지난 3편에서는 고분자를 분류하는 여러 기준에 대해 알아보았습니다. 단량체 종류에 따라 Homopolymer, Copolymer, Terpolymer로 나누고, 고분자 형태에 따라 선형, 가지, 망목 구조로 분류했습니다. 또한 천연 고분자와 합성 고분자의 차이도 살펴보았습니다.
이번 4편에서는 플라스틱을 열적 성질에 따라 분류하는 방법을 자세히 알아보겠습니다. 열가소성 수지와 열경화성 수지의 차이점을 이해하고, 이어서 플라스틱의 기계적 성질과 분자량의 관계에 대해서도 배워보겠습니다.
1. 열적 성질에 따른 분류
1-1. 열가소성 수지(Thermoplastic Resin)
열가소성 수지는 열을 가하면 부드러워지고, 식히면 다시 딱딱해지는 플라스틱입니다. 이 과정을 여러 번 반복할 수 있다는 것이 가장 큰 특징입니다. 마치 초콜릿이나 버터처럼 열을 가하면 녹고 식히면 굳는 것과 비슷합니다.
열가소성 수지의 대표적인 예는 다음과 같습니다.
PVC(Polyvinylchloride, 폴리비닐클로라이드)는 수도관, 창틀, 바닥재, 전선 피복 등에 널리 사용됩니다. 가소제를 넣으면 유연해지고, 넣지 않으면 딱딱한 제품을 만들 수 있습니다.
PP(Polypropylene, 폴리프로필렌)는 식품 용기, 자동차 부품, 포장재 등에 사용됩니다. 내열성이 좋아서 전자레인지용 용기로 많이 쓰입니다.
PE(Polyethylene, 폴리에틸렌)는 비닐봉지, 플라스틱 병, 파이프 등에 사용됩니다. 가장 많이 생산되는 플라스틱 중 하나입니다.
ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene)는 레고 블록, 가전제품 케이스, 자동차 내장재 등에 사용됩니다. 충격에 강하고 표면이 매끄럽습니다.
열가소성 수지의 특성을 정리하면 다음과 같습니다.
첫째, 상온에서는 고체 상태이며, 열에 민감한 고분자입니다. 온도가 올라가면 바로 반응하여 성질이 변합니다.
둘째, 가열되는 즉시 연화하기 시작하여 점진적으로 용융온도에서 액상이 됩니다. 연화란 딱딱한 것이 부드러워지는 것을 말하고, 용융이란 완전히 녹아서 액체가 되는 것을 말합니다. 열가소성 수지는 온도가 올라감에 따라 서서히 부드러워지다가 결국 액체처럼 흐르게 됩니다.
셋째, 용융 온도 이하로 냉각시키면 재응고됩니다. 다시 식히면 굳어서 고체가 된다는 뜻입니다.
넷째, 가열과 냉각이 연속적으로 반복될 수 있습니다. 녹였다 굳혔다를 여러 번 할 수 있습니다. 이 특성 덕분에 불량품이나 스크랩을 재활용할 수 있습니다.
1-2. 열경화성 수지(Thermosetting Resin)
열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 열을 가해도 녹지 않는 플라스틱입니다. 열을 가하면 오히려 더 단단해지거나 분해되어 버립니다. 마치 달걀을 삶으면 다시 날달걀로 돌아갈 수 없는 것과 비슷합니다.
열경화성 수지의 대표적인 예는 다음과 같습니다.
페놀(Phenol) 수지는 최초의 합성 플라스틱인 베이클라이트의 원료입니다. 전기 절연성이 뛰어나 전기 부품, 손잡이 등에 사용됩니다.
요소(Urea) 수지는 접착제, 도료, 식기류 등에 사용됩니다. 멜라민 수지와 함께 아미노 수지로 분류됩니다.
에폭시(Epoxy) 수지는 접착제, 코팅제, 복합재료의 기지재 등에 사용됩니다. 접착력이 매우 강하고 내화학성이 뛰어납니다.
열경화성 수지의 특성을 정리하면 다음과 같습니다.
첫째, 중간체로 열가소성을 띠는 단계를 프리폴리머(Prepolymer)라 합니다. 열경화성 수지도 처음에는 열가소성처럼 녹일 수 있는 상태입니다. 이 단계를 프리폴리머 또는 예비중합체라고 부릅니다. 이 상태에서 금형에 넣고 성형합니다.
둘째, 프리폴리머를 재가열하면 화학반응을 일으켜 3차원 망목구조를 가진 불용, 불융의 고분자가 됩니다. 불용이란 용매에 녹지 않는다는 뜻이고, 불융이란 열을 가해도 녹지 않는다는 뜻입니다. 분자 사슬들이 서로 화학적으로 연결되어 그물처럼 얽히기 때문에 더 이상 움직일 수 없게 됩니다.
셋째, 이들은 고분자로 경화되면 열고정되어 안정된 상태가 됩니다. 경화란 딱딱하게 굳는 것을 말합니다. 한 번 경화되면 열에 의해 다시 변형되지 않고 안정된 상태를 유지합니다.
1-3. 열가소성 수지와 열경화성 수지 비교표
| 구분 | 열가소성 수지 | 열경화성 수지 |
|---|---|---|
| 가열 시 | 연화 후 용융 | 경화 (더 단단해짐) |
| 냉각 시 | 재응고 | 변화 없음 |
| 반복 가열 | 가능 | 불가능 |
| 분자 구조 | 선형 또는 가지 | 3차원 망목 |
| 재활용 | 용이 | 어려움 |
| 대표 예 | PE, PP, PVC, ABS | 페놀, 에폭시, 요소 |
2. 기계적 성질
2-1. 분자량과 기계적 성질의 관계
플라스틱의 기계적 성질은 분자량과 밀접한 관계가 있습니다. 분자량이란 분자의 무게를 나타내는 값으로, 고분자에서는 사슬의 길이와 관련이 있습니다. 분자량이 높다는 것은 사슬이 길다는 것을 의미합니다.
비닐계와 비비닐계 수지의 분자량 차이
비닐고분자의 분자량은 10⁵에서 10⁶ 정도입니다. 이는 100,000에서 1,000,000 사이의 값입니다. PE, PP, PVC 등이 여기에 해당합니다.
반면 폴리아마이드(Polyamide, 나일론)의 평균분자량은 1.5만에서 3만 정도입니다. 비닐계에 비해 분자량이 훨씬 낮습니다. 하지만 분자량이 낮다고 해서 성능이 떨어지는 것은 아닙니다. 폴리아마이드는 분자 간에 수소결합이라는 강한 결합이 있어서 낮은 분자량으로도 우수한 기계적 성질을 나타냅니다.
저분자와 고분자의 물성 차이
저분자량 물질에서는 말단기 물성이 중요합니다. 말단기란 분자 사슬의 끝부분을 말합니다. 사슬이 짧으면 끝부분이 전체에서 차지하는 비율이 높기 때문에 영향이 큽니다.
고분자인 경우에는 말단기의 영향을 무시할 수준입니다. 사슬이 매우 길기 때문에 끝부분이 전체에서 차지하는 비율이 거의 없습니다.
물성과 분자량의 관계
분자량이 높으면 기계적 물성은 우수하지만 성형 가공이 어렵습니다. 사슬이 길면 서로 얽혀서 강도가 높아지지만, 그만큼 흐르기 어려워서 금형에 채우기가 힘듭니다.
분자량이 낮으면 기계적 물성이 저하됩니다. 사슬이 짧으면 서로 얽히는 정도가 약해서 강도가 떨어집니다. 하지만 잘 흐르기 때문에 성형은 쉽습니다.
2-2. 분자량과 물성 관계
분자량과 물성의 관계를 그래프로 나타내면 다음과 같은 특징을 보입니다.
강도와 점성도는 서로 밀접하게 관련되어 있습니다. 점성도란 액체가 흐르기 어려운 정도를 나타내는 값입니다. 꿀처럼 끈적끈적하면 점성도가 높고, 물처럼 잘 흐르면 점성도가 낮습니다.
분자량이 증가하면 인장강도와 충격강도는 처음에 급격히 증가하다가 어느 정도 이상에서는 거의 일정해집니다. 반면 점성도는 분자량이 증가함에 따라 계속 증가합니다.
따라서 요구 물성 수준에 맞는 상업용 플라스틱을 이용하는 것이 바람직합니다. 상업용 플라스틱은 강도가 충분히 높으면서도 가공이 가능한 적절한 분자량 범위로 제조됩니다. 너무 높은 분자량은 가공이 어렵고, 너무 낮은 분자량은 강도가 부족합니다.
2-3. 분자량과 물성 관계 정리표
| 분자량 | 기계적 강도 | 점성도 | 성형 가공성 |
|---|---|---|---|
| 낮음 | 낮음 | 낮음 | 용이 |
| 적정 | 우수 | 적정 | 양호 |
| 높음 | 매우 우수 | 높음 | 어려움 |
3. PE의 넥킹(Necking) 현상
3-1. 넥킹이란?
플라스틱의 기계적 거동을 이해하기 위해 PE(폴리에틸렌)의 넥킹 현상을 살펴보겠습니다. 넥킹이란 재료를 잡아당길 때 나타나는 특이한 현상입니다.
넥킹은 다음과 같이 정의됩니다.
첫째, 늘어나도 응력 변화가 없는 구간입니다. 응력이란 재료 내부에 생기는 저항력을 말합니다. 보통은 재료를 잡아당기면 응력이 계속 증가하는데, 넥킹 구간에서는 계속 늘어나도 응력이 거의 변하지 않습니다.
둘째, 재료의 일부분만 늘어나 가늘어지고, 이 외의 부분은 변형하지 않는 현상입니다. 목(neck)이 가늘어지는 것처럼 특정 부분만 집중적으로 늘어납니다. 그래서 넥킹(necking)이라는 이름이 붙었습니다.
3-2. 응력과 변형 곡선 관계
PE를 잡아당기면서 응력과 변형의 관계를 그래프로 그리면 다음과 같은 형태가 나타납니다.
처음에는 응력이 급격히 증가하다가 항복인장강도에 도달합니다. 항복이란 재료가 영구적으로 변형되기 시작하는 점을 말합니다. 이 점까지는 힘을 빼면 원래 모양으로 돌아옵니다.
항복점을 지나면 넥킹현상구간이 나타납니다. 이 구간에서는 변형이 계속 증가해도 응력이 거의 일정하게 유지됩니다. 재료의 한 부분이 집중적으로 늘어나면서 가늘어집니다.
넥킹 구간이 끝나면 다시 응력이 증가하여 최대인장강도(UTS, Ultimate Tensile Strength)에 도달합니다. 이 점에서 재료가 끊어집니다.
4. 온도에 대한 변형과 강도 관계
4-1. 온도 변화에 따른 PE의 거동
플라스틱의 기계적 성질은 온도에 따라 크게 달라집니다. PE(Polyethylene)를 예로 들어 설명하겠습니다.
PE(Polyethylene)는 온도가 증가할수록 급격한 응력감소변화를 나타내고 변형량은 증가합니다. 쉽게 말해서 온도가 높아지면 약해지고 잘 늘어난다는 뜻입니다.
-25°C에서는 PE가 매우 딱딱하고 강합니다. 높은 응력을 견딜 수 있지만 잘 늘어나지 않습니다.
0°C에서는 -25°C보다는 약해지지만 여전히 상당한 강도를 유지합니다.
25°C(상온)에서는 적당한 강도와 적당한 변형량을 보입니다. 일반적인 사용 조건에서의 성질입니다.
50°C, 65°C, 80°C로 온도가 올라갈수록 강도는 점점 떨어지고 변형량은 점점 증가합니다. 80°C에서는 매우 부드러워져서 쉽게 변형됩니다.
이런 특성을 고려하여 플라스틱 제품의 사용 온도 범위를 정해야 합니다. 고온에서 사용해야 하는 제품은 내열성이 좋은 플라스틱을 선택해야 합니다.
5. 온도와 충격 강도
5-1. 플라스틱별 온도에 따른 충격 강도
충격 강도란 갑작스러운 충격에 견디는 능력을 말합니다. 플라스틱 별 온도변화에 의한 충격 강도의 형태가 다릅니다. 어떤 플라스틱은 온도에 민감하고, 어떤 플라스틱은 온도에 둔감합니다.
온도 민감 플라스틱
LDPE(Low Density Polyethylene, 저밀도 폴리에틸렌)와 고충격PP(High Impact Polypropylene, 고충격 폴리프로필렌)는 온도에 민감한 플라스틱입니다.
이들은 온도가 낮아지면 충격 강도가 급격히 떨어집니다. -20°C 근처에서는 충격 강도가 매우 낮아서 쉽게 깨질 수 있습니다. 반면 온도가 올라가면 충격 강도가 크게 증가합니다. 30°C에서는 훨씬 질겨져서 충격을 잘 흡수합니다.
온도 둔감 플라스틱
PMMA(Polymethylmethacrylate, 폴리메틸메타크릴레이트)는 온도에 둔감한 플라스틱입니다. PMMA는 흔히 아크릴이라고 불리며, 투명한 플라스틱 판이나 수족관 등에 사용됩니다.
PMMA는 온도가 변해도 충격 강도가 크게 변하지 않습니다. -20°C에서나 30°C에서나 비슷한 충격 강도를 유지합니다. 다만 전체적인 충격 강도 수준이 LDPE나 고충격PP보다 낮습니다.
PVC는 중간 정도의 온도 민감성을 보입니다. LDPE만큼 급격하지는 않지만 온도에 따라 충격 강도가 변합니다.
5-2. 온도와 충격 강도 관계 정리표
| 플라스틱 | 온도 민감성 | 저온(-20°C) 충격강도 | 상온(30°C) 충격강도 |
|---|---|---|---|
| LDPE | 높음 (민감) | 낮음 | 높음 |
| 고충격PP | 높음 (민감) | 낮음 | 높음 |
| PVC | 중간 | 중간 | 중간-높음 |
| PMMA | 낮음 (둔감) | 낮음 | 낮음 |
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 플라스틱의 열적 성질과 기계적 성질에 대해 알아보았습니다.
열가소성 수지는 가열하면 녹고 냉각하면 굳으며 이 과정을 반복할 수 있습니다. PE, PP, PVC, ABS 등이 해당합니다. 열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 녹지 않으며, 페놀, 요소, 에폭시 등이 해당합니다.
분자량이 높으면 강도는 좋지만 가공이 어렵고, 분자량이 낮으면 강도는 떨어지지만 가공이 쉽습니다. 상업용 플라스틱은 이 둘의 균형을 맞춘 적정 분자량으로 제조됩니다.
온도가 높아지면 플라스틱은 약해지고 잘 늘어납니다. 충격 강도도 온도에 따라 변하는데, LDPE와 고충격PP는 온도에 민감하고 PMMA는 온도에 둔감합니다.
다음 편 예고
다음 5편에서는 플라스틱의 구조와 특성에 대해 알아보겠습니다. 분자 구조의 유연성이 성형가공성에 미치는 영향, 분자 간 결합력과 물성의 관계, 그리고 사출 성형 시 검토해야 할 핵심사항들을 배워볼 예정입니다.
