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문제 정의
- 본 실험은 대기압 평판형 플라즈마 반응기(Atmos pheric plate plasma reactor)를 사용하여 반응기는 최적 기체인 질소로하고, 기체유량을 30〜100 mL/min, 반응시간을 0〜10 s로 변화시키면서 용제형 및 수용성 접착제를 사용하여 0.33의 밀도를 가지는 A type, 0.27의 밀도를 가지는 B type 0.22의 밀도를 C type 3가지의 폴리우레탄 폼 소재와 타 소재의 표면을 처리 후 접촉각의 측정과 SEM과 ATR-FTIR을 이용하여 표면변화를 알아보고, 접착제의 종류에 따른 각각의 접착 박리 강도의 측정을 통해 피착소재에 대한 최적의 플라즈마 처리조건을 얻고자 한다 [7-10].
제안 방법
- EVA foam, Leather (Action), Rubber의 경우 출력 전압을 1600 volt로 하고 반응시간을 0〜30 s로 하여 전처리하였다.
- 표면 처리된 피착재를 25 X 150 mm의 사이즈로 재단 후 150 〜250 g/m2의 접착제를 솔 도포법을 이용하여 도포하였다. Open time은 약 1 min으로 하였으며 접착면을 합친 후 약 5 Kgf의 하중으로 10 min 압착하여 30 min, 24 h, 그리고 48 h 방치 후 박리강도 시험을 실시하여 각각을 초기, 후기, 및 상태 박리강도로 하였다.
- 표면처리용으로 최적으로 설계된 상압 평판형 플라즈마 반응기로 반응기체의 종류를 질소로 하고 유속변화(30〜100 mL/min), 반응시간(1〜10 s)에 따라 서로 다른 밀도를 가진 폴리우레탄 폼 소재와 타 소재인 EVA foam, Leather (Action), Rubber의 젖음성 평가, 접착 박리 강도 및 표면변화를 측정한 결과는 다음과 같다.
- 플라즈마 발생 장치의 출력 전압을 1, 400 volt로 설정 후 표면개질을 하고자 하는 시편을 100 X 150 mm 의 사이즈로 재단한 뒤 반응기 내의 feeding bed 부분에 놓고 일정한 반응온도에서 질소 기체의 주입량을 30〜100 mL/min 사이에서 변화시키는 동시에 반응시간도 0〜10 s사이로 설정한 후 대기압에서 플라즈마처리를 하였다.
- 접촉각을 측정하였다. 플라즈마 표면처리된 피착 재를 유입 가스와 유량을 달리하여 대기압에서 전처리 후 5 min간 대기 중에 방치한 다음 측정하였다. 피착재를 30 X 30 mm의 사이즈로 재단 후 피착재 표면에 증류수 5 mL를 떨어뜨려 1s 당 5회 측정이 되도록 프로그램 설정한 후 10 s간 측정하여 평균값을 취하여 접촉각으로 하였다.
- 플라즈마 표면처리된 피착 재를 유입 가스와 유량을 달리하여 대기압에서 전처리 후 5 min간 대기 중에 방치한 다음 측정하였다. 피착재를 30 X 30 mm의 사이즈로 재단 후 피착재 표면에 증류수 5 mL를 떨어뜨려 1s 당 5회 측정이 되도록 프로그램 설정한 후 10 s간 측정하여 평균값을 취하여 접촉각으로 하였다.
대상 데이터
- 22의 밀도를 가지는 C type 3 가지의 폴리 우레탄 폼 소재를 사용하였다. Rubber, Leather (Action), EVA foam의 같은 소재를 사용 하였다 박리강도 시험에 사용된 접착제는 D사 등에서 판매되고 있는 용제형접착제(Bond Ace 5100 U 등)와 수용성접 착제(W-01 등)을 각각 사용하였다.
- 3 cm, 간격으로 상단 방전관부에서 고압을 방전하며 하단 feeding bed에 대상 피착재를 놓고 플라즈마 처리를 하게 되며 냉각방식은 자연 통풍식이다. 본 실험에 사용된 폴리우레탄폼 시편의 경우 0.33의 밀도는 가지는 A type, 0.27의 밀도를 가지는 B type 0.22의 밀도를 가지는 C type 3 가지의 폴리 우레탄 폼 소재를 사용하였다. Rubber, Leather (Action), EVA foam의 같은 소재를 사용 하였다 박리강도 시험에 사용된 접착제는 D사 등에서 판매되고 있는 용제형접착제(Bond Ace 5100 U 등)와 수용성접 착제(W-01 등)을 각각 사용하였다.
- 본 실험에서 사용된 플라즈마 평판형 반응기는 주파주가 높은 MW플라즈마 발생기로 2.45 GHz의 주파수와 5〜30 kV (P-P가변)의 출력전압으로 상온, 상압에서 운전된다. 반응기는 aluminum 및 아크릴 재질로 되어 있으며 약 50 mm X 40 mm의 공간을 가지고 있다.
- 폴리우레탄 폼의 경우 A, B, C type의 소재와 폴리우래탄 폼 소재를 사용하였는데, 플라즈마 전처리시 소재의 낮은 밀도로 인해 출력전압을 1600 volt로 반응시간을 0〜30 s로 전처리를 할 경우 Figure 1에서 볼 수 있듯이 표면 수축 및 변화가 생겨 출력 전압을 1400 volt 로 하고 반응시간을 0〜10 s 로 하여 전처리 하였다.
이론/모형
- 접착박리강도 측정 확인을 위해 KI-PAE E&T CO., LTD사의 Peel Strengh Tester기를 사용하였다. 표면 처리된 피착재는 한국 산업규격 (KS) 에 접착제의 접착 박리 강도 시험방법 (M 3725)에 의해 이루어졌다.
- , LTD사의 Peel Strengh Tester기를 사용하였다. 표면 처리된 피착재는 한국 산업규격 (KS) 에 접착제의 접착 박리 강도 시험방법 (M 3725)에 의해 이루어졌다. 표면 처리된 피착재를 25 X 150 mm의 사이즈로 재단 후 150 〜250 g/m2의 접착제를 솔 도포법을 이용하여 도포하였다.
- 표면 처리된 피착재는 한국 산업규격 (KS) 에 접착제의 접착 박리 강도 시험방법 (M 3725)에 의해 이루어졌다. 표면 처리된 피착재를 25 X 150 mm의 사이즈로 재단 후 150 〜250 g/m2의 접착제를 솔 도포법을 이용하여 도포하였다. Open time은 약 1 min으로 하였으며 접착면을 합친 후 약 5 Kgf의 하중으로 10 min 압착하여 30 min, 24 h, 그리고 48 h 방치 후 박리강도 시험을 실시하여 각각을 초기, 후기, 및 상태 박리강도로 하였다.
- 플라즈마 전처리에 의한 피착재들의 표면 젖음성 확인을 위해 독일 KRUSS사의 DSA10-MK2 모델을 이용하여 접촉각을 측정하였다. 플라즈마 표면처리된 피착 재를 유입 가스와 유량을 달리하여 대기압에서 전처리 후 5 min간 대기 중에 방치한 다음 측정하였다.
성능/효과
- 1) 젖음성 평가는 0.33의 밀도를 가지는 A type, 0.27의 밀도를 가지는 B type, 0.22의 C type의 폴리우레탄 폼 시편의 경우 질소기류 하에서 플라즈마 전처리 시 A, B type은 접촉각의 큰 변화가 없었으나 이중 C type의 경우 질소 기류하에서 유속의 변화에 무관하게 접촉각이 급격히 감소하였다.
- 2) 용제형 접착제를 사용했을 때의 접착 박리 강도는 폴리우레탄 폼 시편과 Action Leather 시편의 경우 밀도변화에 대하여 PU/PU와 PU/Leather (Action) 경우 상태 접착 박리 강도 모두 8.0 kgf/2.5 cm 이상의 접착 박리 강도를 나타내었으나 Rubber 및 EVA foam 시편의 경우 현저히 낮은 접착박리강도를 나타내었다.
- 3) 수용성 접착제를 사용 했을 때의 접착박리강도는 PU/PU의 경우 비중이 0.33인 경우가 5.7 kgf/2.5 cm로가장 높았고 0.27인 경우 3.7 kgf/2.5 cm로 가장 낮게 되었고, Rubber 및 EVA form의 경우 현저히 더욱 낮은 접착박리강도를 나타내었으며, 전체적으로 용제형 접착제에 비하여 접착력이 낮게 되었다.
- 일반적으로 접착을 시키고자 하는 소재의 표면이 균일하지 못하고 모공이 많은 경우 접착제 및 선처리제가 균일하게 도포되지 않는다. 본 실험에 사용된 폴리우레탄 폼의 경우도 마찬가지로 폴리우레탄 폼 자체의 밀도가 낮아 표면 모공이 많고 평활하지 못해 플라즈마 처리로 인해 표면 유기물이 제거 되었다 하더라도 접착제 및 선처리제가 균일하게 도포되지 않아 이러한 결과가 나왔다.
- 용제형 및 수용성 접착제를 사용하여 폴리우레탄폼 소재의 밀도변화에 대한 접착 박리강도 변화를 보았을 때 밀도가 가장 낮은 0.22는 접착박리강도가 0.33 에 비하여 접촉각 감소에도 불구하고 낮아지는 현상을 볼 수 있었다. 일반적으로 접착을 시키고자 하는 소재의 표면이 균일하지 못하고 모공이 많은 경우 접착제 및 선처리제가 균일하게 도포되지 않는다.
- 위와 같은 결과로 A, B type의 폴리우레탄 폼 소재의 경우 플라즈마 처리로 인해 표면 세정 효과는 있으나 젖음성을 높여 줄 수 있는 효과는 없는 것으로 보이나 반면 C type은 질소기류의 유속변화의 관계없이 젖음성이 향상되어 접촉각의 급격한 감소를 나타내었다.
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