

또한 상기한 윤활부재 액상도료 조성물의 구성비는 고형분 20∼40중량%와 용매 60∼80중량%로 구성되며 가장 적합한 구성비는 고형분 22∼24중량%, 용제 76∼78중량%이고 점도는 32∼36 cP인 것을 특징으로 한다.

또한 전체 윤활부재 액상도료의 조성물의 구성비는 전체 조성물의 중량비로 PAI 10∼30중량%, 가장 적합한 비율은 15∼20중량%, 고체윤활제(PTFE)는 5∼15중량%이며 가장 적합한 비율은 8∼10중량%이다. 금속산화물(예: Al₂O₃)은 5중량%이하이고 적합한 비율은 2∼3중량%)이다. 카본블랙 및 실란카플링제는 각각 5중량%이하이며, 최적 적합 첨가량은 2∼3중량%이다. 용매인 NMP 20∼40중량%, 가장 적합한 량은 25∼30중량%, 크실렌 및 DMAC는 5∼20중량%, 최적량은 10∼15중량%, MEK 10∼30중량%, 최적량은 20∼25중량%로 조정하는 것을 특징으로 한다. 고체윤활제인 PTFE의 입도는 0.1∼1.0㎛인 것을 사용하고, 금속산화물인 알루미나와 카본블랙은 평균입경이 약 2㎛이하인 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기한 용매인 NMP, 크실렌, DMAC, 및 MEK의 상호 혼합비율은 각각 40∼50중량%, 10∼15중량%, 2∼7중량%, 및 25∼40중량% 범위이다.

이와 같은 본 발명에 의하면 철 및 알루미늄 계 사판의 표면 코팅용 접동부재 액상도료는 고형분 및 점성의 변화에 따라 건조 및 소성공정에서 표면에 대한 밀착성과 윤활성 등에 큰 영향을 미치는 효과를 나타낸다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 사판 코팅용 접동부재 액상 도료의 조성물은 열경화성 바인더 수지, 고체윤활제, 금속산화물, 실란카플링제 및 여러 가지 용매로 구성된다. 바인더 수지는 PAI를 사용하는 것을 특징으로 하며, 전체 액상도료에 대한 중량%로 그 첨가량은 15∼20중량%이다. 고체윤활제인 PTFE의 첨가량은 8∼10중량%이고, 금속산화물(예: Al₂O₃), 카본블랙 및 실란카플링제의 첨가량은 약 2∼3중량%이다.

상기한 실란카플링제는 기재에 대한 도료의 부착석 향상, 기계적 성질, 분산성 향상, 및 가교결합력 증진 등을 위해 첨가하는 것으로 특히 고분자물질과의 친화력이 우수한 아미노페닐트리메톡시실란{aminophenyltrimethoxysilane, C₉H₁₅NO₃Si}, 아미노에틸아미노프로필특리메톡시실란{N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyl trimethoxysilane, C₈H₂₂N₂O₃Si}, 트리에톡실프로필아민{bis(triethoxypropyl)amine, C₁₈H₄₃NO₆Si₂}, 크로로메틸페닐에틸트리메톡시실란{chloromethyl)phenylethyl trimethoxysilane, C₁₂H₁₉ClO₃Si}, 플라디늄디비닐테트라메틸디실록산{Pt(0)-1,3- divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane} 등을 들 수 있다.

용매인 NMP는 25∼30중량%이며, 크실렌 및 DMAC는 10∼15중량%, MEK 20∼25중량%로 조정하여 첨가하는 것을 특징으로 한다. 고체윤활제인 PTFE의 입도는 0.2∼1.0㎛인 것을 사용하고, 금속산화물인 알루미나와 카본블랙은 평균입경이 약 2㎛이하인 것을 사용한다. 표 1은 바인더 수지 PAI, 고체윤활제 PTFE 및 기타 금속산화물 Al₂O₃, Pt-silane과 여러 종류의 용제(NMP, Xylene, DMAC, MEK)의 첨가량의 변화에 따른 액상 도료를 표면조도를 거칠게 처리한 사판의 표면에 10∼15㎛두께로 코팅한 후 건조, 소성하여 마찰계수, ML, 및 RL 시험을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 상기한 실시예 및 비교예에서 기준을 통과하지 못하는 제품은 실제 압축기의 사판에 사용이 불가능 하다.

표 1.(고형분;20-30,점도;30-40cP/at25도)

	결합재	고체윤활재+기타 첨가제				용제				마찰 계수	ML (분)	RL (kgf)
	PAI	PTFE	Pt-sil	C	Al₂O₃	NMP	Xylene	MEK	DMAC	마찰 계수	ML (분)	RL (kgf)
실시예1	15	10	1.5	1.5	1.0	27	9	20	15	0.06	7	1,200
2	16	9	1.5	1.5	1.0	27	9	20	15	0.06	8	1,250
3	17	9	0.5	1.5	1.0	27	9	20	15	0.05	10	1,280
4	16	10	0.5	1.5	1.0	27	9	20	15	0.05	10	1,300
5	19	7	0.5	1	1.5	27	9	20	10	0.03	11	1,800
6	16	6	0.5	0.5	1.0	37	9	20	10	0.03	15	1,800
7	16	8	0.5	0.5	0.5	37.5	9	20	10	0.03	12	1,850
비교예1	25	15	2.5	2.5	2.0	24	5	17	7	0.02	6	1,300
비교예2	30	13	2.5	2.5	2.0	20	7	15	8	0.02	6	1,200
비교예3	35	10	2.5	2.5	2.0	18	8	12	10	0.02	5	1,250

상기한 ML시험은 사판에 윤활유가 공급되는 정상적 운전 상태에서 윤활유가 없는 비정상적인 상태로 임의적으로 조작하여 이 상태를 어느 정도 견디는 가를 측정하는 마모 내구성 시험이다. 이는 제품의 사용 중에 발생 할 수 있는 최악의 조건 을 가정하여 표 2의 시저(seizure) 테스트 ML기준표에서 단계 6에서 2,300rpm, 200kgf 하중의 무윤활 상태에서 7분 이상 가동되어야 기준을 통과하는 것으로 설정되어 있다.

RL시험은 정상적 운전 상태에서 외부의 충격 또는 다른 요인에 의해 비정상적인 하중을 받을 경우 얼마만한 하중을 견딜 수 있는 가의 여부를 결정하는 내하중 시험이다. 표 3의 시저(seizure) 시험 RL기준표에서 단계 1에서 단계 3까지는 정상적인 운전 상태이고 단계 4에서는 정상적 운전상태(1000rpm, 윤활유 공급상태)를 유지하면서 45kgf 하중에서부터 계속 하중을 증가시키는 시험으로 1,300kgf이상을 견딜 수 있어야 기준을 통과하는 것으로 규정 되어있다.

표 2.

단계	단계별 시험 환경				누적시간(초)
단계	rpm	하중(kgf)	시간(초)	윤활유공급
1	100	45	30		30
2	1,300	45	60		60
3	1,300	200	90		150
4	1,300	200	480		630
5	2,300	200	150		780
6	2,300	200	1,200	x

표 3.

단계	단계별 시험 환경
단계	rpm	하중(kgf)	시간(초)	윤활유공급
1	100	45	30
2	1,000	45	60
3	1,000	45	480
4	1,000	1850	1,200

표 1에서 보고 알 수 있는 바와 같이 실시예 1∼7의 조건에서는 ML 및 RL의 시험 기준을 모두 통과하는 것을 알 수 있다. 즉 윤활부재 액상도료의 고형분이 20∼26중량%, 점도가 30∼40cP인 범위에서 상기한 액상도료 조성물의 범위 내에서 모든 시험 기준을 만족하는 것을 알 수 있다. 그러나 고형분 농도 및 점도가 상기한 범위를 벗어나는 구성비에서는 시험규격을 만족하지 못하는 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서 철계 혹은 알루미늄계 사판의 표면 코팅용 접동부재 액상도료 조성은 바인더, 고체윤활제, 기타 첨가제 및 용제의 구성비가 매우 협소한 범위 내에서 조정되어야 규격에 적합한 제품을 생산 할 수 있음을 알 수 있다.

Claims

고형분 20∼40중량%와 용제 60∼80중량%로 구성된 슬러리의 점도가 30∼36 cP인 액상도료 조성물의 고형분과 용제를 포함하는 각각의 성분에 대한 구성비는 전체 조성물에 대한 중량비로 PAI 10∼30중량%, 고체윤활제(PTFE) 5∼15중량%이며, 금속산화물(예: Al₂O₃), 카본블랙 및 실란카플링제는 각각 5중량%이하, 용제인 NMP 20∼40중량%, 크실렌 및 DMAC는 5∼20중량%, MEK 10∼30중량%이며, PTFE의 입도는 0.2∼1.0㎛인 것을 사용하고, 금속산화물인 알루미나와 카본블랙은 평균입경이 약 2㎛이하인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 사판식 압축기의 사판용 윤활부재 액상도료 조성물.
청구항 1에 있어서,
용매인 NMP, 크실렌, DMAC, 및 MEK의 상호 혼합비율은 각각 40∼50중량%, 10∼15중량%, 2∼7중량%, 및 25∼40중량% 범위인 것을 특징으로 하는 사판식 압축기의 사판용 윤활부재 액상도료 조성물.
청구항 1에 있어서,
실란카플링제는 아미노페닐트리메톡시실란{aminophenyltrimethoxysilane, C₉H₁₅NO₃Si}, 아미노에틸아미노프로필특리메톡시실란{N-(2-aminoethyl)-3- aminopropyl trimethoxysilane, C₈H₂₂N₂O₃Si}, 트리에톡실프로필아민{bis(triethoxypropyl)amine, C₁₈H₄₃NO₆Si₂}, 크로로메틸페닐에틸트리메톡시실란{chloromethyl)phenylethyl trimethoxysilane, C₁₂H₁₉ClO₃Si}, 플라디늄디비닐테트라메틸디실록산{Pt(0)-1,3- divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane} 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 사판식 압축기의 사판용 윤활부재 액상도료 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 고체윤활제(PTFE)에는 Pt-sil(백금 실란)이 더 첨가되며, 조성물에 대한 중량비로 Pt-sil 0.5∼2.5중량%인 것을 특징으로 하는 사판식 압축기의 사판용 윤활부재 액상도료 조성물.