02.04.2020 by Milena Riedl

물이 폴리머의 기계적 특성에 미치는 영향

열가소성 플라스틱으로 만든 부품에 물이 문제가 되는 이유는 무엇일까요? 교과서에는 일부 폴리아미드(PA) 유형의 수분 흡수율이 상대 습도 50%와 물에서 모두 매우 높다고 설명되어 있습니다. 이것만으로는 문제가 되지 않지만 물의 흡수에 따라 소재의 특성이 매우 달라집니다. 동적 기계 분석(DMA)이 이 문제에 어떻게 도움이 될 수 있을까요?

먼저 열가소성 플라스틱으로 만든 부품에 물이 왜 문제가 되는지 알아보겠습니다. 교과서에서는 일부 폴리아미드(PA) 유형의 수분 흡수율이 상대 습도 50%와 물에서 모두 매우 높다고 설명합니다. 이것만으로는 문제가 되지 않지만 수분 흡수에 따라 소재의 물성이 매우 달라집니다. 예를 들어, 폴리아미드(PA)의 탄성률은 습한 환경에서 최대 66%까지 감소합니다. 따라서 폴리머 부품을 제작할 때는 열가소성 소재의 강성 손실을 파악하는 것이 필수적입니다. 동적 기계 분석(DMA)이 이 문제에 어떻게 도움이 될 수 있을까요?

DMA 이론상

이 방법에서는 샘플에 정현파 힘(응력)을 입력으로 적용합니다. 그 결과 정현파 변형(변형률)이 출력으로 나타납니다. 두 매개변수로부터 재료의 강성을 나타내는 계수를 계산할 수 있습니다. 하지만 DMA 측정을 통해 재료에 대해 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다! 손에 공을 들고 있는 남자의 예를 들어 보겠습니다. 남자가 공을 바닥에 떨어뜨렸지만 공은 원래 남자의 손 높이로 돌아오지 않습니다. 이것은 물질이 다른 행동을 한다는 것을 보여줍니다. 공이 바닥에서 다시 올라오기 위해 공에 남아 있는 저장 에너지는 저장 탄성계수 E´와 관련이 있습니다. 공이 튀어 오르지 못하는 높이의 손실은 손실 계수(E")와 관련된 소산 에너지와 관련이 있습니다. 결국, 우리는 재료의 감쇠 거동에 대한 정보도 얻게 됩니다.

그림 1: 스토리지 및 손실 계수

다음 예에서는 주로 저장 탄성률을 언급하는데, 이는 이 파라미터가 재료의 강성과 가장 밀접한 관련이 있으므로 폴리머 부품의 구성에서 가장 중요하기 때문입니다.

예 1: 습한 대기에서 폴리아미드 6

측정은 습도 발생기와 결합된 DMA 242 E Artemis로 수행되었습니다.상대 습도가 퍼니스에 적용되어 습도 하에서 재료의 동적 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. PA 6 샘플은 장력 모드에서 1Hz의 주파수와 40°C의 온도에서 측정되었습니다. 상대 습도는 시간에 따라 0%에서 75%까지 단계적으로 증가시켰습니다. 이러한 상대 습도 단계에서 재료의 강성(저장 탄성계수 E' 로 설명됨)을 측정했습니다. 상대 습도가 증가함에 따라 재료의 강성이 감소하는 것을 명확하게 확인할 수 있습니다. 50% 상대 습도에서는 저장 탄성률이 약 74% 감소했습니다.

그림 2: 장력 모드에서 PA 6 샘플의 DMA 측정

예시 2: 침지 욕조의 폴리우레탄

이 예에서는 DMA 242 E Artemis에 시료 홀더에 적용할 수 있는 강철로 만들어진 용기인 침수조가 장착되었습니다. DMA 242 E Artemis의 모든 시료 홀더와 변형 모드에 적용할 수 있습니다. 폴리우레탄(PU)은 25°C의 온도와 장력 모드에서 여러 주파수에서 측정되었습니다. 그림 3을 보면 용기에 물을 넣은 시점을 명확하게 알 수 있습니다. 물이 재료와 접촉하는 시간에 따라 저장 탄성계수가 감소합니다. 그 감소는 상당히 크며 약 17%에 달합니다.

그림 3: PU 시료에 대한 침지조를 사용한 DMA 측정

다양한 용도에 맞는 폴리머 부품을 제작할 때는 습도나 액체가 소재에 미치는 영향을 염두에 두어야 합니다. 소재의 원래 강성으로 부품을 설계하면 해당 부품이 사용 환경에서 실패할 가능성이 높습니다. 동적 기계 분석을 통해 사용 조건에서 동적 기계적 특성을 테스트하면 이를 방지할 수 있습니다. 여기에서 DMA 242 E Artemis에 대해 자세히 알아보세요. 알고 계셨나요? 수분 흡수는 종종 부품의 치수 변화로 이어집니다. 습도 발생기가 장착된 TMA는 습한 대기에서 길이 변화를 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 기사를 놓치지 않으려면 LinkedIn을 팔로우하세요!