코팅 및 잉크의 접착력과 내마모성 측정 기법 – 1부

코팅 및 잉크의 접착력과 내마모성 측정 기법 – 1부

이 글은 코팅 및 잉크의 접착력과 내마모성 측정 기법을 다루는 2부작 시리즈의 첫 번째 편입니다. 이번 호에서는 접착력을 살펴보며, 2부에서는 새로운 장비와 측정 기법을 포함한 내마모성을 다룹니다.

경화된 코팅과 잉크의 접착력과 내마모성은 두 가지 핵심 성능 특성이며, 이를 측정하고 관리하는 것은 견고한 제조에 필수적입니다. 접착력과 내마모성은 서로 별개의 물리적 특성이지만 불량 모드 분석에서 흔히 잘못 진단됩니다. 접착력과 내마모성 불량은 현장 불량, 폐기 및 재작업, 수익 감소, 고객 불만의 주요 원인입니다. 이러한 특성을 측정하는 기법이 있습니다. 이 글에서는 여러 시험 방법과 장비를 다룹니다. 그중에는 평평한 시편뿐 아니라 곡면 형상을 가진 실제 제품 형태를 평가하도록 설계된 Taber Industries의 신형 리니어 마모 시험기가 포함됩니다(2부). 이 논문에서 소개하는 것과 같은 첨단 측정 기법은 제조사가 우수한 제품 성능과 식스 시그마 공정 우수성을 달성하는 데 도움이 되고 있습니다.

핵심 요약

• 접착력과 내마모성은 서로 다른 특성입니다. 코팅이 하나는 통과하고 다른 하나는 불합격할 수 있으며, 불량 분석에서 둘은 흔히 혼동됩니다.
• ASTM D3359는 정성적 시험입니다. 최소 기준을 충족했는지는 확인하지만 접착 강도를 정량화할 수는 없습니다.
• 테이프 편차는 실재합니다. 독립 시험소에서 배치 간 최대 50%의 차이가 기록되었습니다.
• 두 표준 모두 금속과 콘크리트 같은 강성 기재를 위해 작성되었으며, 유연하거나 반강성인 플라스틱 위의 코팅을 위한 것이 아닙니다.
• 선택한 방법보다 절차의 일관성이 더 중요합니다. 사소한 차이도 통계적으로 유의미한 차이를 만듭니다.

자주 묻는 질문

접착력과 내마모성의 차이는 무엇입니까?

서로 별개의 물리적 특성이며 상충하는 경우가 많습니다. 경화된 코팅이 접착력은 우수하나 내마모성은 나쁠 수 있고, 그 반대일 수도 있습니다. 접착, 응집, 마모 또는 이들의 조합 중 실제로 어떤 메커니즘이 파괴되었는지를 파악해야 엔지니어링 해결책이 결정됩니다.

ASTM D3359 테이프 시험은 신뢰할 수 있습니까?

간단하고 저렴하며 널리 사용되지만 정성적입니다. 실제 접착 강도를 측정하는 것이 아니라 최소 접착값을 충족했음을 확인하는 것이며, 보정된 장비가 필요하지 않도록 설계되어 정확도가 작업자에 따라 달라집니다. 또한 플라스틱이 아니라 금속 위의 연성 코팅을 위해 개발되었습니다.

테이프 시험 결과가 시험소마다 다른 이유는 무엇입니까?

테이프 때문입니다. 배치마다 고유한 접착력 편차가 있으며, 독립 시험소에서 최대 50%의 차이가 확인되었습니다. 원래의 3M 710 테이프는 단종되었고 Permacel은 시간이 지나면서 테이프 특성을 바꾸었으며, 이로 인해 사실상 모든 감압 테이프에 시험이 개방되었습니다.

언제 ASTM D4541 인장 시험을 대신 사용해야 합니까?

정량적인 인장 결과가 필요할 때입니다. 표준 돌리(dolly)를 수용하려면 일반적으로 3인치 이상의 제품 크기가 필요하고, 최소 두세 곳에서 시험해야 하며, 고정 정렬식, 유압식, 공압식 장비의 결과가 크게 달라 서로 직접 비교하기 어렵다는 점에 유의하십시오.

인장 시험을 위해 돌리는 어떻게 준비해야 합니까?

기계 가공 또는 엔드밀 가공된 돌리 면은 일반적으로 접착이 더 약합니다. Scotch-Brite 패드나 사포로 표면을 가볍게 거칠게 하여 미세 구조를 만든 후, 알코올과 마른 천으로 닦아 연마 입자, 오일, 산화물을 제거하십시오. 코팅과 상호작용하지 않는 접착제를 사용하십시오.

접착력 대 내마모성

플라스틱 기재 위에 경화된 코팅과 잉크의 최적 접착력과 내마모성(저항성)은 사용 수명 내내 지속되는 고품질 제품을 만들기 위해 제조 단계에서 확보되어야 합니다. 이 특성들은 서로 연관될 수 있지만 상충하는 경우가 많습니다. 즉, 경화된 코팅과 잉크가 접착력은 우수하나 내마모성은 나쁠 수 있고, 반대로 접착력은 나쁘나 내마모성은 우수할 수 있습니다. 접착력과 내마모성을 올바르게 시험하고 이해하면 사양 적합성을 확보할 수 있으며, 코팅 및 인쇄 문제를 해결하는 데 매우 유용합니다. 파괴 메커니즘이 접착(응집), 마모, 또는 둘 다인지를 파악하면 엔지니어링 공정 해결책이 결정됩니다. 이러한 특성을 측정하고 분석하기 위한 기존 시험 방법과 새로운 장비가 존재합니다.

접착력 시험 방법

ASTM D 3359 테이프 시험에 의한 접착력 측정 표준 시험 방법은 단순하고 비용이 낮아, 역사적으로 코팅과 잉크의 접착력 시험에 가장 잘 알려지고 널리 사용되는 방법일 것입니다. 테이프 시험을 수행하는 가장 기본적인 절차는 다음과 같습니다.

• 테이프 선정에 대한 합의.
• 시험 전에 코팅과 잉크를 완전히 경화.
• 방법 A에 따라 필름에 "X" 자 절단을 하거나, 방법 B에 따라 각 방향으로 6개 또는 11개의 절단선으로 격자 패턴을 형성.
• 롤 디스펜서에서 테이프 두 바퀴를 풀어 폐기.
• 손가락으로 테이프를 제자리에 밀착시킨 후 연필 끝의 지우개 등으로 단단히 문지름(테이프 아래의 색이 완전한 접촉의 좋은 지표).
• 부착 후 60-120초 이내에 자유단을 가능한 한 180도에 가까운 각도로 자기 자신 위로 빠르게(급격히 잡아채지 않고) 당겨 테이프를 제거.
• 절단 부위에서 코팅이 기재로부터 떨어져 나갔는지 검사하고, 사전 정해진 설명과 도해 분류(0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B)에 따라 접착력을 등급 평가.

ASTM D 3359의 초기 버전은 3M 710과 Permacel 테이프의 사용을 참조했습니다. 3M은 해당 제품을 단종했고, Permacel은 수년에 걸쳐 테이프 특성을 변경했습니다. ASTM 소위원회는 사용자에게 현재의 Permacel이 원래 테이프와 비교 가능한 결과를 내는지 확인하도록 권고했습니다. 이는 현실적이지 않은 것으로 드러났고, 기업들이 사실상 모든 종류의 감압 테이프를 사용하는 계기가 되었습니다. 오늘날 많은 기업이 휴대전화, 컴퓨터 키보드, 자동차 부품 등 특정 제품군을 최대한 유사하게 시험하는 ASTM D 3359의 축약 버전을 사용합니다. 흔히 사용되는 여러 기법과 감압 테이프를 나타냈습니다.

편향 없이 허용 또는 불허 접착력을 판정하기 위해 반복 가능하고 재현 가능한 결과를 얻으려면 테이프 시험 시 유념해야 할 중요한 고려 사항이 있습니다. 제조된 테이프의 배치(롤)는 특히 시간이 지남에 따라 고유한 접착력 편차가 있습니다. 예를 들어 독립 시험소에서 최대 50퍼센트의 차이가 확인되었습니다. 테이프 시험은 정성적이며 접착 결합의 실제 강도를 정량적으로 정확히 평가할 수 없습니다(최소값을 충족했다는 것뿐). 그러나 상대적인 접착 성능은 제공합니다. 이 시험 방법은 원래 금속 기재에 도포된 연성 코팅을 위해 개발되었으며, 플라스틱 제품에 도포된 코팅이나 잉크를 위한 것이 아닙니다.

크로스컷 시험은 단층 또는 다층 코팅 시스템의 접착력을 평가하는 간단하고 쉽게 예측 가능한 방법입니다.

절차

• 적절한 공구로 기재에 이르도록 필름을 절단하여 격자 패턴을 만듭니다
• 브러시 펜 또는 테이프를 사용해 절단 부위 위를 대각선 방향으로 각각 5회 쓸어낸 후 Permacel 테이프로 제거합니다
• 조명이 있는 확대경으로 격자 부위를 관찰합니다

크로스컷 결과

접착력은 아래 등급 기준에 따라 평가합니다.

*DIN 53151은 1994년 10월에 폐지되었습니다

따라서 유연한 접착 테이프를 강성 금속이 아니라 유연하거나 반강성인 플라스틱에 적용하면 박리 현상과 파괴 메커니즘이 달라집니다.

테이프, 배킹 강성, 접착제의 유동 특성(rheology)의 차이 때문에 같은 제품을 시험해도 결과가 다르게 나올 수 있습니다. 특정 테이프 배합이 모든 코팅과 플라스틱에 똑같이 접착하는 것은 아닙니다. 표면 질감도 중요한 요소입니다. ASTM D 3359는 설계상 간단하고 보정된 장비가 필요하지 않도록 만들어졌습니다. 따라서 시험 정확도는 작업자에 따라 달라집니다.

ASTM D 4541 휴대용 접착력 시험기를 이용한 코팅의 인장 강도 표준 시험 방법도 잘 알려진 표준입니다. 그러나 ASTM D 3359와 달리 인장 접착력 시험기라고 하는 계측 장비를 사용해야 합니다. 고정 정렬식, 유압식, 공압식 등 여러 장비 모델이 언급되어 있으며, 장비 파라미터와 사용법에 따라 결과가 다를 수 있습니다. 인장 접착 시험은 재료가 떨어져 나가기 전에 표면적이 견딜 수 있는 수직 방향 최대 힘(인장)을 결정하거나, 사전 결정된 힘에서 표면이 온전한지 여부(합격/불합격)를 판정합니다. 동일한 표면에서 세 가지 모델로 진행한 광범위한 업계 시험 결과는 크게 달라 직접 비교가 현실적이지 않습니다.

어떤 인장 접착력 시험기를 사용하든, 절차는 접착제로 하중 고정구("돌리"라고 함)를 코팅 표면에 수직으로 고정하는 것에서 시작합니다. 접착제가 경화된 후 시험 장치를 하중 고정구에 부착하고 시험 표면에 수직으로 인장이 가해지도록 정렬합니다. 하중 고정구에 가해지는 힘은 재료가 떨어져 나가는 "풀오프"가 일어나거나 지정된 값에 도달할 때까지 점진적으로 증가시킵니다.

여러 코팅이 도포된 경우에는 파괴 메커니즘의 성격, 즉 접착 파괴인지 응집 파괴인지를 도출할 수 있습니다. 시판되는 많은 장치 중 두 가지 예를 아래에 나타냈습니다. 그림 A와 B는 Elcometer 106 고정 정렬식 장치이고, 그림 C와 D는 Defelsko 유압 자동 정렬식 장치입니다.

어떤 인장 접착력 시험기를 사용하든, 정확하고 재현 가능한 결과를 얻으려면 돌리의 표면 준비와 접착제 도포가 중요합니다. 많은 돌리는 구매 시 표면이 매끄럽게 기계 가공 및/또는 엔드밀 가공되어 있으나, 일반적으로 접착이 더 약합니다. 일부 인장 접착력 시험기 사용자는 Scotch-Brite® 패드나 사포로 돌리 표면을 약간 거칠게 하여 최대 접착 강도를 위한 미세 구조를 만듭니다. 돌리를 "다듬은" 후에는 과도한 연마 입자, 오일, 산화물을 제거하기 위해 (보통 알코올과 마른 천으로) 세척해야 합니다. 흔히 사용하는 접착제는 Araldite 2011로, 인장 시험을 수행하기 전에 최대 24시간의 경화가 필요할 수 있는 2액형 에폭시입니다. 다른 접착제를 선택할 수도 있지만, 접착제가 코팅에 영향을 주거나 상호작용하지 않는 것이 무엇보다 중요합니다. 그렇지 않으면 시험 결과의 가치가 거의 없습니다.

어떤 인장 접착력 시험기를 선택하든, 이 시험을 수행할 때 가장 중요한 측면은 시험 방식의 일관성입니다. 절차의 사소한 차이만으로도 통계적으로 유의미한 데이터 차이가 발생합니다. 이 시험 방법을 사용하는 많은 사용자가 일회용 알루미늄 돌리를 사용합니다. 문서화된 절차는 일관되지 않은 설정으로 인한 편차를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

ASTM D 4541도 금속, 콘크리트, 목재 같은 강성 구조물의 코팅을 시험하기 위한 특정 목적으로 개발되었습니다. 비교적 작은 부품에서 수행할 수 있는 ASTM D 3351과 달리, ASTM D 4541은 표준 돌리 크기를 수용하기 위해 일반적으로 3인치 이상의 제품 크기가 필요합니다(맞춤 돌리를 구매할 수도 있습니다). ASTM D 4541 절차는 부품의 최소 2-3곳에서 수행해야 하므로 소형 제품에는 비현실적일 수 있습니다. ASTM D 3351, ASTM D 4541 또는 다른 접착력 시험 중 무엇을 사용할지는 각 기업이 결정하며, 해당 시장 분야에서 수행된 기존 시험의 영향을 받을 수 있습니다.

시험 표준과 공정 우수성

많은 기업이 이 논문에서 다룬 시험 방법 중 일부를 필요에 의해 사용합니다. 즉, 자사의 제조 공정이 특정 산업 표준에 부합함을 입증하여 사업을 수주하기 위해서입니다. 안타깝게도 제조사는 고객이 부적합 제품을 반품하기 전까지 현장 불량 문제를 모르는 경우가 많습니다. 기본적으로 "접착 불량"이 원인으로 지목됩니다. 접착 파괴와 마모 파괴의 여러 가능한 원인을 올바르게 이해하면 엔지니어는 핵심 근본 원인을 능숙하게 파악하고 시정 조치를 실행할 수 있습니다. 시험은 제품 개발과 문제 해결에만 국한해서는 안 됩니다. 소개한 방법과 기법 및 식스 시그마 기법을 활용한 제품의 연속 인라인 시험은 견고한 제조를 보장합니다.

감사의 글

• 3M Corporation Industrial Tape & Specialties
• Division American Society of Testing and Materials International
• BYK Gardner
• Defelsko Corporation
• Elcometer Inc
• Gardner Company
• Permacel (Nitto Denko Company)

Scott R. Sabreen은 The Sabreen Group, Inc.(TSG)의 설립자이자 사장입니다. TSG는 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 레이저 마킹, 제품 보안 등 플라스틱 2차 가공 공정을 전문으로 하는 글로벌 엔지니어링 기업입니다. 자세한 내용은 수신자 부담 전화 (888) SABREEN으로 문의하시거나 www.sabreen.com을 방문해 주십시오.

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