저표면에너지 폴리머의 잉크젯 인쇄와 접착

저표면에너지 폴리머의 잉크젯 인쇄와 접착

플라스틱 제품에 첫 잉크 방울이 분사되기 훨씬 전에, 설계자는 잉크 인쇄가 쉬울지 어려울지를 미리 결정짓는 핵심 사항을 정합니다. 접착은 본질적으로 표면 현상으로, 액상 잉크와 기재 표면 사이의 상호작용에 좌우되기 때문입니다.

접착에 영향을 미치는 주요 요인은 폴리머 선정(착색제, 충전재, 첨가제 포함), 성형 공정, 표면 상태, 보관 및 취급입니다. 잉크젯 인쇄는 매우 복잡하며 여러 학제 분야가 관련됩니다. 무엇보다 먼저 고려할 것은 잉크와 폴리머 기재의 호환성입니다.

이 글에서는 견고한 잉크 접착을 확보하기 위한 폴리머 선정과 1차 가공을 살펴봅니다. 제조 현장을 위해 설계된 이 접근법은 유용한 통찰을 제공하며, 접착 불량을 방지하는 현장 검증 솔루션을 제시합니다.

잉크젯 인쇄는 아날로그 인쇄보다 훨씬 복잡하고 섬세합니다. 플라스틱은 같은 폴리머 계열 안에서도 화학적, 물리적 차이가 큰 경우가 많아 폴리머에 대한 잉크젯 분사는 본질적으로 어렵습니다. 또한 표면 장력이 자연적으로 낮아 폴리머 기재에 쉽게 젖는 용제형 잉크 배합을 사용하는 패드 인쇄나 스크린 인쇄와 달리, 잉크젯으로 곡면 형상에 인쇄하면 어려움이 더해집니다.

핵심 요약

• 접착은 첫 방울을 분사하기 훨씬 전인 설계 단계에서, 즉 폴리머, 착색제, 충전재, 첨가제의 선택으로 결정됩니다.
• 비정질 폴리머는 일반적으로 결정성 폴리머보다 인쇄성이 좋습니다. 결정성 폴리머는 규칙적인 구조 때문에 젖음에 저항합니다.
• 나일론은 표면에서는 소수성이지만 벌크에서는 친수성이어서 질량의 3% 이상을 물로 흡수하므로 건조가 매우 중요합니다.
• 금형 텍스처는 추가 비용 없이 접착력을 높여 줍니다. 1200 그릿 다이아몬드 버핑 마감은 8000 그릿 파인 다이아몬드 마감보다 성능이 우수합니다.
• 실리콘은 가장 큰 적입니다. 내부 및 외부 실리콘을 제거하고 가공 첨가제를 최소화하십시오.

자주 묻는 질문

잉크젯 인쇄가 가장 어려운 폴리머는 무엇입니까?

아세탈, 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리에스터, PPS, PEEK, PEI, 폴리이미드, PTFE, 폴리우레탄입니다. 설계자는 금속 대체, 강성, 내화학성, 고온 성능을 위해 이러한 저표면에너지 소재를 선택하는데, 바로 이 특성들이 인쇄를 어렵게 만듭니다.

나일론에서 접착 문제가 끊이지 않는 이유는 무엇입니까?

나일론은 표면에서는 소수성이고 화학적으로 불활성이며 표면 에너지가 낮지만, 사슬의 아마이드기가 물을 끌어당기므로 벌크에서는 친수성으로 거동하여 대기 중에서 질량의 3% 이상을 흡수합니다. 이러한 이중적 거동과 수분 자체 때문에, 수지 건조를 적절히 관리하지 않으면 접착 문제가 발생합니다.

금형 설계로 잉크 접착을 어떻게 개선할 수 있습니까?

텍스처를 추가하면 됩니다. 요철이 기계적 맞물림을 제공하며, 인건비나 화학 약품 비용이 들지 않으므로 수작업 연마보다 성형 시 적용하는 텍스처가 바람직합니다. NTMA 마감 "40 — Diamond buffed 1200 Grit"는 일반적으로 "10 — Fine Diamond 8000 Grit"보다 우수한 성능을 보입니다. 오목한 구멍에는 에칭 처리한 코어 핀이 효과적입니다.

인쇄 전에 나일론과 PPS를 세척할 때 어떤 용제를 사용해야 합니까?

톨루엔, 자일렌, 아세톤 또는 MEK를 사용하십시오. 알코올은 약한 용제로서 표면의 이물질은 제거하지만 탄화수소 오염물은 제거하지 못합니다. 보풀이 없는 천과 파우더 프리 장갑을 사용하고, 약한 경계층과 뿌옇게 흐려지는 현상을 남겨 접착을 저해하는 과도한 용제 사용은 피하십시오.

비용 없이 잉크 접착을 가장 크게 개선하는 간단한 방법은 무엇입니까?

내부 및 외부 실리콘을 제거하고 가공 첨가제를 최소화하며, 금형 텍스처를 추가하고, 수지를 적절히 건조하고, 표면을 청결하게 유지하고, 과도한 용제 사용을 피하고, 성형 부품을 건조제와 함께 폴리에틸렌이 아닌 백이나 폴리에스터 백에 밀착 포장하고, 성형 후 가능한 한 빨리 인쇄하는 것입니다.

열가소성 플라스틱

인쇄 대상으로 선택한 열가소성 플라스틱의 종류는 전체 잉크젯 공정에 큰 영향을 줍니다. 열가소성 소재에서는 매우 긴 사슬 모양의 분자들이 비교적 약한 반데르발스 힘으로 결합되어 있습니다. 열가소성 플라스틱은 비정질과 결정성의 두 가지 하위 범주로 나뉩니다(그림 2 참조). 일반적으로 비정질 폴리머는 결정성 폴리머보다 접착 특성이 우수합니다.

"비정질"이란 정해진 형태가 없거나 형태가 쉽게 바뀐다는 뜻입니다. "결정성"은 분자 집합체에 규칙적이고 정해진 패턴이 있음을 의미합니다. 비정질 수지는 스파게티처럼 무질서한 구조를 나타내며, 소재에 가해진 에너지를 크게 감쇠시키지 않습니다. 열을 가하면 연화되며 뚜렷한 융점이 없습니다.

결정성 수지는 규칙적인 패턴을 가지며(그림 3 참조) 융점도 뚜렷합니다. 하나의 폴리머 안에서 이 두 상태가 공존합니다. 인접한 폴리머 구간은 2차 인력으로 결합된 조밀한 결정 다발로 배열되는 반면, 같은 분자의 다른 구간은 물리적으로 결정 격자 안으로 들어가지 못해 비정질로 남습니다. 특정 폴리머 구간이 결정질이 될지 비정질이 될지는 대부분 무작위로 일어나는 사건이며, 결정화 과정의 동역학에 의해 좌우됩니다.

반결정성 소재는 분자 구조의 질서도가 높고 융점이 뚜렷합니다. 온도가 올라도 서서히 연화되지 않고, 일정한 열량을 흡수할 때까지 고체 상태를 유지하다가 급격히 저점도 액체로 변합니다. 비정질 폴리머는 분자 구조가 무작위이며 뚜렷한 융점이 없습니다. 대신 온도가 상승함에 따라 서서히 연화됩니다. 이러한 소재는 가열하면 점도가 변하지만 반결정성 소재만큼 흐름이 좋은 경우는 드뭅니다. 비정질 폴리머는 유리 전이 온도(Tg)를 넘으면 강도가 빠르게 저하됩니다.

잉크와 폴리머 기재의 호환성

잉크젯 인쇄가 가장 어려운 폴리머로는 아세탈(POM), 폴리아미드(나일론), 폴리올레핀, 폴리에스터(PET), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리이미드 "Kapton"(PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리우레탄(PUR) 등이 있습니다. 설계자는 경량 금속 대체, 강성과 강도, 내화학성, 고온 사용 환경에서의 물성 때문에 이러한 저표면에너지(LSE) 소재를 선택합니다.

잉크젯 인쇄가 성공하려면 폴리머 표면에 대한 장기 접착을 확보해야 합니다. 접착은 대체로 표면 현상에 좌우되므로, 고온의 잉크가 프린트헤드에서 쉽게 분사되고 기재와 적절히 상호작용해야 합니다. 잉크는 폴리머 기재 표면과 밀접하게 접촉할 수 있어야 합니다. 이러한 밀접한 접촉을 젖음(wetting) 또는 표면 젖어 퍼짐이라 하며, 잉크가 표면 위로 퍼지는 능력을 뜻합니다. 대부분의 폴리머 표면은 본래 소수성이어서 젖음에 저항합니다. 이러한 플라스틱은 대체로 화학적으로 불활성이고 비다공성이며 표면 에너지가 낮아 인쇄 접착이 거의 불가능합니다. 표면 에너지는 고체의 (벌크와 대비되는) 표면에 존재하는 잉여 에너지입니다. 표면의 분자는 벌크의 분자만큼 많은 동종 이웃 분자와 상호작용할 수 없으므로 잉여 상호작용 에너지를 갖게 되며, 이 때문에 잉여 에너지가 존재합니다.

폴리머 소재의 명시된 물성을 얻으려면 1차 가공이 매우 중요합니다. 예를 들어 잉크젯 인쇄가 어려운 두 가지 LSE 폴리머, 폴리아미드(PA)와 폴리페닐렌 설파이드(PPS)를 살펴보겠습니다.

흔히 나일론이라 불리는 폴리아미드는 반결정성 폴리머입니다. 가장 흔한 등급은 나일론 6과 나일론 6/6입니다. 나일론 폴리머는 소수성이고 화학적으로 불활성이며 표면 젖음성이 낮기(즉, 표면 에너지가 낮기) 때문에 본질적으로 접착이 어렵습니다. 또한 나일론은 흡습성이 있어 대기 중에서 질량의 3%를 넘는 수분을 흡수합니다. 수분 자체가 접착 문제를 일으킵니다. 나일론 수지의 적절한 건조 절차는 가공과 부품 성능에 매우 중요합니다. 특히 주목할 점은 나일론의 소수성 거동은 표면 특성이고 친수성 거동은 벌크 특성이라는 것입니다. 나일론은 유기 폴리머이므로 표면 에너지가 비교적 낮습니다. 이는 폴리머와 기타 유기물의 표면 화학과 표면 물리의 결과입니다. 그러나 나일론 사슬의 아마이드기는 물을 끌어당겨, 물의 벌크 흡수와 관련해 이 소재가 친수성으로 거동하게 만듭니다. 따라서 나일론은 벌크에서는 친수성 소재로, 표면에서는 소수성으로 거동할 수 있습니다.

폴리페닐렌 설파이드(PPS)는 첨단 엔지니어링 플라스틱 중 부식성 물질에 대한 내성 범위가 가장 넓습니다. PPS 제품은 흡습성이 없으므로 나일론(폴리아미드)과 같은 치수 팽창 문제가 없습니다. 그럼에도 부품을 성형할 때는 건조된 수지를 사용하는 것이 중요합니다. 수분 자체가 문제가 됩니다. 수분 함량이 높으면 보이드가 생겨 부품 성능에 악영향을 주고 접착에 영향을 미치며 외관을 변화시킬 수 있습니다. 건조에서 가공까지의 시간은 가능한 한 짧아야 합니다. PPS는 제습 호퍼 건조기로 건조해야 하며, 열풍 오븐은 일반적으로 권장되지 않습니다. 완전한 결정 상태를 얻으려면 금형 온도가 최소 275~300°F 이상이어야 합니다. PPS를 275°F 미만에서 성형하면 성형품이 비정질 또는 반결정성이 되며, 더 높은 사용 온도(열 경화 포함)에 노출될 때까지 그 상태를 유지합니다. 사용 온도가 성형 온도를 넘으면 부품의 결정화가 더 진행되어 치수와 물성이 변합니다. 예를 들어 비결정 상태로 성형한 유리섬유 40% 충전 PPS의 열변형 온도(HDT, @264 psi(1.8 MPa))는 350°F에 불과하지만, 결정 상태에서는 500°F(260°C) 이상으로 높아집니다. 또한 금형 온도는 표면 외관에 극적인 영향을 미칩니다.

나일론과 PPS 표면을 적절히 세척하여 LMWM(저분자량 물질)을 제거하려면 톨루엔, 자일렌, 아세톤 또는 MEK를 사용하십시오. 알코올은 약한 용제로서 표면의 이물질만 제거할 뿐 탄화수소 오염물은 제거하지 못합니다. 보풀이 없는 천을 사용하고 파우더 프리 보호 장갑을 착용하는 등 항상 올바른 방법을 지켜야 합니다. 과도한 용제는 제거되지 않은 화학 물질로 이루어진 약한 경계층을 만들고 접착을 저해하는 뿌연 막을 남깁니다.2 인쇄 공정은 성형 직후 가능한 한 빨리 진행하거나, 폴리에스터와 같이 폴리에틸렌이 아닌 백에 부품을 밀착 포장하십시오. 나일론과 PPS 접착 용도에는 전기 코로나 방전, 전기 대기압 플라즈마, 전기 공기 플라즈마, 화염 플라즈마, 저압 RF 저온 가스 플라즈마 등의 플라즈마 전처리가 필요한 경우가 많습니다.

기재 표면 청결

실리콘, 이형제, 미끄럼 방지제, 공정 첨가제와 같은 저분자량 물질은 잉크가 흐르고 접착에 필수적인 밀접 접촉을 이루는 것을 저해합니다. 안료와 염료 착색제에 사용되는 특정 용해성 또는 비용해성 화합물도 접착에 악영향을 줄 수 있습니다. 성형 표면의 화학적 조성, 텍스처, 다공성은 잉크 흐름과 접착에 큰 영향을 줍니다. 처리의 정도나 품질, 그리고 접착은 플라스틱 표면의 청결도에 영향을 받습니다. 최적의 전처리와 이후의 잉크 접착을 위해서는 표면이 깨끗해야 합니다. 실리콘 이형제, 먼지, 분진, 그리스, 오일, 지문 같은 표면 오염은 처리를 방해합니다. 소재 순도도 중요한 요소입니다.

처리된 플라스틱의 유통 기한은 수지의 종류, 배합, 보관 장소의 주변 환경에 따라 달라집니다. 처리된 제품의 유통 기한은 산화방지제, 가소제, 슬립제 및 정전기 방지제, 착색제와 안료, 안정제 등 저분자량 산화 물질(LMWOM)의 존재로 제한됩니다. 처리된 표면이 고온에 노출되면 분자 사슬의 이동성이 커지며, 사슬 이동성이 높을수록 처리 효과의 노화가 빨라집니다. 처리된 소재에서 폴리머 사슬이 움직이면 처리로 생성된 결합 부위가 표면에서 멀어집니다. 이러한 성분은 결국 폴리머 표면으로 이동할 수 있습니다.

금형 설계와 표면 텍스처

설계자는 금형 표면에 텍스처를 추가하여 접착을 개선할 수 있습니다. 텍스처는 요철을 만들어 기계적 맞물림 접착을 제공합니다. 텍스처는 금형 내에서 구현하거나 스카치브라이트 패드와 용제 세척으로 수작업으로 만들 수 있습니다. 추가 인건비나 화학 약품 비용 없이 표면 특성을 유지할 수 있으므로 성형 시 적용하는 텍스처가 선호됩니다.

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. 그림 4 SPI 금형 표면 마감을 참조하십시오. 약간의 텍스처만 있어도 도움이 됩니다. 커넥터와 같은 오목한 구멍 용도에는 금형의 에칭 처리된 코어 핀이 매우 효과적입니다.

요약하면, 견고한 잉크 접착 및/또는 폴리머의 고강도 접착 결합을 달성하기 위해 다음 사항을 권장합니다. 이 중 어느 것도 비용이 추가되지 않으며, 오히려 비용을 절감할 수 있습니다.

• 내부 및 외부 실리콘 금지. 가공 첨가제 최소화.
• 금형 텍스처 적용.
• 성형 전 수지를 적절히 건조.
• 표면을 청결하게 유지.
• 제거되지 않은 화학 물질로 약한 경계층을 만드는 과도한 용제 사용 금지.
• 성형 부품은 건조제와 함께 폴리에틸렌이 아닌 백에 밀착 포장하거나 폴리에스터 백 사용.
• 성형 후 가능한 한 빨리 인쇄 공정 진행.

참고 문헌

• Innovations in Bonding to Low Surface Energy Surfaces, 3M Technical Guide
• Best Practices for Bonding Semi-Crystalline Thermoplastics, The Sabreen Group, January 2015

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 제조 공정, 즉 제품 보안, 레이저 마킹, 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감을 전문으로 하는 엔지니어링 회사 The Sabreen Group, Inc.의 설립자 겸 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.Sabreen.com을 방문하시면 됩니다.

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