서론
산업 및 연구 분야에서 성능과 품질을 최적화하기 위해서는 재료 특성에 대한 정확한 분석이 필수적입니다. Kinexus 레오메트리 기술과 유전 분석(DEA)을 통합함으로써, 단일 실험 체계 내에서 기계적 및 전기적 거동을 동시에 평가할 수 있습니다. 이러한 상호 보완적인 기술을 결합함으로써 폴리머, 복합재료, 경화 시스템 등 복잡한 소재에 대한 더 깊은 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 접근 방식은 점탄성 특성과 유전적 반응을 포괄적으로 이해할 수 있게 하여, 공정 개발, 품질 관리 및 첨단 소재 연구에 유용한 데이터를 제공합니다.
측정 원리: 회전식 레오미터
회전식 레오메트리는 제어된 조건 하에서 가해진 변형에 대한 물질의 반응을 측정하여, 물질의 점탄성 특성을 규명합니다. 일반적인 진동 시험에서는 시료를 두 개의 형상(일반적으로 평행판 또는 원뿔-판 구조) 사이에 배치합니다. 한 판은 진동하고 다른 판은 고정된 상태를 유지하며(그림 1 참조), 이로 인해 시편에 전단력이 가해집니다.
제어된 각 변위 또는 토크가 가해지면 전단 변형률 γ(t)가 발생합니다:
측정 가능한 전단 응력을 나타내는 재료는 다음과 같습니다:
여기서γ₀는 변형 진폭, ω는 각주파수, τ₀는 응력 진폭이며, δ는 가해진 변형과 측정된 응력 사이의 위상 지연이다. 이 위상 지연은 물질의 점탄성 특성을 반영한다.
주요 유변학적 매개변수로는 탄성 전단 탄성계수(G´), 점성 전단 탄성계수(G´´), 복소 점도(η*) 등이 있습니다. 이들은 측정된 응력과 변형률 응답으로부터 도출되며, 재료의 구조를 나타냅니다.
재료에 변화(예: 경화)가 일어나면 변형에 저항하는 능력도 변화합니다. 고분자 네트워크가 형성되면 강성이 증가하고, 점성 전단 탄성계수 G´´와 탄성 전단 탄성계수 G´의 비율이 달라집니다.
측정 원리: 유전체 분석
유전체 분석(DEA)은 제어된 시간/온도 프로그램이 진행되는 동안 물질의 유전적 특성 변화를 모니터링하는 데 사용됩니다. 일반적인 DEA 실험에서 시료는 두 개의 전극(평행판 또는 인터디지테이티드 콤 센서) 사이에 배치됩니다(그림 2 참조).
사인파 전압이 인가됩니다:
이 물질은 전류를 발생시켜 반응합니다:
재료 내의 불순물은 전극 쪽으로 이동하는 전하 운반체를 제공하는 반면, 쌍극자 성분(모노머나 올리고머 등)은 전기장 내에서 정렬됩니다. 이러한 현상으로 인해 측정된 전류가 발생합니다.
경화가 진행됨에 따라 3차원 고분자 네트워크가 형성되어 이온 이동도가 감소하고 쌍극자의 재정렬 능력이 제한됩니다. 이로 인해 전하 운반체의 이동과 쌍극자의 변위가 제한됩니다. 이 측정에서 도출되는 핵심 매개변수는 이온 전도도 σ입니다. 이 이온 전도도는 자유 전하 운반체의 이동도와 쌍극자 재정렬을 통해 소모되는 에너지에 따라 달라집니다. 이온 점도 ρ는 다음과 같이 정의됩니다:
경화가 진행됨에 따라 팽창하는 고분자 네트워크가 이온 전도도를 낮춥니다. 이는 이온 점도의 증가와 일치합니다.
측정 조건
UHU Plus Endfest 300(에폭시 접착제)을 대상으로 60°C의 일정 온도에서 평행판 레오미터(직경: 8 mm) 및 유전 분석(DEA)을 이용하여 복합 측정을 수행하였다. 레오미터는 1%의 탄성 전단 변형률과 1 Hz의 주파수로 작동되었습니다. 정상력, 전단 탄성 계수(G´), 점성 전단 계수(G´´) 및 복소 전단 점도(η*)를 시간의 함수로 기록했습니다. DEA 측정은 100 mHz, 10 Hz, 100 Hz 및 1 kHz의 여기 주파수를 사용하여 동시에 수행되었으며, 시간에 따른 log(점도) 값(옴·cm 단위)을 추적하였다.
측정 결과
유변학적 측정 결과, 60°C에서 에폭시 접착제의 전형적인 시간 의존적 경화 양상이 나타났습니다(그림 3). 초기에는 점성 전단 탄성계수 G´´가 탄성 전단 탄성계수 G´보다 높아, 적용된 시험 조건에서 액체와 유사한 상태임을 나타냅니다. 경화가 진행됨에 따라 두 값 모두 증가하며, 57°C에서 G´가 G´´를 초과하는데, 이는 액체 상태에서 겔 상태, 그리고 최종적으로 고체 네트워크로의 전환을 반영한다. 이 G´/G´´의 교차점은 적용된 주파수(1 Hz)의 시간 척도에서 겔 점에 해당한다.
그림 4는 복합 전단 점도(레오미터)와 이온 점도(DEA)의 변화를 보여줍니다. 모든 주파수에서 측정된 이온 점도의 증가는 가교가 증가함에 따라 쌍극자 이동도와 이온 이동도가 감소함을 나타냅니다. 평탄 구간은 경화 과정이 완료되었음을 나타냅니다. 주파수가 높을수록 평탄 구간에 더 빨리 도달한다. 100 mHz와 같은 낮은 주파수에서는 측정 종료 시점까지 신호가 평탄 구간에 도달하지 않는데, 이는 반응이 아직 완료되지 않았음을 시사한다. 신호의 주파수 의존성은 빠른 세그먼트 운동과 느린 세그먼트 운동에 대한 민감도의 차이를 반영한다.
복합 분석의 중요한 측면은 두 방법의 상호 보완적인 민감도입니다. 유변학적 데이터는 네트워크 형성과 기계적 전이에 대한 확실한 정보를 제공하지만, 시료가 매우 단단해지면 유변계 측정은 정보 제공 능력이 떨어집니다. 즉, 거시적 변형만으로는 더 이상의 네트워크 발달을 파악할 수 없기 때문에 기계적 데이터가 정체되는 경향이 있습니다. 반면, 유전 분석(DEA)은 시료가 기계적 변형을 감지하기에는 너무 단단해진 후에도 진행 중인 분자 동역학 및 이온 이동도의 변화에 대해 여전히 높은 민감도를 유지합니다. 이는 100 mHz DEA 곡선에서 잘 드러나는데, 이 곡선은 유변학적 곡선이 평탄화 단계에 도달한 후에도 계속해서 변화하며 반응이 진행 중임을 나타냅니다. 따라서 DEA는 경화 후기의 단계에 대한 귀중한 추가 정보를 제공하며, 반응 진행 상황에 대한 보다 완전한 이해를 가능하게 합니다.
결론
이 응용 사례는 에폭시 경화 과정을 모니터링하기 위해 레오메트리와 DEA를 결합할 때의 이점을 보여줍니다. NETZSCH 시스템은 기계적 데이터와 유전적 데이터를 동시에 제공하여, 사용자가 전체 공정 전반에 걸쳐 거시적 변화와 분자 수준의 변화를 모두 추적할 수 있게 해줍니다. 레오메트리는 기계적 전이 및 겔화점을 식별하는 데 탁월한 반면, DEA는 시료가 더 이상 기계적 측정이 불가능할 정도로 경화되어도 반응 진행 상황에 대한 상세한 정보를 지속적으로 제공합니다. 그 결과, DEA는 진행 중인 경화 과정을 완벽하게 파악할 수 있게 하여 공정 최적화를 지원하고, 고품질의 완전 경화 제품을 보장함으로써 독보적인 가치를 제공합니다.