접착 접착을 위한 표면 처리:열경화성 수지와 열가소성 복합 재료

부품 또는 재료 표면을 처리, 연마 또는 세척하는 몇 가지 방법을 포함하는 표면 처리는 성공적인 접착 결합, 코팅 또는 페인팅에 필요한 특성을 달성하는 데 필수적일 수 있습니다. 그러나 일부 방법은 특정 자료에 대해 다른 방법보다 더 효과적입니다.

BTG Labs(미국 오하이오주 신시내티)의 CEO이자 수석 과학자인 Giles Dillingham에 따르면 접착, 코팅 또는 밀봉을 위한 재료의 표면 처리는 다음 세 가지를 달성해야 합니다.

Dillingham에 따르면 표면 처리의 이러한 세 가지 측면의 상대적 중요성은 고려 중인 재료의 종류에 따라 다릅니다. 예를 들어, 금속은 표면 에너지가 매우 높기 때문에 표면이 화학적 반응성이 높고 빠르게 오염됩니다. 금속 표면 처리는 세정 및 안정적인 산화물 생성에 중점을 둡니다. 복합 재료의 경우 열경화성 및 열가소성 폴리머는 표면 에너지가 상대적으로 낮고 금속만큼 쉽게 오염되지 않고 환경에 노출되는 동안 상대적으로 안정적이기 때문에 성공적인 결합 및 코팅을 위해서는 다른 접근 방식이 필요합니다. 그러나 이러한 동일한 특성으로 인해 접착제가 복합 재료에 붙을 가능성이 줄어듭니다. 결과적으로 복합 재료의 표면 처리는 일반적으로 위에 나열된 두 번째 요소에 초점을 맞춥니다. 즉, 접착제와 강한 결합이 형성될 수 있도록 표면 에너지를 증가시키는 것입니다.

표면 에너지 결정

일반적으로 낮지만 표면 에너지는 재료 및 복합 부품에 따라 다를 수 있으며 이에 따라 표면 처리도 다양합니다. Dillingham에 따르면 신속하고 정량적으로 측정하는 능력 물체 또는 재료의 표면 에너지는 올바른 표면 처리를 설계, 구현 또는 이해하기 위한 중요한 첫 번째 단계입니다.

표면 에너지를 테스트하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. BTG Labs가 자주 사용하는 한 가지 대중적인 기술은 테스트 표면에 한 방울의 유체가 형성하는 접촉각을 측정하는 것입니다. 이 방법에서 액체가 표면에 닿았을 때 위로 구슬이 올라오면 이는 액체가 표면에 끌리지 않는다는 것을 나타냅니다. 아마도 접착제나 페인트가 이 표면에 강하게 끌리지 않을 것이며 접착력이 떨어질 것입니다. 오염은 표면이 이러한 방식으로 액체 방울을 밀어내는 한 가지 원인입니다.

그러나 액체가 방울방울 맺히지 않고 쉽게 퍼진다면 이는 표면이 액체를 강하게 끌어당긴다는 것을 나타냅니다. 이러한 표면은 높은 화학 에너지를 가지며 일반적으로 접착제에 잘 접착됩니다. Dillingham은 비누와 같은 계면 활성제로 인한 오염도 액체가 표면에 퍼지도록 하지만 계면 활성제로 인한 습윤은 액체가 퍼지는 속도로 쉽게 구별할 수 있다고 말합니다.

액체 방울과 표면 사이의 각도, 즉 접촉각(왼쪽 이미지 참조)은 액체에 대한 표면의 인력에 대한 값을 지정합니다. 접착이 랩 전단 조인트 또는 이중 캔틸레버 빔(DCB)을 통해 평가되는지 여부를 포함하여 주어진 표면에서 우수한 접착 결합을 위해 목표 접촉각을 결정하는 몇 가지 요소가 있습니다. 일반적으로 낮은 접촉각(0도에서 ~30-40도)은 접착제 및 페인트에 대한 우수한 접착력을 확립하는 깨끗하고 고에너지 표면을 나타냅니다. 높은 각도(60-90도 이상)는 일반적으로 접착하기 어려운 저에너지 또는 오염된 표면을 나타냅니다. 40-60도 범위의 접촉각은 덜 명확합니다. 이는 더 낮은 접촉각을 가진 표면보다 예측 가능하게 덜 깨끗하고 결합 준비가 된 표면을 나타낼 수 있지만 약한 결합을 생성할 만큼 확실하지 않습니다. 해당 범위 이상의 접촉각 측정값을 생성하는 표면입니다.

열경화성 수지와 열가소성 수지

열경화성 복합재(예:에폭시, 폴리이미드, 비스말레이미드)와 열가소성 복합재(예:PAEK, PEEK, PEKK 및 폴리페닐렌 설파이드)는 서로 다른 표면 특성을 가지며 서로 다른 표면 준비 전략이 필요합니다.

어떤 경우에는 열경화성 수지가 복합재 표면의 화학적 반응성을 증가시키도록 설계된 표면 처리 필름의 이점을 얻을 수 있다고 Dillingham은 말합니다. 이러한 표면은 일반적으로 필 플라이 제거 후 30도 범위의 물 접촉각을 나타내며 일반적으로 접착 가능합니다. 폴리머 표면이 특히 반응성이 없는 다른 경우에는 물 접촉각이 약 50-60도이며 양호한 접착을 위해 표면 처리가 필요할 수 있습니다.

열경화성 복합 재료로 어느 정도 성공을 거둔 또 다른 표면 처리 기술은 수동 또는 그릿 블라스팅을 통해 수행되는 마모입니다. Dillingham에 따르면 열경화성 매트릭스 수지는 화학적으로 활성인 표면을 생성하기 위해 폴리머 사슬이 실제로 끊어짐으로써 마모 상태에서 부서지는 취성 폴리머이기 때문에 마모가 작동합니다. 이 표면은 접착제와 반응하여 강력하고 안정적인 계면을 형성할 수 있습니다. 열경화성 폴리머의 화학적 조성에 따라 마모로 인해 물 접촉각이 10도 이상 감소할 수 있으며 이는 양호한 결합에 충분할 수 있습니다.

그러나 열가소성 폴리머는 열경화성 폴리머와 다르게 거동합니다. Dillingham은 폴리머 사슬이 가교에 의해 단단한 네트워크에 잠겨 있지 않기 때문에 유동하는 경향이 있다고 말합니다. 즉, 가소적으로 변형됩니다. - 골절이 아닌 마모 상태에서. 마모된 열가소성 합성물은 거칠지만 여전히 화학적으로 반응성이 없으며 접착제, 코팅 또는 실런트와 좋은 결합을 형성할 수 없습니다. 또한 이러한 표면의 물 접촉각은 일반적으로 마모에 따라 크게 변하지 않습니다. 열가소성 복합 재료의 경우 플라즈마 처리는 표면 에너지를 증가시키는 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 위 그림은 Solvay 377S 필름 접착제로 접착된 PEKK의 랩 조인트 강도(수직축) 대 접촉각(수평축)을 보여줍니다. 데이터에 따르면, 솔벤트 와이핑, 핸드 샌딩 및 그릿 블라스팅은 이 경우 접합 강도를 향상시키지 못한 반면, 플라즈마 처리는 강도를>30% 증가시켰습니다. 또한, 플라즈마 처리된 샘플은 접착제에서 응집력이 떨어지는 반면, 다른 샘플은 접착제와 기판 사이의 적어도 부분적으로 계면에서 실패했습니다.

구조적 목적에 적합한 강력하고 신뢰할 수 있는 접착 결합은 대부분의 구조적 재료 간에 달성할 수 있다고 Dillingham은 결론지었습니다. 그러나 재료 등급에 잘 맞는 표면 처리가 다른 등급에는 적합하지 않을 수 있습니다. 표면 처리는 기질과 접착제의 특정 화학적 특성을 염두에 두고 설계해야 합니다. 열가소성 복합 재료의 대부분의 응용 분야는 열경화성 복합 재료보다 훨씬 더 높은 정도로 표면 에너지를 증가시키는 처리가 필요하므로 표면 처리는 다르게 처리해야 합니다. 표면 처리와 적절한 측정 및 제어 전략을 결합하면 표면 처리가 효과적이고 신뢰할 수 있습니다.