폴리올레핀 제품의 산업용 액체 코팅: 내장 및 외장 용도

폴리올레핀 제품의 산업용 액체 코팅: 내장 및 외장 용도

플라스틱 산업용 코팅은 장식, 마감, 대량 맞춤화의 핵심 공정입니다. 액체 코팅은 활용도가 매우 높아 기능적, 미적 가능성이 무한하며, 가치를 더하고 비용 효율적이며 친환경적입니다. 코팅 공정은 다면적이어서 적절한 엔지니어링이 필요합니다. 도료 화학과 폴리머 적합성의 영향을 이해해야 합니다. 표면 품질과 청결도는 접착과 무결점 품질에 필수적입니다. 이 글은 플라스틱용 액체 코팅을 다루는 시리즈의 첫 번째 글입니다. 이번 호에서는 폴리머 특성, 코팅과 기재 간 상호작용의 유형, 폴리프로필렌 적용 사례, 코팅 기술을 살펴봅니다.

“코팅”과 “도장”이라는 용어는 흔히 혼용됩니다. 일반적으로 “도장”의 목적은 미관이고, “코팅”은 기재에 기능성 소재 층을 적용하여 성능을 얻는 것입니다. 성능 코팅의 예로는 방수, 자가 세정, 항균, 녹 및 부식 방지, UV/내후성 보호, 유연성 및 탄성, 색상 유지가 있습니다. 접착을 얻으려면 플라스틱 부품에 정전기, 먼지, 오일, 지문, 이형제 잔류물 등이 없어야 합니다. 산화방지제, 가소제, 슬립제 및 대전방지제, 착색제/안료, 안정제 같은 저분자량 산화 물질(LMWOM)은 부품의 도장성을 바꾸어 박리 등의 결함을 일으킬 수 있습니다. 폴리프로필렌(PP)과 많은 폴리머는 소수성이므로 플라즈마 전처리가 필요하며, 때로는 염소화 폴리올레핀 화학 접착 촉진제와 함께 사용합니다.

핵심 요약

• 도료와 폴리머는 화학적, 열적, 기계적으로 상호작용하며, 어떤 상호작용도 플라스틱의 물성을 해쳐서는 안 됩니다.
• PP는 플라스틱 산업의 “강철”로, 강인하고 단단하며 결정성이고 비극성이며 100% 재활용이 가능합니다.
• 도장성은 설계상의 결정입니다. 같은 폴리머 계열 내에서도 등급이 다르므로 폴리머 선택이 성능의 상한을 정합니다.
• 코팅은 1액형 래커, 2액형 열경화성, UV의 세 계열이 있으며 모두 수성 화학 조성으로 제공됩니다.
• 재활용 PP는 실질적인 코팅 시장입니다. 자동차 배터리가 25년 이상 보증되는 건축 자재로 재탄생합니다.

자주 묻는 질문

폴리프로필렌은 왜 도장하기 어렵습니까?

PP는 소수성, 비극성이며 화학적으로 불활성이어서 표면 젖음성이 나쁩니다. 폴리올레핀 계열의 선형 탄화수소 수지이며, 중합 시 메틸기의 위치에 따라 어택틱, 아이소택틱 또는 신디오택틱 사슬 구조를 이루고 각각 거동이 다릅니다.

도료를 플라스틱에 맞출 때 무엇을 고려해야 합니까?

세 가지 상호작용, 즉 화학적, 열적, 기계적 상호작용입니다. 어느 것도 플라스틱의 물성을 해쳐서는 안 됩니다. 어려운 점은 플라스틱 종류가 많고 각 계열 안에도 등급이 많아 도장성이 제각각이며, 1차 가공도 영향을 준다는 것입니다.

플라스틱 마감에는 어떤 코팅 기술을 사용할 수 있습니까?

크게 세 가지 범주가 있습니다. 1액형 래커는 사용이 쉽고 제곱피트당 비용이 낮으며 용제 또는 물의 증발로 통상 30분 이내에 건조됩니다. 나머지는 2액형 열경화성 코팅과 UV 코팅입니다. 세 가지 모두 수성 화학 조성으로 제공됩니다.

재활용 폴리프로필렌도 성공적으로 코팅할 수 있습니까?

예, 중요한 적용 분야입니다. 재활용 자동차 배터리는 건물 내장 및 외장 제품이 되며, 일부는 제조사가 25년 넘게 보증합니다. 대량 맞춤화를 위한 장식 공정으로는 코팅이 가장 선호됩니다.

1액형 래커는 언제 적합한 선택입니까?

제곱피트당 비용과 사용 편의성이 가장 중요하고 성능 요구가 보통 수준일 때입니다. 경도와 내마모성을 갖도록 배합하거나 연질 플라스틱용으로 더 유연하게 만들 수 있으며, 상온 또는 저온 소부 조건에서 증발만으로 완전히 경화됩니다.

도료와 폴리머의 적합성

견고한 공정과 최종 용도 성능을 얻으려면 도료 화학과 플라스틱 적합성의 영향을 이해해야 합니다. 도료와 플라스틱을 선택할 때는 화학적, 열적, 기계적 상호작용을 포함한 여러 상호작용이 있습니다.2 어떤 요소도 플라스틱 물성을 해쳐서는 안 됩니다. 설계 엔지니어는 성능과 도장성 사이의 균형을 이루는 최적의 폴리머를 선택해야 합니다. 한 가지 복잡한 점은 플라스틱과 등급이 매우 다양하고, 같은 폴리머 계열 내에서도 각각 고유한 물성과 도장성 수준을 가진다는 것입니다. 소재 순도, 금형 온도, 게이팅, 가스 배출, 결정화도 등 1차 가공도 하나의 요인입니다.

화학적 영향: 도료 용제와 화학적 상호작용이 플라스틱을 손상시킬 수 있습니다. 도료 용제가 플라스틱을 침식(에칭)하는 것이 바람직한 경우가 많은데, 제한된 범위에서 접착 결합을 개선할 수 있기 때문입니다. 그러나 용제는 표면 크레이징, 환경 응력 균열, 팽윤, 연화, 폴리머 기재의 용해, 그리고 핀홀, 용제 팝, 보이드 같은 많은 용제 관련 결함을 일으킬 수 있습니다.

열적 영향: 일부 도료는 고온 경화가 필요합니다. (폴리머 탄성률 대비) 높은 온도는 성형 시 내재된 부품 응력을 완화시켜 휨을 유발할 수 있습니다. 경화 중 도료 수축은 잔류 응력을 만들 수 있습니다. 극단적인 온도는 폴리머를 열화시킬 수 있습니다. 오븐 경화 시에는 온도를 서서히 올려야 합니다.

기계적 영향: 건조된 도료의 강도와 강성 특성은 플라스틱과 호환되어 하나로 기능해야 합니다. 특정 플라스틱 기재에 적절히 맞지 않는 도료 시스템을 선택하면 “탄성 불일치”로 알려진 조기 파손이 발생할 수 있습니다.

폴리프로필렌

폴리프로필렌(PP)은 특정 목적에 맞게 다양한 방식으로 변성할 수 있어 흔히 플라스틱 산업의 “강철”이라 불립니다. PP는 프로펜(또는 프로필렌) 단량체로 만든 강인하고 단단한 결정성 비극성 열가소성 플라스틱이며 100% 재활용이 가능합니다. PP는 소수성, 비극성, 화학적 불활성, 즉 표면 젖음성이 나쁘기 때문에 접착이 어렵습니다. PP는 폴리올레핀 그룹에 속하는 선형 탄화수소 수지입니다. PP의 화학식은 (C3H6)n입니다.

중합 시 PP는 메틸기의 위치에 따라 세 가지 기본 사슬 구조를 형성할 수 있습니다.

• 어택틱(aPP): 메틸기(CH3) 배열이 불규칙함
• 아이소택틱(iPP): 메틸기(CH3)가 탄소 사슬의 한쪽에 배열됨
• 신디오택틱(sPP): 메틸기(CH3)가 교대로 배열됨

PP에는 호모폴리머와 코폴리머의 두 가지 주요 유형이 있으며, 코폴리머는 블록 코폴리머와 랜덤 코폴리머로 다시 나뉩니다. 호모폴리머 PP는 범용 등급입니다. 블록 코폴리머 PP는 공단량체 단위가 블록으로 배열되어 있으며 에틸렌을 5%~15% 포함합니다. 랜덤 코폴리머 PP는 공단량체 단위가 분자를 따라 불규칙하거나 무작위 패턴으로 배열되어 있으며 통상 에틸렌이 1%~7%입니다.1 PP의 융점은 일정 범위에 걸쳐 나타나므로, 오븐 경화 온도 설정값은 등급에 따라 평가해야 합니다.

• 호모폴리머: 160-165°C
• 코폴리머: 135-159°C

대전방지: PP는 전기 절연 특성이 우수하고 정전하를 유지하는 경향이 있어 먼지를 표면으로 끌어당깁니다. 대전방지 첨가제는 표면으로 “블룸”되어 전하를 소산시킬 수 있지만 도막 박리를 일으킵니다. 또한 몇 달이 지나면 어두운 색상의 표면에 흰색 막(블룸)이 나타날 수 있습니다.

방사선의 영향, 자외선(UV): PP는 UV 방사선의 영향을 크게 받습니다. 직사광선에 노출되면 UV 억제제나 고함량 카본 블랙 안료를 사용하지 않는 한 강도 특성이 저하됩니다. 억제제나 안료를 많이 첨가하더라도 혹독한 일광 조건에서의 사용 수명은 제한적입니다.

PP 및 저표면에너지 폴리머의 폴리머 설계 시 고려 사항:

• PP 코폴리머는 호모폴리머보다 접착/결합이 쉬울 수 있습니다.
• 나일론과 폴리카보네이트는 흡습성이 있어 건조해야 합니다. PP는 흡습성이 없지만 수지 펠릿 표면에 수분이 있으면 젖은 흡습성 소재와 같은 문제가 발생합니다.
• 나일론의 “벌크” 특성은 소수성이고 “표면” 특성은 흡습성입니다.1
• 나일론 6은 나일론 66보다 수분을 더 쉽게 흡수하며, 이때 수분이 가소제 역할을 합니다. 나일론 6은 나일론 11이나 12보다 접착이 쉬울 수 있습니다.
• 아세탈 POM 코폴리머(Celcon)는 호모폴리머(Delrin)보다 접착이 쉬울 수 있습니다.
• 폴리에틸렌은 접착이 더 쉽습니다. PP가 반드시 필요한지 확인하십시오.

재활용 폴리프로필렌(rPP) 적용 사례

PP는 100% 재활용과 도장이 가능합니다. 그림 1을 참조하십시오. 자동차 배터리는 건물/주택 내장 및 외장 제품으로 재활용됩니다. 이러한 제품 중 일부는 제조사가 25년 넘게 보증합니다. 코팅은 대량 맞춤화를 위한 가장 선호되는 장식 공정입니다.

코팅 기술

OEM 플라스틱 마감에는 여러 코팅 기술 옵션이 있으며, 각각 성능, 비용, 라인 설치 면적 요구에 따라 뚜렷한 장점이 있습니다. 이러한 기술은 크게 세 가지 범주로 나뉩니다.

1액형 래커: 사용이 쉽고 제곱피트당 비용이 낮은 1액형 래커는 플라스틱 장식에 흔히 사용됩니다. 이 코팅은 용제 또는 물의 증발만으로 완전히 건조 및 경화되며, 상온 또는 저온 소부 조건에서 통상 30분 이내에 건조됩니다. 1액형 래커는 경도와 내마모성을 갖도록 배합하거나, 연질 플라스틱용으로 유연하고 연성을 갖도록 만들 수 있습니다. 상온 공기 건조가 가능해 설비 투자 요구가 줄어들지만, 100-120F의 저온 소부는 사이클 타임 단축에 도움이 됩니다. 1액형 래커는 응축 습기, 물 침지, 가혹한 화학물질에 노출될 가능성이 제한된 곳에서 사용하는 완제품에 가장 적합합니다. 이 제품은 용제형과 수성 배합으로 제공되며 HVLP 또는 에어 분무 스프레이로 도포할 수 있습니다.

2액형 열경화성 코팅: 2액형 열경화성 코팅은 고성능을 제공하며 극한의 산업용, 야외 소비재, 자동차 용도 등 다양한 분야에 맞게 최적화할 수 있습니다. 이 영역은 에폭시, 폴리우레탄, 그리고 이보다 적은 정도로 M-cure 반응성 개질제가 주도합니다. 폴리우레탄 코팅은 제곱피트당 비용이 높지만 우수한 내화학성과 함께 장시간 직사광선 노출 시 자동차 등급의 색상 및 광택 유지 성능을 제공합니다. 에폭시는 우레탄보다 비용이 낮고 도막 경도, 내화학성, 수증기 차단 특성이 뛰어납니다. 그러나 에폭시는 직사광선에 노출되는 탑코트 용도에서 색상 안정성과 내구성이 떨어지고 블러싱이 생기기 쉬워 통상 프라이머로 사용됩니다. 또한 에폭시 코팅 제품은 일반적으로 캘리포니아 주 Proposition 65 라벨이 필요합니다.

일반적으로 2액형 열경화성 코팅은 도막 경도의 대부분이 화학적 가교(경화)로 발현되므로 취급/포장이 가능해질 때까지 경화 시간이 깁니다. 플라스틱 기재는 열에 민감하므로 열을 가해 2액형 열경화성 코팅의 경화를 빠르게 하는 데에는 한계가 있습니다. 더 짧은 사이클 타임이 필요할 때는 복수 성분 혼합 장비를 통해 더 빠르게 경화되는 배합을 사용할 수 있습니다. 비용이나 경화 시간 제약으로 2액형 우레탄을 사용할 수 없는 용도에서는 M-cure를 고려할 수 있습니다. 새로운 M-cure 수지 기술 덕분에 M-cure 배합이 과거에는 불가능했던 훨씬 긴 가사 시간을 얻게 되어, 복수 성분 혼합 장비 없이도 상온 또는 저온 소부 온도에서 더 빠른 건조 시간을 얻을 수 있기 때문입니다. 수성 및 용제형 열경화성 배합이 있으며 통상 HVLP 또는 에어 분무 스프레이로 도포합니다.

UV 경화 코팅: UV 경화 코팅은 플라스틱용 코팅 기술 중 신속한 건조/경화 시간과 성능의 조합이 가장 뛰어납니다. 경화는 배합과 부품 형상에 따라 통상 3-10초면 완료됩니다. 경화가 끝나면 UV 경화 코팅으로 장식된 플라스틱 제품을 바로 포장할 수 있습니다. UV 경화 코팅은 강인성과 내화학성이 뛰어나며, 장기 외장 내구성을 갖도록 배합하거나 경부하 용도에 맞게 경제적으로 배합할 수 있습니다. UV 경화 코팅은 일반적으로 도막 경도를 얻기 위해 UV 경화 램프에 직접 노출(가시선 확보)되어야 하지만, 수성 UV 경화 코팅은 경화 전에도 촉감상 건조된 도막을 형성하는 점이 독특하여, 복잡한 부품의 작은 그림자 영역에서도 완제품에 미경화 끈적임 잔류물이 생기지 않습니다. 경화용 UV 광원으로는 수은 증기 램프가 가장 흔히 사용되며 마이크로파 방식이나 아크 방식이 있습니다. 아크 방식 램프는 구매 비용이 더 저렴하지만 예열 시간이 필요하고 열이 많이 발생합니다. 마이크로파 방식 램프는 아크 램프보다 비싸지만 켠 뒤 몇 초 안에 사용할 수 있고 열 발생이 적으며 전구 수명이 깁니다. 마이크로파 및 아크 램프 모두 철 또는 갈륨 도핑형이 있어 안료 착색 도료 경화에 적합하며, 최대 출력과 부품 형상에 따라 타원형(플러드) 또는 포물선형(집속) 반사경과 조합할 수 있습니다. 수은 램프 외에도 LED UV 램프가 즉시 켜고 끌 수 있고 에너지 사용량이 매우 적으며 열 발생이 극히 낮은 경쟁 기술로 부상했는데, 초점 형상의 한계 때문에 규칙적인 형상의 원통형 부품이나 평판 부품에 가장 적합합니다. 또한 LED 램프는 안료 함량이 높거나 후막인 도막의 완전 경화(through-cure)에는 뛰어나지만, 표면 완전 경화를 위해 확산광 또는 저출력 수은 램프에 의한 후경화 노출이 필요할 수 있습니다. 100% 고형분, 용제형, 수성 배합이 있습니다. UV 코팅은 HVLP로 분무하거나 평판 표면에는 롤 코팅할 수 있습니다.

액체 코팅 선택 가이드

결론

코팅 공정은 다면적이며 정밀한 엔지니어링과 품질 관리가 필요합니다. 도료 화학과 플라스틱 적합성의 영향, 그리고 표면 품질은 제품 성능에 필수적입니다. 1액형 래커, 2액형 열경화성, UV 코팅 기술은 폴리프로필렌 소재의 도장과 코팅에 효과적이며, 수성 화학 조성으로 제공됩니다.

참고 문헌

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

Scott R. Sabreen은 표면 전처리, 접착 결합, 잉크젯 인쇄, 레이저 마킹, 산업용 코팅, 장식 및 마감, 제품 보안 등 플라스틱 2차 가공 제조 공정을 전문으로 하는 엔지니어링 컨설팅 기업 The Sabreen Group, Inc.의 설립자이자 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com을 방문하시면 됩니다.

Dustin Kurath는 고성능 산업용 코팅을 전문으로 하는 도료 제조사 Northern Coatings and Chemical Co.의 기술 이사입니다. Kurath는 2000년대 중반부터 고성능 일반 산업용 및 자동차용 코팅, 항공우주 코팅, 포장 코팅, 방사선 경화 코팅 분야의 코팅 연구에 참여해 왔습니다. Kurath에게는 906.352.5060으로 연락하시거나 www.northern-coatings.com을 방문하시면 됩니다.

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