서론
폴리아미드(PA)는 매우 중요한 엔지니어링 플라스틱으로서, 뛰어난 기계적 특성, 화학적 안정성 및 열적 안정성 덕분에 자동차 부품, 전자 제품, 섬유 및 포장재와 같은 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 수분 흡수는 PA 가공 과정에서 흔히 발생하는 문제입니다. PA가 수분과 접촉하면 물리적·화학적 특성, 특히 점도에 변화가 생깁니다. 점도는 가공 과정에서 PA 소재의 유동 거동을 결정하기 때문에 폴리머 가공에 있어 매우 중요한 역할을 합니다. 따라서 수분 함량과 점도 간의 관계를 이해하는 것은 PA 가공 매개변수를 최적화하고 최종 제품의 품질을 보장하는 데 필수적이다.
고분자 소재의 유변학적 특성을 측정하는 데 널리 사용되는 기기인 모세관 유변계는 광범위한 전단 속도와 온도 범위에서 소재의 유변학적 특성을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 본 연구에서는 로산드(Rosand) RH10 모세관 유변계( NETZSCH )를 사용하여 수분 함량이 PA 점도에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다. 이를 통해 수분이 PA의 유변학적 특성에 미치는 영향에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있다. 이러한 연구 결과는 고성능 PA 소재의 가공 조건을 최적화하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 고분자 가공 산업의 기술 발전을 위한 중요한 참고 자료가 된다.
측정 조건 및 시험 방법
측정 조건은 표 1에 상세히 나와 있다.
표 1: 측정 조건
| 측정 기기 | NETZSCH Rosand RH10 |
| 시료 | PA |
압력 변환기 | 5000 psi |
| 다이 사양 | L = 16 mm, D = 1 mm |
| 시험 온도 | 280°C |
| 전단 속도 범위 | 10 - 3000 s⁻¹ |
왼쪽 배럴 아래에 다이를 설치하고 온도가 안정될 때까지 기다린 후, PA 펠릿을 배럴에 서서히 주입하고 1 MPa까지 사전 가압한 다음, 일정한 온도에서 5분 동안 예열했다. 이 압축 단계가 끝난 후 시험을 시작했다.
측정 결과 및 고찰
그림 2는 280°C에서 서로 다른 처리를 거친 PA 시료의 겉보기 전단 점도와 겉보기 전단 속도 간의 관계 곡선을 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 처리되지 않은 PA 시료와 건조된 PA 시료의 전단 점도는 전단 속도가 증가함에 따라 점차 감소하며, 전형적인 전단 희석 거동을 나타낸다. 이는 전단 속도가 증가함에 따라 PA 고분자 사슬의 얽힘이 풀리는 현상이 심화되어 전단 점도가 급격히 감소하기 때문이다.
또한, PA 주사슬에 포함된 아미드기는 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있는 극성 기이기 때문에, PA는 매우 강한 흡습성을 나타냅니다. 그림 2에서도 볼 수 있듯이, 처리되지 않은 PA 시료의 전단 점도는 처리된 PA 시료의 전단 점도보다 낮습니다. 이는 주로 처리되지 않은 PA 시료의 수분 함량이 더 높기 때문입니다.
그러나 물 분자는 아미드기와 수소 결합을 형성하여 분자 사슬 간의 수소 결합을 대체할 수 있습니다. 이는 사슬 간 수소 결합의 밀도를 감소시켜 물리적 가소제 역할을 하며(그림 3의 처리되지 않은 시료의 DSC 곡선에서 더 낮은Tg 값으로 입증됨), PA 사슬 세그먼트의 이동성을 향상시킵니다. 즉, 유동 중 PA 분자 사슬의 상대적 미끄러짐에 대한 저항을 감소시킵니다. 결과적으로 PA 용융물의 전단 점도가 감소합니다. 반면, PA는 탈수 축합을 통해 얻어지는 제품입니다. 고온에서 물 분자는 PA 분자 사슬의 아미드 결합과 화학적으로 반응하여 사슬 절단을 일으킬 수 있습니다. 이는 또한 PA 합성의 역반응이기도 합니다. PA의 분자량이 감소하면 필연적으로 용융 전단 점도도 감소하게 된다.
전단 점도는 유체가 전단 하에서 변형에 얼마나 강하게 저항하는지를 나타내는 물질의 성질입니다.
겉보기 전단 점도는 특정 전단 속도에서 관측하거나 계산된 점도 값으로, 특히 유동 조건에 따라 점도가 변하는 유체에 적용됩니다.
이중 내경 구조의 Rosand 모세관 레오미터를 사용하면 비뉴턴성 거동과 입구 효과를 보정하여 전단 점도를 직접 측정할 수 있습니다.
결론
본 연구에서는 로산드(Rosand) RH10 레오미터( NETZSCH )를 사용하여 건조 처리된 PA 소재와 미처리 PA 소재의 유변학적 특성을 평가하였다. 그 결과, 수분 함량이 PA 시료의 전단 점도에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 오븐에서 건조된 PA 시료는 건조되지 않은 시료에 비해 전단 점도가 현저히 높은 것으로 나타났다.