고온에서 규산아연을 다룰 때의 문제점 – 제1부

Michelle Ystad Eriksen, MSc, 재료화학 및 에너지 기술
글로벌 마케팅 관리자 - HPI - Jotun 보호 도료

규산아연 프라이머를 활용한 시스템이 수명이 가장 길고 해상이나 화학 공장 및 정제 공장과 같은 가장 험난한 주위 환경에서 최상의 부식 방지 효과를 제공한다는 것은 도장 업계에 잘 알려진 사실입니다.

그러나 도장 업계가 발전하면서 절연부 내 부식(CUI)이라는 문제가 커다란 문제점으로 등장하였습니다. 이 현상은 온도가 올라가는 부위뿐 아니라, 절연 부위와 피복 밑에서도 발생할 가능성이 있기 때문에 탐지하여 처리하기가 어렵습니다.

규산아연의 온도 성능 한계

예전부터 섭씨 120도 이상의 온도에 지정되는 도장 시스템은 무기 규산아연(IOZ)을 한 차례 도장한 후에 실리콘이나 실리콘 알루미늄으로 탑코트를 적용하는 방식이었습니다. 도료가 경화되고 나면 실리케이트 바인더가 유리화되어 온도 저항성이 매우 높아지기 때문에 이 방식을 선택하는 것이 당연한 것으로 여겨졌습니다.

그러나 부식 방지를 위해 아연말을 첨가하게 되면 도료의 최대 온도 성능이 제한됩니다. 금속아연은 녹는점이 섭씨 420도인데, 아연이 이 온도에 도달하면 주변의 산소와 빠르게 반응하여 금속아연이 산화아연으로 분해됩니다.

그림 1은 규산아연을 가열하기 전(위)과 가열한 후(아래)의 모습입니다. 하얗고 보송보송한 입자가 금속아연이 산소와 반응하여 산화아연으로 바뀐 것입니다.

이 과정에서 두 가지 문제가 생깁니다. 첫째, 산화아연은 갈바닉 부식 방지 효과를 제공하지 못해서 도료가 부식 방지 속성을 잃기 시작합니다. 둘째, 산화아연은 금속아연에 비해 부피가 더 커서 도료막 안에서 더 많은 공간을 차지합니다. 이로 인해 도료에 미세한 균열이 생길 위험이 높아지고 부식 방지를 위해 추가적인 조치가 필요하게 됩니다.

산화아연은 규산아연이 제공하는 갈바닉 부식 방지 효과에 따라 자연스럽게 나타나는 부산물이지만 모재 대신에 금속아연이 "녹이 슬면서" 산화아연(또는 흔히들 말하는 "백청")이 형성되게 됩니다. 부식이 생기는 환경에서 이렇게 산화아연이 형성되면 규산아연 도료에 자연스럽게 생기는 다공성 구조가 채워지면서 도료에 차단막이 추가됩니다. 아연이 녹는점 이상으로 가열될 때도 화학 반응이 좀 다르기는 하지만 산화아연이 생성됩니다. IOZ 도료의 문제점은 온도가 아연의 녹는점을 넘게 되면 산화아연이 빠르게 생성되어 도료의 갈바닉 부식 방지 효과가 상쇄된다는 점입니다.

또한, 아연의 갈바닉 부식 방지는 전기화학 반응이어서 온도가 높아지면 더 빠르게 나타납니다. CUI 조건처럼 습기가 존재하는 경우에는 IOZ 도료 안의 아연이 빠르게 소비되어 동일한 조건에서 온도가 더 낮을 때보다 도료의 수명이 줄어듭니다.

미국부식엔지니어링협회(NACE)에서 CUI가 발생할 가능성이 가장 높은 섭씨 4도~175도에서는 IOZ 솔루션이 선호되지 않는다고 명시한 이유는 바로 이러한 점 때문입니다. 섭씨 175도 이상의 온도에서는 CUI가 발생할 만큼 수분이 충분히 존재하지 않는다는 것이 일반론입니다. 이것은 조건이 일정할 때는 맞지만, 현장의 상태가 일정한 경우는 드물며 특히 가동 중지나 유지 관리 시점에는 온도가 CUI 범위로 떨어질 것입니다. 그러면 절연 시스템 내에 부식을 야기하는 응축이 발생하게 되고 CUI가 생길 위험이 존재하게 됩니다. 절연재는 수분을 포집하는 경향이 있으므로 온도가 다시 섭씨 175도 위로 올라가더라도 여전히 CUI라는 요소를 감안해야 합니다.

IOZ의 전위 역전

IOZ에 관한 세 번째 문제는 전위 역전입니다. 이것은 도장된 강철 구조가 아연에 대해 양극성을 띠게 되어 섭씨 60도에서 80도 사이에서 아연 대신에 희생되는 현상입니다. 이렇게 되면 IOZ 도료로 보호되는 구조가 너무 빨리 손상되거나 손상이 가속화됩니다. 이 같은 극성의 역전은 매우 좁은 온도 간극에서만 발생할 뿐 아니라 용존 산소, 탄산수소염, 아질산염을 필요로 하는 반면에, 염화물과 황산염은 이 과정을 억제합니다. 이 말은 CUI에 취약한 부위는 규산아연의 전위 역전에 덜 취약한 경향이 있으며[1], 처리 공장에서는 이러한 현상이 발생할 가능성이 적습니다.

요약

따라서 고온에서 IOZ의 성능에 문제가 생기는 이유는 크게 세 가지입니다.

1. IOZ 도료는 갈바닉 전기화학 반응을 통해 부식 방지 효과를 제공합니다. 높은 온도에서는 이 과정의 속도가 빨라져서 아연이 과도하게 많이 소비되므로 비슷한 조건의 실온에서와 비교할 때 도료의 수명이 줄어듭니다.
2. 섭씨 420도 이상의 온도에서는 산화아연이 평상시보다 더 빨리 생성됩니다. 산화아연은 갈바닉에 의한 활성 물질이 아니므로 갈바닉 부식 방지 효과를 제공할 수 없고 도료의 수명을 더 감소시킵니다.
3. 산화아연은 금속아연보다 부피를 더 많이 차지하는데(그림 1에서 확인할 수 있음) 이로 인해 상대적으로 취약한 IOZ 도료에 미세한 균열이 생길 수 있습니다. 따라서 갈바닉 부식 방지를 위해 금속아연이 더 많이 필요해져서 도료의 수명이 더 감소하게 됩니다.

온도가 높을 때 IOZ가 직면하게 되는 문제점들로 인해 엔지니어와 사양을 정하는 담당자들은 CUI를 막을 수 있는 다른 대안을 찾아나서게 되었습니다. 이러한 대안으로는 그 외의 도료 화학물질을 이용한 다른 유형의 고온 도장, TSA, 또는 가능한 경우 절연재를 모두 제거하는 방법이 있을 것입니다.

IOZ를 사용할 경우, 불완전한 상태일지라도 가능한 한 오랫동안 부식 방지가 되도록 하기 위해 금속아연을 충분히 사용할 수 있게 아연의 함량을 높게 지정하는 경향이 있습니다. IOZ 도료를 특별히 좋아한다면 고온 상태에서 그 성능을 개선하기 위해 할 수 있는 것이 있는지 자문해 보십시오.

이 주제에 대해서는 '고온에서 규산아연을 다룰 때의 문제점 – 제2부'에서 더 자세히 다루도록 하겠습니다. 

자세한 내용은 고객 서비스 전문가 Kevin에게 문의하십시오 kevin@jotun.com.

참조 자료
[1] Zhang, X. G. [1996] '7.2.4 Polarity Reversal' Corrosion and Electrochemistry of Zinc.(아연의 부식과 전기화학. '7.2.4 극성 역전') Plenum Press, pp. 203 - 208.