KR20200031635A - 에스테르 캐리어를 갖는 내화 코팅 조성물 및 방법 - Google Patents

에스테르 캐리어를 갖는 내화 코팅 조성물 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 기술은 파운드리 산업에서 금속 캐스팅에 사용되는 내화 코팅에 관한 것이다. 내화 코팅은 특히 캐스팅의 표면에 코어 또는 몰드와 관련하여 형성된 캐스팅의 품질을 향상시키기 위해 파운드리 코어 및 몰드를 코팅하기 위해 사용되는 경우가 있다. 전통적인 코팅은 과도한 건조 시간을 필요로 하는 수계 용제 또는 위험한 VOC를 방출하는 HAP를 포함하지만, 본 발명의 바람직한 실시형태는 DMC와 같은 VOC 비함유 에스테르계 용제를 갖는 내화 코팅을 포함한다. 본 발명의 다른 바람직한 실시형태는 파운드리 물품에 있어서의 VOC 함량의 감소 방법을 포함한다.

Description

에스테르 캐리어를 갖는 내화 코팅 조성물 및 방법
(관련 출원의 상호 참조)
본 출원은 2017년 7월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/534,082 및 2017년 9월 12일자로 출원된 62/557,291의 우선권 및 이익을 주장한다.
본 기술은 파운드리 산업에서 금속 캐스팅에 사용되는 내화 코팅에 관한 것이다.
많은 측면에서, 내화 코팅은 금속 캐스팅에 사용되는 특수 페인트와 비슷하다. 그러나, 종래의 페인트와는 달리, 내화 코팅은 용융 금속의 고온을 견딜 수 있고, 또한 캐스팅을 위해 금속이 주입되는 몰드와 용융 금속 사이의 배리어로서 작용한다.
내화 코팅은 일반적으로 고온 광물, 또는 액체(용제) 캐리어에 현탁된 내열성인 다른 물질로 이루어진다. 코팅은, 예를 들면 캐스팅 전에 샌드 몰드 또는 코어 표면에 도포된다. 액체 캐리어는 증발에 의해 제거되지만, 광물층은 이후에 몰드 표면을 코팅하기 위해 잔존한다. 이 층은 샌드로의 용융 금속의 침투를 방지하고, 샌드의 침식을 방지하며, 또한 캐스팅 표면의 품질을 향상시키는 것을 도울 수 있다.
파운드리는 통상적으로 수계 또는 용제계 코팅 중 어느 것이나 채용한다. 물은 집중 건조를 위해 에너지 및 장비를 필요로 하지만, 환경 친화적이다. 용제계 코팅은 단축된 시간 내에 에어 건조되거나 매우 짧은 건조 시간 동안에 점화될 수 있다. 현재, 용제계 파운드리 내화 코팅은 이소프로필 알코올("IPA"), 에탄올, 메탄올, 나프타 등으로 이루어진다. 그러나, 이들 용제계 시스템 중 일부는 유해 대기 오염물("HAP")을 포함하고, 그들은 모두 휘발성 유기 화합물("VOC")을 포함한다. IPA 및 에탄올은 파운드리 산업의 내화 코팅에 있어서 가장 일반적으로 사용되는 용제 캐리어이다. 이러한 오염물 및 휘발성 화합물은 엄격한 규제를 받으며, 종래의 용제계 코팅을 사용하는 많은 파운드리는 VOC를 허용하는데 상당한 시간과 자원을 소비한다.
과거에는 아세톤과 같은 일부 VOC 비함유 용제가 사용되어 왔다. 그러나, 아세톤의 높은 증발 속도는 사용량을 증가시키고, 낮은 인화점은 파운드리에 심각한 폭발 및 화재 위험을 초래한다.
따라서, 종래 기술에 있어서는 파운드리 산업에서 사용하기 위한 용제계 내화 코팅에 대해 충족되지 않은 요구가 있었으며, 본 코팅은 적합한 성능 특징을 제공하지만, 사용하기에 훨씬 안전하며, 추가적인 허용을 요구하거나 전통적인 용제계 코팅을 수반하는 제한을 포함하지 않는다.
상술한 요구를 충족시키기 위해, 본 발명은 디메틸 카보네이트("DMC") 또는 t-부틸 아세테이트와 같은 에스테르 캐리어로의 내화 코팅 용제의 부분적 또는 완전한 대체를 제공하여 감소된 또는 보고 가능한 HAP 또는 VOC를 갖는 용제계 내화 코팅을 형성한다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시형태에 있어서, 100% DMC와 같은 액체 에스테르 캐리어, 현탁제, 바인딩제, 물, 첨가제, 및 입자상 내화 충전제 혼화물을 바람직하게 포함하는 내화 코팅(도형재, 페인트, 또는 드레싱이라고도 함) 조성물이 제공되는다.
작동시, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 형성된 내화 코팅은 DMC를 포함함으로써 종래의 내화 코팅과 비교하여 보고 가능한 VOC에 있어서 대략 50%∼97% 감소를 달성시키는 것으로 밝혀졌다. 특히, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 100% VOC 비함유 코팅이 달성될 수 있지만, 본원에 설명된 바와 같이 형성된 일부 코팅은 바인딩제에 의해 조성물에 도입되는 미량의 VOC를 포함할 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 용어 "캐리어 용제"는 하나 이상의 에스테르 캐리어 또는 하나 이상의 에스테르 캐리어와 비에스테르 용제의 조합을 포함할 수 있다.
첨가제의 예는 습윤제, 소포제, 분산제, 및 레올로지 개질제와 같은 표면 활성제이다.
본 발명의 바람직한 실시형태는,
파운드리 용도를 위한 내화 코팅 조성물로서,
에스테르 캐리어를 포함하는 액체 캐리어로서, 상기 에스테르 캐리어는 상기 액체 캐리어의 대략 25중량%∼100중량%이고, 상기 조성물의 20중량%∼80중량%로 제공되는 액체 캐리어;
상기 조성물의 2중량% 이하로 제공되는 현탁제;
상기 조성물의 대략 1.5중량%∼3중량%로 제공되는 바인더;
상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 물;
상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 하나 이상의 첨가제; 및
상기 조성물의 대략 13중량%∼78.5중량%로 제공되는 입자상 내화재를 포함하는 내화 코팅 조성물이다.
본 발명의 대안적인 바람직한 실시형태는,
파운드리 물품을 형성하는 단계;
에스테르 캐리어를 갖는 액체 캐리어를 포함하는 내화 코팅 조성물을 형성하는 단계;
VOC 비함유 용제로 상기 조성물을 희석하는 단계;
상기 파운드리 물품에 상기 조성물을 도포하는 단계;
상기 에스테르 캐리어를 제거하기 위해 상기 조성물을 건조시키는 단계를 포함하는 파운드리 물품에 있어서의 VOC 함량의 감소 방법으로서,
상기 조성물은,
상기 액체 캐리어의 대략 25중량%∼100중량%이고, 상기 조성물의 대략 20중량%∼80중량%로 제공되는 에스테르 캐리어; 상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 현탁제; 상기 조성물의 대략 1.5중량%∼3중량%로 제공되는 바인더; 상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 물; 상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 하나 이상의 첨가제; 및 상기 조성물의 대략 13중량%∼78.5중량%로 제공되는 입자상 내화재를 포함하는 방법이다.
본 발명의 또 다른 대안적인 바람직한 실시형태는,
VOC를 포함하는 용제 캐리어를 갖는 내화 코팅 조성물을 제공하는 단계; 및
VOC 비함유 용제로 상기 조성물을 희석하는 단계를 포함하는 파운드리 물품에 있어서의 VOC 함량의 감소 방법이다.
도 1은 대략 25/75 DMC/IPA(1:3 비 DMC:IPA) 에스테르 캐리어 포뮬레이션을 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 실온("RT"), 35℃, 및 49℃에서 수집되었다.
도 2는 대략 50/50 DMC/IPA 에스테르 캐리어 포뮬레이션을 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 RT, 35℃, 및 49℃에서 수집되었다.
도 3은 대략 75/25 DMC/IPA 에스테르 캐리어 포뮬레이션을 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 RT, 35℃, 및 49℃에서 수집되었다.
도 4는 대략 100% DMC 에스테르 캐리어 포뮬레이션을 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 RT, 35℃, 및 49℃에서 수집되었다.
도 5는 대략 100% IPA 에스테르 캐리어 포뮬레이션을 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 RT, 35℃, 및 49℃에서 수집되었다.
도 6은 SBDN 1087 베이스 포뮬라 및 DMC와 IPA를 포함하는 다양한 캐리어 용제를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 RT에서 수집되었다.
도 7은 SBDN 1087 베이스 포뮬라 및 DMC와 IPA를 포함하는 다양한 캐리어 용제를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 35℃에서 수집되었다.
도 8은 SBDN 1087 베이스 포뮬라 및 DMC와 IPA를 포함하는 다양한 캐리어 용제를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 49℃에서 수집되었다.
도 9는 SBDN 1086 또는 1087 베이스 포뮬라 및 대략 75/25 DMC/IPA를 포함하는 캐리어 용제를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 49℃에서 수집되었다.
도 10은 SBDN 1086 베이스 포뮬라 및 대략 75/25 DMC/IPA를 포함하는 캐리어 용제를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 35℃ 및 49℃에서 수집되었다.
도 11은 SBDN 1086 또는 1087 베이스 포뮬라 및 대략 75/25 DMC/IPA를 포함하는 캐리어 용제를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다. 도시된 바와 같이, 데이터는 35℃에서 수집되었다.
도 12는 대략 75/25 DMC/IPA를 포함하는 캐리어 용제 및 다양한 중량%의 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다.
도 13은 대략 50/50 DMC/IPA를 포함하는 캐리어 용제 및 다양한 중량%의 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다.
도 14는 대략 75/25 또는 대략 50/50 DMC/IPA 중 어느 것을 포함하는 캐리어 용제 및 대략 3중량%의 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다.
도 15는 대략 75/25 또는 대략 50/50 DMC/IPA 중 어느 것을 포함하는 캐리어 용제 및 대략 2.5중량%의 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다.
도 16은 대략 75/25 또는 대략 50/50 DMC/IPA 중 어느 것을 포함하는 캐리어 용제 및 대략 2중량% 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다.
도 17은 대략 75/25 또는 대략 50/50 DMC/IPA 중 어느 것을 포함하는 캐리어 용제 및 대략 1.5중량% 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다.
도 18은 대략 100% DMC를 포함하는 캐리어 용제 및 대략 2중량% 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 시간(건조 시간)(분)에 따른 중량 손실률(%) 데이터의 그래프 도면이다.
도 19는 대략 75/25 DMC/IPA 또는 대략 100% DMC 중 어느 것을 포함하는 캐리어 용제 및 대략 2중량% 바인더를 포함하는 내화 코팅으로부터 생성된 중량 손실 데이터의 그래프 도면이다.
본 발명은 상이한 형태의 실시형태를 허용할 수 있지만, 본원에는 특정 바람직한 실시형태가 상세하게 기재되어 있으며, 본 개시는 본 발명의 원리의 예시로서 간주되고, 본 발명을 본원에 기재된 것으로 제한하도록 의도하지 않는 것으로 이해된다.
본 발명의 바람직한 실시형태는 종래의 용제계 코팅과 비교할 수 있는 성능 특징 및 공지된 내화 코팅보다 매우 유리한 안전성 프로파일을 갖는 저함유 내지 비함유 VOC 내화 코팅을 포함한다. 바람직한 실시형태는 용제계 내화 코팅 조성물을 형성하기 위해 디메틸 카보네이트 또는 t-부틸 아세테이트와 같은 에스테르 캐리어를 포함한다.
본 발명의 적어도 하나의 바람직한 실시형태에 있어서, 에스테르 용제계 내화 코팅 조성물은 다음과 같이 형성된다:
본 발명에 따라 제공되는 내화 코팅(도형재, 페인트, 또는 드레싱이라고도 알려져 있음) 조성물은 바람직하게는 액체 에스테르 캐리어, 현탁제, 바인딩제, 물, 및 입자상 내화 충전제 혼화물을 포함한다. 액체 에스테르 캐리어는 바람직하게는 주로 무색이고, 가연성이며, 미국 내에서 대부분의 VOC에 대한 제한이 없는 유기 화합물이다. 액체 에스테르 캐리어는 바람직하게는 2차 용제의 존재 또는 부재 하의 카보네이트 에스테르로서 분류된다. 현탁제는 바람직하게는 미량의 금속 산화물 및 유기물을 갖는 하나 이상의 점토 광물을 포함하는 미세입자의 천연 암석 또는 토양 물질이다. 현탁제의 예는 팔리고르스카이트, 몬모릴로나이트, 및 세피올라이트를 포함한다. 바인딩제는 바람직하게는 천연 로진과 같은 2차 바인딩제의 존재 또는 부재 하에 액체 에스테르 캐리어와 화학적 친화성을 갖는 코폴리머이다. 입자상 내화 충전제 혼화물은 바람직하게는 미세 내지 중간 크기의 분획을 포함하고, 혼화물은 바람직하게는 대략 d<30미크론의 평균 입자 크기를 갖고, 여기서 총 입자상 내화 충전제 혼화물의 대략 10중량% 또는 10체적% 이하는 대략 d<2미크론의 입자 크기를 갖는다. 충전제 혼화물의 예는 내화물의 조합 또는 혼화물을 포함한, 지르코늄 실리케이트(지르콘이라고도 알려져 있음) 및/또는 알루미늄 실리케이트, 그라파이트, 실리카, 마그네슘 실리케이트 등을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 액체 에스테르 캐리어는 디메틸 카보네이트("DMC")이다. DMC는 IPA와 마찬가지의 인화점을 갖고, 따라서 DMC의 라이트-오프/번 특성은 IPA와 마찬가지이다. 추가적으로, DMC의 증발 속도는 IPA 또는 에탄올보다 훨씬 높다. 따라서, DMC를 포함하는 내화 코팅의 건조 시간은 IPA 또는 에탄올을 포함하는 전통적인 코팅보다 실질적으로 짧다. 이것은 전통적인 에어 건조 도포에 비해 상당한 이점을 나타낸다.
본 발명에 따라 제공되는 예시적인 내화 코팅 조성물은 바람직하게는 이하를 포함한다: (i) 상기 코팅 조성물의 대략 20중량%∼80중량%를 포함하는 캐리어의 대략 25중량%∼100중량%의 캐리어 DMC 및 캐리어의 대략 0중량%∼75중량%의 IPA, (ii) 상기 코팅 조성물의 대략 2중량% 이하의 점토; (iii) 상기 코팅 조성물의 대략 1.5중량%∼3.0중량%의 바인더(즉, 에틸 아세테이트에 있어서의 비닐 아세테이트 및 비닐 라우레이트 코폴리머로서, 상기 코폴리머는 상기 바인더의 대략 50중량%로 제공됨); (iv) 상기 코팅 조성물의 대략 0중량%∼2중량%의 물; (v) 상기 코팅 조성물의 대략 0중량%∼2중량%의 첨가제; 및 (vi) 상기 코팅 조성물의 대략 13중량%∼78.5중량%의 입자상 내화 혼화물.
대안적인 액체 에스테르 캐리어가 본 발명에 따라 제공되는 내화 코팅 조성물에 사용될 수 있는 것으로 이해되며, 이하를 포함한다: t-부틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-부틸 아세테이트, 알릴 헥사노에이트, 벤질 아세테이트, 부틸 부타레이트, 에틸 부타레이트, 에틸 벤조에이트, 에틸 헥사노에이트, 에틸 이소발레레이트, 에틸 락테이트, 이소부틸 아세테이트, 이소아밀 아세테이트, 에틸 에타노에이트, n-부틸 올레에이트, 2-에틸헥실 카프레이트/카프릴레이트, 이소프로필 미리스테이트, 메틸 올레에이트, n-프로필 아세테이트, 2-에틸헥실 아세테이트, 펜틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트(EGDA), 2-에틸헥실 아세테이트, 이소부틸 이소부티레이트(IBIB), 및 프로필 아세테이트.
또한, 상술한 에스테르 캐리어는 파운드리 물품에 상기 조성물을 도포하기 전에 내화 코팅 조성물의 희석을 위해 VOC 비함유 용제로서 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 액체 에스테르 캐리어는 t-부틸 아세테이트이다.
예를 들면, 본 발명에 따라 제공되는 대안적인 내화 코팅 조성물은 바람직하게는 이하를 포함한다: (i) 캐리어의 대략 52중량%의 캐리어 t-부틸 아세테이트 및 캐리어의 대략 7.5중량%의 IPA/메탄올/VM&P 나프타; (ii) 대략 1.7중량% 이하의 점토; (iii) 대략 0.4중량%의 페놀 수지; (iv) 대략 0.9중량%의 물; 및 (vi) 대략 66중량%의 지르콘 내화 혼화물을 포함한다. 제조시 몰드 또는 코어에 도포하기 전에, 이 포뮬레이션은 바람직하게는 t-부틸 아세테이트로 대략 37% 고형물로 희석된다.
본 발명에 따라 제공되는 내화 코팅을 형성하기 위해, DMC, IPA, 및 물이 먼저 중간 전단에서 혼합 용기에 첨가된다. 이어서, 아타풀자이트 점토(팔리고르스카이트라고도 알려져 있음)가 첨가되고, 전단이 22인치의 블레이드 직경에 대해 대략 700rpm으로 증가된다. 혼합된 물질은 대략 10분의 혼합 후에 겔을 형성한다. 가능한 경우, 지르콘 혼화물, 바인더, 첨가제와 같은 내화 파우더, 및 나머지 액체를 용기에 첨가하고, 대략 10분 동안 함께 더 혼합한다. 블레이드 작동이 중단되고, 제품은 적합한 내화 코팅 파라미터와의 일치성을 위해 검사된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 본원에 기재되고 본 발명에 따라 제공되는 내화 코팅의 사용 방법은 다음과 같다.
본 발명에 따라 제공되는 내화 코팅은 코팅이 사용되는 다양한 기판, 및 또한 사용자의 다양한 필요로 인해 다양한 방식으로 몰드 및 코어와 같은 파운드리 물품에 도포될 수 있다. 본 발명의 내화 코팅은 농축된 형태로 제공될 수 있다. 모든 경우에, 코팅은 액체 금속과 몰드 또는 코어 사이에 보호 배리어를 제공하기 위해 도포된다.
몰드 또는 코어에 도포하기 전에, 내화 코팅은 바람직하게는 코팅을 위해 필요한 도포 점도가 달성될 때까지 적절한 VOC 비함유 용제로 희석된다. 또한, 본 발명의 코팅은 도포 및 의도된 코팅의 용도에 따라 임의의 희석없이, 예를 들면 농축된 형태로 도포될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 용제는 DMC를 포함하는 액체 에스테르 캐리어이다. 소망의 점도에 도달하면, 코팅은 딥핑, 스프레이, 플러드(플로우 코트), 브러쉬, 스왑, 및 미트 도포 방법을 포함한 몇몇 방법에 의해 몰드 또는 코어에 도포될 수 있다. 딥핑 도포는 몰드 또는 코어를 코팅에 침지시키는 것을 포함한다. 이 도포는 모든 영역에 코팅을 완전히 접촉시킨다. 스프레이 도포는 몰드 또는 코어의 표면에 코팅층을 형성하기 위해 작은 액적의 형태로 에어를 통해 코팅을 취입하는 것이다. 플러드 도포는 호스를 통해 코팅을 펌핑하여 몰드 또는 코어로 스플래싱 또는 플러딩한다. 과잉의 코팅은 수집되어 펌프를 통해 다시 실행된다. 브러쉬, 스왑, 및 미트 도포는 모두 코팅에 침지되고, 코팅을 도포하도록 몰드 또는 코어와 접촉되는 도구(예를 들면, 페인트 브러쉬, 호스 헤어 스왑 또는 코튼 미트)를 사용한다. 이들은 파운드리 산업에서 몰드 또는 코어에 코팅을 도포하는 주요 방법이지만, 본 발명은 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이 이들 도포에 제한되지 않는다.
모든 도포에 있어서, 본 발명에 따라 제공되는 습식 내화 코팅은 에스테르 캐리어를 제거하기 위해 건조되거나 점화될 수 있다. 코팅층으로부터 에스테르 캐리어를 완전히 제거하는 것이 중요하다. 잔류 에스테르 캐리어가 잔존하는 경우, 에스테르 캐리어는 금속 캐스팅에 있어서 결함을 야기할 수 있는 가스의 공급원일 수 있다.
제조시, DMC를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 형성된 내화 코팅은 종래의 내화 코팅과 비교하여 보고 가능한 VOC에 있어서의 대략 50%∼97% 감소가 달성되는 것으로 밝혀졌다.
예를 들면, 제 1 생산 테스트는 대략 2,000∼11,800파운드의 주입 중량으로 고합금철 및 고합금강 캐스팅을 주입하는 것을 포함한다. 베이스라인 내화 코팅이 진공 공정 몰드 필름 상에 분무되는 진공 공정을 이용하여 캐스팅이 주입되었다. IPA 캐리어를 포함하는 베이스라인 코팅을 본 발명에 따라 제공되는 2개의 실험적인 내화 코팅 포뮬레이션과 비교하였다. 실험 코팅인 포뮬라 A 및 포뮬라 B는 모두 에스테르 캐리어를 포함하고, 대략 1:1 비의 DMC:IPA를 채용하였다. 포뮬라 A와 포뮬라 B의 차이는 그 안에 채용된 바인더의 선택이었다. 포뮬라 A는 검 로진과 같은 천연 바인더 A를 사용하였고, 포뮬라 B는 비닐 아세테이트 코폴리머와 같은 합성 바인더 B를 사용하였다. 필요한 두께가 개발되었기 때문에, 포뮬라 A 및 포뮬라 B 코팅의 분무 도포는 만족스러웠다. 포뮬라 A 및 포뮬라 B 코팅의 건조 시간은 평균 2분이며, 베이스라인 IPA 코팅은 평균 3분 30초 동안 건조되었다.
이어서, 몰드는 샌드로 충전하였다. 실험적인 포뮬라는 모두 충분한 샌드 내침식성을 나타내었다. 몰드가 패턴으로부터 제거되면, 베이스라인(IPA 캐리어 코팅) 및 포뮬라 A는 마찬가지의 코팅 크랙을 나타내는 반면, 포뮬라 B는 코팅층의 크랙에 대한 개선된 내성을 나타내었다. 당업자에 의해 이해되는 관행에 따라, 이어서 금속을 몰드에 주입하고, 몰드를 냉각시키고, 검사 전에 캐스팅을 쇼트 블라스팅하였다. 실험적인 포뮬라 A 및 B는 모두 허용 가능한 캐스팅 성능을 나타내었다. 또한, 실험적인 코팅은 모두 상업적으로 실현 가능한 캐스팅을 생성하기에 허용 가능한 특성을 나타내었다.
실험적인 포뮬라 A 및 B 코팅의 이점은 이하를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다:
포뮬라 A: 종래의 내화 코팅과 비교하여 보고 가능한 VOC의 대략 50% 감소, 및 건조 시간 감소.
포뮬라 B: 종래의 내화 코팅과 비교하여 보고 가능한 VOC의 대략 50% 감소, 건조 시간 감소, 및 코팅층 크랙에 대한 개선된 내성.
제 2 생산 테스트에 있어서, 고합금철 및 고합금강 캐스팅을 대략 2,000∼11,800파운드의 주입 중량으로 주입하였다. 내화 코팅이 진공 공정 몰드 필름 상에 분무되는 진공 공정을 이용하여 캐스팅을 주입하였다. IPA 캐리어를 포함하는 베이스라인 코팅을 본 발명에 따라 제공되는 2개의 실험적인 내화 코팅 포뮬레이션과 비교하였다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 형성된 실험적인 포뮬레이션인 포뮬라 C를 에스테르 캐리어를 이용하여 테스트하였다. 포뮬라 C는 상술한 합성 바인더 B와 대략 100% DMC 캐리어를 채용하였다. 필요한 두께가 개발되었기 때문에 포뮬라 C 코팅의 분무 도포는 만족스러웠다. 포뮬라 C에 대한 건조 시간은 평균 1분 30초인 반면, 베이스라인 IPA 코팅은 평균 3분 30초 동안 건조되었다.
이어서, 몰드를 샌드로 충전하였다. 포뮬라 C는 충분한 샌드 내침식성을 나타내었다. 몰드가 패턴으로부터 제거되면, 포뮬라 C는 내화 코팅층의 크랙에 대한 개선된 내성을 나타내는 것으로 관찰되었다. 당업자에 의해 이해되는 관행에 따라, 금속을 주입하고, 몰드를 냉각시키고, 검사 전에 캐스팅을 쇼트 블라스팅하였다. 포뮬라 C는 허용 가능한 캐스팅 성능을 나타내었다. 또한, 포뮬라 C는 상업적으로 실현 가능한 캐스팅을 생성하기에 허용 가능한 특성을 나타내었다.
실험적인 포뮬라 C 코팅의 이점은 이하를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다:
포뮬라 C: 종래의 내화 코팅과 비교하여 보고 가능한 VOC의 대략 97+% 감소, 건조 시간 감소, 및 코팅층 크랙에 대한 개선된 내성.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 내화 코팅은 다시 한번 액체 에스테르 캐리어, 현탁제, 바인딩제, 분산제, 및 입자상 내화 충전제 혼화물로 제조되었다. 이 실시형태에 있어서의 액체 에스테르 캐리어는 디메틸 카보네이트이다. 현탁제는 바람직하게는 나노점토, 보다 구체적으로는 유기 개질 점토이다. 나노점토의 구성요소는 바람직하게는 선택된 용제와의 상용성이 증가하여 친유기성이 되도록 개질된 표면, 판상 구조를 갖는 2:1형 스멕타이트 점토 광물, 및 몬모릴로나이트이다. 바인딩제는 바람직하게는 액체 에스테르 캐리어와 화학적 친화성을 갖는 코폴리머이다. 분산제는 바람직하게는 안료 친화성기를 갖는 고분자량 블록 코폴리머의 무방향족 용액이다. 입자상 내화 충전제 혼화물은 바람직하게는 미세 내지 중간 크기의 분획을 포함하고, 상기 혼화물은 바람직하게는 대략 d<30미크론의 중간 입자 크기를 가지며, 여기서 총 입자상 내화 충전제 혼화물의 대략 10중량% 또는 10체적% 이하가 대략 d<2미크론의 입자 크기를 갖는다.
본 발명에 따라 제공되는 또 다른 예시적인 내화 코팅 조성물은 바람직하게는 이하를 포함한다: (i) 상기 코팅 조성물의 대략 28.5중량%∼32.5중량%를 포함하는 캐리어의 대략 100중량%의 캐리어 DMC; (ii) 대략 2중량% 이하의 유기 점토; (iii) 대략 1.5중량%∼3.0중량%의 비닐 아세테이트 코폴리머와 같은 바인딩제; (iv) 대략 0중량%∼0.5중량%의 안료 친화성기를 갖는 블록 코폴리머 분산제; 및 (v) 대략 66중량%의 지르콘 내화 혼화물.
본 발명에 따라 제공되는 내화 코팅을 생성하기 위해, DMC가 중간 전단에서 혼합 용기에 첨가된다. 이어서, 점토를 첨가하고, 22인치의 블레이드 직경에 대해 전단을 대략 700rpm으로 증가시킨다. 혼합된 재료는 대략 10분의 혼합 후 겔을 형성한다. 이어서, 내화 분말, 바인더, 및 분산제가 용기에 첨가되고, 대략 10분 동안 함께 더 혼합된다. 블레이드 작동이 중단되고, 제품은 적합한 내화 코팅 파라미터와의 일치성에 대해 검사된다.
본 발명에 따라 형성된 또 다른 내화 코팅 조성물에 있어서, 대략 100% DMC 캐리어 및 지르콘 내화물을 포함하는 포뮬라 D가 제조되었다. 이 예에 있어서, 캐리어는 바람직하게는 조성물의 36.2중량%이다. 이 코팅은 EPA법 24 하에서 테스트되었으며, <0.05중량%의 검출 한계를 갖는 0의 측정 가능한 VOC를 갖는 것으로 밝혀졌다. 제조시, 포뮬라 D는 높은 생산 파운드리에서 녹사 몰드에 분무하기 위해 사용되었다. 녹사 몰드가 생산되고, 생산 요구를 충족시키기 위해 대략 15분 이내에 조립이 필요하다. 포뮬라 D 코팅은 바람직하게는 가스 관련 캐스팅 결함을 회피하기 위해 조립 전에 완전히 건조된다. 파운드리는 통상적으로 이러한 라인 상에 추가적인 VOC를 허용할 수 없기 때문에 본 명세서에 있어서의 포뮬라 D가 바람직하며, 따라서 VOC의 방출을 초래하기 때문에 전통적인 용제계의 선택은 불리하다. 수계 코팅은 VOC 방출의 허용 기준에 적합할 수 있지만, 이들 유형의 코팅은 조립 전에 요구된 시간(즉, 대략 15분 이하) 내에 건조되지 않을 수 있다. 아세톤계 코팅은 건조 시간과 허용 파라미터에 모두 적합할 수 있지만, 낮은 인화점으로 인해 이 기술을 사용하기에 너무 많은 화재 및 폭발 위험이 고려된다. 따라서, 포뮬라 D와 같은 VOC 비함유 에스테르계 코팅이 바람직하며, 모든 VOC 비함유 방출 요건을 충족시킨다. 구체적으로는, DMC계 포뮬라 D는 모든 요건을 충족시켰다. 포뮬라 D를 제조하고, DMC를 사용하여 분무 도포 보메로 희석하였다. 이 도포에 혼합 특성이 허용되었다. 스프레이 도포 특성은 몰드 상의 균일한 코팅에 적합하였다. 몇몇 큰 회색의 연성철 캐스팅(500∼5,000파운드)을 주입하였다. 캐스팅 결과는 코팅되지 않은 몰드보다 실질적으로 우수하고, 그 결과 세정 시간이 상당히 단축되었다.
또한, 종래의 용제계 페이스트 코팅은 코팅으로부터 VOC 방출에 있어서의 감소를 달성하기 위해 t-부틸 아세테이트로 희석될 수 있다. 코팅을 통상의 플러드 코팅 또는 딥핑 점도(이하의 표 1의 특성)로 희석하고, 코어에 도포하였다. 플러드 코팅에 대한 도포 특성이 허용 가능하였다. 점화 특성은 코어에 과도한 가열없이 건조하기에 충분하였다. 추가적으로 및 중요하게는, t-부틸 아세테이트를 이용한 희석의 결과로서 VOC 방출이 감소되었다. 다른 에스테르는 VOC 방출의 마찬가지의 감소를 갖는 것으로 이해된다.
Figure pct00001

Claims (24)

  1. 파운드리 용도를 위한 내화 코팅 조성물로서,
    에스테르 캐리어를 포함하는 액체 캐리어로서, 상기 에스테르 캐리어는 상기 액체 캐리어의 대략 25중량%∼100중량%이고, 상기 조성물의 대략 20중량%∼80중량%로 제공되는 액체 캐리어;
    상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 현탁제;
    상기 조성물의 대략 1.5중량%∼3중량%로 제공되는 바인더;
    상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 물;
    상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 하나 이상의 첨가제; 및
    상기 조성물의 대략 13중량%∼78.5중량%로 제공되는 입자상 내화재를 포함하는 내화 코팅 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에스테르 캐리어는 카보네이트 에스테르인 내화 코팅 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 카보네이트 에스테르는 디메틸 카보네이트인 내화 코팅 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에스테르 캐리어는 t-부틸 아세테이트인 내화 코팅 조성물.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 액체 캐리어는 휘발성 유기 캐리어를 더 포함하는 내화 코팅 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 휘발성 유기 캐리어는 이소프로필 알코올인 내화 코팅 조성물.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 바인더의 대략 50중량%로 제공되는 비닐 아세테이트 및 비닐 라우레이트 코폴리머인 내화 코팅 조성물.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 첨가제는 습윤제, 소포제, 분산제, 또는 레올로지 개질제인 내화 코팅 조성물.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 입자상 내화재는 대략 d<30미크론의 평균 입자 크기의 지르코늄 실리케이트 분말이고, 상기 입자상 내화재의 대략 10중량% 또는 10체적% 이하는 대략 d<2미크론의 입자 크기를 갖는 내화 코팅 조성물.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 현탁제는 유기 점토이고, 상기 바인더는 코폴리머이고, 상기 입자상 내화재는 지르콘 내화 혼화물인 내화 코팅 조성물.
  11. 파운드리 물품을 형성하는 단계;
    에스테르 캐리어를 갖는 액체 캐리어를 포함하는 내화 코팅 조성물을 형성하는 단계;
    상기 파운드리 물품에 상기 조성물을 도포하는 단계;
    상기 에스테르 캐리어를 제거하기 위해 상기 조성물을 건조시키는 단계를 포함하는 파운드리 물품에 있어서의 VOC 함량의 감소 방법으로서,
    상기 조성물은,
    상기 액체 캐리어의 대략 25중량%∼100중량%이고, 상기 조성물의 대략 20중량%∼80중량%로 제공되는 에스테르 캐리어;
    상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 현탁제;
    상기 조성물의 대략 1.5중량%∼3중량%로 제공되는 바인더;
    상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 물;
    상기 조성물의 대략 2중량% 이하로 제공되는 하나 이상의 첨가제; 및
    상기 조성물의 대략 13중량%∼78.5중량%로 제공되는 입자상 내화재를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 에스테르 캐리어는 카보네이트 에스테르인 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 조성물을 VOC 비함유 용제로 희석하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 에스테르 캐리어는 t-부틸 아세테이트 또는 디메틸 카보네이트인 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 액체 캐리어는 휘발성 유기 캐리어를 더 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 휘발성 유기 캐리어는 이소프로필 알코올인 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 바인더의 대략 50중량%로 제공되는 비닐 아세테이트 및 비닐 라우레이트 코폴리머인 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 첨가제는 습윤제, 소포제, 분산제, 또는 레올로지 개질제인 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 입자상 내화재는 대략 d<30미크론의 평균 입자 크기의 지르코늄 실리케이트 분말이고, 상기 입자상 내화재의 대략 10중량% 또는 10체적% 이하는 대략 d<2미크론의 입자 크기를 갖는 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 파운드리 물품은 코어 또는 몰드이고, 상기 현탁제는 유기 점토이고, 상기 바인더는 코폴리머이고, 상기 입자상 내화재는 지르콘 내화 혼화물인 방법.
  21. VOC를 포함하는 용제 캐리어를 갖는 내화 코팅 조성물을 제공하는 단계; 및
    상기 조성물을 VOC 비함유 용제로 희석하는 단계를 포함하는 파운드리 물품에 있어서의 VOC 함량의 감소 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 용제 캐리어는 에탄올, 메탄올, 나프타, 및 이소프로필 알코올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 VOC 비함유 용제는 에스테르 캐리어인 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 용제 캐리어는 에탄올, 메탄올, 나프타, 및 이소프로필 알코올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 방법.
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