실무에서 꼭 알아야 하는 열적 지표들
지난 1편에서는 플라스틱 수지의 가장 기본적인 열적 성질인 유리전이온도와 용융온도에 대해 알아보았습니다. 이번 2편에서는 실제 산업 현장에서 자주 사용되는 열적 지표들인 비카트연화온도, 비열, 열변형온도에 대해 자세히 알아보겠습니다.
이 지표들은 플라스틱 제품을 설계하거나 적합한 수지를 선정할 때 매우 중요한 기준이 됩니다. 예를 들어 자동차 내장재처럼 높은 온도에 노출되는 부품을 만들 때는 열변형온도가 높은 수지를 선택해야 합니다. 이처럼 각 지표의 의미와 활용법을 정확히 이해하면 실무에 큰 도움이 됩니다.
비카트연화온도의 개념과 측정 방법
비카트연화온도란?
비카트연화온도는 영어로 Vicat Softening Temperature라고 하며, 줄여서 Vicat Ts 또는 간단히 Ts라고 표기합니다. 비카트연화온도의 정의는 압자가 1mm 압입되는 온도입니다.
여기서 압자란 시험편 위에 올려놓는 작은 바늘 모양의 도구입니다. 이 압자를 플라스틱 시험편 위에 올려놓고 일정한 하중을 가합니다. 그 상태에서 온도를 서서히 올리면 플라스틱이 점점 연해지면서 압자가 시험편 안으로 파고들어갑니다. 압자가 정확히 1mm 깊이까지 들어갔을 때의 온도가 바로 비카트연화온도입니다.
이 시험 방법은 국제적으로 표준화되어 있습니다. ISO306과 ASTM D 1525 규격에서 시험 방법을 상세하게 규정하고 있습니다. ISO는 국제표준화기구의 규격이고, ASTM은 미국재료시험협회의 규격입니다.
비카트연화온도가 알려주는 정보
Ts가 높으면 내열성이 좋다는 것을 의미합니다. 내열성이란 높은 온도에서도 형태와 성질을 유지하는 능력입니다. 따라서 Ts가 높은 수지로 만든 제품은 더운 환경에서도 변형되지 않고 원래 모양을 유지합니다.
비카트연화온도와 유리전이온도 사이의 관계는 수지의 종류에 따라 다르게 나타납니다. 이 관계를 이해하면 수지의 특성을 더 깊이 파악할 수 있습니다.
결정성 수지의 경우 Tg와 Ts가 멀리 떨어져 있습니다. 대표적인 예가 PP입니다. PP의 유리전이온도는 영하 120도이고, 비카트연화온도는 145도입니다. 무려 265도나 차이가 납니다. 이것은 결정성 수지가 유리전이온도를 넘어서도 결정 구조 덕분에 어느 정도 형태를 유지할 수 있기 때문입니다.
반면에 비결정성 수지의 경우 Tg와 Ts가 거의 인접합니다. 대표적인 예가 PC입니다. PC의 유리전이온도는 140도이고, 비카트연화온도는 145도입니다. 겨우 5도밖에 차이가 나지 않습니다. 비결정성 수지는 결정 구조가 없기 때문에 유리전이온도를 넘어서면 곧바로 연화되기 시작합니다.
비열의 개념과 중요성
비열이란 무엇인가요?
비열은 물질 1그램의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량입니다. 단위는 cal/g/℃로 나타냅니다. 비열이 높다는 것은 같은 양의 열을 가해도 온도가 천천히 올라간다는 뜻입니다. 반대로 비열이 낮으면 조금만 열을 가해도 온도가 빠르게 올라갑니다.
플라스틱 사출성형에서 비열이 중요한 이유는 두 가지입니다. 첫째, 가소화 공정에서 가열에 필요한 열량을 계산할 때 필요합니다. 가소화 공정이란 고체 상태의 플라스틱 펠릿을 녹여서 액체 상태로 만드는 과정입니다. 비열을 알아야 수지를 원하는 온도까지 올리는 데 얼마나 많은 열이 필요한지 계산할 수 있습니다.
둘째, 냉각공정에서 제거해야 할 열량을 계산할 때 필요합니다. 금형에 주입된 용융 수지가 고화되려면 열을 빼앗아야 합니다. 비열을 알면 얼마나 많은 열을 제거해야 하는지, 따라서 냉각 시간이 얼마나 걸릴지 예측할 수 있습니다.
주요 수지의 비열 비교
수지의 비열은 대부분 금속 등에 비해 큽니다. 이것은 플라스틱이 금속보다 온도 변화에 둔감하다는 것을 의미합니다. 아래 표에서 주요 수지들의 비열을 비교해 보겠습니다.
| 수지 | 비열(cal/g/℃) |
|---|---|
| PA6 | 0.40 |
| HDPE | 0.55 |
| PP | 0.46 |
| POM | 0.35 |
| PVC | 0.20~0.50 |
| PS | 0.32 |
| PC | 0.34 |
표에서 보시다시피 HDPE의 비열이 0.55로 가장 높고, POM의 비열이 0.35로 상대적으로 낮습니다. PVC는 0.20에서 0.50까지 범위가 넓은데, 이는 첨가제의 종류와 양에 따라 비열이 달라지기 때문입니다.
결정성 수지와 비결정성 수지의 비열 변화
온도에 따른 비열 변화는 수지가 결정성인지 비결정성인지에 따라 크게 다릅니다.
비결정성 수지의 경우 용융온도가 존재하지 않기 때문에 비열 변화가 미미합니다. 온도가 올라가도 비열이 거의 일정하게 유지됩니다. 그래프로 나타내면 거의 수평에 가까운 직선으로 표현됩니다. 유리전이온도 부근에서 약간의 변화가 있을 수 있지만, 전체적으로 큰 변동이 없습니다.
반면에 결정성 수지의 경우 용융온도가 존재합니다. 용융온도에서 결정이 녹으면서 비열이 급격하게 변합니다. 그래프로 나타내면 용융온도 부근에서 뾰족한 피크가 나타납니다. 이 피크는 결정이 녹는 데 필요한 추가적인 열에너지를 의미합니다.
이러한 비열 특성은 사출성형 시 수축율에 큰 영향을 미칩니다. 결정성 수지는 용융 상태에서 고체로 냉각될 때 결정화가 일어나면서 부피가 감소합니다. 이 때문에 결정성 수지로 만든 제품은 비결정성 수지로 만든 제품보다 수축율이 높습니다.
열변형온도의 개념과 활용
열변형온도란?
열변형온도는 영어로 Heat Deflection Temperature라고 하며, 줄여서 HDT라고 표기합니다. 열변형온도는 플라스틱에 일정한 하중을 주었을 때 온도상승에 따른 변형이 나타나는 온도입니다.
시험 방법은 ASTM D 648 규격에 정의되어 있습니다. 플라스틱 시험편을 양 끝에서 받치고 가운데에 하중을 가합니다. 그 상태에서 온도를 서서히 올리면서 시험편의 처짐 정도를 측정합니다. 처짐이 일정 수준에 도달했을 때의 온도가 열변형온도입니다.
열변형온도는 어떤 플라스틱이 특정한 용도로 사용될 수 있는 최고한계온도를 의미합니다. 제품이 사용되는 환경의 최고 온도가 열변형온도보다 높으면 제품이 변형될 수 있습니다. 따라서 제품 설계 시 반드시 열변형온도를 고려해야 합니다.
또한 열변형온도는 여러 가지 플라스틱을 비교하는 척도로 이용됩니다. 내열성이 높은 수지를 선택해야 할 때 열변형온도를 기준으로 비교하면 됩니다.
유리섬유 첨가로 열변형온도 높이기
수지의 내열성을 높이는 가장 효과적인 방법 중 하나는 유리섬유를 첨가하는 것입니다. 유리섬유 첨가 시 열변형온도가 크게 증가합니다.
다음 표에서 비강화 수지와 30% 유리섬유 강화 수지의 열변형온도를 비교해 보겠습니다.
| 수지 | 열변형온도(℃) 비강화 | 열변형온도(℃) GF30% | 장기사용온도(℃) |
|---|---|---|---|
| PBT | 55 | 210 | 130 |
| PET | 65 | 225 | 140 |
| PA6 | 65 | 210 | 115 |
| PA66 | 75 | 250 | 125 |
| POM | 110 | 160 | 100 |
| PC | 140 | 150 | 130 |
| M-PPO | 105 | 140 | 110 |
표에서 가장 눈에 띄는 것은 PBT의 변화입니다. PBT의 용융온도는 223도입니다. 비강화 상태에서 열변형온도는 55도에 불과합니다. 하지만 30% 유리섬유를 첨가하면 열변형온도가 210도까지 올라갑니다. 무려 155도나 상승하는 것입니다.
이렇게 열변형온도가 높아지면 130도에서 장기간 사용해도 문제가 없습니다. 장기사용온도란 그 온도에서 오랫동안 사용해도 물성이 크게 저하되지 않는 온도를 의미합니다.
반면에 PC의 경우 비강화 상태에서도 열변형온도가 140도로 이미 높습니다. 30% 유리섬유를 첨가해도 150도로 10도밖에 올라가지 않습니다. 이처럼 유리섬유 첨가의 효과는 수지 종류에 따라 다르게 나타납니다.
이번 편에서 배운 핵심 내용
이번 2편에서는 비카트연화온도, 비열, 열변형온도에 대해 알아보았습니다.
비카트연화온도는 압자가 1mm 압입되는 온도로, Ts가 높을수록 내열성이 좋습니다. 결정성 수지는 Tg와 Ts가 멀리 떨어져 있고, 비결정성 수지는 Tg와 Ts가 거의 인접합니다.
비열은 물질 1그램의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량입니다. 가소화 공정의 가열과 냉각공정의 열량 계산에 필요합니다. 결정성 수지는 용융온도 부근에서 비열이 급격히 변하지만, 비결정성 수지는 비열 변화가 미미합니다.
열변형온도는 일정 하중 하에서 변형이 시작되는 온도입니다. 유리섬유를 첨가하면 열변형온도를 크게 높일 수 있습니다.
다음 3편에서는 고분자의 결정구조에 대해 알아보겠습니다. 결정성 수지와 비결정성 수지의 차이, 결정형성을 위한 구조적 요건 등을 자세히 다룰 예정입니다.
