[도장검사] 도막의 경화도 분석을 위한 DSC에 대해 알아봅시다.(Tg값)


분체도료는 열가소성분체도료(thermoplastic powdercoating) 와 열경화성분체도료(thermosetting powdercoating)으로 구분됩니다. 대부분의 분체도료를 차지하는 열경화성분체도료는 스프레이후 건조로를 통과하면서 도료경화에 적합한 열에 노출이 되고, 그로 인해서 경화반응을 하게 됩니다.

적절하게 경화된 도료의 도막은 도료가 본래 가지고 있는 물성(property)를 발휘하게 됩니다. 따라서 미경화된 도막은 부착성, 내수성, 광택, 색상 등의 물성에서 제대로 경화된 도막과 차이가 생깁니다.



그럼 도막의 경화도를 분석하는 방법 중 하나인 DSC분석을 통해 도막의 Tg(film Tg)값을 이용하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

DSC는 'Differential Scanning Calorimetry'의 약자로 우리말로는 '시차주사열량계'라고 표현합니다.

참고규격: ASTM E1356 Standard Test Method for Assignment of the Glass Transition Temperatures by Differential Scanning Calorimetry

DSC에 대해 간단히 설명을 드리면, 한개의 기준시료와 측정하고자 하는 시료에 동일하게 열(heat flow)을 가하면서 시료의 온도를 측정하여 시료가 열(에너지)를 흡수하는 량을 측정하는 것이라고 생각하면 쉽습니다. 기준시료와 샘플시료의 흡수량의 차이를 통해서 시료의 반응(reaction)과 변화를 확인할 수 있습니다.

DSC 시료배치
DSC분석을 위한 시료배치

도료의 경화도를 DSC분석을 통해 확인할 때 확인하는 값이 Tg값입니다.
Tg값이란 'Glass Transition Temperature'로 우리말로 '유리전이온도'라고 합니다.

유리전이온도(Tg)를 간단하게 설명하면 유리상태가 전이(변하는) 온도입니다. 예를 들어 설명하면, 경화된 딱딱한 도막에 열을 천천히 가하면 유연해지고 고무 같아지는 상태가 되는 온도가 있습니다. 그 온도를 '유리전이온도(Tg)'라고 합니다.

Hard, rigid, glassy state == Tg ==> pliable, compliant, rubbery state

Tg의 개념은 녹는 점(Melting Point)와는 다른 개념으로 혼선 없으시길 바랍니다.

Tg값이라고 하시만, 사실 Tg는 하나의 값이 아니라 범위(range)를 의미합니다. 
하지만 보통은 Tg값을 단일의 값으로 표현합니다. 예를 들어 Epoxy의 Tg값이 75℃다. 이런 식으로 표현하는데, 이때는 Tg범위의 중간값(mid)을 의미하는 것입니다.

분체도료의 Tg값에 크게 영향을 주는 요소는 수지(resin), 경화제(hardener, crosslinker)가 있으며, 분체도료의 도막의 Tg값에 영향을 주는 요소는 위 두가지와 더불어서 경화된 정도(degree of cure)이며, 이에 따라 필름 Tg값(도막의 Tg값)이 변하게 됩니다.

Tg값을 이용한 경화도 분석


도막의 경화도 분석을 위해서 DSC를 이용해서 Tg를 측정할 때는 일반적으로 DSC를 '가열-냉각-가열-냉각'스케쥴로 작동하여 Tg값을 측정합니다. 첫번째 가열시 측정한 Tg값과 두번째 가열시 측정한 Tg값의 차이로 경화도를 파악합니다.

Tg값을 비교하는 이유를 간단히 설명하면, 도료의 수지와 경화제가 반응을 하여 도막을 형성하는데, 같은 도료에서는 경화도가 높을수록(crosslink가 많을수록 또는 경화밀도가 높을수록) 도막이 단단해지는 경향이 있습니다.(hard, rigid) 따라서 경화도가 낮은 도막의 Tg값은 더 낮은 온도에서 유연한 상태로 변하고, 경화도가 높은 도막은 낮은 도막의 비해서 더 높은 온도에서 유연한 상태가 된다고 이해해도 됩니다.

DSC결과(필름 Tg값)
DSC결과(필름 Tg값)

위 그래프를 보는 DSC분석 결과있습니다. 아래쪽에 있는 갈색선이 첫번째 Tg값이고 파란색선이 두번째 Tg값입니다. 첫번째 Tg값이 109℃이고 두번째 Tg값이 114℃입니다.

첫번째 Tg를 측정하면서 가열을 하기 때문에 두번째 Tg를 측정할 때는 도막이 완전히 경화되었다고 볼 수 있습니다. 아주 간단히 설명하면 완전히 경화된 도막의 Tg값이 114℃이고, 첫번째 측정한 Tg값이 109℃인 것을 볼 때, 샘플도막은 화학적으로 100% 경화되지 않았다고 볼 수 있습니다.

하지만, 보통 첫번째 Tg값과 두번째 Tg값이 차이가 있다고 해서 무조건 도료 미경화로 보는 것은 위험합니다. 도료의 배합적 구조와 도료사에서 추천하는 경화조건에 따라서 도료가 최적의 물성을 나타내는 경화도가 있기 때문입니다.

그럼에도 불구하고 대부분의 도료가 100%경화된 상태에서 최적의 물성을 발휘한다고 볼 수 있기 때문에 DSC분석을 통한 Tg값 비교는 충분히 가치가 있습니다.