구조용 접착제의 선정과 사용
구조용 접착제의 선정과 사용
  • 냉동공조저널
  • 승인 2019.11.05 14:08
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구조용 접착제의 선정과 사용

자료제공 : 한국쓰리엠

 

여기에 엔지니어가 접착제를 선정하는 데에 알아야 할 꼭 필요한 정보를 담고 있습니다.

구조용 접착제가 다양한 접착 작업에 사용이 되는 데에는 여러 이유가 있습니다. 드릴 작업으로 홀을 뚫는 기계적 결합(mechanical fasteners)이나 열을 주는 열 접착(thermal bonding)과 달리, 구조용 접착제는 붙이고자 하는 소재에 손상을 가하지 않으며 접착을 할 수 있습니다. 또한 이는 갈바닉 부식(galvan�ic corrosion) 없이 이종의 소재를 접합하며, 외부 응력을 국부적인 곳에 집중시키지 않고 전체 접착면에 분산시켜 결론적으로 접착부위의 피로 저항성(fatigue resistance)을 향상시킵니다. 그리고 구조용 접착제는 접합 공정 후 표면 재 손질 작업과 돌출부가 필요 없어 외관적으로 깔끔하며, 이는 제품을 심미적으로 더욱 돋보이게 할 수 있습니다.

구조용 접착제는 기계적 결합, 열 접착과 달리 미관상의 손상을 최소화하며 각 부품의 결합을 가능케 합니다.

구조용 접착제는 최고의 내하력(load bear�ing capability)을 가진 접착제의 한 유형으로 뛰어난 내환경성, 내화학성을 가지고 있습니다. 이는 비가역적인 반응을 통해 경화가 이루어지며, 이를 통해 뛰어난 내열성과 내용제성을 보여줍니다. 또한 이는 일액형 실리콘 혹은 일액형 폴리우레탄과 같이 경화를 위해 습기를 필요로 하지 않습니다. 사실 구조용 접착제는 너무나 다양한 특징을 가지며, 다른 접착제와 달리 사용함에 있어 덜 직감적이며 제조 공정에 의해 제품 선정이 큰 영향을 받기도 하여, 엔지니어가 구조용 접착제를 선정함에 있어 어려움을 겪는 것은 어쩌면 당연한 것으로 보이기도 합니다. 이런 이유로 여기에 엔지니어가 구조용 접착제를 선정하고 제조 공정에서 어떻게 사용하는지에 대한 몇가지 조언을 드리고자 합니다.

구조용 접착제 선정

접착제 공급자의 기술 지원 엔지니어 혹은 외부 전문가와의 미팅을 통해 구조용 접착제 선정에 대한 통찰을 얻을 수 있습니다. 그러나 많은 경우 접착제 사용에 대한 사전 결정이 이미 내려져 있거나 혹은 외부와 협의하기에 너무 민감한 주제인 관계로 해당 프로젝트에 속해 있지 않는 외부 사람과의 협의에 제한이 있을 수 있습니다. 이런 경우를 위해 구조용 접착제를 선정하기 위한 기본적이지만 주요한 원칙을 소개하고자 합니다.

구조용 접착제는 사용되는 용도의 요구 조건과 제조 공정의 요청사항에 따라 추천되어야 한다는 것입니다. 일단 이 부분이 선행되고 난 후, 다음으로 진행할 사항은 이러한 요구조건을 충족하는 가장 경제적으로 효율적인 접착제를 선정하는 것입니다. 아래에 이 요구 조건을 규정할 시에 고려해야할 부분을 정리해 보았습니다.

 

접착제는 종류에 따른 다양한 수준의 내하력을 가지고 있으며, 일반적으로 에폭시계 접착제가 가장 우수한 내하력을 보입니다. 위 그래프는 내하력을 기준으로 접착제의 종류를 구분 지었습니다.

•작동 환경(Operational Conditions)

- 온도: 얼마나 뜨거운 곳 혹은 차가운 곳에 노출되는지

- 습도: 접착제 사용 부위가 비 혹은 염수에 노출되는

- 자외선 노출: 접착제 사용 부위가 태양에 노출되는지/자외선이 접착 소재를 통과해 접착제에 닿을 수 있는지

•내화학성(Chemical Resistance)

- 접착제 사용 부위가 어떤 유체(fluids)에 닿는지

- 접착제 사용 부위가 세제, 산, 염기에 지속적으로 노출되는지

- 특정 화학물과 지속적 혹은 간헐적으로 노출되는지

•환경적인 이슈(Environmental Issues)

- 유해성, 폐기와 관련된 환경 규제가 있는지/식품용 기구 및 용기 포장 혹은 의료용 기기에 사용되는지

- 전자 제품, 광학용품과 같이 아웃개싱(outgassing), 이온화(ionics), 부식에 민감한 곳에 사용되는지

•기계적 강도 요구(Mechanical Challenges)

- 접착 부위에 큰 충격과 지속적인 진동이 가해지는지

- 접착 부위에 얼마나 높은 외부 응력이 어떤 유형으로 가해지는지

위 질문에 대한 답변을 통해 다양한 종류의 구조용 접착제 중에서 어떤 종류의 구조용 접착제가 먼저 고려되어야 하는지에 대한 도움을 줄 수 있으며, 이의 보다 상세한 답변은 좀 더 구체적인 제품의 선정을 가능하게 할 수 있습니다. 이를 통해 선정된 제품들은 최종 결정 이전에 실제 소재에서의 평가가 이루어져야 합니다.

 

3M Scotch Weld Acrylic Structural Adhesive DP8010 Blue 는 PE, PP 와 같은 낮은 표면에너지를 가진 소재를 접착하기 위해 개발 되었습니다.

 

3M Scotch Weld DP100 Plus 와 같은 이액형 에폭시 접착제와 같은 경우, 카트리지 디스펜서로 손쉽게 도포가 가능합니다. 이는 이액형 제품이 알맞은 비율로 균일하게 토출 되고 섞이는 것을 가능하게 합니다.

 

구조용 접착제의 종류

일반적으로 화학적 성질(chemistry)에 의해서 구분되는 구조용 접착제는 상온에서 금속을 접착할 시에 70 kg/cm2 (1000 psi) 이상의 중첩전단강도를 보이는 접착제를 말합니다. 하이브리드 형태가 존재하나 구조용 접착제는 보통 에폭시, 아크릴, 우레탄, 혹은 시아노아크릴레이트을 기반으로 제조됩니다. 각 접착제는 사용 용도에 따라 물리적 성질을 조절할 수 있습니다. 예를 들어 증점제(thick�eners)의 사용은 점도를 증가시키고. 반대로 희석제(diluents)의 사용은 점도를 감소시킵니다. 강인화제(toughening agents)는 내피로도를 향상시키기 위해 사용됩니다. 그러나 접착제 유형은 대게 각각의 화학적 성질을 바탕으로 비교가 되며, 이런 이유로 접착제를 사용하려는 엔지니어들은 각 접착제의 화학적 성질을 밀접하게 비교하고 확인해 보아야 합니다.

아크릴계는 플라스틱에 가장 우수한 접착력을 보이며, 금속 그리고 방청유 처리된 금속에도 적합한 접착력을 보입니다. 반면에 이는 에폭시계와 비교하여 낮은 진동 저항성/내 충격성을 가짐으로 낮은 내피로성을 보인다는 점과, 고온 환경에서 상대적으로 낮은 접착력을 가진다는 약점을 가지고 있습니다.

시아노아크릴계(일명 순간접착제)는 우수한 접착력을 위해 몇 가지 소재에는 프라이머가 필요할지 몰라도, 기본적으로 다양한 플라스틱과 고무에 우수한 중첩전단강도를 보입니다.

그러나 이는 박리와 충격이 주어질 시에 중첩전단강도 비교하여 상대적으로 낮은 수준의 박리강도, 충격강도를 보인다는 약점을 가지고 있습니다.

우레탄계는 상당히 유연하여 외부 충격에 대한 우수한 저항성을 가지고 있지만 특히 높은 온도에서 낮은 접착강도를 보이는 약점을 가지고 있습니다. 다양한 소재 예를 들어 플라스틱, 나무, 금속에 잘 접착이 되며, 다른 종류의 구조용 접착제와 비교하여 상대적으로 낮은 가격을 형성하고 있습니다.

에폭시계는 가장 다양한 범위의 특징을 가지고 있으며, 특히 금속 모재에 가장 우수한 접착강도를 보입니다. 표준 에폭시계(5분의 가사시간을 가진 단단한 에폭시계)는 탄성이 저하된 특성을 보이기 때문에 상대적으로 적은 응력과 충격을 견뎌야 하는 용도에 적합합니다. 유연한 에폭시계는 우수한 박리강도를 가지고 충격에 보다 우수한 내구성을 가지고 있기 때문에 유연하고 구부러짐을 요구하는 용도에 사용되기에 좋습니다. 고인성 에폭시(toughened epoxy)는 충격을 흡수할 수 있는 탄성 영역을 함유하고 있는 제품으로, 가장 우수한 전단강도, 박리강도, 내 진동, 내 피로도를 가집니다. 이런 특징으로 인해 고인성 에폭시 제품들은 상당히 까다로운 용도에 사용하기에 적합합니다. 그러나 일반적으로 에폭시계를 사용하기 위해서는 표면의 오염물질을(예를 들어 방청유) 엄격히 제거하는 것을 필요로 합니다. 하지만 일액형 열경화 에폭시 접착제와 같은 경우 이러한 규칙에서 제외됩니다.

위의 접착제 유형에 따른 일반적인 사항을 바탕으로, 만일 플라스틱과 금속을 접착하고자 한다면 엔지니어는 이것이 사용될 환경을 고려해야 할 것입니다. 예를 들어 이것이 대략 -5도에서 65도 사이에서 사용이 되며 약간의 진동과 충격이 가해지는 환경에서 사용이 될 것이라면, 아마도 에폭시계 혹은 아크릴계 접착제의 사용을 고려해야 할 것입니다. 진동이나 충격을 견뎌야 하는 것이 더욱 중요한 고려 사항이라면 아마도 유연한 에폭시계 혹은 고인성 에폭시계 혹은 고인성 아크릴계의 사용을 고려해야 할 것입니다. 옥외환경에서 사용될 목재와 플라스틱을 부착하는 방법을 찾는 엔지니어들은 날씨 변화로 인한 소재의 상당한 수축과 팽창을 고려해야 할 것이고, 이는 유연한 특성을 가지고 있는 우레탄의 사용을 고려하게 할 것입니다. 만

일 이보다 더 높은 접착강도를 필요로 한다면 유연한 에폭시계가 더욱 적합할 것입니다. PE, PP와 같은 낮은 표면에너지를 가진 플라스틱을 접착하기 위해서는 특수 아크릴계 접착제를 필요로 하며, 이는 낮은 표면에너지를 가진 소재의 표면처리 없이 접착을 가능케 합니다.

몇몇 경우에는 제품 기술자료에 나와 있는 접착강도와 같은 성능 요소가 중요하게 다뤄지지 않을 수 있습니다. 이는 엔지니어들이 접착제의 성능과 공정 능력 간의 상관 관계를 고려할 수 있어야 한다는 것입니다.


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