유체의 흐름에 의한 부분적 진공현상인 캐비테이션이 재료 표면에 충격을 주어 철강류 표면이 마모되는 현상에 대응하기 위해 판상형 glass-flake를 적용한 내캐비테이션용 도료를 개발하였다. 특히, 가소성이 좋고 내수성이 뛰어난 특성의 NBR (Acrylonitrile-butadiene rubber) 변성 에폭시 수지에 판상형 glass-flake를 필러로 상용하여 유 무기 복합 세라믹 코팅도료를 개발하였다. 특히 glass-flake는 두께는 100~200 nm 정도로 박막형이며, 길이는 $20{\sim}30{\mu}m$ 정도의 판상으로 종횡비가 약 200~300배에 달해 마모 및 내식성에 우수한 성능을 나타낸다. 본 도료로 도막형성 후 접착강도, 인장강도, 연신률, 내캐비테이션 성능을 평가한 결과, 인장강도 $4.8{\sim}6N/mm^2$ 이상, 파단연신률 30%이상, 마식속도 $10mm^2/h$이하, 복합사이클 내식성시험에서 모두 우수한 성능을 보였다. 특히 내 캐비테이션 성능 평가에서 기존 선진 외국 제품대비 2배 이상의 우수한 성능을 나타내었다.
유체의 흐름에 의한 부분적 진공현상인 캐비테이션이 재료 표면에 충격을 주어 철강류 표면이 마모되는 현상에 대응하기 위해 판상형 glass-flake를 적용한 내캐비테이션용 도료를 개발하였다. 특히, 가소성이 좋고 내수성이 뛰어난 특성의 NBR (Acrylonitrile-butadiene rubber) 변성 에폭시 수지에 판상형 glass-flake를 필러로 상용하여 유 무기 복합 세라믹 코팅도료를 개발하였다. 특히 glass-flake는 두께는 100~200 nm 정도로 박막형이며, 길이는 $20{\sim}30{\mu}m$ 정도의 판상으로 종횡비가 약 200~300배에 달해 마모 및 내식성에 우수한 성능을 나타낸다. 본 도료로 도막형성 후 접착강도, 인장강도, 연신률, 내캐비테이션 성능을 평가한 결과, 인장강도 $4.8{\sim}6N/mm^2$ 이상, 파단연신률 30%이상, 마식속도 $10mm^2/h$이하, 복합사이클 내식성시험에서 모두 우수한 성능을 보였다. 특히 내 캐비테이션 성능 평가에서 기존 선진 외국 제품대비 2배 이상의 우수한 성능을 나타내었다.
In response to the cavitation caused by the partial vacuum caused by the fluid flow, a paint was developed by dispersing the lamella-shaped glass-flake in resin for anti-cavitation. This composite paint was developed by using the inorganic filler (lamella shaped glass-flake) and the NBR (Acrylonitri...
In response to the cavitation caused by the partial vacuum caused by the fluid flow, a paint was developed by dispersing the lamella-shaped glass-flake in resin for anti-cavitation. This composite paint was developed by using the inorganic filler (lamella shaped glass-flake) and the NBR (Acrylonitrile-butadiene rubber) which was modified epoxy resin. Especially, the glass-flake was a thin film with a thickness of about 100~200 nm and length of about $20{\sim}30{\mu}m$, the aspect ratio was about 200 to 300 times that of the plate-shaped. So the paint for anti-cavitation have shown excellent performance in corrosion resistance. The results of evaluating anti-cavitation performance was below, tensile strength $4.8{\sim}6N/mm^2$ or more, rupture elongation 30% or higher, abrasive speed $10mm^2/h$ or less. In particular, it showed more than twice the superior performance compared to existing advanced foreign products in anti-cavitation performance evaluation.
In response to the cavitation caused by the partial vacuum caused by the fluid flow, a paint was developed by dispersing the lamella-shaped glass-flake in resin for anti-cavitation. This composite paint was developed by using the inorganic filler (lamella shaped glass-flake) and the NBR (Acrylonitrile-butadiene rubber) which was modified epoxy resin. Especially, the glass-flake was a thin film with a thickness of about 100~200 nm and length of about $20{\sim}30{\mu}m$, the aspect ratio was about 200 to 300 times that of the plate-shaped. So the paint for anti-cavitation have shown excellent performance in corrosion resistance. The results of evaluating anti-cavitation performance was below, tensile strength $4.8{\sim}6N/mm^2$ or more, rupture elongation 30% or higher, abrasive speed $10mm^2/h$ or less. In particular, it showed more than twice the superior performance compared to existing advanced foreign products in anti-cavitation performance evaluation.
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문제 정의
테버식 마모시험기에 의한 유기도료의 내마모 표준 시험방법으로, 이 시험방법은 낮은 재현성 때문에 수치적 내마모성 값이 이용되어야 할 때 시험하는 것으로 사용이 제한되어져 있으나, 본 개발에서는 캐비테이션에 대한 마모성과의 상호 연관성을 비교하기 위하여 실험을 실시하였다.
제안 방법
개발품의 Glass flake의 내식성에 미치는 영향을 평가하기 위해 NBR 변성 에폭시 수지에 판상형 무기재료 적용/미적용 샘플을 제조하여, 다음 표와 같이 시간, 온도, 조건을 단계별로 조정하여 1~4단계를 1 사이클로 반복 실험하여 샘플의 표면관찰을 수행하였다.
개발품의 내식성평가는 나노필러 유무에 따른 샘플을 제조하여 복합염수분무실험(KSM ISO 11997-1)을 실시하였으며, Glass-flake 미적용 시는 200시간 후 부풀음, 녹 및 균열발생의 표면 결함이 관찰되었고, 적용 시료는 300시간까지 50사이클을 반복 실험을 수행하여도 부풀음, 녹 및 균열발생의 표면 결함이 없었다.
그러므로, 본 연구에서는 도료의 파단현상을 피할 수 있고 내마식 성능을 높일 수 있는 glass flake의 크기(두께와 길이)를 최적화하고, 수지 내 플레이크를 고르게 분산시켜 외부 요인에 대응하는 내마식 성능을 개선시켰다.
또한, 복합염수분무실험(내식성 평가)를 NBR변성 에폭시수지에서 나노필러 채용 여부에 따라 실시하였다.
본 제품은 국내외에 주로 사용되는 Modified Si elastomer의 수지 및 에폭시 계열 제품 대비 광택유지 및 내후성은 우수하나, 경화제와의 상용성, 건조성, 재 도장에 따른 층간 부착성, 인장강도와 탄성 확보를 위해 NBR modified elastomer의 수지를 적용하였다.
부착력을 알아보기 위하여 자가 부착력 테스트기 타입인 돌리테스기를 사용하였으며, 이 기기는 돌리는 위쪽이 구형으로 테스트할 표면 위에 당기는 힘을 축적하고 수직으로 곧게 당긴다.
실험방법은 인장전단, 접착강도, 부착강도, 인장강도, 연신율, 표면경도, 캐비테이션 실험을 Table 2의 표준시험방범에 따라 실시하였으며, 아래 일부 실험방법을 기술한다.
이 시편을 48시간, 25oC에서 건조한 후, 도료의 물성, 즉인장강도, 접착성, 내식성 및 캐비테이션 등의 물성을 평가하였다.
접착시편으로는 일반 탄소강으로 두께는 3.2 mm이며, 진공상태에서 기포와 휘발 성분을 제거한 후 접착면에 도포, 일정 건조 후 완전 경화된 상태에서 시편을 제조하여 테스트를 실시하였다.
측정 시편은 가로 20 mm, 세로 20 mm, 두께 5 mm의 SUS 304에 도료를 2.0±0.1 mm 두께로 도포하고, 진동 20 KHz에 진폭 50 µm의 초음파 기기 혼 밑에 장착을 하여 시편 표면에 초음파를 발생시킨 후 테스트를 실시하였다.
탄성수지(NBR)를 적용한 개발품의 캐비테이션 실험에서는 수지의 탄성 특성으로 소음이 줄어든 것을 타 수지 적용 시료와의 비교 실험에서 확인하였다.
실험실에서의 캐비테이션 침식의 평가방법은 국내외적으로 ASTM G 32, ASTM G 134, 캐비테이션 터널 방법이 주로 사용되고 있으며[5], 본 실험에서는 가장 대표적인 ASTM G32 변형 Type을 적용하여 실험하였다. 특히, 시편 고정 위치를 변형한 개선형을 사용하였다. 이는 원래의 시험법은 진동추의 격렬한 진동에 의해 도포한 시료가 떨어져 나가거나 진동추의 굴곡에 따라 결과가 달라지는 등 실험결과에 대한 신뢰도가 낮아 최근에는 진동추에서 일정 거리를 두고 시편을 고정시켜 평가하는 개선형 평가법이 주로 사용되고 있다[12,13].
본 개발에 사용된 glass flake는 두께가 100~200 nm 정도이고, 종횡비가 200~300로 최적화되었다.
본 개발품은 고탄성 수지를 채용하고, 수지 내 박막형 glass flake를균일하게 혼합하기 위해 coupling agent를 이용하여 glass flake가 기지면에 거의 평행하게 배열된 코팅층을 얻었다.
본 제품은 고성능 내캐비테이션용 중방식(Heavy duty) 도료로 적용하기 위해 NBR (Acrylonitrile-butadiene rubber) 고탄성 변성수지에 박막형 glass flake를 첨가하여 내캐비테이션 도료로 개발되었다.
이론/모형
실험실에서의 캐비테이션 침식의 평가방법은 국내외적으로 ASTM G 32, ASTM G 134, 캐비테이션 터널 방법이 주로 사용되고 있으며[5], 본 실험에서는 가장 대표적인 ASTM G32 변형 Type을 적용하여 실험하였다.
성능/효과
개발품은 미국 N사 내캐비테이션 전문제품 대비 물성을 비교하였으며, 각 항목에서 우수한 결과를 보였으며, 특히, 캐비테이션 실험에서는 마모된 양을 비교한 결과, 2배 이상의 성능을 보였다.
도막 표면을 확대경을 이용하여 관찰한 결과, 버블에 의한 표면 침식효과가 급격히 줄어들어 재료 표면이 거의 상하지 않음을 확인 할 수 있었다.
또한, 국외 선진제품의 캐비테이션 실험결과 및 스테인레스(SUS 304) 표면 실험값으로 개발품의 내 캐비테이션 성능 향상을 확인할 수 있었다.
본 실험은 세라믹메탈함유 수지계 방수·방식제(KSF 4929), 플라스틱의 인장특성 표준시험방법(ASTM D638)에 의한 인장강도 및 신장률 등 개발품의 물성을 테스트한 결과로 인장강도 4.8~6N/mm2이상, 파단연신률 30%이상, 마식속도 10 mm2/h이하, 복합사이클 내식성시험에서 모두 우수한 성능을 보였다.
이에 캐비테이션 실험에서도(Table 4 참조) 국내 주 점유 제품인 기존 미국 제품 대비 약 2배 이상의 저항성을 가진 것으로 평가되어 매우 우수한 성능을 도출하였다.
인장강도 4.8~6N/mm2 이상, 파단연신률 30%이상, 마식속도 10 mm2 /h이하, 복합사이클 내식성시험에서 모두 우수한 성능을 보였다.
추가로, 내마식 보조제 Glass flake를 수지 내에 평행하게 분산 배열함으로써 공동현상 형성 시 발생되는 강한 수압에 차단막을 형성하여 수분 및 산소에 대한 투과 저항성이 우수하고, 특히 내캐비테이션 성능평가에서 기존 선진외국 제품대비(미국 N사) 2배 이상의 성능을 나타내었다.
투입량은 수지 대비 약 5~10%에서 가장 성능이 우수했으며, 10% 이상일 경우, 세라믹코팅제의 기계적 물성이 저하됨을 확인하였다.
특히, 수지 내 무기필러로 외부 충격 에너지를 2차적으로 흡수하는 판상형 nano-glass flake를 적용하여 재료 표면 마식 저항성을 최대화하였는데, 이 필러는 두께가 0.1~0.2 µm정도이고, 크기는 20~30 µm 정도로 종횡비가 200~300정도의 판상형으로 복합 코팅재 대비 강도및 파단 연신률이 상대적으로 우수하여 나노 필러의 물리적 특성으로 내 마식성을 향상시켰다.
후속연구
또한 코팅제의 표면 조도가 높아질 경우, 마찰에 의한 마식성도 증가할 것으로 예상되어, 본 개발품의 적용한 판상형 glass flake의 크기와 형상이 최적화 된 필러일 것으로 기대된다.
최근 대형화, 고속화하는 선박 구조물을 강한 수류현상에서 발생되는 캐비테이션(공동현상)에서 보호하고, 수입제품 국산화에 기여할 것으로 기대한다.
판상형 glass flake 혼합은 나노 규모 필러를 수지 내 균일하게 하여, 원재료 혼합 및 기포의 혼입등 공정상의 어려움, 점도의 급격한 상승에 의한 rheology 제어의 곤란함, 높은 원재료 가격 등의 문제가 상대적으로 적어서 차세대 제품에 비해서 상대적인 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공동현상이 일어나는 것을 방지하기 위한 방법으로는 어떠한 것들이 있었는가?
특히, 선박은 최근 선박의 초대형화, 운항속도 증가, 프로펠러 초대형화에 따라 프로펠러 하중이 증가하고, 고속 프로펠러 후류에서 압력이 급강하하므로 공동현상(cavitation)이 일어나게 된다. 이 현상을 방지하기 위해 구조물의 형상을 개선하거나, 내 침식성 도료를 적용하는 방법이 실험적[6], 혹은 수치 해석적[7]으로 시도되고 있으나, 아직 근본적인 해결방법은 미비하다[8,9].
캐비테이션 마식이란?
캐비테이션 마식이란 선박 및 기계 등의 장치의 수류에 의해 발생 하는 부분적 진공현상(공동현상)에 의한 재료 표면의 파손현상으로, 철강 재료와 같은 구조물 표면에 피로 파괴 및 부식을 동시에 발생 시킨다[4,5]. 내 캐비테이션용 도료의 적용 범위는 선박, 펌프, 해양 구조물, 대형 플랜트 등 적용처가 다양하나 전체 시장에서 규모가 큰 산업군은 기능성 선박용 도료 시장이다.
내캐비테이션용 도료의 특성은 무엇인가?
내캐비테이션용 도료의 특성은 강한 마찰력에 견디고, water jet이재료 표면에 충돌할 때 에너지를 흡수할 수 있는 고 탄성 수지가 필요하고, 표면 코팅재의 폴리머 기지가 탈리되면 추가적인 강화재료가 충격을 버틸 수 있도록 무기재료를 혼합하여 마식에 대응하는 내구성을 확보해야 한다. 그 예로 미국 E사는 무기물을 필러로 탄성 수지에 복합 적용하여 상용화하고, 미국의 N사는 나노 휘스커(whisker) 무기필러를 이용, 일본 N사는 나노 필러의 표면 개질로 제조한 폴리머 -나노 합성물을 수지 내 분산시켜 내구성과 내식성을 개선했으며, 국 내 P사는 무기 실리케이트를 적용한 무기계 고내식성 도료 및 유리 분말을 적용한 선저용 도료도 개발하였다.
참고문헌 (20)
Nevarez-Rascon, A., Orrantia-Borunda, E., Gonzalez-Hernandez, J., Flores-Gallardo, S. and Hurtado-Macias, A., "Mechanical Characterization of Optical Glass Fiber Coated with a Thin Film of Silver Nano-particles by Nano-indentation," Material Letters, 63-66(2014).
Chow, W. S., "Water Absorption of Epoxy/glass Fiber/organo - montmorillonite Nanocomposites," Express Polimer Letters, 104-108(2007).
Chou, T. P., Chandrasdkaran, C., Limmer, S. K., Serji, S., Wu, Y., Forbess, M. J., Nguyen, C. and Cao, G. Z., "Organic-inorganic Hybrid Coatings for Corrosion Protection," Journal of Non-crystalline Solids 290, 153-162(2001).
Kim, K. H. and Chahine G., "Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Prediction, Fluid Mechanics and Its Applications," Franc, J. P. and Karimi, A., e-Book ed., Springer (2014).
Kim, S. P., Park, J. J., Kim, Y. S., Jang, Y. H., Choi, Y. B. and Paik, B. G., "An Experimental Research on Gap Entrance Profile Ofr Seni-spade Rudder," SNAK 43(5), 578-585(2006).
Bensow, R. E., Bark, G. and Lu, N., Proceedings of the 8th International Symposium on Cavitation, CAV2012, Singapore, Hydrodynamic Mechanisms in Cavitation Erosion.(2012).
Choi, J. Y. and Kim, S. W., "Functional Cavitation Resistance Coating System with Organic-inorganic Hybrid," KIC News, 16(5), 28-42(2013).
Celine de Lame, Jean-Marie, Claeys, CoRI, Greenwood, P. and Lagnemo H., "Modified Colloidal Silica in Silicate Paints," Architectural Coatings, 49-52(2010).
Paik, B. G., Kim, K. Y., Kim, K. S., Kim, T. S,. Kim, K. R., Jang, Y. H. and Lee, S. U., "Development of New Cavitation Erosion Test Method for Analyzing the Durability of Erosion Resistance Paint," SNAK, 47(2), 132-140(2010).
He, Y. and Shen Z., "Experimental Research on Cavitation ErosionDetection Based on Acoustic Emission Technique," 30th EuropeanConference on Acoustic Emission Testing & 7th International Conference on Acoustic Emission University of Granada(2012).
Thenepalli, T., Ahn, Y. J., Han, C., Ramakrishna, C. and Ahn, J. W., "A Strategy of Precipitated Calcium Carbonate ( $CaCO_3$ ) Fillers for Enhancing the Mechanical Properties of Polypropylene Polymers," Korean J. Chem. Eng., 32(6), 1009-1022(2015).
Kalumuck, K. M., Chahine, G. L., Frederick, G. S., and Aley, P. D., 9th American Waterjet Conference Dearborn Michigan, Development of a Cavitation Water Jet Cleaning Tool for Linderwater Marine Fouling Removal, 541-554(1997).
Soyama, H., "Effect of Nozzle Geometry on a Standard Cavitation Erosion Test Using a Cavitating Jet," Wear, 297, 895-902 (2013).
Qin, C. P., Zheng, T. G. and Wei, R., "Caviatation Erosion Behavior of Nanocomposite Ti-Si-C-N and Ti/Ti-Si-C-N Coatings Deposited on 2Cr13 Stainless Steel Using a Plasma Enhanced Magnetron Sputtering Process," Surface & Coatins Technology, 3530-3538 (2010).
Chang, J. T., Yeh, C. H., He, J. L. and Chen, K. C., "Cavitation Erosion and Corrosion Behavior of Ni-Al Intermetallic Coatings," Wear, 162-169(2003).
Liu, T. and Sullivan, P., Pressure and Temperature Sensitive Paints Experimental Fluid Mechanics, 1st ed., New York: Springer, (2004).
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