반결정성 열가소성 플라스틱 접착 모범 사례

반결정성 열가소성 플라스틱 접착 모범 사례

범용 등급부터 고성능 등급에 이르기까지, 반결정성 폴리머는 자기 자신은 물론 이종 소재와도 접착하기 어렵습니다. 접착에 필요한 강한 분자 결합을 형성하려면 (흔히 전처리와 함께) 기재 표면을 깨끗하게 만들어야 합니다. 원하는 최종 결과를 얻으려면 접착제 선정과 적절한 경화가 매우 중요합니다.

일반적으로 폴리머는 고체 상태에서 "비정질"과 "반결정성"이라는 두 가지 형태(모폴로지)를 보입니다. 특정 조건에서는 일부 폴리머가 두 가지 형태를 모두 나타내기도 합니다. 아크릴과 폴리카보네이트 같은 비정질 폴리머에는 뚜렷한 융점이 없으며(서서히 연화됨), 분자가 무작위로 배향되어 삶은 스파게티처럼 서로 얽혀 있고 유리처럼 투명하게 보입니다. 반결정성 폴리머에는 뚜렷한 융점이 있으며, 분자들이 규칙적인 선형 구조를 지닌 정렬된 영역으로 조밀하게 배열됩니다. 결정 영역은 빛을 산란시키므로 일반적으로 더 불투명합니다. 반결정성 폴리머는 사슬이 촘촘하게 배열되어 분자 간 힘이 강하기 때문에 견고한 플라스틱을 형성하는 경향이 있습니다. (그림 2 참조)

반결정성 폴리머는 소수성이고 화학적으로 불활성이며 표면 젖음성이 낮기(즉, 표면 에너지가 낮기) 때문에 본질적으로 접착하기 어렵습니다. 이러한 특성은 성능 면에서는 매우 바람직하지만, 낮은 표면 젖음성은 제조업체에 접착상의 어려움을 안겨 줍니다. 또한 나일론과 같은 반결정성 폴리머는 대기 중에서 자기 질량의 3%를 넘는 수분을 흡수합니다. 수분 자체만으로도 접착 문제가 발생합니다. 따라서 성형 직후 가능한 한 빨리 접착 공정을 수행하거나, 부품을 폴리에틸렌이 아닌 소재의 봉투에 건조제와 함께 밀봉 포장하는 것이 중요합니다. 적절한 건조 절차는 공정과 부품 성능에 매우 중요합니다.

핵심 요약

• 모폴로지가 접착성을 좌우합니다. 아크릴과 폴리카보네이트 같은 비정질 폴리머는 반결정성 폴리머보다 더 쉽게 접착됩니다.
• 톨루엔, 자일렌, 아세톤 또는 MEK로 세척하십시오. 알코올은 표면의 가벼운 오염만 제거할 뿐 탄화수소 오염물은 제거하지 못합니다.
• 실리콘, 이형제, 미끄럼 방지제는 접착을 저해하므로 전처리 전에 반드시 제거해야 합니다.
• 접착 결함에는 눈으로 확인되는 특징이 있습니다. 접착제가 양쪽이 아닌 한쪽 기재에만 남아 있습니다.
• 이러한 폴리머에는 에폭시, 아크릴, 우레탄 계열이 대표적인 구조용 접착제로 쓰입니다.

자주 묻는 질문

반결정성 폴리머는 왜 비정질 폴리머보다 접착하기 어렵습니까?

분자 모폴로지 때문입니다. 아크릴과 폴리카보네이트 같은 비정질 폴리머는 분자가 무작위로 배향되어 얽혀 있고 뚜렷한 융점 없이 서서히 연화됩니다. 반결정성 폴리머는 정렬된 구조를 가지며, 바로 그 규칙성이 접착에 필요한 젖음을 방해합니다.

반결정성 표면은 어떤 용제로 세척해야 합니까?

회사의 용제 사용 방침과 관련 법규에 따라 중간 강도 이상의 톨루엔, 자일렌, 아세톤 또는 MEK를 사용합니다. 적합한 세척제는 폴리머 데이터시트에 명시되어 있습니다. 알코올은 약한 용제로서 표면의 가벼운 오염만 제거하고 탄화수소 오염물은 제거하지 못합니다.

접착 파괴와 응집 파괴는 어떻게 구별합니까?

접착제가 남아 있는 위치로 구별합니다. 접착 파괴는 접착제와 피착재 사이의 계면에서 발생하며, 육안으로 보면 접착제가 한쪽 표면에만 남아 있고 다른 쪽 기재에는 없습니다. 응집 파괴는 양쪽 모두에 접착제가 남습니다.

반결정성 폴리머에는 어떤 접착제가 적합합니까?

구조용 접착제가 적합하며, 에폭시, 아크릴, 우레탄이 흔히 사용됩니다. 2액형 에폭시는 에폭시 수지와 경화제를 혼합하여 사용하며, 접합부 설계에서는 인장, 압축, 전단, 박리, 벽개 하중을 고려해야 하고 이들이 복합적으로 작용하는 경우가 많습니다.

어떤 오염물이 접착을 가장 확실하게 망칩니까?

저분자량 물질인 실리콘, 이형제, 미끄럼 방지제입니다. 이들은 접착을 직접 저해하며, 표면에 남아 있다면 어떤 전처리로도 보완할 수 없습니다.

표면 세척 및 전처리

높은 접착 강도를 얻으려면 표면 준비가 매우 중요합니다. 표면은 먼지, 그리스, 오일 등의 오염이 없이 깨끗해야 합니다. 실리콘, 이형제, 미끄럼 방지제와 같은 저분자량 물질(LMWM)은 접착을 저해합니다. 반결정성 표면을 적절히 세척하고 LMWM을 제거하려면, 회사의 용제 사용 방침과 관련 법규에 따라 중간 강도 이상의 톨루엔, 자일렌, 아세톤 또는 MEK를 일반적으로 사용해야 합니다. 적합한 세척제는 폴리머 데이터시트에 명시되어 있습니다. 알코올은 약한 용제로서 표면의 가벼운 오염만 제거할 뿐 탄화수소 오염물은 제거하지 못합니다.

보풀이 없는 천을 사용하고 파우더가 없는 보호 장갑을 착용하는 등 올바른 작업 방법을 항상 지켜야 합니다. 용제가 과다하면 제거되지 않은 화학물질이 약한 경계층을 형성하고 뿌옇게 잔류하여 접착을 저해합니다.

반결정성 폴리머 접착 용도에서는 용제 세척 직후 플라즈마 전처리가 필요한 경우가 많습니다. 기상(gas-phase) 표면 산화 전처리에는 코로나 방전 처리(전기 방전), 대기압 플라즈마, 공기 플라즈마(전기 방전), 화염 플라즈마, 저압 RF 저온 가스 플라즈마가 있습니다. 이러한 공정은 자유 전자, 양이온 및 기타 화학종으로 구성된 매우 반응성이 높은 기체인 "가스 플라즈마"를 생성한다는 특징이 있습니다. 표면의 화학적 기능화도 함께 일어납니다. 물리학적으로 플라즈마가 생성되는 메커니즘은 서로 다르지만, 표면 젖음성에 미치는 효과는 비슷합니다. 각 방법은 용도에 따라 선택해야 하며 저마다 장점과 한계가 있습니다.

예를 들어, 전기식 전처리는 모든 폴리 방향족 탄화수소를 제거하거나 세척하지 못하므로 용제 세척을 계속해야 할 수도 있습니다. RF 저온 가스 전처리는 탄화수소를 제거하므로 사전 세척이 필요하지 않습니다.

일반적으로 기재의 표면 에너지가 액체 또는 접착제의 표면 장력보다 약 10 dynes/cm 높을 때 허용 가능한 접착이 이루어집니다. 처리하지 않은 나일론의 표면 에너지는 약 40 dynes/cm입니다. 따라서 처리 후 목표 표면 에너지는 50-54 dynes 범위여야 합니다. 이 경우 액체가 표면에 "젖어 퍼지며" 접착된다고 합니다. 표면 에너지 "젖음"을 측정하는 일반적인 방법은 시험 방법 ASTM D2578에 따라 보정된 dyne 용액을 사용하는 것입니다.

접착제 및 경화

정의상 "접착 파괴"는 접착제와 피착재(기재) 사이의 계면에서 발생합니다. 육안으로 보면 접착제가 한쪽 표면의 어느 위치에든 남아 있고 다른 쪽 피착재에는 남아 있지 않습니다. 접착 용도에서는 최적의 접합부 설계가 매우 중요합니다. 접합부에는 인장, 압축, 전단, 박리 또는 벽개 하중이 작용할 수 있으며, 이들이 복합적으로 작용하는 경우가 많습니다.

많은 반결정성 폴리머 접착 용도에서는 에폭시, 아크릴, 우레탄을 비롯한 구조용 접착제가 흔히 사용됩니다. 2액형 에폭시는 에폭시 수지와 경화제를 혼합하거나 "듀오팩" 도포기를 조달하여 사용합니다. 최적의 전단 및 인장 강도 특성을 위해서는 균일하고 얇은 접착층 두께(0.002~0.007인치)가 바람직합니다. 완전 경화 시간은 보통 75°F에서 7일 정도이지만 용도와 환경 조건에 따라 달라집니다. 열(120-210°F)을 가하면 경화 속도를 높일 수 있으며, 추가 중합이 일어나 에폭시의 물성이 향상될 수 있습니다. 성형 후 가공에서 가하는 열의 상한은 일반적으로 폴리머의 열변형 온도입니다. 베이크 시간과 온도는 용도에 따라 다릅니다.

접착 강도를 높이려고 접착제를 더 많이 바르는 것은 흔한 잘못된 관행입니다. 접착제 과다는 해롭고 접착 불량의 주된 원인입니다. 예를 들어 에폭시 접착제는 열팽창 계수가 상대적으로 큽니다. 접착층은 얇고 두께가 균일해야 하며(최대 전단 강도를 위해 일반적으로 3-5mil), 특정 용도에 맞는 최적의 접착층 두께는 접착제 공급업체가 안내해 줄 수 있습니다. 사전 계량된 "듀오팩" 도포기는 혼합 문제를 없애고 더 정확한 혼합비를 제공합니다. 또한 화학양론적 반응이 더 잘 일어나 강도와 아웃가싱 특성도 향상됩니다.

접착할 부품의 표면 질감과 관련하여, 성형 상태 그대로의 질감이 있는 표면은 용제 세척과 플라즈마 전처리에 더해 기계적 맞물림에 의한 접착력을 높여 줍니다. 질감은 금형 내에서 만들거나 Scotch-Brite 패드를 사용해 수작업으로 만들 수 있습니다. 예를 들어 NTMA 금형 캐비티 마감 "40-Diamond buffed 1200 Grit"는 마감 "10-Fine Diamond 8000 Grit"(0-3 마이크론 범위)보다 접착 강도를 높일 가능성이 큽니다. 약간의 질감만 있어도 도움이 됩니다. (그림 3 참조)

요약하면, 반결정성 폴리머를 높은 강도로 접착하려면 다음을 권장합니다.

• 성형 전에 수지를 충분히 건조하십시오.
• 성형 후 가능한 한 빨리 접착 공정을 진행하십시오.
• 용제로 부품 표면을 세척하여 표면 이물질과 탄화수소 오염물을 제거하십시오.
• 용제 세척과 함께 표면 젖음성과 화학적 기능화를 높이기 위해 플라즈마 표면 전처리 도입을 고려하십시오.
• 얇고 균일한 접착층을 형성하십시오. 제품 표면에 질감이 있으면 추가적인 효과를 얻을 수 있습니다.

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 공정(표면 전처리, 접착 장식 및 마감, 레이저 마킹, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 회사 The Sabreen Group, Inc.의 창립자이자 사장입니다. 그는 30년 넘게 신기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.adhesionbonding.com을 방문하시면 Sabreen에게 문의하실 수 있습니다.

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