[논문]에폭시 접착제의 경화거동 및 접합강도에 미치는 경화촉매제의 영향

김민수; 김해연; 유세훈; 김종훈; 김준기

doi:10.5781/kwjs.2011.29.4.416

에폭시 접착제의 경화거동 및 접합강도에 미치는 경화촉매제의 영향
Effect of Curing Agent on the Curing Behavior and Joint Strength of Epoxy Adhesive 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.29 no.4, 2011년, pp.54 - 60

김민수 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 김해연 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 유세훈 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 김종훈 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 김준기 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Adhesive bonding is one of the most promising joining methods which may substitute for conventional metallurgical joining processes, such as welding, brazing and soldering. Curing behavior and mechanical properties of adhesive joint are largely dependent on the curing agent including hardener and catalyst. In this study, effects of curing system on the curing behavior and single-lap shear strength of epoxy adhesive joint are investigated. Dihydrazide, anhydride and dicyandiamide(DICY) were chosen as hardener and imidazole and triphenylphosphine(TPP) were chosen as catalyst. In curing behavior, TPP showed the delay of the curing rate for DICY and ADH at $160^{\circ}C$, compared to imidazole catalyst due to the high curing onset/peak temperature. DICY seemed to be most beneficial in the joint strength for both steel and Al adherends, although the type of adherends affected the shear strength of epoxy adhesive joint.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 ADH, MHHPA, DICY의 세 가지 경화제와 2MZ-A, TPP의 두 가지 촉매제를 조합하여 접착제 포뮬레이션을 설계하고 그에 대한 경화거동 및 접합강도에 관하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
자동차 차체 조립공정을 위한 에폭시 접착제 포뮬레이션에 있어서 기본적으로 가사시간(pot life)을 확보할 수 있는 잠재성 경화제로는 다이하이드라지드(dihydrazide), 산무수물(anhydride), 다이시안다이아미드(dicyandiamide) 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 잠재성 경화제와 에폭시 경화반응을 촉진하는 촉매제인 이미다졸(imidazole) 및 트리페닐포스파인(triphenylphosphine)과의 조합이 접착제의 경화거동과 고장력강 및 알루미늄 판재에 대한 접합강도에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.

가설 설정

는 시간 t까지의 누적 발열량이다. 경화반응은 에폭시 중합체(polymer)가 가교반응(cross-link)를 통해 거대 분자를 형성하고, 최종적으로 3차원 가교구조(cross-link network)를 형성하는 과정으로, 경화 반응 시 발생하는 반응열이 에폭시 말단기 소비량에 비례한다는 가정 하에 경화도를 계산하였다¹⁴⁾. 각 포뮬레이션의 시간에 따른 경화도 변화는 Fig.

제안 방법

본 연구에서 제조된 접착제 포뮬레이션을 Table 2에 나타내었다. ADH와 MHHPA의 경화제 첨가량은 에폭시 반응기와 활성수소당량을 각각 1:1과 1:0.8로 하였으며, DICY는 시아노기(-CN)도 경화반응에 참여하는 것을 고려하여 10phr을 첨가하였다¹²⁾.
각 포뮬레이션 별 접합부 파괴거동을 파악하기 위해 파단면을 관찰하였다. Fig.
단일겹치기 전단강도 시험(single-lap shear test)을 통해 접합부 강도를 알아보았다. 시편규격 및 시험조건은 ASTM D-1002를 따랐으며, 접합부 형상은 Fig.
에폭시 접착제의 경화거동은 시차주사열량계(Q20, TA Instruments)를 사용하여 분석하였다. 동적 DSC(dynamic DSC)와 등온 DSC(isothermal DSC) 방법을 통해 온도에 따른 발열량 및 시간에 따른 발열량을 측정하였으며, 질소 분위기에서 수행하였다.
동적 DSC는 온도범위 25~250℃에 대해, 승온속도 10℃/min로 측정하여, 경화시작 온도 및 경화피크 온도와 발열량을 조사하였다. 등온 DSC는 160℃에서 30min간 수행하여, 시간에 따른 발열량을 측정하였으며, 이로부터 누적 발열량을 동적 DSC에서 측정된 발열량으로 나누어 시간에 따른 경화도를 구하였다.
동적 DSC는 온도범위 25~250℃에 대해, 승온속도 10℃/min로 측정하여, 경화시작 온도 및 경화피크 온도와 발열량을 조사하였다. 등온 DSC는 160℃에서 30min간 수행하여, 시간에 따른 발열량을 측정하였으며, 이로부터 누적 발열량을 동적 DSC에서 측정된 발열량으로 나누어 시간에 따른 경화도를 구하였다.
원료성분의 혼합 및 기포제거는 진공 공자전 믹서를 이용하여 수행하였다. 혼합이 완료된 접착제는 실험에 사용되기 전까지 경화반응이 일어나지 않도록 -40℃ 냉동고에 보관하였다.
등온 DSC를 통해 본 연구에서 설계한 모든 경화시스템은 160℃에서 4min 이내에 90% 경화도에 도달하는 것을 알 수 있었다. 이를 토대로 에폭시 접착제가 완전히 경화되어 건전한 접합부를 형성할 수 있도록 하기 위해 단일겹치기 접합부 시편의 경화시간을 20min으로 설정하였다.
피착재의 표면산화층 제거를 위해 강판 및 알루미늄을 각각 연마지 #400, #800을 이용하여 길이방향으로 고르게 연마하였고, 아세톤에 침지하여 10min간 초음파세척을 하였다. 접합부를 형성하기 전 대기 중 노출로 인한 피착재 표면의 산화 및 오염 등의 문제를 최소화하기 위하여, 표면처리 후 30분 이내에 접합부를 형성하도록 하였다.
피착재(adherend)로 440MPa급 일반 냉연강판(SPRC440)과 알루미늄 5052 합금(Al5052) 판재를 사용하였으며, 각각의 기계적 특성을 Table 3에 나타내었다. 피착재의 표면산화층 제거를 위해 강판 및 알루미늄을 각각 연마지 #400, #800을 이용하여 길이방향으로 고르게 연마하였고, 아세톤에 침지하여 10min간 초음파세척을 하였다. 접합부를 형성하기 전 대기 중 노출로 인한 피착재 표면의 산화 및 오염 등의 문제를 최소화하기 위하여, 표면처리 후 30분 이내에 접합부를 형성하도록 하였다.

대상 데이터

에폭시 레진은 DGEBA와 DGEBF를 혼합하여 사용하였으며, 에폭시 당량(equivalent epoxy weight, EEW)은 각각 187, 170g/eq이었다. 에폭시 레진을 비롯한 경화제 및 촉매제의 주요 특성을 Table 1에 나타내었다.
피착재(adherend)로 440MPa급 일반 냉연강판(SPRC440)과 알루미늄 5052 합금(Al5052) 판재를 사용하였으며, 각각의 기계적 특성을 Table 3에 나타내었다. 피착재의 표면산화층 제거를 위해 강판 및 알루미늄을 각각 연마지 #400, #800을 이용하여 길이방향으로 고르게 연마하였고, 아세톤에 침지하여 10min간 초음파세척을 하였다.

데이터처리

3mm/min으로 시험하였다. 전단강도 결과 값의 신뢰성을 위해 각 포뮬레이션에 대해 총 5회 시험하여 평균값을 취하였다.

이론/모형

단일겹치기 전단강도 시험(single-lap shear test)을 통해 접합부 강도를 알아보았다. 시편규격 및 시험조건은 ASTM D-1002를 따랐으며, 접합부 형상은 Fig. 1에 나타내었다. 접합부에 접착제를 고르게 도포한 후, 균일한 크기를 가지는 0.
에폭시 접착제의 경화거동은 시차주사열량계(Q20, TA Instruments)를 사용하여 분석하였다. 동적 DSC(dynamic DSC)와 등온 DSC(isothermal DSC) 방법을 통해 온도에 따른 발열량 및 시간에 따른 발열량을 측정하였으며, 질소 분위기에서 수행하였다.

성능/효과

1) 촉매제 2MZ-A가 TPP보다 경화 반응 촉진이 뛰어나며, 고상 경화제 ADH, DICY의 경우 촉매제 종류에 따라 경화속도가 크게 차이가 발생하였다. 액상 경화제인 MHHPA는 촉매제 종류와 상관없이 비슷한 경화속도를 보였다.
2) 경화제 종류에 따른 접합강도는 DICY > ADH > MHHPA 순으로, 촉매제는 TPP > 2MZ-A 순으로 나타났다.
3) 동일한 접착제 사용 시, 피착재 종류에 따라 발생하는 접합강도 차이는 전단지연 모델에 따라 설명하였으며, 피착재의 탄성계수 × 두께 값이 파단하중에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다.
2MZ-A를 촉매로 사용한 경우 경화제 종류와 상관없이 58sec 전후로 90% 경화도를 보였다. ADH/TPP 및 DICY/TPP 경화시스템의 경우 4min 이내에 90%경화도에 도달하는 것으로 나타났고, MHHPA/TPP 경화시스템의 경우 2MZ-A를 촉매로 사용한 경우와 비슷한 속도로 경화가 진행되는 것으로 나타났다. MHHPA의 경우는 산무수물에 의해 경화가 진행되며, DICY, ADH는 활성수소에 의해 경화가 진행되는데, TPP는 산무수물/에폭시 경화를 촉진시키는데 특히 효과가 있는 것으로 생각된다.
경화제에 따른 접합 강도는 DICY > ADH > MHHPA 순으로 높은 전단강도를 보였으며, 촉매제의 경우 TPP를 첨가한 경우가 2MZ-A의 경우보다 높은 전단강도를 나타내었다.
등온 DSC를 통해 본 연구에서 설계한 모든 경화시스템은 160℃에서 4min 이내에 90% 경화도에 도달하는 것을 알 수 있었다. 이를 토대로 에폭시 접착제가 완전히 경화되어 건전한 접합부를 형성할 수 있도록 하기 위해 단일겹치기 접합부 시편의 경화시간을 20min으로 설정하였다.
모든 포뮬레이션에 대해 강판 접합부가 알루미늄 접합부보다 높은 강도값을 보였다. Fig.
Seo등의 연구 결과에서는 양쪽에 접착부가 남아있는 면적이 많을 수록 높은 접합강도를 보여, 본 연구와 유사한 결과를 보였다¹⁵⁾. 이러한 파단거동은 TPP를 사용한 경우도 동일하게 나타났으며, 촉매제보다 경화제 영향이 더 크다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차체경량화를 위해 어떤 재료들이 사용되는가?	차체의 경량화와 함께 강성 및 내구성을 확보하기 위해 고장력강, 알루미늄, 마그네슘, 섬유강화 복합재료 등의 다양한 재료를 적용하는 연구가 진행되고 있다5-7). 이러한 다양한 재료의 사용에 따라 기존 용접방법으로 접합이 곤란해짐에 따라 이종재료 간 접합이 용이한 접착제의 활용도가 높아지고 있다8,9).
	접착공법은 용접이나 기계적 체결에 비해 어떤 장점을 가지고 있는가?	용접접합기술에 있어서 접착공법(adhesive bonding process)은 용접(welding)이나 기계적 체결(mechanical fastening)에 비해 접합면 전체에 응력이 균일하게 분포하여 접합 및 피로강도가 우수하며, 철 및 비철금속, 고분자, 세라믹 등 다양한 재료에 적용이 가능하다. 또한 접합부 형상의 제약이 적으며 공정자동화가 용이하다는 장점이 있다1).
	에폭시는 어떤 점이 용이한가?	구조용 접착제로 널리 사용되는 에폭시의 경우 경화제 및 첨가제를 조절하여 접합공정 및 접합부성능 요구 사양에 적합하도록 포뮬레이션(formulation) 설계가 용이하다2-3). 이러한 장점들로 인하여 접착공정은 금속학적 접합방법인 용접, 브레이징, 솔더링 등의 대체공법으로 관심이 증대되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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