[국내논문]금속유물 코팅제와 Cyanoacrylate 접착제의 반응속도 및 원인분석: 초기접착속도를 중심으로 A Study on the Reaction Rate and Cause Analysis of Cyanoacrylate Adhesives According to the Coating Mixtures for Metal Artifacts원문보기
금속유물 보존처리시 유물 상태, 재질 및 환경 등 보존처리자의 판단에 따라서 다양한 코팅제를 사용하게 된다. 코팅제 종류 및 용제에 따라서 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도에 차이를 나타내므로 보존처리 효율성과 연관이 있다. 본 연구에서는 코팅제 종류와 용제에 따라 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도에 미치는 영향과 원인에 대해 알아보았다. 그 결과, 표면의 거칠기가 편평할수록 접착제의 젖음성이 향상되어 빠른 접착이 이루어졌다. 또한 V-Flon의 C-F, C-O-C 흡수 피크와 코팅제의 분자량과 유리전이온도는 초기접착속도에 영향을 미치는 요인으로 크게 작용하였다. 이와 같은 표면 화학적 분석 결과를 토대로 초기접착속도를 측정한 결과 접착제의 종류 및 점도에 따른 상대적 차이는 있으나 모든 접착제에서 V-Flon > Paraloid B-72(inxylene) > Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72(in acetone)순으로 초기접착속도를 확인하였다.
금속유물 보존처리시 유물 상태, 재질 및 환경 등 보존처리자의 판단에 따라서 다양한 코팅제를 사용하게 된다. 코팅제 종류 및 용제에 따라서 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도에 차이를 나타내므로 보존처리 효율성과 연관이 있다. 본 연구에서는 코팅제 종류와 용제에 따라 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도에 미치는 영향과 원인에 대해 알아보았다. 그 결과, 표면의 거칠기가 편평할수록 접착제의 젖음성이 향상되어 빠른 접착이 이루어졌다. 또한 V-Flon의 C-F, C-O-C 흡수 피크와 코팅제의 분자량과 유리전이온도는 초기접착속도에 영향을 미치는 요인으로 크게 작용하였다. 이와 같은 표면 화학적 분석 결과를 토대로 초기접착속도를 측정한 결과 접착제의 종류 및 점도에 따른 상대적 차이는 있으나 모든 접착제에서 V-Flon > Paraloid B-72(in xylene) > Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72(in acetone)순으로 초기접착속도를 확인하였다.
When metal artifacts have to undergo conservation treatment, the person in charge of the treatment selects and uses various coating mixtures based on his judgment regarding their condition, material, or environment. Since the kinds of coating mixtures or solvents make a difference in the set time of...
When metal artifacts have to undergo conservation treatment, the person in charge of the treatment selects and uses various coating mixtures based on his judgment regarding their condition, material, or environment. Since the kinds of coating mixtures or solvents make a difference in the set time of cyanoacrylate adhesives, they have something to do with the efficiency of the conservation treatment. This study examines the effects and causes that affect the set time of cyanoacrylate adhesives according to the kinds of coating mixtures and solvents and suggests ways to increase the set time. As a result, it is thought that as the surface roughness gets flatter, the wettability of adhesive is improved further, which increases the set time. Moreover, the C-F binding of V-Flon, C-O-C absorption peak, molecular weight of the coating mixtures, and glass transition temperature (Tg) were the factors that significantly affected the set time. According to the result of measuring the set time based on the result of superficial and chemical analysis, relative difference was shown according to the kind and viscosity of adhesive, but all the adhesives indicated the following order of the set time: V-Flon > Paraloid B-72 (in xylene) > Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72 (in acetone).
When metal artifacts have to undergo conservation treatment, the person in charge of the treatment selects and uses various coating mixtures based on his judgment regarding their condition, material, or environment. Since the kinds of coating mixtures or solvents make a difference in the set time of cyanoacrylate adhesives, they have something to do with the efficiency of the conservation treatment. This study examines the effects and causes that affect the set time of cyanoacrylate adhesives according to the kinds of coating mixtures and solvents and suggests ways to increase the set time. As a result, it is thought that as the surface roughness gets flatter, the wettability of adhesive is improved further, which increases the set time. Moreover, the C-F binding of V-Flon, C-O-C absorption peak, molecular weight of the coating mixtures, and glass transition temperature (Tg) were the factors that significantly affected the set time. According to the result of measuring the set time based on the result of superficial and chemical analysis, relative difference was shown according to the kind and viscosity of adhesive, but all the adhesives indicated the following order of the set time: V-Flon > Paraloid B-72 (in xylene) > Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72 (in acetone).
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문제 정의
이 같이 민감한 상황에서는 접착시간에 따라 인위적으로 고정·경화시키는 시간도 늘어나게 되기에 오접착의 가능성과 취약부분의 박락 및 탈락의 위험성을 불러 올 수 있으므로 보존처리 효율성과 연관이 있다. 따라서 다양한 보존처리 상황에서 적절한 코팅제 및 접착제 선택을 목적으로 코팅제의 표면 분석과 화학적 조성을 통한 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도 차이와 그 원인을 알아보았다.
본 연구에서는 코팅 피막이 형성된 금속유물과 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도를 알아보기 위하여 다음과 같은 시편을 준비하였다. 초기접착속도, 접촉각 측정용 피착제는 100×250×1.
따라서 본 연구에서는 코팅제의 표면 분석과 화학적 조성을 통한 초기접착속도 차이와 그 원인을 밝혔다.
본 연구에서는 다양한 보존처리 상황에서 적절한 접착속도를 판단하여 선택적인 코팅제 선정에 목적을 두고 연구를 실시하였다. 그 결과 코팅제 종류 및 용제에 따른 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도 차이와 원인을 밝혔다.
제안 방법
이번 연구에서는 이들 중 금속유물 보존처리시 사용되는 cyanoacrylate 접착제인 Henkel 사의 Loctite 401®, (주)한국알테코사의 AXIA 031 Gold(EE type)®와 AXIA 254 (CN-4)®, 플라스틱 고무용으로 시판되고 있는 Loctite 406®을 비교·분석하였다.
성분분석용(AFM, FT-IR) 피착제는 10×10×1.6㎜의 크기로 시편을 제작한 후 초기접착속도 측정용 피착제와 동일한 방법으로 연마 후 코팅·건조 과정을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 10wt%를 선정하여 20±4℃, RH 40±10%의 환경에서 함침한 후 48시간 이상 자연건조 하였다.
표면연마가 끝난 피착제는 acetone으로 수 회 세척 후 자연건조하였으며, 다시 acetone으로 60분간 초음파 세척을 실시하였다. 세척 후 표면의 잔여 오염물을 Kimwipes로 제거하였으며, 진공건조기에서 -76㎝Hg, 110℃의 건조과정을 거쳤다.
접착에 있어서 피착제 표면개질은 요철에 의한 기계적 맞물림과 접착제의 습윤성 즉 접착면적과 큰 상호관계에 있으므로 피착제 표면의 미세구조를 원자 현미경 (이하 AFM : Atomic Force Microscopy)으로 관찰하였다.
본 연구에서는 PSIA사의 XE-100을 사용하여 코팅된 피착제 표면을 contact mode로 측정하였다. 측정범위는 256×256pxl, scan size는 5㎛, scan rate는 1㎐이다.
따라서 본 연구에서는 20±4℃, RH 40±10%의 환경에서 피착제의 접합계면에 Loctite 401® , Loctite 406® , AXIA 031 Gold(EE)® , AXIA 254(CN-4)® 로 각각 접착한 후 (주)한국 알테코의 Set Time Tester로 초기 접착 속도를 3회 측정하여 평균값을 적용하였다.
접착에 있어서 피착제의 표면 개질만으로 접착 현상을 설명 할 수 있는 예는 매우 적으며 다른 접착 메커니즘과 복합적으로 작용하여야한다. 따라서 피착제 표면의 화학적 구조와 표면 관능기의 분석을 위해 FT-IR/ATR을 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 강화․코팅제 종류에 따른 cyanoacrylate 접착제의 초기접착속도(Set Time)를 측정하였다. 초기 접착속도 측정은 피착제에 접착제 약 0.
대상 데이터
본 연구의 실험 재료인 cyanoacrylate 접착제는 1970년대 유리의 접착제로 제안되었으며, 에폭시 수지를 사용하기 전 임시 고정용으로 사용되었다. 현재도 편리성과 효율성 면에서 활용도가 높아 도자기, 금속, 유리 등 많은 분야에 사용된다.
초기접착속도, 접촉각 측정용 피착제는 100×250×1.6㎜ 크기의 철판을 제작하였다.
또한 프리즘과 접촉하는 면에 따라 각기 다른 스펙트럼의 측정이 가능하므로 특정물질의 분포를 분석할 수 있다.12 본 연구에서 Bruker사의 Alpha를 사용하였으며, 분석 조건은 ZnSe window ATR과 해상도 4㎝-1, 스캔시간 20(15sec), 파수범위 4000 ~ 400㎝-1로 하였다.
AFM으로 관찰한 피착제 표면의 미세구조를 가로․ 세로 5㎛, 높이(코팅면의 두께)는 ㎚ 단위로 표시하여 Figure 2에 나타내었다. 미세구조 관찰 결과는 sand paper 100번으로 연마하여 생긴 자국을 피하여 가운데 부분을 결과 기준으로 선정하였다. Figure 2에서 보는 바와 같이 V-Flon < Paraloid B-72(in xylene) < Paraloid NAD-10< Paraloid B-72(in acetone) 순으로 표면 거칠기가 증가 하였다.
코팅처리는 Table 2에서 보는 것과 같이 금속유물 보존처리시 일반적으로 사용하는 Rohm&Haas사의 Paraloid B-72(in xylene), Paraloid B-72(in acetone), Paraloid NAD10(in naphtha), 대일본도료사의 V-Flon(in YK-D80) 4가지 비교 군을 선정하였다.
이론/모형
를 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다. 접촉각 측정은 KSV instrument사의 CAM 200을 사용하였으며, 접촉각 측정 시에 adhesional 및 spreading wetting 등의 젖음 현상과 중력 작용, 시간 변화에 따라 접촉각이 변화하기 때문에 Automatic micro-syringe를 사용하였다. 접착제의 양은 5㎕로 고정하여 표면에 적하시켰고, 5sec 이내에 측정 하였다.
성능/효과
접착제의 표면장력이 피착제의 표면장력보다 낮을 경우에 잘 젖게 되어 낮은 접촉각이 나타나는데 본 연구에서 측정한 모든 접착제는 V-Flon > Paraloid B-72(in xylene)> Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72(in acetone)순으로 젖음성이 확인되었다.
작용기에 의한 화학 결합이 초기접착속도에 영향을 미칠 것으로 판단하였으나 FT-IR/ATR 분석결과 접착력에 영향을 미칠 정도의 극성기가 극히 낮게 나타나 초기 접착속도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 사료된다. 또한 초기접착속도에 영향을 미치는 O-H 흡수피크와 산기 (acid radical)를 3000 ~ 3500㎝-1 부근에서 거의 확인 할수 없었다.
코팅제 종류 및 용제에 따른 초기접착속도 측정 결과 V-Flon> Paraloid B-72(in xylene) > Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72(in acetone)순으로 확인되었다.
또한 우상욱(2004)14, 박수진(2003)15 등은 「Oxyfluorination에 의한 저밀도 Polyethylene Film의 표면개질 및 표면특성분석」, 「불소 혼합가스로 처리된 LDPE 필름의 접착특성」에서 C-F 결합뿐만 아니라 C-O-C의 산소 함유 관능기 등은 극성기를 형성하여 피착제 표면의 높은 표면에너지를 형성하는 것으로 보고 있다. 이러한 결과로 보아 V-Flon의 C-F, C-O-C의 산소 함유 관능기가 접촉각을 낮게 해주는 것으로 판단된다.
첫째, 모든 접착제에서 V-Flon > Paraloid B-72(in xylene)> Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72(in acetone)순으로 젖음성과 flat한 표면개질을 형성하여 초기접착속도에 영향을 미쳤다.
빠른 초기 접착 속도를 얻기 위해서는 표면의 거칠기가 편평할수록 접착제의 젖음성이 향상되어 접착이 빨리 진행되는 것으로 판단된다. 둘째, Paraloid B-72의 경우 용제의 종류에 따라 표면개질이 다르게 형성되어 초기접착속도에 차이가 있음을 확인하였다.
셋째, V-Flon의 경우는 C-F 결합, C-O-C의 산소 함유 관능기 등이 피착제에 높은 표면에너지를 형성하여 초기 접착속도를 앞당긴 것으로 확인하였다. 또한 분자량과 유리전이온도가 초기접착속도에 크게 영향을 미치는 요인으로 작용하였다.
넷째, 표면·화학적 분석 결과를 바탕으로 초기접착 속도를 확인한 결과 접착제의 종류 및 점도에 따른 상대적 차이는 있으나 모든 접착제에서 V-Flon > Paraloid B72(in xylene) > Paraloid NAD-10 > Paraloid B-72(in acetone) 순으로 초기접착속도를 확인하였다.
후속연구
초기접착력은 접착제가 피착제에 단 시간에 젖는 능력이며, 이것을 단시간 내에 분리하는데 필요한 힘으로 측정되는 것이 초기접착속도이다. 초기접착속도는 접착제 표면이 다른 물질과 접촉하는 과정에서 발생하는 화학적, 물리적 성질이 복합되어 나타나기 때문에 접착제와 피착물의 조성과 관계된 결합형태, 접착제의 기본적인 화학적, 물리적 성질 및 실제 응용에 있어 접착제의 기능을 파악, 예측할 수 있는 정보를 제공해 준다. 5
향후 초기접착속도를 앞당기고 유기용제와 전처리제 도포에 따른 강도 유지와 황변 연구의 필요성이 요구되며, 다양한 코팅제 종류 및 용제별 초기접착속도 차이의 연구가 추가적으로 이루어져야겠다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
접합은 어떤 방법이며, 언제 실시하나요?
접합은 문화재의 형태를 원상태로 복원하는 가장 기초적인 방법으로 금속유물이 부식이나 외부의 충격으로 원형이 파손되었을 때 실시하게 된다. 보존처리에 있어 올바른 접착은 강한 접착력을 통한 접합이 아닌 적절한 접착력과 필요시 제거 및 용해가 가능한 가역성 있는 접착이다.
Cyanoacrylate 접착제는 어떤 접착제인가요?
Cyanoacrylate 접착제는 아크릴 수지의 한 종류로 cyanoacrylic acid esters monomer를 주성분으로 하는 접착제이다. 이 접착제의 가장 큰 특징은 극히 단시간 내에 접착제가 재료표면상에 흘러 퍼지고 흡착․확산․침투 되면서 접착제가 반응하여 고화하는 접착과정을 통해 순식간에 접착 되도록 하는 것이다.
cyanoacrylate 접착제는 현재 어떤 분야에 많이 사용 되며, 어떤 단점이 있나요?
본 연구의 실험 재료인 cyanoacrylate 접착제는 1970년대 유리의 접착제로 제안되었으며, 에폭시 수지를 사용하기 전 임시 고정용으로 사용되었다. 현재도 편리성과 효율성 면에서 활용도가 높아 도자기, 금속, 유리 등많은 분야에 사용된다. 하지만 유리 표면의 알칼리 환경에서 분해되며, 접착 강도가 너무 강하다는 단점과 보존과학에 적용된 시기가 짧아1,2 상대적으로 긴 시간 동안 사용되어 온 Epoxy, Acrylic 접착제 등에 비하여 관련 연구는 미진하였다.
참고문헌 (16)
H. wilks, "Adhesives and coating, Science for Conservators Book 3". Published by the Craft council, p110, (1992).
C.V. Horie, "Materials for Conservation". Butterworths, p103-112, p103-112, (1987).
박명철, "고분자 유화제가 아크릴 에멀젼 점착제의 접착물성에 미치는 영향 ". 동국대학교 석사학위논문, p4-5, (2002).
Stephen, P. Koob, "The use of Paraloid B-72 as an adhesive : its application for archaeological ceramics and other materials". Studies in Conservation, 31, p7, (1986).
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