최신기술Ⅱ-접착

금속과 플라스틱의 접착기술

플라스틱과 금속재료의 이종재료 접합 시에 필요한 접착제와 금속재료의 아크용접에 사용되는 용접재료는 다 같이 접합공정에서 중간 재료로 공급돼 접합부의 강도를 높이는 역할을 한다.

이와 같은 접착제와 용접재료는 접합부의 성능 향상을 위해 합목적적인 고기능의 다양한 재료들이 개발돼 많은 산업분야에서 구조체의 고강도화와 경량화를 달성시키고 있다. 특히 최근 들어 접착제에 의한 접착방법은 엔지니어링 플라스틱이나 GFRP, CFRP와 같은 복합재료와 금속재료의 복합화 수단으로 이용돼 자동차, 항공기, 철도차량, 기계구조물 및 전자기기 등 다양한 구조물의 경량화나 콤팩트화에 큰 공헌을 하고 있다.

본 내용은 지난 2013년부터 1년간에 걸친 일본에서의 금속과 플라스틱의 이종재료 접착 시의 접착제의 동향을 일본용접학회에서 분석한 내용이다. 최근에 개발된 접착제와 접착방법을 소개한 내용으로 우리나라 접착기술 발전에 매우 중요한 자료로 생각된다.

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램에서 발췌한 이 기술자료는 지면상의 이유로 재편집됐음을 숙지바란다.

*자료: 한국과학기술정보연구원 김영식 전문연구위원

금속과 플라스틱의 접착을 어렵게 하는 요인

- 금속

여러 종류의 금속 중 철 및 알루미늄은 비교적 접착이 쉽지만, 동 등의 비철금속, 스테인리스강, 황동 등의 합금류는 접착이 어렵다. 금속 접착이 쉽지 않은 첫 번째 원인은 표면을 덮고 있는 이물질 분자막으로 접착제의 젖음성을 해치기 때문이다. 이에 대한 대안은 연마지에 의한 건식연마, 화학연마 및 전해연마 등으로 제거하는 것이다.

두 번째 원인은 금속과 접착제의 열팽창계수의 차에 기인하는 것으로, 시간이 지난 후에 계면파괴를 일으키는 것이다. 그러므로 접착제는 고탄성의 접착층을 만들어야 함과 동시에 경화수축이나 열팽창계수에 의해 생기는 내부응력을 완화하고 고강도와 고인성이 요구된다.

- 플라스틱

플라스틱 재료의 결합에는 기계적 고정, 열융착, 용제접착, 접착제법이 있다. 이 중에서 기계적 고정은 응력이 한 점에 집중하기 때문에 강도가 낮은 열가소성 플라스틱에는 적용할 수 없으며, 강도가 높은 열경화성 플라스틱이나 엔지니어링 플라스틱에 한정된다.

또한, 열융착은 모든 열가소성 플라스틱에 적용이 가능하며, 동종의 플라스틱 접착에도 적합하다.

마지막으로 용제접착은 용제에 용해되는 모든 플라스틱을 대상으로 한다. 일반적으로 플라스틱과 용제의 극성(SP)값이 가까운 것끼리는 용해되기가 쉽다. 하지만 열가소성 플라스틱의 용제용해성은 극성과 결정성으로, 극성이 낮고 결정성이 높은 플라스틱은 용제접착에 적합하지 않다.

피접착재의 표면처리

피접착재의 표면처리 목적은 표면세정과 표면개질이다. 접착계면의 강도는 반데르발스 힘(Van Der Waals Force)으로 불리는 분자간력과 피접착재 표면의 미세부에 접착제가 스며들어가 발휘되는 앵커(Anchor)효과에 기인하는 부분이 많다.

피접착재와 접착제 사이의 분자 간에 이 힘이 발휘되기 위해서는 두 재료 사이의 거리가 5Å 이하로 되어야 하고 이 결합력은 1~5㎈/mol로 알려져 있다.

- 금속의 표면처리

금속표면의 유지류, 약한 산화피막층을 제거하기 위해 용제탈지나 샌딩(Sanding)이 이용되고, 표면처리액에 의한 에칭효과로 접착강도를 증진한다.

비구조용도의 경우에는 탈지와 필요에 따라 녹제거와 샌딩 정도이지만 구조용의 경우에는 약품처리를 주체로 한 복잡한 표면처리를 한다. 구조접착강도를 필요로 하는 경우에는 화성처리가 요구된다.

- 플라스틱의 표면처리

플라스틱의 표면처리 방법으로는 연마(샌딩), 약품을 이용한 화학처리, 화염처리, 코로나방전처리, 플라즈마처리, 플라이머 코팅처리 등이 있다.

구조용 접착제

구조접착 및 구조용 접착제란 ISO규격으로 정의되어 있다. 구조접착이란 ‘장기간 파괴되지 않고, 그 최대 파괴하중에 비교적 가까운 응력을 가할 수 있는 신뢰성 있는 접착’이며, 구조용 접착제란 ‘신뢰성이 보증된 접착제’로 되어 있다.

구조용 접착제에 관해서는 미국연방규격 MMM-A-132B에 실려 있다. 가장 특징적인 것은 전단강도와 박리강도 두 가지의 고성능을 요구하고 있다.

구조용 접착제의 설계 개념은 종래의 항공기 구조용 접착제에서 보듯이 열경화성 수지와 에라스트머(Erastmer)로 된 복합형의 접착제가 대부분이다.

- 에폭시 수지계 접착제: 이 접착제는 전단강도는 높지만 박리강도나 충격강도가 낮으며, 무극성 재료를 제외하고 각종 재료에 잘 접착되며 실온경화의 설계가 가능하다.

- 우레탄계 구조용 접착제: 이 접착제에는 1액 타입과 2액 타입이 있으며, 특히 플라스틱의 접착에 유용하고 엔지니어링 플라스틱이나 CFRP, GFRP의 접착에 적합하다.

- 제2세대 아크릴계 접착제(SGA: Second Generation Acrylic Adhesives): 특허 문헌 등에서 SGA의 조성을 찾아보면 에라스트머, 아크릴모노머, 경화촉매, 안정제로 되어 있다.

금속과 플라스틱 접착의 실제

- 금속(연강판)과 CFRP의 접착

연강판 표면은 탈지, 세정 후에 샌드 블라스팅하고 에어 세정처리를 한다. CFRP 표면은 표면의 이형재 제거를 위해 탈지, 세정 후에 샌드 블라스팅하고 에어 세정한다. 장기간의 내구성을 필요로 하는 경우에는 금속 및 CFRP표면의 화성처리가 필요한 경우도 있다.

사용되는 접착제는 (1) 구조용 폴리 우레탄계 접착제 (2) 구조용 에폭시 수지계 접착제 (3) 화학반응형 아크릴계 접착제, (4) 오리고머 반웅형 접착제 등이 있다.

한편, 금속(연강판)과 PP(폴리프로필렌)의 접착에는 다음과 같은 종류가 있다.

- PP의 표면처리가 없이 사용할 수 있는 접착제: 변성 실리콘계 접착제, 시아노 아크릴레이트계 접착제＋전용 플라이머(아민계), 반응형 아크릴계 접착제(레독스 촉매계에 의해 경화)

- PP필름의 접착: 열가소성 에라스토머계 접착제, 염소화 PP-아크릴그라후트 중합형 접착제＋경화제

- PP의 표면처리: 코로나방전처리, 프레임(화염)처리 → 이트로처리(프레임처리의 개량), 자외선 조사처리, 플라즈마 처리, 플라이머 처리