폴리머 제조사

폴리머가 몇 도에서 연화되고 녹는지에 대한 것은 폴리머 가공에 관한 기본적인 재료 성질로서 꼭 알아야 합니다. 압축, 사출 성형, 필름 블로 몰딩 가공 등의 첫 단계에서는 수지 펠릿을 녹는점을 넘어 가열하는 것이 일반적입니다. 열성형과 블로 몰딩의 경우 유리 전이 온도 이상으로 수지를 가열하여 연화하되 완전히 녹이지는 않습니다. 단단한 수지 펠릿(낮은 에너지 상태)에서 연화되거나 완전히 녹은 펠릿(높은 에너지 상태)으로 변형하려면 에너지를 투입해야 하며 DSC(시차 주사 열량계)로 측정 가능합니다.

DSC 테스트에서는 온도가 정속 증가하므로 시료의 열흐름을 모니터링할 수 있습니다. 용융과 유리 전이 같은 열 전이는 높은 에너지 상태로 이동하면서 재료가 열을 흡수하는 흡열 이벤트로 나타납니다. 그 결과 폴리머 형태에 대한 정보도 드러납니다. 비정질 상태와 반결정체 상태 사이에 뚜렷한 차이를 보이죠. DSC 테스트의 1차 가열 주기 동안 비정질 재료는 녹지 않고 폭넓은 유지 전이를 보여주는 반면 반결정체 폴리머는 또렷하고 명확한 용해 최대치를 보여줍니다. 용해 온도와 유리 전이 온도는 폴리머마다 고유하기 때문에 이 정보를 이용하여 가공에 앞서 유입되는 공급 원료의 질을 신속하게 평가할 수 있습니다.

압축, 사출 성형, 블로 몰딩 같이 흔한 열가소성 가공 기법에서는 손쉽게 가공하기 위해 녹는점 이상으로 수지를 가열해야 합니다. 그러나 온도 상승 시에 발생할 수 있는 수지의 질 저하를 막기 위해 가공 온도를 세심하게 조절해야 합니다. 폴리머의 품질 저하 시작은 상당한 중량 손실이 발생하기 시작하는 온도(일반적으로 5% 초과)로 식별할 수 있으며 열중량분석기(TGA)로 측정 가능합니다.

TGA 결과를 보면 이후 테스트의 온도 상한을 알 수 있기 때문에 폴리머의 열 분석 중에 TGA 테스트를 수행한 후 DSC 테스트를 진행하는 것이 일상적입니다. 가공을 위해 품질 저하 시간을 알아보는 것 외에도 TGA 결과는 기본 폴리머, 가소제, 필러 등의 양과 같이 수지의 주요 성분 구성을 양적으로 드러냅니다. TGA 실험 중에 생성된 오프가스를 추가로 분석하면 분해 생성물의 화학적 정체를 알 수 있습니다. 이러한 EGA(방출 기체 분석) 유형은 실시간 TGA 데이터와 FTIR 및 GC-MS 결과를 결합한 것이므로 더욱 강력합니다.

TGA 결과로 다음 질문에 답해보세요.

• 공급 원료 평가: T는 어느 수준에서 이 수지를 분해하는가? 분해 프로파일은 어떠한가?
• 가공: 이 수지 배치에 휘발성 재료가 있는가? 가공 후 오프가스가 발생할까?
• 실패 분석: 합격 부품과 불량 부품의 필러 함유물 또는 분해 프로파일에 차이가 있는가?
• 수명 종료 후 재활용: 열분해 도중 최대 중량 손실이 발생하는 온도는 몇 도인가? 재활용 수지의 이 배치에 어떤 오염물이 존재하는가?

관련 응용 분야 정보:

• TA125:Estimation of Polymer Lifetime by TGA Decomposition Kinetics
• TA430: Effect of Thermal Degradation on Polymer Thermal Properties
• TA434: Thermal Degradation Study of Nylon 66 using Hyphenation Techniques TGA-MS and TGA-FTIR-GC/MS

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?

관련 응용 분야 정보:

• TS5:Determination of the Relative Oxidative Stability of Polyethylene Bottle Tops by Differential Scanning Calorimetry (DSC)
• TA121: Oxidative Stability of Polyethylene Terephthalate

폴리머 용융의 점성 및 점탄성 거동은 사출 성형과 압축 기법을 이용해 폴리머를 가공할 때 중요한 역할을 담당합니다. 기본적으로 점성은 흐름에 대한 재료 내부의 저항입니다. 점성이 높은 수지는 느리게 흐르고 몰드를 채우는 데 많은 시간이 걸리므로 사이클 타임이 증가하고 미성형 같은 결함 가능성이 발생할 수 있습니다. 결과적으로 수지의 점성을 측정하고 세심하게 통제해야 가공 안정성을 보장하고 배치 간 변동성을 제거할 수 있습니다.

폴리머 용융의 경우 전단 속도라고도 하는 변형 속도에 따라 점성 프로파일이 좌우됩니다. 전단 속도가 증가하면 점성이 감소하므로 압출과 사출 성형 공정에서 높은 전단 속도를 마주하면 멱승법 영역에서 점성 곡선이 전단 박화 거동을 표시합니다. 이와 같은 전단 속도 의존성은 폴리머의 분자 중량 분포와 분기 정도의 영향을 받습니다.

높은 전단 속도는 가공 조건과 관련이 있지만 낮은 전단 속도에서 점성을 측정하는 것은 수지의 분자 구조를 드러내는 데 필수적입니다. 1차 뉴턴 영역에서 0 전단 점성은 수지의 분자 중량과 직접적인 상관관계가 있고 회전 레오미터로 측정할 수 있습니다.

점탄성은 분자 중량/분자 중량 분포와 어떤 관계가 있는가?

회전 레오미터의 진동 테스트는 다양한 시간 범위에서 작은 변형을 통해 폴리머 구조를 조사함으로써 폴리머의 점탄성에 대한 귀한 인사이트를 제공합니다. 그 결과 진동 주파수의 함수로 폴리머의 저장 탄성률(G’), 손실 탄성률(G”), 복소 점도(η*)를 알 수 있으며 이를 이용해 폴리머 완화의 동력을 더욱 잘 이해할 수 있습니다. 이러한 변수는 수지의 분자 중량, 분자 중량 분포, 긴 사슬 분기 구조 등의 영향을 많이 받습니다. 용융 흐름 인덱서 또는 모세관 유동학과 비교할 때 회전 유변물성 테스트에서 얻은 점탄성 프로파일은 높은 분자 중량 오염의 존재에 특히 민감하여 가공 문제를 야기할 수 있습니다.

회전 레오미터에서 실시한 점성 및 점탄성 측정으로 다음 질문에 답해보세요.

• 공급 원료 평가: 수지의 분자 중량/분자 중량 분포에서 배치별 변동은 점탄성 프로파일에 어떤 영향을 주는가?
• 가공성: 제조 공정과 관련 있는 모든 전단 속도에서 수지는 올바른 점성을 갖고 있는가?
• 수명 종료 후 재활용: 재활용 수지의 오염과 MW 변동은 가공에 어떤 영향을 주는가?

관련 응용 분야 정보:

• AN013:Understanding Rheology of Thermoplastic Polymers

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.

폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 같은 반결정체 열가소성 수지는 포장재를 비롯하여 다양한 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 반결정체 폴리머 형태의 특징은 흐트러진 영역과 비정질 영역 사이에서 국부적 규칙도를 나타내는 결정체 영역의 존재입니다. 구조 내부에 이러한 결정체 영역이 존재하면 강도와 마모 성능, 화학적 저항 상승을 비롯하여 최종 사용 시 바람직한 성질이 갖춰집니다. 그러나 결정도가 높으면 잘 부러지거나 광학 명료성이 떨어지거나 뒤틀림과 수축 결함이 발생할 수 있으므로 제품에 필요한 결정도 수준을 달성하려면 가공 조건을 세심하게 조절해야 합니다.

결정화는 에너지가 높은 비정질 구조를 에너지가 낮고 단단한 구조적 결정 구조로 변환하는 과정입니다. 이 전이는 에너지를 방출하며 DSC(시차 주사 열량계)를 이용해 발열 피크 값으로 정확하게 측정 가능합니다. 일반적으로 DSC 테스트는 가열-냉각-가열 주기로 또렷이 구분되는 3단계로 수행합니다. 1차 가열 주기는 수령 상태 그대로 재료를 평가하고 그 재료에 균일하고 명확한 열 이력을 부여합니다.

일단 녹으면 DSC 곡선의 냉각 주기가 결정화에 대한 정보를 제공합니다. 즉, 결정화가 시작되고 종료되는 시점의 온도, 그리고 결정화 동역학의 간단한 개요를 알 수 있습니다. 더 상세한 등온 테스트를 통해 결정화 동역학에 대한 추가 인사이트를 얻을 수 있습니다. 응집제를 천천히 추가하면 결정화의 양과 속도를 조절할 수 있으나 결정화 속도에 영향을 주는 염료, 착색제, 재활용 수지의 오염물 등이 응집제로 작용할 수도 있습니다. 결정도는 제품 성능에 직접 영향을 미치므로 최종 사용 분야에서 제품을 무사히 사용하려면 결정도 수준을 신중하게 측정하고 조절해야 합니다.

DSC 결과로 다음 질문에 답해보세요.

• 가공: 필요한 결정도를 얻기 위해 어느 정도의 냉각 속도가 필요한가? 응집제가 필요한가?
• 수명 종료 후: PCR로 만든 제품과 버진 재료로 만든 제품의 결정도가 일치하려면 어떻게 하는가?

관련 응용 분야 정보:

• TA393:Comparison of Crystallization Behavior of Different Colored Parts Made from PP Using a Single DSC Experiment
• TA448: Semi-Crystalline Thermoplastic Analysis Using the Discovery X3 DSC
• TA444: Comparison of the Thermal Behavior of Different Types of Recycled PET for Advanced Honeycomb Structures

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?

관련 응용 분야 정보:

• RH100: Measurement of Glass Transition Temperatures by Dynamic Mechanical Analysis and Rheology