플라스틱 접착 문제 해결의 과학: 접촉각, 표면 젖음, 화학적 활성화

플라스틱 접착 문제 해결의 과학: 접촉각, 표면 젖음, 화학적 활성화

핵심 요약

• 접착 결합은 접착제만의 문제가 아닙니다. 잉크, 페인트, 코팅, 봉지재, 포팅, 금속화에도 동일한 과학이 적용됩니다.
• 플라스틱을 접착하기 어렵게 만드는 특성은 네 가지입니다. 소수성, 낮은 표면 에너지, 비극성 및 불활성, 그리고 낮은 표면 화학적 기능성입니다.
• 정적 접촉각만으로는 오판하기 쉽습니다. 생산 현장은 정적이 아니라 동적이므로 동적 접촉각이 더 중요합니다.
• 전진각과 후퇴각은 서로 다른 것을 측정합니다. 전진각은 개질되지 않은 표면을, 후퇴각은 전처리된 표면을 반영합니다.
• 젖음은 문제의 절반일 뿐입니다. 표면 에너지를 높이는 것만이 아니라 표면 화학적 기능성을 만들어 내야 합니다.

폴리머 접착 결합 문제는 플라스틱 산업 전반에 만연해 있습니다. 2차원 및 3차원 제품에는 플라스틱 대 플라스틱, 플라스틱 대 금속, 플라스틱 대 복합재, 광기계 접합 등의 접착 결합이 포함되는 경우가 많습니다. 접착 결합 용도는 접착제(에폭시, 우레탄, 아크릴, 실리콘 등)에 국한되지 않고 인쇄 잉크, 페인트와 코팅, 봉지재, 포팅 컴파운드, 금속화 등의 접착도 포함합니다.

플라스틱 기재는 소수성(자연적으로 젖지 않는) 소재이고, 표면 젖음성이 낮으며(즉, 표면 에너지가 낮으며), 비극성의 불활성 구조이고, 표면 화학적 기능성이 부족하기 때문에 접착하기 어렵습니다. 이 글에서는 강한 접착 결합 강도를 얻기 위한 접촉각, 표면 젖음, 화학적 활성화의 기초 과학을 다룹니다.

자주 묻는 질문

접촉각이란 무엇이며 왜 중요합니까?

액체 방울이 고체 표면과 만나는 지점에서의 접선과 그 표면의 수평선이 이루는 각도입니다. 접촉각과 이것이 나타내는 고체와 액체 사이의 물리적 상호작용을 이해하면 접착에 필요한 표면 젖음성이 충분한지 알 수 있습니다.

정적 접촉각이 아니라 동적 접촉각을 측정해야 하는 이유는 무엇입니까?

산업 생산 현장은 정적이 아니라 동적이기 때문입니다. 정적 접촉각만 시험하면 액체/고체 계면과 접착 문제 자체를 잘못 해석할 수 있습니다.

전진 접촉각과 후퇴 접촉각은 어떻게 다릅니까?

전진각은 표면의 저에너지 미개질 성분에 가장 민감하고, 후퇴각은 전처리로 도입된 고에너지 산화기에 더 민감합니다. 따라서 처리된 표면에서는 후퇴각이 더 의미 있는 측정값입니다.

표면 에너지를 높이기만 하면 접착 문제가 해결됩니까?

아닙니다. 접촉각 측정만을 유일한 예측 지표로 삼으려는 경향이 강하지만 표면 화학적 기능성도 똑같이 중요합니다. 소수성 표면은 기상 산화를 통해 접착 가능한 친수성 표면으로 적극적으로 전환해야 합니다.

이 과학은 어떤 접착 결합 용도를 다룹니까?

에폭시, 우레탄, 아크릴, 실리콘 같은 접착제보다 훨씬 폭넓은 범위입니다. 플라스틱 대 플라스틱, 플라스틱 대 금속, 플라스틱 대 복합재, 광기계 조립품에 걸쳐 인쇄 잉크, 페인트와 코팅, 봉지재, 포팅 컴파운드, 금속화에도 똑같이 적용됩니다.

접촉각

평평한 고체 표면 위에 정지 상태(평형 상태)로 놓인 하나의 액체 방울을 생각해 봅시다. 단면도는 아래와 같습니다(그림 1). 고체 표면과 끝점에서 액체 윗면에 그은 접선이 이루는 각을 접촉각이라 합니다. 접촉각은 접촉점에서의 접선과 고체 표면의 수평선 사이의 각도입니다. 접촉각과 고체와 액체 사이 상호작용의 물리적 특성을 이해하면 최적의 접착 결합 표면 젖음 조건을 판단하는 데 유용한 정보를 얻을 수 있습니다.

기포/액적의 형태는 모든 액체가 표면을 수축시켜 담긴 부피를 표면적이 최소가 되는 형태로 만들려는 분자 간 힘 때문에 생깁니다. 표면을 수축시키는 이 분자 간 힘을 표면 장력이라 합니다. 표면 에너지의 척도로 "dynes/cm"(또는 SI 단위 mN/m)로 나타내는 표면 장력은 (분자 간 힘에 의해) 모든 액체가 표면을 수축시켜 담긴 부피를 표면적이 최소가 되는 형태로 만들려는 성질입니다.

액체(물, 인쇄 잉크, 접착제/봉지재, 코팅 등)의 표면 장력에 비해 고체 기재의 표면 에너지가 높을수록 "젖음성"이 좋아지고 접촉각은 작아집니다. 일반적으로 기재의 표면 에너지(dynes/cm로 측정)가 액체의 표면 장력보다 약 8~10 dynes/cm 클 때 허용 가능한 접착 결합이 이루어집니다(그림 2).

표면 젖음 시험은 접촉각을 측정하는 것입니다. 액체가 기재(즉, 폴리머 제품)를 완전히 적시지 못하면 접촉각이 형성됩니다. 접촉각은 액체가 고체를 적시는 정도를 정량적으로 나타내는 척도입니다. 이는 참여하는 상(기체/액체/고체 또는 액체/액체/고체) 사이에서 일어나는 상호작용의 직접적인 척도입니다. 액적의 모양과 접촉각의 크기는 참여하는 각 상(기체, 액체, 고체)의 계면 장력이라는 세 가지 상호작용 힘에 의해 결정됩니다.

많은 용도에서는 ASTM D2578과 같이 문서화된 시험 절차에 따라 다인 용액을 사용하여 정적 평형 접촉각만 검토해도 충분할 수 있습니다. 애플리케이션 키트 또는 "다인 펜/용액"은 유용한 정보를 제공하지만 표면 장력을 정밀하게 측정하는 것은 아닙니다. 표면 장력 측정값은 작업자(기법)와 "중심" 액체 거동의 해석에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 다인 펜/용액은 표면 장력의 유의미한 차이를 나타내는 방향성 지표로 알려져 있으며, 저렴한 비용으로 접착이 "잘 되는" 표면과 "안 되는" 표면을 구별할 수 있습니다.

동적 접촉각(DCA)

정적 접촉각만으로 유체 거동을 시험하면 액체/고체 계면 결과를 잘못 해석하고 접착 문제 해결을 그르칠 수 있습니다. 산업 제조 생산 현장은 정적이 아니라 실제로는 동적 조건에 더 가깝기 때문입니다. 따라서 동적 접촉각(DCA)을 이해하는 것이 가장 중요합니다.

접촉각은 일반적으로 표면 화학의 변화와 표면 형상의 변화 모두에 영향을 받는 것으로 간주됩니다. 전진 접촉각은 기재 표면의 저에너지(미개질) 성분에 가장 민감하고, 후퇴각은 표면 전처리로 도입된 고에너지 산화기에 더 민감합니다. 따라서 다인 용액으로 측정할 때 후퇴각이 사실상 전처리 후 표면의 개질된 성분을 가장 잘 나타내는 측정값입니다. 그러므로 표면 개질된 모든 소재에서 전진 접촉각과 후퇴 접촉각을 모두 측정하는 것이 중요합니다1(그림 3).

액적이 고체 표면에 붙어 있는 상태에서 고체 표면을 기울이면 액적은 앞으로 쏠리며 아래로 미끄러집니다. 이때 형성되는 각도를 각각 전진각(θa)과 후퇴각(θr)이라 합니다. ASTM D724는 액적 형상 분석과 질량을 기반으로 전진각과 후퇴각을 분석하는 첨단 장비(광학 텐시오미터와 고니오미터)를 사용하여 DCA를 측정하는 방법을 설명합니다.

화학적 표면 활성화

제조업체는 접착 문제의 유일한 예측 지표이자 일상적인 표면 시험의 기준으로 접촉각 측정에만 집중하는 경향이 강합니다. 소수성 표면을 접착 가능한 친수성 표면으로 활성화하는 표면 화학적 기능성도 똑같이 중요합니다. 화학적 표면 활성화에는 기상, "글로 방전", 표면 산화 전처리 공정이 사용됩니다.

기상 표면 산화 공정 방법에는 전기 코로나 방전, 화염 처리, 저온 가스 플라즈마, 자외선 조사가 있습니다. 각 방법은 용도에 따라 적합성이 다르며 고유한 장점과 잠재적 한계가 있습니다.

플라즈마에서 생성되는 자유 전자, 이온, 준안정 종, 라디칼, UV에서 일어나는 기본적인 화학적, 물리적 반응은 대부분 폴리머 기재의 표면 분자 결합을 끊을 만큼 충분한 에너지로 표면에 작용할 수 있습니다. 그 결과 폴리머 표면에 반응성이 매우 높은 자유 라디칼이 생성되며, 이 라디칼은 가교를 형성하거나 산소가 있으면 빠르게 반응하여 기재 표면에 다양한 화학 작용기를 형성합니다. 접착성을 높이는 극성 작용기로는 카보닐(C=O), 카복실(HOOC), 하이드로퍼옥사이드(HOO-), 하이드록실(HO-)기가 있습니다. 폴리머에 도입된 반응성 작용기가 소량이더라도 표면의 화학적 기능성과 젖음성을 개선하는 데 매우 유익할 수 있습니다. 또한 화학 프라이머/용제와 기계적 연마(금형 텍스처 포함)를 단독으로 또는 기상 전처리와 함께 활용할 수 있습니다.2

폴리머 접착 문제는 광범위하며 접착제에만 국한되지 않습니다. 접착 불량에는 현장에서의 제품 성능 저하, 스크랩/재작업, 생산 비효율, 품질 관리 검사 증가 등 상당한 비용적 영향이 따릅니다. 접촉각, 표면 젖음, 화학적 활성화의 기초 과학을 이해하면, 접착이 가장 어려운 폴리머와 엘라스토머 소재를 사용할 때도 사실상 모든 접착 문제를 성공적으로 해결할 수 있습니다.

참고 문헌

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., "Surface Wetting Pretreatment Methods," Plastics Decorating Magazine, 2002
• Acknowledgement: Enercon Industries Corporation – photos

Scott R. Sabreen은 The Sabreen Group, Inc.의 설립자 겸 사장입니다. The Sabreen Group은 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 레이저 마킹, 제품 보안 등 플라스틱 2차 가공 제조 공정을 전문으로 하는 글로벌 엔지니어링 컨설팅 회사입니다. 자세한 내용은 (888) SABREEN으로 전화하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문해 주십시오.

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