접착력 강화를 위한 경화촉진제

이번에는 경화촉진제에 대하여 알아볼까 합니다.

접착력이 약한 폴리머의 접착을 향상시키기 위해 산업적, 학문적으로
다양한 기능을 가진 경화 촉진제가 사용됩니다. 접착력을 향상시키기 위
해 폴리머 표면을 화학적인 방법으로 처리하거나 플라즈마를 사용해
처리하는 방법들이 그 대표적인 방법이라 할수 있습니다.
여기서 플라즈마는 제4의 원소라고도 하는데 간단히 설명을 드리면 고체, 액체, 그리고 기체가 있습니다. 그리고 그 기체에 열을 가하면 원자 또는 분자로 분리가 되어 극성을 가지게 되는데 그것을 플라즈마라 부릅니다. 이 플라즈마에 대해서는 다음에 다시 다루겠습니다.

표면의 화학적 처리는 접착하려는 두 재료의 계면에 새로운 화학적 기능기를 도입하는 것을 목적으로 합니다. 폴리머의 표면처리는 특히 고무인 경우 산이나 산화제와 같은 시약으로 화학적 처리를 하면 표면의 극성이 높아지며, 표면극성의 증가는 기질사이의 분자 간 인력을 증가시켜 결과적으로 접착력을 증가됩니다. 조금더 간단히 말씀드리면 표면이 비활성화 되어 있는것을 활성화 시키는 것입니다.

톨폴리머의 접착력을 높이기 위해 톨루엔이나 크실렌과 같은 용매를 포함한 프라이머(primer)로 전처리하나 이 처리방법에서는 용매에 의한 환경문제를 일으키는 단점을 가지고 있습니다.

염소화 폴리올레핀(CPO)이 특히 자동차 범퍼나 판의 제조에서 프
라이머로서 사용되고 있습니다.

최근에는 p-xylene과 혼합된 PMMA를 초고분자량의 폴리에틸렌의 습윤성을 증가시키기 위한 팽윤제로 사용하는데, 이는 산으로 에칭하는 경우나 플라즈마 처리 시와 비슷한 결과를 가져옵니다.

플라즈마 처리방법은 원래 폴리머의 약한 표면성질을 높이는데 매우 효과적인 방법으로 두 기질 사이의 결합강도를 높이기 위해 아주 짧은 시간의 플라즈마 처리만으로 충분히 효과를 발휘할수 있습니다. 이 방법은 전체적인 폴리머 성질 변화 없이 표면가공이나 표면의 선정된 위치에 가공이 가능하며 친환경적입니다.

표면의 플라즈마 처리는 경우에 따라서는 수산기와 같이 산소를 포함한 관능기를 형성하기도 합니다. 그 결과, 표면 습윤성이 증가하고 접착력이 증가됩니다.

폴리머표면의 접착을 높이기 위해 많은 플라즈마 처리방법과 기술이 있는데, 폴리머표면 처리와 이에 동반되는 유속, 힘, 압력, 처리시간 등이 폴리머 전체의 성질에는 변화를 미치지 않는 표면을 만들때 처리됩니다.

플라즈마 처리를 하기 위해서는 진공상태가 요구되므로 가격이 비싼것이 단점입니다. 따라서 상압 하에서 플라즈마 처리를 하는 새로운 기술이 폴리머표면과 폴리머 블랜드에 소개되기도 하였습니다. Massines 등은 필름표면의 성질을 높이기 위한 방법으로 PP 표면에 실란기를 도입하는데 상압글로우방전 플라즈마(atmospheric pressure glowdischarge plasma) (공기 또는 질소 중에서 방전)를 사용합니다.

XPS, AFM, SIMS와 광학 접촉각 분석기를 이용해 저압처리나 고압처리로 강한 접착력을 갖는 표면성질을 만들수 있습니다.

폴리머의 플라즈마 사용으로 나타나는 현상 중 또 하나는 노화(ageing)를 통한 분해반응인데, 이것은 재료자체 안에서 극성기가 재배열되는데 이것이 표면에너지를 줄이는 원인으로 판단이 됩니다.

산소플라즈마로 PP 범퍼재료를 처리하는데 적당한 접착과 습윤성을 얻기 위한 플라즈마 세기는 300초 동안 노출에 500W 이하가필요합니다. 플라즈마 파워가 500W를 초과하면 소수성 반응기가 폴리올레핀 표면에 형성되어 표면강도가 저하됩니다.

산소플라즈마는 폴리카보네이트(PC)와 PMMA의 표면에 다이아몬드와 유사한 탄소(DLC)를 축적하는데 이용됩니다. DLC필름은 PMMA보다 PC에 더 잘 접착됩니다.

접착력을 증가시키기 위해 화학적 방법이나 플라즈마 처리 이외에 여
러 처리방법이 있습니다.

플라즈마 처리와 같이 코로나방전은 표면에 산소함유 극성기를 표면에 유도하고 표면에너지와 접착강도를 높이는 방법이 있습니다.

방사선 처리도 폴리머표면의 습윤성을 높이기 위해 사용되기도 하는데 이를 사용하면 생물학적 재료의 접착성질을 개선할 수도 있습니다.

PMMA에 UV를 조사하면 COO-기가 생기는데, 이 처리방법은 원하는 접착력을 얻을 수 있는 세포의 접착을 간단하고 빨리 처리할 수 있어 화학적 방법을 사용하지 않아도 됩니다.

블록이나 그래프트 폴리머를 계면사이에 사용하면 분자결합과 같은 작용을 하기 때문에 접착강도를 증가시킬 수 있는데, 한 예로 짝지음 시약으로 무수말레인산가 그래프트 된 PP (maleic anhydride graftedpolypropylene, MAPP)를 PP와 무정형 무수물 사이를 강화하기 위해 사용하여 강력한 접착력을 얻을수 있습니다.

MAPP는 실란 짝지음 시약으로 PP-mica의 계면장력을 높입니다.
MAPP 하량이 증가할수록 접착강도가 커지고, MAPP는 폴리머-나무 복합체(PWC)의 기계적 강도를 증가시키는 작용을 합니다.

간단히 정리해보면, 화학적방법은 가격은 저렴하나 환경을 오염시키고, 플라즈마 처리는 가격은 비싸지만 환경오염이 없습니다.



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