21세기 들어 자동차 도료산업은 엄격한 환경규제 및 생산 효율성 향상 및 더 낮은 생산비용으로 자동차용 도료를 생산하기 위하여 세정 및 전처리 과정을 삭제한 pre-primed 도장 시스템이 연구되고 있다. 이러한 pre-primed 도료 시스템의 경우, 차체 조립 전 단계에 강판이 유기 도막으로 도장되어있기 때문에 기존의 용접을 통한 조립이 힘들어 용접공정을 대체할 수 있는 새로운 비용접식 접합기술의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서 비용접식 pre-primed 시스템에 적용하기 위하여 유연성과 성형성이 향상된 polyester계의 primer 1과 polyurethane계의 primer 2를 개발하였다. 개발된 도료의 물리적인 물성과 도장면의 부착력 평가 결과, primer 1이 primer 2에 비하여 연필경도, 내용제성, 유연성 및 접착제와의 부착력이 뛰어남을 알 수 있었으며, 용접공정을 대신한 비용접식 pre-primed 시스템의 가능성을 확인할 수 있었다.
21세기 들어 자동차 도료산업은 엄격한 환경규제 및 생산 효율성 향상 및 더 낮은 생산비용으로 자동차용 도료를 생산하기 위하여 세정 및 전처리 과정을 삭제한 pre-primed 도장 시스템이 연구되고 있다. 이러한 pre-primed 도료 시스템의 경우, 차체 조립 전 단계에 강판이 유기 도막으로 도장되어있기 때문에 기존의 용접을 통한 조립이 힘들어 용접공정을 대체할 수 있는 새로운 비용접식 접합기술의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서 비용접식 pre-primed 시스템에 적용하기 위하여 유연성과 성형성이 향상된 polyester계의 primer 1과 polyurethane계의 primer 2를 개발하였다. 개발된 도료의 물리적인 물성과 도장면의 부착력 평가 결과, primer 1이 primer 2에 비하여 연필경도, 내용제성, 유연성 및 접착제와의 부착력이 뛰어남을 알 수 있었으며, 용접공정을 대신한 비용접식 pre-primed 시스템의 가능성을 확인할 수 있었다.
Currently, automotive pre-primed coatings has been developed to overcome environmental regulations and to reduce manufacturing cost in automotive industry. By these reasons, an automotive pre-primed system has been investigated to remove the wash and pre-treatment process using a roll coating applic...
Currently, automotive pre-primed coatings has been developed to overcome environmental regulations and to reduce manufacturing cost in automotive industry. By these reasons, an automotive pre-primed system has been investigated to remove the wash and pre-treatment process using a roll coating application. It is required to develop non-weldable pre-primed system for automotive structural adhesives, because pre-primed sheet coated with organic compounds is hard to be assembled by welding process. Primer 1 (polyester type) and primer 2 (urethane type) were designed to satisfy flexibility and formability for non-weldable pre-primed system. According to the results of physical property test of the primers, adhesion test such as single-lap shear test and T-peel test, primer 1 (polyester type) had better physical properties such as pencil hardness, solvent resistance, flexibility and adhesion with automotive adhesive than that of primer 2 (polyurethane type). In addition, the possibility of the non-weldable pre-primed system was applicable to automotive assembly process in place of welding process.
Currently, automotive pre-primed coatings has been developed to overcome environmental regulations and to reduce manufacturing cost in automotive industry. By these reasons, an automotive pre-primed system has been investigated to remove the wash and pre-treatment process using a roll coating application. It is required to develop non-weldable pre-primed system for automotive structural adhesives, because pre-primed sheet coated with organic compounds is hard to be assembled by welding process. Primer 1 (polyester type) and primer 2 (urethane type) were designed to satisfy flexibility and formability for non-weldable pre-primed system. According to the results of physical property test of the primers, adhesion test such as single-lap shear test and T-peel test, primer 1 (polyester type) had better physical properties such as pencil hardness, solvent resistance, flexibility and adhesion with automotive adhesive than that of primer 2 (polyurethane type). In addition, the possibility of the non-weldable pre-primed system was applicable to automotive assembly process in place of welding process.
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문제 정의
그러나 이 경우, 이미 자동차 구조용 접착제를 선도하고 있는 Henkel, Dow 社의 접착제를 사용한 자동차 차체-접착제 사이의 부착력의 기준값이므로 기준치로 설정하기 다소 무리가 있다. 따라서 본 실험에서는 GI 강판과 구조용접착제 사이의 부착력을 기준으로 pre-primed 강판의접착물성을 상대적으로 평가하기로 하였다.
현재 자동차 구조용 접착제는연구 초기 단계이기 때문에 사용 접착제를 적용한 연구가 다수 진행되고 있으며, 자체 포뮬레이션 설계를통한 연구 또한 진행되고 있다. 본 연구에서는 자동차용 pre-primed 도료 시스템에 비용접식 접합공정의 가능성을 확인하기 위하여 개발한 polyester 계의 primer 1과 polyurethane 계의 primer 2를 선택하였다.
제안 방법
test를 응용하였다[7]. Figure 1에 나타내었듯이, 각 규격에 맞도록 준비된 도장 강판 위에 0.2 mm 두께로접착제를 도포하여 160℃ 조건에서 20 min간 경화한후 만능재료시험기 (AG-X, SHIMADZU Co., Japan)를이용하여 접착강도를 측정하였다. 또한 primer 2종의접착물성의 기준을 마련하기 위하여 도장되지 않은 GI 강판 위에 접착제를 도포하여 같은 조건의 물성시험을진행하였다.
,anized Steel (GI) 과 유연성과성형성을 목적으로 설계된 2종의 primer 를 선택하여 준비하였다. Primer 1은 polyester 계의 선형 수지로, 높은유연성을 가지도록 1, 6-hexanedi이와 adipic acid의 함량을 높게 설계하였다. Primer 2는 분자량 1,000, 2, 000의 polytetramethylene ether glycol (PTMG) 을 혼용한 polyurethane 계의 수지로 높은 유연성을 가지도록 낮은 OH value 를 가지도록 합성되었다.
, Japan)를이용하여 접착강도를 측정하였다. 또한 primer 2종의접착물성의 기준을 마련하기 위하여 도장되지 않은 GI 강판 위에 접착제를 도포하여 같은 조건의 물성시험을진행하였다. 시험 조건은 20℃에서 Single-lap shear test는 1.
자동차용 primer 의 표면 경도는 자동차의 중도, 상도에 비하여 요구조건이 높지는 않으나 경도가 약할 경우, 외부충격에 의한 도료의 강도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 미쓰비시 연필경도 기준의 HB grade 이상을 충족시켜야 한다. 유연성과 성형성을 목적으로 1, 6-hexanedi이와 adipic acid 의 함량을 높게 설계된 primer 1의 연필경도는 H, primer 2의 연필경도는 HB로 HB grade 이상을만족시켰다.
비용접식 접합공정이 필요하다. 유연성과 성형성을 목적으로 설계된 polyester 계 primer 1과 polyurethane계 primer 2를 선택하여 pre-primed 강판을 제작하였으며, 에폭시계 수지를 이용하여 기본적인 자동차구조용 접착제를 배합하였다. 선택된 primer 1과 2의기본적인 물리적 물성을 측정한 결과, 부착성 측면에서는 2종의 primer 모두 만족하였으나 표면경도, 내용제성, 유연성 측면에서 polyester 계의 primer 1이 더 나은물성을 보였다.
자동차 구조용 접착제는 액상 에폭시 수지 YD-128 (국도화학)과 유연성과 반응성이 높은 우레탄 변성 에폭시 수지 UME-330 (국도화학)을 접착제의 주 수지로선택하였다.
자동차용 pre-primed 강판을 제작하기 위하여 자동차용으로 사용되는 두께 0.8 mm GI 강판 위에 선택된 2종의 primer 1, 2를 약 15 μm 두께로 bar-coater롤 사용하여각각 도장한 후 자동배줄오븐(Automatic Ejecting Oven, TSA-10, (주)태성엔지니어링)을 통해서 300℃ 에서 30 s 동안 경화하여 시편을 제작하였다.
자동차용 pre-primed 도료로 설계된 primer 1과 2의물리적 물성을 평가하기 위하여 자동차 도료의 평가항목으로 사용되는 연필경도시험 (Pencil hardness test, ASTM D 3363), 마찰시험(MEK Rub test, ASTM D 4752), 계면부착성능시험 (Cross-cut Erichsen test, BS EN ISO 1520), 굴곡성시험(T-bending test, ISO 17132)을 진행하였다[1].
선택된 primer 1과 2의기본적인 물리적 물성을 측정한 결과, 부착성 측면에서는 2종의 primer 모두 만족하였으나 표면경도, 내용제성, 유연성 측면에서 polyester 계의 primer 1이 더 나은물성을 보였다. 자동차용 pre-primed 도료를 이용한 비용접식 접합공정의 가능성을 살펴보기 위하여 강판, primer 1, 2의 Single-lap shear test와 T-peel test를 실시하였다. 실험결과, 물리적 물성이 더 뛰어났던 primer 1은어느 정도 가능성을 보여준 것에 반하여 primer 2는 비용접식 pre-primed 도료에 부적절한 수지 타입으로 판단되었다.
3 mm/min, T-peel test는 254 mm/min 속도로 설정하였다. 접착물성평가가 끝난 뒤 접착제의 파괴거동을 관찰하기 위하여 Video microscope (PW ICS-305B, Pluswin Co., Korea) 를 이용하여 도장면과 접착제의 파괴 단면을관찰하였다.
대상 데이터
사용되고 있는 Gal.,anized Steel (GI) 과 유연성과성형성을 목적으로 설계된 2종의 primer 를 선택하여 준비하였다. Primer 1은 polyester 계의 선형 수지로, 높은유연성을 가지도록 1, 6-hexanedi이와 adipic acid의 함량을 높게 설계하였다.
경화제로는 경화의 용이성을 위하여 선형 구조를 가지고 있는 디시안디아미드 (Dicyandiamide) 를 사용하였다. 에폭시 수지와 경화제의 경화 조건을 조절하기 위하여 촉매제로 이미다졸 (Imidazole) 를 선택하여 실험을진행하였다.
에폭시 수지와 경화제의 경화 조건을 조절하기 위하여 촉매제로 이미다졸 (Imidazole) 를 선택하여 실험을진행하였다. 접착제의 성분 별 조성은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
Figure 2. Single-lap shear test를 이용한 비용접식 접착강도 물성평가.
Figure 5. T-peel test를 이용한 비용접식 접착강도 물성평가.
자동차용 pre-primed 도료를 이용한 비용접식 접합공정의 가능성을 살펴보기 위하여 자동차 소재에 대한자동차 구조용 접착제의 성능평가지표로 사용되는 ASTM D 1002-10인 Single-lap shear test 와 ASTM D 1876-08 인 T-peel test를 응용하였다[7]. Figure 1에 나타내었듯이, 각 규격에 맞도록 준비된 도장 강판 위에 0.
성능/효과
Figure 6은 Video microscope롤 이용하여 100배율로 파괴단면을 확대해서 살펴본 결과이다. Primer 1의 경우, 하얀 색의 접착제가 파편을 이루듯 검은 색의 도장면에 분포되어 있음을 관찰할 수 있어, 이는 single-lap shear test 시편에 비하여 T-peel test의 접착제도포면적이 큼으로 인하여 접착제가 도장면에 충분히 wetting 이 되지 않았음을 확인할 수 있었다. 반대로 primer 2의 경우에는 primer 1의 결과와 다르게 하얀 색의접착제가 관찰되지 않고 검은색의 도장면만이 관찰되어 도장면-강판 사이의 계면파괴가 일어나서 반대편 시편의 도장면 전체가 전이되었음을 보여주고 있다.
그러나 T-peel test의 시험 결과, single-lap shear test의 결과와 다르게 GI 강판의 접착력에 비하여 primer 1의 시편의 접착력이 다소 떨어짐을 관찰할 수 있었다.
실험결과, 물리적 물성이 더 뛰어났던 primer 1은어느 정도 가능성을 보여준 것에 반하여 primer 2는 비용접식 pre-primed 도료에 부적절한 수지 타입으로 판단되었다. 본 실험의 결과, 비용접식 pre-primed 접합기술은 현재 사용되고 있는 소재-접착제 간의 접합기술을응용함으로써 실현 가능하다는 결론을 얻을 수 있다.
유연성과 성형성을 목적으로 설계된 polyester 계 primer 1과 polyurethane계 primer 2를 선택하여 pre-primed 강판을 제작하였으며, 에폭시계 수지를 이용하여 기본적인 자동차구조용 접착제를 배합하였다. 선택된 primer 1과 2의기본적인 물리적 물성을 측정한 결과, 부착성 측면에서는 2종의 primer 모두 만족하였으나 표면경도, 내용제성, 유연성 측면에서 polyester 계의 primer 1이 더 나은물성을 보였다. 자동차용 pre-primed 도료를 이용한 비용접식 접합공정의 가능성을 살펴보기 위하여 강판, primer 1, 2의 Single-lap shear test와 T-peel test를 실시하였다.
자동차 구조용 접착제는 에폭시계 수지를 선택하여열경화가 가능하도록 배합하여 pre-primed 도장면과 접착제 사이의 부착강도 및 파괴 거동을 관찰함으로써자동차용 pre-primed 도료의 비용접식 접합공정이 가능함을 확인하였다.
참고문헌 (11)
H. J. Streitberger, K. F. Dossel, Automotive Paints and Coatings, WILEY-VCH, Weinheim (2008).
A.-S. Jandel and B. Meuthen, Coil Coating, Vieweg & Sohn, Wiesbaden (2005).
K. Ueda, H. Kanai, T. Suzuki, and T. Amari, Prog. Org. Coat., 43, 233 (2001).
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