표면 에너지

표면 에너지

핵심 요약

• 표면 에너지는 액체가 젖는지 방울지는지를 결정하며, 인쇄와 접착 성공을 예측하는 가장 유용한 단일 지표입니다.
• 액체의 표면 장력은 고체보다 낮아야 하며, 실무상 여유는 대략 7~10 dyne/cm입니다.
• 폴리올레핀은 약 29~31 dyne/cm로 거의 모든 잉크와 접착제보다 낮으며, 그래서 전처리가 필요합니다.
• 처리 효과는 감쇠됩니다. 표면 에너지는 부품의 영구적인 특성이 아니라 일시적인 상태입니다.

표면 에너지

표면 에너지는 고체 표면의 분자가 내부 분자에 비해 가지는 잉여 에너지이며, 플라스틱에서는 잉크, 접착제 또는 코팅이 표면에 퍼지는지 방울로 뭉치는지를 결정합니다. 관례적으로 dyne/cm 단위로 표기하며, 수치상 mN/m와 같습니다.

고체 내부의 분자는 사방이 둘러싸여 있어 모든 방향에서 인력이 충족됩니다. 표면의 분자는 그렇지 않아서 충족되지 않은 결합 능력을 지닙니다. 액체가 상호작용할 수 있는 것이 바로 이 충족되지 않은 능력이며, 이것이 거의 없는 표면, 즉 저에너지 표면은 액체가 붙잡을 것이 없습니다.

젖음을 지배하는 규칙

액체가 고체를 적시려면 액체의 표면 장력이 고체의 표면 에너지보다 낮아야 합니다. 높으면 액체는 접촉 면적을 최소화하여 방울로 뭉칩니다. 실제로는 단순한 동등이 아니라 여유가 필요합니다.

목표 표면 에너지 ≈ 액체 표면 장력 + 7~10 dyne/cm

이 하나의 관계가 플라스틱에서 발생하는 대부분의 접착 불량을 설명합니다. 약 35 dyne/cm인 수성 잉크는 29 dyne/cm인 무처리 폴리프로필렌을 적실 수 없으며, 건조 시간, 압력, 잉크 재배합으로도 이 산술은 바뀌지 않습니다. 먼저 표면을 끌어올려야 합니다.

폴리머별 일반적인 값

표면 에너지 높이기

모든 산업용 전처리는 기본적으로 같은 경로로 작동합니다. 최상단 몇 분자층을 산화시켜 극성 산소 함유 작용기를 비극성 탄화수소 골격에 접목하는 것입니다. 방법은 원리가 아니라 형상, 비용, 내구성에서 다릅니다.

• 코로나 방전 — 고속에서 필름과 웹을 처리하는 표준이며 제곱미터당 비용이 낮습니다.
• 화염 플라즈마 — 열을 견딜 만큼 열 질량이 충분한 성형품과 곡면 부품에 적합합니다.
• 대기압 플라즈마 — 선택적이며 로봇에 장착할 수 있고 열 부하가 낮아 3차원 부품에 적합합니다.
• 저온 가스 플라즈마 — 그늘진 형상까지 처리하는 배치식 진공 공정으로, 가장 내구성 있는 결과와 표면 화학을 맞춤 설계할 수 있는 이점이 있습니다.
• Pyrosil — 기존 표면을 활성화하는 대신 반응성 실리케이트 층을 증착하여 훨씬 긴 사용 가능 기간을 제공합니다.

측정 방법

단일 지점이 아니라 부품 전체 또는 웹 폭 전체에 걸쳐 측정하십시오. 가장자리와 중앙 사이의 편차는 흔하고 놓치기 쉬우며, 무작위로 보이는 불량의 잦은 원인입니다.

처리 효과가 지속되지 않는 이유

높아진 표면 에너지는 일시적인 상태입니다. 두 가지 메커니즘이 이를 다시 끌어내리며, 둘 다 처리가 끝나는 순간부터 진행됩니다.

• 사슬 재배향. 접목된 극성 작용기는 이동성이 있는 폴리머 사슬에 붙어 있으며, 사슬이 회전하여 에너지적으로 더 안정한 표면 아래로 작용기를 묻습니다. 온도가 높으면 가속됩니다.
• 첨가제 이행. 슬립제, 블로킹 방지제, 가소제, 잔류 이형제가 표면으로 이행하여 처리된 층을 덮습니다. 폴리올레핀 필름에서는 보통 이쪽 영향이 더 크며, 처리기에는 아무 변화가 없는데도 배합 변경만으로 사용 가능 기간이 짧아질 수 있는 이유입니다.

실무적 결론은 처리부터 접착까지의 간격을 최대 허용 시간과 함께 공정 규격에 포함해야 한다는 것입니다. 시간이 지난 처리 자재는 양호하다고 가정하지 말고 사용 전에 다시 측정해야 합니다.

관련 용어 및 참고 자료

• 플라즈마 표면 처리는 얼마나 오래 지속됩니까?
• ASTM D3359 테이프 시험
• 접촉각
• 모든 폴리머 표면 전처리 방법
• 플라스틱 접착 문제 해결의 과학
• 접착 결함
• 저표면에너지 폴리머의 잉크젯 인쇄와 접착

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자주 묻는 질문

인쇄나 접착 전에 플라스틱에 필요한 표면 에너지는 얼마입니까?

액체의 표면 장력을 대략 7~10 dyne/cm 넘을 만큼이어야 합니다. 대부분의 잉크와 접착제에서 이는 폴리올레핀에서 38~44 dyne/cm, PET 필름에서 46~52를 뜻하지만, 이 수치는 일반적인 목표가 아니라 실제 화학 조성으로 한 시험에서 얻어야 합니다. 실제 잉크에 대해 시험한 적이 없는 업계 표준 수치를 인용한 규격은 실패를 기다리는 규격입니다.

다른 플라스틱은 필요 없는데 폴리올레핀은 왜 전처리가 필요합니까?

폴리프로필렌과 폴리에틸렌은 약 29~31 dyne/cm로 사실상 모든 일반 잉크와 접착제보다 낮아 젖음이 전혀 일어나지 않기 때문입니다. 폴리카보네이트, ABS, PET는 35~46 범위에서 시작하여 많은 액체보다 높거나 비슷하므로 성형된 상태로 인쇄나 접착이 가능한 경우가 많습니다. 폴리올레핀을 불활성이고 저렴하게 만드는 바로 그 화학이 인쇄를 불가능하게 만듭니다.

dyne 펜 측정값은 생산 관리에 쓸 만큼 신뢰할 수 있습니까?

빠른 점검에는 그렇지만, 입증이 필요한 용도에는 그렇지 않습니다. 펜 잉크는 마르고 노화되며 판독은 주관적입니다. ASTM D2578에 따른 젖음 장력 용액이 표준 생산 방법이며, 접촉각 고니오메트리는 검증이나 고객과의 분쟁 해결에 필요한 정량 값을 제공합니다. 어떤 방법을 쓰든 한 지점이 아니라 폭 전체에 걸쳐 측정하십시오.

dyne 측정값이 정상인데 접착이 실패하는 이유는 무엇입니까?

거의 항상 오염입니다. 전처리는 표면에 있는 것은 무엇이든 활성화하므로 폴리머 대신 이형제, 슬립제 블룸, 컴프레서 오일 층이 활성화되고, dyne 펜은 그 활성화된 오염물을 문제없이 읽어 냅니다. 처리 수준을 높여도 도움이 되지 않습니다. 오염물의 출처를 추적하십시오. 처리 스테이션이 아니라 상류 공정인 경우가 많습니다.

표면 처리는 얼마나 오래 지속됩니까?

폴리머, 첨가제 패키지, 보관 조건에 따라 몇 시간에서 몇 주입니다. 폴리머 사슬이 재배향하여 접목된 극성 작용기를 묻고, 슬립제, 가소제, 이형제가 표면으로 이행하여 이를 덮습니다. 엘라스토머와 가소제 함유 등급이 가장 빨리 감쇠합니다. 처리 후 접착까지의 최대 간격을 실험적으로 정하여 공정 규격에 넣고, 시간이 지난 자재는 양호하다고 가정하지 말고 다시 측정하십시오.

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