접착력

접착력(adhesive force, 接着力)은 접착제와 피착물 간의 계면의 결합력이다. 접착력은 접착의 세기로 양자의 표면 분자 간의 화학적 상호작용과 기계적 결합에 의존한다. 접착력만을 독립적으로 실측하는 방법은 아직 개발되어 있지 않다.

개요

접착력은 일반적으로는 두 물체가 서로 달라붙는 힘을 말하며, 화학적으로는 접착제와 접착하는 물체 간의 표면에서의 화학적 결합력을 말한다. 접착제와 접착되는 물체 각각 표면의 분자 간 화학적 상호작용과 물리적 결합에 따라 접착력의 크기가 달라진다. 접착력의 단위는 길이 당 달라붙는 힘으로 Kgf/cm²를 사용한다. 테이프가 접착력의 원리를 사용해 만든 물질 중 하나이다. 비슷한 개념으로 접착 강도가 있다. 접착 강도는 이미 접착되어 있는 상태를 다시 분리하려는 힘에 대한 저항력이다. 외력에 의해 분리되거나 물, 공기, 열 등의 외부환경에 의해 분리되는 각각의 경우에 대한 저항력을 나타낸다. 접착력은 두 물체의 표면을 영구적으로 붙게 하는 힘으로 접촉면에서 화학반응에 의한 분자구조 변화를 수반한다. 일시적으로 붙게 하는 힘은 부착력(점착력)이다. 두 물질의 접촉면에서 화합물이 형성될 수 있다. 접착력의 강도는 이 화합물의 성질에 의해 결정된다. 접착력이 가장 강한 경우는 두 물체가 표면에서 원자를 교환하거나 전자를 공유하는 경우에 해당한다. 한 분자의 수소 원자가 다른 분자의 질소, 산소, 불소 등에 끌리는 경우에는 약하게 붙게 된다. 하지만 이런 붙임은 보통 나노미터 단위에서 일어나므로 표면의 구조, 표면 사이의 거리 등 붙임 강도에 미치는 요인이 많아서 다루기가 어렵다.

접착력은 서로 다른 표면 입자 사이에 존재하는 분자간 힘이다. 그것은 물질의 거시적 특성이다. 접착은 두 표면이 서로 다른 표면에 표면이 달라붙는 것이다. 따라서 접착력은 다른 분자 사이에 존재하는 인력이다. 접착력은 기계적 힘 또는 정전기력 일 수 있다. 기계적 힘은 입자를 서로 달라붙게 하는 반면 정전기력은 두 개의 반대 전하 사이에 인력을 유발한다. 양전하와 음전하 그 외에도 접착력이나 접착력을 유발할 수 있는 확산 및 분산력이 있다. 두 표면 사이의 접착력의 강도는 접착이 발생하는 메커니즘과 접착력이 작용하는 표면적에 따라 달라진다. 재료의 표면 에너지는 서로 젖는 능력을 결정한다. 예를 들어 폴리에틸렌과 같은 물질은 표면 에너지가 낮다. 따라서 접착력을 형성하기 전에 특별한 표면 처리가 필요하다.

화학반응과 접착력

두 물질의 접촉면에서 화합물이 형성될 수 있다. 붙는 강도는 이 화합물의 성질에 의해 결정된다. 가장 강하게 붙는 경우는 두 물체가 표면에서 원자를 교환하거나 전자를 공유하는 경우에 해당한다. 한 분자의 수소 원자가 다른 분자의 질소, 산소, 불소 등에 끌리는 경우에는 약하게 붙게 된다. 하지만, 이런 붙임은 보통 나노미터 단위에서 일어나므로 표면의 구조, 표면 사이의 거리 등 붙임 강도에 미치는 요인이 많아서 다루기가 어렵다. 두 물체의 표면을 붙게 하는 힘의 원인은 매우 다양하고 붙는 강도는 표면의 구조에도 큰 영향을 받으므로 접착력과 부착력의 명확한 구분은 어렵다. 영어에서는 접착력과 부착력에 같은 단어를 사용한다.

접착력 영향 요인

접착력의 실제 강도는 아래와 같은 여러 요인에 의해 결정된다.

• 접촉면의 구조, 접촉 면적, 표면의 젖은 정도.
• 표면의 갈라짐.
• 표면의 미세구조 가공 여부.
• 히스테리시스(hysteresis) 존재 여부 : 히스테리시스가 있으면 시간이 지남에 따라 표면의 구조가 바뀌어 힘이 변할 수 있음.

고분자 접착

접착력은 서로 다른 표면이 서로 붙어있는 경향이다. J/m²의 점착력으로 측정할 수 있다. 결합된 재료 1m²를 분리하는 데 필요한 에너지이다. 또한 N / m 단위로 껍질을 벗기는 것으로 측정할 수 있다. N / m은 너비가 1 미터인 재료의 스트립을 벗겨내는 데 필요한 힘이다. 따라서 두 측정값은 동일하다. 1 J/m²는 1N/m과 같다. 많은 엔지니어와 과학자는 표면 에너지가 접착에 중요하다고 생각한다. 그러나, 표면 에너지의 증가가 반드시 접착력을 향상시키는 것은 아니며 (점착성이 있는) 고분자를 표면으로부터 분리 시키는데 필요한 에너지는 종종 표면 장력에 비례하지 않는다. 이는 쉽게 나타낼 수 있다. 일반적인 표면 에너지는 20 ~ 40dyne/cm 또는 40mN/m인 반면, 일반적인 필 값은 20 ~ 1000N/m이다. 따라서 접착력은 최소 100배 이상이며 일반적으로 10,000배 이상 강하다. 따라서, 표면 장력은 종종 믿어지는 것과 반대되는 점착을 위한 사소한 역할을 한다. 그러나 표면 장력과 습윤은 접착력을 발휘할 때 여전히 중요하다. 표면이 밀접하게 접촉 할 때 발생할 수 있는 많은 유형의 힘이 있다.

기계 접착

고착 폴리머 (접착제)는 기판의 공극 또는 공극으로 흘러 들어가서 퍼즐 조각과 같은 미세 기공과 연동된다. 액체가 경화되면 구조용 접착제의 경우처럼 기판과 접착제 사이에 강한 결합이 형성된다.

비특이적이거나 불규칙한 접착력

분산성 접착은 모든 재료에 존재하는 다소 약한 비특이적 분자간 힘(반데르 발스 힘)에 의해 유발된다. 이러한 인력은 유도되지 않은 원자와 분자 사이의 유도 된 쌍극자와 쌍극자 상호 작용에 기인하며 응축 물질 (액체 및 고체)의 응집의 주요 원인이다.

전기 침투성 접착제

정전기 부착은 두 물질이 접촉하여 전자를 교환 할 때 전기 이중층을 형성하는 것을 기본으로 한다. 이것은 커패시터의 2개의 판과 유사하게 2개의 재료 사이에 매력적인 정전기 또는 쿨롱 힘을 생성한다.

특정 부착

두 개의 부착 표면의 원자, 분자가 수소 결합과 같은 특정 결합을 형성할 때 특정 접착이 발생한다. 이러한 힘은 물, 글리세린, 메탄올 등과 같은 강한 쌍극자를 갖는 저 분자량 액체의 고비점에 책임이 있다.

화학적 결합

화학적 점착은 특정한 점착의 특수한 경우다. 두 개의 부착 물질의 원자, 분자는 이온 결합 또는 공유 결합이 가능한 화학 결합을 형성한다. 이것은 보통 가장 강한 접착 형태다. 폴리머는 체인을 따라 여러 위치에서 기판에 접착하기 때문에 접착력은 일반적으로 해당 모노머보다 훨씬 강하다.

확산성 항염증제

일부 재료는 확산을 통해 접합부에서 융합될 수 있다. 이것은 두 폴리머 물질이 상호 용해되고 상호 확산 될만큼 충분히 이동할 때 발생한다. 이 현상은 상호 확산 또는 상호 침투로 알려져 있다. 두 플라스틱 기판의 폴리머의 겸손한 혼합이라도 눈에 띄는 접착력을 이끌어낼 수 있으며 폴리머가 진정으로 얽히게 되면 인터페이스를 교차할 때 물리적인 가교 (얽힘)로 인해 강한 접착력이 발생한다.

부착 물질을 분리할 때 두 가지 유형의 고장이 발생할 수 있다. 접착 불량의 경우 접착제와 피 착체 사이의 결합이 끊어진다. 즉 접착제와 피 착체의 오염이 분리된 표면에 남아 있지 않는다. 이는 감압 접착테이프에 대해 선호되는 고장 모드다. 응집 파괴의 경우, 파단은 접착제 또는 피 착체 내에 나타난다. 이것은 구조용 접착제의 선호되는 고장 모드다.

접착 강도

접착 강도(bond strength, 接着强度)는 접착계(접착된 것)의 파괴에 대한 저항력이다. 기계적 강도와 환경 강도로 구별된다. 전자는 외력에 의한 파괴에 대한 저항력이며 전단, 박리, 굽히기, 충격, 피로 등 강도가 있다. 환경 강도는 환경에 의한 파괴에 대한 저항력으로, 내수성, 내열성 등이 있다. 기계적 접착 강도를 접착력이라 하는 경우가 많지만 후자는 접착제와 피착물 간의 계면 결합력을 의미하여 파괴에 대한 저항력과는 다르므로 혼동하지 않도록 주의할 필요가 있다.

접착력 향상 방법

금속, 플라스틱 필름, 플라스틱 사출물, 세라믹, 유리 등의 제품은 금속 결합 혹은 탄소-탄소(C-C) 결합으로 표면 에너지가 너무 커서 페인트 혹은 잉크와 접착성이 나쁘다. 표면 에너지가 큰 표면에 페인트나 잉크를 바르면 잉크는 표면 장력이 커 액체와 고체 표면엔 반발력이 생겨 젖음성(Wetting)이 나쁜데 젖음성이 나쁜 소재에 인쇄나 코팅을 하면 접착력이 안좋아 화학 약품으로 표면 처리를 하거나 물리, 화학적인 표면 처리를 해 주어야 접착력이 향상된다. 젖음성을 좋게 하기 위해 금속이나 플라스틱 표면을 화학적 혹은 물리적으로 에칭(Etching) 하거나 화학적으로 고체의 표면을 친수성이 되도록 만들어 주어야 페인트나 잉크가 표면에 잘 부착이 되는 것이다. 이처럼 페인트나 잉크가 잘 부착되게 표면을 화학적 혹은 물리적으로 미리 처리해 주는 것을 표면 전처리라고 한다.

종류

표면 처리의 세부 프로세스 중에 표면의 유기막 제거와 표면에 극히 미세한 요철을 생성시킴으로써 비 표면적을 넓혀 접착력을 향상시키는 방법이 있다.

• 표면 유기막 제거에 주로 사용되는 방법으로 원재료 성분과 다른 수십 ~ 수백(Å) 두께의 물질 (제품의 생산과정에서 표면에 흡착될 수 있는 이물질 또는 습식 에칭이나 세정 후 표면에 남은 잔사 등)을 화학적으로 제거함으로써 표면 신뢰성을 확보하고, 표면 젖음성(Wetting)도 증대시킨다.
• 물리적 표면 조도(요철) 생성 표면을 서브 마이크론(sub micron) 크기로 표면 분자들을 제거함으로써 단위 비표면적을 확대하여 표면 밀착력을 강화시킬 수가 있는데 생성되는 조도가 서브 마이크론 단위의 극미세 규모이므로 다른 조도 형성 방법보다 우수한 효과를 나타낸다.
• 화학적 친수기 생성 : 플라스틱 제품류의 표면을 구성하는 화학 성분은 대부분 탄소-수소(C-H), 탄소-탄소(C-C) 결합이다. 탄소-수소 혹은 탄소-탄소 결합은 소수성인데 반해 산소-수소(O-H) 혹은 카르복실기는 친수성ㅇ;다. 표면을 화학적으로 친수성인 산소-수소 혹은 카르복실기로 바꿔 젖음성을 향상시키는 방법으로 표면 전처리 방법 중 하나이다.

화학적 표면 처리

표면 전처리의 일종으로 화학적 표면 개질이 있다. 화학적 표면 개질은 주로 플라스틱과 같은 화학적으로 결합 에너지가 낮은 소재에서 높은 에너지의 전자나 이온이 충돌해 금속, 유리, 플라스틱표면에 충돌하는데 이 충돌로 라디컬이나 이온이 생성된다. 이들 주위의 오존, 산소, 질소, 수분 등이 표면의 탄소, 수소 등과 반응하여 카르보닐기, 카르복실기, 하이드록실기, 시안기 등 극성이 높은 관능기가 생성되어 화학적으로 표면이 친수성으로 개질이 된다.

표면 처리 후의 일반적인 특성 변화

표면 전처리를 한 필름, 종이, 금속 등의 기재는 화학적, 물리적으로 표면이 개질되어 다음과 같은 효과(이점)를 얻을 수 있다.

• 친수성의 향상.
• 접착성의 향상.
• 표면 조도(요철)의 변화.
• 표면 유분의 제거.
• 인쇄성의 향상.
• 코팅, 인쇄 특성 향상.

제품별 표면 전처리

• 인쇄용 제품 전처리 : 플라스틱, 금속 인쇄 (그라비아, 옵셋, 스크린, 후렉소 등) 시 잉크의 접착성 및 부착력이 향상된다.
• 도장 전처리 : 도장 혹은 코팅 전에 전처리를 함으로써 도료와 기재와의 접착력 강화 및 도장 얼룩, 두께 등이 개선된다.
• 압출 라미네이트를 위한 전처리 : 압출 라미네이트 제품에서의 기재(유리, 플라스틱 필름, 종이, 알루미늄 등)로 용융 수지를 접합하는 공정 상에서 표면 전처리를 하면 접착력이 강화된다.
• 접착제 도포 전의 전처리 : 접착제를 도포하기 전에 기재에 표면 전처리를 하면 접착제와 기재와의 접착력을 강화시킨다.
• 인쇄/코팅의 전처리 : 인쇄, 코팅 전에 기재에 표면 전처리를 하면 기재와 코팅재료와의 접착력이 강화되거나 코팅 얼룩을 개선할 수 있다.

참고자료

• 〈접착력〉, 《네이버 지식백과》
• 〈접착력(Adhesive force)〉, 《네이버 지식백과》
• 〈접착 강도〉, 《네이버 지식백과》
• 〈접착력(adhesive force)〉, 《사이언스올》
• Roger Morrison, 〈접착력과 응집력의 차이〉, 《알고있다 2022》, 2021-09-08
• 〈고분자의 접착력〉, Shanghai Banzan Macromolecule Material Co., Ltd
• 〈1-4. 표면 전처리(Surface treatment)〉, 《유하이텍》

같이 보기

• 접착
• 분자
• 화학
• 기계
• 물체
• 힘
• 물리
• 물
• 공기
• 열
• 입자
• 분자
• 양전하
• 음전하
• 재료
• 수소
• 질소
• 산소
• 불소
• 액체
• 고체
• 금속
• 플라스틱
• 세라믹
• 유리

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