소개
폴리아미드는 우수한 기계적 저항성을 특징으로 하는 반결정성 폴리머로, 자동차 산업의 케이블 보호 및 로봇 공학 등 다양한 기술적 용도로 사용할 수 있습니다. 폴리아미드 분말은 모든 형태의 물체를 만들 수 있는 3D 프린팅 방법인 SLS(선택적 레이저 소결)에도 널리 사용되는 소재입니다.
하지만 폴리아미드는 물에 매우 민감합니다. 폴리아미드의 분자 사슬에는 물과 같은 극성 액체를 끌어당기는 극성기가 포함되어 있어 이 폴리머는 환경에 존재하는 수분을 흡수합니다. 물 분자는 폴리아미드 사슬 간격의 자유 부피를 증가시켜 폴리머가 팽창하고 기계적 하중에서 분자 사슬이 쉽게 미끄러집니다. 이는 유리 전이를 낮추는 결과로 이어지며 이를 물 유도 가소화 효과라고 합니다. [1, 2, 3]
결과적으로 수분 흡수는 폴리아미드의 기계적, 열적, 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 특히 수분 함량이 증가하면 강성과 강도는 감소하는 반면 인성은 증가합니다. [3, 4, 5]
습도가 유리에 미치는 영향을 연구하는 DSC폴리아미드의 전이
다음에서는 폴리아미드 6(PA6)의 유리 전이에 대한 습도의 영향을 조사합니다. 이를 위해 수분 함량이 0%에서 4.9%까지 다양한 수준의 시료에 대해 DSC 측정을 수행했습니다.
표 1에는 측정 조건이 요약되어 있습니다. PA6의 유리 전이는 일반적으로 수분 증발로 인한 흡열 피크와 겹칩니다. 따라서 반전(예: 유리 전이)과 비반전 효과(예: 휘발성 물질의 증발, 경화)를 분리하는 온도 변조 DSC 측정을 수행해야 합니다[6].
표 1: 측정 조건
장치 | DSC 300 Caliris®, H-모듈 | |||
샘플 | 건조(0-% 습도) | 1.2-% 습도 | 3.3-% 습도 | 4.9-% 습도 |
시료 질량 | 9.92 mg | 10.04 mg | 10.26 mg | 10.44 mg |
도가니 | Concavus® (알루미늄) 피어싱 뚜껑 포함 | |||
온도 범위 | -60°C ~ 240°C | |||
가열 속도 | 5 K/min | |||
기간 | 60 s | |||
진폭 | 0.8 K |
PA6의 유리 전이 온도
그림 1은 습도가 1.2%인 시료의 총 열 흐름을 나타내며, 이는 변조가 없는 기존 DSC 곡선에 해당합니다. 38.8°C(중간점)의 흡열 단계는 폴리아미드 6의 유리 전이를 나타냅니다. 그러나 시료에 포함된 초기 수분 방출과 이완 효과로 인해 유리 전이가 흡열 피크와 겹치기 때문에 이 평가는 정확하지 않습니다. 224.2°C(피크 온도)에서 용융이 일어나기 전에 PA6의 비정질 부분이 부분적으로 결정화되어 DSC 곡선에서 193.3°C(피크 온도)의 흡열 피크를 설명합니다.

그림 2는 온도 변조 측정 중에 얻은 원시 DSC 신호와 함께 총 열 흐름을 표시합니다. 총 열 흐름(연속선)은 위에서 설명한 대로 표준 DSC 측정과 동일합니다. 원시 신호(점선)는 재료가 실제로 온도 변조에 어떻게 반응하는지를 보여줍니다.

그림 3에서 전체 열 흐름은 반전 부분과 비반전 부분으로 분리되어 있습니다. 이를 통해 유리 전이와 증발 피크를 분리할 수 있습니다. 유리 전이는 DSC 신호의 반전 부분에서 감지되고 증발 효과는 비반전 부분에서 감지됩니다.

그 후 유리 전이가 정확하게 평가됩니다(40.4°C에서 중간점). 그러나 반전되지 않는 신호는 흡열 피크가 처음에 가정한 것보다 훨씬 더 넓다는 것을 강조합니다. 이완과 증발로 인한 이 효과는 21.2J/g의 엔탈피와 관련이 있습니다.
습도가 PA6의 유리 전이 온도에 미치는 영향
그림 4는 다양한 샘플의 반전 신호를 보여줍니다. 수분 함량이 높을수록 유리 전이 온도가 낮아집니다. 건조한 시료와 4.9%의 수분을 함유한 PA6의 유리 전이 사이에는 70°C 이상의 차이가 있습니다.

결론
폴리아미드는 흡습성이 있기 때문에 주변 환경의 습기를 흡수합니다. 이는 소재의 물성과 가공에 영향을 미칩니다. PA6에 small 정도의 수분만 있어도 유리 전이가 급격하게 감소합니다. 따라서 샘플의 수분 함량은 반드시 확인하고 제어해야 하는 필수 파라미터입니다.
신뢰할 수 있고 빠른 방법은 DSC 300 Caliris® 으로 온도 변조 DSC 측정을 수행하는 것입니다.