접착제 실무강좌 #2

주요 분야별 접착제의 기초이용기술(2)

플라스틱 접착

고분자화학의 발전에 의해 다양한 플라스틱이나 접착제가 개발⦁실용화되고 있다. 플라스틱에서는 그 종류도 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등 범용품에서 각종 엔지니어링 플라스틱, 슈퍼엔지니어링 플라스틱 등 내열성이나 기계적 특성이 뛰어난 것들이 개발되고 있다.

그 용도도 일상의 생활용품에서 전기⦁전자기기나 자동차⦁항공기에까지 이르고 있고, 성형품을 위시해 그밖의 재료와 조합시킨 것도 많다. 경량화를 목적으로 금속에서 플라스틱으로 대체하는 것도 각 분야에서 이루어지고 있다. 또 단열이나 방음에 플라스틱 발포체의 이용도 늘어나고 있다.

한편 접착제를 사용한 접착접합이 종래의 용접이나 볼트 등의 접합수단을 대신하여 많은 산업분야에서 실용화되고 있다. 수많은 접착제 중에서 사용목적에 적합한 접착제를 선택하는 것이 제일 중요하지만, 접착하는 재료의 표면상태의 영향도 커 적절한 표면처리를 하는 것이 바람직하다.

1. 플라스틱의 접착방법

플라스틱의 접착방법에는 접착제를 이용하는 접착방법 외에도 열융착법과 용제접착법이 있는데, 이들 방법은 대상으로 하는 재료가 동일계통의 플라스틱으로 제한되어 있다는 난점이 있지만 널리 채용되고 있다.

∎ 열융착법

열가소성 플라스틱의 접합에 적용하는 것으로, 접착면을 초음파나 회전, 진동, 열판 등의 방법으로 가열⦁용융하여 접합하는 방법이다. 접착면에서 플라스틱의 분자가 서로 혼합⦁확산한 상태에서 접착하고 있다.

∎ 용제접착법

열가소성 플라스틱 중에서 유기용제에 용해하는 재료의 접착에 쓰이고 있는 접착방법이다. 밀착한 접착면에 용제를 도포하는 방법과 도프시멘트를 사용하는 방법이 있다. 접착면에 주사기 등을 사용하여 용제를 주입하여 접착면의 일부를 용해하고, 이어서 건조시킴으로써 접착이 완료된다. 같은 소재의 재료를 서로 접착할 경우에 적용되고 있다.

도프(dope)시멘트라고 불리우는 것은 용제로 플라스틱을 20~30% 용해한 것으로 다소의 僚間을 충진시키는 것이 가능하다. 이전에는 할로겐계 용제가 사용되고 있었지만, 개선이 이루어지고 있다. 쓰이는 용제는 단일한 경우도 있지만, 휘발속도를 조정하기 위해 다성분을 하는 경우도 있다. 고비점의 용제에서는 작업성은 뛰어나지만, 성형품에 변형이 생기는 경우도 있다. 어떤 용제가 적합한가 하는 것은 용해도 파라미터(SF값)을 비교하여 선택하는 것도 행해지고 있지만, 실험적으로 결정하고 있는 경우도 많다.

∎ 접착제에 의한 접착법

접착제를 사용하는 접착접합은 異種의 재료를 조합시켜 접합할 수 있는 것이 가장 큰 장점으로 들고 있지만, 사용목적에 적합한 접착제의 선택과 표면처리가 필요하다. 특수한 표면처리를 행하지 않으면 접합하지 않는 플라스틱에는 PP나 PTFE 등 몇가지의 재료가 있다. 폴리아미드 수지나 PEEK 등의 엔지니어링 플라스틱이나 알루미늄 등의 금속과의 접착에는 에폭시 수지가 접착제로 다용되고 있다. 광학부품 등에 쓰이고 있는 플라스틱의 접착에는 자외선이나 가시광 등의 광경화계 접착제가 사용되고 있다

.

대표적인 플라스틱에 대하여 적용이 가능한 접착방법을 <표1>에 나타냈다.

폴리머	열융착	용제접착	접착제접착
폴리염화비닐(PVC)	○	○	○
아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌(ABS)	○	○	○
폴리프로필렌(PP)	○		○
폴리아미드(PA)	○	○	○
폴리아세탈(POM)	○		○
폴리카보네이트(PC)	○	○	○
폴리페닐렌에테르(PPE)	○	○	○
불소수지(PTFE, PFA)	○		○
폴리이미드(PI)	○		○
에폭시			○
페놀			○

<표1> 플라스틱의 접착방법

2. 접착접합을 위한 플라스틱의 표면처리

좋은 접착접합을 만들기 위해서는 접착하고자 하는 플라스틱 재료와 사용조건에 적합한 접착제의 선택과 필요로 하는 접착강도에 대응하는 표면처리기술이 요구되고 있다

.

2-1. 표면처리의 필요성

플라스틱의 표면에는 접착을 저해하는 異物質로 일반 오염물, 흡착가스, 성형에 쓰인 이형제, 저분자량의 폴리머, 저분자량의 첨가제(가소제, 산화방지제, 자외선 흡수제, 기타) 등이 부착되어 있어 접착성을 저하시키고 있다. 일부의 재료에서 배합되고 있는 저분자량의 첨가제가 표면으로 이행하여 접착성을 저하시키는 경우도 있다. 또 폴리올레핀이나 불소수지(PTFE)와 같히 접착에 필요한 극성기가 표면에 존재하지 않아 접착성이 없는 재료도 있다.

2개의 재료 사이에 도포되는 액체의 접착제가 재료의 표면을 충분히 적셔주고 이어 고화⦁경화함으로써 접착강도가 발현되는데, 접착제와 피착재와의 사이에 작용하는 힘은 반데르발스力(2차결합력)이 주체가 되고 있다. 이 때문에 양호한 결과를 얻기 위해서는 붙어있는 이물을 표면에서 제거한다든가, 접착제와의 친화성을 적극적으로 향상시키는 것이 필요하다.

표면처리의 각종 방법에는 세정⦁연마, 약품처리, 활성가스 처리, 플라이머 처리 등이 있다.

∎ 세정⦁연마

세정방법은 수나 유기용제에 플라스틱을 침지, 스프레이 등으로 표면에 부착하고 있는 이물을 제거하는 방법이다. <표2>와 같은 각종 세정액이 쓰이고 있는데, 플라스틱 일부의 재료는 용해나 팽윤하기 때문에 주의가 필요하다. 아크릴수지에서는 이소프로필알콜(IPA)이 쓰이고 있다. 또 가열하여 건조하는 것이 필요한 경우도 있다.

연마는 샌드 표면의 이물을 기계적으로 제거하는 방법이다. 샌드 페이퍼, 버프, 벨트 샌더, 샌드 블러스터, 와이어 브러시 등을 이용하여 표면의 이물을 제거한다. 물 등의 액체를 고압으로 분사하는 고압 액체분사방법도 있다.

종류	주성분	인화성	특징
수계	수, 계면활성제, 용제, 방청제	무	건조성 소
준수계	탄화수소, 테르펜, 고급알콜 등	약	세정정 대
알콜류	에틸알콜,이소프로필알콜 등	대	세정성 대, 건조성 대
불소류	HCFC-123, 225 등	약	세정성 소, 건조성 대
탄화수소계	이소파라핀, 나프텐 등	대	세정성 대

<표2> 세정액의 종류

∎ 약품처리

산, 알카리, 산화제 등의 약품을 사용하여 플라스틱 표면의 이물을 제거함과 동시에 친화성 있는 표면으로 만들어 접착성을 향상시키는 방법으로 이전부터 활용되고 있다. 처리액과 그 대상이 되는 플라스틱을 <표3>에 나타냈다. 크롬산 처리는 많은 플라스틱에 적용이 가능하다. PE나 PP에는 크롬산/황산/ 수계의 처리액을 사용하여 표면에의 산화가 행해지고 있다.

<표3> 플라스틱의 표면처리에 사용되는 약품처리액

처리액의 조성	재료
중크롬산칼리(소다)/농황산/ 수	PO, POM, PPE, ABS, PEEK
차아염소산소다/농염산/수	PA
금속나트륨/나프탈렌/쏠	PTFE, PFA
p-톨루엔설폰산소다	POM, PA
NaOH/수	PET
과망간산카리/농황산/수	PE
과황산암모늄/수	PO

∎ 활성가스처리

코로나 또는 플라즈마, 자외선⦁오존 등에 의한 처리는 활성화된 가스를 사용하여 표면처리하는 방법으로, 가스 처리한 표면에는 산소가 도입되고 있다. 가스처리에는 감압탱크를 필요로 하지만, 최근에는 상압 하에서도 작업이 가능한 장치도 개발되고 있다.

가스에는 아르곤이나 질소, 암모니아, 산소 등이 쓰이고 있지만 산소를 사용하는 경우가 많다.

플라스틱에 대한 플라즈마처리 결과의 하나의 예를 <표4>에 나타냈다. 플라스틱의 종류에 의해 효과에 차이가 있다는 것에 주의가 필요하다. 엔지니어링 플라스틱의 대부분에 적용이 가능하다.

<표4> 플라스틱에의 플라즈마처리 효과

플라스틱	전단접착강도(MPa)
	미처리	처리 후
PI/그라파이트 PPS (Ryton) PES (Victrex 4100G) PE/PTFE (Tefzel) HDPE LDPE PP PC (Lexan) PA PS PET (MylarA) PVDF (Tedlar) PTFE	2.9 2.0 0.9 약간 2.2 2.5 2.5 2.8 5.9 3.9 3.7 1.9 0.5	18.2 9.5 21.9 22.4 21.8 10.1 21.5 6.5 28.0 28.0 11.6 9.1 5.2

∎ 프라이머처리

접착제와 피착재와의 사이에서 표면에 피막을 만들면서 접착성을 높혀 주는 작용을 하는 프라이머에는 <표5>와 같은 것들이 있다.

고무타이어의 나일론코드와 고무 간에 예부터 쓰여지고 있는 것에 레조르시놀/포름알데하이드/라텍스(RFL)이 있다. 또 PA성형품에는 목공용 접착제의 하나인 레조르시놀/포름알데하이드수지(RF수지)rk 프라이머로 쓰이고 있다. 또 레조르시놀 등 일련의 페놀화합물도 유효하다. 어느것이나열처리를 할 필요가 있다. 시아노아크릴레이트로 PP를 접착할 경우에 쓰여지는 것도 개발되었다.

<표5> 프라이머의 종류와 용도

프라이머	피착재	접착제
실란화합물 실란화합물 티타네이트	글래스섬유 실리카분말 무기분말	에폭시 외 에폭시 외 에폭시 외
에폭시도료 에폭시도료 실란화합물 페놀류	TFS 금속 금속 스틸	폴리아미드 에폭시 PP 등 폴리우레탄
RF라텍스 RF레진 페놀류 폴리우레탄 아크릴 그라프트CR 폴리우레탄 금속킬레이트 실란화합물	나일론섬유 폴리아미드 폴리아미드 연질PVC 연질PVC FRP PP 등 플래스틱	고무 에폭시 에폭시 에폭시 CR 폴리우레탄 시아노아크릴레이트 실리콘

∎ 표면처리의 관리

종종의 약품을 쓰는 처리액은 처리량의 증가와 함께 활성도 저하하기 때문에 유효한 약품의 농도관리가 필요하다.

세정에 쓰이는 세정액에 대해서도 기름 등의 오염물 농도가 상승하면 역으로 오염되게 된다. 또 플라스틱의 내부에 흡수되는 물이나 용제는 무용제계의 접착제를 사용하는 경우에는 장애가 되는 경우가 있다. 세정액의 관리는 IR이나 UV의 흡수를 측정하는 것으로 가능하다.

표면 처리된 활성 표면은 수분의 흡수 등에 의해 활성이 저하되지만, 플라스틱에서는 분자운동에 의해 표면에 형성된 극성기가 내부로 이동하기 때문에 접착성이 저하하는 경우도 있어 주의가 필요하다. 또 용제를 포함하여 각종 약품이 사용되고 있는데, 폐액의 처리에 필요한 코스트를 고려하는 것도 필요하다.

3. 플라스틱용 접착제

시판되고 있는 수많은 접착제 중에는 플래스틱 접착에 사용할 수 있는 것이 많다. 대표적인 접착제를 다음 <표6>에 나타냈지만, 금속에 쓰이는 접착제와 같히 고온에서 경화하는 것은 사용할 수 없고, 100~150℃ 전후의 경화온도가 일반적으로 상한이라고 할 수 있다.

한편, 가능하다면 실온에서 단시간에 경화하는 접착제가 요구되고 있는데, 단시간에 고화⦁경화하는 접착제의 대표적인 것을 <표7>에 정리했다.

시아노아크릴레이트계나 자외선 경화계(UVA) 등의 반응형은 얻을 수 있는 접착강도도 크다. 점착제를 사용하는 양면테이프는 접착강도는 단시간에 발현되지만, 접착강도가 적은 점이나 내열성이 충분하지 않다는 결점이 있다.

명 칭	내 용
도프 시멘트	PS나 ABS 등의 열가소성 폴리머를 유기용제에 용해
고무계	클로로프렌이나 니트릴 등의 고무를 페놀과 함께 용제에 용해. 水系도 있음
핫멜트계	각종의 열가소성 폴리머를 베이스 레진으로 함. 가열 필요함
시아노아크릴레이트계	단시간에 경화하는 접착제의 대표
제2세대 아크릴계	아크릴계 접착제에서 비교적 단시간에 경화. 접착강도도 큼
자외선 경화계	자외선의 조사에 의해 단시간에 경화. 아크릴과 에폭시
에폭시수지계	2액성이 중심. 1액성도 있음. 접착강도가 큼
양면점착테이프	점착제를 시트상으로 가공, 바로 접착강도를 얻을 수 있음

<표6> 플라스틱용 접착제의 종류

접착제의 고화⦁경화하는 형식에서 구분한 결과를 <표7>에 아타냈다. 용제나 분산제를 휘발시키는 접착제에서는 피착재에의 영향이 있기 때문에 주의가 필요하다. 에멀젼으로 만든 것은 작업면에서의 안전성은 개선되지만, 접착강도가 발현되는데는 장시간이 걸린다는 결점이 있다.

<표7> 단시간에 고화⦁경화하는 접착제의 특성

접착제	발현시간 (실온)	접착강도 (MPa)
시아노아크릴레이트 자외선 경화계 제2세대아크릴 에폭시수지 폴리우레탄 핫멜트계 클로로프렌계 양면점착테이프	2 sec 2 sec 2~5 min 5 min 1 min 2 sec 5 min 2 sec	20 20 20 15 10 5 1 1

작업 면에서 접착제에 요구되는 특성을 보면, 1액성인 것, 무용제인 것, 도포의 자동화가 가능한 것, 표면상태의 영향을 덜 받는 것, 보존안정성이 좋은 것, 단시간에 고화⦁경화하는 것, 저온에서의 경화가 가능한 것 등을 들 수 있다. 도포작업을 자동화하는 데는 1액성, 무용제인 것이 바람직하고, 플라스틱의 접착에는 저온에서 단시간에 경화하는 것이 요망되고 있다.

접착제	내용	경화형식	대표예
용제형 접착제	고분자 용액	용제의 휘발	고무계 접착제, 도프시멘트
에멀젼형 접착제	폴리머, 분산제	분산제의 휘발	초산비닐에멀젼, 고무계 라텍스
반응형 접착제	올리고머, 모노머, 경화제	화학반응	에폭시수지, 시아노아크릴레이트, 자외선 경화접착제
핫멜트형 접착제	폴리머,수지	냉각 고화	EVA계, PA계
감압접착제	폴리머, 점착부여제		양면테이프

<표8  접착제의 고화⦁경화의 형성

4.향후 과제

경량화나 소형화를 목적으로 금속에서 플라스틱으로 사용재료를 바꾸는 것은 앞으로도 많은 산업에서 증가하겠지만, 감소하는 경우는 거의 없을 것이다. 필요로 하는 특성에 대하여 최적의 소재를 선택하는 것이 제일 중요하지만, 금속과 비교하여 녹이 쓸지 않는 이점은 있지만, 물을 흡수⦁통과한다든가, 연소한다든가, 여러 특성의 온도 의존성이 큰 것 등 주의해야 할 점이 많다.

플라스틱의 접합수단에 있어서 열융착, 용제 접착의 수법은 주로 같은 재료의 접합에 채용되고 있지만, 이종 재료 간의 조합에는 접착제를 사용하는 접착접합이 많이 활용되고 있다. 접착접합에서는 접착제의 선정과 표면처리방법의 선택을 충분히 고려해야 한다. 필요로 하는 접착강도나 내구성 등에 더하여 이음매의 형상에도 주의가 필요하다. 폴리프로필렌의 접착 등 니즈가 높은 분야에서는 새로운 접착제의 개발도 행해지고 있다.

한편, 환경보호에 따르는 플라스틱이나 접착제관련의 리사이클도 중요한 과제가 되고 있다. 사용하는 재료의 통합이 진행되고 있다. 머터리얼 리사이클에서는 다른 재료의 혼입을 방지하는 것이 제일 중요하지만, 아직도 많은 인력을 투입하여 분별하고 있는 것도 또한 현실이다. 케미칼 리사이클에 대해서도 마찬가지로 코스트의 문제가 있다. 또 열 리사이클에서는 고로의 열원으로서 쓰이는 것이 실용화되고 있는데, 분별을 요하지 않는 이점이 있다.

접착한 부분을 용이하게 박리할 수 있는 접착제도 개발되고 있지만, 현재로서는 고온(200℃)을 필요로 하기 때문에 플라스틱에의 적용은 곤란하다. 핫멜트 접착제를 사용할 경우에는 초음파나 유전 가열 등의 방법을 이용함으로써 접착부문 만을 가열하여 박리하는 것이 가능하다. 따라서 보다 저온에서 분해나 변질에 의해 접착강도의 저하가 가능한 접착제의 개발이 필요하다.

접착제를 사용한 라벨에서는 사용하는 부분과 같은 소재의 필름을 기재로서 사용하는 것도 행해지지만, 종래보다도 박리가 용이한 점착제의 개발도 이루어지고 있다.