접촉각과 표면장력
접착제와 피착제 사이의 계면장력은 비교적 작은 편입니다. 그러나 이것은 접착계면을 열역학적으로 안정시키고 접착성을 향상시키는데 있어 아주 중요한 특성이기도 합니다. 즉, 접착이란 현상의 시작은 액체상의 접착제가 피착제인 고체 표면을 적시는 현상(wetting)으로 부터이며, 이때 중요한 특성이 계면장력인 것입니다.
상기그림은 고체가 액체상의 물질에 의해 젖었을 때의 접촉각 θ와 표면장력을 나타낸 것입니다. 여기서 gSL은 고체와 액체 사이의 계면 장력, gSV는 고체면과 액체 증기 사이의 계면 장력, gLV 은 액체와 액체 증기 사이의 계면 장력입니다. 이 세가지 계면장력과 접촉각 사이에는 다음과 같은 관계가 성립됩니다.
gLVcosθ = gSV - gSL
위의 관계에 의하여 Dupre에 의해 제시 되었던 접착의 일(젖음에 의해 행해지는 일, work of adhesion) Wa 에 대한 식은 다음과 같이 표현되어 집니다.
Wa = gS + gLV - gSL = gS + gLV + (gLVcosθ - gSV ) = (gS - gSV) + gLV(1 + cosθ)
여기서 gS는 고체 자체의 표면 장력인데, 일반적으로 작은 저표면 에너지에서는 gS와 gSV를 같다고 볼 수 있기 때문에 식은 다음과 같이 정리됩니다.
Wa » gLV(1 + cosθ)
접촉각과 전단접착강도와의 관계
위 식으로부터, 접착제가 일정할 때 피착제를 다양하게 변화시키면서 접촉각과 접착력을 측정하면 둘 사이에는 직선관계가 존재함을 알 수 있다. 이것은 M. J. Barbarisi에 의한 실험 결과 상기그림에 의해 잘 증명되고 있습니다.
그런데 Wa 은 그 값이 클수록 접착하기가 쉬우며, 접촉각 θ = 0이면 cosθ = 1 이므로 완전하게 젖고, 반면에 θ = 180°이면 cosθ = -1이 되며 전혀 젖지 않는다고 할 수 있습니다.
폴리테트라플루오르화에틸렌막을 각종의 gLV.를 가진 n-알칸으로 적신 경우
이와 같은 관계는 W. A. Zisman이 1963년에 수행한 실험에 의해 잘 나타나고 있습니다. 상기그림은 테플론의 막을 여러 가지 gLV를 갖는 액체로 적셔서 얻어낸 결과인데, 그림 속의 →표로 나타낸 곳에서 cosθ=1.0, 즉 완전하게 젖는다는 것을 알 수 있습니다. 이 지점의 gLV를 임계계면장력(critical surface tention)이라고 부르며 gC라고 표기합니다. 상기그림에서 gC는 18.5 이고, 액체가 이 보다 작은 gSL[dyn/cm]를 갖게 된다면 테플론막을 완전하게 적실 수 있는 것입니다.
gC 와 박리접착강도와의 관계
한편 Toyama는 gSL를 고정시킨 상태에서 gLV를 변화시켜 가며 박리접착력(peel strength)을 측정하였는데, 그 결과가 상기그림에 나타나 있습니다. 그림에서 보이는 것 같이 완전히 젖게 되는 임계계면장력 gC값에서 박리접착력이 최대치를 보이며 이후 부터는 박리접착력이 저하됨을 알 수 있습니다.
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