플라스틱 도장 전 준비

플라스틱 도장 전 준비

대부분의 액체 도료를 플라스틱에 적용하는 공정은 금속 도장에 사용하는 공정과 크게 다르지 않으나, 플라스틱에서는 분체 도장이 여전히 매우 드뭅니다. 또한 금속에 널리 쓰이는 특정 도장 방식인 화학 증착(오토포레틱)과 전착 코팅은 플라스틱에는 사용할 수 없습니다. 그러나 붓칠, 딥 코팅, 플로 코팅, 커튼 코팅, 그리고 모든 변형 스프레이와 로터리 분무를 포함한 나머지 기법은 금속과 플라스틱 모두에 사용됩니다. UV 방사선 경화와 일부 분체 도료의 저온 경화가 등장하면서, 어느 정도 내열성이 있는 특정 플라스틱에서는 분체 도포가 이루어지고 있으나 이 기술은 아직 초기 단계입니다.

제조에 흔히 사용되는 모든 금속의 도장성은 서로 상당히 비슷합니다. 이는 금속의 표면 에너지, 전기 전도도, 열전도도, 내열성 값이 모두 매우 가깝기 때문이기도 합니다. 플라스틱은 분명히 그렇지 않습니다. 일반적으로 플라스틱의 이러한 속성 값은 금속보다 훨씬 낮고, 플라스틱 종류 간의 값 차이도 극단적입니다. 같은 플라스틱 계열 안에서도 플라스틱의 분자량 차이와 수지 제조 시 첨가되는 첨가제의 차이로 인해 도장성이 놀라울 만큼 다를 수 있습니다. 기본 플라스틱 조성은 단일 수지일 수도 있고 둘 이상의 서로 다른 수지의 블렌드일 수도 있습니다. 수지 조성에는 다양한 충전제, 증량제, 가소제가 배합될 수 있습니다. 첨가제는 바람직한 물리적, 화학적 특성을 얻기 위해 수지에 자주 첨가되며, 안료는 광택을 바꾸거나 색을 내기 위해 도입됩니다. 이러한 첨가제의 화학적 성질과 함량은 해당 배합의 도장성을 크게 바꿀 수 있습니다. 같은 수지 배합으로 제조한 부품이라도 도장성이 반드시 같은 것은 아닙니다. 부품을 만드는 데 사용한 성형, 압출 등의 성형 공정도 유발된 부품 응력과 수지 가교 때문에 부품의 도장성에 중요한 역할을 할 수 있습니다.

수지의 화학적 성질이 플라스틱의 표면 에너지를 대부분 결정합니다. 일반적으로 표면 에너지가 높은 표면일수록 도료가 더 쉽게 “젖고” 따라서 더 “도장하기 좋으며”, 코팅 접착력도 더 좋아집니다. 금속은 일반적으로 표면 에너지가 플라스틱보다 훨씬 높기 때문에 금속에 대한 도료 접착이 플라스틱보다 우수한 경우가 많다고 알려져 있습니다. 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 같은 플라스틱에서 분자의 낮은 극성이 이들 플라스틱의 낮은 표면 에너지(및 나쁜 도장성)의 원인입니다. 표면 에너지를 높여 도료 접착력을 높이는 것이 플라스틱을 전처리하는 주요 목적 중 하나입니다.

핵심 요약

• 대부분의 액체 도장 방식은 금속에서 그대로 적용되지만, 화학 증착과 전착 코팅은 플라스틱에서는 불가능합니다.
• 정전기는 플라스틱 특유의 문제입니다. 플라스틱은 절연체여서 전하가 쌓이고 도장 전에 공기 중 먼지를 끌어당깁니다.
• 왁스계 이형제는 도장의 적입니다. 수용성 이형제가 훨씬 바람직하며 일반 수성 세제로 씻겨 나갑니다.
• 매끄러운 표면은 도료가 필요로 하는 앵커링 자리를 만들기 위해 화학적 또는 기계적으로 거칠게 만들어야 합니다.
• 촉진 노화 시험은 현장 성능을 예측합니다. 건열, 습열, 대조군을 거친 뒤 ASTM D3330에 따라 박리 시험을 합니다.

자주 묻는 질문

플라스틱을 도장하기 전에 어떤 오염물을 제거해야 합니까?

지문, 먼지, 보풀, 이형제 잔류물입니다. 맨손으로 만져 묻은 염분과 오일은 대개 세제 세정으로 제거되며, 작업자가 성형 공정부터 도장 단계까지 보풀 없는 장갑을 착용하면 지문 오염은 완전히 피할 수 있습니다.

플라스틱 부품은 도장 전에 왜 먼지를 끌어당깁니까?

대부분의 플라스틱은 절연체이거나 전기 전도성이 낮아 정전하가 쌓여 공기 중 입자를 끌어당기고 붙잡기 때문입니다. 정전기 제어는 금속 마감 라인에는 필요 없는 단계입니다.

도장에 적합한 이형제는 무엇입니까?

일반 수성 세제 세정으로 쉽게 제거되는 수용성 이형제입니다. 왁스계 이형제는 용제로 제거할 수 있는 경우도 있으나 도장할 부품에는 권장되지 않으며, VOC, 화재, 건강상의 이유로 용제 사용 자체도 권장되지 않습니다.

매끄러운 플라스틱 표면에 도료를 접착시키려면 어떻게 해야 합니까?

표면을 거칠게 해야 합니다. 플라스틱은 표면 에너지가 낮고 표면 프로파일도 낮아 매끄러운 표면은 접착이 나쁩니다. 일반적인 방법은 화학적 에칭으로 미세 거칠기와 앵커링 자리를 만드는 것이며, 이상적으로는 도포하는 도료에 이미 들어 있는 용제로 이를 수행합니다.

도료 접착력을 장기적으로 어떻게 시험해야 합니까?

촉진 노화 시험을 사용합니다. 실행 가능한 설계 하나는 세 그룹으로, 158°F 건조 상태 5일, 90°F 및 습도 90% 상태 5일, 그리고 상온 대조군입니다. 시험 직후 대조군과 비교해 육안 검사를 하고, 시편이 안정화되면 ASTM D3330에 따라 박리 시험을 하며 가장 흔히 180°로 수행합니다.

플라스틱 기재 세정

도장할 다른 모든 표면과 마찬가지로 플라스틱도 이물질이나 오염물이 어느 정도 없어야 합니다. 코팅할 플라스틱 제품에서 흔히 발견되는 오염물에는 지문, 먼지, 보풀, 이형제 잔류물이 있습니다. 맨손으로 만져 플라스틱에 묻은 염분과 오일은 대개 세제 세정으로 만족스럽게 제거할 수 있습니다. 성형 공정부터 도장 단계까지 부품을 다루는 작업자가 보풀 없는 장갑을 착용하면 지문 오염은 완전히 피할 수 있습니다.

대부분의 플라스틱은 절연체이거나 전기 전도성이 낮습니다. 그 결과 정전하가 쌓여 보풀과 먼지 입자를 끌어당기고 끈질기게 붙잡는 경향이 있습니다. 택 클로스로 닦아도 이러한 오염물이 모두 제거되지 않을 수 있습니다. 정전기로 붙은 보풀과 먼지를 제거하는 우수한 방법은 제전 에어 블로오프를 사용하는 것입니다. 제전기는 양전하와 음전하를 모두 발생시켜야 하며, 대부분의 장치는 블로오프 공기원에 약한 방사성 방출원을 사용합니다. 흡입 공기는 필터링되고, 이온을 함유한 공기를 부품 위로 불어 양이온과 음이온이 모든 정전하를 중화시킵니다. 부품이 코팅 공정에 들어가기 직전에 가능한 한 깨끗한 상태가 되도록 제전은 도장 직전에 해야 합니다. 제전과 도장 사이에 지연이 생기면 전하가 다시 형성되어 부품 표면에 입자가 다시 쌓이게 됩니다.

플라스틱 도장 작업을 “클린룸” 안에 설치하면 먼지나 보풀 같은 오염물을 더 쉽게 관리할 수 있습니다. 공급 공기는 필터링하고 상대 습도를 약 50%로 유지해야 합니다. 이 공간에는 보풀 없는 작업복, 헤어넷, 신발 커버를 착용한 인가된 인원만 언제든지 출입할 수 있어야 합니다.

이형제와 가소제

도장이 가능한 이형제도 일부 있으나, 그 밖의 많은 이형제는 도료 접착에 악영향을 줍니다. 플라스틱 부품을 금형에서 분리하는 데 쓰이는 이러한 물질을 제거하려면 다양한 기법이 필요할 수 있습니다. 왁스계 이형제는 용제 세정으로 제거할 수 있는 경우도 있으나, 이러한 유형은 도장할 부품에는 권장되지 않습니다. 많은 용제는 VOC 배출 규제와 화재 및 건강상의 위험 때문에 용제 사용은 거의 자동으로 권장되지 않습니다. 수용성 이형제가 훨씬 바람직합니다. 플라스틱 표면에서 수용성 이형제는 일반 수성 세제 용액으로 쉽게 제거됩니다.

이형제를 플라스틱 배합에 혼합하기도 하며, 이를 “내부” 이형제라고 합니다. 내부 이형제는 가능하면 피해야 합니다. 도장성이 즉시 손상될 수도, 그렇지 않을 수도 있으며, 품질 보증(QA) 접착 시험에서 초기 접착력이 우수하게 나올 수도 있습니다. 그러나 경우에 따라 내부 이형제가 서서히 부품 표면으로 이행하여 부품을 도장한 지 몇 달 후에 도료 접착 불량을 일으킨 사례가 있습니다.

가소제는 충격 강도를 높이기 위해 성형 수지에 첨가할 수 있으나, 이형제와 마찬가지로 도료 접착력을 떨어뜨리는 경우가 많습니다. 일부 가소제는 서서히 표면으로 이행하여 플라스틱과 도료 사이의 계면을 연화시켜 접착력 손실을 일으킵니다. 이 경우에도 초기 도료 접착 시험은 완전히 만족스러울 수 있지만, 나중에 도막이 들뜨거나 플라스틱 표면에서 분리됩니다. 이는 부품이 사용에 들어간 뒤 한참이 지나 값비싼 현장 불량과 책임 청구로 이어질 수 있습니다.

견고한 도료 접착 구현

대부분의 플라스틱 표면은 표면 에너지가 낮을 뿐 아니라 표면 프로파일도 본질적으로 낮습니다. 표면을 먼저 화학적 또는 기계적으로 거칠게 하지 않으면 매끄러운 표면은 도료 접착이 나쁜 경향이 있습니다. 금속의 화성 처리 피막은 금속 위에 생성된 무기 층의 미세하게 거친 표면 덕분에 부분적으로 도료 접착에 기여합니다. 플라스틱의 표면 매끄러움을 극복하는 가장 일반적인 방법은 화학 약품으로 표면을 에칭하여 도료에 접착력을 제공하는 미세 거칠기와 앵커링 자리를 만드는 것입니다. 가능하면 별도의 공정 단계를 피하기 위해 도포하는 도료에 들어 있는 용제로 에칭합니다. 용제마다 플라스틱을 에칭하는 속도가 다르므로 도료 용제 선택은 매우 중요합니다. 과에칭과 미에칭은 모두 피해야 합니다. 에칭이 부족하면 적절한 접착을 얻지 못하고, 과도한 에칭은 플라스틱을 손상시킬 수 있습니다. 부품이 휘거나, 첨가 충전제와 증량제 입자가 노출되거나, 플라스틱 내 물질이 코팅으로 번져 나오는 영역이 생길 수도 있습니다. 폴리카보네이트나 폴리스티렌 같은 일부 플라스틱은 특히 민감한 용제의 공격으로 갈라지거나 표면 크레이징이 지나치게 발생합니다. 플라스틱에 성형 공정에서 응력이 크게 걸린 영역이 있으면, 응력 완화로 인해 용제가 그 영역에 눈에 보이는 균열을 만들 수 있습니다. 따라서 용제 에칭을 할 때는 어느 정도 주의가 필요합니다.

일부 형상의 부품을 성형할 때, 빠른 플라스틱 사출 흐름이 금형 내부에서 부품에 상당한 마찰열을 발생시키는 영역이 있습니다. 그 영역에서는 용제 에칭에 저항하는, 가교도가 높은 (유약 같은) 스킨이 형성됩니다. 지나치게 단단한 플라스틱 스킨을 제거하는 조치를 하지 않으면 이 영역의 도료 접착이 나쁩니다. 이러한 영역은 적당한 연마 매체로 텀블링하거나 다소 공격적인 그릿 재료로 표면을 블라스팅하여 만족스러운 도료 접착이 가능할 만큼 디글레이징할 수 있습니다. 일부 부품에는 짧은 시간의 고온 용제 또는 용제 증기 침지 처리도 효과적입니다. 그러나 용제로 미세 거칠기를 만드는 것은 일반적으로 플라스틱 자체가 어느 정도 극성인 경우에만 효과적입니다.

디글레이징이나 용제 에칭이 효과적이지 않거나 바람직하지 않을 때는 화학 반응으로 표면에 극성 산화기를 만들어야 할 수 있습니다. 이는 극도로 비극성인 플라스틱 표면에서 특히 그렇습니다. 폴리프로필렌과 폴리에틸렌은 산화 처리하는 저극성 플라스틱의 두 가지 예입니다. 이러한 수지와 유사한 저극성 플라스틱은 가스 버너의 열린 화염에 잠시 노출할 수 있습니다. 이렇게 하면 눈에 보일 정도는 아니지만 초기 연소 수준의 산화 화학 반응이 시작되어 우수한 도료 접착을 제공하기에 충분한 극성이 표면에 형성됩니다. 오존을 발생시키는 전기 코로나 방전에 플라스틱 부품을 통과시키는 방법도 표면 산화에 사용되어 왔습니다. 코로나는 여기된 산소 원자를 만들어 오존을 형성하고, 오존은 다시 플라스틱을 산화 공격하여 하이드록실, 카보닐, 카복실산 같은 극성기를 만듭니다.

저극성 플라스틱은 광증감제라는 감광성 화학 물질을 사용한 뒤 자외선에 노출하는 방법으로도 표면 산화할 수 있습니다. UV 광은 감광성 화합물의 분자를 “분해”하여 자유 라디칼을 형성합니다. 자유 라디칼은 반응성이 극히 높은 화학종으로, 이 공정에서 공기 중에 존재하는 산소와 결합합니다. 산소 자유 라디칼은 다시 플라스틱과 반응하여 표면에 극성기를 만듭니다.

저온 가스 플라즈마 기술을 사용하면 플라스틱을 전처리하고 표면을 산화하여 도료 접착을 위한 표면 특성을 크게 개선할 수 있습니다. 기체에 충분한 에너지를 강제로 흡수시키면 이온화되어 “플라즈마”가 됩니다. 라디오파 발생기가 여기를 제공합니다. 아크 용접과 형광등은 여기된 이온이 안정된 에너지 상태로 돌아가면서 “빛”을 내는 현상의 예입니다. 시스템의 안전 한계 내에서 이 공정에는 어떤 단일 가스나 혼합 가스든 사용할 수 있습니다. 산소, 질소, 헬륨, 아르곤, 공기, 암모니아가 이 목적에 사용되어 왔습니다.

플라즈마 컨디셔닝으로도 플라스틱에 좋은 접착력으로 도장할 수 있습니다. 플라즈마 반응기는 통상 부품을 넣고 빼기 위한 밀폐 가능한 포트를 갖춘 진공 용기입니다. 반응기가 작동하는 동안 글로 방전을 볼 수 있습니다. 가스 플라즈마 처리는 표면을 미세 에칭하고 활성화합니다. 짧은 처리만으로도 원래 저극성 또는 비극성인 플라스틱에 표면 에너지가 높은 극성 표면이 만들어져 도료가 완전하고 균일하게 “젖을” 수 있습니다. 플라즈마 공정은 대개 표면 외관을 바꾸지 않으므로 변색 없이 소재를 처리할 수 있습니다. 금속에 사용하는 것과 동일한 도료로 우수한 접착을 얻을 수 있습니다. 플라스틱과 금속이 모두 포함된 조립품을 동일한 코팅으로 동시에 도장할 수 있으므로 일부 제조업체에는 중요한 특징일 수 있습니다.

도료 자체에 들어 있는 화학 산화제를 사용해 플라스틱 표면을 더 나은 도료 접착이 생길 만큼 산화시키는 방법은 효과가 떨어집니다. 반사 적외선 분광법으로 이러한 처리가 다른 산화 공정과 동일한 산소 함유(하이드록실, 카보닐, 카복실산)기를 플라스틱 표면에 만든다는 것이 확인되었으나, 그 양이 더 적을 뿐입니다. 도료 자체의 산화제가 내구성 있는 도료 접착에 충분한 극성을 만드는 경우는 제한적입니다.

표면 전처리는 공정 윈도우를 넓혀 줍니다. 예를 들어 “미처리” 폴리올레핀의 표면 에너지는 29-31 dyne/cm 범위입니다. 도장 공정에서 이러한 표면은 용제형, 수성, UV 등 코팅 화학 조성에 따라 38-60 dyne/cm 범위의 처리 수준이 필요합니다. 각 전처리 방법은 용도에 따라 다르며 잠재적인 장점, 한계, 비용 영향이 있습니다. 특정 상황에서는 기상 산화 공정이 열 밀봉 같은 후속 제조 공정에 악영향을 줄 수 있습니다. 양산 적용 전 철저한 평가가 필수적입니다.

접착 시험

도료 접착력과 스크래치 경도 특성을 측정하는 데에는 다양한 방법이 사용됩니다. 촉진 노화 시험은 장기 제품 성능을 예측하는 데 도움이 되는 기법입니다. 다음 실험 설계는 그 한 예입니다.

• 그룹 1: 5일, 158°F, 습도 없는 건조 상태
• 그룹 2: 5일, 90°F, 습도 90%
• 그룹 3: 대조군, 상온 조건

시험 직후 육안 검사를 하고 대조군과 비교해야 합니다. 시편이 안정화되면 ASTM D3330에 따라 박리 시험을 수행해야 합니다. 많은 용도에서 180° 박리 시험이 가장 자주 사용됩니다. 비교 목적으로 90° 박리도 권장됩니다. 이 시험은 값이 180° 박리에서 기록된 값보다 낮을 수 있으나 접착 성능을 더 정확하게 보여 줄 수 있습니다. 그룹 1 시험을 5일에서 10일로 늘린다고 현장 성능이 두 배로 예측되는 것은 아닙니다. 관계가 선형 함수가 아니기 때문입니다. 다만 더 견고한 결과를 나타내 줍니다.

Scott R. Sabreen은 The Sabreen Group Inc.(TSG)의 설립자이자 사장입니다. TSG는 플라스틱 2차 가공 제조 공정인 표면 전처리, 접착, 장식 및 마감, 레이저 마킹 엔지니어링을 전문으로 하는 기술 기업입니다. Norman R. Roobol 박사(770-487-9133 또는 [email protected])는 35년 이상의 경력을 가진 산업 도장 컨설턴트이며 여러 권의 저서를 집필했습니다. 자세한 내용은 888-SABREEN으로 전화하시거나 www.sabreen.com을 방문해 주십시오.

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