KR20200091166A - 대기압 플라즈마를 이용한 표면개질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기재와 마주보는 표면과 기재와 마주보지 않는 표면을 갖는 화합물 층과, 기재의 표면 사이의 접착성을 증가시키기 위한 방법으로서 기재와 마주하는 화합물 층의 표면과 화합물 층에 의해 커버링되는 기재의 표면이 대기압 플라즈마로 처리되는 방법에 관한 것이다.

Description

대기압 플라즈마를 이용한 표면개질방법{METHOD OF MODIFYING THE SURFACE USING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}

본 발명은 대기압 플라즈마를 이용한 기판 조성물의 표면개질방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PMMA 기판의 미가류 상태 및 가류 반응 후에서의 접착력을 확보할 수 있는 기판의 표면개질방법에 관한 것이다.

종래에는 트레드 단면을 잘 부착시키기 위하여 절단 도구를 개선하여 단면에 열을 주거나 매끈하게 절단하는 방법, 각도를 주어 접촉면을 넓혀 접착을 향상시키는 방법, 일련의 접착 시멘트를 개발하여 도포하는 방법, 고무내에 점착제를 증량하는 방법 등이 사용되어 왔다.

좀 더 상세하게는 약 50 내지 100℃ 정도로 가열된 전열 칼을 이용하여 절단하거나 할로겐 lamp로 단면을 상기 온도 범위 내에서 가열하는 방법이 있다. 이렇게 열을 주는 방법은 고무 표면을 활성화시켜 대단히 양호한 효과를 얻기는 하나, 고함량의 카본 블랙, 화이트 블랙 조성물, 고속 주행용 트레드 등의 특정 조성물을 갖는 트레드에서는 그 효과가 부족하여 성형 공정 이후 가류 공정으로 이송하여 대기하는 과정 중에 단면이 벌어지는 현상이 발생하는 등 그 효과가 충분치 못한 단점이 있다.

또한 절단 각도를 바꾸어 절단면을 높게 하는 방안도 소개되었으나, 그 효과 또한 미미하며 단면적이 넓어짐으써 오히려 접착면이 불균일하게 되는 단점도 있다.

또한 초음파 절단기를 사용하여 표면을 매우 매끈하게 절단하여 접착력을 높이는 방안이 있으며 이 또한 일정 효과가 있는 것이 사실이나, 일부 조성물과 온도, 습도 등의 주변 조건, 고무 가공 조건 등에 따라 접착력이 부족한 단점이 있다.

한편 고무내에 점착제를 증량하는 방법 등이 있으나, 이는 트레드 고유 성능을 저해할 뿐 아니라 역시 특정 조성물에 대해서는 그 효과에 한계가 있다.

상기 내용은 주로 접착용 시멘트를 도포하지 않으면서 단면의 접착력을 향상시키거나 또는 시멘트를 도포하면서

상기 방법을 병행하는 경우이다. 상기 방법 중 특정 조성물의 접착용 시멘트를 사용하는 방법이 가장 우수한 효과가 있어, 이와 관련한 기술들이 많이 공지되어 있다.

이와 관련한 시멘트 조성물에 관한 기술내용을 살펴보면, 범용 타이어에서는 주로 천연고무계 시멘트 또는 스타

이렌-부타디엔계 고무 시멘트에 통상적으로 타이어 고무 배합에 사용되는 배합제가 사용되고, 화이트 카본계 타이어에 대해서는 스타이렌-부타디엔계 고무에 화이트 카본과 일정 조성의 실란을 포함하는 조성물 기술이 공지화 되어 있기도 하다.

따라서, 본 발명의 목적은 시멘트를 사용하지 않으면서 트레드 조성물의 미가류 상태 및 가류 반응 후에서의 접착력을 동시에 확보할 수 있으며, 완제품 타이어 상의 접착력까지 증가시킬 수 있는 제공하는 것이다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 평균적 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 트레드 단면의 일면 또는 양면에 대기압 플라즈마를 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 트레드의 표면개질방법을 제공한다.

본 발명에 따른 트레드의 표면개질방법은 시멘트를 사용하지 않으면서 트레드 조성물의 미가류 상태 및 가류 반응 후에서의 접착력을 동시에 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 사용되는 전극 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따라 표면 개질된 트레드의 접착력을 나타내는 사진이다.
도 3은 비교예 1에 따른 트레드의 접착력을 나타내는 사진이다.
도 4는 실시예 3에 따라 표면 개질된 트레드의 점착력을 나타내는 사진이다.

본 발명은 대기압 플라즈마를 사용함으로써, 시멘트를 사용하지 않으면서 가류후 완제품 타이어 상에서 접착력의 저하가 없고 미가류 상태에서 모든 조성물 트레드에 대해 가공중의 점착력을 어떤 조성물과 환경에 대해서 완전하게 하는 방법이라 할 수 있으며 나아가 완제품 타이어 상의 접착력까지 증가시킬 수 있는 트레드의 표면개질방법이다.

즉, 본 발명에서는 타이어 제조공정 중 트레드 반제품 단면을 부착시킬 때 특정 조성물로 이루어진 접착용 시멘트 없이 접착력을 월등하게 개선시켜 후 공정에서 단면 벌어짐에 의한 문제점을 모든 조성물에 대해 완벽하게 해결할 뿐 아니라 시멘트 도포시 종종 문제가 되었던 가류 반응 후 완제품 타이어 상에서의 접착력 또한 동등 이상으로 확보하는 기술을 발명하여 기존 문제점을 해결할 수 있다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 트레드 단면의 일면 또는 양면에 대기압 플라즈마를 조사하는 공정을 포함하는 트레드의 표면개질방법을 제공하는 것이다.

플라즈마 상태에 있다는 것은 양 전극 사이에 고전압을 가하면 전기장이 발생되고 이 전기장내에서는 전자의 가속 및 충돌에 의해 원자 및 분자의 이온화가 이루어지면서 중성 라디칼 입자, 양이온, 음이온 등이 공존하게 되는데 이러한 상태를 의미한다.

본 발명에서는 이러한 플라즈마 상태를 트레드 단면의 일면 또는 양면으로 유도함으로써 트레드 단면의 표면에 많은 라디칼 입자 또는 이온 들이 표면의 물질과 반응하여 각종 반응기를 만들거나 분자구조를 변형시켜 화학반응을 원활하게 함으로써 단단한 접착이 이루어지는 기본 원리를 이용하고 있다.

하지만 이러한 기술은 특정한 조성물에 대해서 특정한 조건에서만 소기의 목적을 달성할 수 있다. 예를 들어 플라즈마 처리시 넓은 범위의 처리 조건에 대해 미가류 고무 반제품의 점착력은 크게 증가하지만, 대부분의 처리 조건에서 가류 반응후 접착력은 오히려 떨어지는 경향을 보인다.

이는 표면 개질시 과도한 플라즈마 에너지가 사슬 절단 등 고무 분자 표면을 손상시키는 결과이다. 따라서 세밀하게 적정화된 처리 조건이 본 기술을 실제 적용하기 위해 매우 중요하다.

즉, 반제품 고무의 단면 처리를 위한 플라즈마 에너지 발생 조건은 기본적으로 고무 표면에 손상(damage)이 가지 않도록 적당한 에너지와 온도 범위에 있어야 한다.

보다 구체적으로는 대기압 하에서 발생하는 대기압 플라즈마를 사용하여트레드 단면의 일면 또는 양면을 개질시키는 것이 바람직하다.

상기 대기압 플라즈마로는 MF 글로우 방전 플라즈마, RF 글로우 방전 플라즈마, 마이크로웨이브 글로우 방전 플라즈마 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 MF 글로우 방전 플라즈마를 사용하는 것이 좋다. 상기 MF 글로우 방전 플라즈마를 사용하는 경우 플라즈마 방전시 Ar, He 등의 gas가 불필요하다는 장점이 있으며, 고무 표면의손상이 현저히 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

대기압 플라즈마를 사용할 경우의 장점은 기존 진공장비 대비 투자비 및 유지보수가 저렴하며 벌크 상태 물성에 영향을 주지 않을 만큼 낮은 에너지, 저온 처리가 가능하게 된다는 점이며, 또한 고속, 연속 공정에 적용이 용이하며 환경적으로도 유해 가스나 물질의 배출이 없어서 안정하다는 큰 장점이 있다.

표면처리는 트레드 단면 중에 한 면만을 처리할 수도 있고, 양면을 모두 처리할 수도 있으며, 바람직하게는 양면을 처리하는 경우가 보다 우수한 효과를 얻을 수 있어 좋다.

또한, 처리 대상물에 따라서 한 면만으로도 효과가 충분하다면 한 면만을처리할 수 있으며, 이 경우 처리 전극 수가 한 개면 되기 때문에 장비 투자비 및 유지, 보수 측면에서 유리한 점이 있다.

또한, 고주파 영역의 플라즈마 사용시에는 자체적으로 어느 정도 열이 있으며 플라즈마 처리만으로도 짧은 시간 내에 표면 개질 효과가 크나, 저주파 영역의 상온 정도의 저온 플라즈마 사용시에는 별도의 heater를 이용하여 열과 플라즈마를 동시에 처리할 경우 그 효과가 단시간 내에 월등해진다. 본 발명의 목적에 비추어 볼 때 고주파 영역의 플라즈마 사용은 투자비, 유, 보수비 측면에서 불리하며 표면 damage 측면에서도 불리한 결과를 보임에 따라 저주파 영역의 발생장치가 바람직하였다.

도 1은 본 발명에서 사용된 전극 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1을 참고하여 설명하면, 리모트 방식이란 전극사이에서 방전된 플라즈마가 트레드 표면으로 이동하는 것인데, 본 발명에서는 이러한 리모트 방식을 이용하여 전극(101, 101') 사이에서 방전된 플라즈마 상태의 플러스 이온, 전자, 라디칼이 모두 트레드(105) 표면에 직접 닿는 것이 아니라 라디칼 만을 표면으로 유도하여 표면 손상을 최대한 억제시키는 구조를 사용한 것이다.

도 1에서는 질소 플라즈마 상에서 산소 라디칼을 예로 도시한 것이다.

플라즈마를 발생시키는 주파수는 수십 Hz - 수 MHz 영역 대에 걸쳐 방전하는 모든 대기압 플라즈마 시스템에서 미가류 반제품 점착력 증가 효과는 개선되었으나 접착력 측면과 적용성을 고려할 때 수십 KHz 수준, 즉 3 내지 15 Kv의 범위가 가장 바람직하다.

상기 대기압 플라즈마는 주파수가 수십 KHz, 바람직하게는 20 내지 60KHz 전원공급장치에 의해서 발생되는 것이다.

상기 대기압 플라즈마의 방전 전압은 상기 주파수를 사용하는 발생기에서 3 내지 15 Kv를 사용하는 것이다. 상기 방전 전압이 3 Kv 미만인 경우 충분히 플라즈마가 발생되지 않는 문제가 있고, 15 Kv를 초과하는 경우 과도한 에너지로 표면에 균일한 표면처리에 문제가 있다.

상기 플라즈마 방전가스로는 아르곤, 헬륨 등의 불활성 기체 또는 질소 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 질소 가스를 사용하는 것이 좋다. 상기 질소 가스를 사용하는 경우 저렴한 가격으로 공정비용이 절감되는 장점이 있고, 아민 계통의 라디컬 반응기가 생기면서 고무 계면간 접착력 증가 측면에서 유리하다.

상기 방전가스 자체로 반응에 필요한 라디칼/이온을 발생시키는 경우가 있고, 또 다른 경우는 소량의 반응가스를 첨가하여 필요한 활성종/이온을 발생시키게 되는데, 반응가스로는 공기, 질소, 산소, 일산화질소, 이산화질소, 암모니아, 불화탄소, 아세틸렌 등을 그 예로 들 수 있으며, 공기 또는 산소를 사용하는 것이 좋다.

상기 반응가스는 상기 방전가스의 유량에 대하여 01 내지 20%로 사용되는 것이다. 상기 반응가스의 사용 함량이 01% 미만인 경우 처리 효과가 저조하며, 20%를 초과하는 경우 효과 증가 없이 비용만 증가하는 문제가 있다.

한편, 상기 조사공정은 상기 방전가스의 유량을 200 내지 500lpm으로 실시한다.

상기 유량이 200lpm 미만인 경우 처리 효과가 저조하며, 500lpm를 초과하는 경우 효과 증가 없이 비용만 증가하는 단점이 있다.

상기 조사공정은 1 내지 20초, 바람직하게는 5초 내지 12초 동안 실시한다. 상기 조사공정이 상기 범위 내로 실시하는 경우 가장 우수한 접착 효과를 얻을 수 있다.

또한, 조사공정 시 트레드 표면의 온도는 상온에서부터 85℃, 바람직하게는 60 내지 85℃에서 실시하는 것이 본 발명에서 얻고자 하는 효과를 얻을 수 있으며, 60℃ 이하에서는 효과가 다소 적으며 85℃를 초과하는 경우 고무의 경화반응이 일어나서 오히려 가류 반응후 접착력 저하 현상이 나타난다.

본 발명은 상기 조사공정 전에 트레드를 상온에서 85℃ 이하, 바람직하게는 40 내지 70℃로 예열처리하는 공정을 더 실시할 수 있다. 상기 온도 범위 내에서 예열처리를 실시하는 경우 단시간 내에 접착력이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.

101 : 전극 105 : 트레드

Claims (5)

1. 기재와 마주보지 않는 표면을 가지고 기재와 마주보는 표면을 갖는 층과, 기재 표면 사이의 접착성을 증가시키는 방법으로서, 기재와 마주보는 층의 표면 및 감압 층으로 커버링된 기재 표면을 각각 대기압 플라즈마로 처리하는 방법.
2. 제 1항에 있어서 N2, 압축 공기, O2, H2, CO2, Ar, He, 암모니아, 바람직하게, N2 및 압축 공기의 순수한 공정 가스(process gas) 또는 공정 가스의 혼합물이 처리 대기(treatment atomosphere)를 형성하며, 수증기 또는 기타 휘발성 성분들이 또한 첨가될 수 있음을 특증으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 처리가 대기압에서 또는 대기압 부근에서 일어남을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 반응성 에어로졸이 처리 대기에 존재하거나 첨가됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마가 하나 또는 그 초과의 노즐에 의해 적용됨을 특징으로 하는 벙법.
   

Images