[논문]유도가열에 의한 폴리우레탄 핫멜트 접착제의 열적 거동 및 접착특성 연구

전호균; 박현주; 이지은; 이종환; 오상택

doi:10.17702/jai.2018.19.4.167

[국내논문] 유도가열에 의한 폴리우레탄 핫멜트 접착제의 열적 거동 및 접착특성 연구
Study on the Thermal Behavior and Adhesion Properties of Polyurethane Hot Melt Adhesive via Induction Heating 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.19 no.4, 2018년, pp.167 - 172

전호균 (한국신발피혁연구원) , 박현주 (한국신발피혁연구원) , 이지은 (한국신발피혁연구원) , 이종환 (한국신발피혁연구원) , 오상택 (한국신발피혁연구원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 폴리우레탄 핫멜트 접착제를 합성 후, 유도가열에 감응하는 금속 입자를 첨가하여 유도가열 melt형 접착제를 제조하고, 금속입자의 종류 및 크기, 유도가열 조건에 따른 열적 거동 및 접착특성을 연구하였다. 다양한 금속입자 중에서 iron 및 nickel 적용 시, 유도가열 효율이 가장 우수하였으며, 금속 입자의 크기가 작을수록 유도가열 효율이 향상되었다. 또한 접착제의 유도가열 출력 세기가 높고, 접착제 두께가 얇을수록 접착강도가 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a polyurethane hot melt adhesive was synthesized and metal particles sensitive to induction heating were added to produce an induction heating melt adhesive. The thermal behavior and adhesion characteristics of metal particles were investigated according to the kind, size and induction heating conditions. Among the various metal particles, induction heating efficiency was the best when nickel and iron were applied. Induction heating efficiency increased with decreasing metal particle size. In addition, the strength of the induction heating power of the adhesive was high and the adhesive strength was improved as the adhesive thickness was thinner.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Schematic diagram of induction heating setup.
그림 Figure 2. FT-IR spectrum of polyurethane hot melt adhesive.
그림 Figure 3. GPC chromatogram of polyurethane hot melt adhesive.
그림 Figure 4. Heating behavior in terms of metal particle kinds via induction heating.
그림 Figure 5. Heating behavior in terms of metal particle size via induction heating.
표 Table 1. Composition and property of Polyurethane hot melt adhesive
표 Table 2. Heating behavior in terms of metal particle kinds via induction heating
표 Table 3. Heating behavior in terms of metal particle size via induction heating
표 Table 4. Adhesive property by induction heating power
표 Table 5. Adhesive property according to adhesive thickness

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이를 위하여, 열가소성 폴리우레탄 핫멜트 접착제를 제조하고, 유도가열에 감응하는 금속 입자를 혼합하여 유도가열 melt형 접착제를 제조 후, 금속입자의 종류 및 크기에 따른 열적 거동을 확인하고자 한다. 또한 신발 부품 소재로 사용되고 겉창 고무 및 중창 스펀지와의 접착을 통해 실제 유도가열 접착시스템으로의 적용 가능성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 고분자 소재인 접착제에 유도가열기술을 접목함으로써, 국부적인 가열이 가능하고 피착재등의 손실을 최소화 할 수 있고, 재료비와 가공비가 절감될 뿐만 아니라, 공해발생이 적다는 장점을 가진 새로운 접착시스템을 제시하였으며, 그 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
앞서 언급한 바와 같이, 신발산업은 접착제에 의한 조립 산업이며, 작업의 특성상 많은 노동력이 집중되기 때문에 노동환경이 접착제에 의해서 좌우되고, 제조원가에서 인건비가 차지하는 비중이 매우 높다. 본 연구의 목적은 신발생산공정의 획기적인 단축을 위하여, 단시간에 접착제만 선택적으로 가열할 수 있는 신규 접착시스템을 개발하는 것으로, 기존 접착공정 대비 제조공정을 단순화 시킴으로서 생산성 향상, 재료비 절감, 인건비 감축 및 환경오염원 제거 등의 순기능을 창출하는 것이다[5-7].

제안 방법

JASCO사의 fourier transform infrared photospectrometer (FT-IR 430)를 사용하여 측정한 스펙트럼으로부터 폴리우레탄 핫멜트 접착제가 합성되었음을 확인하였으며, 분자량 측정을 위해 GPC(Alliancee2695, Waters)를 이용하였고 칼럼은 Waters StyragelHR3, HR4, HR5E를 연결하였으며 분자량 표준물질로 polystyrene standard를 이용하여 calibration 하였다. 폴리우레탄 접착제 tetrahydrofuran (THF)에 0.
합성된 폴리우레탄 접착제에 iron 입자를 접착제 고형분 대비 20 pt 첨가 후, rheocord를 이용하여 균일하게 혼합시킨 다음, 고무 피착재에 핫멜트 롤러를 이용하여 50 um 두께로 도포하였다. 계속해서 유도가열기 출력세기를 10 kW, 20 kW, 30 kW 조건으로 가변 후 이에 따른 유도가열 접착강도를 확인하였다. 30 kW 조건에서 60초간 유도가열한 경우, 피착재의 표면온도는 접착제가 완전 용융되기에 충분한 165℃를 나타내었으며, 이 때의 접착강도는 2.
금속입자 종류에 따른 유도가열 온도거동 평가에서가장 특성이 우수하였던 iron에 대해서, 입자 크기 별유도가열 온도거동을 확인하였다. 70 um, 150 um, 200um, 300 um의 직경을 가지는 iron에 대해서 유도가열한 결과, fig 5.
유도가열 melt형 폴리우레탄 핫멜트 접착제는 Haakerheocord(model. #9000)를 이용하여 100℃에서 약 30분간 접착제를 용융시킨 후, 금속입자를 서서히 적가하여 약 20분간 추가 혼합하는 방식으로 제조하였다.
접착제 도포를 위해 롤러 형태의 핫멜트 접착제 도포기 (model; KD-110, KDS Technology)를 사용하여, 두께 50 ~ 200 um 로 접착제를 도포하고, 유도가열기 코일 내에 시편을 위치시킨 후 유도가열 한다. 유도가열 종료 후 시편을 꺼내서 압착후, 24시간 방치한 다음, 만능인장시험기 (UTM,Zwick-1435, Zwick)를 이용하여 KS M 3725(접착제의박리강도 시험방법)에 준하여 cross head speed 200mm/min로 3개의 시편을 측정하고 평균값을 결과치로 사용하였다.
유도가열 출력세기에 따른 접착강도를 평가하였다. 합성된 폴리우레탄 접착제에 iron 입자를 접착제 고형분 대비 20 pt 첨가 후, rheocord를 이용하여 균일하게 혼합시킨 다음, 고무 피착재에 핫멜트 롤러를 이용하여 50 um 두께로 도포하였다.
폴리우레탄 핫멜트 접착제의 유도가열은 3회선의 터널형 코일(60 mm × 40 mm × 250 mm)이 장착된 유도가열기(인성중전기(주))를 이용하여, 최대출력 40kW, 정적주파수 430 kHz 조건에서 실시하였다. 유도가열에 따른 접착제의 온도 거동은 광섬유 온도센서(TMI-4, FISO Technologies Inc, Quebec, QC, Canada)를 사용하여, 접착제 도포면에 센서를 부착 후, 폴리이미드 필름을 이용하여 수회 감아서 고정시켜 평가하였다.
본 연구는 기존 유도가열 기술이 금속 부품에 국한되어 있던 것과 달리, 고분자 소재인 접착제에 적용하여 유도가열 함으로써, 원하는 때, 원하는 특정 부위만을 가열, 용융시킬 수 있어 열 손상이 심한 소재로 구성된 신발 부품의 접착에 매우 적합한 가열기술이며 부품에 접착제를 처리한 상태로 적재가 가능하여 생산, 물류 시스템을 획기적으로 개선 시킬 수 있다. 이를 위하여, 열가소성 폴리우레탄 핫멜트 접착제를 제조하고, 유도가열에 감응하는 금속 입자를 혼합하여 유도가열 melt형 접착제를 제조 후, 금속입자의 종류 및 크기에 따른 열적 거동을 확인하고자 한다. 또한 신발 부품 소재로 사용되고 겉창 고무 및 중창 스펀지와의 접착을 통해 실제 유도가열 접착시스템으로의 적용 가능성을 검토하고자 하였다.
유도가열 접착시스템을 통한 신발 부품 소재의 접착특성을 확인하기 위하여, 겉창 부품으로 사용되고 있는 범용고무(model; BRS-1000, 아시안켐)와 중창 부품인 EVA foam(동일신소재)을 길이 10 mm, 폭 20 mm로 제작하여 접착하였다. 접착제 도포를 위해 롤러 형태의 핫멜트 접착제 도포기 (model; KD-110, KDS Technology)를 사용하여, 두께 50 ~ 200 um 로 접착제를 도포하고, 유도가열기 코일 내에 시편을 위치시킨 후 유도가열 한다. 유도가열 종료 후 시편을 꺼내서 압착후, 24시간 방치한 다음, 만능인장시험기 (UTM,Zwick-1435, Zwick)를 이용하여 KS M 3725(접착제의박리강도 시험방법)에 준하여 cross head speed 200mm/min로 3개의 시편을 측정하고 평균값을 결과치로 사용하였다.
JASCO사의 fourier transform infrared photospectrometer (FT-IR 430)를 사용하여 측정한 스펙트럼으로부터 폴리우레탄 핫멜트 접착제가 합성되었음을 확인하였으며, 분자량 측정을 위해 GPC(Alliancee2695, Waters)를 이용하였고 칼럼은 Waters StyragelHR3, HR4, HR5E를 연결하였으며 분자량 표준물질로 polystyrene standard를 이용하여 calibration 하였다. 폴리우레탄 접착제 tetrahydrofuran (THF)에 0.1 wt%로 용해시키고 마이크로 필터(0.45 ㎛)로 여과 후 1 ml/min의 속도로 주입하여 측정하였다.
폴리우레탄 핫멜트 접착제 합성은 –NCO기를 말단으로 가지는 프리폴리머를 1차로 제조하고, 80 ℃ 조건에서 후가공하여 –NCO기가 완전히 소멸되면 반응을종료시키는 2-step으로 진행하였다.
폴리우레탄 핫멜트 접착제의 도포두께에 따른 유도가열 접착강도를 평가하였다. 이전과 동일한 방법으로 접착제를 도포하되, 두께를 50 um, 100 um, 150 um, 200 um로 조절한 다음, 출력 세기 30 kW 조건으로 유도가열한 결과, 접착제 두께가 얇을수록 오히려 접착강도가 우수하게 나타났다.
폴리우레탄 핫멜트 접착제의 유도가열은 3회선의 터널형 코일(60 mm × 40 mm × 250 mm)이 장착된 유도가열기(인성중전기(주))를 이용하여, 최대출력 40kW, 정적주파수 430 kHz 조건에서 실시하였다.

대상 데이터

), 쇄연장제로 1,4-butanediol(삼전순약공업)을 사용하였다. 금속입자로는 iron (70 um, 150 um, 200 um, 300 um, 신우베스틸), nickel(70 um, 그린리소스), aluminium(50 um, 그린리소스), copper (100 um, 그린리소스), ferrite(10 ~ 30um)를 사용하였다.
본 연구에서는 폴리우레탄 핫멜트 접착제 합성을 위해 폴리올 성분으로 polyester polyol(Mw = 2000 g/mol,(주)대원포리머), 이소시아네이트로 4,4’-methylenebis(phenylisocyanate)(Tokyo chemical industry Chem.), 쇄연장제로 1,4-butanediol(삼전순약공업)을 사용하였다.
유도가열 접착시스템을 통한 신발 부품 소재의 접착특성을 확인하기 위하여, 겉창 부품으로 사용되고 있는 범용고무(model; BRS-1000, 아시안켐)와 중창 부품인 EVA foam(동일신소재)을 길이 10 mm, 폭 20 mm로 제작하여 접착하였다. 접착제 도포를 위해 롤러 형태의 핫멜트 접착제 도포기 (model; KD-110, KDS Technology)를 사용하여, 두께 50 ~ 200 um 로 접착제를 도포하고, 유도가열기 코일 내에 시편을 위치시킨 후 유도가열 한다.

성능/효과

3350 cm-1에서 우레탄의 –N-H기(stretching vibration peak), 1731 cm-1에서 우레탄의 C=O기(stretcthing peak), 1464 cm-1에서 –우레탄의 CH2기(stretching peak)에서 나타나는 특성 피크 들을 확인할 수 있었다.
금속입자의 종류에 따른 유도가열 온도거동을 확인한 결과, 온도상승률은 iron 및 nickel이 가장 우수하였으며, copper, ferrite, aluminium은 상대적으로 유도가열효율이 미흡하였다. Iron 입자 크기 별 유도가열 온도거동을 확인한 결과, 입자의 크기가 작아질수록 히스테리스 손실률이 증가하게 되고, 이로 인해 유도가열온도 증가률이 높게 나타났다.
금속입자의 종류에 따른 유도가열 온도거동을 확인한 결과, 온도상승률은 iron ≒ nickel >> copper >ferrite > aluminium 순으로 나타났다.
금속입자의 종류에 따른 유도가열 온도거동을 확인한 결과, 온도상승률은 iron 및 nickel이 가장 우수하였으며, copper, ferrite, aluminium은 상대적으로 유도가열효율이 미흡하였다. Iron 입자 크기 별 유도가열 온도거동을 확인한 결과, 입자의 크기가 작아질수록 히스테리스 손실률이 증가하게 되고, 이로 인해 유도가열온도 증가률이 높게 나타났다.
또한 2270 cm-1에서 –NCO 피크가 완전히 소멸되어 반응이 종료됨을 확인할 수 있었다.
합성된 폴리우레탄 접착제에 iron 입자를 첨가하여 제조된 유도가열 melt형 폴리우레탄 핫멜트 접착제의 접착특성을 평가한 결과, 유도가열기 출력세기가 증가할수록 접착제의 용융이 균일하게 발생함에 따라 접착강도가 증가하였다. 또한 접착제의 도포두께에 따른 유도가열 접착강도를 평가한 결과, 도포두께 100 um까지는 접착강도가 양호한 반면, 150 um 이상에서는 접착제가 균일하게 용융되지 못하여 접착강도가 충분히 발현되지 못한 것으로 판단된다.
본 연구는 기존 유도가열 기술이 금속 부품에 국한되어 있던 것과 달리, 고분자 소재인 접착제에 적용하여 유도가열 함으로써, 원하는 때, 원하는 특정 부위만을 가열, 용융시킬 수 있어 열 손상이 심한 소재로 구성된 신발 부품의 접착에 매우 적합한 가열기술이며 부품에 접착제를 처리한 상태로 적재가 가능하여 생산, 물류 시스템을 획기적으로 개선 시킬 수 있다. 이를 위하여, 열가소성 폴리우레탄 핫멜트 접착제를 제조하고, 유도가열에 감응하는 금속 입자를 혼합하여 유도가열 melt형 접착제를 제조 후, 금속입자의 종류 및 크기에 따른 열적 거동을 확인하고자 한다.
폴리우레탄 핫멜트 접착제의 도포두께에 따른 유도가열 접착강도를 평가하였다. 이전과 동일한 방법으로 접착제를 도포하되, 두께를 50 um, 100 um, 150 um, 200 um로 조절한 다음, 출력 세기 30 kW 조건으로 유도가열한 결과, 접착제 두께가 얇을수록 오히려 접착강도가 우수하게 나타났다. 접착제 도포두께에 따른 유도가열 melt형 폴리우레탄 핫멜트 접착제의 접착특성을 table 5.
에 나타내었다. 접착제 도포두께 100 um에서는 2.6 kgf/cm의 양호한 접착강도를 나타낸 반면, 200 um 에서는 접착제가 균일하게 용융되지 못하여 접착강도 1.9 kgf/cm로 감소함을 확인하였다.
이를 통해 출력세기가 증가할수록 접착강도가 우수해짐을 알 수 있었다. 즉, 10kW 조건에서는 피착재 전면적에 걸쳐 접착제가 균일하게 용융되지 못하여 접착강도가 미흡하게 나타났으며, 30 kW 조건에서는 접착제가 충분히 용융되고 피착재에 완벽히 습윤됨으로 인해, 접착강도가 우수하게 나타난 것으로 판단된다.
합성된 폴리우레탄 접착제에 iron 입자를 첨가하여 제조된 유도가열 melt형 폴리우레탄 핫멜트 접착제의 접착특성을 평가한 결과, 유도가열기 출력세기가 증가할수록 접착제의 용융이 균일하게 발생함에 따라 접착강도가 증가하였다. 또한 접착제의 도포두께에 따른 유도가열 접착강도를 평가한 결과, 도포두께 100 um까지는 접착강도가 양호한 반면, 150 um 이상에서는 접착제가 균일하게 용융되지 못하여 접착강도가 충분히 발현되지 못한 것으로 판단된다.
또한 2270 cm-1에서 –NCO 피크가 완전히 소멸되어 반응이 종료됨을 확인할 수 있었다.합성된 폴리우레탄 핫멜트 접착제의 용융거동을 확인하기 위하여, melt flow index(용융흐름지수측정기, Hanatek)를 측정한 결과, 250 g / 10 min(150 ℃, 2.16kgf)을 나타내었으며, 수평균분자량은 21700 g/mol 이었다.

후속연구

금속입자의 종류에 따른 유도가열 온도거동을 확인한 결과, 온도상승률은 iron ≒ nickel >> copper >ferrite > aluminium 순으로 나타났다. 특히 iron 및 nickel은 유도가열 1분 이후에 접착제의 완전 용융이 가능한 150 ℃ 이상의 온도에 도달하는 것으로 보아유도가열 접착시스템에 적용 가능할 것으로 판단되었다. 반면, copper, ferrite, aluminium은 약 10분간 유도가열 시에도 접착제의 용융온도에 도달하지 못하여 향후적용이 어려울 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도가열의 활용 분야는 어떠한가?	이로 인해 소재 내부에서 전자의 흐름이 발생함으로서, 와전류(eddy current; 맴돌이 전류)가생성되고, 이러한 와전류가 전자의 흐름을 방해하려는 저항과 만나, 주울열(Joule's heat)이 발생하게 되어 소재를 가열하는 원리이다. 유도가열은 산업 전 분야에 걸쳐, 열처리, 경납땜, 용해, 용접, 가열 등의 목적으로 다양하게 응용되고 있으나, 현재까지는 금속 부품에 대한 직접적인 가열 및 성형 목적으로만 적용되고 있다[8-10].
	유도가열이란 무엇인가?	이러한 측면에서 유도가열을 이용한 새로운 접착시스템은 매우 매력적인 방법이다. 일반적으로 유도가열은 전자기유도 원리를 이용하여 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 가열하는 방법이다. 동과 같은 코일에 전류를 흘리게 되면 코일의 내부와 주위에 자속(magnetic flux; 변화하는 자기장)이 형성되며, 가열하고자 하는 소재를 자속 내부에 위치시키면 소재에 전압이 유도된다.
	소재 내부에서 전자의 흐름이 발생하는 이유는 무엇인가?	일반적으로 유도가열은 전자기유도 원리를 이용하여 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 가열하는 방법이다. 동과 같은 코일에 전류를 흘리게 되면 코일의 내부와 주위에 자속(magnetic flux; 변화하는 자기장)이 형성되며, 가열하고자 하는 소재를 자속 내부에 위치시키면 소재에 전압이 유도된다. 이로 인해 소재 내부에서 전자의 흐름이 발생함으로서, 와전류(eddy current; 맴돌이 전류)가생성되고, 이러한 와전류가 전자의 흐름을 방해하려는 저항과 만나, 주울열(Joule's heat)이 발생하게 되어 소재를 가열하는 원리이다.

참고문헌 (12)

Ine kim, Ji Soo Ha, J. Korean Society of Fashion Design, 12, 1, 93,(2012).
Ji Hoo Kim, Gue Hyun Kim, J. Elastomers and Composites, 48, 3, 195,(2013).

원문보기 상세보기
D. H. Park, D. H. Moon, C. U. Lee, J. Asssoc. Korean Ind. 1, 200,(1991).
J. S. Shin, J. M. Park, Y. H. Lee, H. D. Kim, J. Clean Tech. 20, 232,(2014).

원문보기 상세보기
D. H. Shao, J. J. Huang, G. N. Chen, K. N. Chen, Polym. Degrad. Stab., 65, 359,(1999).

상세보기
B. K. Kim, D. S. Lee, C. H. Do, H. M. Jeong, Polyurethanes, 1, 329,(2006)
K. J. Ryu, C. Y. Park, J. Environmental Science International, 23, 1909,(2011).
Bayerl, T., Duhovic, M., Mitschang, P., Bhattacharyya, D., Compos: Part A. 57, 27,(2014).

상세보기
Buckley, J. D., Fox, R. L., and Tyeryar, J. R., Mater. Res. Soc. Symp. 124, 317,(1988).

상세보기
D. H. Bae, M. J. Moon, M. Y. Shon, S. T. Oh, G. N. Kim, D. W. Yun, J. Adhesion, (2016)
Suwanwatana. W, Yarlagadda. S, Gillespie. J. Compos Sci Technol. 66, 282, (2006)
Babincova, M.; Leszczynska, D.; Sourivong, P. J. Magn. Mater. 109, 225, (2001)

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증