[논문]저온플라즈마 처리가 발포체의 특성에 미치는 영향

박차철; 김호정

문제 정의

내부 전극형 플라즈마 반응 기 내에서 발포체 의 종류, 처리 시간, 전극과의 거리 등이 발포체 의 표면 특성에 미치는 영향을 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 발 포체의 표면 젖음성 향상을 위하여 저온 플라즈마 처리를 하는 경우 평형 상태에서의 각 발포체의 표면접촉각 은 PH < IP < PU의 순서로 낮은 값을 나타내었다.
본 연구에서는 스포츠화의 중창으로 많이 사용되는 PH, IP 및 PU 등 세 가지 종류의 발포체를 저온플라즈마 처리하는 경우 발포체의 종류가 저온플라즈마 처리 효과에 미치는 영향을 고찰하였다. 저온플라즈마 처리 시 플라즈마 처리 시간, 기체 종류, 전극과의 거리 등의 조건이 발포체의 표면 형태, 접촉각 및 접착력 변화에 미치는 영향을 전자현미경, 접촉각 측정기, 인장강도기 등을 사용하여 측정하였다.

제안 방법

IP 발 포체는 비 닐아세테이트의 함량이 28%, 용융지수가 3.0인 EVA수지를 사용하여 충진제 및 발포조제 및 기타 첨가제를 첨가하여 100°C에서 30rpm으로 10분간 혼련하고, 표면 온도가 80°C인 롤밀에서 가교제, 발포제를 혼합 분산시킨 후 금형내에 사출하여 시편으로 제조하였다.
플라즈마 처리된 PH 발 포체의 친수화 정도를 평가하기 위하여 접촉각 측정기를 사용하여 실온에서 측정하였다. 각 시료의 접촉각은 6개소 의 접촉각의 값을 평균하였으며, 측정액체로는 증류수를 이용하여 측정하였다. 시료 표면의 형태 변화를 주사전자현미경(JEOL 6100, 일본)으로 관찰하였다.
플라즈마 처리된 발포체의 접착력을 측정하기 위하여 수용성 폴리우레탄 접착제를 발포체 표면 및 프라이머가 처리된 고무 표면에 각각 2회 도포한 후 10분간 건조하였다. 건조 후 접착면을 핸드롤러를 사용하여 접착한 후 24시간 경과 후 인장강도기를 사용하여 실온에서 5cm/min의 인장 속도로 접착력을 측정하였으며, 시편의폭은 2.54cm로 하였다.
각 시료의 접촉각은 6개소 의 접촉각의 값을 평균하였으며, 측정액체로는 증류수를 이용하여 측정하였다. 시료 표면의 형태 변화를 주사전자현미경(JEOL 6100, 일본)으로 관찰하였다.
본 연구에서는 스포츠화의 중창으로 많이 사용되는 PH, IP 및 PU 등 세 가지 종류의 발포체를 저온플라즈마 처리하는 경우 발포체의 종류가 저온플라즈마 처리 효과에 미치는 영향을 고찰하였다. 저온플라즈마 처리 시 플라즈마 처리 시간, 기체 종류, 전극과의 거리 등의 조건이 발포체의 표면 형태, 접촉각 및 접착력 변화에 미치는 영향을 전자현미경, 접촉각 측정기, 인장강도기 등을 사용하여 측정하였다.
실험에 사용된 발포체는 신발산업에서 범용으로 사용하는 방법으로 발포체를 제조하였다. 제조된 발포체의 경도는 50 및 60으로 조정하였다. PU 발 포체는 성형을 위한 몰드 내에 첨가제를 부가한 폴리올(국내 D사 MR-8332O)과 이소시 아네 이트(국 내 D사 MP-3200)를 1700rpm으로 혼합하고, 60g/sec의 토출 속도로 몰드에 투입하여 성형 후 탈형하여 이 형제를 제거하지 않고 시편으로 사용하였다.
플라즈마 처리된 PH 발 포체의 친수화 정도를 평가하기 위하여 접촉각 측정기를 사용하여 실온에서 측정하였다. 각 시료의 접촉각은 6개소 의 접촉각의 값을 평균하였으며, 측정액체로는 증류수를 이용하여 측정하였다.
플라즈마 처리된 발포체의 접착력을 측정하기 위하여 수용성 폴리우레탄 접착제를 발포체 표면 및 프라이머가 처리된 고무 표면에 각각 2회 도포한 후 10분간 건조하였다. 건조 후 접착면을 핸드롤러를 사용하여 접착한 후 24시간 경과 후 인장강도기를 사용하여 실온에서 5cm/min의 인장 속도로 접착력을 측정하였으며, 시편의폭은 2.

대상 데이터

제조된 발포체의 경도는 50 및 60으로 조정하였다. PU 발 포체는 성형을 위한 몰드 내에 첨가제를 부가한 폴리올(국내 D사 MR-8332O)과 이소시 아네 이트(국 내 D사 MP-3200)를 1700rpm으로 혼합하고, 60g/sec의 토출 속도로 몰드에 투입하여 성형 후 탈형하여 이 형제를 제거하지 않고 시편으로 사용하였다.
기체의 공급과 배기는 플라즈마 처리가 끝날 때까지 계속 흘러보낸다. 플라즈마를 발생시킬 불활성 기체로서 아르곤 가스를, 활성기체로서는 산소를 사용하였다.

이론/모형

실험에 사용된 발포체는 신발산업에서 범용으로 사용하는 방법으로 발포체를 제조하였다. 제조된 발포체의 경도는 50 및 60으로 조정하였다.

성능/효과

EVA계 수지를 사용하여 제조된 PH와 IP 발 포체에서 PH 보다 IP 발포체가 높은 접촉각을 나타내었다. IP 발포체가 PH보다 높은 값을 나타내는 것은, IP 발 포체는 사출에 의하여 발포체 를 제조하기 때문에 사출시 높은 압력에 의해 발 포체의 표면이 물리적으로 밀도가 높은 형태로 형성되어있어 플라즈마 처리 효과가 낮게 나타는 것으로 이해할 수 있다.
발 포체의 표면에 산소와 아르곤가스 플라즈마를 처리함에 따라 전반적으로 발포체의 접착력이 증가하는 경향을 나타내었다. PH 발포체의 경우 저온플라 즈마를 처리함에 따라 발포체와 수성 폴리우레 탄계 접착제와의 접착력은 약 4kg/cm 정도로 현저히 증가되었으나, IP 및 PU 발 포체의 경우 플 라즈마 처리에 따른 접착력의 증가가 보다 완만한 것으로 나타났다. 표면접촉각에서도 PH의 경우가 IP 및 PU 보다 플라즈마 처리 효과가 우수한 경향을 나타내었다.
플라즈마에칭에 의한 표면의 요철 상태는 플라즈마 처리 시간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, PH의 경우가 IP 발 포체의 경우보다는 현저한 에칭 효과를 나타내었다. 또한 플라즈마 발생기체로 아르곤을 사용한 경우 에칭효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다. 플라즈마 발생기체로 질소를 사용한 경우도 유사한 경향을 나타내었다.
4에 나타내었다. 미처리 발 포체를 프라이머처리하지 않은 상태에서 수성 포리우레탄계 접착제를 사용하여 고무와 접착한 경우 PU 및 IP 의 경우 접착력이 전혀 없었으며, PH의 접착력은 약 0.5Kg/cm 이하로 손으로 쉽게 분리되는 매우 약한 접착력을 나타내었다. 발 포체의 표면에 산소와 아르곤가스 플라즈마를 처리함에 따라 전반적으로 발포체의 접착력이 증가하는 경향을 나타내었다.
표면접촉각은 발포체의 경도 낮은 PH₅₀의 경우가 경도가 높은 PH₆₀ 보다 낮은 표면 접촉 각을 나타내었다. 발 포체에 저온 플라즈마 처 리 를 함에 따라 발 포체의 접착 특성이 현저히 개선되 었으며 PH의 경우가 IP나 PU 경우보다 현저하게 증가되는 경향을 나타내었다.
5Kg/cm 이하로 손으로 쉽게 분리되는 매우 약한 접착력을 나타내었다. 발 포체의 표면에 산소와 아르곤가스 플라즈마를 처리함에 따라 전반적으로 발포체의 접착력이 증가하는 경향을 나타내었다. PH 발포체의 경우 저온플라 즈마를 처리함에 따라 발포체와 수성 폴리우레 탄계 접착제와의 접착력은 약 4kg/cm 정도로 현저히 증가되었으나, IP 및 PU 발 포체의 경우 플 라즈마 처리에 따른 접착력의 증가가 보다 완만한 것으로 나타났다.
3에 플라즈마 처 리 시 시료와 전극간의 거리가 경도 50 및 60인 PH 발 포체의 표면 접촉각에 미치는 영향을 나타내었다. 시료와 전극간의 거리가 6mm에서 36mm 로 멀어짐에 따라 발 포체의 표면 접촉각이 감소하는 경향을 나타내었으나 36mm 이상에서는 접촉각이 거의 일정한 값을 나타내었다. 이러한 현상은 시료와 전극이 너무 가까운 경우보다 일정한 거리를 유지한 경우에는 비교적 안정된 플라 즈마가 형성됨으로 인하여 표면처리효과가 우수해지는 것에 기인하는 것으로 이해할 수 있다.
플라즈마 처리 시간 2분 이후에는 접촉각은 큰 변화를 나타내지 않고 거의 일정한 값을 나타내었다. 평형 상태에서의 각 발 포체의 표면접촉각 은 PH < IP < PU의 순서로 높은 값을 나타내었다.
마처 리 PH 발포체의 경우에는 표면이 평활한 상태를 나타내었으나 플라즈마 처리에 따라 발포체 의 표면에 미세한 요철이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 플라즈마에칭에 의한 표면의 요철 상태는 플라즈마 처리 시간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, PH의 경우가 IP 발 포체의 경우보다는 현저한 에칭 효과를 나타내었다. 또한 플라즈마 발생기체로 아르곤을 사용한 경우 에칭효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다.

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