[TOKI SANGYO] 점도 칼럼 – 6. 접착제의 품질 관리
점도는 그 물질의 특성을 나타내는 중요한 지표 중 하나입니다. 접착제 업계에서는 제품 개발이나 품질 관리에 예전부터 점도를 활용하여 표준화를 꾀하고 있습니다. 그 결과 유동학 특성 연구가 진전됨에 따라 다양화, 고도화된 용도를 충족시키는 각 종 접착제 개발이 실현되고 있습니다. 이러한 접착제는 실제 작업 조건에 맞춘 적절한 성질 (비뉴턴성, 요변성, 항복값 (yield value) 등)이 반영되었습니다. 접착제 도포 시의 작업성 및 완성 품질 (접착 강도, 매끄러움 (레벨링), 흐르지 않음 등)은 유동학 특성에 따라 제어가 가능합니다. 이번에는 접착제의 성능평가에 대해 점도계측과 관련해서 설명하겠습니다.
접착제의 작업성과 그 평가
접착제를 비롯하여 도료나 코팅 재료 등 현재의 공업 제품을 제조하는데 빼놓을 수 없는 이러한 소재에 관하여, 점도 측정을 하는 목적은 크게 다음과 같이 추릴 수 있습니다.
- 유동학적 거동은 제품의 균일성과 품질의 간접적인 기준이 됩니다.
- 물질의 특성화, 차별화에 가장 감도가 좋은 방법입니다. (분자량, 분자량 분포, 입도(fineness number), 입도 분포, 농도, 구조의 정도 등)
- 작업성의 직접 평가가 가능합니다. (도포성, 펌프 운송 시의 동력, 도막 두께 관리, 흐름성, 균일성 등)
접착제는 경화되어 원래 정해진 기능을 달성하는 것이 전제이지만, 그와 동시에 위 (3)에 있는 작업성, 작업성의 우수성도 굉장히 중요한 상품 특성입니다. 건물을 지을 때를 예로 들면 생각하면 알기 쉬울 것입니다. 건축 시에는 접착제를 사용하는 도 많고 그 사용량도 많습니다. 그렇기 때문에 제품을 얼마나 쉽게 사용할 수 있는지에 따라 공사 기간 및 공정에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 특히 흐름성과 균일성은 작업성의 좋고 나쁨을 평가하는 중요한 요인입니다. 단 두 요인은 “균일하게 발린다 = 흐르기 쉽다”라고 하는 대립되는 관계이기에, 그 적당한 정도를 설정하기 위해 제조사들은 경쟁하고 있습니다.
작업성에 관해서 조금 더 구체적으로 살펴보기로 하겠습니다. 실제 작업 현장에서는 “벽면에 도포 시 흐른다”, “도포 자국이 남는다”, “브러시에서 흐른다”, “잘 펴 발라지지 않아 힘들다”, “카트리지에서 잘 안 나온다” 등의 의견이 있습니다. 이러한 클레임은 도포 방법, 작업 목적, 용도에 따라 각각 상반된 성능이 요구되기 때문입니다. 따라서 보다 적합한 접착제를 선택하려면 사용할 때에 그 성능 평가가 반드시 필요합니다. 그러나 도포성 평가 방법에는 여러가지가 있지만, 모두 화학적인 정량성 확보가 부족하고, 경험에 의존한 시행착오에 따른 방법으로 진행되는 일이 많은 것이 현 상황입니다. 그래서 업계에서도 표준적 평가 방법을 확립하려는 움직임이 있습니다.
규격화가 진행된 플러그 포머(Plug Foamer)법
현재 규격화 (FDIS 14678)가 진행되고 있는 품질 측정 방법에 플러그 포머(Plug Foamer) 시험기를 사용한 흐름 (sagging) 시험이 있습니다. 이 시험기의 오목한 부분에 실험 대상인 접착제를 충진하고, 표면을 평평하게 한 후에 시험기를 수직으로 세워 오목한 부분에 있는 접착제를 눌러서 밀어내서 (오목한 부분의 바닥은 가동 구조로 되어 있습니다.), 밀려나온 접착제가 흐르는 거리와 그 시간을 측정합니다. 또한 유동성이 큰 샘플은 누르지 않고 오목한 부분에서 흐르는 거리를 측정합니다.
플러그 포머법은 아래와 같은 장점을 가지고 있습니다.
- 유동성이 큰 샘플부터 건축용 바닥 마감 재료, 링재까지 폭넓은 접착제의 흐름성을 평가를 할 수 있습니다.
- 샘플 셋팅(플러그에 샘플 충진) 시 개인 차이가 적습니다.
- 조작성이 좋고, 간편합니다.
이와 같은 이유로 접착제의 일반적인 흐름성 평가 방법으로써 데이터를 참조할 수 있게 되었습니다.
그러나 얼마나 샘플 셋팅이 간단하다고 하여도 복잡한 물성을 가진 고분자 구조체, 예를 들어 접착제에서는 일반적인 요변성 재료는 사전의 상태 조정 (온도, 교반 등의 부하)에 따라 크게 차이가 생깁니다. 간단하게 말하면 어떤 조건에서 테스트를 하는가에 따라 흐름 정도가 크게 바뀌는 것입니다. 이와 같이 사전 상태 조정과 사용자의 샘플 충진 방법에 많이 의존하기 때문에 플러그 포머법으로 하는 측정도 반드시 정량적 방법이라고는 말하기 힘듭니다. 제품 물성 및 품질 평가는 정량적, 화학적으로 사용자에 따라 오차가 나오지 않는 측정을 하는 것이 중요합니다. 그 방법 중 하나가 직접적으로 흐름을 측정하는 것이 아니라 접착제 점도 측정을 활용하여 그 특성을 평가하는 것입니다.
결국 최적의 실험 방법은?
많은 접착제는 앞서 서술한 바와 같이 비뉴턴성 재질이며, 점도가 전단 속도에 따라 크게 바뀝니다. 그러므로 작업성(균일성과 흐름성)을 평가할 때에는 항복값 및 낮은 전단 속도에서의 점도 거동을 측정하는 것이 중요합니다. 간이 측정 기구로 하는 플러그 포머법은 이러한 조건 설정을 확실하기 하는 것이 어렵다고 앞서 설명하였습니다. 한편 점도 측정은 점도계로 정량적으로 전단 부하를 가한 후에 점도 측정을 실시하는 것이 매우 쉽습니다. 좀 더 구체적으로 살펴봅시다.
플러그 포머법으로 하는 흐르는 양과 점도 특성값 중 한가지인 비뉴턴 계수 μ (3 ゜콘 로터의 0.5 rpm 점도에 해당)가 상관관계인 것은 각 실험 결과로 밝혀졌습니다. 이것은 일반적인 점도계를 사용한 0.5 rpm의 1점 측정 결과로 원하는 재료의 흐름 특성을 판단할 수 있음을 의미합니다. 여러 수순을 밟는 번거로운 실험을 하지 않아도 점도 측정이라는 정량적이고 간편한 방법으로 작업성 및 품질면에서 높은 신뢰도의 평가가 가능하게 되었습니다. 그렇지만 접착제는 복잡한 고분자 구조의 복합 제품이며, 소재의 유동학적 특성이 제품에 반영되어 있습니다. 예를 들어 온도 및 전단 속도에 크게 의존하는 요변성에 대응한 평가를 하려면 역시 ‘점도 전문가’의 측정 노하우가 필요한 경우도 있습니다.
TOKI SANGYO는 오랜 기간 축적된 다양한 데이터 및 경험을 바탕으로 최적의 서포트를 제공할 수 있습니다. 접착제의 품질 관리 및 연구에 점도 측정을 꼭 활용해주세요.
출처: TOKI SANGYO 홈페이지 (https://tokisangyo.co.jp/post6/)
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