표면 전처리 / 표면 품질

표면 전처리 / 표면 품질

접착 최적화를 위한 접촉각과 표면 장력

현장 플라즈마 테스트 및 표면 과학 교육

플라스틱 소재는 소수성 비극성 물질이며 화학적으로 불활성이고 표면 습윤성이 낮습니다. 즉, 표면 에너지가 낮기 때문에 본질적으로 접착, 코팅, 라미네이팅, 인쇄 및 장식이 어렵습니다. 접착력은 기재 및/또는 코팅 소재 사이의 극성 및 비극성 상호작용에 의해 결정됩니다. 폴리머 표면의 습윤성과 접착력을 향상시키려면 표면 에너지와 상호작용하는 극성 성분을 증가시켜야 합니다. 최적의 접착을 위해서는 접착제(코팅, 잉크 또는 도료)가 접착 대상 표면을 완전히 "적셔야(wet out)" 합니다. 기상 플라즈마 전처리는 "산화" 공정으로서, 화학적 극성 작용기를 도입함으로써 접착 문제를 해결하는 데 매우 효과적입니다.

The Sabreen Group는 견고한 제조 공정을 구현하기 위해 플라스틱, 복합재, 고무 및 금속의 표면 엔지니어링과 전처리를 전문으로 합니다. 당사의 공정 방법과 기술은 플라스틱 대 플라스틱, 플라스틱 대 고무, 플라스틱 대 금속 응용 분야의 접착 문제를 해결합니다. 당사는 군용/항공우주 전자기기 및 스마트 미사일/폭탄 제조에 사용되는 표면 전처리 공정으로 미국 특허 5051586을 취득했습니다. 실험실 표면 분석 테스트에는 원자간력현미경(AFM), ESCA/XPS, 접촉각 측정이 포함됩니다.

SABREEN의 혁신적인 솔루션 적용 분야:

• 플라스틱, 복합재, 금속 접착
• 플라스틱 및 금속 코팅
• 잉크젯 인쇄
• 폴리머 필름 인쇄
• 소수성 / 친수성 코팅
• 미세유체 소자
• 플라스틱, 유리, 금속 코팅
• 테프론 / PTFE

The Sabreen Group는 방대한 업계 경험과 지식을 바탕으로 표면 전처리 문제를 능숙하게 해결하고 비용 효율적이며 친환경적인 솔루션을 구현합니다. SABREEN의 전문가들은 표면 전처리, 계면화학, 표면 품질 및 분석 측정 기술 분야에서 뛰어난 역량을 보유하고 있습니다.

표면 전처리가 왜 필요합니까?

플라스틱 소재는 접착제, 코팅, 잉크 및 도료를 접착할 때 표면 에너지와 계면 접착 특성이 낮습니다. 플라즈마 표면 전처리는 접착이 어려운 플라스틱 기재 간의 접착력을 향상시키는 데 사용되며, "기상" 플라즈마 표면(개질) 산화는 가장 일반적인 개질 방법으로 매우 효과적이고 경제적이며 환경적으로 안전한 것으로 입증되었습니다. 특정 응용 분야에 어떤 방법을 사용할지 선택하는 것은 오해와 혼란스러운 용어로 인해 어려울 수 있습니다. 접촉각, 표면 습윤 및 화학적 활성화의 기본 원리를 이해하면 접착이 가장 어려운 폴리머 및 엘라스토머 소재를 사용하는 경우에도 거의 모든 접착 문제를 성공적으로 해결할 수 있습니다.

"기상" 플라즈마 표면(개질) 산화란 무엇입니까?

기상 "글로우 방전" 표면 산화 전처리 공정은 화학적 표면 활성화에 사용됩니다. 이러한 공정은 자유전자, 양이온 및 기타 성분으로 구성된 매우 반응성이 높은 기체인 "가스 플라즈마"를 생성하는 능력이 특징입니다. 플라즈마는 흔히 물질의 제4의 상태로 설명됩니다. 에너지가 공급되면 고체는 액체로 녹고, 액체는 기체로 기화하며, 기체는 이온화되어 "플라즈마"가 됩니다.

귀하의 응용 분야에 가장 적합한 공정은 무엇입니까? 아래 버튼을 클릭하여 각 플라즈마 방법에 대해 알아보십시오.

대기압 플라즈마

화염 플라즈마

UV 방사 오존

전기 코로나 방전

Pyrosil 화염 플라즈마

플루오르 산화 처리

전기 공기 플라즈마

저온 가스 플라즈마

화학적 및 기계적 방법

친수성 표면

소수성 표면

부분 습윤

접촉각은 일반적으로 액체를 통해 측정되는 각도로, 액체-증기 계면이 고체 계면과 만나는 지점에서 형성됩니다. 접촉각은 영(Young) 방정식을 통해 액체에 의한 고체 표면의 습윤성을 정량화합니다.

정적 접촉각만으로 유체 거동을 테스트하면 액체/고체 계면 결과와 접착 문제 해결에 대한 오해로 이어질 수 있습니다. 이는 산업 제조 생산 작업이 실제로는 정적이 아니라 동적인 조건에 더 가깝기 때문입니다. 따라서 동적 접촉각(DCA)을 이해하는 것이 중요합니다. 접촉각은 일반적으로 표면 화학의 변화와 표면 형상의 변화 모두에 영향을 받습니다.

전진 접촉각은 기재 표면의 저에너지(미개질) 성분에 가장 민감한 반면, 후퇴 접촉각은 표면 전처리에 의해 도입된 고에너지 산화 그룹에 더 민감합니다. 따라서 후퇴 접촉각은 다인 용액을 사용하여 측정할 때 전처리 후 표면의 개질된 성분을 가장 잘 나타내는 측정값입니다. 그러므로 표면이 개질된 모든 소재에 대해 전진 접촉각과 후퇴 접촉각을 모두 측정하는 것이 중요합니다.

액적이 고체 표면에 부착된 상태에서 고체 표면을 기울이면 액적이 앞으로 밀리면서 아래로 미끄러집니다. 이때 형성되는 각도는 각각 전진각(θa)과 후퇴각(θr)이라고 합니다. ASTM D724는 액적 형상 분석과 질량을 기반으로 전진 및 후퇴 접촉각을 분석하기 위해 고급 장비(광학 장력계 및 고니오미터)를 사용하여 DCA를 측정하는 방법을 설명합니다.

동적 접촉각 θr 및 θa

많은 플라스틱이 접착하기 어려운 근본적인 이유는 소수성 비극성 물질이며 화학적으로 불활성이고 표면 습윤성이 낮기 때문입니다. 즉, 표면 에너지가 낮습니다. 이러한 소수성(발수) 특성은 그러한 특성을 원하는 부품 설계자에게는 이상적이지만, 이러한 소재를 접착해야 하는 제조업체에게는 골칫거리입니다. 견고한 접착 결합을 위해서는 일반적으로 "친수성" 표면이 필요합니다. 최적의 접착이 이루어지려면 접착제(코팅, 잉크 또는 도료)가 접착 대상 표면을 완전히 "적셔야" 합니다.

"습윤(wetting out)"이란 액체가 흘러 표면을 덮어 접착제와 피착재 접착 표면 사이의 접촉 면적과 인력을 극대화하는 것을 의미합니다. 액체가 표면을 효과적으로 적시려면 접착제의 표면 에너지가 접착 대상인 피착재의 표면 에너지와 같거나 그보다 낮아야 합니다. 그렇지 않으면 기재의 표면 에너지를 높여야 합니다.

평평한 고체 표면 위에 정지(평형) 상태로 있는 하나의 액체 방울을 생각해 보십시오. 고체 표면과 끝점에서 윗면에 접하는 접선이 이루는 각도를 접촉각이라고 하며, 이는 접촉점에서의 접선과 고체 표면의 수평선 사이에서 액체를 통해 측정되는 각도입니다. 기포/액적의 형태는 모든 액체가 표면 수축을 통해 담긴 부피를 최소 표면적을 갖는 형태로 만들려는 분자력에 기인합니다. 표면을 수축시키는 분자간력을 "표면 장력"이라고 합니다. 표면 에너지의 척도인 표면 장력은 다인/cm(SI 단위 N/m)로 표시됩니다.

액체(물, 인쇄 잉크, 접착제/캡슐화재, 코팅제 등)의 표면 장력에 비해 고체 기재의 표면 에너지가 높을수록 "습윤성"이 향상되고 접촉각은 작아집니다(2페이지의 그림 1 참조). 일반적으로 기재의 표면 에너지가 액체의 표면 장력보다 약 8~10다인/cm 더 높을 때 만족스러운 접착 결합을 얻을 수 있습니다.

친수성 표면과 소수성 표면의 "표면 습윤" 비교

많은 응용 분야에서는 문서화된 테스트 절차에 따라 다인 용액을 사용하여 정적 평형 접촉각만 확인하면 되는 경우가 많습니다. 애플리케이션 키트 또는 "다인 펜/용액"은 유용한 정보를 제공하지만 표면 장력을 정밀하게 측정하는 도구는 아닙니다. 표면 장력 측정값은 개인(기법)과 "중심" 액체 거동의 해석에 따라 상당히 달라질 수 있습니다. 다인 펜/용액은 표면 장력의 중요한 차이를 나타내는 방향성 지표로 알려져 있으며, 경제적인 비용으로 "양호"하거나 "불량"한 접착 가능 표면을 식별할 수 있습니다. 다회 사용에 따른 오염 문제로 인해 펜보다 병에 담긴 다인 용액이 더 바람직할 수 있습니다.

표면 품질 검사를 위한 최적의 방법:

Surface Analyst™ 2001은 화학적 다인 용액을 사용하지 않고 인라인 생산 공정에서 접촉각을 측정하는 휴대용 디지털 장치입니다. 이 방법은 비파괴 방식이므로, 부품을 긁어내는 다인 용액 테스트와 달리 부품을 평소대로 계속 처리할 수 있습니다. BTG Labs가 발명한 Surface Analyst™는 접착 결합, 도장, 코팅, 인쇄 및 오염 제거와 같이 표면 상태가 매우 중요한 작업에서 현장 기술자가 정밀한 표면 측정 기술을 직접 활용할 수 있도록 설계되었습니다. "탄도 증착(ballistic deposition)"이라는 특허 기술을 사용하여 이 장치는 고순도 물방울을 기재 표면에 증착합니다.

물방울의 부피와 면적을 파악함으로써 이 장치는 특정 표면에 대한 물의 접촉각을 계산합니다. 이 장치는 정량화된 수치 또는 합격/불합격 알림을 통해 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공합니다. 이 장치가 제공하는 검사 데이터를 통해 사용자는 파괴적인 다인 용액 테스트를 대신하여 기재가 접착 공정에 적합하게 준비되었는지 판단할 수 있습니다. 이 휴대용 장치는 어떤 방향에서도 작동하며 그레인 처리된 TPO와 같은 매끄럽거나 질감 있는 표면에서도 사용할 수 있습니다. 이 데이터는 임박한 문제를 예고할 수 있는 품질 편차를 파악하거나 제품 불량의 핵심 원인을 정확히 찾아내는 등 지속적인 공정 개선에 활용할 수 있습니다.

BTG Labs Surface Analyst. 사진 제공: BTG LABS (513.469.1800).

제조업체들은 접착 문제의 유일한 예측 지표이자 정기적인 표면 테스트 수단으로 접촉각이나 기타 습윤성 측정값에만 초점을 맞추는 경향이 강합니다. 그러나 소수성 표면을 접착 가능한 친수성 표면으로 활성화하는 화학적 표면 기능성도 그에 못지않게 중요합니다. 기상 "글로우 방전" 표면 산화 전처리 공정은 화학적 표면 활성화에 사용됩니다. 이러한 공정은 자유전자, 양이온 및 기타 성분으로 구성된 매우 반응성이 높은 기체인 "가스 플라즈마"를 생성하는 능력이 특징입니다. 플라즈마는 흔히 물질의 제4의 상태로 설명됩니다. 에너지가 공급되면 고체는 액체로 녹고, 액체는 기체로 기화하며, 기체는 이온화되어 "플라즈마"가 됩니다.

물리학적으로 이러한 플라즈마가 생성되는 메커니즘은 서로 다르지만, 표면 습윤성에 미치는 영향은 유사합니다. 발생하는 기본적인 화학적, 물리적 반응은 플라즈마에서 생성된 자유전자, 이온, 준안정 입자, 라디칼 및 UV가 대부분의 폴리머 기재 표면의 분자 결합을 끊기에 충분한 에너지로 표면에 작용하는 것입니다. 이로 인해 폴리머 표면에 반응성이 매우 높은 자유 라디칼이 생성되며, 이는 다시 결합을 형성하거나 가교 결합을 이루거나, 산소가 있는 경우 빠르게 반응하여 기재 표면에 다양한 화학적 작용기를 형성할 수 있습니다. 형성되어 접착성을 향상시킬 수 있는 극성 작용기에는 카르보닐기(C=O), 카르복실기(HOOC), 하이드로퍼옥사이드기(HOO-), 하이드록실기(HO-)가 있습니다. 폴리머에 도입된 소량의 반응성 작용기도 표면의 화학적 기능성과 습윤성을 향상시키는 데 매우 유익할 수 있습니다. 또한 화학 프라이머/용제와 기계적 연마(금형 공구 텍스처 포함)를 단독으로 또는 전처리와 함께 사용할 수 있습니다.

견고한 접착 강도를 위한 전처리의 정도 또는 품질은 플라스틱 표면의 청결도에 영향을 받습니다. 최적의 전처리와 이후의 접착을 위해서는 표면이 깨끗해야 합니다. 처리를 저해하는 제품 표면의 오염원에는 먼지, 티끌, 그리스 및 오일이 있습니다. 실리콘, 이형제, 미끄럼 방지제와 같은 저분자량 물질은 접착에 특히 해롭습니다. 소재의 순도 역시 중요한 요인입니다. 또한 안료 및 염료 착색제에 사용되는 특정 가용성 또는 불용성 화합물이 접착력에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

처리된 플라스틱의 보관 수명(처리 노화 저하)은 수지의 종류, 배합 및 보관 장소의 주변 환경에 따라 달라집니다. 처리된 제품의 보관 수명은 산화방지제, 가소제, 슬립제 및 대전방지제, 착색제 및 안료, 안정제 등과 같은 저분자량 산화 물질(LMWOM)의 존재로 인해 제한됩니다. 처리된 표면이 고온에 노출되면 분자 사슬의 이동성이 증가합니다. 사슬 이동성이 높을수록 전처리의 노화가 더 빨라집니다. 플라즈마 처리된 표면은 주변 환경 요인에 따라 서로 다른 속도와 정도로 노화됩니다. 노화 특성과 보관 수명은 제조 공정 운영에 필수적입니다. 활성화된 표면의 보관 수명은 몇 시간, 며칠, 몇 개월 또는 그 이상이 될 수 있습니다. 전처리 후에는 가능한 한 빨리 제품을 접착, 코팅, 도장 또는 장식하는 것을 권장합니다.

각 표면 전처리 방법은 응용 분야에 따라 다르며 고유한 장점과 잠재적 한계를 가질 수 있다는 점을 유의하십시오. 견고한 결과를 얻으려면 다음 요인을 고려하십시오:

• 폴리머는 산화 공정에 서로 다르게 반응합니다. 폴리머 기재의 종류와 최종 용도의 성능 요구사항은 전처리 방법 선택을 결정하는 데 매우 중요합니다.
• 기재(처리 대상 제품)가 전도성인지 확인하십시오. 예를 들어, 금속 접촉 핀이 없는 미조립 플라스틱 전자 커넥터 본체는 전기적으로 처리할 수 있지만, 조립된 커넥터는 전기 아크 문제가 발생할 수 있습니다.
• 부품 형상 — 평평한 표면은 깊은 홈, 극단적인 테이퍼 및 기타 형상 불규칙성에 비해 처리하기가 더 쉽습니다. 좁은 영역과 질감이 심한 표면에서는 습윤 테스트를 수행하기 어렵습니다.
• 소재 취급 자동화: 전도성 벨트와 체인은 기존의 전기 코로나 방전 및 스팟 처리 장치와 함께 사용할 경우 전기 아크를 유발할 수 있습니다. 대안으로 화염 처리, 저온 가스 플라즈마 또는 저전위 대기압 플라즈마 사용을 고려하십시오.
• 과잉 처리를 피하십시오. 과도하게 플라즈마 산화된 표면은 열 밀봉/용접과 같은 후속 조립 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
• 모든 전처리 장비의 품질이 동일한 것은 아닙니다. 실제로 가동 중인 시스템의 품질을 검토하십시오. 전기 처리 공정의 경우 플라즈마 방전의 균일성을 확인하고, 화염 처리의 경우 리본형 버너와 드릴 포트형 버너 및 연소 시스템 구성 요소의 차이를 고려하며, 저온 가스 플라즈마의 경우 챔버 구조, 전극 선반의 품질, 특히 진공 펌프 제조사를 확인하십시오.

표면 거칠기는 형상이나 굴곡의 크기보다는 작지만 결정 격자 구조의 불규칙성보다는 큰 규모에서 나타나는 고체 표면의 불균일한 정도를 말합니다.

거칠기의 정도는 고체의 습윤성에 영향을 미칩니다. 거칠기는 표면적 확대와 밀접한 관련이 있으므로 고체의 습윤성, 액체의 접촉각 및 접착력에 영향을 미칩니다.

본 절차는 다인 테스트 마커 펜을 사용하여 플라스틱 기재의 표면 습윤 장력(즉, 표면 에너지)을 테스트하고 측정하는 방법을 설명합니다.

표면 습윤 테스트는 전처리(코로나 방전, 화염 처리, RF 가스 플라즈마) 직후에 실시해야 합니다. 처리된 표면은 시간에 민감하며 온도 및 습도와 같은 환경 조건의 영향을 받습니다. 최적의 접착을 위해서는 기재 표면이 깨끗해야 합니다. 먼지, 티끌, 손/손가락의 유분, 실리콘 기반 제품 및 기타 오염물질은 접착을 저해하고 잘못된 테스트 결과를 초래할 수 있습니다.

1.0 재료 / 장비

• 다인 마커 펜 — 사용 가능 등급: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
• 테스트할 제품
• 플라스틱 장갑
• 켐와이프 또는 종이 타월
• 온도 및 습도 게이지
• 청결한 작업 공간

2.0 방법

• 주변 온도와 습도를 기록합니다.
• 60다인 펜을 선택하고 뚜껑을 제거합니다.
• 테스트할 제품을 평평한 표면에 놓고, 용액이 팁으로 흡수될 때까지 마커 펜 도포 팁을 제품에 단단히 눌러줍니다.
• 가볍게 힘을 주어 전처리된 표면 길이를 따라 펜을 한 번 그어 얇은 액체 층을 도포합니다.
• 평행하게 도포하는 것을 권장합니다. 용액을 과다하게 도포하면 잘못된 판독으로 이어질 수 있습니다.
• 액체가 물방울로 갈라지는 데 걸리는 시간을 기록합니다. 액체 거동의 판독은 액체의 중심부에서 관찰해야 합니다.
• 액체가 2초 이내에 물방울로 갈라지지 않으면 표면 에너지는 최소 60다인으로 간주합니다. 2.7단계로 진행합니다. 액체가 2초 이내에 물방울로 갈라지면 한 단계 낮은 다인 마커 펜을 사용하여 테스트를 반복합니다. 전처리 공정을 조정해야 할 수도 있습니다.
• 모든 표면이 원하는 습윤 결과를 얻으면 테스트가 완료됩니다.
• 테스트가 완료된 제품은 적절히 폐기합니다.

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