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문제 정의
- 본 연구에서는 강판의 표면에 대기압 화염 플라즈마 처리를 통한 강판의 표면 특성 및 강판과 고무의 접착 특성에 대해 연구하고자 한다. 자동차를 비롯한 여러 산업 분야 사용되는 고무 부품 중 엔진 마운트, 스토퍼(stopper), 부싱, 패킹, 오일-씰 등과 같이 고무와 보강재가 결합된 형태가 많은 부분을 차지한다.
제안 방법
- 또한 플라즈마의 처리속도에 따른 표면의 영향을 분석하기 위하여 접촉각을 측정하였다. Fig.
- 또한 피착제의 플라즈마 처리한 경우(“PC”, “PCC”)와 처리하지 않은 경우(“C”, “CC”)로 구분하여 비교하였으며, 플라즈마 처리 조건을 변화시키면서 최적의 물성을 나타내는 처리 조건에 대해서도 검토하였다.
- 버너 포트의 이동속도(플라즈마 처리속도) 또한 중요한 변수가 되며 20, 35, 50, 65(m/min)로 구분하여 화염 플라즈마의 영향을 검토였다. 또한 화염 플라즈마 처리 후의 표면 특성을 검토하기 위하여 플라즈마 처리된 표면에 대해 광학 현미경 사진, SEM 사진, 표면 거칠기 그리고 접촉각 측정 등을 실시하여 비교하였다.
- 버너 포트는 직사각형으로 크기는 85×13이고, Fig. 1과 같이 버너 포트로부터 피착제까지의 거리(“L”)를 25, 40, 55, 70(mm)로 구분하였다.
- 1과 같이 버너 포트로부터 피착제까지의 거리(“L”)를 25, 40, 55, 70(mm)로 구분하였다. 버너 포트의 이동속도(플라즈마 처리속도) 또한 중요한 변수가 되며 20, 35, 50, 65(m/min)로 구분하여 화염 플라즈마의 영향을 검토였다. 또한 화염 플라즈마 처리 후의 표면 특성을 검토하기 위하여 플라즈마 처리된 표면에 대해 광학 현미경 사진, SEM 사진, 표면 거칠기 그리고 접촉각 측정 등을 실시하여 비교하였다.
- 접착 시험용 시험편 제작을 위해 혼합된 고무와 강판을 금형에 넣고 80톤 압축프레스를 이용하여 압축성형 하였다. 성형 중의 압력은 14MPa, 온도는 160℃ 그리고 시간은 6분이었다.
- 화염 플라즈마 처리는 API(주)의 Super FlameⓇ Center를 사용하였으며, 연소가스의 연소반응과 피착제 표면처리 조건은 다음과 같이 하였다.
- 화염 플라즈마 처리속도에 따른 철 표면의 산화 정도를 분석하기 위해 주사전자현미경(Hitachi, S-4200)의 EDS (energy dispersive spectroscopy)장비를 이용하였다. Fig.
대상 데이터
- 또한 실험에 사용된 피착제인 강은 일반열간압연강판(SPH1)으로 크기는 60×25.4×2.5t 이었다.
- 본 논문에서는 지금까지 많이 적용되지 않은 대기압 플라즈마의 일종인 대기압 화염 플라즈마(APFP, atmospheric pressure flame plasma)를 사용한다. 대기압 화염 플라즈마는 글로우 방전(glow discharge) 방식의 일종으로 열 융합 방식에 의해 열원 가스(LPG 혹은 LNG)를 대기압 하에서 완전 연소시켜 플라즈마 구역을 형성하게 되고, 표면의 에너지(전자 밀도 1013~1016)를 향상시키는 방법이다.
- 실험에 사용된 고무는 Table 1과와 같이 카본블랙과 가류제 등이 포함된 합성고무의 일종인 NBR(acrylonitrile butadiene rubber)이고 인장강도와 신장률, 그리고 경도는 12.26MPa, 520%, 51Hs(A)이었다. 또한 실험에 사용된 피착제인 강은 일반열간압연강판(SPH1)으로 크기는 60×25.
- 실험에 사용된 시험기는 Shimadzu사의 Autograph (Model AG-5000E)이며, 실온(22±2℃)에서 시험속도는 분당 50mm, 시험기로부터 매 0.04mm 변위 당 하중 값을 얻는다.
- 04mm 변위 당 하중 값을 얻는다. 실험의 시료는 시편 4개 이상을 사용하였으며, 얻어진 결과는 이들을 산술평균 하였다.
- ① 표면을 사포(#800→#1000→#1500→#2000)를 이용하여 연마하고, 압축 공기를 이용하여 청소, ② TCE(trichloroethylene) 용액을 이용하여 세정 및 탈지, ③ 실온에서 30분 건조, ④ 화염 플라즈마 처리, ⑤ 접착제 처리 후, 실온에서 30분 건조. 접착제는 한국 LORD사의 Chemlok AB를 사용하였다. 피착제의 표면에 대한 접착제 처리는 크게 2가지로 구분하였다.
- 접착특성시험(KS M 6787)의 시험편 크기는 폭이 25.4mm이고 길이는 127mm, 두께는 5.4mm이었고, 피착제에 부착된 고무를 90° 박리를 하였다.
성능/효과
- 1) 화염 플라즈마를 이용한 강의 표면 처리에 있어서 처리 조건에 따라 표면 거칠기의 미세 제어 및 젖음성 개선으로 표면 개질이 가능함을 확인하였다.
- 2) 버너 포트와 피착제 사이의 거리(화염 플라즈마 길이)는 40mm부근에서 가장 높은 하중 값을 보였으며, 길이가 증가하거나 감소할수록 플라즈마 처리의 효과가 낮게 나타났다.
- 3) 버너 포트의 이동 속도(화염 플라즈마 처리속도)는 50m/min에서 가장 높은 하중 값을 보였으며, 50m/min이하에서는 플라즈마의 고온 영향으로 접착제만 처리한 경우 보다 오히려 낮은 값을 보였다.
- 4) 최적조건으로 플라즈마 처리 후 접착제(켐록 AB)를 중복 도포한 강 피착제와 NBR의 접착강도는 접착제만 1회 도포한 경우보다 20.5% 증가하였다.
- 5) 장치가 소형이고 처리속도가 빠르며 유기 용제 등을 사용하지 않은 등의 장점이 있는 화염 플라즈마 장치를 이용하여, 강과 고무 복합재료의 접착 특성 향상이 가능함을 확인했다.
- 따라서 플라즈마 처리 효과가 높지 않은 것으로 보인다. 이번 연구에 사용된 접착제(켐록 AB)는 강과 고무의 접착 등에 광범위하게 쓰이는 것으로, 화염 플라즈마 처리로 플라즈마 처리 전보다 7%의 최대하중이 증가하였다.
- 정접촉각 실험(CAM200-AutoD) 결과 플라즈마를 처리하지 않은 상태(66.6°)에 비해 처리 후가 낮은 값을 보여 세정효과가 있음이 확인되었고, 이를 통한 젖음성 개선으로 접착 효과를 높일 수 있다.
- 3에 나타냈다. 플라즈마 처리속도의 증가에 따라 최대하중 값이 크게 증가하였고, 50m/min에서 가장 높은 최대하중 값을 보였다. 65m/min에서는 감소하였지만 접착제 처리상태(“C”, “CC”)보다 높은 값을 보였다.
- net)을 이용해 전체면적에 대한 에칭된 부분의 비율을 백분율로 나타낸 것이다. 플라즈마를 처리하지 않은 상태(50㎚, 2.44%)에 비해 처리 후가 비교적 높은 값을 보였으며, 처리속도가 늦은 20m/min인 경우(75㎚, 7.97%)가 50m/min인 경우(207㎚, 20.93%)에 비해 오히려 낮은 값을 보였다. 이는 비교적 빠른 속도(50m/min)로 처리하면 표면 거칠기와 에칭률이 상승하지만, 처리속도가 늦게 되면 고온의 영향이 지속되어 미세하게 형성되었던 거칠기가 다시 무너지기 때문인 것으로 사료된다.
- 화염 플라즈마 처리 후(“PC”, “PCC”)가 처리 전(“C”, “CC”) 보다 약 7.0% 정도 접착강도가 증가하였고, 화염 플라즈마 처리 후 켐록의 중복 처리로 인해 접착만 도포한 경우 보다 약 20.5%의 접착강도가 증가함을 알 수 있다.
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