KR20160134384A - 열린 공간에서 직접 도장 가능한 고분자소재, 그 제조방법, 상기 고분자소재의 도장장치 및 도장방법 - Google Patents

열린 공간에서 직접 도장 가능한 고분자소재, 그 제조방법, 상기 고분자소재의 도장장치 및 도장방법 Download PDF

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Abstract

열린 공간에서 직접 도장 가능한 고분자소재, 상기 고분자소재의 도장장치 및 도장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다른 첨가제 없이 기능성 고분자 수지만을 사용하여 피도체의 표면을 직접 도장할 수 있는 고분자소재 및 이를 이용하여 도장하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 솔벤트 용제 등을 첨가하지 아니함으로써 경화 과정에서 솔벤트 용제의 증발로 인한 도막의 부식이나 박리 현상을 방지할 수 있으며 이로 인해 도막의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

Description

열린 공간에서 직접 도장 가능한 고분자소재, 그 제조방법, 상기 고분자소재의 도장장치 및 도장방법{Directly paintable polymer material in open system, manufacturing method thereof, painting device of the polymer material and painting method}
열린 공간에서 직접 도장 가능한 고분자소재, 상기 고분자소재의 도장장치 및 도장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다른 첨가제 없이 기능성 고분자 수지만을 사용하여 피도체의 표면을 직접 도장할 수 있는 고분자소재, 그 제조방법 및 이를 이용하여 도장하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 도료라 함은 페인트나 에나멜 같이 고체 물질의 표면에 칠하여 주로 고체막의 형태인 얇은 피막이 덧 씌워 지는 것으로 물체의 표면을 보호하거나 아름답게 하는 유동성 물질을 총칭한다.
종래로부터 유동성 도료의 도장 방법으로 분체도장, 특히 정전 분체 도장(electrostatic powder coating) 이 많이 사용되어져 왔다.
정전 분체 도장은 정전 인력에 의해 피도장물이 흡인되어 가열 용해됨으로써 도막을 만드는 방법이다. 이는 모양이 복잡하거나 넓은 면적에 고르게 칠할 수 있는 방법으로서, 피도장물엔 양극을, 도료의 분무 장치에는 음극을 걸어 분사되는 도료 입자에 음 정전기를 띠게 하여 도장하는 것이다.
그러나 이러한 정전분체 도장의 경우 도장 단가가 매우 높고, 색 변환이 곤란하며, 도막이 두꺼워 박막화가 어렵다. 또한 챔버와 같은 장치설비 내에서만 이루어져야 하며 열린 공간에서 사용이 불가능하다는 문제가 있다.
또한 미세한 분말일수록 정전효과가 떨어지며, 유동 효과를 갖도록 하기 위해 가교제, 가소제, 유연제, 분산제, 희석제 및 소프트너 등의 부가물을 혼용하여 사용해야 하는 문제가 있었다.
이러한 정전 분체도장 외에 영동 침적법이 사용되었다.
영동침적법은 다공성의 선반을 넣은 수조의 상단에 분체를 넣어 밑에서 부터 공기를 불어 넣으면, 분체가 공중으로 현탁(emulsion)시킨 후 내부에 예열한 피도장물을 넣어 표면에 액체를 융착시켜 도막을 만드는 방법이다.
이러한 영동침적법의 경우에도 수조 내에서 에멀젼 공법을 시행하는 유동성에 의지하며, 역시 챔버 내의 닫힌 공간에서 도장작업이 이루어지며, 솔벤트 용제나 가소제 및 유연제 등의 첨가물을 혼용하여 사용하였다.
이러한 종래의 분체도장 방법의 경우 도장 작업을 할 때는 도료를 배합하여 겔(gel) 형태의 유동 상태이고, 도장 작업 후에는 빠른 속도로 건조 경화되는 과정을 거친다.
도 1은 종래의 분체도장 과정을 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면 ①과 같이 건조단계에서 조요소(30)로 첨가된 휘발성 용제가 증발하면서 도막 내에 공극(pore)을 형성하고 이로 인해 대기 중의 가스 및 수분이 투과되면서 피도체의 부식 및 박리 현상이 발생하게 된다.
한편, 경화과정 중에는 ② 및 ③과 같이 부요소 또는 조요소로 첨가되었던 건조 경화제 또는 가교제의 경화가 진행되면서 분자간 응력의 불균일로 인해 화학적 충격(chemical stress creep)에 취약성을 드러내게 된다. 또한 ④에서와 같이 피도체와 도막 사이에서 이종 물질간의 수축율의 차이로 인한 박리현상이 가속된다.
도 2는 종래의 분체도장에 따른 물성저하 요인을 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)는 이종물질의 수축과 팽창의 차이로 인한 박리 현상을 나타내는 것이고, (b)는 이종물질의 수축과 팽창의 차이로 인한 뒤틀림 현상을 나타내는 것이고, (c)는 두께의 차이로 인한 수축 팽창의 차이를 나타내는 것이며, (d)는 솔벤트 용제 등에 의한 고분자 매트릭스 내에서의 응력의 불균일로 인한 뒤틀림과 박리 및 부스러짐 현상을 나타내는 도면이다.
이와 같이 겔 상태에서 도장을 하고 건조 경화 과정을 거치는 경우 경화 과정에서 솔벤트 용제 등이 증발하면서 도막 내에서 분자 단위의 공극(pore)을 형성하게 된다. 이로 인해 대기 환경에서의 가스 및 수분 등이 피막내로 투과되면서 피도체의 부식 및 박리 현상을 유발하게 된다.
도 2에 도시된 박리, 뒤틀림 및 부스러짐 등의 현상은 종래의 분체도장방법에서, 원료 분사, 건조 및 경화의 단계를 거치면서 일어나는 일반적인 문제였으며, 기존의 분체도장에서의 도막과 피도장물 사이의 결합력인 반데르발스 결합력만으로는 이러한 현상을 방지하기에 어려움이 있었다.
고분자를 유동성을 부여하지 않고 직접적으로 피막을 형성하게 하는 것은 매우 어려운 일이다. 더우기, 일반적인 플라스틱을 가공하거나 이용하고자 할 때에는 필수적으로 열에너지에 의하여 용융지수(Melt Index Flow)가 충분히 반영 될 수 있도록 열을 가하여야 하며, 도포하는 현장 (열린계)에서 적용하기 위해서는 매우 빠른 속도로 고분자 미세표면을 통하여 열에너지를 축척 시켜야만 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 표면적을 넓혀 열을 축척시키기 위하여 고분자를 더욱더 미세하게 만들 필요가 있으나, 고분자가 미세하게 될수록 정전기적인 반발력을 통제하기가 어려워지며, 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 휘발성 또는 유동성의 첨가제를 혼용하지 않으면서 열린 공간에서 피도장물에 직접 도장할 수 있는 고분자소재와, 상기 고분자소재를 도장하는 도장장치 및 도장 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 열린 공간에서 직접 도장이 가능한 고분자소재는, 기저폴리머와 보조폴리머의 공중합에 의해 제조되며, 피도체의 표면에 분사되는 경우 열에너지 감소에 의한 확산접합에 의해 상기 피도체의 표면에 직접 도포되어 도막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장장치는, 공기를 압축하여 전달하는 압축기; 상기 압축기로부터 전달된 공기를 예열시키는 히터; 확산접합에 의해 상기 피도체의 표면에 직접 도포되어 도막을 형성하는 상기 고분자 소재를 저장하는 원료저장부; 및 상기 원료저장부에서 전달된 상기 고분자 소재를 상기 피도체에 분사하는 스프레이 건을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장장치는, 상기 고분자 소재가 전달될 수 있는 공기 압력을 제공하는 에어펌프; 확산접합에 의해 상기 피도체의 표면에 직접 도포되어 도막을 형성하는 상기 고분자 소재를 저장하는 원료통; 상기 고분자 소재에 열에너지를 공급하는데 사용되는 연소가스부; 및 상기 원료통에서 전달된 상기 고분자 소재를 상기 피도체에 분사하는 스프레이 건을 포함하며, 휴대가 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장방법은, 기저폴리머와 보조폴리머를 공중합하여 미세 분말 형태의 고분자 소재를 제조하는 단계; 열에너지를 공급하여 상기 고분자 소재를 용융상태로 만드는 단계; 및 용융상태의 상기 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열린 공간에서 직접 도장이 가능한 고분자소재에 의하면 솔벤트 용제 등을 첨가하지 아니함으로써 경화 과정에서 솔벤트 용제의 증발로 인한 도막의 부식이나 박리 현상을 방지할 수 있으며 이로 인해 도막의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
또한 휘발성 용제를 사용하지 않으므로 화재나 중독의 위험이 없으며 챔버 내부와 같이 닫힌 공간이 아닌 열린 공간에서 자유롭게 도장할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 도막과 피도장물 사이의 결합이 기존의 도료에서와 같은 반데르발스 결합이 아닌 공유치환 결합에 의한 강한 결합이므로 내구성을 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 분체도장 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 분체도장에 따른 물성저하 요인을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도장장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 고분자파우더로 이루어진 분체원료를 열에 의하여 용융시켜 분사하는 것을 나타낸 것이다.
도 5는 고분자파우더로 이루어진 분체원료를 열에 의하여 용융시켜 분사할 때 분체원료의 분자운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명과 대비하여 설명하기 위한 종래의 분체 용융장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 종래기술과 대비하여 본 발명의 에너지 관련 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치에 있어서, 고분자소재, 공기 및 에너지의 공급 등 장치내의 전체적인 흐름을 간략히 도식화 한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치의 원료저장부 내부를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치의 스프레이 건의 노즐 부분을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서는 부요소나 조요소를 형성하는 첨가제나 유동제 등을 사용하지 않고 기능성의 고분자 수지만을 사용함으로써 분사 후 건조 및 경화 과정 없이 바로 열에너지의 감소, 즉 엔탈피 감소에 의한 고분자 숙성에 의해 도막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
종래의 분체 도료와 달리 부요소 및 조요소를 사용하지 않으므로 조요소의 증발로 인한 공극과, 그로 인한 매트릭스 구조의 응력의 불균일이 발생하지 않으며 고분자소재 자체의 응력범위 내에서 수축과 팽창으로 인한 특성이 발휘된다.
또한 도막과 피도장물 사이의 결합이 정전기적인 힘, 즉 반데르 발스 결합력에만 의지하는 것이 아니라 열 및 운동에너지의 증가로 인한 금속표면에서의 침투와, 금속표면에서의 자유전자와 고분자 소재의 메인사슬의 수소입자와의 치환공유결합에 의한 강한 결합력으로 인해 도막의 내구성이 향상된다.
본 발명에서는 고분자 소재를 유동성 첨가물이나 부가제 없이 직접적으로 피도체에 도막을 형성하기 위하여 두 가지 메카니즘을 고려하였다.
하나는 분사되는 노즐로부터 피도체까지 매우 짧은 거리 동안에 발생하는 열린계에서의 열전달 메카니즘이며, 다른 하나는 고분자소재가 피도체에 결합되기 위한 물리화학적 결합 메카니즘이다.
본 발명에서 열린계에서의 열전달 메카니즘을 고려해야 하는 이유는 고분자를 분말화하여 피도체 표면에 도막을 형성하기까지의 열전달 과정 및 관련 인자(factor)를 파악하여 이에 적합한 고분자소재를 개발하고 그에 따른 도장장치 및 도장방법을 개발하기 위함이다.
도 3은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도장장치의 구성을 나타내는 도면이며, 그 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
도 4는 고분자파우더로 이루어진 분체원료를 열에 의하여 용융시켜 분사하는 것을 나타낸 것이다. 분사장치의 노즐부터 도막하고자 하는 피사체 표면까지의 거리는 통상적인 작업환경을 고려하면, 10~50cm 이다.
고분자형태의 도료가 충분히 용융되어 피사체에서 피막으로 도포되기까지 스프레이건의 출구로부터 피사체 표면까지의 메카니즘을 해석해야만, (1) 예열된 공기의 양과 속도 및 예열정도 (2) 공기와 혼합 된 원재료의 용융점 및 용융시간 (3)부족한 열량(용융에너지)을 보조하기 위한 연소가스의 양과 속도, 그리고 에너지양을 계산하여 장치를 설계하고, 각 도료 현장에 맞게 조절하여 사용할 수 있다.
20 ~ 100㎛ 범위의 입자 사이즈를 갖는 분말 형태의 치환 접착성 또는 반데르발스 접착성을 가진 고분자가 (a)지점으로부터 분사되어 10~50cm의 거리를 이동하는 동안에 충분히 용융(melting)되어 피막을 형성할 수 있을 때까지의 필요한 열에너지의 양을 계산할 수 있다.
이러한 계산은 일반적으로 적용되는 인자(factor)와 고분자형태의 도료 원료 중 가장 일반적으로 사용되는 올레핀(olefine)계 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 또는 저밀도폴리에틸렌(LDPE)을 기준으로 하고, 연소가스 중 가장 대중적인 액화프로판가스(Liquefied propane gas:LPG)를 적용하여 (a)지점부터 (b) 지점까지의 용융 메카니즘을 토대로 산출할 수 있다.
이때 용융 대상인 고분자 파우더를 반데르발스 접착의 형태 또는 치환공유(ion-covalent) 접착의 형태 중 어느 것으로 할 것인지는 첨가제의 개질에 의한 것으로, 고분자 도료를 형성하는 기저물질(base polymer)의 용융점 도달 및 흐름성에는 거의 영향을 주지 못하므로, 기저폴리머가 충분히 용해될 때까지의 총괄열에너지의 양만을 고려하면 된다.
일반적으로 적용되는 열린계에서의 에너지 변화 W0 - W2 = W1 에 영향을 미치는 관계식은 보일 샤를의 법칙(PV = nRT)과 유체에 관여하는 베르누이의 법칙(1/2ρv2 + P + ρgh = 상수) 이다.
그러므로 영향을 미치는 인자(factor) 는 유체의 밀도(ρ), 중력가속도(g), 높이(h), 유체의 속도(v), 온도(T) 및 압력(P)이다.
(a)로부터 (b) 까지의 구간에서의 정상 상태인 열린계에서의 에너지 변화(W0 - W2 = W1 )는 다음 식이 적용된다. 이것은 열역학 제1법칙에서 유도되는 방정식의 형태는 스칼라(scalar)이다.
W = Ws + Wf … (식1)
여기서 Ws 는 (a)에서 (b) 방향의 축일로서 주로 열린계에 존재하는 저항으로 작용하며, Wf 는 (a)에서 (b) 방향의 흐름일로서 주로 열린계에 존재하는 에너지흐름의 변화를 말한다.
Figure pat00001
스프레이 노즐로부터 압력 Pin (N/m2) 인 유체가 Vin(m3/s) 속도로 분사된다. 여기서는 Pin 및 Vin은 도 3의 (1)지점에서의 튜브(tube)를 통과한 예열된 공기의 속도, 압력, 밀도, (2)지점에서의 튜브(tube)를 통과한 원료입자와 공기의 속도, 압력, 밀도, (3)지점에서의 연소가스의 속도, 압력, 밀도를 합한 것이다.
즉,
Pin(N/m2) = P(1) + P(2) + P(3)
Vin(m3/s) = V(1) + V(2) + V(3) 이고,
Vout(m3/s) = 혼합유체의 표면 도달시의 속도
Pout(N/m2) = 혼합유체의 표면 도달시의 압력이다.
이때 도체 표면에 미치는 압력 또는 용융된 수지의 평활도, 도체표면의 나노단위의 표면 침투를 결정할 때 필요한 도달 압력 등을 고려하여야 한다.
Figure pat00002
로 정리 될 수 있다.
한편, 도막을 형성할 고분자입자가 (a)에서 (b) 방향으로 이동하면서 일어나는 열린계에서의 메커니즘은 에너지 발란스에 영향을 미치는 유체의 속도, 압력, 밀도의 물리적 인자 및 그 구간 내에서 일어나는 에너지의 전이가 매우 중요한 요소가 된다.
따라서 그러한 인자를 반영하는 아래의 퓨리에(Fourier) 관계식을 추가로 적용하는 것이 바람직하다.
Figure pat00003

여기서, dT/dx는 K/m 또는 ℉/ft 로 나타나는 x방향의 온도구배, 즉, x 방향의 열전달 속도를 나타내며, A는 열 흐름에 대한 수직 단면적을 나타낸다.
도 5는 고분자파우더로 이루어진 분체원료를 열에 의하여 용융시켜 분사할 때 분체원료의 분자운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 고분자 분체 입자가 (a)로부터 (b)까지 이동하는 동안에 받게 되는 전도에 의한 열전달은 입자의 크기가 미세하면 미세할수록 브라운 입자 행동을 보이며 이러한 입자 행동에서의 "입자의 대상부피"에 대한 열전달 메커니즘을 고려할 수 있다.
다음으로 고분자 분체 입자의 대상부피에서의 열전달을 고려하면 다음과 같다
이때 에너지전달은 대상 부피의 표면이 미분되어진 단위 분자에 의해서 일어나므로 정상상태의 열린계에서의 에너지변화 식을 적용할 수 있다.
이 대상부피(분체입자)의 윗면에서 일어나는 물질전달은 단지 분자크기에 의한 것이며 이러한 경우는 (a)로부터 (b)까지 이동하는 유체이동의 층류 흐름에서 볼 수 있다. 따라서 정상상태의 에너지변화에서의 (나)의 (식1)을 적용하여 요소 윗면에서의 전달만을 고려할 수 있다.
Figure pat00004
단위시간당
Figure pat00005
면을 통과하는 z분자의 경우 위의 식은 아래와 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00006
이때 mn 은 분자당 질량, cp 는 기체의 분자열용량, Z는 분자가
Figure pat00007
면을 통과하는 빈도수, ( T|y- - T|y+)는 관찰된 단면의 약간 아래와 약간 위의 입자의 온도를 각각 나타낸다. 오른쪽 항은 대상표면을 가로지르는 분자(입자의 미분구간)에 대한 에너지 전달량의 합이다.
여기서 T|y- 는
Figure pat00008
이며,
Figure pat00009
도 같은 꼴로 나타 낼 수 있으므로, 아래와 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure pat00010
여기서, δ는 충돌거리의 y성분을 나타낸다.
충돌거리 δ는 분자의 평균자유거리 λ와 δ= 2/3 λ의 상관관계가 있다. 충돌 거리에 대해 분자의 평균자유거리 λ를 적용하고 Z 분자에 대한 합을 나타내면 아래와 같이 된다.
Figure pat00011
이를 다시 정리하면 열전도도 k는 다음과 같다.
Figure pat00012
기체의 운동에너지의 결과로부터
Figure pat00013
이며, 여기서
Figure pat00014
는 임의의 평균분자속도로서,
Figure pat00015
로 나타낼 수 있으며,
Figure pat00016
(d는 입자의 지름)로 된다.
여기서,
Figure pat00017
이므로, 열전도도 k는 결과적으로 다음과 같이 된다.
Figure pat00018
즉, 열린계에서 이동하는 미세한 입자의 열전도도는 압력과 무관하며, 절대온도의 제곱근에 비례한다.
이상에서는 (a)로부터 (b) 사이의 구간을 고분자 미세 입자가 이동할 때 일어나는 열전달 메커니즘을 열린계의 열 변화를 통하여 정리하면서 각 에너지 변화에 어떠한 인자들이 영향을 미치는지를 살펴보았다.
이는 고분자 수지를 미세한 분말로 만들어 열을 이용하여 분사하여 도료와 같은 목적으로 사용할 경우, 그 분체도료를 적용할 base polymer를 선택(분자량, 밀도, 입자의 크기)할 때, 어떤 영향을 미치는지를 파악할 수 있으며, 장치를 설계함에 있어서, 주입할 에너지의 양과 연소온도, 유속비율 및 분사량 등을 고려할 때 매우 중요하다.
또한, 정전기에 의한 분체 도장, 수지 용융에 의한 수지 분체도장 등과 같이 기존의 공장내부에 설치된 복잡한 장치에 의하여 가능했던 작업을 도장에 필요한 중요한 인자만을 선택하여 외부의 현장에서 직접 적용할 수 있는 간편한 고분자 분체도장 장치를 제작할 수 있다.
이러한 열린계에 미치는 모든 인자에 대한 메커니즘을 정리하면, 기계 장치에 적용 시에 각각의 작동 요소 및 적용하고자 하는 고분자의 선택에 따라, 또는 작업환경에 필요한 도료의 종류에 따라 장치를 달리 설계할 수 있다.
이는 (a)로부터 (b) 사이의 구간의 일과 열의 총에너지 전달은 정상상태인 경우 기존의 각 유동 기체의 열량 속도식에 단순 비례하여 간단히 구해질 수 있기 때문이다.
그리하여, 운반이 용이하고 휴대 및 작업이 간편한 간단한 장치를 고안하는 것이 가능해진다. 또한 장치 내에 적용하려고 하는 각종 인자들, 즉, 예열된 공기의 온도, 히터의 용량, 고분자 입자의 크기, 형태, 용융점 더 나아가 고분자 입자의 분자량 결정, 연소가스의 연소에너지 총량 및 각 튜브(tube)의 크기와 이동하는 모든 유체의 속도, 압력 등을 결정하고 조절할 수 있게 된다.
이로써, 스프레이 노즐로 부터 10 내지 50cm의 거리를 이동하는 짧은 시간 동안, 마이크로 크기의 파우더 입자가 피도체의 표면에 도달할 때까지와 피막을 형성하여 도료의 기능을 완전히 구현할 때까지의 열전달 메커니즘을 규명하였다. 이를 통해, 그간 대형 챔버 또는 플랜트 내에서 진행되었던, 분체도료를 효과적이고 간편하게 도포하고자 하는 현장(OUT DOOR)에서 바로 휴대용처럼 간편하게 적용할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명과 대비하여 설명하기 위한 종래의 분체 용융장치의 구조를 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 종래의 분체 용융장치를 본 발명과 비교하기 위하여 본 발명에서 개발된 메커니즘으로 열전달 경로를 해석해 보았다.
고분자 분체도료(Base polymer : HDPE, Melt Flow Index : 10 g/10min at 190℃/2,16kg, density : 0.954)의 수지가 20cm의 짧은 거리를 매우 빠른 속도로 이동하면서 충분히 용융되어 피도체 표면에 도막을 형성하기 위해서는 이동하는 매우 짧은 시간 내에, 고분자 파우더 입자가 약 250℃~ 190℃까지 가열되어야 한다.
이 과정에서는 고르고 일정한 두께의 도막을 형성하기 위하여 닫혀진 챔버 안에서 이루어지는 인도어(indoor) 공정을 통해 분체를 피도체에 붙이는 정전기를 이용한 방법 등이 이용되어진다.
이러한 과정을 본 발명과 비교하기 위하여 동일한 원재료를 사용하고, 단위환산을 일치하고, 본 발명에서 정리되어진 동일한 프로세스의 메커니즘에 따라 해석하였다.
분사 압력은 P in = 2 kgf/cm2(상온 air 압력 Pair = 1.4 kgf/cm2 와, 원료분사와 상온air 압력 P air+원료 =0.3 kgf/cm2 와, 연소가스 압력 P combustion gas = 0.3kgf/cm2의 합)로 하고, 공급하는 가스의 연소온도는 T0 = 2700℃ 로 하였다.
이때 연소가스는 일반적으로 전기에너지 혹은 O2+LPG 혹은 O2+아세틸렌가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있다. 한편, 고분자 분체 도료는 평균100㎛의 크기를 갖는 입자를 사용하였다.
기존의 정전도장에 의한 분체도장은 (a)로부터 (b) 사이의 구간의 일의 총량 에너지 변화로 나타낼 수 있다. 이 구간 동안에 고분자 파우더 입자는 용융에 충분한 온도(HDPE 인 경우 (b)지점에서 250℃)에 도달하여 적합한 용융상태의 점도를 보유한다.
이것을 챔버와 같이 닫힌계가 아닌 현장에 적용하기 위하여, 본 발명에서 정리된 메커니즘 식에서 언급된 에너지 총량변화가 같아지도록 적용하면 다음과 같다.
우선 고분자 파우더 입자는 동일한 HDPE 고분자로 하되(Base polymer : HDPE, Melt Flow Index : 10 g/10min at 190℃/2,16kg density 0.954), 본 발명에서는 별도로 단위 입자의 크기를 30㎛로 하였다.
전체 압력은 Pin = 2 kgf/cm2으로 동일하며, 튜브(tube) 규격, 공급할 공기 또는 원료 공급 튜브의 규격 역시 동일하게 하였다.
결국 도료의 기능으로 도포되어지는 개질된 고분자에 축적되어지는 (예열되어지는 열에너지의 양 = T2가 250℃에 도달) 정상상태의 열린계에 대한 에너지 밸런스(Engery Balances on Open System at steady state)가 같아지도록 하면 된다.
단위면적당 주입된 에너지의 총양으로 표현되는 총에너지변화는 W0 + W1 + w2 = Wf 이며, 이때 Wf 값은 저항이 없을 경우 0이고, 저항이 존재할 경우 그 값은 Ws로 된다.
또한 W=PV에서, 분사되는 장치는 동일하게 설정하였으므로, 동일한 유체 압력에서는 총에너지 변화는 속도의 비로 산정되어 질 수 있다
도 6에서 정상상태의 총괄 열변화를 정리하면 다음과 같다
W0 + W1 + W2 = { 1.4Px (+ 275K] } + {0.3P x [-1500K] } + {0.3P x [+205K] } = - 3.5K*P
즉, 분사노즐의 불꽃에 의한 에너지는 동시에 공급된 원료와 공급된 공기 등을 가열하거나 구간 내에서 Ws =-3.5K*P에 대한 저항을 받아 소모 되었다.
도 7은 도 6의 종래기술과 대비하여 본 발명의 에너지 관련 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에서 설명한 내용을 도 7에 도시된 본 발명에 따른 도장장치에 적용하면 다음과 같다.
도 7의 (1) 지점의 예열 하고자 하는 공기의 온도, 공기의 압력, (3)지점의 연소가스의 연소용량, 연소가스 및 Base polymer가 충분히 용융 되었을 때의 용융지수(melt flow index) 및 점도 등의 조건을 기존의 장치에서의 조건과 동일하게 하였고 입자의 크기를 100 ㎛에서 30㎛로 축소하였다.
Pin(N/m2) = P(1), heated air + P(2), micro polymer/room temperature air + P(3), combustion gas = 1.4 kgf/cm2 + 0.3 kgf/cm2 + 0.3 kgf/cm2 로 배분하면 이는 2 kgf/cm2 로서 기존 분체도장 압력과 같아진다.
본 발명에 따른 도장장치에서의 총괄 열변화는 다음의 식과 같이 기존의 닫힌 챔버에서의 총괄 열변화와 같아야 한다.
-3.5K*P = {(300-X)K x 1.4P } + {205K x 0.3P } + {-600K x 0.3P }
수식을 정리하면 X = 212 ℃이다.
즉, 공급하는 공기의 온도를 212℃ 만큼 예열하면, 일반적인 LPG 가스만으로도 대규모 장치 산업의 챔버와 같은 분체 도장 효과를 낼 수 있게 된다.
더우기 본 발명에서는 입자의 크기를 작게 하여 실험하였음을 고려할 때 입자의 크기에 따른 비율인 30% 정도의 예열 온도, 즉, 약 64℃ ~ 70℃ 예열만으로도 닫힌 챔버에서와 같은 분체 도장 효과를 내는 것이 가능하게 된다. 즉, 가장 일반적으로 구할 수 있는 LPG 가스를 사용하여 현장에서 충분히 실현 가능한 예열 방법을 통해 종래의 분체도장의 효과를 낼 수 있다.
한편, 본 발명에서 적용된 물리화학적 결합 메카니즘은 금속표면에서의 이온치환반응, 산염기 상호작용 및 가역반응, 금속표면의 엔탈피와 에너지에 의한 팽창 및 자유전자의 결합, 그리고 고분자의 표면장력을 들 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 적용된 물리화학적 결합 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 있어서 종래의 분체 도료와 구별되는 물리화학적 특성은 정전기적 흡착 및 도포과정이 필요 없다는 것이다. 즉, 도막은 이동 중인 상태에서 부드럽게 입자가 피도체에 높은 속도로 충돌하면서 확산 접합되며, 차가운 표면을 강타하고, 무정형의 입자가 평평하고 작은 고분자단량체를 이룬 구형의 구조로 침투하여 급속한 응고로 인한 층상 그레인 구조를 형성하면서 확산접합 된다.
도 8은 확산접합과정에서의 층상 그레인 구조 및 이온 치환에 의한 공유결합을 나타내는 도면이고, 도 9는 피막과 피도체 계면에서의 전이층을 나타내는 도면이다.
한편, 도 10은 금속표면에서의 산염기 상호작용에 의한 치환반응을 설명하기 위한 도면이다.
즉, 본 발명에 따른 고분자 소재를 이용하여 피도체에 도막을 형성하는 과정에서 확산접합과 금속표면의 팽창, 수축 및 이온교환, 화학 물리적 결합 메카니즘, 산화물 이온치환, 냉각에 따른 엔탈피감소 및 비균질 결합 매트릭스 구성 등의 복잡한 과정이 일어나게 된다.
비균질 결합 매트릭스 구성이란 이온치환 과정에 대한 산물이다. 이온치환은 이온화된 상태로 기판의 표면에 가까운 영역으로 주입하는 과정이다. 이온 운동에너지가 피도체의 결합에너지보다 크면 충격시 표면과 전이층을 형성하고 냉각되어 바로 엔탈피가 안정되면서 공유결합 상태를 유지하게 된다.
아래의 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 이러한 물리화학적 결합 메카니즘에 의하면 기존의 도료에 비해 수백 배 강한 결합력 및 지속적인 박리강도를 유지할 수 있게 된다.
<표 1> 결합에 따른 결합에너[kJ/mol]
Figure pat00019

확산접합과정은 고분자 파우더를 분사 할 때 에너지에 의해서 용해되면서 무정질의 아모포스(amorphous) 상태로 진행되며 화학작용은 산화 특히 분사하는 동안 발생한다. 기본 폴리머를 산염기 반응이 일어 날 수 있도록 그라프팅 중합한 후의 금속표면에서의 금속과 산염기의 상호작용에 의해 진행된다. 이러한 반응은 철, 마그네슘, 알루미늄, 구리 및 가역 반응이 일어날 수 있는 아스팔트 혹은 셀룰로우스를 함유한 목재 표면에서도 가능하므로, 전통적인 도료와 같이 도포가 가능해졌다.
또한 특히 금속표면과 같은 피도체에서는 열 및 에너지 증가로 표면에서의 자유전자가 활성화되어, 이온 공유 결합을 동시에 수반하게 된다. 이 과정에서 자유전자가 팽창된 미세표면으로 파고들어 표면적이 극대화 될 뿐만 아니라 수축 되면 고분자 숙성을 통해 빠른 속도로 냉각되면서 안정화된 엔탈피를 갖는 공유 결합 상태로 안정화 된다.
본 발명에서 피도체에 형성되는 피막의 결합력의 증가를 위해 고려된 요소 중의 하나는 고분자 파우더가 고체 상태에서 용융되면서 발생하는 표면장력이다.
폴리머가 고체 상태에서나 용융되어 점성을 가졌을 경우에나 표면장력이 생기는 것은 당연한 것이다. 이는 아래의 표 2에서와 같이 포우커스 이론에 의해 정리된 것으로 본 발명의 진행 공정 중에 결합력의 증가로 인해 당연히 발생하게 된다.
<표 2> 고분자 고체의 표면장력[mN/M, 20℃]
Figure pat00020

본 발명의 고분자 소재와 도장 장치에서 일어나는 물리화학적 결합 메카니즘은 금속표면에서의 이온치환반응, 산염기 상호작용 및 가역반응, 금속 표면의 엔탈피와 에너지에 의한 팽창과 자유전자의 결합 및 고분자의 표면장력으로 정리할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 고분자 소재를 직접적으로 도료로 사용하게 되면서, 피도체와의 결합력, 즉, 박리강도를 증가시키는 요인으로 고체상의 고분자 소재를 사용하고, 용융 및 숙성의 과정에서 종래의 도료 혹은 유동성 분체 도료에서 가지지 못했던 강한 결합력을 가지게 되었다.
즉, 본 발명에서는 위에서 살펴본 바와 같이 열린계에서의 열전달 메카니즘과 물리화학적 결합 메카니즘을 고려하여 열린 공간에서 피도체에 직접 도장이 가능한 고분자 소재와 그 고분자소재를 피도체에 직접 도포할 수 있는 도포장치 및 도포방법을 개발하였다.
먼저 본 발명에 따른 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재에 대해 설명하기로 한다.
피도체 표면위에 원하는 피막을 형성하기 위하여서는 그에 상응하는 소재가 개발되어야 하며 그 소재는 본 발명에 따른 열전달 메카니즘과 물리 화학적 결합 메카니즘에 적합해야 한다.
도료로서의 기능을 고려할 때 표면보호와 조색성, 내열성, 난연성, 고경도, 열전도성, 전기절연성, 열차단성, 내화학성, 내약품성, 내염해성 및 방수성 등의 특징을 고려하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재는 기저폴리머에 보조폴리머를 공중합하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고분자소재에 사용되는 기저폴리머는 물리화학적 결합 메카니즘(확산접합과정)을 만족시키고, 장치구조 및 열전달 메카니즘을 만족시키는 소재 중 일반적으로 경제적인 목적을 고려하여 채택되었다.
즉, 본 발명에 따른 고분자소재에 사용되는 기저폴리머로는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Casting PolyPropylene), 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene vinyl acetate), 폴리에틸렌 비닐 알코올(Poly ethylene vinyl alcohol), ABS수지, 폴리스티렌 아크릴 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리페닐설페이트수지, 스티렌수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, 테프론수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 공중합 시킨 것(co-polymerization)을 사용하였다.
한편, 상기 기저폴리머에 공중합되는 보조폴리머로는 염산, 말레익산, 초산 또는 황산을 포함하여 제조된 수지와, TEOS, 에탄옥사이드, 수산화마그네슘(MgOH2), 산화알루미늄(Al2OH3), 산화안티몬(Sb2O3)을 포함하여 제조된 수지 및 스틸렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber), 스티렌고무, 에틸렌고무, 에틸렌-스티렌 고무를 포함하는 수지 중 적어도 하나 이상을 선택하여 공중합 시킨 것(co-polymerization)을 사용하였다.
이때의 기저폴리머는 분자량 3만 이상의 밀도를 가지고, 190℃, 18.6Kg하중의 조건에서 용융지수가 5 g/min 이상인 것을 선택한다.
현장 상황에 따라서 도막을 입히고자 하는 피도체 혹은 주위 환경으로부터 내열성을 향상 시켜야 할 경우, 첫 번째는 연화점과 분자량이 높고, 흐름성이 높은 기저폴리머를 메인사슬로 하여 소재를 제조하거나, 두 번째 방법으로 무기 또는 유기계열의 첨가물을 포함하는 수지를 기존 메인사슬에 그라프팅 중합하거나 고분자 매트릭스내의 분자간 공극에 입자분산 시키는 방법이 있다.
흐름성이 높으면서 내열성이 좋은 수지는 부타디엔 함량이 높거나 알파메틸기를 가진 고분자 수지를 중합하여 만든 내열 ABS 수지, 폴리스타이렌 아크릴 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리페닐설페이트 수지, 크리스탈폴리에스터 수지, 내열 스타이렌 수지, 폴리아미드 수지(=나이론수지), 테프론 수지를 주사슬로 하여 사용하거나, 둘 이상을 선택하여 공중합하여 사용한다.
만일 유기계 혹은 무기계를 이용하여 내열도를 향상시키려면, CaCO3, CaSiO3, Talc, Si 혹은 SI-O2 계열, 석영 파우더, 수산화알루미늄, 수산화 마그네슘 등을 포함하는 수지를 사용하며, 기저 폴리머에 따라서 유기계로 메틸메타크릴레이트(Methylmetacrylate) 등을 사용할 수도 있다.
본 발명의 열전달 메카니즘을 만족시키기 위하여 함량비는 30 phrs 을 넘지 않는 것이 좋다.
피막을 입히고자하는 현장의 상황에 따라서 난연성(Flame retardant)이 요구되는 경우에는 기저폴리머 (Base polymer)에 실란계열 혹은 에탄옥사이드를 포함하는 수지를 사용하여 그라프팅 공중합하여 제조한다.
UL기준의 난연등급 V0 혹은 V1을 구현하기 위하여서는 본 발명에 언급된 기저폴리머 (Base polymer)에 실란계열 혹은 에탄옥사이드를 중량비 1~15%로 첨가하여 사용하며, 이때 난연 보조제로서 삼산화안티몬분말, 혹은 멜라민계 분말을 용도에 따라 보조제로 첨가하여 사용하며, 등급에 따라 함량비를 30phrs ~ 55phrs 범위에서 조절하여 사용한다.
비할로겐계 또는 비인계 난연 소재를 만들기 위해, 기저폴리머에 금속염계의 무기물인 수산화마그네슘(MgOH2) 수산화알루미늄(Al2OH3), 삼산화안티몬(Sb2O3) 중 하나 또는 둘 이상을 선택하여 기저 폴리머 대비 중량비 (wt ratio) 25~60 phrs (함량비로 22 ~ 57%)로 혼합하여, 150℃ 내지 250℃의 온도에서 저온 그라프팅 중합(Grafting polymerization)을 하여 제조한다.
이때, 첨가제는 분산을 증가시키고 산화를 방지하기 위하여, 1차제로 활제(내외부활제 : 외부 / PE 혹은 PP Wax, 내부 Zn-stearate, Ca-stearate, Zn/Ca-st , 등 금속염계 유기계 전부를 포함)를 기저 폴리머 대비 중량비 0.1~ 5%를 첨가하고, 2차 산화방지제로서 MgO, 1076, 1010등을 0.1 ~3%를 첨가하여 제조한 것을 사용한다.
추가로 유연성 개질이 필요한 경우에는 탄성(elastomer)을 가진, TPX 계열, 부타디엔고무, 스타이렌고무, 부타디엔-스타이렌 고무, 에틸렌고무, 에틸렌-스타이렌고무 중 하나 또는 둘 이상을 선택하여 기저폴리머 대비 중량비 2~10%를 혼합하여 개질한 것을 사용한다.
이때 상용화제로 실리콘오일(Synthetic silicone oil), 화이트오일, 미네랄오일 (석유계 파라핀오일:Petrochemical paraffine oil) 또는 폴리머 커플링 에이젼트를 사용한다.
사용하고자하는 목적 중에, 열전도성과 전기절연성을 부여하고자 하는 경우에는 기저 폴리머에 Fumed silica와 같은 Si 계열 무기물(SiO2, SiCO, 실리콘카바이드, White carbon), 알루미늄실리케이트 계열 또는 Talc를 포함하여 제조된 수지 중 하나 또는 둘 이상을 선택하여 함량비 5~30%의 비율로 첨가하거나 그라프팅화 하여 제조한다.
유기계열의 기저폴리머를 사용할 경우에는 폴리테레프탈레이트(PBT) 또는 폴리페닐렌, 폴리페닐설페이트 중 하나 또는 둘 이상을 선택하여 공중합한다. 이 경우 함량비 10%의 산화마그네슘, 나이트라이드 보론 등을 그라프팅 중합하여 제조한다.
사용하고자하는 목적 중에, 전기전도성을 부여하고자 하는 경우에는 기저 폴리머에, 카본나노튜브(CNT), 카본 그라파이트(C), 수산화알루미늄 (Al2OH3), 수산화마그네슘(MgOH2), 아이론 옥사이드, 금속염 및 금속분말(Au, Ag, Fe, Al, Mg,등)을 포함하여 제조된 수지 중에서 하나 혹은 둘 이상을 선택하여 중량비 0.1 ~3 PHRS, 또는 함량비 3~10%의 비율로 그라프팅 중합하여 제조한다.
액상이든 고체상이든 피도체 표면 위에 형성되어지는 피막의 경도나 도료의 표면 질감 등을 자유 자재로 조절하는 것은 상업적으로나 기능적으로나 매우 중요한 문제이다.
경도가 강할수록 내스크레치성에 영향을 미치게 되며, 인간이 접촉하는 도막에도 질감의 차이가 있게 된다. 또한 표면의 경도는 광택, 발수/친수 및 방수와도 관련이 있다.
더욱이 작업 환경에 따라 강렬한 태양광과 대기 중에 포함 되어 있는 가스에도 영향을 받으므로, 경도는 내후성 및 색감에도 심각한 영향을 미친다.
본 발명에 부합하는 도막의 경도를 상승시키는 소재의 개발은 강화시키려는 경도의 정도와 광택의 여부에 따라 미네랄 및 세라믹을 첨가하는 방법과 실란등과 결합시킨 세라믹폴리머를 합성하는 방법이 있다.
미네랄을 이용하여 제조하는 방법은 sub-micron 크기의 fumed silica, 함수규산마그네슘염(=통상 Talc), 바륨설페이트(BaSO4), 칼슘카보네이트(CaCO3), 홀라스토나이트(CaSiO3), 알루미늄실리케이트(=통상 mica), 마그네슘휘스커(MgSO4ㅇ5Mg(OH)2ㅇ3H2O) 또는 비취파우더를 포함하는 수지 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 0 ~10㎛의 크기로 가급적 구형의 형태로 가공한 후, 함량비 1~30%로 하여, 기저 폴리머에 그라프팅 중합하여 제조한다.
이때 기저 폴리머의 종류에 따라 실란 또는 커플링제를 소량(함량비 0.05~1%) 첨가하여 제조하는 것이 바람직하다.
목적에 따라 약간의 상대적 경도 상승만이 요구되는 경우에는 유기폴리머를 중합하여 사용하되, 기저폴리머 보다는 분자의 크기가 상대적으로 크고 경도가 높은 것을 선택하여 5PHR 미만을 선택하여 중합하여 사용하는 것이 바람직하다.
경도를 올리는데 있어, 표면장력에 대한 기저폴리머의 표면 정전기의 함유를 늘리거나 줄이거나에 따라, 경도 증가에 이어 부가적으로 현장에서 요구되어지는 기능적 목적에 따라 영구적 발수성과 친수성을 선택하여 제조 할 수도 있다.
내약품성 관련하여서는 기본적으로 대부분의 폴리머가 기존의 유동성 부요소 또는 조요소를 사용한 도료 보다는 강하다. 다만, 도막을 입히고자 하는 환경에 따라 산, 염기, 염해 및 공기 중의 아황산가스 배출 등을 고려하여, 기저폴리머의 특성에 따라 결정한다.
도막을 입히고자 하는 환경이 산성인 경우에는 포화 상태의 HDPE와 같은 올레핀 계열을 사용하고, 염기성인 경우에는 나이론과 같은 폴리아마이드 계열을 사용한다.
선택되어진 기저 폴리머를 추가로 미네랄 등을 중합하여 조금 더 내화학성 및 내약품성이 개선된 것을 제조하고자 하는 경우에는 구형의 알루미늄실리케이트, 황산바륨 등을 함량비 5~30%를 첨가하거나, 기저 폴리머에 따라, 폴리테트라플루오루 에틸렌 또는 폴리아마이드 66과 같은 내화학성이 뛰어난 폴리머를 함량비 3~10% 정도를 공중합하여 제조한다.
열차단성을 위해서는 기저 폴리머에, 발포율이 매우 적은 아민 계열의 저발포제를 소량(0.1~2%) 함유하여 분사 시에 버블을 형성하게 하는 방법이 있다. 하지만 이 경우에는 열 차단성은 좋으나 내구성이 떨어지는 경우가 있으므로 주어진 현장 조건에 따라 조절하여 사용한다.
미네랄 첨가제인 경우에는 구형의 알루미늄실리케이트, 구형의 SiO3 중에서 비중이 0.8 g/cc 이하로 제조 된 것을 하나 또는 둘 이상을 선택하여 기저폴리머와 그라프팅 중합하여 고분자 매트릭스 내에 지극히 미세한 공극(pore)을 형성한다.
이러한 발포제를 기저 폴리머에 함량비 10%를 넘지 않는 비율로 공중합하여 제조 한다. 이때 제조 공정 중에 완전한 분산 중합이 이루어져야 물성 저하를 줄이고 차단성을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재는 기저폴리머에 보조폴리머를 공중합한 혼합물에 다시 기저폴리머를 공중합 시킨후 과산화물을 포함하는 수지를 공중합시켜 제조하는 것을 특징으로 한다.
한편, 표면보호와 조색성, 내열성, 난연성, 고경도, 열전도성, 전기절연성, 열차단성, 내화학성, 내약품성, 내염해성 및 방수성 등의 특징을 고려하여 상기 고분자 소재에 첨가제를 공중합시켜 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 고분자소재에 사용되는 기저폴리머는 물리화학적 결합 메카니즘(확산접합과정)을 만족시키고, 장치구조 및 열전달 메카니즘을 만족시키는 소재 중 일반적으로 경제적인 목적을 고려하여 채택되었다.
즉, 본 발명에 따른 고분자소재에 사용되는 기저폴리머로는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Casting PolyPropylene), 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene vinyl acetate), 폴리에틸렌 비닐 알코올(Poly ethylene vinyl alcohol), ABS수지, 폴리스티렌 아크릴 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리페닐설페이트수지, 스티렌수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, 테프론수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 공중합 시킨 것(co-polymerization)을 사용하였다.
한편, 상기 기저폴리머에 공중합되는 보조폴리머로는 염산, 말레익산, 초산 또는 황산을 포함하여 제조된 수지를 사용하였다.
이때 보조폴리머는 염산, 말레익산, 초산 또는 황산에 스틸렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber), 스티렌고무, 에틸렌고무 또는 에틸렌-스티렌 고무를 혼합하여 수지형태로 제조할 수 있다.
이때의 기저폴리머는 분자량 3만 이상의 밀도를 가지고, 190℃, 18.6Kg하중의 조건에서 용융지수가 5 g/min 이상인 것을 선택한다.
상기 첨가제는 내열성을 위해 ABS 수지, 폴리스타이렌 아크릴 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리페닐설페이트 수지, 크리스탈폴리에스터 수지, 내열 스타이렌 수지, 폴리아미드 수지(=나이론수지) 및 테프론 수지 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 사용하거나 CaCO3, CaSiO3, Talc, Si 혹은 SI-O2 계열, 석영 파우더, 수산화알루미늄, 수산화 마그네슘 또는 메틸메타크릴레이트(Methylmetacrylate)를 포함하는 수지 중에서 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 난연성을 위해서는, 실란계열 혹은 에탄옥사이드를 포함하는 수지를 선택하거나, 수산화마그네슘(MgOH2) 수산화알루미늄(Al2OH3) 또는 삼산화안티몬(Sb2O3)을 포함하는 수지 중 하나 이상을 선택할 수 있다.
또한, 열전도성과 전기 전열성을 위해 SiO2, SiCO, 실리콘카바이드, White carbon, 알루미늄실리케이트 계열 또는 Talc를 포함하여 제조된 수지, 폴리테레프탈레이트(PBT) 또는 폴리페닐렌, 폴리페닐설페이트중 하나 이상을 선택할 수 있다.
전기전도성을 위해 카본나노튜브(CNT), 카본 그라파이트(C), 수산화알루미늄 (Al2OH3), 수산화마그네슘(MgOH2), 아이론 옥사이드, 금속염 및 금속분말(Au, Ag, Fe, Al, Mg,등)을 포함하여 제조된 수지 중에서 하나 이상을 선택할 수 있다.
경도 향상을 위해서는 함수규산마그네슘염, 바륨설페이트(BaSO4), 칼슘카보네이트(CaCO3), 홀라스토나이트(CaSiO3), 알루미늄실리케이트, 마그네슘휘스커(MgSO4ㅇ5Mg(OH)2ㅇ3H2O) 또는 비취파우더를 포함하는 수지 중에서 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재의 제조방법은, 기저폴리머에 보조폴리머를 공중합하여 제1공중합물을 제조하는 단계; 상기 제1공중합물에 상기 기저폴리머를 다시 공중합시켜 제2공중합물을 제조하는 단계; 상기 제2공중합물에 과산화물을 포함하는 수지를 공중합시켜 고분자소재를 제조하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재의 제조방법은, 내열성, 난연성, 유연성, 열전도성, 전기절연성, 전기전도성 및 경도의 향상을 위해 첨가제를 상기 고분자 소재에 공중합시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도장장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도포장치는 압축기(100), 히터(200), 원료저장부(300), 연소가스저장부(400) 및 스프레이건(500)을 구비한다.
열전달 메커니즘에 의하면 고분자 소재가 올레핀계열이며 입자의 크기가 30마이크론인 경우에는 공기를 70℃ 정도로 예열할 필요가 있으며 입자의 크기가 50마이크론인 경우에는 공기를 110℃ 정도로 예열하는 것이 바람직하다.
그러나 높은 용융지수를 갖는 기저 폴리머가 요구되는 경우, 즉 올레핀 보다 용융점이 50℃ 정도 높은 나이론 계열의 기저폴리머를 사용하는 경우에는 메카니즘에 따라 입자크기를 고려하지 않더라도 예열 온도를 10~20% 더 상승시켜야 한다.
따라서 장치적 효율을 고려하여, 도장용으로 개발된 소재를 한 장치에 다양하게 적용하기 위해서는 압축기에서 압축되어 1.5 kgf/cm2의 분사압력으로 통과하는 공기를 70℃ ~ 200℃ 의 범위에서 예열할 수 있는 히터를 사용하는 것이 바람직하다.
압축기는 용량에 상관없이 현장의 필요에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있으나, 공기의 압력이 2kgf/cm2 이상이 되고, 내경은 4.95 ~ 8.12mm의 범위를 유지하는 것이 고분자 수지의 직접 도장 작업의 효율 향상에 적합하다.
도 11은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치에 있어서, 고분자소재, 공기 및 에너지의 공급 등 장치내의 전체적인 흐름을 간략히 도식화 한 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이 최종적으로 스프레이 건(500)의 노즐로 부터 분사되기 직전에는 스프레이 건(500)의 내부 혹은 그 이전의 1m의 공간에서 예열된 공기가 고분자 소재를 감싸는 형태를 유지하는 것이 에너지의 활용 및 효율 면에서 훨씬 유리하다.
도 11의 (C)는 분사장치 헤드와 연결을 예로 든 것이다, 이는 분사장치 내에서 또는 분사장치의 직전에서 연소가스와 공기가 최적의 조건으로 혼합된 상태에서 주입이 되어야 하므로 본 발명에 있어서 매우 중요한 장치구조이다. 이를 통해 가스 주입 양과 관계없이 분사장치에서 고온의 불꽃이 항상 푸른색을 유지하는 것을 가능하게 한다.
튜브의 재질은 일반적인 가스호스를 이용하면 되나, 예열된 공기가 통과하는 부분에는 내열도가 높은 고무나 테프론 재질의 호스를 사용하는 것이 바람직하다.
연결부위 혹은 분사장치 내의 튜브는 동(Cu) 함량이 높거나 열전도율이 높은 것을 사용하며, 노즐 부분은 열 변형이 적은 금속 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
분사 장치의 작업자가 노출되는 외부 하우징은 열 전달율이 낮고, 열 변형율이 없는 폴리머 재질을 사용하거나 안전한 재질을 사용한다.
도장 과정 중 고분자 소재 자체가 변경되거나 고분자소재의 색 조합이 변경되는 경우 및 유지보수가 요구되는 경우가 있으므로, 연결 부위는 분해 조립이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치의 원료저장부 내부를 나타내는 도면이다.
원료저장부(300)의 뚜껑을 제거 한 후, 도 5에서와 같은 원료공급 장치를 부착 시킬 수 있도록 개발 하였다.
압축기(100)가 공급하는 공기의 일부를 분기하여 원료저장부에 공급한다. 이때 분기된 공기의 일부는 원료를 흡입하기 용이하게 하는 공기작동 펌프를 가동하는데 사용하고, 나머지는 원료저장부(300)내의 흡입구 입구에서 원료, 즉 고분자 소재가 쉽게 비산되어 흡입되도록 한다.
공기작동 펌프는 공기의 흐름이 멈출 때는 원료이동의 스토퍼 역할을 하거나, 일정하게 원료가 공급되도록 레귤레이터 역할을 수행한다.
원재료 입자가 매우 미세하므로 원재료가 덩어리져서 이동하지 않고 흡입구 부분을 따라서 구멍이 생기는 브릿징 현상이 발생할 수 있으므로 에어비산 펌프 외에 추가로 바이브레이터를 설치하는 것이 바람직하다.
원료저장부내의 모든 부분에서 브리징 현상이 발생하지 않도록, 에어펌프와 바이브레터의 효과가 미칠 수 있도록 원료저장부의 하단을 원뿔 형태를 기반으로 제작하는 것이 더욱 바람직하다.
이는 본 발명에 사용되는 고분자 소재가 유동성 액체가 아닌 미세한 분말 상태의 폴리머 수지인 점을 고려하여 고안된 것이다. 즉, 압축기로부터 공급되어지는 원료 이송을 위한 공기를 일부 분기하여 원료저장부내로 공급함으로써 폴리머 수지가 원료저장부내에서 뭉쳐지지 않고 스프레이 건(500)까지 원활하게 공급될 수 있도록 하는 것이다.
특히 원료저장부(300)의 뚜껑 부분을 손쉽게 교체하여, 그 부위에 장치를 설치하는 것으로서 상온에서 운영되므로, 각 연결부위는 금속 또는 플라스틱 재질로 쉽게 제작하여 사용할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치의 스프레이 건의 노즐 부분을 나타내는 도면이다.
고분자소재가 가운데서 방사형으로, 또는 바깥쪽의 연소가스 및 공기 방향으로 분사된다. 이때, 예열된 공기와 연소가스는 스프레이 건의 노즐 안에서 각기 다른 경로로 분사되거나 같은 경로로 분사되어도 무방하다.
그러나 가급적 효율적으로 분사온도를 통제하기 위해서는 도 11의 (c) 및 도 13의 (b)에서 설명 및 도시한 바와 같이 예열된 공기와 연소가스가 분사장치 내 또는 직전에 최적의 상태로 혼합되어 분사되는 것이 에너지 사용면에서 훨씬 효율적이며 불꽃의 크기와 온도를 통제하기도 훨씬 용이하다.
스프레이 건의 노즐에서 분출되어지는 벤트 홀의 크기와 갯수는 스프레이 건의 설계 용량에 따라 적절히 조절 가능하며, 노즐로부터 방사되는 모든 유체의 분사 압력의 합이 2kgf/cm2 가 되도록 벤트 홀의 크기와 개수를 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 보다 넓은 면적을 도포할 필요가 있는 경우에는 원형의 노즐 이외에 직사각형, 마름모 및 삼각형 등과 같이 다양한 형태로 변형하여 사용할 수 있다.
스프레이 건 또한 작업 여건에 따라 막대형이나 소총형 등과 같이 다양한 형태로 제작 가능하며, 경제성을 고려하여 공기 및 원료의 공급을 자동으로 제어하여 차단하는 자동제어장치 또는 연소가스를 자동 점화하는 장치 등을 장착할 수도 있다.
도 14는 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14의 (a)를 참고하면 본 발명에 따른 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접도포하는 도포장치의 다른 실시예는 도 3에 도시된 연소가스저장부 대신 토치용으로 사용되는 기성품 중 부탄가스 이상의 열량을 갖는 제품을 사용하며, 압축기 대신 에어 펌프를 사용할 수 있다.
더 간편하게는 에어펌프 없이 소량 작업인 경우 부탄가스와 같은 휴대용 연소가스의 압력만으로도 도 14의 (b)에 도시된 에어리스 구조의 도포장치를 제작하여 사용할 수 있다.
이는 작업 현장의 필요에 따라 또는 마무리 작업이나 간편한 유지 보수 등을 위해서는 적은 용량의 휴대용 장치를 사용하는 것이 더 효율적이기 때문이다.
한편, 작은 원료통이라 하더라도 내부에 들어있는 분말 형태의 폴리머 수지가 비산하여 스프레인 건으로 용이하게 이동할 수 있도록 에어펌프로부터 약간의 공기를 분배하여 원료통 내부로 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명은 기존의 도료의 정전기적 방식이 아닌 물리화학적 확산 접합 메카니즘에 따라서 진행되어 폴리머 수지의 피도체에 대한 결합력이 매우 강하며, 기존의 도료에 있어서의 유동성의 목적 또는 여러 기능적 목적에 따라 첨가되던 조요소나 부요소등이 첨가되지 않아 물성저하에 영향을 받지 않고, 폴리머 자체의 물성이 온전히 발휘 될 수 있는 효과가 있다.
또한 폴리머 개질 과정이 필요치 아니하여 폴리머 선택의 제한이 줄어들고 낮은 온도에서 용융될 수 있는 수지를 활용함으로써 에너지가 매우 적게 소비되는 장점이 있다. 한편, 도장작업 후 오랜 시간이 경과하여 도장 부위가 일부 손상된 경우 그 부분을 그라인딩하거나 클리닝한 후 최초의 도막 형성과정과 동일한 방법으로 유지보수 작업을 수행할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (15)

  1. 기저폴리머와 보조폴리머의 공중합에 의해 제조되며, 피도체의 표면에 분사되는 경우 열에너지 감소에 의한 확산접합에 의해 상기 피도체의 표면에 직접 도포되어 도막을 형성하는 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기저폴리머는,
    폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Casting PolyPropylene), 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene vinyl acetate), 폴리에틸렌 비닐 알코올(Poly ethylene vinyl alcohol), ABS수지, 폴리스티렌 아크릴 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리페닐설페이트수지, 스티렌수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, 테프론수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), TEOS, 에탄옥사이드 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 공중합시킨 것(co-polymerization)을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보조폴리머는,
    염산, 말레익산, 초산 또는 황산을 포함하여 제조된 수지,
    TEOS, 에탄옥사이드, 수산화마그네슘(MgOH2), 산화알루미늄(Al2OH3) 및 산화안티몬(Sb2O3)을 포함하여 제조된 수지 및
    스틸렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber), 스티렌고무, 에틸렌고무, 에틸렌-스티렌 고무
    중 적어도 하나 이상을 선택하여 공중합시킨 것(co-polymerization)을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  4. 기저폴리머와 보조폴리머의 공중합에 의해 제조된 혼합물에 상기 기저폴리머를 다시 공중합시켜 제조되며, 피도체의 표면에 분사되는 경우 열에너지 감소에 의한 확산접합에 의해 상기 피도체의 표면에 직접 도포되어 도막을 형성하는 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 기저폴리머는,
    폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Casting PolyPropylene), 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene vinyl acetate), 폴리에틸렌 비닐 알코올(Poly ethylene vinyl alcohol), ABS수지, 폴리스티렌 아크릴 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리페닐설페이트수지, 스티렌수지, 폴리아미드(Polyamide) 수지, 테프론수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), TEOS, 에탄옥사이드 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여 공중합시킨 것(co-polymerization)을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 보조폴리머는,
    염산, 말레익산, 초산 또는 황산을 포함하여 제조된 수지인 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 보조폴리머는,
    염산, 말레익산, 초산 또는 황산에 스틸렌-부타디엔 고무(Styrene-butadiene rubber), 스티렌고무, 에틸렌고무 또는 에틸렌-스티렌 고무를 혼합하여 수지 형태로 제조된 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 고분자 소재는
    상기 기저 폴리머에 상기 보조폴리머를 공중합 시킨 후 확산접합 개질 과정을 거쳐 형성된 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 고분자 소재는
    내열성, 난연성, 유연성, 열전도성, 전기절연성, 전기전도성 및 경도의 향상을 위해 첨가제를 공중합시킨 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 첨가제는
    ABS 수지, 폴리스타이렌 아크릴 수지, 폴리아크릴 아미드 수지, 폴리페닐설페이트 수지, 크리스탈폴리에스터 수지, 내열 스타이렌 수지, 폴리아미드 수지(=나이론수지) 및 테프론 수지 중에서 적어도 하나 이상을 선택하거나,
    CaCO3, CaSiO3, Talc, Si 혹은 SI-O2 계열, 석영 파우더, 수산화알루미늄, 수산화 마그네슘 또는 메틸메타크릴레이트(Methylmetacrylate)를 포함하는 수지 중에서 하나 이상을 선택하거나,
    실란계열 혹은 에탄옥사이드를 포함하는 수지를 선택하거나,
    수산화마그네슘(MgOH2) 수산화알루미늄(Al2OH3) 또는 삼산화안티몬(Sb2O3)을 포함하는 수지 중 하나 이상을 선택하거나
    SiO2, SiCO, 실리콘카바이드, White carbon, 알루미늄실리케이트 계열 또는 Talc를 포함하여 제조된 수지, 폴리테레프탈레이트(PBT) 또는 폴리페닐렌, 폴리페닐설페이트중 하나 이상을 선택하거나
    카본나노튜브(CNT), 카본 그라파이트(C), 수산화알루미늄 (Al2OH3), 수산화마그네슘(MgOH2), 아이론 옥사이드, 금속염 및 금속분말(Au, Ag, Fe, Al, Mg,등)을 포함하여 제조된 수지 중에서 하나 이상을 선택하거나
    함수규산마그네슘염, 바륨설페이트(BaSO4), 칼슘카보네이트(CaCO3), 홀라스토나이트(CaSiO3), 알루미늄실리케이트, 마그네슘휘스커(MgSO4ㅇ5Mg(OH)2ㅇ3H2O) 또는 비취파우더를 포함하는 수지 중에서 하나 이상을 선택한 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재.
  11. 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재의 제조방법에 있어서,
    기저폴리머에 보조폴리머를 공중합하여 제1공중합물을 제조하는 단계;
    상기 제1공중합물에 상기 기저폴리머를 다시 공중합시켜 제2공중합물을 제조하는 단계;
    상기 제2공중합물에 과산화물을 포함하는 수지를 공중합시켜 고분자소재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    내열성, 난연성, 유연성, 열전도성, 전기절연성, 전기전도성 및 경도의 향상을 위해 첨가제를 상기 고분자 소재에 공중합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 직접도장 가능한 고분자소재의 제조방법.
  13. 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장장치에 있어서,
    공기를 압축하여 전달하는 압축기;
    상기 압축기로부터 전달된 공기를 예열시키는 히터;
    확산접합에 의해 상기 피도체의 표면에 직접 도포되어 도막을 형성하는 상기 고분자 소재를 저장하는 원료저장부; 및
    상기 원료저장부에서 전달된 상기 고분자 소재를 상기 피도체에 분사하는 스프레이 건을 포함하는 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 히터로부터 전달된 공기 및 상기 원료저장부에서 전달된 상기 고분자 소재에 열에너지를 공급하는데 사용되는 연소가스를 저장하는 연소가스저장부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장장치.
  15. 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장방법에 있어서,
    기저폴리머와 보조폴리머를 공중합하여 미세 분말 형태의 고분자 소재를 제조하는 단계;
    열에너지를 공급하여 상기 고분자 소재를 용융상태로 만드는 단계; 및
    용융상태의 상기 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열린 공간에서 고분자 소재를 피도체에 직접 도포하는 도장방법.
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