22.06.2023 by Milena Riedl

모세관 유변학 측정의 기초

유변학은 유체의 변형과 흐름을 연구합니다. 전통적으로 모세관 레오미터는 높은 전단 속도에서 점성 물질의 전단 점도와 탄성을 측정하는 데 사용되어 왔습니다. 모세관 레오미터가 필요한 이유와 얻을 수 있는 데이터에 대해 알아보세요.

"유변학은 유체의 변형과 흐름을 연구합니다. [...] 전통적으로 모세관 레오미터는 높은 전단 속도에서 점성 물질의 전단 점도와 탄성을 측정하는 데 사용되어 왔습니다. [...] 높은 전단 속도에 대한 관심은 압출, 필름 블로잉 및 사출 성형과 같은 공정에서 재료가 겪는 변형 모드에서 비롯됩니다." [1]

변형 또는 환경 자체에 대한 재료의 반응은 다양한 시간 척도에서 발생합니다. 물리적 노화나 크리프와 같은 일부 공정은 수년이 걸립니다. 압출, 블로우 성형, 사출 성형과 같은 공정 중 충격 거동이나 전단 및 신장과 같은 다른 공정은 몇 초 또는 몇 밀리초 만에 발생합니다.

재료의 반응 속도가 빠를수록 변형 속도도 빨라야 합니다. 이것이 회전 레오미터가 이러한 공정에 적합하지 않은 이유이기도 합니다. 회전 레오미터의 기능 원리는 분자 수준에서 낮은 변형 또는 medium 변형까지 변화를 감지하도록 설계되었습니다. 그러나 모세관 레오미터는 스펙트럼의 반대편, 즉 빠른 시간 척도에서 발생하는 공정을 다룹니다.

그림 1: 금형 충진에 미치는 영향

모세관 유변학이 필요한 이유는 무엇인가요?

예를 들어 사출 성형 공정에서는 재료의 점도와 러너 및 부품 자체의 기하학적 구조가 금형 충진에 영향을 미칩니다. 이 두 가지 매개 변수는 전단 속도, 충진 압력, 흐름 길이, 심지어 금형을 닫힌 상태로 유지하는 데 필요한 클램핑 력에도 영향을 미칩니다.

모세관 레오미터를 통해 어떤 데이터를 얻을 수 있나요?

  • 용융 점도

점도는 액체의 유동성, 즉 흐름에 저항하는 정도라고 생각할 수 있습니다. 점도 η는 전단 응력(단위 면적당 힘)과 전단 속도(전단 변형률의 속도 변화)의 비율로 표현됩니다. [2]

  • 높은 전단 속도 동작

전단 속도는 유체가 흐르는 동안 전단되거나 변형되는 속도입니다. 좀 더 기술적인 용어로, 유체 층이 서로를 지나가는 속도입니다. 예를 들어 연고, 크림 또는 로션을 피부에 아주 얇게 문지르는 경우 전단 속도는 튜브에서 천천히 짜내는 경우보다 훨씬 더 높습니다. [3]

  • 신장 특성

필라멘트, 섬유, 필름, 시트 또는 부풀어 오르는 거품을 그릴 때와 같이 재료가 고체 경계와 접촉하지 않을 때 확장 흐름이 발생합니다. 금형 입구에서 수렴하는 흐름도 본질적으로 확장 흐름입니다. [4] 신장 특성에는 신장 변형률과 신장 점도가 포함됩니다.

  • 용융 파단(흐름 불안정성)

용융 파단은 용융 수지에 과도한 전단 응력이 가해져 압출물이 거칠어지는 현상으로 정의됩니다. [5] 이는 부품 특성에도 영향을 미칠 수 있는 원치 않는 표면 효과입니다. 조사 대상 소재의 높은 전단 응력에서 발생하므로 처리량을 줄임으로써 이를 줄이거나 제거할 수 있습니다.

  • 응력 완화(상대적)

응력 완화는 일정한 변형 하에서 시간에 따라 응력이 감소하는 것을 말합니다. 폴리머의 이러한 특성 거동은 시편에 고정된 양의 변형을 가하고 이를 유지하는 데 필요한 하중을 시간의 함수로 측정하여 연구합니다. [6]

  • 용융 강도

용융 강도는 폴리머 용융물이 늘어나는 것에 대한 저항으로 설명할 수 있습니다. 재료의 용융 강도는 폴리머의 분자 사슬 얽힘 및 변형 시 풀림에 대한 저항과 관련이 있습니다. 엉킴에 대한 저항성에 영향을 미치는 폴리머 특성은 분자량, 분자량 분포(MWD) 및 분자 분지입니다. 각 특성이 증가함에 따라 낮은 전단 속도에서 용융 강도가 향상됩니다. [7] 이는 플라스틱 소재의 성공적인 압출을 위한 중요한 특성입니다.

  • 다이 팽창

다이 팽창은 소재가 캐필러리 다이에서 흘러나올 때 발생합니다. 다이 팽창을 설명하는 한 가지 방법은 폴리머 용융물이 자신의 흐름 이력을 기억하는 능력을 고려하는 것입니다. 이 아이디어는 유체 요소가 저장소에서 모세관 금형으로 이동하는 것을 짧고 뚱뚱한 원통이 길고 가느다란 원통으로 압착되는 것으로 상상하는 것입니다. 다이에서 유체 요소의 체류 시간이 기억이 사라지는 시간(이완 시간)보다 짧으면 원래 모양으로 돌아가려고 시도하여 다이 팽창 효과를 생성합니다. [8]

  • pvT 동작 및 압축성

pvT는 재료의 압력과 부피 사이의 관계를 조사합니다. 또한 폴리머 용융물이 얼마나 압축 가능한지 알려줍니다. 폴리머는 고온과 고압에서 가공되기 때문에 압력, 부피, 온도 간의 관계가 매우 중요합니다.

모세관 레오미터의 데이터가 필요한 이유는 무엇인가요?

모세관 레오미터 데이터가 필요한 다른 이유도 있습니다: 품질 관리 및 보증을 위해 재료의 유동 거동을 측정하거나, 가공 연구(전단 의존성)를 수행하거나, 유동 시뮬레이션을 위한 입력 모델 파라미터를 얻습니다. 필러, 가공 보조제 및 생산 향상제의 효과를 평가하기 위해 배합을 연구할 수 있습니다.

다음 주에는 모세관 레오미터의 작동 원리를 다루고, 특성 점도 흐름 곡선을 설명하며 필요한 보정의 중요성을 강조하겠습니다.

출처:

[1] Dao, T.T., Ye, A.X., Shaito, A.A., Roye, N., Hedman, K. (2009): 모세관 유변학: 저점도 유체, 점성 액체 및 높은 전단 속도에서의 용융물 분석; 검색 출처: https://www.americanlaboratory.com/913-Technical-Articles/557-Capillary-Rheometry-Analysis-of-Low-Viscosity-Fluids-and-Viscous-Liquids-and-Melts-at-High-Shear-Rates/

[2] https://www.dc.engr.scu.edu/cmdoc/dg_doc/develop/process/physics/b3200002.htm

[3] Moonay, D. (2017): 전단 속도란 무엇이며 왜 중요한가?; 검색 출처: https://www.labcompare.com/10-Featured-Articles/338534-What-is-Shear-Rate-and-Why-is-it-Important/

[4] Shenoy, A.V. (1999): 충진 폴리머 시스템의 유변학; 검색 출처: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-015-9213-0_9

[5] 에브네사자드, S. (2017): 불소 플라스틱; 검색 출처: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/melt-fracture

[6] Ashter, S.A. (2014): 단일 및 다층 라미네이트의 열성형; 검색 출처: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/stress-relaxation

[7] Frankland, J. (2013): Extrusion: 데이터는 어디에 있습니까? 압출에서 용융 강도의 중요성; 검색 출처: https://www.ptonline.com/articles/what-about-melt-strength

[8] Koopmans, R.J. (1999): Polypropylene; retrieved from: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-4421-6_22