KR100396075B1

KR100396075B1 - 철재 코팅용 자외선 경화 수지 조성물 및 이를 이용한 자외선경화 코팅 강판

Info

Publication number: KR100396075B1
Application number: KR10-1998-0060088A
Authority: KR
Inventors: 이동열; 김진태; 민병일
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1998-12-29
Publication date: 2004-02-14
Also published as: KR20000043683A

Abstract

자외선 경화 방식을 이용할 수 있는 경화 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조된 경도와 접착력 및 가공성이 우수한 자외선 경화 코팅 강판에 관한 것으로, 철재 코팅용 자외선 경화 수지 조성물에 있어서, 수지 조성물의 주가 되는 광 반응성 올리고머를 전체 조성에 대해 50 ~ 55 중량부로 하고 자외선에 의한 반응을 빠른 시간 내에 이루어지게 하기 위해서 우레탄 올리고머를 사용하고, 반응성 단량체들을 45 ~ 50 중량부로, 철재와의 접착력을 강화시키기 위해 산 컴파운드를 3 ~ 5 중량부로, 자외선에 의해 여기 되어 광중합을 개시하는 광개시제를 3 ~ 8 중량부로 하고, 철재와의 친화성이 높아 접착력을 높여 주는 인산 아크릴레이트를 3 ~ 5 중량부로 하는 것을 특징으로 하는 조성물 및, 상기 수지 조성물을 강판에 코팅한 다음 자외선 경화기에 넣고 200 ~ 400nm 파장 범위에서 1 ~ 10초간 노출시켜 제조된 가공성이 우수한 자외선 경화 코팅 강판을 제공함으로써, 경도와 접착력 및 가공성을 동시에 가지는 공업적으로 유용한 코팅 도막을 얻을 수 있다.

Description

철재 코팅용 자외선 경화 수지조성물 및 이를 이용한 자외선 경화 코팅 강판

본 발명은 철재 코팅용 자외선 경화 수지 조성물 및 이를 이용한 자외선 경화 코팅 강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자외선 경화 방식을 이용할 수 있는 경화 수지 조성물 및 이를 이용하여 제조된 경도와 접착력 및 가공성이 우수한 자외선 경화 코팅 강판에 관한 것이다.

철재 사무용품, 완구류, 장식품 등과 산업 기계, 화학 설비, 전력 시설, 건축물 등 각종 철강 구조물에 사용되는 철강 재료들은 그 표면 보호와 방식성의 향상, 재료의 미려함을 주기 위해서 일반적으로 금속 표면에 페인트를 도포하거나, 필름 시이트(film sheet)를 부착하는 방법을 이용해서 코팅 도막을 형성한다. 이는 주로 열경화성 폴리에스테르나 에폭시 그리고 폴리우레탄을 여러 가지 첨가제와 함께 금속 표면에 도포한 후 열경화 방식에 의해 코팅 도막을 얻는 방법이다.

반면, 고분자 조성물과 희석제를 혼합하고 자외선 조사에 의해 코팅 도막을 형성하는 자외선 경화 코팅(UV radiation cured coating) 방식은 기존의 경화 방식과는 달리 경화 반응을 자외선에 의존 경화 반응의 속도가 수초에서 수십초 사이로 기존 열경화 방식과는 비교하기 힘들 정도로 빠르며, 그 코팅 피막의 물성은 고광택성과 경도 내약품성 등을 가져서 기존의 도료나 고분자 코팅보다 우수하고 이로 인해서 여러 분야의 잠재 응용성을 가지고 있다. 또한, 용제를 사용하지 않으므로 환경 오염 문제를 줄일 수 있으며, 기존의 용매 휘발형의 도장계나 열에 의한 화학 반응에 기초한 도장계, 정전이나 전착 도장계와 같은 다른 기타 도장 방법에 비해 가열 과정이 필요 없어 에너지 소모도 적은 코팅 방법이다.

이와 같이 자외선 경화 수지 코팅 방법은 열경화 방식에 비해 저장 안정성이 우수하고, 상온에서 수초 내에 경화가 가능하여 생산성 면에서도 우수하며, 성능면에서도 내마모성이 우수하고 경화막의 면화도 적고 내수성, 내용제성, 내후성, 내열성 등이 우수한 장점이 있다.

그러나, 기존의 자외선 경화 수지 조성물에 의해 얻어지는 코팅층은 철재와는 친화성이 없어서 단지 가구나 장식품 제조용 목재나 플라스틱, 특수 용도 종이류의 코팅에 주로 쓰이고 있으며, 철재에 코팅을 시도할 때 피착 철재 위에 도막이 잘 형성되지 않으며 형성되더라도 접착력이 양호하지 않아 철재와 쉽게 분리되어 철채 코팅용으로 적합하지 않다.

대한 민국 특허 출원 제 90-4151호에서는 자외선 경화 코팅 방식을 시력 보호용 아크릴판에의 제조에 응용하여 플라스틱 표면의 코팅에 적용한 것이 제안되어 있다. 그리고, 일본 특허 출원 제 89-9212호에서는 PET병에 폴리에스테르를 이용하여 자외선 경화 코팅 방식을 제안하였으며, 이는 고분자 위에 친화성 있는 고분자 막을 형성하는 것으로 고분자와는 친화성이 없는 철재에 적용할 수 없다.

또한, 일본 특허 제 2175240에서는 장식용 보드에 응용해서 알루미늄에 자외선 경화 코팅 방식을 일부분 적용했으나, 역시 이 조성도 알루미늄에만 응용될 수 있을 뿐 고분자와는 친화성이 떨어지는 철재에는 적용이 불가능하다.

대한 민국 특허 출원 제 96-68740호와 제 96-68741호에서는 최근 에폭시와 우레탄 수지를 이용한 철재로의 자외선 경화형 수지 조성이 개발되어 응용을 시도하고 있으나, 그 물성, 특히 가공성이 부족하여 쉽게 사용할 수 없다. 또한, 부족한 가공성을 보안하기 위해서 새로운 자외선 경화 수지 조성이 개발되어 응용을 시도하고 있는 경우에도 경화된 코팅 도막의 경도와 마모성이 떨어지는 단점이 있다. 그리고, 가공성과 마모성을 적절히 조합하여 제조된 자외선 경화형 수지에서도 도막의 접착력이 충분하지 못해 아직 그 쓰임이 많지 않은 실정이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 자외선 경화 코팅 방식을 철재에 적용하여 공업적 응용에 가장 필요한 가공성과 경도를 동시에 가지며 도막과 피착소재와의 접착력도 우수한 철재용 자외선 경화 수지 조성물을 제공하고, 상기 철재 자외선 경화 수지 조성물을 이용한 자외선 경화 코팅 강판을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 철재 코팅용 자외선 경화 수지 조성물에 있어서, 수지 조성물의 주가 되는 광 반응성 올리고머(oligomer)를 전체 조성에 대해 50 ~ 55 중량부로 하고 자외선에 의한 반응을 빠른 시간 내에 이루어지게 하기 위해서 우레탄 올리고머(urethane oligomer)를 사용하고, 희석제로 반응성 단량체(monomer)들을 45 ~ 50 중량부로, 철재와의 접착력을 강화시키기 위해 산 컴파운드(acidic compound)를 3 ~ 5 중량부로, 자외선에 의해 여기 되어 광중합을 개시하는 광개시제를 3 ~ 8 중량부로 하고, 철재와의 친화성이 높아 접착력을 높여 주는 인산 아크릴레이트를 3 ~ 5 중량부로 하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 수지 조성물을 강판에 코팅한 다음 자외선 경화기에 넣고 200 ~ 400nm 파장 범위에서 1 ~ 10초간 노출시켜 제조된 가공성이 우수한 자외선 경화 코팅 강판이 제공된다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 우레탄 올리고머와 반응성 단량체, 산 컴파운드, 광개시제 및 인산 아크릴레이트를 적절량 배합하여 철재에 코팅 가능한 자외선 경화 수지 조성물로 제조하고 상기 수지 조성물을 코팅하여 제조된 경도와 가공성이 우수하며, 철재와 접착력이 높은 자외선 경화 코팅 강판을 제조한다.

상기 단량체들은 말단에 아크릴(acryl)기가 있는 분자량 1500 정도의 점도가 높은 우레탄 올리고머의 희석 작업을 용이하게 하며 자발적으로 반응에 참여하여 유연성, 강인성, 접착력, 광택도, 경도 등의 도막 물성에 영향을 주는 역할을 하는 반응성 희석제로 이소보닐 아크릴레이트(IBOA ; Isobornyl Acrylate)와 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPTA ; Trimethyolpropane Triacrylate)와의 혼합물을 사용한다.

그리고, 상기 광개시제로 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-원(HMPP ; 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-propane-1-one)를 3 ~ 5 중량부로 사용한다.

한편, 철재와의 친화성이 높아 접착력을 높여 주기 위한 상기 인산 아크릴레이트의 함량을 3 ~ 5 중량부로 사용한다. 인산 아크릴레이트의 함량이 3 중량부 미만인 경우에는 도막의 피착제에 대한 접착력의 증대를 가져오지 못하고, 함량이 5 중량부를 초과하는 경우에는 도막의 경도가 떨어지게 된다. 이것은 인산 아크릴레이트에 함유된 인산기의 극성이 커서 적당한 조성하에서는 철판과의 친화성이 커져서 접착력의 증대를 가져오나, 함유량이 적으면 접착력을 증대시킬 수 있는 친화성이 크지 않고, 함유량이 너무 많으면 극성기 끼리의 극성 작용에 의해 접착력에 도움을 주지 못하고 도막 물성중 경도가 떨어지기 때문이다.

상기와 같이 제조된 자외선 경화 수지 조성물을 강판에 코팅한 다음 자외선 경화기에 넣고 적정 파장 범위에서 노출시켜 자외선 경화 코팅 강판을 제조한다.

자외선 경화 수지를 코팅하는 강판은 미리 샌딩이나 샌드 블라스팅 등으로 처리한 다음 직접 자외선 경화 코팅 수지를 코팅하거나 방식능과 접착력을 향상시키기 위하여 프라이머를 코팅한 다음 자외선 경화 수지를 코팅할 수도 있다.

또한, 기존의 유기 피복 강판이나 칼라 강판의 코팅막 위에 외관의 미려함을 증가시키기 위하여 자외선 경화 수지를 코팅할 수도 있다.

만일, 기존의 코팅막 위에 자외선 경화 코팅을 추가로 실시할 경우에는 기존 코팅막의 보호 필름을 자외선 경화 코팅 직전에 제거하여 외부 오염 물질이 부착되는 것을 막아야 한다. 기존의 코팅막이 외부 오염에 노출되었을 경우에는 알코올과 같은 용제로 딱아낸다.

상기 자외선 경화 수지의 코팅 방식은 롤 코팅이나 스프레이 코팅 또는 바 코팅 등 기존의 일반적인 코팅 방식을 사용할 수 있다. 단지 코팅 방식에 따라 적절한 수지의 점도를 조정하여 코팅 도막의 형성을 용이하게 하여야 한다.

상기 수지를 코팅한 후에 자외선 경화기에 넣어 경화 반응을 실시한다. 여기에 사용되는 자외선 파장은 200 ~ 400nm, 바람직하게는 250 ~ 350nm에서 5 ~ 15초간 노출시키면 경화 반응이 완료되고 가공성이 개선되고 접착력이 우수한 자외선 경화 코팅 강판을 제조하게 된다.

이하, 실험 데이터를 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명한다.

실시예

하기 표 1에 자외선 경화용 수지 조성물을 나타내었다. 올리고머로 우레탄 아크릴레이트를 50 중량부, 희석제로 이소보닐 아크릴레이트와 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트와의 혼합물을 50 중량부, 광개시제로 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-원을 5 중량부로 하고 첨가제로 아크릴릭 메타크릴릭 산 컴파운드를 3 중량부와 인산 에칠아크릴레이트를 여러 함량으로 혼합한 후 0.7mm의 철판에 30μm 두께로 도포하고 λmax=310nm 파장의 자외선을 10초간 조사하여 철판에의 접착이 적절하고 물성이 양호한 코팅 도막을 제조하였다.

올리고머	단량체	첨가제	개시제
Urethane Acrylate	IBOA	Acidic Compound¹⁾Phosphoric Ethylacrylate	HMPP
	TMPTA

주1) Acidic compound : acrylic-methacrylic acid compound

하기 표 2는 자외선 경화용 수지 조성중 인산 에칠아크릴레이트의 함량에 따른 경도와 접착력을 측정하여 그 결과를 나타내었다.

인산 아크릴레이트 함량 (중량부)	0	0.5	1	3	5	7	10
경도(H)	3H	3H	3H	3H	3H	2H	1H
접착력(kg/314mm²)	23	25	25	29	35	34	37

상기 표 2에 개시된 바와 같이, 인산 에칠아크릴레이트를 이용한 자외선 경화 코팅의 조성에서 본 발명에 따른 인산 에칠아크릴레이크의 함량이 3 ~ 5 중량부 사이에서 기본 물성을 유지하며 본 발명의 범위를 벗어난 경우에 비해 접착력이 우수함을 나타내었다.

즉, 인산 에칠아클리레이트의 함량이 3 중량부 미만에서는 도막의 피착제에 대한 접착력의 증대를 가져오지 못했으며, 함량이 5 중량부를 초과하는 경우에는 도막의 경도가 떨어지는 현상을 보여 주었다. 이는 인산 에칠아크릴레이트에 함유된 인산기의 극성이 커서 본 발명의 범위인 3 ~ 5 중량부 사이에서는 철판과의 친화성이 커져서 접착력의 증대를 가져오나, 함량이 적으면 접착력을 증대시킬 수 있는 친화성이 크지 않으며, 함량이 많으면 극성기끼리의 극성 작용에 의해 접착력에서는 도움을 주지 못하고 경도만 떨어지기 때문이다.

그리고, 인산 에칠아크릴레이트를 이용한 자외선 경화 코팅 조성물의 가공성을 평가하기 위하여 상기와 동일한 조성에 의해 철재에 자외선을 경화한 다음 굴곡 시험을 실시하였다.

봉의 직경을 1/4 ~ 1/8 inch의 곡률 반경에 대하여 180°굴곡 시험을 실시한 다음 코팅 도막의 갈라짐(크랙 : crack)과 도막의 들뜸(필링 : peeling)의 발생 여부로 가공성을 판별하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

반경함량	1/4inch	3/8inch	1/8inch
인산아크릴레이트	0	○	○	○
	0.5	○	○	○
	1	○	○	○
	3	○	○	○
	5	○	○	○
	7	○	○	○
	10	○	○	○

○ : 성형 후 도막이 원형대로 유지

△ : 성형 후 도막이 들뜸 현상이 보임

× : 성형 후 도막이 원형대로 유지되지 못하고 찢어지거나 깨어짐

상기 표 3에 개시된 바와 같이, 인산 에칠아크릴레이트를 이용한 자외선 경화 코팅 조성물은 인산 에칠아크릴레이트의 본 발명의 함유량의 범위에서는 물론 발명의 범위를 벗어난 경우에도 가공성이 우수함을 보여 주었다.

이와 같이 본 발명은 인산 아크릴레이트를 이용한 자외선 경화 코팅 조성물에 있어 본 발명의 범위에 따라 제조된 경우, 경도와 접착력 및 가공성을 동시에 가지는 공업적으로 유용한 코팅 도막을 얻을 수 있다.

Claims

철재 코팅용 자외선 경화 수지 조성물에 있어서,

우레탄 올리고머의 함량을 전체 조성에 대해 50 ~ 55 중량부로, 희석제의 함량을 45 ~ 50 중량부로, 철재와의 접착력을 강화시키기 위해 산 컴파운드(acid compound)의 함량을 3 ~ 5 중량부로, 광개시제의 함량을 3 ~ 8 중량부로 하고, 철재와의 친화성이 높아 접착력을 높여 주는 인산 아크릴레이트를 3 ~ 5 중량부로 하는 것을 특징으로 하는 철재 코팅용 자외선 경화 수지 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 인산 아크릴레이트로 인산 에칠아크릴레이트를 사용하는 것을 특징으로 하는 철재 코팅용 자외선 경화 수지 조성물.
제 1 항에 의한 수지 조성물을 강판에 코팅한 다음 자외선 경화기에 넣고 200 ~ 400nm 파장 범위에서 5 ~ 15초간 노출시켜 제조된 경도와 접착력 및 가공성이 우수한 자외선 경화 코팅된 강판.