20.07.2023 by Prof. Dr. Ing. Sascha Englich
유변학 - 열경화성 성형 컴파운드의 공정별 흐름 경화 거동
유변학이라는 용어는 열경화성 재료의 반응 의존적 유변학적 거동을 설명하는 데 사용되며, 이는 예를 들어 열경화성 성형 화합물(사출 성형, 트랜스퍼 성형)의 가공에서 매우 중요한 역할을 합니다.
사샤 엥글리히 교수는베를린 슈타인바이스대학의 플라스틱 공학 교수이자 슈바르츠 플라스틱 기술*의 플라스틱 재료 및 공정 기술 전문가입니다. 그는 차동 주사 열량계와 유변학을 이용한 에폭시 수지 사출 성형 최적화를 위한 새로운 블로그 시리즈의 일환으로 이미 이에 대한 보고서를 발표했습니다: E-모빌리티에서의 열경화성 사출 성형, 에폭시 수지 - 사출 성형 가능한 화합물의 기초가 되는 반응성 폴리머, 열경화성 수지에 대한 DSC 분석에 대한 보고서를 이미 발표했습니다. 블로그 시리즈의 네 번째 파트는 유변학에 관한 내용입니다.
유변학이라는 용어는 열경화성 재료의 반응 의존적 유변학적 거동을 설명하는 데 사용되며, 이는 예를 들어 열경화성 성형 화합물의 가공(사출 성형, 트랜스퍼 성형)에서 매우 중요합니다. Classic 흐름 경화 거동의 단순화된 모니터링은 일반적으로 점도/흐름성의 소위 "U" 곡선을 기반으로 하며, 온도 증가에 따른 초기 점도 감소와 점진적인 분자 가교로 인한 후속 점도 증가 간의 관계를 나타내기 위한 것입니다(그림 1).
열경화성 성형 컴파운드의 유동 경화 거동에 대하여
실제 제조 공정에 적용하면 이러한 화학적-물리적 상호 작용은 훨씬 더 복잡한 공정으로 이어집니다. 그림 2는 사출 성형 사이클에 따른 열경화성 성형 컴파운드(예: 에폭시 수지 또는 페놀 수지)의 유동 경화 거동 모식도를 보여줍니다. 재료 강성(용융 상태의 점도에 해당)은 개별 공정 단계에서 특징적인 곡선을 보여줍니다. 가소화 중에는 비정질 수지의 유리 전이 범위가 초과될 때까지 배럴 히터와 마찰(스크류 회전)에 의해 질량 온도가 체계적으로 증가합니다(그림 2, 노란색 그래프). 이제 재료가 용융 상태가 되었습니다. 이상적으로는 경화를 피하면서 가능한 한 낮은 점도로 온도를 선택/조정하는 것이 좋습니다(블로그 기사 "열경화성수지에 대한 DSC 분석 - 다양한 수지 유형에 적합한 측정 방법론의 적용" 참조).
사출 성형 중 공정 상태
사출 단계에서 재료가 기계 노즐을 통과할 때 마찰은 단시간에 재료를 관련 경화 온도에 가깝게 가열합니다. 따라서 이 시점부터 분자 가교가 가속화된 속도로 발생합니다(그림 2, 파란색 곡선). 동시에 이러한 온도 상승은 점도의 현저한 감소로 이어집니다. 이 비교적 짧은 공정 단계는 경화 시간(반응 역학)과 더불어 금형 충진(유변학)을 정의하기 때문에 공정 효율과 품질에 중요합니다. 가압 후 단계에서 점도는 처음에는 온도 상승(발열 가교 반응을 포함한 금형 가열)으로 인해 계속 감소하다가 가교가 진행되면서 최종적으로 증가하여 재료가 고체 상태로 돌아갑니다(경화 단계). 재료/구성 요소는 뜨거운 고체 상태로 금형에서 배출됩니다. 가교 특정 유리 전이 온도의 임계값은 냉각 중에 먼저 도달합니다.
재료별 유동 경화 거동에 대한 인사이트는 부품 및 공정 설계에 있어 매우 중요합니다. 예를 들어 전자 부품을 캡슐화하려면 민감한 전자 부품을 손상시키지 않기 위해 감압 몰드 충진이 필요합니다. 동시에 매우 좁은 틈새를 완전히 채워야 하는 경우가 많습니다(그림 4). 이를 위해서는 적절한 금형 및 공정 설계와 함께 금형 충진 시 점도가 특히 낮은 재료(주로 특수 에폭시 수지 화합물)가 필요합니다.
유변학 특성이 중요한 역할을 하는 또 다른 중요한 지점은 필러 구조의 형성, 예를 들어 섬유 방향입니다. 두 가지 방향의 레이어가 형성됩니다(그림 5). 섬유가 주로 흐름 방향과 평행한 방향(전단 영역)인 두 개의 가장자리 층과 섬유가 주로 흐름 방향에 수직인 방향(측면 확장 영역)인 하나의 코어 층이 있습니다. 단면 위의 배향된 층의 해당 비율은 서로 다른 하중 방향에서 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 이는 금형 및 공정 설계 외에도 유변학적인 재료 거동에 영향을 받습니다.
처리 시뮬레이션 방법
앞서 언급한 두 가지 적용 시나리오는 최적의 재료 선택, 금형 및 공정 설계를 수행하기 위해 열경화성 성형 화합물의 유변학적 거동에 대한 통찰력을 갖는 것이 중요하다는 것을 보여줍니다. 실험적인 시행착오를 피하기 위해서는 공정 시뮬레이션 방법(그림 6)을 사용하는 것도 중요합니다. 따라서 유변학적 재료 거동은 DSC와 유변물성을 조합하여 결정해야 하며, 공정 시뮬레이션 소프트웨어의 수학적 모델을 통해 '계산 기준'으로 사용할 수 있어야 합니다.
유변학적 측정의 한 가지 옵션은 회전/진동을 사용하는 것으로, 다음 글에서 열경화성 성형 컴파운드 분석 중에 자세히 설명할 것입니다.
유변학 측정의 한 가지 옵션은 회전/진동을 사용하는 것으로, 다음 글에서 열경화성 성형 컴파운드 분석 시 자세히 소개할 예정입니다. 계속 지켜봐 주세요!
*슈바르츠 플라스틱 기술 는 엔지니어링, 공정 기술 및 플라스틱 관련 마케팅에 중점을 둔 플라스틱 산업의 특정 과제에 대한 컨설팅 회사입니다.
