KR970005970B1 - 수용성 비결정성 수화 금속 산화물 프라이머를 이용하여 유기접착제로 이음매를 결합시키는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

수용성 비결정성 수화 금속 산화물 프라이머를 이용하여 유기접착제로 이음매를 결합시키는 방법

제1도는 공기-건조시킨 비결정성 수화 금속 산화물로 프라임처리한, 1-3개의 프라이머 피복층을 갖는 알루미늄 접착면의 접착본드의 균열전파를 예시하는 도면이고;

제2도는 진공-건조시킨 비결정성 수화금속 산화물로 프라임 처리한, 2-4개의 프라이머 피복층을 갖는 알루미늄-알루미늄 접착면의 접착본드의 균열전파를 예시하하는 도면이며; 및

제3도는 비결정성 수화 알루미나로 프라임 처리한, 2-4개의 비결정성 알루미나 프라이머 피복층을 갖는 티타늄 접착면의 접착본드의 균열전파를 예시하는 도면이다.

본 발명의 기술분야는 접착제로 이음매를 결합시키는 방법에 관한 것이다.

중량 감소 및 제조원가 절감면에서의 이점으로 인하여 항공기 및 항공우주 공업에 있어서 접착제로 결합시킨 구조물의 사용이 증대되어왔다. 예를들면 금속 페스니(fasteners) 대신에 사용하기위해서는 이들 접착본드가 종래의 패스니계가 갖는 통상적인 강도를 유지하여야 한다. 많은 용도에 있어서, 본드는 각종 환경 및 기계적 스트레스하에 놓이게 된다. 예를들면, 이들 본드를 장시간 환경에 노출시킬 경우 빈번하게 결합강도의 손실이 초래된다. 이와같은 강도의 손실은 균열의 확장 및 기타 다른 변형에 의해 초래되며, 이와같은 현상이 습진 환경에서는 보다 악화된다. 이와 같은 결점으로 인해 습진 조건들에서 이음매 결합성능을 향상시키는 방법 및 그와같은 물질의 개발에 집중적인 연구 및 개발노력이 수행되어 왔다. 예를들면, 알루미늄 및 티타늄을 결합시키는데 있어서는 표면처리가 중요하다는 것이 공지되어 있다. 따라서, 결합시키기 전에 접착면을 세척하고 화학적으로 예비처리하여 접착제를 가할 경우 사용 요구조건에 부합되는 결합강도가 수득되도록하는 것이 필수적이다.

향상된 접착성을 제공하는 알루미늄에 대한 각종 예비처리들이 개발된 바 있으며, 그의 예로서는 산 에칭법(FPL) 및 황산(SA), 크롬산(CAA) 및 인산(PAA)을 이용한 양극산화처리법을 들수 있다. 후자의 방법인 PAA는 현재 결합강도 및 내구성 측면에서 일반적으로 가장 유효한 표면 처리법으로 간주되고 있다. 주사투과 전자 현미기술을 이용한 표면길이 분석에 따르면, PAA 처리법이 다른 표면처리법들에 비해보다 긴 길이 및 크기의 미세한 산화물 용기를 생성하는 것으로 나타났다.

이들 위스커는 PAA처리한 접착면을 이용하여 만들어진 이음매에 있어서의 강도 증가를 입증하는 것으로 추론된다. 따라서 접착제의 위스커 보강에 의한 기계적 인터로킹이 접착결합을 강화시키는 역할을 하는 것으로 나타난다. 중합체/금속 결합에 따라서는 화학적인 상호 작용이 주로 중요한 작용을 할 가능성도 또한 추론된다.

미합중국 특허 제4,623,591호는 균일전파를 방지하는 결합을 형성하는 접착제로 결합시킨 성형품용 비결정성 수화금속산화물에 대하여 기술하고 있다. 금속 성형품은 M_XOR_Y를 도포하고, 이어서 상기층을 가수분해시킴으로써 형성된 비결정성 수화 금속산화물층을 갖는다. 상기식 M_XOR_Y내에서_X는 1이고,_Y는 3또는 4이며, M은 안전한 알콕시드를 형성할 수 있는 임의의 금속이고, 및 R은 유기 라디칼이다. 이때 금속 성형품 표면에 상술한 금속 알콕시드층을 도포하여 이음매를 결합시키는 것이 바람직하다. 상기 금속 성형품을 습기 및 약25-약125℃의 온도에 노출시키고, 접착시키고자하는 성형품과 및 상기 성형품들 사이에 접촉시킨다. 이어서 결합된 성형품들을 가압 및 임의로 가열하여 균열전파가 방지되는 이음매를 얻는다. 그러나, 이들 유기 프라이머는 금속 알콕시드의 유기용액을 기질에 도포함으로써 생성된다. 환경오염에 대한 관심이 증가되고 있는 상황으로 인해서 유기용매의 사용이 금지되고 있다. 따라서, 상술한 표면제제들이 유용하기는 한, 경량 항공우주-형 금속 구조물의 개발을 원조하는데 있어서 환경적으로 안전한 기술이 요구되고 있다.

따라서, 중량이 가볍고, 구조적으로 안전하며, 접착제로 결합시킨 금속 이음매를 제공하는 새로운 방법에 대하여 당해기술분야에서 꾸준한 연구가 계속되고 있다.

본 발명은 유기용매를 사용함이 없이 증가된 균열전파 방지특성을 제공하는 프라이머를 이용함으로써 복수계의 성형품들을 유기접착제를 사용하여 함께 결합시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 알루미늄, 티타늄, 실리콘, 철 또는 지르코늄을 HBr 또는 HI와 반응시키는 것을 포함한다. 이어서 반응 생성물을 수용성 산화제로 산화시켜 수화졸을 형성시키고, 이 수화졸을 접착제를 도포하기에 앞서, 금속 성형품의 표면에 바른다.

접착제로 결합된 이음매용의 상기 비결정성 금속산화물 프라이머를 유기 프라이머들을 사용할때에 비해 균열 전파에 대하여 동일하거나 또는 보다 큰 방지 특성을 갖는 결합을 제공한다. 따라서, 본 발명은 접착제 결합과 관련된 신기술을 제공함으로써 항공우주 공업에 있어서 커다란 진전을 이룩했다.

본 발명의 기타다른 특성들 및 이점들에 관하여는 이하의 명세서 및 청구의 범위, 아울러 본 발명의 구체예를 예시하는 첨부 도면들로부터 보다 명확히 제시된다.

본 발명에 있어서 수용성의 비결정성 수화 금속 산화물 프라이머용 금속으로서는 알루미늄이 바람직하다. 그런, Ti, Si, Fe, Zr 및 기타 다른 수화졸 형성 금속류 또는 이들의 조합물들로 또한 사용가능한 것으로 추론되고 있다.

임의의 산 HX로서는 산화반응을 일으켜 금속-OH결합을 형성하는 금속염을 생성하는 것을 사용한다. 통상적으로, X로서는 Br또는 I를 들수 있으며, 염소는 이하에 기술하는 산화단계중에 산화되지 않으므로 C1은 바람직하지 않다.

통상적으로, 수용성인 임의의 산화제를 사용할 수 있다. 상기 산화제로서는 H₂O₂, O₃, 오르가노히드로피옥시드(예, t-부틸 히드로피옥시드) 및 오존화물을 예로 들수 있다.

통상적으로, 본 발명에 따른 비결정성 수화 금속 산화물 프라이머는 금속과 산을 반응시킴으로써 제조되며, 그의 사용량은 산의 사용량보다 적은 것이 바람직한데 왜냐하면 잔류겔의 용해에 도움을 주기 때문인 것으로 추론된다. 이어서, 상기 생성물의 금속대 음이온의 비를 증가시키기위한 방법을 수행한다. 과량의 할로겐화물은 부식을 일으키므로 히드로졸을 유지시키는 최저량의 음이온이 바람직하다. 금속대 음이온의 비를 증가시키는 바람직한 방법은 상기 반응 생성물의 산화반응이다. 또한, 금속대 할로겐화물의 비를 증가시키기위해서 투석법(예, 반-투과성 막을 사용하는 수성 투석)을 이용할 수도 있으며, 이 경우 산화반응에서 수득되는 결과 이상으로 비가 증가된다. 경험에 근거를 두어 상기 반응을 다음과 같이 알루미늄을 사용하여 예시할 수 있다.

aAl+3a-b H₂O+bHX Al_a(OH)_3a-bX_b+H₂

이들 수용성 무기 프라이머 조성물은 소량의 할로겐화물에 의해 안정화된 수화 알루미나의 콜로이드성 수용액(산화알루미늄 히드로졸)이다. 통상적으로 상기 식중의 a와 b의 비는 약5/1-약800/1이다. 수용성 무기 프라이머를 사용하여 구조물들을 접착 결합시키는데 있어서, 과량의 할로겐화물은 부식을 일으키므로 히드로졸을 유지시킬 수 있는 최소량의 음이온이 적당하므로, 약 8 : 1-약800 : 1의 a : b비가 바람직하다. 산화반응후 용액을 투석함으로써 30 : 1보다 높은 a와 b의 비를 얻을 수도 있다. 이어서 수화 금속 산화물의 수용액을 도포한 후, 통상적으로, 예를들면 약50-약170℃에서 약15분간 건조시킨다. 프라이머로부터 수분이 증발함에 따라 또다른 축합반응이 일어나 보다 분자량이 큰 중합체성 필름이 생성되는 것으로 추론된다.

상기 프라이머층의 두께는 약0.15미크론(u)내지 약 10u사이에서 효율적으로 변화시킬 수 있다. 약 0.3u-약1.0u의 두께가 바람직하다. 약 10u이상인 경우, 층이 너무 두꺼워져 스트레스 상승요인이 생성되고, 그결과 약한 경계층이 형성된다. 약 0.15u이하인 경우에 있어서는, 층이 통상적으로 요구되는 수준의 균열 전파방지특성과 같은 특성들을 제공하지 못한다. 또한, 프라이머를 금속 표면에 복수계의 층으로 도포하는 것이 바람직하며, 이는 단일처리로 두껍게 도포하는 경우에 있어서 수행하거나 보다 어려운 휘발물질(예, 물)의 제거를 용이하게 하기 때문이다.

본 발명에 따른 성형품은 알루미늄, 티타늄, 철, 마그네슘 또는 이들의 합금을 함유한다. 상기 합금이란 주된 금속이 50중량%이상의 양으로 존재하는 제품을 의미한다. 또한, 프라임처리된 금속 성형품을 다른 성형품(예, 세라믹, 에폭시, 폴리이미드, 폴리에스테르, 아크릴, 우레탄, 셀룰로오스, 고무 또는 페놀계복합체와 같은 종래의 섬유 보강 중합체 매트릭스 복합체)과 결합시킬 수도 있다. 섬유로서는 유리, 알루미나, 실리콘 카아바이드, 그라파이트, 아미드 및 케블라(Kevlar)TM섬유(이, 아이, 듀퐁 드뉴모스 컴패니, 월밍톤, 델라웨어)를 예로 들 수 있다.

상술한 수화 금속 산화물 또는 그의 혼합물들중 임의의 것을 사용하여 상술한 금속 성형품들중 임의의것을 프라임처리할 수 있으며, 혼합물의 조성은 알루미늄(또는 그의 합금)에 대하여 알루미나 프라이머를 사용하는 것이 바람직하다는 것을 제외하고는 기의 영향을 미치지 않는다. 따라서, 예를들면 알루미나 프라이머를 알루미늄 또는 그의 합금에 도포할 경우 균열 증식과 같은 특성들이 강화된다.

통상적으로, 표면처리물질은 프라이머를 도포하기전에 사용하여 금속표면에 접착제 수용성을 부여한다. 예를들면, 종래의 알루미늄 표면 제제조성물은 본래 크롬산, 인산 및 황산과 같은 산성을 뛴다. 성형품, 특히 금속 성형품을 결합시키는데 있어서 유용한 본 발명을 실시하는데 있어서 임의의 종래의 접착제를 사용할 수 있다. 예를들면, 에폭시드, 폴리이미드, 아크릴 또는 우레탄 접착제가 양호한 강도와 같은 목적하는 최적 특성들을 부여하기 위한 목적으로 사용된다. 에폭시 또는 폴리이미드 접착제를 사용하는 것이 특히 바람직하며, 이들은 항공우주 용도로 자주 선택되고 강력한 환경적 스트레스를 방지한다.

또다른 성형품과 접착제를 사용하여 결합시킨 비결정성, 수화금속 산화물 피복 금속 성형품을 제공하는 본 발명을 실시하는데 있어서 임의의 결합방법을 이용할 수 있다. 복수개의 금속 성형품들을 결합시키고자 하는 경우에는, 각각의 금속 성형품에 대하여 프라임 처리를 하는 것이 바람직하다. 또한, 용매캐스팅, 침지 또는 분무공정을 이용하여 수화 금속산화물의 층을 금속 성형품(들)에 도포하는 것이 바람직하다. 이어서 수화 금속산화물 피복 금속 성형품을 약25-약300℃의 온도로 유지시킨다. 25℃이하에서는 통상적으로 물용매의 증발이 지나치게 느리고, 300℃이상에서는 바람직한 금속 특성들의 손실 또는 산화물 표면의 결정화가 기계적 강도의 손실을 수반하여 일어날 우려가 있다. 프라이머 피복 성형품을 약 100-약 200℃의 온도로 가열하는 것이 특히 바람직하며, 온도를 보다 낮출수록, 예를들면 압축 표면 스트레스를 유도하도록 쇼트 피이닝(shot peening)처리된 알루미늄 스파아를 갖는 것과 같은, 알루미늄 기질의 기계적 특성이 변성되는 것이 최소화 된다. 보다낮은 도포온도를 이용하는것과 함께 피일드 수선처리용의 무기 프라이머를 도포하는 것도 또한 가능하다.

또한, 수용성 프라이머를 도포하기에 앞서 성형품의 표면을 예비처리하는 것이 바람직하다. 예를들면 알루미늄 성형품의 표면을 인산과 같은 산을 사용하여, 즉, 양극산화 처리함으로써 예비처리할 수 있다. 이어서 종래의 방법들로 성형품에 접착제를 도포하고, 사용하는 접착제에 적합한 통상적인 압력, 온도 및 시간 조건을 적용시켜 이들을 함께 접합시킨다.

실시예 1

미합중국 시험 및 재료협회(A.S.T.M)D3762방법에 따라 쐐기 균열 시험을 실시한다. 이 방법에서는 쐐기를 이음매 결합부위내에 내정된 길이로 박아서 2개의 결합된 접착면들 사이에 균열을 형성시킨다. 온도 및 습도에 노출된 상태에서 뒤이어 일어나는 모든 균열전파의 길이가 결합된 이음매의 균열 방지특성의 측정수단이 된다.

자기교반기, 공기조화기, 적하깔때기 및 질소 도입 튜브를 장치한 250cc 둥근 바닥 플라스크내에서 40cc의 증류수로 희석시킨 -170- +300 메쉬 알루미늄 분말 6.75g(0.25몰)과 47% 요오드화수소산 37g(0.14몰)을 혼합한다. 상기 혼합물을 6시간동안 가열하여 알루미늄 분말을 용해시킨다. 질소 세정과 더불어 무색 용액을 75-80℃로 가열하고, 용액을 6시간에 걸쳐 적가한 증류수 40cc로 희석한 30%과산화수소 28g과 반응시킨다. 산화공정중에, 공기 조화실에서는 요오드 결정을 수거한다. 16시간동안 냉각시킨후 질소를 용액내에 버블링(bubbling)시켜 밝은 질빛 황색의 점성용액이 수득된다. 상기 용액을 50℃로 가온하고, 다시 40cc의 증류수를 가한다. 상기 용액은 약간의 첨강물을 함유하며, 이들은 원심분리하여 제거한다. 생성된 용액을 9.5%의 고체를 함유하며, AI/I 몰비로서 9.5/1을 갖는다.

2024알루미늄 합금 접착면을 양극산화처리(R.T.;8볼트)를 이용하여 12%인산 용액으로 처리하고, 이어서 상기 물질의 3%고체 수용액을 용매 캐스팅(브러쉬도 온)을 이용하여 1-3회 피복하여 알루미늄 접착면에 도포한다. 각각의 피복공정 사이에 도포된 프라이머를 15분간 공기건조시키고, 이어서 180℃에서 30분간 가열한후, 지지된 EA-9649 접착제 필름을 비결정성 알루미늄 피복 알루미늄 접착제에 도포한다. 알루미늄 성형품들 사이에 스톱을 설치하여 본드라인 두께가 약0.127밀리미터(mm)가 되도록하고, 177℃에서 120분간 단위 평방 센티미터당 1.757킬로그램[kg/㎠]의 압력을 가한다. ASTM D-3762에 따라 쐐기 균열 시험을 실시하였으며, 그 결과 첨부하는 도면 제1도의 일부로서 실시예 다음에서 설명하고자 한다.

실시예 2

유사한 일련의 시험 시료들의 (2-4회 피복)을 제조하되, 무기 프라이머 도포후 피복층을 공기중이 아닌 180℃의 진공 오븐내에서 가열하는 것을 예외로 한다. ASTM D-3762에 따라 쐐기 균열 시험을 수행하였으며, 그 결과는 제2도에 도시되어 있다.

실시예 3

티타늄 6-4(Ti-6AI-4V) 파사젤 107처리한 접착면들을 이용하여 일련의 시험시료들으라 제조한다. 실시예 1에 기술한 바대로 제조한 수화 산화알루미늄의 3%고체 수용액의 2-4회 피복층에 무기 프라이머를 도포한다. 도포후 도포된 프라이머를 180℃에서 30분간 공기중에서 가열하여 건조시킨다. 결과는 제3도에 도시되어있다.

이들 접착제로 결합시킨 알루미늄 이음매는 특히 균열 전파를 억제하며, 그의 명확한 이해는 첨부하는 도면들을 참고하기 바란다. 제1-3도는 상술한 쐐기 균열 시험 ASTM D3762를 이용한 각종 쐐기 균열 시험들에 대한 데이터를 도시한 것이다.

제1도에서 균열 전파(mm : Y)가 71℃ 및 95% R.H.에서의 시간(X)의 함수로서 도시되어 있다. 이 실험에서는 PAA처리 및 EA-9649^TM에폭시접착제를 사용하였다. 본 도면의 그래프들은 피복층의 수에따른 균열전파가 곡선 A-C와 상응하여 1-3배 증가되었음을 나타낸다.

제2도에는 균열전파(mm : Y)가 71℃ 및 95% R.H.에서의 시간(X)의 함수로서 도시되어있다. 이 실험에서는 PAA처리 및 EA-9649^TM을 사용하였다. 그러나, 프라이머 피복층을 공기중이 아닌 180℃의 진공 오븐내에서 가열하였다. 그래프들은 피복층의 수에따른 균열전파가 곡선 A-C와 상응하여 2-4배로 증가됨을 나타낸다.

제3도에는 균열전파(mm : Y)가 71℃ 및 95% R.H.에서의 시간(X)의 함수로서 도시되어있다. 이 실험에서는 파사젤 107에치 및 EA-9649 접착제를 티타늄 6-4상에 사용하였다. 그래프들은 피복층의 수에따른 균열전파가 곡선 A-C와 상응하여 2-4배로 증가되었음을 나타낸다.

상기 프라이머는 금속과 금속 또는 금속과 복합체를 결합시키는데 있어서 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 플라스틱 포장된 마이크로전자장치, 와이어피복층, 벌집형 구조물등과 같은 피복층의 접착력을 향상 시키기위한 목적으로 또는 복합체 섬유를 보강하는 경우에 있어서 조차도 성형품에 도포할 수 있으며, 이와 같은 사실은 계류중인 미합중국 특허 제4,678,820호에 기술되어있다.

수화금속 산화물에 초점을 두고 본 발명을 기술하긴하였으나 각종 수화 금속 산화물들의 혼합물을 사용할 수도 있다.

본 발명에 따른 프라이머 피복은 습진 환경에서 향상된 균열 전파 방지특성을 제공한다. 결과로서 무기 프라이머를 사용하여 만들어진 결합된 이음매의 인장 및 T-피일 강도와 같은 특성들이 종래의 유기 프라이머들을 사용하여 만들어진 결합된 이음매들과 최소한 동일하게 된다. 또한, 무기 프라이머들은 유기 프라이머들에 있어서 통상적인 두께인 5-10u층보다 더 두꺼운층들로 사용할 수 있다. 보다 두꺼운 층들은 성분들이 분리됨에 따라 스트레스 상승요인을 유발(즉. 약한 경계층)하는 경향이 있다. 또한, 열안정성에 기인하여, 무기 프라이머는 통상적으로 온도 특이성을 갖는 유기 프라이머들과는 달리, 폴리이미드류와 같은 고온 접착제뿐만 아니라 에폭시계와 같은 저온 접착제와 동등하게 사용될 수 있다. 무기 프라이머의 또다른 주된 이점은 각종 표면 처리법으로 처리한 금속 표면상에 사용할 수 있으며 동일한 고수준의 균열 전파 방지특성을 제공한다는 것이다. 이와는 반대로, 유기 프라이머들은 사용하는 표면 예비처리법에 좌우되어 상이한 결과들을 나타낸다. 또한, 종래의 유기 프라이머들은 부식 억제제로서 스트론튬 크로메이트를 사용하며, 이들이 제조 및 사용시 유독성 문제점들을 유발한다. 본 발명은 크게 향상된 균열 전파 방지특성을 갖는 접착제로 결합시킨 이음매용의 수성수화 금속 산화물 프라이머를 제공한다. 따라서, 접착제로 결합시킨 이음매와 관련된 신기술을 제공함으로써 항공우주 공업에서 뛰어난 진전을 가져왔다.

본 발명은 본 명세서내에 기술하는 특정한 구체예들로만 제한되지 아니하고, 이하의 특허청구의 범위에서 명시하는 본 발명의 새로운 개념의 핵심 및 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 많은 수정 및 변형이 가능하다는 것을 밝혀두는 바이다.

Claims (3)

1. 성형품과 또는 성평품들 사이에 중합체성 접착제를 접촉시키고, 이어서 상기 성형품들에 압력 및, 임의로 열을 가하여 최소한 1개가 금속제품인 복수개의 성형품들을 함께 결합시키는 방법에 있어서, a) 알루미늄, 티타늄, 실리콘, 철 또는 지르코늄과 HBr 또는 HI를 반응시키고; b) 반응 생성물을 수용성 산화제로 산화시켜 히드로졸을 형성시키고; 또한 c) 상기 히드로졸을 최소한 1개의 금속 성형품의 표면에, 상기 표면에 접착제를 바르기에 앞서 도포하는 것을 포함하는 개량된 방법.
2. 제1항에 있어서, 금속 성형품이 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 또는 이들의 합금인 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 산화된 반응 생성물을 투석하는 방법.

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