폴리머 접착력 향상을 위한 UV/오존 표면 전처리

폴리머 접착력 향상을 위한 UV/오존 표면 전처리

저자 노트: 많은 폴리머와 고무에서 인쇄 및 접착 문제는 업계 전반에서 흔히 발생합니다. 이는 폴리머의 본질적으로 낮은 표면 에너지를 비롯한 여러 요인 때문입니다. 표면 산화 공정은 폴리머 표면을 산화시켜 젖음성을 높일 수 있습니다.

자외선(UV)/오존 전처리는 폴리머 표면의 유기 오염물을 제거하고 접착력을 향상시키는 매우 효과적인 광화학 산화 공정입니다. 이 공정은 상온 상압 조건에서 진행되며 사용이 쉽고 비용이 저렴합니다. 이 글에서는 UV/오존 전처리와 그 화학적 메커니즘, 적용상의 장점을 설명합니다.

열가소성 플라스틱은 비극성이며 본질적으로 소수성인 저표면에너지 기재로, 동종 또는 이종 재료와 일반적으로 잘 접착되지 않습니다. 이는 본질적으로 중합 과정에서 생기는 불순물, 표면의 저분자량 성분, 산화 방지제와 슬립제 같은 첨가제, 이형제 같은 외부 가공 보조제, 성형 후 오염물 등으로 인해 약한 경계층이 형성되기 때문입니다.

핵심 요약

• 두 가지 파장이 작용합니다. 184.9 nm는 오존을 생성하고, 253.7 nm는 오존을 반응성이 매우 높은 원자 산소로 해리시킵니다.
• 고운동에너지 입자가 관여하지 않으므로 저온 가스 산소 플라즈마보다 순합니다.
• UV/오존은 화염, 코로나, 플라즈마 처리보다 소재 내부 깊이 작용합니다.
• 먼저 사전 세정하십시오. UVO는 유기 오염물은 잘 제거하지만 무기 먼지, 분진, 염분에는 효과가 없습니다.
• 보관 조건에 따라 유효 기간이 달라집니다. 제습 또는 진공 보관은 COC와 PC의 소수성 회복을 억제하지만, PMMA에는 효과가 없습니다.

자주 묻는 질문

UV/오존 전처리는 실제로 어떻게 작동합니까?

저압 수은 증기 램프가 184.9 nm와 253.7 nm 파장을 발생시킵니다. 184.9 nm는 산소 분자를 분해하여 오존을 합성하고, 253.7 nm는 그 오존을 고에너지 활성 원자 산소로 분해합니다. 원자 산소는 정상 상태 농도를 이루며 강한 산화제로 작용하여 폴리머 사슬에서 수소를 떼어냅니다.

어떤 폴리머가 UV/오존에 잘 반응합니까?

ABS, COC, COP, EPDM, PDMS, PET, PMMA, 폴리올레핀, SBS, 폴리카보네이트, PVC, 스티렌입니다. 이 공정은 의료용 마이크로플루이딕 장치의 모세관 유체 흐름을 극대화하고, 신발류의 열가소성 및 고무 표면을 활성화하는 데 특히 적합합니다.

UV만으로 충분합니까, 오존도 필요합니까?

폴리머에 따라 다릅니다. 일부 폴리머에서는 오존 존재 하의 광산화가 오존이나 UV 단독보다 효과적인 것으로 확인되었고, 다른 폴리머에서는 UV 단독으로 충분합니다. 모든 폴리머가 같은 방식으로 반응하지는 않으므로 항상 최적화가 필요합니다.

UV/오존은 표면을 활성화할 뿐 아니라 세정도 합니까?

일반적으로 유기 오염물 제거에는 효과적이지만 무기 오염물에는 효과가 없습니다. 산화 작용으로 휘발성 물질로 전환될 수 없는 먼지, 분진, 염분은 기재를 사전 세정하여 제거하십시오.

UV/오존 처리된 표면은 얼마나 오래 유지됩니까?

과거에 생각하던 것보다 오래갑니다. 예전 보고서에서는 다른 산화 전처리보다 경시 안정성이 짧다고 했지만, 최근 연구에서는 수개월 유지가 가능하며 보관 조건이 매우 중요한 것으로 나타났습니다. COC와 PC의 소수성 회복은 제습 또는 진공 보관으로 억제할 수 있는 반면, PMMA는 보관 조건의 영향을 크게 받지 않습니다.

폴리머의 가장 일반적인 표면 개질은 산화입니다. 표면 질감 형상 같은 요인이 젖음성을 개선하기도 하지만, 접착이 어려운 플라스틱 기재 사이의 접착력을 높이는 플라즈마 표면 개질 전처리를 사용하면 많은 접착 문제가 해결됩니다. 플라즈마 전처리에는 전기 코로나, 대기압 플라즈마, 원격 저온 가스, 화염, UV/오존이 있습니다.

이러한 공정은 자유 전자, 양이온 및 기타 화학종으로 이루어진 매우 반응성이 높은 기체인 "가스 플라즈마"를 생성하는 능력이 특징입니다. 화학적 표면 작용기화도 함께 일어납니다. UV/오존은 고운동에너지 입자가 없기 때문에 일반적으로 저온 가스 산소 플라즈마보다 순한 것으로 평가됩니다.

폴리머 표면 개질과 접착 측면에서 자외선과 오존에 노출시키는 방법은 수십 년간 사용되어 왔습니다. 과학 연구와 산업 현장에서는 처리를 극대화하기 위해 특정 폴리머에 UV와 오존을 조합하여 사용합니다. 즉, 공기 중 UV(오존 생성), 유입 공기에 오존을 추가한 공기 중 UV(오존 생성), 오존 단독 방식입니다. 처리 효과는 노출된 폴리머의 특성과 처리 공정에 좌우됩니다. 산소 흡수 수준을 조사하면 표면 개질이 얼마나 빠르게 일어나는지 알 수 있습니다.

UV/오존 전처리 적용 분야

최신 UV/오존 시스템의 장점 덕분에 젖음성과 강한 접착 결합이 필요한 많은 3D 응용 분야에서 선호되는 전처리 방식이 되었습니다. 이 공정은 건식이며 상온 상압에서 진행되고 사용이 쉬우며 비용이 저렴합니다. UV/오존은 의료용 마이크로플루이딕 장치의 모세관 유체 흐름을 극대화하고, 신발 제품에 쓰이는 열가소성 및 고무 표면을 활성화하고 작용기화하는 데 이상적입니다. UV/오존의 이점을 얻는 폴리머 응용 분야에는 ABS, COC, COP, EPDM, PDMS, PET, PMMA, 폴리올레핀, SBS, 폴리카보네이트, PVC, 스티렌이 있습니다.

UV/오존 처리

UV 방사는 전자기 스펙트럼의 일부로 100~400 nm 범위에 해당합니다. UV/오존, 즉 "UVO" 전처리는 기재 표면 또는 유기 오염물의 분자가 단파장 UV 방사를 흡수하여 여기 및/또는 해리되는 광증감 산화 공정입니다. UV 방사(파장 185 nm)는 대기 중 산소와 반응하여 강한 산화제인 원자 산소와 오존을 형성함으로써 표면의 오염물을 제거합니다. 오존은 254 nm UV 방사를 흡수하여 분자 산소와 원자 산소로 해리됩니다.

폴리머 분자가 UV 방사에 노출되면, 산소 분자의 연속적인 해리와 오존 분자 생성으로 생긴 원자 산소와 일반적으로 다음 메커니즘을 통해 반응합니다.

• 저압 수은 증기 방전 그리드 튜브가 184.9 nm와 253.7 nm 두 가지 파장을 발생시킵니다.
• 184.9 nm UV는 산소 분자를 분해하여 오존 O3를 합성합니다. 184.9 nm 방사에 의해 분자 산소가 여기 상태 분자 산소 O2*로 바뀝니다.
• 253.7 nm UV는 오존을 분해하여 고에너지 O* 활성 산소를 생성합니다. 수증기가 있으면 하이드록실 라디칼도 생성됩니다. 폴리머 기재는 원자 산소, 분자 산소, 오존에 의해 폴리머 사슬에서 수소 원자가 떨어져 나가며 산화되고, 라디칼 탄소 자리가 생성됩니다. 오존 처리 후 폴리머 표면에는 하이드록실기와 카복실기가 존재할 가능성이 높습니다.

오존이 계속 생성되고 소멸되면서 원자 산소의 정상 상태 농도가 형성되고, 원자 산소는 강한 산화제로 작용합니다. 산화의 결과 표면 에너지가 높아져 친수성이 증가하고 젖음성이 향상됩니다.

UVO 전처리는 노출 시간, UV 강도와 UV 광원으로부터의 거리, 오존 농도, 가스 유량, 온도의 영향을 크게 받습니다. 이러한 영향은 충전제와 첨가제를 포함한 폴리머 시스템의 UV 흡수 특성에 크게 좌우됩니다. 모든 폴리머가 UV 조사에 같은 방식으로 반응하지는 않습니다.

원하는 표면 특성을 얻으려면 재료 파라미터와 공정 조건의 최적화가 항상 필요합니다. 일부 연구에서는 특정 폴리머와 공정에서 오존 존재 하의 광산화가 오존이나 UV 단독 산화보다 효과적인 것으로 나타났으며, 다른 폴리머에서는 UV 단독으로 충분합니다.

사전 세정

UVO 세정은 일반적으로 유기 오염물 제거에 효과적이지만, 무기 오염물 제거에는 효과가 없을 수 있습니다. 산화 작용으로 휘발성 물질로 바뀔 수 없는 먼지, 분진, 염분은 폴리머 기재에서 사전 세정하는 것이 좋습니다.

UVO 처리 폴리머의 안정성

처리된 플라스틱의 유효 기간(처리 경시 열화)은 수지 종류, 배합, 보관 장소의 주변 환경에 따라 달라집니다. 처리 제품의 유효 기간은 산화 방지제, 가소제, 슬립제 및 대전 방지제, 착색제와 안료, 안정제 등 저분자량 산화 물질(LMWOM)의 존재로 제한됩니다. 처리된 표면이 고온에 노출되면 분자 사슬의 이동성이 높아지며, 사슬 이동성이 높을수록 열화가 빨라집니다. 전처리된 표면은 주변 환경 요인에 따라 열화 속도와 정도가 다릅니다. 활성화된 표면의 유효 기간은 수 시간, 수 일, 수개월 또는 그 이상일 수 있습니다. 열화 특성과 보관 유효 기간은 제조 공정 운영에 필수적입니다.

일부 연구와 적용 보고서에 따르면 UVO 처리 플라스틱은 다른 산화 전처리보다 경시 안정성이 짧아 장기 보관이 필요한 용도에는 제약이 있을 수 있습니다. 새로운 연구에서는 UVO 처리 플라스틱이 수개월 지속될 수 있으며 보관 조건이 표면 안정성에 큰 영향을 미친다는 것이 확인되었습니다. 구체적으로, UVO 처리된 COC와 PC의 소수성 회복은 제습 또는 진공 조건에서 보관하면 억제할 수 있는 반면, PMMA의 안정성은 보관 조건의 영향을 크게 받지 않습니다. 더 중요한 점은 보관 조건이 소수성 회복에 미치는 영향이 플라스틱 종류마다 다르다는 것을 이 측정 결과가 보여 준다는 것입니다.

결론

UV/오존 전처리는 폴리머 표면의 유기 오염물을 제거하고 접착력을 향상시키는 매우 효과적인 광화학 산화 공정입니다. 이 공정은 상온 상압 조건에서 진행되며 사용이 쉽고 비용이 저렴합니다. 원하는 표면 특성을 얻으려면 재료 파라미터와 공정 조건의 최적화가 항상 필요합니다. 젖음성은 노출 시간, UV 강도와 UV 광원으로부터의 거리, 오존 농도의 영향을 크게 받습니다.

모든 폴리머가 UV 조사에 같은 방식으로 반응하지는 않습니다. 연구에 따르면 일부 폴리머에서는 오존 존재 하의 광산화가 오존이나 UV 단독 산화보다 효과적입니다. UVO 처리 폴리머와 고무는 유효 기간이 긴 경우가 많습니다. 처리 제품의 유효 기간은 저분자량 산화 물질의 존재와 주변 보관 조건에 의해 제한됩니다. 일부 플라스틱의 소수성 회복은 제습 또는 진공 조건에서 보관하면 추가로 억제할 수 있습니다. 보관 조건이 소수성 회복에 미치는 영향은 플라스틱 종류마다 다릅니다.

참고 문헌

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• Mark Strobel, Mary Jane Walzak, Josephine M. Hill, Amy Lin, Elizabeth Karbashewski & Christopher S. Lyons (2012) A comparison of gas-phase methods of modifying polymer surfaces, Journal of Adhesion Science and Technology, 9:3, 365-383, DOI: 10.1163/156856195X00554
• Scarlett Wang, How to UV Ozone Cleaning, 2014
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc. "Plasma Surface Pretreatments of Polymers for Improved Adhesion Bonding," Plastics Decorating magazine, 2018

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

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