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KR101943800B1 - 금속표면 보호용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 표면 보호 코팅층이 형성된 금속 구조물의 제조 방법 - Google Patents

금속표면 보호용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 표면 보호 코팅층이 형성된 금속 구조물의 제조 방법 Download PDF

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KR101943800B1
KR101943800B1 KR1020180088255A KR20180088255A KR101943800B1 KR 101943800 B1 KR101943800 B1 KR 101943800B1 KR 1020180088255 A KR1020180088255 A KR 1020180088255A KR 20180088255 A KR20180088255 A KR 20180088255A KR 101943800 B1 KR101943800 B1 KR 101943800B1
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KR
South Korea
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weight
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metal
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protective coating
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KR1020180088255A
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조정현
이상신
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주식회사 에스아이켐
조정현
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Abstract

본 발명은 에폭시 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르 수지, 아민계 경화제, 실란 커플링제, 섬유 보강제 및 안료를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 금속 구조물의 표면에 코팅한 다음 경화시켜 표면 보호 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 금속 구조물의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 구조물의 제조방법에 따르면, 철금속, 비철금속 등을 포함하는 금속 구조물을 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 표면에 코팅하는 간단한 방법을 통해 금속 구조물의 내부식성, 내수성, 내화학 저항성을 향상시킬 수 있으며, 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅하여 형성시킨 표면 보호 코팅층은 접착강도가 우수해 금속 구조물의 물성 변화를 장시간 안정적으로 방지할 수 있다.

Description

금속표면 보호용 코팅제 조성물 및 이를 이용한 표면 보호 코팅층이 형성된 금속 구조물의 제조 방법{Coating composition for protecting metal surface and method for manufacturing metallic structure comprising coating layer for protecting surface using the same}
본 발명은 장시간 안정적으로 금속 구조물의 표면 보호를 위해 사용할 수 있는 금속표면 보호용 코팅제 조성물과 이를 이용해 표면 보호 코팅층이 형성된 금속 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근, 금속 소재로 제조한 강판 또는 강관을 포함하는 금속 구조물은 고분자 수지를 이용해 제조한 플라스틱 구조물에 비해 내구성이 우수하여 건축 재료, 자동차 재료, 가전제품 등의 용도로 사용되고 있다.
일반적으로, 상기와 같은 금속 구조물들은 다양한 조건의 외부 환경에도 안정적으로 사용할 수 있도록, 부식을 방지하고 내구성을 향상시키기 위해서 금속 구조물의 표면에 고분자 수지를 포함하는 도료를 코팅하거나, 또는, 금속을 용사코팅 처리하여 표면에 보호 코팅층을 형성시켜 사용하고 있다. 특히, 해수, 하수 또는 오수 등에 쉽게 노출되는 지역에 사용되는 금속 구조물은 보다 높은 방식효과를 얻기 위해서 현장에서 PE 슬리브 등을 추가로 시공하여 사용하고 있다.
구체적으로, 도료를 이용한 금속 구조물의 표면 보호 기술은 에폭시 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에스테르 수지, 불소 수지 등과 같은 유무기 고분자 수지를 포함하는 도료를 사용하며, 상기 도료는 고분자 수지의 선택과 사용방법 등에 따라 장기 효과, 기능 등이 크게 영향을 받을 수 있다.
일례로, 상하수도 강관 구조물의 표면을 보호하기 위해 사용되는 수도용 강관 내면 도료는 KSD 8502인 수도용 액상 에폭시 수지 도료, 세라믹 도료, 은나노 도료 등을 사용하고 있다.
하지만, 상기와 같은 도료를 이용해 형성시킨 보호 코팅층은 내부식성, 내화학성, 내구성, 인장강도, 탄성 복원력 등의 특성이 우수하지 못하고, 수명이 짧아 코팅층에 크랙과 부식이 쉽게 발생되어 20 내지 30년 이상 노후화된 강관은 수질을 오염 시키는 원인으로 작용하고 있으며, 상·하수도 특성상 대부분의 강관이 지하에 매립된 상태로 교체 및 보수 도장이 쉽게 이루어지지 않는 문제가 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
한국등록특허 제10-1836645호 (공개일 : 2018.03.08.) 한국등록특허 제10-1811372호 (공개일 : 2017.12.22.) 한국등록특허 제10-1765116호 (공개일 : 2017.08.07.) 한국등록특허 제10-1670437호 (공개일 : 2016.10.28.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 발명자들은 세라믹 섬유를 포함하는 섬유 보강제를 고분자 수지 및 접착성 수지와 함께 혼합한 금속표면 보호용 코팅제 조성물이 내수성, 내부식성, 내화학 저항성 등의 특성이 우수할 뿐만 아니라 접착강도가 우수하여 장시간 동안 효과적으로 금속 구조물의 물성 저하를 방지할 수 있음을 확인하였다.
이에, 본 발명은 금속 구조물의 표면 보호를 위해 사용할 수 있는 금속표면 보호용 코팅제 조성물과 이를 이용해 표면 보호 코팅층이 형성된 금속 구조물을 제조하는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 에폭시 수지 100 중량부, 아크릴계 수지 10 내지 20 중량부, 폴리에스테르 수지 20 내지 50 중량부, 아민계 경화제 10 내지 20 중량부, 실란 커플링제 5 내지 20 중량부, 섬유 보강제 20 내지 50 중량부 및 안료 10 내지 20 중량부를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 금속 구조물의 표면에 코팅한 다음 경화시켜 표면 보호 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 금속 구조물의 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 금속 구조물은 산부식을 이용한 에칭법, 전기화학적 처리법, 샌드블라스팅(sandblasting)법, 브러싱(brushing)법, 실리콘 코팅법, 프라이머(primer) 코팅법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 전처리한 것일 수 있다.
또한, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 흐름성 향상제, 유동성 향상제, 분산제, 항균제 및 세라믹 충전재로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가물을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유 보강제는 길이가 0.01 내지 10 mm이고, 직경이 1 내지 30 ㎛인 현무암 섬유를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 에폭시 수지 100 중량부, 아크릴계 수지 10 내지 20 중량부, 폴리에스테르 수지 20 내지 50 중량부, 아민계 경화제 10 내지 20 중량부, 실란 커플링제 5 내지 20 중량부, 섬유 보강제 20 내지 50 중량부 및 안료 1 내지 20 중량부를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 구조물의 제조방법에 따르면, 철금속, 비철금속 등을 포함하는 금속 구조물을 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 표면에 코팅하는 간단한 방법을 통해 금속 구조물의 내부식성, 내수성, 내화학 저항성을 향상시킬 수 있으며, 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅하여 형성시킨 표면 보호 코팅층은 접착강도가 우수해 금속 구조물의 물성 변화를 장시간 안정적으로 방지할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따른 금속 구조물의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 에폭시 수지 100 중량부, 아크릴계 수지 10 내지 20 중량부, 폴리에스테르 수지 20 내지 50 중량부, 아민계 경화제 10 내지 20 중량부, 실란 커플링제 5 내지 20 중량부, 섬유 보강제 20 내지 50 중량부 및 안료 1 내지 20 중량부를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 제공한다.
상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 철금속, 비철금속 등을 포함하는 금속 구조물의 표면에 코팅되어 금속 구조물의 내부식성, 내수성, 내화학 저항성을 향상시킬 수 있으며, 표면 보호 코팅층은 접착강도가 우수해 금속 구조물의 물성 변화를 장시간 안정적으로 방지할 수 있으며, 이하에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 금속 구조물의 표면에 코팅한 다음 경화시켜 표면 보호 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 금속 구조물의 제조 방법을 제공한다.
상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 에폭시 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르 수지, 아민계 경화제, 실란 커플링제, 섬유 보강제 및 안료를 포함하며, 점도가 20 내지 2000 cps인 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 에폭시 수지는 금속 구조물과 접착력이 우수하고, 경화 수축율이 낮아 기계적 강도가 우수한 표면 보호 코팅층을 형성하는 역할을 한다.
상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시, 노볼락형 에폭시 수지, 이소시아네이트 변성 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 에폭시 수지는 에폭시 당량(g/eq) 400 내지 1,000인 비스페놀 A형 에폭시 수지를 포함할 수 있고, 에피클로로히드린(epichlorohydrin)과 비스페놀 A(bisphenol A)를 중합하여 제조하여 유연성과 내식성이 우수한 비스페놀 A형 에폭시 수지를 사용할 수 있다.
상기 아크릴계 수지는 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 접착력을 향상시켜 박리 강도가 높은 표면 보호 코팅층을 형성시키고, 이로 인해, 접착력, 내수성, 방식성 등의 특성이 향상된 표면 보호 코팅층을 형성시키는 역할을 하며, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트 등의 아크릴 단량체를 이용해 제조한 것을 사용할 수 있다. 특히, 상기 아크릴계 수지는 전술한 에폭시 수지와의 물성에 따른 결합력 향상을 위해서 글리시딜메타크릴레이트와 메타크릴레이트를 각각 30:70의 중량비로 혼합하여 제조한 것을 사용할 수 있다.
상기 아크릴계 수지는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 20 중량부의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 아크릴계 수지의 포함함량이 10 중량부 미만일 경우 금속 구조물과의 접착력이 떨어지고, 20 중량부를 초과할 경우 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 폴리에스테르 수지는 표면 보호 코팅층과 금속 구조물과의 접착력과 내구성을 향상시키는 역할을 하며, 에틸렌 글리콜, 부틸렌 글리콜 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
상기 폴리에스테르 수지는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 20 내지 50 중량부의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 에폭시 수지의 포함함량이 20 중량부 미만일 경우 접착성과 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 50 중량부를 초과할 경우 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 아민계 경화제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물에 포함된 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지를 가교시키고 분자간 가교밀도를 증가시켜 경화시키는 역할을 하며, 알킬렌폴리아민, 폴리알킬렌폴리아민 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 아민계 경화제는 상기 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 20 중량부의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 경화제의 포함함량이 10 중량부 미만일 경우 에폭시 수지의 균일한 경화가 발생되지 않아 프라이머층의 기계적 물성이 저하되며, 20 중량부를 초과할 경우 금속 구조물과의 접착성과, 내구성 등의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 실란 커플링제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물에 포함되는 에폭시 수지와 포함된 다양한 혼합물을 가교시키고, 금속 구조물과의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 실란 커플링제는 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, γ-글리시독시트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-트리에톡시실리-N-(1,3-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필메틸디메톡시실란 및 3-머캅토프로필트리에톡시실란 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 실란 커플링제는 상기 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 실란 커플링제를 5 중량부 미만으로 포함할 경우, 금속 구조물과의 접착력이 떨어지고, 프라이머층의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있으며, 20 중량부를 초과할 경우 방식성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 섬유 보강제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물에 포함된 고분자 수지와 구조적, 화학적으로 결합되어 물성이 복합화되며, 각각의 고유 물성보다 더욱 우수한 물성을 구현하는 역할을 하고, 이와 같이 섬유 보강제를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 인장특성과 기계적 물성이 강화되고, 장기 내구성이 우수한 표면 보호 코팅층을 형성시킬 수 있다.
상기 섬유 보강제는 현무암 섬유(basalt fiber), 탄화규소 섬유(SiC fiber), 탄소 섬유(carbon fiber), 유리섬유(glass fiber), 압전섬유(piezoelectric fiber) 또는 이들의 혼합물 등을 대표적인 예로 들 수 있으며, 상기 섬유 보강제는 길이가 0.01 내지 10 mm이고, 직경이 1 내지 30 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
상기 섬유 보강제는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 20 내지 50 중량부의 비율로 혼합할 수 있고, 상기 섬유 보강제의 함량이 20 중량부 미만일 경우 물성 향상이 크게 증가하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 50 중량부를 초과할 경우 접착력이 감소되어 표면 보호 코팅층이 쉽게 박리되는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 상기 섬유 보강제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물에 혼합하기 전에 에폭시 수지 용액에 함침시킨 것을 사용할 수 있으며, 상기와 같이 에폭시 수지에 함침시켜 제조한 현무암 섬유는 금속표면 보호용 코팅제 조성물에서 결합력과 분산성이 향상되어 균일한 물성을 나타내는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 섬유 보강제는 현무암 섬유를 사용할 수 있으며, 현무암 섬유는 유해물질을 배출하지 않아 친환경적인 소재로서, 자연친화적일 뿐만 아니라 우수한 내화학 저항성, 고강도, 내열성, 내수성, 흡음성, 높은 원적외선 방사율을 나타내고, 900 ℃ 이상의 고온에서도 원형을 유지할 수 있어 금속표면 보호용 코팅제 조성물에 적용이 용이하다.
참고로, 상기 현무암 섬유는 전세계에 분포되어 있는 불활성 암석인 현무암을 그 원료로 하는 차세대 광물섬유(mineral fiber)로서 무기 섬유의 일종이며, 화산작용에 의하여 지구내부에 있는 마그마가 지표로 유출되어 급격히 냉각, 응고되어 형성된 화성암인 현무암 원광을 대략 1500 ℃의 온도에서 용융시켜 102.8 내지 103 poise의 점도를 가지는 용융액에서 노즐을 통해 사용 용도에 따라 1 내지 30 ㎛의 직경을 갖도록 초미세 섬유로 인발하여 만든 섬유를 의미한다.
구체적으로, 상기 현무암 섬유는 금속표면 보호용 코팅제 조성물에 적용하기 위해서, 길이가 0.01 내지 10 mm인 것을 사용할 수 있고, 직경이 0.5 내지 30 ㎛인 현무암 단섬유를 사용할 수 있으며, 상기 현무암 섬유는 절단기(chopping machine)를 이용해 현무암 섬유 로빙(roving)을 용도에 맞게 절단한 것을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 현무암 섬유는 금속표면 보호용 코팅제 조성물과 결합력을 향상시키기 위해서, 현무암 섬유를 황산, 염산 등의 산성 용액에 2 내지 5시간 동안 침지시켜 표면에 수산화기(-OH)를 다량 포함하도록 표면을 개질한 것을 사용할 수 있으며, 이와 같이 표면 개질한 현무암 섬유는 에폭시 수지, 아크릴계 수지 및 폴리에스테르 수지와 반응 및 결합하여 내구성이 우수한 표면 보호 코팅층을 형성할 수 있게 된다.
보다 바람직하게는, 상기 현무암 섬유는 평균 길이가 3 내지 5 mm 이고, 직경이 0.7 내지 2 ㎛인 것을 사용할 수 있고, 70% 황산 용액에 3시간 동안 침지시킨 개질 현무암 섬유를 사용할 수 있다.
상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물에 포함되는 안료는 표면 보호 코팅층에 색감을 부여하는 역할을 하며, 금속 구조물의 도장을 위해 사용되는 통상적인 다양한 안료를 사용할 수 있다.
상기 안료는 이산화티탄, 비스무스 바나데이트, 시아닌 그린, 카본 블랙, 산화철적, 산화철황, 네이비 블루, 시아닌 블루 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 탈크, 장석, 바륨설페이트, 실리카, 수산화알루미나, 이산화티탄, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 운모, 올라스토나이트(wollastonite), 탈크 또는 이들의 혼합물과 같이 인체 유해성분을 배출하지 않는 회백색의 세라믹 안료를 포함할 수 있다.
상기 안료는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부의 비율로 혼합될 수 있으며, 상기 안료의 포함함량이 1 중량부 미만일 경우 색상 부여가 어렵고, 20 중량부를 초과할 경우 코팅층의 은폐력이 충분히 확보되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
나아가, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 표면 보호 코팅층을 형성시키기 위한 금속 구조물의 형태, 사용 목적 및 사용 환경에 따라 필요한 첨가물을 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 상기 첨가물은 흐름성 향상제, 유동성 향상제, 소포제, 증점제, 분산제, 항균제, 충전재, 탈취제, 경화 보조제, 용제 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함할 수 있다.
상기 흐름성 향상제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 흐름성을 향상시키는 역할을 하며, 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부의 비율로 포함할 수 있고, 상기 흐름성 향상제는 아크릴계 흐름성 향상제, 실리콘계 흐름성 향상제 등을 사용할 수 있으며, 흐름성 향상제를 사용함으로써 크레터링(cratering)을 방지하고, 표면장력을 개선하여 도료를 이용한 도막의 외관을 향상시킬 수 있으며, 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부의 비율로 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 유동성을 향상시켜 작업성을 확보할 수 있도록 유동성 향상제를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 유동성 향상제는 폴리프로필렌계 왁스, 친수성 또는 소수성의 실리카가 통상의 사용량으로 사용될 수 있으며, 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부의 비율로 포함할 수 있다.
그리고, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 각각의 성분간 원활한 분산을 위해서, 아미드계, 폴리프로필렌계, 올레핀계, 테프론계 왁스 등의 분산제를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 분산제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부의 비율로 포함할 수 있다.
아울러, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 세라믹 충전재를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 세라믹 충전재는 고분자 수지와 경화제 성분 간의 반응으로 생성되는 가교 결합 사이에 치밀한 도막을 형성하기 때문에 내수성, 기계적 물성 등을 향상시키고 아울러 그 자체의 특성으로 인해 항균성 증대 효과도 나타낸다.
상기 세라믹 충전재는 장석, 바륨설페이트, 실리카, 수산화알루미나, 이산화티탄, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 운모, 올라스토나이트(wollastonite), 탈크 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 상기 세라믹 충전재를 금속표면 보호용 코팅제 조성물 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부의 비율로 포함할 수 있으며, 상기 세라믹 충전재의 함유량이 5 중량부 미만일 경우 충분한 기계적 물성 향상을 기대하기 힘들고, 20 중량부를 초과할 경우 인장성과 굴곡성 등이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 경화 보조제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 경화 속도와 경화도를 조절하기 위해 첨가하며 표면 보호 코팅층의 기계적 물성을 보완할 수 있으며, 금속킬레이트 등을 대표적인 예로 들 수 있고, 금속표면 보호용 코팅제 조성물 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 1 중량부의 비율로 포함되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 세라믹 섬유를 포함하는 섬유 보강제를 고분자 수지 및 접착성 수지와 함께 포함하여 내수성, 내부식성, 내화학 저항성 등의 특성이 우수할 뿐만 아니라 접착강도가 우수하고, 기계적 물성이 강화되어 장시간 동안 금속 구조물 표면의 부식과 크랙 발생을 방지할 수 있다.
상기 용제는 금속표면 보호용 코팅제 조성물의 흐름성, 작업성, 분산성 등의 특성을 확보하기 위해 포함될 수 있으며, 부틸 알코올, 에틸 알코올, 메틸 알코올, 프로필 알코올, 이소프로필 알코올, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 클로로벤젠, 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 테트라클로로에틸렌, 부틸아세트산, 부틸셀로솔브아세트산, 에틸아세트산, 메틸아세트산, 이소프로필아세트산, 메틸셀로솔브아세트산, 메틸에틸케톤, 아세톤 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 용제는 상기 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 10 내지 200 중량부의 비율로 첨가할 수 있으며, 용도 및 작업성을 조절하기 위해 포함함량을 조절할 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 금속 구조물의 표면에 코팅한 다음 경화시켜 금속 구조물에 표면 보호 코팅층을 형성시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 도료와 같은 액상 형태로 제조되어 금속 구조물의 표면에 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 그라비아 코팅(gravure coating) 또는 브러싱(brushing) 등과 같은 통상적인 방법을 이용해 코팅할 수 있으며, 20 내지 40 ℃, 즉, 상온에서 12 내지 60시간 동안 경화시켜 금속 구조물에 표면 보호 코팅층을 형성시킬 수 있으며, 이와 같은 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 접착력 향상과 내후성을 강화시키기 위하여 사용되는 프라이머 고분자를 사용하지 않고도 접착강도가 우수한 표면 보호 코팅층의 형성이 가능하다.
상기와 같은 방법으로 형성시킨 표면 보호 코팅층은 0.01 내지 10 mm의 평균 두께를 갖도록 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅할 수 있으며, 상기 표면 보호 코팅층의 두께가 0.01 mm 미만일 경우 금속 구조물의 표면 보호 효과가 저감되는 문제가 발생할 수 있고, 10 mm를 초과하는 두께로 형성시킬 경우 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅층은 0.05 내지 3 mm의 두께로 형성시킬 수 있다.
상기 금속 구조물은 철제금속, 비철금속 등과 같은 소재를 이용하여 제조한 관체형상의 구조물과 판형상의 구조물을 모두 포함할 수 있으며, 상기 금속 구조물은 표면을 전처리한 다음 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅할 수 있다.
구체적으로, 통상적으로 금속 구조물은 고온으로 가열한 다음 판형상 또는 관체형상을 갖도록 성형하여 제조되며, 이와 같은 방법으로 제조한 금속 구조물은 제조된 후 냉각되는 과정에서 수축이 발생하여 금속 구조물의 표면에 크랙(crack), 핀홀(pin hole) 등과 같은 미세 균열이 발생하게 된다. 상기와 같이 미세 균열이 형성된 금속 구조물은 표면이 거칠어지고, 균열 사이에 미생물 등이 쉽게 부착해 번식하여 스케일이나 이물질이 발생하기도 하며, 내부식성이 저하되는 특성을 나타내게 된다.
또한, 후술할 금속표면 보호용 코팅제 조성물과 금속 구조물 간에 발생하는 접착력은 분자의 인력과 수소 결합이 중심이 되며, 이종 재료의 계면에서의 분자의 인력을 최대화하여 결합력을 강화시키기 위해서는 금속 구조물의 표면에 존재하는 이물질을 완전히 제거한 상태에서 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에서는, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅하기 전에 상기와 같은 금속 구조물을 전처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 금속 구조물을 전처리하여 표면에 잔존하는 이물질과 미세 균열 등을 제거해 표면 보호 코팅층 생성에 저해를 주는 결함요소인 스케일이나 이물질을 제거할 수 있다.
상기 전처리는 산부식을 이용한 에칭법, 전기화학적 처리법, 샌드블라스팅(sandblasting)법, 브러싱(brushing)법, 실리콘 코팅법, 프라이머(primer) 코팅법 또는 이들을 혼합한 방법을 대표적인 예로 들 수 있으며, 계면활성제와 연마제가 포함된 세정제로 금속 구조물의 표면을 세정하는 세정법을 사용할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 전처리는 금속 분말, 유기산, 무기산, 킬레이트제 또는 이들의 혼합물을 이용한 샌드블라스팅법을 이용해 수행할 수 있으며, 보다 바람직하게는, 100 내지 500 ㎛의 평균입자크기를 갖는 산화알루미늄 분말(Al2O3 powder)을 이용하고, 분말을 분사하는 압력과 처리 시간을 조절하여 수행할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅하기 전에 상기와 같이 1차 전처리한 금속 구조물의 표면에 형성되는 표면 보호 코팅층의 접착력과 물성을 더욱 향상시키기 위해서, 금속 구조물을 1차 전처리한 다음 금속 구조물에 프라이머 조성물을 코팅하여 표면에 프라이머층을 형성시키는 2차 전처리 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 프라이머층은 에폭시 수지와 상용성이 우수한 프라이머 조성물을 사용하여 금속 구조물의 표면에 형성된 후 표면 보호 코팅층과의 결합력을 더욱 향상시키고, 내부식성 등의 특성을 더욱 강화시킬 수 있으며, 에폭시 수지와의 상용성이 우수한 프라이머 조성물이라면 제한받지 않고 사용할 수 있다.
일례로, 상기 프라이머 조성물은 에폭시 수지 100 중량부, 실리콘 수지 20 내지 50 중량부 및 충전제 5 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.
상기 프라이머 조성물에 포함되는 에폭시 수지는 에폭시 당량 100 내지 200인 비스페놀 F형 에폭시 수지를 포함할 수 있고, 상기 비스페놀 F형 에폭시 수지는 작업성, 내흐름성이 우수하고, 부착성, 내약품성, 내수성 등의 특성이 우수하다.
상기 프라이머 조성물에 포함되는 실리콘 수지는 내오염성, 내후성, 내열성, 난연성, 전기적 특성, 발수성 등이 우수하며, 기계적 물성이 우수한 프라이머층을 형성시키는 역할을 하며, 실온에서 쉽게 경화되는 오르가노폴리실록산, 디오르가노폴리실록산, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 프라이머 조성물은 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 실리콘 수지를 20 내지 50 중량부의 비율로 포함할 수 있으며, 상기 실리콘 수지의 포함함량이 20 중량부 미만일 경우 프라이머층에 충분한 물성 부여가 힘들고, 50 중량부를 초과할 경우 작업성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 프라이머 조성물에 포함되는 충전제는 금속 구조물의 표면에 형성된 균열 등의 틈을 매워 부식 발생을 억제하는 역할을 하며, 탈크, 벤토나이트, 장석, 바륨설페이트, 실리카, 수산화알루미나, 이산화티탄, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 운모, 올라스토나이트(wollastonite) 또는 이들의 혼합물 등과 같은 내부식성 세라믹 분말 입자를 대표적인 예로 들 수 있다. 상기 충전제는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 5 내지 30 중량부의 비율로 포함될 수 있으며, 상기 충전제의 포함함량이 5 중량부 미만일 경우 균열 보수효과가 크지 않는 문제가 발생할 수 있고, 30 중량부를 초과할 경우 프라이머 조성물이 금속 구조물과의 접착성과, 내구성 등의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 프라이머 조성물은 용제를 포함할 수 있으며, 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 5 내지 200 중량부의 비율로 혼합할 수 있다.
나아가, 상기 프라이머 조성물은 부식 방지제, 소포제, 증점제, 분산제, 흐름방지제, 탈취제 또는 이들의 혼합물 등과 같은 첨가물을 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 첨가물은 각각 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부의 비율로 혼합할 수 있고, 물성에 영향을 미치지 않는 범위로 포함시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 금속 구조물은 강관인 것이 바람직하며, 덕타일 주철관, 통상적인 강관 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
구체적으로, 상기 주철관은 펄라이트, 페라이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 기지를 이용해 제조한 통상적인 주철관을 포함할 수 있고, 상기 기지와 마그네슘, 칼슘 등과 같은 흑연구상화 원소를 포함하여 충격력과 인장력을 보강한 덕타일 주철관을 포함할 수도 있다.
보다 바람직하게는, 상기 금속 구조물은 하수관의 용도로 사용되는 덕타일 주철관일 수 있으며, 상기 표면 보호 코팅층은 상기와 같은 덕타일 주철관의 내부와 외부 표면의 부식을 방지하는 역할을 한다.
상기와 같은 덕타일 주철관을 100 내지 500 ㎛의 평균입자크기를 갖는 산화알루미늄 분말을 이용한 샌드블라스팅 방법으로 1차 전처리한 다음, 비스페놀 F형 에폭시 수지 100 중량부, 실리콘 수지 30 중량부, 탈크 10 중량부 및 이소프로필 알코올 20 중량부를 포함하는 프라이머 조성물을 코팅한 다음 36 내지 72시간 동안 경화시켜 덕타일 주철관의 표면에 프라이머층을 형성시킬 수 있다.
상기와 같이 프라이머층이 형성된 덕타일 주철관의 표면에 에폭시 당량(g/eq) 450인 비스페놀 A형 에폭시 수지 100 중량부, 아크릴계 수지 15 중량부, 폴리에스테르 수지 30 중량부, 트리메틸헥사메틸렌디아민 경화제 15 중량부, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란 10 중량부, 현무암 섬유 30 중량부 및 비스무스 바나데이트 5 중량부, 분산제 1 중량부를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅한 다음 36 내지 48시간 동안 경화시켜 덕타일 주철관의 표면에 표면 보호 코팅층을 형성시킬 수 있으며, 이와 같은 표면 보호 코팅층은 물성이 우수하며, 장시간 동안 박리되지 않아 상하수도용 배관 등의 용도로 쉽게 활용될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 금속 구조물의 제조방법에 따르면, 철금속, 비철금속 등을 포함하는 금속 구조물을 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 표면에 코팅하는 간단한 방법을 통해 금속 구조물의 내부식성, 내수성, 내화학 저항성을 향상시킬 수 있으며, 표면 보호 코팅층은 접착강도가 우수해 금속 구조물의 물성 변화를 장시간 안정적으로 방지할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 1>
도 1은 실시예 2에 따른 방법으로 표면 보호 코팅층이 형성된 금속 구조물(덕타일 주철관)을 제조하는 공정을 나타낸 공정도이다.
먼저, 시판되는 덕타일 주철관(길이 12 cm, 직경 7.5 cm, 두께 2.5 mm)을 구입하여 금속 구조물 시편으로 사용하였으며, 시편의 외면과 내면을 100 내지 500 ㎛의 평균입자크기를 갖는 산화알루미늄 분말을 이용한 샌드블라스팅 방법으로 1차 전처리하였다.
1차 전처리한 덕타일 주철관의 표면에 비스페놀 F형 에폭시 수지 100 중량부, 실리콘 수지 30 중량부, 아민계 경화제 15 중량부, 충전제 10 중량부 및 이소프로필 알코올 20 중량부를 포함하는 프라이머 조성물을 코팅한 다음 48시간 동안 경화시켜 표면에 건도 도막의 두께가 40 내지 50 ㎛인 프라이머층을 형성시켰다.
프라이머층이 형성된 덕타일 주철관의 표면에 에폭시 당량(g/eq) 450인 비스페놀 A형 에폭시 수지 100 중량부, 아크릴계 수지 15 중량부, 폴리에스테르 수지 30 중량부, 트리메틸헥사메틸렌디아민 경화제 15 중량부, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란 10 중량부, 현무암 섬유 30 중량부 및 비스무스 바나데이트 5 중량부, 분산제 1 중량부를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 코팅한 다음 40시간 동안 경화시켜 덕타일 주철관의 표면에 건도 도막의 두께가 340 내지 350 ㎛인 표면 보호 코팅층을 형성시켰다.
이때, 상기 현무암 섬유는 길이가 3 mm이고, 직경이 5 ㎛인 현무암 단섬유를 사용하였으며, 상기 현무암 단섬유를 70% 황산 수용액에 3시간 동안 침지시켜 표면을 개질한 것을 사용하였다.
<실시예 2>
프라이머층을 형성시키지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 덕타일 주철관의 표면에 건도 도막의 두께가 340 내지 350 ㎛인 표면 보호 코팅층을 형성시켰다.
<실시예 3>
20 중량부의 현무암 섬유를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 덕타일 주철관의 표면에 표면 보호 코팅층을 형성시켰다.
<실시예 4>
50 중량부의 현무암 섬유를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 덕타일 주철관의 표면에 표면 보호 코팅층을 형성시켰다.
<비교예 1>
현무암 섬유를 포함하지 않는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 덕타일 주철관의 표면에 건도 도막의 두께가 200 내지 50 ㎛인 표면 보호 코팅층을 형성시켰다.
<비교예 2>
10 중량부의 현무암 섬유를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 덕타일 주철관의 표면에 표면 보호 코팅층을 형성시켰다.
<비교예 3>
60 중량부의 현무암 섬유를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 덕타일 주철관의 표면에 표면 보호 코팅층을 형성시켰다.
<실험예>
미국수도협회(AWWA C 222- 99) 규격에 규정된 시험 기준에 따라 시험하여, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 따른 방법으로 금속 시편의 표면에 형성시킨 표면 보호 코팅층의 물성을 평가하였으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
Figure 112018074817202-pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4에 따른 방법으로 금속 시편에 형성시킨 표면 보호 코팅층은 부착강도가 높고, 내충격성, 내마모성, 쇼어 경도 등이 우수하여 기계적 물성이 우수할 뿐만 아니라, 굴곡성이 우수해 유연한 특성을 나타내고, 내산성, 내염성 등의 화학저항성이 우수하여 장기간 안정적으로 활용이 가능하다는 사실을 확인할 수 있었다.
특히, 섬유 보강제인 현무암 섬유를 포함하지 않은 비교예 1의 표면 보호 코팅층의 물성이 가장 낮은 것을 확인할 수 있었으며, 현무암 섬유를 혼합하여 형성시킨 표면 보호 코팅층은 물성이 향상된 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 측정 결과를 통해, 섬유 보강제인 현무암 섬유의 최적 포함함량을 산출할 수 있었다.
상기와 같은 결과를 통해, 본 발명에 따른 금속 구조물의 제조방법을 이용할 경우, 물성이 우수한 표면 보호 코팅층을 금속 구조물의 표면에 형성시킬 수 있으며, 이와 같은 방법은 다양한 금속 구조물의 물성 향상을 위해 활용할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 에폭시 수지 100 중량부, 아크릴계 수지 10 내지 20 중량부, 폴리에스테르 수지 20 내지 50 중량부, 아민계 경화제 10 내지 20 중량부, 실란 커플링제 5 내지 20 중량부, 현무암 섬유를 포함하는 섬유 보강제 20 내지 50 중량부 및 안료 1 내지 20 중량부를 포함하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물을 금속 구조물의 표면에 코팅한 다음 경화시켜 표면 보호 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하되,
    상기 현무암 섬유는 길이가 0.01 내지 10 mm이고, 직경이 1 내지 30 ㎛이며, 산성 용액에 2 내지 5시간 동안 침지시켜 수산화기(-OH)를 포함하도록 표면을 개질한 것을 특징으로 하는 금속 구조물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 구조물은 산부식을 이용한 에칭법, 전기화학적 처리법, 샌드블라스팅(sandblasting)법, 브러싱(brushing)법, 실리콘 코팅법, 프라이머(primer) 코팅법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 전처리한 것을 특징으로 하는 금속 구조물의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속표면 보호용 코팅제 조성물은 흐름성 향상제, 유동성 향상제, 분산제, 항균제 및 세라믹 충전재로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 구조물의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 에폭시 수지 100 중량부, 아크릴계 수지 10 내지 20 중량부, 폴리에스테르 수지 20 내지 50 중량부, 아민계 경화제 10 내지 20 중량부, 실란 커플링제 5 내지 20 중량부, 현무암 섬유를 포함하는 섬유 보강제 20 내지 50 중량부 및 안료 1 내지 20 중량부를 포함하되,
    상기 현무암 섬유는 길이가 0.01 내지 10 mm이고, 직경이 1 내지 30 ㎛이며, 산성 용액에 2 내지 5시간 동안 침지시켜 수산화기(-OH)를 포함하도록 표면을 개질한 것을 특징으로 하는 금속표면 보호용 코팅제 조성물.
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