플라스틱 대전방지제

플라스틱 대전방지제

1. 서론

플라스틱은 경량성, 성형성, 내약품성, 아름다운 외관 등의 우수한 특성을 가지고 있고, 가격 또한 비교 물질에 비하여 저렴하고 대량 생산이 가능하여 가전제품, OA기기 등의 하드케이스, 자동차 내장재료, 필름 등의 포장재료와 잡화 등에 널리 이용되고 있다.

반면에 대부분의 플라스틱은 공기 중의 수분 흡수력이 거의 없고, 절연저항이 매우 높기 때문에 발생된 정전기를 흘려버리지 못하고 축적하는 성질을 가지고 있다. 따라서 공기 중의 먼지를 흡착하여 표면이 오염되고, 전기충격에 의하여 작업자에 불안감을 주며, 전자기기나 OA기기 등에서는 ESD(Electro Static Discharge)에 의한 IC의 오작동이나 메모리 파괴, 인화성 물질의 화재 폭발, 등의 여러 가지 정전기 장해를 일으킨다.

정전기의 발생 원인은 다양하며, 이와 같은 정전기 장해를 방지하기 위해 플라스틱 사용 목적에 따라서 표1에 나타낸 바와 같이 플라스틱의 전기 특성 특히 표면고유저항을 제어할 필요가 있다. 플라스틱 표면에 정전기의 축적을 방지하기 위하여 표면고유저항을 1012Ω 이하로 유지하여야 한다. 대전방지제는 플라스틱의 표면에 대전방지 성능을 발휘하는 박막을 형성하고 대기중의 수분을 흡수하면 표면에 발생한 정전기가 방출된다.

일반적으로 이용되는 대전방지법은 대전방지제를 내부 첨가하든지, 표면에 도포하는 방법이다. 대전방지제에 의한 방법은 효과의 지속성이 부족하고, 물세정 등에 의하여 효과가 감소되는 단점이 있다. 이 단점을 해결하기 위해 도전성 필러(전도성 카본, 금속 입자)를 첨가하는 방법이 있으나 코스트가 높고, 착색의 한계, 투명도 저하 등의 단점이 있다. 따라서 최근에는 다양한 작용기를 가진 고분자 형태의 영구대전방지제(고유저항:10e8 ohm 정도)가 사용되고 있으나 아직은 상용화된 제품이 다양하지 못하고 가격 또한 비싸다. 다른 방법으로 전도성고분자(고유저항:10e4 ohm 정도)를 사용하는 경우가 있으나 표면 도포를 해야하며 가격이 비싼 단점이 있다.

플라스틱 재료의 문제점을 발생시키는 정전기를 띠게 하는 원인은 다양하며, 두 물체가 접촉, 박리 또는 마찰 등과 같은 과정을 거치면서 한쪽 면은 전자가 부족하게 되고 다른 한쪽 면은 전자가 과잉으로 되었을 때 각각의 두 면에는 정(+)혹은 부(-)의 정전기를 띄게 된다.

PE와 종이를 마찰시키면 PE는 (-), 종이는 (+)로 대전되며, 가까운 물질간에 접촉되면 대전량이 비교적 적게된다.

1) 접촉 전기
두 물체가 접촉에 의하여 전기를 발생하는데 한 쪽은 전자가 과잉이 되고 다른 한쪽은 전자가 부족하게 되면서 정전기를 띄게 된다.

2) 박리 전기
접촉하고 있는 두 물체를 서로 떼어놓으면 두 물체는 정전기를 띄게 된다.

3) 마찰 전기
두 물체가 서로 마찰되면 전기가 발생하는데 이때 두 물체는 대전렬에 의해 정(+)과 부(-)로 된다.

4) 유동 대전
액체가 배관을 통해 이송되면서 정전기가 발생함.

1) 체적저항(Volume Resistance, Ω.cm)
체적저항은 주어진 순수한 물질의 고유저항으로, 측정 표면의 저항과 면적 그리고 물체의 두께를 고려한 값이다.
체적저항(ρv)= A/t . Rm (Ω.cm)
A : 전극의 접촉 단면적(cm2), t : 측정물의 두께(cm), Rm : 측정저항(Ω)

2) 표면저항(Surface Resitance, Ω/sq)
얇은 전도성이나, 표면처리된 물질의 저항을 측정한 값으로 실제 접촉한 두 점 사이의 저항이다.

3) 대전압 측정법(Volt)
시료에 인위적으로 전압을 걸어주었을 때 표면에 걸리는 전압 측정

4) 반감기 측정법(second)
대전압이 반으로 줄어드는 시간 측정

5) 간접적인 방법
- 담뱃재 부착 거리
- 먼지 부착 정도 관찰

1) 기계적 방법
접지, 이온 발생기 등

2) 환경 조절
공기 중의 습도, 온도 조절

3) 표면개질 : 대전방지제, 도전성 물질 처리
- 내부 첨가법
- 표면 도포법

대전방지제가 대전방지성을 발현하려면 내부 첨가한 대전방지제가 성형 후에 성형물의 표면으로 이행(Migration)하여 표면에 대전방지제의 연속상(도전층)을 형성하고, 표면의 대전방지제는 대기중의 수분과 접촉하게 되어 정전기를 제어하게 된다. 여기에서 대전방지제의 소수성 부분은 플라스틱과 상용성을 증가시키는 역할을 하고, 친수성 부분은 플라스틱 표면으로 배향되어 대기중의 수분과 접촉하는 역할을 하게된다. 그러므로 대전방지제는 수지와 소수성 부분, 친수성 부분이 적절히 조화를 이루어야 가공 플라스틱의 품질을 저하시키지 않으며 대전방지 성능을 얻을 수 있다.

1) 대전방지제와 플라스틱의 상용성
상용성은 대전방지제와 대상으로 하는 플라스틱과의 극성차로 결정되며, 극성이 유사할수록 상용성이 우수하다. 상용성이 우수할수록 수지에 내부 첨가는 쉽지만 표면 이행성이 나빠지며, 따라서 대전방지성이 저하된다. 반대로 상용성이 나쁘면 대전방지성은 빠르게 나타날 수 있으나, 대전방지제가 표면에 지나치게 브리드아웃(Bleed Out)되어 인쇄불량을 일으키거나 표면에 지문을 남기고 제품의 외관을 손상시키기도 한다. 따라서 앞에서 제기된 문제들을 최소화시키면서 대전방지성을 발현시키기 위하여 양자의 극성차가 적당한 균형을 이루는 대전방지제를 선택해야 할 필요성이 있다.

2) 플라스틱 분자의 운동성
플라스틱의 유리전이온도(Tg)는 대전방지제의 이행에 큰 영향을 미친다. 즉, Tg가 실온보다 낮은 Polyethylene(PE), Polypropylene(PP) 등에서는 분자가 실온에서 운동(미크로브라운 운동)하고 있기 때문에 성형 후에도 시간이 지남에 따라 대전방지제가 내부로부터 서서히 이행된다. 이행의 속도가 너무 빠를 경우 대전방지 성능이 빨리 저하될 수 있으나, Tg가 높은 플라스틱에 비하여 소량의 대전방지제를 처방하고도 대전방지성을 발현할 수 있으며, 대전방지제 선택의 폭이 넓어진다.

한편 Tg가 실온보다 높은 Polystyrene, Acryl 등에서는 분자 운동의 동결 상태로 인해 성형 후의 이행은 억제되고, 대전방지 성능을 발현하기가 비교적 어려워진다. 따라서 Tg가 낮은 플라스틱에 비하여 많은 량의 대전방지제를 처방하며 대전방지제의 선택의 폭도 좁아진다.

3) 플라스틱의 결정성
PE나 PP 등의 결정성 플라스틱의 경우, 내부 첨가된 대전방지제는 성형 후에는 플라스틱의 비정질 부분을 결정으로 방해하면서 표면까지 이행하게 된다. 따라서 플라스틱의 결정화도나 결정의 배향 상태가 다르면 대전방지제의 이행 조건이 달라지므로 대전방지제의 발현 시기에도 차이가 발생한다. 가령 결정화도가 높은 HDPE와 결정화도가 낮은 LDPE에 동일한 대전방지제를 처방한 경우 결정화도가 낮은 LDPE쪽이 효과도 빠르고 대전방지제의 첨가량도 적게든다.

4) 대전방지제의 성상
비슷한 구조의 대전방지제가 플라스틱 표면에 이행되었을 때 고체보다는 액체가 더 우수한 대전방지 성능을 발현한다. 이는 대기 중에 있는 물분자(기체)가 액체와 접촉하기가 용이하며, 액체가 고체보다 균일한 도전성 박막을 형성할 수 있기 때문일 것으로 추정한다. 그러나 액체는 플라스틱 표면에 과량 이행될 경우 Wet-Blocking 현상을 일으킬 수 있고, 인쇄불량 등의 문제를 일으킬 수 있다.

5) 습도와 대전방지제의 성능
대전방지제의 친수성기(Hydrophilic Group)가 대기중의 수분과 접촉으로 정전기 제어를 하기 때문에 대기 중에 습기가 많으면 대전방지 성능이 양호하게 발현되며, 공기 중의 습도가 30～40% 이하에서는 대전방지제의 성능이 저하되는 경향이 있다. 따라서 정전기로 인한 문제를 줄이면서 대전방지제의 성능을 높이려면 대기 중의 습도를 높게 조절하는 것이 좋다.

6) 대전방지제의 분자량
동일한 수지에서 대전방지제의 구조가 동일하다면 분자량이 적은 것이 표면으로 빨리 이행되어 성능을 발현할 수 있다.

플라스틱에 대전방지제를 적용함에 있어서 고려하여야 할 사항으로는
1) 표면 저항
2) 인쇄 적성
3) 플라스틱의 투명도
4) 열접착성
5) Slip성
6) Wet-Blocking
7) 표면 Blooming 현상
8) 플라스틱의 물성
9) 플라스틱의 내구성
10) 다른 첨가제와의 반응성 등 다양하며, 특히 대전방지제가 플라스틱 가공온도에서 안정해야 하며, 열분해나 휘발분이 많이 발생해서는 곤란하다.

1) 전도성 Carbon
- 사용법 : 내부 첨가(Compounding)
- 장 점 : 안정적인 성능, 반영구적, 습도 무관
- 단 점 : Particle 발생, 사용량 과다, Color 제한

2) 전도성 고분자 : Polyaniline, Polypyrrole, Polythiophene
- 사용법 : Coating
- 장 점 : 폭넓은 범위의 저항, 연신 가능, 습도 무관
- 단 점 : 안정성 저하, Solvent에 Washing

3) Nano Size Metal : ITO, ATO, Silver
- 사용법 : 내부 첨가, Coating
- 장 점 : 안정적인 성능 유지, 반영구적, 습도 무관
- 단 점 : 사용량 과다, 높은 가격

4) 대전방지제(계면활성제)
- 사용법 : 내부 첨가, Coating
- 장 점 : 낮은 가격, 사용량 소량
- 단 점 : 습도 의존, 지속 기간 짧음, 표면 전이(Particle 발생)
- 종 류
   ① 비이온 대전방지제 : Amine계, Glycerine계, Amide계
   ② 양이온 대전방지제 : Quaternary ammonium salt
   ③ 음이온 대전방지제 : Sulfonate, Phosphate
   ④ 양쪽성 대전방지제 : Betain
   ⑤ 영구대전방지제 : 극성 Polymer