상압 플라즈마 표면처리에 따른 Ethylene-Vinyl Acetate (EVA)의 표면개질 및 Polyurethane과의 접착력 증진 Atmospheric-Pressure Plasma Treatment of Ethylene-Vinyl Acetate (EVA) to Enhance Adhesion Energy between EVA and Polyurethane원문보기
플라즈마 표면처리는 표면 관능기 표면 활성도 등을 증가시켜 촉매적 선택성, 염색성 및 다양한 소재의 접착력을 증가시켜주는데 큰 역할을 담당한다. 본 연구에서는 dielectric barrier discharge (DBD)를 이용한 상압 플라즈마토치로 ethylene-vinyl acetate (EVA)의 표면을 처리하였다. 이때 사용된 가스는 아르곤, 공기, 및 산소를 이용하였으며, 표면처리에 따른 EVA의 표면 특성을 제타전위와 표면자유에너지를 이용하여 관찰하였다. 그 결과, 상압 플라즈마 표면처리에 따른 EVA의 표면 관능기는 접착 에너지 ($G_{IC}$)와 비례관계를 가지며 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 상압 플라즈마 표면처리 공정은 EVA와 polyurethane (PU) 계면의 접착력을 크게 증가시켜 주는 것을 확인하였다.
플라즈마 표면처리는 표면 관능기 표면 활성도 등을 증가시켜 촉매적 선택성, 염색성 및 다양한 소재의 접착력을 증가시켜주는데 큰 역할을 담당한다. 본 연구에서는 dielectric barrier discharge (DBD)를 이용한 상압 플라즈마 토치로 ethylene-vinyl acetate (EVA)의 표면을 처리하였다. 이때 사용된 가스는 아르곤, 공기, 및 산소를 이용하였으며, 표면처리에 따른 EVA의 표면 특성을 제타전위와 표면자유에너지를 이용하여 관찰하였다. 그 결과, 상압 플라즈마 표면처리에 따른 EVA의 표면 관능기는 접착 에너지 ($G_{IC}$)와 비례관계를 가지며 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 상압 플라즈마 표면처리 공정은 EVA와 polyurethane (PU) 계면의 접착력을 크게 증가시켜 주는 것을 확인하였다.
Plasma treatment is frequently used to increase surface functionality and surface activity. It enables to improve various surface properties such as catalytic selectivity, printability, and interfacial adhesion between various materials. Surface or the ethylene-vinyl acetate (EVA) is exposed under a...
Plasma treatment is frequently used to increase surface functionality and surface activity. It enables to improve various surface properties such as catalytic selectivity, printability, and interfacial adhesion between various materials. Surface or the ethylene-vinyl acetate (EVA) is exposed under an atmospheric pressure plasma torch (APPT), generated by dielectric barrier discharge (DBD), and the treated surfaces are systemically investigated. Argon, air, and oxygen are used as a processing gas. Properties of the treated EVA surfaces are investigated by the zeta-potential measurements and surface free energies. It is shown that the plasma treatment leads to a drastic increase of surface functional groups of EVA, as the increase of its adhesion energy ($G_{IC}$). Therefore, it is concluded that the APPT process is an effective means to improve adhesion of EVA and polyurethane (PU).
Plasma treatment is frequently used to increase surface functionality and surface activity. It enables to improve various surface properties such as catalytic selectivity, printability, and interfacial adhesion between various materials. Surface or the ethylene-vinyl acetate (EVA) is exposed under an atmospheric pressure plasma torch (APPT), generated by dielectric barrier discharge (DBD), and the treated surfaces are systemically investigated. Argon, air, and oxygen are used as a processing gas. Properties of the treated EVA surfaces are investigated by the zeta-potential measurements and surface free energies. It is shown that the plasma treatment leads to a drastic increase of surface functional groups of EVA, as the increase of its adhesion energy ($G_{IC}$). Therefore, it is concluded that the APPT process is an effective means to improve adhesion of EVA and polyurethane (PU).
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문제 정의
본 연구에서는 반도체 뿐만 아니라 신발산업과 같은 실생활에서도 응용할 수 있는 표면처리 공정기술 개발을 목적으로, 플라즈마의 장점을 흡수하며 진공플라즈마의 단점을 극복할 수 있는 상압플라즈마 기술을 이종 폴리머 계면 (EVA/PU)의 접착력 향상을 위한 연구를 수행하였다.
EVA와 PU의 향상된 계면 접착력을 얻기 위해 산-염기 반응을 유도할 수 있는 표면 관능기 생성 및 roughmess가 증진되어 EVA의 표면구조가 발달되는 플라즈마 공정이 필요하다. 이에 본 연구에서는 비활성기체 (Ar), air와 6 가스를 이용하여 EVA와 PU의 계면 접착력이 증진되는 공정을 연구하였다.
제안 방법
2. 또한, Air와 02 즉 산소를 함유한 플라즈마로 표면처리한 EVA의 경우 (OAPE), 표면 특성 관능 기를 발달시켜 제타전위의 절대값과 표면 자유에너지의 극성 요소 (#)를 증가시켰다.
EVA 표면에 발달된 극성관능기의 해리 또는 주변에 존재하는 이온의 흡착 등에 의한 고체 표면 전하의 흡착특성을 전기영동 장치 (Otsuka Electronics Co. Ltd., ELS-8000)로 측정하였다. 이때 증류수 용액 20 ml에 0.
본 연구에서는 EVA와 PU의 접착을 위해 다양한 기체를 사용하여 EVA 표면에 플라즈마 처리하여 EVA의 표면 특성 변화를 제타전위와 표면 자유에너지를 통하여 관찰하였으며, 기계적 물성을 180° peel test를 이용하여 구한 접착 에너지 (Gc)로 측정하였다. 그 결과, 플라즈마 표면처리에 따른 EVA의 표면은 크게 다음과 같은 특성이 보이는 것을 확인하였다.
이 중에서도 glow 방전은 전극에 약 수백 V의 전압을 인가하여 플라즈마 내의 양이온이 음극과 충돌하여 전자가 발생되고, 이때 발생된 2차 전자가 외부에서 인가한 electric field에 의해 가속되어 가면서 neutral gas를 이온화시키고 이때 생성된 전자가 다시 neutral gas를 이온화시키는 과정이 반복되는 전자사태 (avalanche) 를 일으켜 전극 양단간에 전류가 흐르게 되는 현상을 말한다D 이러한 현상이 만약 상압에서 균일한 이ow discharge를 생성시킬 수 있다면 batch type이 아닌 in-line 공정으로 표면처리가 가능하고, 고가의 진공 장비가 필요 없는 경제성 있는 적용기술로의 전환이 용이한 장점을 갖는다. 본 연구에서는 이러한 특징을 갖고 있는 상압 플라즈마 기술을 도입하여 EVA의 표면처리를 하였으며, Fig. 5는 상압 플라즈마가 발생하여 EVA를 표면처리 하는 모습이다.
3에 나타낸 바와 같이 우선 실험에 앞서 폴리머 표면을 초음파 세척기를 이용하여 5분간 세척한 후 사용하였다. 세척한 EVA (phylon)는 상압 플라즈마 표면처리를 하였다. Polyurethane (PU)과 경화제의 무게비가 100:5가 되도록 20분간 800 rpm으로 혼합한 접착제를 만든 뒤 플라즈마 표면처리 된 EVA (phylon) 에 도포하였으며, Fig.
1과 같이 상압 플라즈마 기술을 이용한 표면처리 장치 ((쥐피에스에 NPT102)를 사용하였다. 이때 실험조건은 Table 1에 나타낸 바와 같이 사용한 가스는 Ar, air, 및 6를 조합하였으며, ~250 V, 150 W 의 AC power로 EVA에 플라즈마 표면처리 실험을 하였다. 처리하지 않은 EVA는 VE로 명명하였으며, 비활성기체 Ar 5 l/min를 사용하여 플라즈마 표면처리한 EVA는 APE이며, OAPE는 APE 처리 조건과 동일하며, 다만 Ar 5 l/min에 100 cc의 6와 500cc의 air를 혼합한 가스를 사용하여 플라즈마 표면처리된 EVA를 말한다.
, ELS-8000)로 측정하였다. 이때 증류수 용액 20 ml에 0.001 g의 EVA를 부유시킨 뒤 2분간 초음파 처리하여 제타전위를 측정하였다.
플라즈마 표면처리에 따른 EVA의 표면에 발달한 표면자유에너지 변화는 접촉각 측정을 사용하여 확인하였다. 본 연구에서는 sessile drop 방법 (SEO3000A) 을 사용하여 20 ± 1℃ 의 온도조건에서 EVA의 표면자유에너지를 측정하였다.
대상 데이터
EVA는 insole용 소재로서 가장 중요한 요구 물성인 영구 압축 줄 음률이 높아 내구성이 떨어진다는 큰 단점과 통기성이 없다는 단점이 있지만 가격이 저렴하고 특히 cup-insole이 가능하므로 초기 외관이 미려하여 상품가치가 높다는 장점이 있어 많이 사용되고 있다. Polyurethane (PU)는 동성화학에서 제공한 W-01을, 경화재는 ARF-40를 사용하였다.
본 실험에서 사용한 폴리머는 현재 신발업체에서 사용중인 두께 2 mm인 SBR (styrene butadiene rubber)과 2.3 mm 두께의 탄성력이 우수하며 가벼운 EVA (phylon)으로 가로 1.5 cm, 세로 5 cm 크기의 시험편을 만들어 사용하였다. EVA는 insole용 소재로서 가장 중요한 요구 물성인 영구 압축 줄 음률이 높아 내구성이 떨어진다는 큰 단점과 통기성이 없다는 단점이 있지만 가격이 저렴하고 특히 cup-insole이 가능하므로 초기 외관이 미려하여 상품가치가 높다는 장점이 있어 많이 사용되고 있다.
등에서 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 상압 플라즈마 기술을 이용한 표면처리 장치 ((쥐피에스에 NPT102)를 사용하였다. 이때 실험조건은 Table 1에 나타낸 바와 같이 사용한 가스는 Ar, air, 및 6를 조합하였으며, ~250 V, 150 W 의 AC power로 EVA에 플라즈마 표면처리 실험을 하였다.
이론/모형
확인하였다. 본 연구에서는 sessile drop 방법 (SEO3000A) 을 사용하여 20 ± 1℃ 의 온도조건에서 EVA의 표면자유에너지를 측정하였다. 이때 접촉각 측정을 위해 사용된 젖음액은 초증류수와 diiodomethane을 사용하였으며, Table 2에 용액에 대한 계면 (혹은 표면) 장력과 각각의 성분들의 특성 값을 나타내었다
접착 에너지 (adhesion energy)는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 180° peel test 방법으로 만능재료시험기 (Universal Testing Machine, Lloyd)를 사용하여 crosshead speed가 10 mm/miii인 조건에서 180° peel test 방법을 이용하였다. 이때 adhesion energy (GA)는 다음과 같은 식으로 계산하였다.
성능/효과
도입이 가능하다고 보고된 바 있다.'2저 본연구 결과, APE의 경우 Ar 플라즈마는 EVA의 표면 에칭 효과를 일으켜 구조적 발달 (비표면적 또는 roughness의 증가)을 가져오며, air와 Cfe 가스를 Ar 가스에 혼합하여 방전하여 표면처리한 OAPE는 표면에칭 현상과 함께 산소 플라즈마에 의한 표면 관능기가 발달되어 표면 특성이 변하였으며, 이러한 현상이 제타전위의 절대값을 가장 크게 증가시킨 것으로 사료된다.
1. Ar과 같은 비활성 기체를 이용한 EVA의 플라즈마 표면처리는 표면 cleaning 및 표면 에칭 효과가 증가시켜 제타전위의 절대값과 표면자유에너지 중 비극성 요소(#)를 증가시키는 것을 볼 수 있다.
3. 표면자유에너지의 극성 요소 (#)가 증가됨에 따라 EVA와 PU의 사이 계면 접착 에너지 (GQ 가 비례적 상관관계를 갖고 증가되는 것을 확인하였다 (Fig. 10). 이를 통하여 표면자유에너지의 극성요소는 접착력에 크게 영향을 주는 주요 인자임을 확인하였다.
Fig. 6에서 보이는 바와 같이 표면처리를 하지 않은 EVA의 제타전위 절대값 보다 플라즈마 표면처리한 EVA의 제타전위의 절대값이 크게 증가되었으며, 특히 Air와 Ch 가스를 혼합하여 처리한 OAPE의 제타전위 절대값이 가장 크게 증가된 것을 확인하였다.
본 실험 결과, 플라즈마 표면처리는 표면에칭, 표면 cleaning 효과와 함께 표면 관능기와 활성도 등을 증가시켜 서로 다른 특성을 갖고 있는 소재의 접착력을 증가시켜주는데 큰 역할을 담당하는 것을 확인하였다.
8 에 나타낸 바와 같이 극성 요소와 비극성요소의 합인 표면자유에너지가 증가함에 따라 제타전위가 밀접한 상관관계를 갖고 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과를 통하여 플라즈마 표면처리한 EVA의 표면 cleaning 및 비표면적의 증가와 함께 표면에 발달한 라디칼과 표면 관능기의 증가 즉 표면자유에너지(7s)는 제타전위의 절대값을 증가시키는 주요 인자로 작용하고 있음을 확인하였다.
10). 이를 통하여 표면자유에너지의 극성요소는 접착력에 크게 영향을 주는 주요 인자임을 확인하였다.
여기에서 (S는 고체 즉, 표면처리 전후의 EVA의 표면자유에너지이며, #은 EVA의 표면 장력의 분산 (dispersive) 또는 비극성 성분을 의미하며, γsSP는 극성 (specific or polar) 성분을 나타낸다저-26 그 결과, 표면처리 전의 EVA, VE의 표면자유에너지의 경우, 극성요소가 "0"이며, 비극성 요소가 15 mJ/n?으로 표면 관능기가 발달되어 있지 않은 소재임을 확인할 수 있다. 플라즈마 표면처리에 따른 EVA는 극성요소 #와 비극성 요소(70가 모두 증가되어 표면자유에너지가 특히, 플라즈마 표면처리한 APE 와 OAPE의 경우, 극성요소가 각각 2.7와 29.9 mJ/m2 으로 증가된 것을 확인 할 수 있다. 비활성 기체만 사용한 APE의 경우 표면 에칭에 의한 곁사슬 또는 말단에 표면 관능기가 형성되었으며, OAPE는 비활성 기체에 산소기체가 함께 플라즈마화되어 EVA 표면에 도달하였을 경우 표면에칭과 함께 hydroxyl, carboxyl과 chromene 등과 같은 표면 관능기가 발달함에 따라 극성 요소가 크게 증가된 것으로 사료된다.
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