2026년도 한국산업융합학회 추계학술대회 논문집 (중고딕 10pt)

플라즈마처리에 따른 고밀도 폴리에틸렌/steel 계면특성에 관한 연구 (견고딕 11pt, 줄 간격 130%, 진하게)

홍길동1, 김대한2

길동전자정보기술원1, 대한대학교 기계공학과2 (굴림 10pt, 줄 간격 130%)

A study on the interfacial characteristics of high-density polyethylene/steel

plate by plasma treatment (견고딕 11pt, 줄 간격 130%, 진하게)

Gil Dong Hong1, Dae Han Kim2 (굴림 10pt, 줄 간격 130%)

Gildong Electronics & Information Technology Research Institute1, Daehan University2

Abstract

In this study, the surface modification of polyethylene material was investigated to improve the interfacial strength between the polyethylene and the steel plates. Polyethylene material was surface-modified using a plasma treatment. Two cases of joints (surface-treated polyethylene/steel composites and untreated polyethylene/steel composites) were fabricated using a single lap shear method. Shear and bending tests have been performed using the two cases of composites. The results showed that the contact angle did not change much as the modification time increased. However, the contact angle decreased from 76˚ to 41˚ with the modification. The results also showed that the shear strength and the bending strength were improved about 30 % and 7 %, respectively when the polyethylene was plasma-modified using an oxygen gas.

(신명조 10pt, 줄 간격 130%)

1. 서  론 (견고딕 11pt)

고밀도폴리에틸렌 (HDPE; High-density polyethylene)은 단일재료로써의 우수한 기계적, 화학적인 특성을 가지고 있어 산업재 전반에 널리 사용되어지고 있다. 그러나 전형적인 소수성 고분자 (Hydrophobic polymer)로 그 특성상 동일재료간의 계면특성은 우수하나 이종재료간의 계면결합력에 있어 매우 낮은 물성을 나타내는 바, 인위적인 표면개질을 통한 계면접합이 요구되어진다. 이와 같은 이유로 HDPE의 표면개질을 통한 계면특성 향상에 대한 많은 연구들이 수행되어지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 HDPE와 이종재인 steel과의 계면결합력 향상을 위한 연구로써 HDPE의 표면에 플라즈마 처리를 통하여 steel과의 복합재를 제작, 플라즈마 처리 유․무에 따른 계면강도를 비교, 분석하였다.

(신명조 10pt, 줄 간격 130%)

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2. 본  론 (견고딕 11pt)

2.1 플라즈마 표면처리 (견고딕 10pt)

HDPE의 표면개질을 위하여 우선 아세톤과 에탄올의 순으로 10분간 초음파 세척을 하여 표면에 잔존하는 이물질을 제거하고자 하였다. 그 다음으로 마이크로파 방식의 플라즈마 장치 (U0050725A, USA)를 이용하여 HDPE와 steel 각각에 산소가스를 통한 플라즈마를 유도하였다.

(신명조 10pt, 줄 간격 130%)

2.2 HDPE/steel 시험편 제작 및 접합강도 측정 (견고딕 10pt)

HDPE/steel joint의 제작을 위한 접착제는 열경화성 에폭시 수지인 비스페놀 A형 디글리시딜 에테르 (YD-115, 국도화학)와 디아닐렌 경화제 (D-230, 국도화학)를 각 2:1의 혼합비를 적용하였다. 또한 HDPE와 steel은 각각 4000B와 ss41의 열연강판을 사용하였다. 시험편의 크기는 HDPE, steel 각각 120 mm ✕ 20 mm ✕ 2 mm로 가공하였으며 전단시험편의 경우 20 mm ✕ 20 mm의 접합면적으로 에폭시를 도포하여 접합하였다. 제작된 시험편들은 상온에서 24시간 경화시킨 후 오븐 내에서 60℃로 6시간 동안 후경화를 실시하였다. 이후 UTM (Instron8871, USA)을 이용하여 0.2 mm/min의 하중속도를 적용, 접합부위의 완전 파단이 발생될 때까지 실험을 실시하였다.(신명조 10pt, 줄 간격 130%)

3. 결과 및 토의 (견고딕 11pt)

플라즈마 표면처리를 이용한 HDPE와 steel의 접착강도 변화를 규명하기 위하여 산소플라즈마처리를 통하여 1, 5, 10 min에서의 처리시간에 따른 접촉각 변화를 측정하였다. Fig. 2.는 표면처리 시간에 따른 HDPE와 steel의 접촉각 변화를 나타내고 있다. Fig. 2.에서 나타난 바와 같이 HDPE의 접촉각은 최초 76°에서 1 min의 처리시간에서는 42°로, 5 min의 처리시간에서는 41°로 점차 감소하는 경향을 보였으나, 10 min의 처리시간에서는 44°로 오히려 다소 증가하는 경향을 나타내었음을 알 수 있었다. (신명조 10pt, 줄 간격 130%)

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Fig. 1. 반드시 영어로 설명. (굴림 8pt, 진하게)

Fig. 2. 반드시 영어로 설명. (굴림 8pt, 진하게)

따라서, 접촉각이 가장 낮았던 5 min의 처리시간을 최적의 조건으로 선택하였다. 다음단계로  HDPE/steel의 접착강도에 대한 분석을 위한 전단시험을 실시하였다. 이러한 결과로부터 HDPE와 이종재의 접착강도를 향상시키기 위해서 HDPE의 표면처리를 통한 친수성으로의 개질이 반드시 선행되어야 하는 필수요건임을 알 수 있다.

(신명조 10pt, 줄 간격 130%)

4. 결  론 (견고딕 11pt)

본 연구에서는 플라즈마 표면처리를 통한 고분자의 표면개질로 이종재간의 접착강도 향상을 위한 효과적인 방법임을 입증하였다. 본 연구로부터 플라즈마처리에 따른 재료의 표면개질은 HDPE의 표면에서 매우 효과적임을 알 수 있으며, 이는 플라즈마처리로 인하여 HDPE의 소수성표면에 친수성 산소기능기를 부여함으로써 접착강도를 크게 향상시키기 때문인 것으로 사료된다. (신명조 10pt, 줄 간격 130%)

사  사 (견고딕 11pt)

본 논문은 한국정밀공학회 논문집 (제24권 제 12호)에서 발췌된 내용으로 작성되었음.

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[참 고 문 헌]

1) Lehocký M., Drnovská, H., Lapćíková, B., Barros-Timmons, A. M., Trindade, T., Zembala, M., and Lapćík, L. “Plasma surface modification of polyethylene”, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, Vol. 222, pp. 125-131, 2003.

2) Banika, I., Kim, K.S., Yun, Y.I., Kim, D.H., Ryu, C.M., Park, C.S., Sur, G.S., and Park, C.E. “A closer look into the behavior of oxygen plasma-treated high-density polyethylene”, Polymer, Vol. 44, pp. 1163-1170, 2003.

3) ucker, W.C. and Brown, R. “Moisture absorption of graphite/polymer composites under 2000 feet of seawater”, J. Compos. Mater., Vol. 23, pp. 787-797, 1998.

4) Dirk Hegemann, Herwig Brunner, and Christian Oehr  “Plasma Treatment of Polymers to Generate Stable, Hydrophobic Surfaces”, J. plasma and polymers, Vol. 6, No.4, pp. 221-235, 2001.

(신명조 10pt, 줄 간격 130%)

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