소개
열가소성 폴리머 포일은 비용 효율성, 경량, 유연성, 고유한 물리적 및 화학적 특성 등의 장점으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 포장, 라벨, 열수축 케이블 피복, 코팅, 커패시터 및 배터리 분리막 포일 등이 이에 해당하며, 이에 국한되지 않습니다.
압출 후 포일의 특성이 용도에 충분하지 않은 경우, 포일을 늘려서 특성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 가공의 이점은 항복 강도 또는 영 계수 증가를 통한 기계적 특성 개선부터 포일의 투명성, 투습도 감소 또는 전기 애플리케이션의 항복 전압 증가와 관련된 광학적 특성 개선에 이르기까지 다양합니다.
이러한 포일의 생산은 블로우 또는 캐스트 포일 압출로 분류할 수 있습니다. 또한 압출된 시트에 영향을 미치는 가공에 따라 이축 배향 또는 일축 배향(BO) 폴리머로 구분할 수 있습니다. 후자의 경우, 포일의 순차적 또는 동시 연신으로 이를 달성할 수 있습니다[1]. 후속 연신 공정은 유리 전이 온도보다 높지만 폴리머의 용융 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 발생합니다. 기계 방향(MD), 즉 포일의 이동 방향을 따라 늘어나는 것은 서로 다른 속도로 회전하는 롤 사이에 포일을 끌어당겨서 이루어집니다. 따라서 두 번째 롤 세트는 첫 번째 세트 [1]보다 빠르게 회전합니다. 순차 드로잉의 경우, 호일은 이후 텐터 프레임에서 호일을 펴는 오븐으로 옮겨집니다. 여기서 클램프가 호일의 가장자리를 잡고 서서히 움직여 호일을 당깁니다[1].
이러한 스트레칭 과정을 통해 포일 두께가 μm 이하로 줄어들 수 있습니다. 이러한 공정은 포일 내 폴리머 사슬의 우선적인 분자 배향을 유도합니다. 이러한 선호 배향은 가열 중에 포일이 수축하는 특정 경향을 유발합니다. 이는 포일이 더 높은 온도에 노출될 때 중요해질 수 있으며, 이는 제품의 예기치 않은 동작으로 이어지거나 최악의 경우 서비스 중 제품 고장으로 이어질 수 있습니다.
열 수축 및 늘어난 힘의 복원력폴리머 포일
선호 방향의 연신 포일이 공간 경계 조건의 제약을 받지 않는 경우, 특정 임계값 이상으로 가열하면 수축합니다. 이 절차는 ASTM D1204 및 ASTM D2732와 같은 국제 표준에서 다루고 있습니다. 그러나 포일은 종종 다른 재료와 함께 사용됩니다. 이 경우 호일은 적어도 한 쪽에서 수축되어 수축을 방해합니다. 따라서 복원력의 발달 또는 오히려 폴리머 호일 내의 응력이 관심의 대상입니다.
NETZSCH DMA 303 Eplexor® 을 사용하면 일정한 변형 상태에서 측정을 수행하여 사용자 지정 온도/시간 프로그램에 대해 이러한 거동을 특성화할 수 있습니다.
실험적
이축 배향 폴리프로필렌(BO-PP)은 NETZSCH DMA 303 Eplexor® 의 강철 장력 샘플 홀더(그림 1 참조)를 사용하여 조사했습니다. 공칭 샘플 두께는 6μm였습니다. 포일은 10mm 너비로 절단했습니다. 시료의 길이는 DMA 303 Eplexor® 의 자동 시료 길이 감지 시스템으로 측정했습니다.
MD와 가로 방향(TD, MD 대비 90°)을 따라 절단된 시료의 측정을 수행했습니다. 측정 전에 포일에 0.01N의 정적 힘을 가하여 샘플이 부풀어 오르지 않도록 했습니다. 측정을 시작하면서 샘플의 변형을 0mm로 설정하고 적용된 정적 힘을 제거했습니다. 그 후, 샘플을 시작 온도 30°C에서 20K/min의 목표 가열 속도로 60°C, 90°C, 110°C의 원하는 등온 온도까지 가열했습니다. 등온 세그먼트는 릴랙스 스윕으로 실행되었습니다. 두 세그먼트 동안 시료의 힘과 응력은 각각 시간의 함수로 기록되었습니다.
가열 중 재료의 열팽창은 이러한 종류의 측정에서 무시할 수 없습니다. 따라서 여기에 표시된 것처럼 실험은 열팽창과 연속 가열 중에 발생하는 복원력의 중첩을 피하기 위해 등온으로 수행해야 합니다.
이 측정 시리즈에 사용된 파라미터의 개요는 표 1에 요약되어 있습니다.
표 1: 이 측정 시리즈에 사용되는 파라미터 개요: 두 세그먼트에 대해 측정 프로그램에서 조정된 파라미터(온도 스윕 및 이완/크리프 측정은 별도로 자세히 설명되어 있습니다).
| 파라미터 | 값 |
| 측정 모드 | 장력 |
| 샘플 치수 | 6μm 두께 × 10mm 너비 × ≈21mm 길이 |
| 온도 스윕 | |
| 가열 속도 | 목표 온도까지 20K/min |
| 접촉력 | 0.010 n ± 0.005 n |
| 정적 하중 유형 | 변형 |
| 설정 값 | 0 mm(40 N 제한) |
| 동적 하중 유형 | 힘 |
| 목표 값 | 0 N(100% 제한) @ 1Hz |
| 이완/지연 측정 | |
| 온도 | 60°C, 90°C 또는 110°C에서 등온선 |
| 정적 하중 유형 | 변형 |
| 목표 값 | 0 mm(40 N 제한) |
측정 결과
그림 2에서는 60°C(검은색 곡선), 90°C(빨간색 곡선), 110°C(파란색 곡선)의 다양한 등온 온도에 대해 시간에 따라 계산된 MD 샘플의 응력을 보여 줍니다. 특정 배양 시간이 지나면 90°C와 110°C에서 측정값이 정점에 도달할 때까지 응력 축적은 기하급수적으로 진행되는 것으로 보입니다. 포일의 응력 축적은 온도가 높을수록 더 빨리 발생합니다. 60°C 이하의 온도에서는 측정 가능한 응력 증가를 감지할 수 없습니다. 2시간 동안은 유의미한 응력 증가가 관찰되지 않습니다.
TD 포일의 경우(그림 3 참조), 세 가지 등온 온도 중 어느 온도에서도 응력 곡선에서 유의미한 기하급수적 거동을 관찰할 수 없습니다. 110°C에서 측정한 경우, 약간의 증가는 응력의 small 축적을 시사할 수 있습니다. 그러나 동일한 온도에서 MD 포일을 측정한 결과와 비교하면 응력 증가는 small 입니다.
결론
제조 공정 중에 포일을 늘리면 폴리머 사슬이 드로잉 방향을 따라 우선적으로 배향됩니다. 이로 인해 포일의 여러 가지 특성이 개선되지만 고온에서 사용성이 제한될 수 있습니다. 폴리머 사슬의 가장 안정적인 구성은 방향의 등방성 분포이므로(따라서 엔트로피를 극대화하고 시스템의 깁스 자유 에너지를 낮춤), 재가열 시 폴리머 사슬은 이 상태로 돌아가기 시작합니다.
TD 포일에 비해 MD 포일은 110°C에서 측정하는 동안 최대 1.4MPa의 응력을 나타냈습니다. TD 포일에서는 유의미한 복원력이 감지되지 않았습니다.
이는 포일을 제조하는 동안 TD에 드로잉이 없기 때문에 이 방향에서는 응력이 감지되지 않기 때문입니다.