서론
고분자 용융물의 유변학적 거동은 성형 및 가공의 기초가 됩니다. 모세관 유변계를 사용하면 다양한 온도와 전단 속도에서 고분자 용융물의 점도 변화를 측정할 수 있으며, 고분자의 가공 거동을 효과적으로 예측할 수 있어 고분자 소재의 가공 및 품질 관리에 대한 탄탄한 과학적 근거를 제공합니다.
일반적으로 고분자 재료의 유변학적 특성은 단일 배럴 시스템을 사용하여 측정되는데, 이 경우 서로 다른 조건에서 다양한 종류나 배치의 고분자 시료를 시험하는 데 오랜 시간이 소요됩니다. 따라서 시험 효율을 높이기 위한 검증된 방법 중 하나는 이중 배럴 모세관 레오미터를 사용하여 두 개의 시료를 동시에 시험하는 것으로, 이를 통해 시험 간 온도 안정화에 소요되는 대기 시간을 효과적으로 단축할 수 있습니다. 본 연구에서는 로산드(Rosand) RH10 이중 배럴 모세관 레오미터( NETZSCH )를 사용하여 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)에 대한 일련의 시험을 수행함으로써 이중 배럴 시험의 타당성을 분석했습니다(그림 1).
측정 조건 및 시험 방법
측정 조건은 표 1에 상세히 나와 있다. 좌우 배럴 하단에 다이를 장착하고 온도를 200 ± 0.1°C로 안정시킨 후, PE 또는 PP 입자를 좌우 배럴에 차례로 천천히 투입하여 1 MPa까지 압축한 다음, 일정 온도에서 8분 동안 예열했다. 이 압축 단계가 끝난 후 측정을 시작했습니다.
표 1: 측정 조건
| 측정 기기 | NETZSCH Rosand RH10 |
| 시료 | PE, PP |
압력 변환기 | 10,000 psi 및 5,000 psi |
| 다이 사양 | L = 16 mm, D = 1 mm |
| 시험 온도 | 200°C |
| 전단 속도 범위 | 10 ~ 10000 s⁻¹ |
측정 결과 및 고찰
그림 2는 이중 배럴을 사용하여 200°C 및 10 ~ 10,000 s⁻¹에서 시험한 동일한 PE 소재의 전단 점도 곡선을 보여줍니다. 이때 좌우 배럴에는 길이/직경(L/D) 비율이 16/1인 다이와 각각 10,000 psi 및 5,000 psi의 압력 변환기를 사용하였다.
시험 데이터와 편차 값은 표 2에 나와 있다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 좌측 및 우측 배럴로 시험한 전단 점도 곡선은 매우 우수한 재현성을 보인다. 또한 표 2에 나타난 바와 같이, 서로 다른 전단 속도에서 측정된 전단 점도 값의 편차는 1% 미만이다. 따라서 왼쪽 배럴과 오른쪽 배럴을 모두 사용하여 시험을 수행하면 정확한 결과를 얻을 수 있다.
표 2: 200°C에서 좌측 및 우측 배럴의 시험 데이터와 PE 편차
| 전단 속도 (s⁻¹) | 전단 점도 (Pa·s) | 평균값 (Pa·s) | 편차 (%) | |
| 왼쪽 배럴 | 오른쪽 배럴 | |||
| 10 | 2259.40 | 2241.22 | 2250.31 | 0.40 |
| 21.5 | 1583.38 | 1558.92 | 1571.15 | 0.78 |
| 46.42 | 1079.93 | 1059.68 | 1069.81 | 0.95 |
| 100 | 727.73 | 716.45 | 722.09 | 0.78 |
| 215.32 | 493.07 | 492.14 | 492.61 | 0.09 |
| 464.63 | 308.37 | 305.36 | 306.86 | 0.49 |
| 999.96 | 188.81 | 189.83 | 189.32 | -0.27 |
| 2155.44 | 114.09 | 114.57 | 114.33 | -0.21 |
| 4642.62 | 68.74 | 68.74 | 68.74 | 0.01 |
| 10001.14 | 41.09 | 40.92 | 41.01 | 0.20 |
그림 3은 PE(왼쪽 배럴, 검은색)와 PP(오른쪽 배럴, 빨간색)의 겉보기 전단 점도 곡선을 보여줍니다. 200°C 및 50 ~ 3000 s⁻¹의 조건에서 듀얼 배럴 시스템을 사용하여 시험한 결과로, 좌우 배럴 모두 L/D 비율이 16/1인 다이와 각각 10000 psi 및 5000 psi의 압력 변환기를 사용했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 동일한 전단 속도에서 PP의 전단 점도는 PE 소재의 전단 점도보다 현저히 낮습니다. 따라서 듀얼 배럴 시험을 통해 두 재료의 전단 점도 데이터를 동시에 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 시험 직후 두 재료의 점도를 직관적으로 비교할 수도 있습니다.
전단 점도는 유체가 전단 하에서 변형에 얼마나 강하게 저항하는지를 나타내는 물질 특성입니다.
겉보기 전단 점도는 특정 전단 속도에서 관측하거나 계산한 점도 값으로, 특히 유동 조건에 따라 점도가 변하는 유체에적용됩니다 .
이중 내경 구조의 Rosand 모세관 레오미터를 사용하면 비뉴턴성 거동과 입구 효과를 보정하여 전단 점도를 직접 측정할 수 있습니다.
결론
본 연구에서는 로산드(Rosand) RH10 이중 배럴 시스템( NETZSCH ) 장비를 사용하여 다양한 조건 하에서 PE 및 PP 소재의 유변학적 특성을 시험하였다. 동일한 소재의 경우, 왼쪽 배럴을 사용하든 오른쪽 배럴을 사용하든 매우 정확한 시험 결과를 얻을 수 있습니다. 듀얼 배럴 시스템을 사용하여 서로 다른 소재를 시험할 경우, 시험 효율을 높이고 시험 시간을 효과적으로 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 시험 종료 시 시험 결과를 매우 직관적으로 비교할 수 있습니다.