지난 4편에서는 플라스틱의 열적 성질에 따른 분류와 기계적 성질에 대해 알아보았습니다. 열가소성 수지는 가열과 냉각을 반복할 수 있고, 열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 녹지 않습니다. 또한 분자량과 강도, 온도와 충격 강도의 관계도 살펴보았습니다.
이번 5편에서는 플라스틱의 물리적, 열적 및 화학적 성질을 결정하는 근본적인 인자들에 대해 알아보겠습니다. 분자 구조의 유연성과 분자 간 결합력이 어떻게 플라스틱의 특성을 좌우하는지 이해하고, 마지막으로 사출 성형 시 반드시 검토해야 할 핵심사항들을 정리하겠습니다.
1. 플라스틱의 물리적/열적 및 화학적 성질을 결정하는 인자
플라스틱의 다양한 성질은 어디서 비롯되는 것일까요? 크게 두 가지 인자가 플라스틱의 성질을 결정합니다.
첫째, 분자 구조의 유연성입니다. 고분자 사슬이 얼마나 자유롭게 움직일 수 있는지를 말합니다.
둘째, 분자 간 결합력입니다. 고분자 사슬들이 서로 얼마나 강하게 붙어 있는지를 말합니다.
핵심적으로 기억해야 할 점은, 플라스틱은 구조와 연관된 기계적 성질 및 성형가공성 관계가 중요하며, 이는 고분자의 결합구조와도 매우 밀접하다는 것입니다. 즉, 분자 수준에서의 구조를 이해하면 플라스틱이 왜 그런 성질을 가지는지, 왜 그렇게 가공되는지를 알 수 있습니다.
2. 분자 구조의 유연성
2-1. 유연성이 낮은 경우: 페닐렌 구조
고분자 구조를 구성하는 성분 중 페닐렌(Phenylene)이 주쇄에 있으면 어떻게 될까요?
페닐렌이란 벤젠 고리에서 수소 두 개가 빠진 구조를 말합니다. 벤젠 고리는 육각형 모양의 탄소 고리로, 매우 안정적이고 단단한 구조입니다. 이런 구조가 고분자의 주쇄(메인 사슬)에 들어가면 회전이 곤란해지므로 사슬의 유연성이 떨어집니다.
주쇄란 고분자의 뼈대가 되는 메인 사슬을 말합니다. 주쇄가 유연하면 고분자 전체가 유연해지고, 주쇄가 딱딱하면 고분자 전체가 딱딱해집니다. 페닐렌 같은 고리 구조가 주쇄에 있으면 그 부분에서 사슬이 꺾이거나 회전하기 어렵습니다.
따라서 Poly(ethyleneterephthalate), 즉 PET 등은 구조 내 페닐렌이 존재하므로 기계적 성질은 우수하지만 성형가공성은 떨어집니다.
PET는 페트병의 재료로 유명한 플라스틱입니다. 페닐렌 구조 덕분에 강도가 높고 투명하며 가스 차단성이 좋습니다. 하지만 사슬이 딱딱하기 때문에 녹았을 때도 잘 흐르지 않아서 가공이 까다롭습니다. 사출성형보다는 블로우 성형(불어서 모양을 만드는 방법)이나 섬유 방사에 더 많이 사용됩니다.
2-2. 유연성이 높은 경우: 에테르기 구조
이에 반하여, 고분자 구조에 회전이 잘 일어날 수 있는 에테르기(-O-) 등이 존재하면 어떻게 될까요?
에테르기란 산소 원자가 두 개의 탄소 사이에 끼어 있는 구조를 말합니다. 산소 원자를 중심으로 양쪽 탄소가 비교적 자유롭게 회전할 수 있습니다. 마치 경첩처럼 움직임을 허용하는 구조입니다.
이런 구조가 주쇄에 있으면 구조 유연성이 좋아져 기계적 성질은 다소 떨어지나 성형가공성은 좋아집니다.
유연한 사슬은 녹았을 때 잘 흐르기 때문에 금형 구석구석까지 쉽게 채워집니다. 하지만 사슬들이 서로 단단하게 얽히지 않기 때문에 강도는 상대적으로 낮습니다. 폴리에테르 계열의 플라스틱들이 이런 특성을 보입니다.
2-3. 분자 구조 유연성과 성질 관계 정리표
| 구조 요소 | 유연성 | 기계적 성질 | 성형가공성 | 대표 예시 |
|---|---|---|---|---|
| 페닐렌(-C₆H₄-) | 낮음 | 우수 | 떨어짐 | PET |
| 에테르기(-O-) | 높음 | 다소 떨어짐 | 좋음 | 폴리에테르 |
이 표를 보면 유연성과 기계적 성질, 성형가공성 사이에는 트레이드오프(trade-off) 관계가 있음을 알 수 있습니다. 한쪽이 좋아지면 다른 쪽이 나빠지는 관계입니다. 따라서 용도에 맞는 적절한 균형을 가진 플라스틱을 선택해야 합니다.
3. 분자 간 결합력
3-1. 결합 구조와 결합력의 중요성
고분자의 성질은 결합 구조와 결합력을 통하여 알 수 있습니다. 앞서 배운 분자 구조의 유연성이 사슬 하나의 특성이라면, 분자 간 결합력은 사슬들 사이의 관계에 대한 것입니다.
기계적, 열적 및 화학적 성질이 결합력에 의해 정해진다는 것을 알 수 있습니다. 사슬들이 강하게 붙어 있으면 강도가 높고 열에 강합니다. 사슬들이 약하게 붙어 있으면 강도가 낮고 열에 약합니다.
3-2. 결합 차원에 따른 분류
1차원적 결합: 열가소성 수지
선형구조와 가지구조를 가진 고분자는 1차원적 결합을 합니다. 사슬들이 서로 화학적으로 연결되어 있지 않고, 반데르발스 힘이나 수소결합 같은 약한 힘으로만 붙어 있습니다.
반데르발스 힘이란 분자들 사이에 작용하는 약한 인력을 말합니다. 수소결합은 반데르발스 힘보다는 강하지만 화학결합보다는 약한 결합입니다.
이런 결합은 열을 가하면 쉽게 끊어집니다. 그래서 열가소성 수지는 가열하면 녹고 냉각하면 다시 굳습니다. PE, PP, PVC, ABS 등이 여기에 해당합니다.
3차원적 결합: 열경화성 수지, 고무
망목구조를 가진 고분자는 3차원적 결합을 합니다. 사슬들이 서로 화학결합으로 연결되어 그물처럼 얽혀 있습니다. 이 결합을 가교결합(crosslink)이라고 합니다.
가교결합은 매우 강한 화학결합이기 때문에 열을 가해도 쉽게 끊어지지 않습니다. 그래서 열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 녹지 않습니다. 페놀, 에폭시, 요소 수지 등이 여기에 해당합니다.
고무도 3차원적 결합을 가지고 있습니다. 고무의 가교결합은 황(S) 원자로 이루어지는데, 이 과정을 가황(vulcanization)이라고 합니다. 가황을 하면 끈적끈적한 생고무가 탄성 있는 고무로 변합니다.
3-3. 결합 차원에 따른 분류 정리표
| 결합 차원 | 분자 구조 | 결합 종류 | 열적 성질 | 대표 예시 |
|---|---|---|---|---|
| 1차원적 | 선형, 가지 | 반데르발스, 수소결합 | 열가소성 | PE, PP, PVC |
| 3차원적 | 망목 | 가교결합(화학결합) | 열경화성 | 페놀, 에폭시, 고무 |
4. 사출 성형 시 검토되어야 하는 핵심사항
지금까지 배운 플라스틱의 기초 지식을 바탕으로, 실제 사출 성형에서 검토해야 할 핵심사항들을 정리해 보겠습니다. 사출 성형에서 발생하는 일반적인 불량 문제는 대부분 다음 네 가지와 관련이 있습니다.
4-1. 유동성(점성도)
유동성은 플라스틱이 녹았을 때 얼마나 잘 흐르는지를 나타냅니다. 점성도와 거의 같은 의미로 사용되는데, 점성도가 낮으면 유동성이 좋고, 점성도가 높으면 유동성이 나쁩니다.
유동성과 관련된 물성 지표는 다음과 같습니다.
밀도: 단위 부피당 무게입니다. 밀도가 높은 플라스틱은 분자들이 촘촘하게 모여 있어서 일반적으로 유동성이 다릅니다.
MI(Melt Index, 용융지수): 일정한 온도와 압력에서 10분 동안 흘러나오는 플라스틱의 양을 그램(g)으로 나타낸 값입니다. MI가 높으면 잘 흐르고, MI가 낮으면 잘 흐르지 않습니다.
MV(용융점성도): 녹은 상태에서의 점성도를 직접 측정한 값입니다.
Vicat Ts(비캇 연화온도): 일정한 하중에서 바늘이 플라스틱에 1mm 들어갈 때의 온도입니다. 연화가 시작되는 온도를 나타냅니다.
MWD(분자량 분포): 고분자 사슬들의 길이가 얼마나 균일한지를 나타냅니다. 분포가 좁으면 사슬 길이가 균일하고, 분포가 넓으면 사슬 길이가 다양합니다.
PDI(다분산지수): 분자량 분포의 넓이를 숫자로 나타낸 것입니다. PDI가 1에 가까우면 균일하고, 1보다 크면 불균일합니다.
Tg(유리전이온도): 딱딱한 유리 상태에서 부드러운 고무 상태로 변하는 온도입니다.
Tm(용융온도): 결정 부분이 녹는 온도입니다.
4-2. 수축율
수축율은 플라스틱이 식으면서 얼마나 줄어드는지를 나타냅니다. 금형에서 꺼낸 제품은 식으면서 크기가 줄어들기 때문에, 금형은 원하는 제품 크기보다 약간 크게 만들어야 합니다.
수축율과 관련된 핵심 인자는 결정성입니다. 결정성이란 고분자 사슬들이 규칙적으로 배열된 정도를 말합니다. 결정성이 높은 플라스틱(결정성 플라스틱)은 수축율이 큽니다. 사슬들이 규칙적으로 정렬되면서 부피가 많이 줄어들기 때문입니다. PE, PP, PA 등이 결정성 플라스틱입니다.
결정성이 낮은 플라스틱(비결정성 플라스틱)은 수축율이 작습니다. PS, ABS, PC 등이 비결정성 플라스틱입니다.
4-3. 열분해
열분해는 플라스틱이 열에 의해 분해되는 현상입니다. 가공 온도가 너무 높거나 가열 시간이 너무 길면 플라스틱이 분해되어 물성이 저하되고 변색이 일어납니다.
열분해와 관련된 지표는 다음과 같습니다.
Tm(용융온도): 플라스틱이 녹는 온도입니다. 이 온도 이상에서 가공해야 합니다.
Td(분해온도): 플라스틱이 분해되기 시작하는 온도입니다. 이 온도를 넘지 않도록 주의해야 합니다.
가공창(Td-Tm): 분해온도에서 용융온도를 뺀 값입니다. 가공창이 넓으면 가공 조건을 설정하기 쉽고, 가공창이 좁으면 정밀한 온도 관리가 필요합니다.
예를 들어 PVC는 가공창이 좁기로 유명합니다. 용융온도와 분해온도의 차이가 작아서 온도 관리를 잘못하면 쉽게 분해됩니다. 반면 PE나 PP는 가공창이 넓어서 가공이 비교적 쉽습니다.
4-4. 탄성거동
탄성거동은 플라스틱에 힘을 가했을 때 어떻게 반응하는지를 나타냅니다. 관련된 물성은 강도입니다.
강도란 재료가 외부 힘에 견디는 능력을 말합니다. 인장강도, 압축강도, 굴곡강도, 충격강도 등 여러 종류가 있습니다. 사출 성형 제품이 사용 중에 받게 될 힘의 종류와 크기를 고려하여 적절한 강도를 가진 플라스틱을 선택해야 합니다.
4-5. 사출 성형 핵심사항 정리표
| 검토 사항 | 관련 물성 지표 | 의미 |
|---|---|---|
| 유동성(점성도) | 밀도, MI, MV, Vicat Ts, MWD, PDI, Tg, Tm | 녹은 플라스틱이 얼마나 잘 흐르는가 |
| 수축율 | 결정성 | 식으면서 얼마나 줄어드는가 |
| 열분해 | Tm, Td, 가공창(Td-Tm) | 열에 의해 분해되는가 |
| 탄성거동 | 강도 | 힘에 얼마나 잘 견디는가 |
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 플라스틱의 성질을 결정하는 근본적인 인자와 사출 성형의 핵심사항에 대해 알아보았습니다.
플라스틱의 성질은 분자 구조의 유연성과 분자 간 결합력에 의해 결정됩니다. 페닐렌 같은 고리 구조가 있으면 유연성이 떨어져 강도는 높지만 가공성은 나빠집니다. 에테르기 같은 유연한 구조가 있으면 가공성은 좋지만 강도는 떨어집니다.
1차원적 결합(선형, 가지)을 가진 플라스틱은 열가소성이고, 3차원적 결합(망목)을 가진 플라스틱은 열경화성입니다.
사출 성형에서는 유동성, 수축율, 열분해, 탄성거동 네 가지를 핵심적으로 검토해야 합니다. 각각 MI, 결정성, 가공창, 강도 등의 물성 지표와 관련이 있습니다.
전체 시리즈 마무리
이것으로 플라스틱 사출성형기술 기초 과정의 첫 번째 장인 “사출성형을 위한 플라스틱의 이해”를 모두 마쳤습니다.
1편에서는 플라스틱의 정의와 사용 이유, 고분자의 기본 개념을 배웠습니다. 2편에서는 부가 중합과 축합 중합의 차이를 알아보았습니다. 3편에서는 고분자의 형태에 따른 다양한 분류를 살펴보았습니다. 4편에서는 열가소성과 열경화성의 차이, 그리고 온도와 물성의 관계를 이해했습니다. 5편에서는 분자 구조가 성질에 미치는 영향과 사출 성형의 핵심사항을 정리했습니다.
이 기초 지식을 바탕으로 실제 사출 성형 공정과 금형, 불량 대책 등을 학습하시면 더욱 깊이 있는 이해가 가능할 것입니다.
