서론
고압 모세관 레오미터는 실제 가공 조건 하에서 재료의 거동을 파악하기 위한 대표적인 솔루션입니다. 또한 온도가 고분자 점도에 큰 영향을 미친다는 사실도 잘 알려져 있습니다. 따라서 NETZSCH 레오미터는 온도에 민감한 유변학적 특성을 측정하며, 이는 DSC 및 TGA로 결정되는 전이 온도, 열분해 온도 및 열분해 동역학과 연관되어 있습니다. 그러나 모세관 레오미터는 시료에 온도와 전단력을 동시에 가함으로써, 완전한 공정 조건 하에서 열분해를 연구하고 문제를 예방할 수 있게 해줍니다.
실험적
PHBH 시료의 점도는 170°C에서 100,000 s⁻¹에서 100 s⁻¹ 사이의 전단 속도를 적용하여 측정하였다. 이 초기 분석이 끝난 직후, 시료를 교체하지 않은 상태에서 낮은 전단 속도부터 높은 전단 속도 순으로 점도를 측정하였다. 그 후, 새로 장입한 시료를 대상으로 새로운 측정을 수행했다. PHBV 시료의 점도는 200°C에서 두 번의 장입에 걸쳐 두 차례 측정되었다.
PHBV 대 PHBH
PHBV와 PHBH는 생분해성 바이오폴리머입니다. 코모노머의 차이에 따라 유연성, 결정성 및 가공 특성이 달라집니다.
PHBV = 폴리(3-하이드록시부티레이트-코-3-하이드록시발레레이트)
PHBH = 폴리(3-하이드록시부티레이트-코-3-하이드록시헥사노에이트)
결과
첫 번째 애플리케이션 노트인 ‘바이오폴리머 – 모세관 레오미터 PHBH 주입’의 측정 후반부(전단 속도가 증가하는 구간)에서 전단 점도 값이 더 낮게 나타났습니다(그림 1). 이는 생체고분자의 열분해 때문일 가능성이 가장 높습니다. 또한, 측정이 진행될수록 압출물의 색이 점점 더 어두워지는 현상이 관찰되었습니다. 이는 분해의 징후이기도 합니다. 두 번째 로딩(파란색 곡선)에서 수행된 두 번째 측정 결과, 170°C에서 모세관 레오미터에서 유사한 체류 시간을 확보하기 위해 시료 전처리에 동일한 절차를 사용하는 한 결과의 재현성이 양호함을 보여줍니다.
원시 데이터(즉, 압력 곡선)는 측정 중 어떠한 불안정성도 보이지 않았다(그림 1).
PHBV에 대한 결과는 재현 가능한 것으로 보인다(그림 3). 그러나 압력 곡선을 보면 측정 중에 분해가 발생하는 것으로 나타난다. 즉, 지정된 전단 속도에서 압력이 평형 상태에 도달하지 못하고 감소하는 양상을 보인다(그림 4). 전단 속도가 높을수록 이러한 현상은 더욱 두드러집니다. 이는 전단 가열 현상 때문이며, 전단 속도가 높을수록 이 현상이 더욱 뚜렷해집니다. 이로 인해 온도가 상승하고, 결과적으로 분해 속도가 빨라집니다.
결론
PHBH 시료는 170°C에서 열분해되는데, 이는 고온에 노출된 시간에 따라 달라지는 반면, 200°C에서의 PHBV는 전단 강도에 추가로 민감하여 전단 강도가 높을 경우 자가 발열 현상이 발생합니다.
가공 온도에서 높은 전단 속도가 폴리머 시료에 미치는 영향을 분석할 수 있는 장비는 모세관 레오미터뿐입니다.
감사의 말
시료 제공에 협력해 주신 프랑스 티에르 소재의 리세 장 제이(Lycée Jean Zay)와, 연구 결과에 대한 의견을 제시해 주신 GBCC(Green Business & Consulting Company)에 감사를 표합니다.