프라스틱 소재의 열이력에 따른 Tg의 거동
가. 수지 조성의 문제 : 경화된 후 수지의 크랙 유무를 결정하는 가장 큰 요인은 수지 설계입니다. 수지가 경화된 후의 물성은 대부분 수지 베이스와 관능기, 첨가제입니다. 수지의 조성은 표면 크랙 뿐만 아니라 수지가 경화된 후 경도, 팽창 계수, 광택, 표면 에너지, 연신율, 내열 온도, 비저항, 내약품성 등 여러가지 물성을 결정합니다.
나. 경화중에 받는 열 : UV 경화 중에 열이 크랙에 미치는 영향은 크게 2가지 관점에서 볼수 있습니다.
첫째는 코팅 표면층의 휘발성이 강한 올리고머의 증발량에 대한 문제와, 중합 과정과 중합 직후에 열이 탄소-수소의 체인과 관능기에 어떤 영향을 어느 정도로 심하게 미쳐 크랙이 생기느냐의 문제입니다.
UV 경화 중에 열을 많이 받을수록 코팅층의 올리고머는 중합에 기여하지 못하고 증발합니다.
경화된 수지의 두께 방향으로 평균 분자량과 고경도에 기여하는 첨가제 분포가 균일해야 하는데, UV 경화 공정 중에 열을 많이 받으면 표면층의 모노머와 다이머는 중간층이나 내부에 비해 더 많이 증발합니다. 표면층의 올리고머가 더 많이 증발하여 이의 농도가 내부층 보다 더 낮은 상태에서 광중합이 완료되었을 때 표면층의 중합도 및 경도와 내면층의 그것들은 일정한 편차를 가져옵니다. 이 현상은 대부분의 수지에서 상존합니다.
그러나 UV 경화 중에 열을 일정량 이상 받아 표면의 올리고머가 너무 다량 증발한 상태에서 중합한 경우 중합된 수지의 중합도, 밀도, 경도가 코팅 내면 층의 그것과 일정값을 넘어가면 경화된 후 코팅의 크랙으로 나타납니다. (이 부분은 수지 설계하는 엔지니어도 간과하는 부분으로 수지 제조업체에서도 올리고머의 베이스와 관능기는 다른 물성 때문에 쉽게 바꾸지 못하므로 고민하다가 경화중에 받는 열을 제어함으로써 문제를 해결한 바가 있습니다.)
두번째는 중합 과정과 중합 직후에 받는 열의 강도(세기)와 총 열량이 화학 결합 체인과 관능기에 미치는 영향 즉 소재의 열 이력(熱 履歷 : Thermal history )에 관한 문제입니다.
금속을 포함한 거의 모든 소재는 열을 받는 강도와 소재가 받는 누적 열량에 따라 소재의 물리적 특성이 바뀌게 되는데 이러한 변형과정을 “열 이력(熱 履歷)” 이라고 합니다. 열 이력은 철(금속)에서만 나타나는 게 아니라 프라스틱, 목재, 유리, 세라믹 등 거의 모든 소재에서 나타나는데 철, 유리, 세라믹 등 융점, 변이점이 높은 재질은 100-200℃의 낮은 온도에서는 영향을 거의 안 받지만, 프라스틱처럼 용융점이나 변곡점이 100℃로 낮은 재질에서는 60-80 도 부근의 온도도 소재 자체의 열 변형을 포함하여 체인 구조, 중합도, 경도 등 여러가지 물성에 영향을 미치는데, 그 중에 한가지가 표면의 크랙으로 나타나는 것입니다.
금속은 인류가 수천년간 사용하면서 연구를 많이 해 왔고, 특히 금속의 열이력은 “열처리”라는 공학의 한 분야로서 매우 발전해 왔으나, 프라스틱은 인류가 사용한 역사가 수십년에 불과하고, 프라스틱 종류가 수백가지나 되므로 특정한 프라스틱 소재의 열이력에 대해서는 연구도 거의 없는 셈이며, 고분자를 전공하지 않은 일반 엔지니어는 프라스틱의 열이력이라는 단어조차 생소한 셈입니다.
UV 코팅액 예를 들면 수십가지의 UV 코팅액중 우리가 사용하는 폴리 부타디엔 아크릴레이트 계의 UV경화형 수지의 열이력에 대해서는 UV 코팅액을 만드는 메이커에서도 체계적인 연구가 이루어지지 않고 있는 게 세계적인 현실입니다.
프라스틱 소재도 금속처럼 열이력에 따라 여러가지 특성이 변화됩니다. UV 경화형 수지도 열 이력에 따라 여러가지 물성이 변하는데 “표면 크랙”도 경화과정 중에 받는 열의 강도와 받는 총열량에 따라 변화될 수 있는 여러 물성 중의 1가지에 불과하며 열이력에 따라 변할 수 있는 물성은 많습니다.
여러 수지 별로 열이력에 따라 Tg가 달라지듯 코팅하고져하는 UV경화형 수지도 열이력에 따라 물성이 달라집니다.
그러나 올리고머의 종류와 조성에 따라 UV 경화 공정 중에 받는 받는 열량과 코팅층의 크랙발생은 같은 비례관계를 보이지는 않으므로 사용하는 UV수지에 따라 저온 UV 경화기 혹은 초저온 UV 경화기로 제품을 테스트해 보면 우리회사에서 사용하는 UV수지와 열이력이 크랙에 미치는 영향을 쉽게 알아낼 수 있습니다.
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