제조 공정에서 구조용 접착제의 최적 선정과 사용을 위한 조언 제시

구조용 접착제는 최고의 내하력(load bearing capability)을 가진 접착제의 한 유형으로 뛰어난 내환경성, 내화학성을 가지고 있다.

이는 비가역적인 반응을 통해 경화가 이루어지며, 이를 통해 뛰어난 내열성과 내용제성을 보여준다. 또 이것은 일액형 실리콘 혹은 일액형 폴리우레탄과 같이 경화를 위해 습기를 필요로 하지 않는다.

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 일이라고 할 수 있다.

구조용 접착제의 사용

구조용 접착제가 다양한 접착 작업에 사용되는 데에는 여러 가지 이유가 있다. 드릴 작업으로 구멍을 뚫는 기계적 결합(mechanical fasteners)이나 열을 주는 열접착(thermal bonding)과 달리, 구조용 접착제는 붙이고자 하는 소재에 손상을 가하지 않으며 접착을 할 수 있다.

또한 이는 갈바닉 부식(galvanic corrosion) 없이 이종의 소재를 접합하며, 외부 응력을 국부적인 곳에 집중시키지 않고 전체 접착 면에 분산시켜 결론적으로 접착 부위의 피로 저항성(fatigue resistance)을 향상시킨다.

구조용 접착제는 접합 공정 후 표면 재손질 작업과 돌출부가 필요 없어 외관적으로 깔끔하며, 이는 제품을 심미적으로 더욱 돋보이게 할 수 있다.

구조용 접착제는 최고의 내하력(load bearing capability)을 가진 접착제의 한 유형으로 뛰어난 내환경성, 내화학성을 가지고 있다. 이는 비가역적인 반응을 통해 경화가 이루어지며, 이를 통해 뛰어난 내열성과 내용제성을 보여준다. 또 이것은 일액형 실리콘 혹은 일액형 폴리우레탄과 같이 경화를 위해 습기를 필요로 하지 않는다.

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 일이라고 할 수 있다.

구조용 접착제의 선정

접착제 공급자의 기술지원 엔지니어 혹은 외부 전문가와의 미팅을 통해 구조용 접착제 선정에 대한 통찰을 얻을 수 있다.

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 있다. 이런 경우를 위해 구조용 접착제를 선정하기 위한 기본적이지만 주요한 원칙을 소개한다.

구조용 접착제는 사용되는 용도의 요구조건과 제조 공정의 요청사항에 따라 추천되어야 한다. 일단 이 부분이 선행되고 난 후, 다음으로 진행할 사항은 이러한 요구조건을 충족하는 가장 경제적이고 효율적인 접착제를 선정하는 것이다. 이 요구조건을 규정할 시에 고려해야 할 부분은 다음과 같다.

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

구조용 접착제의 종류

일반적으로 화학적 성질(chemistry)에 의해 구분되는 구조용 접착제는 상온에서 금속을 접착할 시에 70 ㎏/㎠(1000 psi) 이상의 중첩전단강도를 보이는 접착제를 말한다.

하이브리드 형태가 존재하나, 구조용 접착제는 보통 에폭시, 아크릴, 우레탄, 혹은 시아노아크릴레이트을 기반으로 제조된다. 각 접착제는 사용 용도에 따라 물리적 성질을 조절할 수 있다.

예를 들어 증점제(thickeners)의 사용은 점도를 증가시키고. 반대로 희석제(diluents)의 사용은 점도를 감소시킨다. 강인화제(toughening agents)는 내피로도를 향상시키기 위해 사용된다.

그러나 접착제 유형은 대게 각각의 화학적 성질을 바탕으로 비교가 되며, 이런 이유로 접착제를 사용하려는 엔지니어들은 각 접착제의 화학적 성질을 밀접하게 비교하고 확인해야 한다.

아크릴계는 플라스틱에 가장 우수한 접착력을 보이며, 금속 그리고 방청유 처리된 금속에도 적합한 접착력을 보인다. 반면, 에폭시계와 비교했을 때 낮은 진동 저항성/내충격성으로 인해 낮은 내피로성을 보인다는 점과, 고온 환경에서 상대적으로 낮은 접착력을 가지는 단점을 가지고 있다.

시아노아크릴계(일명 순간접착제)는 우수한 접착력을 위해 몇 가지 소재에 프라이머가 필요할지 몰라도, 기본적으로 다양한 플라스틱과 고무에 우수한 중첩전단강도를 보인다. 그러나 박리와 충격이 주어질 경우 중첩전단강도를 비교하여 상대적으로 낮은 수준의 박리강도, 충격강도를 보인다는 약점을 가지고 있다.

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

에폭시계는 가장 다양한 범위의 특징을 가지고 있으며, 특히 금속 모재에 가장 우수한 접착강도를 보인다. 표준 에폭시계(5분의 가사시간을 가진 단단한 에폭시계)는 탄성이 저하된 특성을 보이기 때문에 상대적으로 적은 응력과 충격을 견뎌야 하는 용도에 적합하다.

유연한 에폭시계는 우수한 박리강도를 가지고 충격에 보다 우수한 내구성을 지니고 있기 때문에 유연하고 구부러짐을 요구하는 용도에 사용하기에 좋다. 고인성 에폭시(toughened epoxy)는 충격을 흡수할 수 있는 탄성 영역을 함유하고 있는 제품으로, 가장 우수한 전단강도, 박리강도, 내진동, 내피로도를 가진다.

이런 특징으로 인해 고인성 에폭시 제품들은 상당히 까다로운 용도에 사용하기에 적합하다. 그러나 일반적으로 에폭시계를 사용하기 위해서는 표면의 오염물질(예를 들어 방청유)을 엄격히 제거하는 작업을 필요로 한다. 하지만 일액형 열경화 에폭시 접착제와 같은 경우 이러한 규칙에서 제외된다.

위의 접착제 유형에 따른 일반적인 사항을 바탕으로, 만일 플라스틱과 금속을 접착하고자 한다면 엔지니어는 이것이 사용될 환경을 고려해야 한다. 예를 들어 이것이 대략 -5도에서 65도 사이에서 사용되고 약간의 진동과 충격이 가해지는 환경에서 사용이 될 것이라면, 아마도 에폭시계 혹은 아크릴계 접착제의 사용을 고려해야 할 것이다.

진동이나 충격을 견뎌야 하는 것이 더욱 중요한 고려사항이라면 아마도 유연한 에폭시계나 고인성 에폭시계 혹은 고인성 아크릴계의 사용을 우선해야 할 것이다.

옥외환경에서 사용될 목재와 플라스틱을 부착하는 방법을 찾는 엔지니어들은 날씨 변화로 인한 소재의 수축과 팽창을 고려해야 하고, 이에 따라 유연한 특성을 가지고 있는 우레탄의 사용을 고려하게 된다.

만일 이보다 더 높은 접착강도를 필요로 한다면 유연한 에폭시계가 더욱 적합할 것이다. PE, PP와 같은 낮은 표면에너지를 가진 플라스틱을 접착하기 위해서는 특수 아크릴계 접착제를 필요로 하며, 이는 낮은 표면에너지를 가진 소재의 표면처리 없이 접착을 가능하게 한다.

몇몇 경우에는 제품 기술자료에 나와 있는 접착강도와 같은 성능 요소가 중요하게 다뤄지지 않을 수 있다. 이는 엔지니어들이 접착제의 성능과 공정 능력 간의 상관관계를 고려할 수 있어야 한다는 것이다.

취급 및 제조 공정에 대한 고려 요소들

성능을 바탕으로 접착제 선정이 좁혀졌다면, 이제 이의 취급 및 제조 공정에 대한 고려가 필요하다. 여기에는 접착제의 보관 조건, 저장 수명, 접착 작업 편리성 등 전반이 포함된다.

취급 및 제조 공정을 고려할 때 일액형 에폭시와 이액형 에폭시를 잘 구별하는 것이 매우 중요한데, 이것은 이 둘이 아주 다르게 사용되어야 하기 때문이다.

일액형 에폭시는 주제와 경화제가 프리믹스(pre-mixed)되어 있어서 주제와 경화제를 혼합해주는 작업이 필요 없다. 그러나 냉장‧냉동 보관 요청과 같은 보관 환경의 어려움과 120도에서 180도 사이에서의 열경화를 필요로 하는 작업 환경에서의 어려움을 겪을 수 있다.

따라서 일액형 에폭시는 이액형 에폭시와 달리 주의 깊게 취급되어야 하는 반면, 접착제를 사용할 때는 비교적 쉽게 도포할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 추가적으로 일액형 에폭시는 금속에 가장 높은 중첩전단강도, 내열성, 내용제성을 보인다.

시아노아크릴계는 별도 혼합이 필요 없고 비교적 긴 가사 시간을 가지고 있다는 특성으로 인해 흔히 공정상의 편리성을 위해 선택된다. 그러나 일단 접합 부위가 시아노아크릴로 부착이 되면 이들은 재작업이 되기가 어렵다.

이것은 말 그대로 ‘순간접착제’이며 이로 인해 작업자 손가락 피부끼리 붙어버리는 문제가 발생하기도 한다. 또한 비교적 강한 냄새를 가지고 있다.

시아노아크릴계는 접합 부위 주변이 하얗게 번져 외관적으로 문제를 일으킬 수 있는 백화 현상 이슈의 소지가 있다. 이것은 접착제가 도포된 부위 주변에 휘발된 단량체가 응결되면서 발생하는 현상으로, 물론 이러한 백화 현상 발생을 최소화한 시아노아크릴계 제품도 있다.

이액형 에폭시계, 아크릴계, 우레탄계는 혼합되기 전에는 상온에서 안정적이다. 이액형 에폭시 제품이 상온 저장 기간이 가장 길며, 아크릴(온도에 민감함), 우레탄(습기에 민감함)의 순서로 저장 안정성을 보인다.

이액형 구조용 접착제는 접착제가 혼합되어 소재가 접합되고 난 후, 경화를 위한 시간을 필요로 한다. 이것은 ‘1차 접착 작업 후 재작업이 가능하다’는 장점이 되기도 하지만, 반대로 어느 수준의 경화에 도달하기 전까지는 부착된 소재가 고정되어야 한다는 것을 의미하기도 한다. 이 시간이 고정 시간, 취급강도 시간과 같은 용어로 표현되기도 한다.

접착제 제조사들은 보통 이러한 정보를 제품 기술자료를 통해 고객에게 설명하며, 따라서 엔지니어들은 각 접착제의 제품 기술자료를 주의 깊게 읽어 보는 것이 중요하다.

이액형 접착제는 20 리터에서 200 리터의 대용량 포장의 드럼으로 제공될 수 있으며, 이들은 계량기/혼합기(meter/mixer)와 함께 사용된다. 혹은 수작업으로 사용하기 쉽게 카트리지 형태로 포장이 될 수도 있다.

이러한 카트리지 형태는 나란히 배열된 알맞은 크기의 원통형 실린더를 통해 접착제의 정확한 혼합비가 토출될 수 있게 하고, 실린더 입구 앞에 사용되는 노즐을 통해 토출된 접착제가 잘 섞이도록 한다.

다양한 종류의 수작업 혹은 공압 애플리케이터(applicator)의 사용이 가능하다. 이액형 접착제는 또한 작은 용량의 캔, 혹은 튜브 형태로도 제공이 가능하다.

화학 반응에 의해 경화가 이루어지는 접착제, 예를 들어 이액형 접착제와 같은 경우 온도에 의해 경화 시간이 달라진다. 즉, 이들은 더 높은 온도에서 더 빠르게 경화된다. 반면 이들의 가사 시간, 취급강도 시간은 반대로 감소한다. 낮은 온도에서는 경화 속도는 느려지며, 반대로 가사시간, 취급강도 시간은 늘어난다.

따라서 이러한 접착제를 온도가 제어되지 않는 환경에서 사용한다면 엔지니어들은 실제 접착제가 사용되는 온도와 표준 온도의 차이를 인지해야 한다. 일반적으로 접착제 제조업체들은 기술자료 상에 20~25도 사이(표준 온도)에서의 가사 시간과 취급강도 시간을 제공한다.

만약 접착제가 한여름의 뜨거운 옥외에서 사용된다면, 가사 시간은 기술자료에 기재되어 있는 시간보다 거의 절반 이상 줄어들 것이며, 초봄 혹은 늦가을 날씨에서는 대략 2배로 가사 시간이 늘어날 것이다.

10도의 온도가 올라가면 접착제는 대략 절반의 가사 시간을 가지게 되며, 반대로 10도 온도가 내려가면 가사 시간은 거의 2배가 된다. 따라서 더운 여름날에는 접착 작업을 재빨리 마무리하는 것이 중요하고, 추운 겨울 날씨에는 추가적인 고정 시간이 필요할 수 있다.

이액형 구조용 접착제가 열에 의해 경화 속도가 가속화되는 것은 당연한 일이며, 이때 열원은 복사열 혹은 오븐열을 모두 포함한다. 접착제 제조사의 제품 기술자료는 엔지니어들이 열 경화 조건을 결정하는데 도움을 줄 수 있다.

온도에 따른 경화 시간의 변화 외에도, 접착제는 따뜻한 환경에서는 얇아지는 경향이 있고, 반대로 차가운 환경에서는 두껍게 되는 경향이 있다. 접착제 도포 온도는 일반적으로 15도에서 25도를 추천하며, 최소 5도 온도 이상에서 이액형 접착제를 도포하는 것을 추천한다.

접착제의 점도는 선호도에 따라 결정된다. 일반적으로 에폭시계와 우레탄계가 가장 넓은 점도 범위를 가진다. 논새그형(non-sag) 접착제는 전단 유동화(shear-thinning)를 가지며, 이 특성을 이용하여 접착제 도포 시 상대적으로 손쉽게 도포가 되게끔 하고 접착제 도포 후에는 흘러내리지 않도록 한다.

일반적으로 구조용 접착제가 유기 용제를 함유하지 않을지라도, 이들은 휘발성의 유기화학 물질이나 다른 성분들, 예를 들어 냄새를 방출하거나 피부나 혹은 호흡기 쪽의 자극을 초래하는 성분을 함유할 수 있다. 따라서 접착제를 사용하기에 앞서 접착제의 물질안전보건자료(MSDS)를 확인하는 것은 매우 중요한 일이다.

앞서 살펴보았듯이, 접착제를 선정할 때는 일차적으로 제품이 사용될 환경을 고려해야 한다. 그 다음, 화학적 성질에 따른 접착제의 다양한 기술 데이터를 읽고 접착제 업체와 협의하도록 한다.

마지막으로 제조 공정에서의 접착제의 요구사항을 고려해야 한다. 이러한 과정을 통해 제품 성능과 제조 공정에서의 요구사항을 만족시킬 수 있는, 비교적 몇몇의 접착제 제품만이 선택지 위에 남게 될 것이다.

가장 중요한 점은 마지막 제품 선정을 위해 제품 평가와 검증을 진행하는 것이다. 실제 사용하려고 하는 소재에 선정된 접착제를 이용하여 접착하고, 일반적으로 박리강도 평가와 중첩전단강도 평가를 특정 환경 조건하에서 진행한다.

각 테스트의 상세한 평가 항목은 각 프로젝트의 요구 성능에 따라 결정된다. 이때는 접착제 제조업체의 기술자료에 의존하지 말아야 한다. 훌륭한 접착제 업체는 이러한 결정을 내리는 데에 도움을 주기 위해 고객과 협업을 기꺼이 하는 업체이며 이는 고객사 소재에 대한 평가를 기본으로 한다.

그러나 만일 접착 면적에 대한 표면 처리나 혹은 연결 부위(joint design)가 접착제를 사용하기에 적절하지 않다면, 선정된 접착제가 효과적인 접착력이 나오지 않을 수 있다. 이는 엔지니어들이 접착제 업체와 프로젝트 초기 단계에서부터 협의해야 할 중요한 또 다른 영역이기도 하다.

한국쓰리엠㈜ 기술연구소 심한별 책임