열가소성 가공은 화합물과 마스터배치 형태로 공급되는 수지를 사출 성형, 압출, 블로 몰딩, 열성형 같은 기법을 통해 필름과 시트, 그 외 단단한 형태인자로 변환합니다. 폴리머 가치망의 이 단계에서는 여러 분석 기법으로 가공 조건을 최적화하고 문제를 해결하여 최종적으로 사용되는 환경 조건에서 제품의 성능을 연구하고 현장에서 제품이 실패하는 근본 원인을 알아봅니다.
기기 및 테스트 매개변수
재료의 기계적 성질
- 저장 탄성률, 손실 탄성률, tan δ
- 유리 전이(Tg)
혼합물 특성화 호환성
- 저장 탄성률, 손실 탄성률, tan δ
열과 습도가 기계적 성질에 미치는 영향
- 저장 탄성률, 손실 탄성률, tan δ
- 유리 전이(Tg)
응용 사례 – 폴리머 특성화와 가공
기본적으로 열가소성 가공의 핵심 단계는 3가지 기본 공정으로 나눌 수 있습니다.
- 열을 가하여 수지 녹이기/연화
- 최종 형태로 변형
- 제품을 식혀서 방출
생산 매개변수의 세부 사항이 서로 다르더라도 사출 성형, 압출부터 열성형, 필름 블로 몰딩에 이르기까지 다양한 폴리머 가공 기법에 위 세 단계를 적용할 수 있습니다. 여기서는 폴리머 가공의 모든 단계에서 흔하게 부딪치는 의문을 자세히 들여다보고 폴리머 특성화 기법으로 얻을 수 있는 인사이트를 이용해 답해 보겠습니다.
가공 및 최종 사용 중에 수지는 얼마나 안정적인가?
가공 도중, 그리고 최종 사용 조건에서 마주하게 되는 환경 영향으로 인한 질 저하를 막기 위해 수지에 안정제와 다른 첨가제를 첨가하는 경우가 많습니다. 가공 도중에 그리고 제품을 사용하면서 원래 의도한 폴리머의 성질을 유지하기 위해 산화방지제, 탈산소제, 열 및 자외선 안정제, 내연제 같은 첨가제를 넣습니다. 안정제는 본질적으로 소진되는 성질이 있어 고열이나 자외선에 노출되면 서서히 소모됩니다. 일단 안정제가 완전히 소진되면 폴리머의 성질은 급속도로 저하되기 시작합니다.
DSC에서 산화 유도 시간(OIT)을 통해 안정제의 성능을 평가할 수 있습니다. 이 등온 테스트에서는 DSC의 정화 가스가 질소에서 산소로 바뀌며 안정제가 소모되는 환경을 마련합니다. 폴리머 저하가 시작되는 시점에 열 흐름 신호가 상승하기 시작하고 시간은 OIT로 기록됩니다.
DSC의 온도 상승을 이용하여 폴리머 안정성에 관한 수치인 산화 시작 시간(OOT)을 측정할 수도 있습니다. OIT와 OOT 테스트 모두 고압 DSC를 이용해 실시할 수도 있는데, 이렇게 하면 안정제 소모를 가속시켜 테스트 시간이 단축됩니다.
DSC에서 실시한 OIT 및 OOT 결과로 다음 질문에 답해보세요.
- 공급 원료 평가: 이 수지는 이대로 가공할 수 있는가? 추가 안정제로 산화방지제가 필요한가?
- 실패 분석: 충분한 양을 사용한 부품 산화방지제가 최종 사용 조건에 적합한가?
- 수명 종료 후 재활용: PCR 배치의 안정화와 가공을 위해 어느 정도의 산화방지제가 필요한가?
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수지가 블로 몰딩에 충분한 용융 강도를 갖고 있는가?
블로 몰딩, 필름 블로잉, 열성형, 섬유 방사 같은 제조 공정에는 폴리머 용융에 대한 인장형 변형 작용이 수반됩니다. 변형 과정은 풍선이나 풍선껌을 둥글게 부는 것과 비슷합니다. 폴리머가 깨지거나 붕괴하지 않고 대규모 변형을 견디면서 녹는 능력에 따라 제품의 성공이 좌우되며, 이는 인장 점도라는 양으로 설명할 수 있습니다.
전단 점도와 비교할 때 인장 점도의 측정은 분자 구조에 매우 민감합니다. 긴 사슬 분기(LCB) 정도가 높은 폴리머는 특히 증가하는 속도에서 연장 변형을 진행하는 도중에 변형 경화 효과를 보입니다. 이 거동은 연장 과정에서 용융 강도가 더 높다는 뜻으로, 기포를 가라앉히거나 붕괴를 막거나 얇은 섬유가 찢어지지 않게 해 줍니다. 반대로 선 형태가 하나(분기 없음)인 폴리머는 공정에 실패하는 경우가 많습니다.
이처럼 중요한 성능 차이는 기존의 흐름 측정으로 적절히 감지되지 않습니다. 그러나 회전 레오미터에서는 인장 점도 액세서리(EVA)를 이용하여 손쉽게 인장 점도를 측정할 수 있습니다.
인장 점도 측정으로 다음 질문에 답해보세요.
- 가공성: 수지의 용융 강도는 얼마나 되는가? 기포가 부서지기 전에 어느 정도의 늘어남을 견딜 수 있는가?
- 수명 종료 후: 재활용 수지를 이용한 배치에서 가공 매개변수를 변경해야 하는가? 이 배치의 재활용 수지를 필름으로 가공하려면 어떤 첨가제가 필요한가? (예: 사슬연장제)
제품 성능은 어떠한가?
최종 사용 조건에서 제품의 성능을 이해하면 제품 공식화와 가공 최적화에 도움이 되며 문제 해결과 실패 분석에도 중요한 역할을 합니다. 플라스틱 제품의 기계적 성질은 최종 사용 제품의 성능과 긴밀하게 연결되어 있습니다. 서로 다른 기계 테스트 기법을 조합하여 기계적 성질을 평가하면 재료의 탄성률 정보를 알 수 있습니다. 변형 유형에 따라 추가적인 정보와 인사이트도 얻을 수 있습니다.
- 단조 테스트: 작용 하중 하에서 실패에 대한 단방향 변형 – 증가하는 하중 조건 하에서 재료 테스트(예: 응력 변형 곡선)
- 피로 실험: 반복 하중에서 손상과 실패 이해 – 증가하는 주기 조건 하에서 재료와 완제품 테스트(예: S/N 곡선)
- 동적 기계적 분석(DMA): 온도와 변형 진폭의 함수로서 고체 점탄성 연구(예: 유리 전이 온도(Tg), 시간 온도 중첩(TTS))
DMA 테스트는 휨, 압축, 장력 변형 하에서 고체 표본이 가진 기계적 성질의 온도 의존성을 조사합니다. 저장 탄성률(E’), 손실 탄성률(E”), tan δ(감쇠 계수)를 통해 재료의 점탄성에 대한 양적 정보를 얻을 수 있습니다. 폴리머 표본을 가열하면 폴리머 전이가 발생하고 이것이 기계적 변수에 반영됩니다. DMA는 온도 상승에 의한 국부 폴리머 이동성의 미묘한 변화를 포착하므로 유리 전이와 베타 전이 온도를 측정할 수 있는 가장 민감한 기법 중 하나입니다.
DMA 결과로 다음 질문에 답해보세요.
- 가공: 혼화성을 달성하기 위해 수지 배치를 균일하게 혼합했는가?
- 제품 성능: 제품이 최종 사용을 위해 의도한 환경 조건(온도, 상대습도)에 맞는 기계적 강도/강성을 갖고 있는가?
- 수명 종료 후: 재활용 수지로 만든 제품이 버진 수지로 만든 제품의 기계적 성질과 일치하는가?