열가소성 수지의 유변학에 대한 기본 사항 알아보기

유변학은 ^17세기 후반 후크와 뉴턴이 제안한 탄성과 점도의 법칙에 뿌리를 둔 재료의 흐름과 변형을 연구하는 과학입니다. 열가소성 폴리머 용융물은 현대의 많은 산업 공정에서 다양한 물체를 제조하는 데 널리 사용됩니다. 폴리머는 용융 상태에서 복잡한 모양으로 성형하는 데 비교적 저렴하기 때문에 사용됩니다. 그러나 가공할 때 어떻게 흐르는지 이해할 필요가 있습니다[1].

폴리머 흐름 거동에 영향을 미치는 요인

폴리머는 유동 특성에 영향을 미치는 요인이 많기 때문에 유변학적으로 특성화하기 복잡한 재료입니다. 유동 거동에 영향을 미치는 요소의 예로는 처리 온도, 유속, 체류 시간 등이 있습니다.

또한 폴리머의 유변학적 특성은 액체와 고체의 중간에 위치합니다. 이로 인해 유동 특성의 시간 의존성 및 기타 중요한 특성이 발생하며, 그 중 일부는 아래에서 설명합니다 [1].

폴리머의 중요한 유변학적 특성

용융 점도는 온도에 따라 크게 달라지는 것으로 잘 알려져 있습니다. 공정 엔지니어는 생산되는 부품이 무광택 마감 처리가 될 때까지 금형의 온도를 낮춤으로써 표면 결함 없이 공정을 실행할 수 있는 최소 온도(따라서 최대 레진 점도)를 파악할 수 있습니다. 금형 온도를 낮추면 에너지를 절약하고 사이클 시간을 단축할 수 있으므로 용융 점도의 온도 의존성을 이해하는 것은 매우 유용합니다.

폴리머 용융물은 압출 시 다이 팽창 현상을 보이는 것으로 알려져 있습니다. 이 현상은 다이를 빠져나온 후 압출물의 직경이 증가하는 것으로 나타납니다. 다이 팽창의 양은 다이 입구에서 재료의 탄성 변형량과 관련이 있습니다. 고려해야 할 또 다른 사실은 재료가 일정한 처리량으로 압출될 때 다이 팽창 정도(보다 정확하게는 압출물 팽창)는 다이의 길이에 따라 달라진다는 것입니다. 즉, 폴리머 용융물은 금형 입구에서 적용된 탄성 변형을 재료가 잊어버리기 때문에 시간 의존성을 나타내며, 재료가 금형 내에서 더 많은 시간을 보낼수록 금형 팽창이 줄어듭니다.

용융 탄성은 다음과 같은 다른 많은 폴리머 공정에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다:

• 블로우 성형: 블로우 부품의 벽 두께는 금형이 닫히기 전에 압출 공정 중에 발생한 팽창 정도에 따라 달라집니다.
• 진공 성형 또는 열성형: 폴리머가 냉간 성형 금형 위로 진공으로 당겨지기 전에 재료가 처지는 것을 방지하기 위해 어느 정도의 탄성을 유지해야 하는 진공 성형 또는 열성형. 재료의 탄성이 충분하지 않으면 진공 또는 압력이 가해지기 전에 냉각된 금형과 접촉할 가능성이 높습니다[1].

폴리머 용융 유동 거동을 특성화하는 방법

폴리머 처리 특성은 처리되는 화합물의 윤활제, 가소제, 필러 및 기타 구성 요소의 농도에 따라 달라집니다. 이 간략한 소개를 통해 폴리머 용융 유동 거동의 적절한 특성화를 위해서는 정교하고 다양한 계측기가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

유변학자의 관점에서 폴리머 유동 거동은 세 가지 구성 요소로 편리하게 구분할 수 있습니다: 전단 및 신장 흐름은 해당 점도와 탄성 거동을 특징으로 하며, 탄성 거동은 모듈러스 또는 팽창률의 측정으로 특징지을 수 있습니다[1].

올바른 계측이 핵심

재료의 특성을 완벽하게 분석하려면 다양한 온도와 전단/신장률 범위에서 이러한 파라미터를 추출할 수 있는 기기가 필요합니다. 최신 실험실 유변학 테스트 장비는 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있는데, 키넥서스 회전 레오미터와로샌드 모세관 레오미터입니다. 또한 차동 주사 열량 측정, 동적 기계 분석 및 열역학적 분석 과 같은 열 분석 장비를 통해 재료 특성에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

다음 기사에서는 키넥서스 회전 레오미터를 사용하여 열가소성 플라스틱을 특성화하는 방법을 알아보겠습니다.

출처

[1] 회전 레오미터와 모세관 압출 레오미터를 이용한 폴리머의 유변학 테스트 및 특성 결정 (azom.com)

이 기사의 원저자인 밥 마쉬 박사(Malvern Panalytical의 전 직원)에게 감사드립니다!