Polymer Alloy(블렌드)와 Polymer Composite(복합재료)
앞선 편들에서 범용수지와 EP수지의 특성에 대해 알아보았습니다. 이번 편에서는 플라스틱의 성능을 더욱 향상시키기 위한 두 가지 방법인 블렌드(Polymer Alloy)와 복합재료(Polymer Composite)에 대해 알아보겠습니다. 이 두 가지 방법은 실제 현장에서 다양한 요구 물성을 충족시키기 위해 널리 사용됩니다.
블렌드(Blend)란 무엇인가
블렌드는 두 가지 이상의 수지를 혼합하여 새로운 특성을 가진 재료를 만드는 방법입니다. Polymer Alloy라고도 불리며, 금속의 합금(Alloy)처럼 서로 다른 재료를 섞어 각각의 장점을 살린 새로운 재료를 만드는 개념입니다.
블렌드는 수지 단독 사용 시의 문제점 해결뿐만 아니라 다양한 요구 물성을 손쉽게 해결하는 최적의 가공법입니다. 블렌드를 이해하기 위해서는 목적, 분류, 전략 세 가지 관점에서 살펴봐야 합니다.
블렌드의 목적
블렌드의 가장 큰 장점은 신규 고분자를 합성하는 것에 비해 경제적이라는 점입니다. 완전히 새로운 플라스틱을 개발하려면 막대한 연구개발 비용과 시간이 필요하지만, 기존 수지들을 적절히 혼합하면 비교적 쉽게 원하는 물성을 얻을 수 있습니다.
블렌드의 목적은 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.
첫째, 물성향상입니다. 기능성(투명성), 고성능화(내충격성), 내구성(내열성) 등을 개선할 수 있습니다.
둘째, 성형가공성 개선입니다. 유동성, 수축성, 이형성, 작업성 등 가공 과정에서의 문제를 해결할 수 있습니다.
셋째, 경제성입니다. 고가의 수지에 저가의 수지를 혼합하여 비용을 절감하고, 중량과 에너지를 절약할 수 있습니다.
블렌드의 분류: 상용성과 혼화성
블렌드를 이해하기 위해서는 상용성(Miscibility)과 혼화성(Compatibility)의 개념을 알아야 합니다.
상용성(Miscibility)은 열역학적으로 두 수지가 분자 수준에서 완전히 섞이는지를 나타냅니다. 깁스 자유에너지 변화량(ΔGmix)이 0보다 작으면 균일한(Homogeneous) 재료로 판단합니다. 상용성이 있는 블렌드는 유리전이온도(Tg)가 1개만 나타납니다.
혼화성(Compatibility)은 기계적인 상용성을 말합니다. 재료가 부분적으로만 균일한 상용성이 있어도 실제 사용에는 문제가 없는 경우 혼화성이 있다고 합니다. 혼화성이 있는 블렌드는 두 수지 각각의 유리전이온도(Tg)가 2개 존재합니다.
즉, 수지 간 블렌드 시 상용성이 있으면 Tg가 1개이지만, 혼화성이면 Tg가 2개가 존재합니다. 이 특성을 이용하여 블렌드의 상태를 분석할 수 있습니다.
블렌드 전략: PC와 ABS의 블렌드 예시
블렌드 전략을 실제 예시로 이해해 보겠습니다. ABS와 PC를 각각 살펴보면 다음과 같습니다.
ABS는 기계적 성질과 내열성이 부족하지만 경제성이 좋습니다. 반면 PC는 기계적 성질과 내열성은 우수하지만 가격이 비싸서 경제성이 떨어집니다.
이 두 수지를 블렌드하면 PC/ABS 블렌드 수지가 만들어집니다. PC/ABS는 기계적 성질이 중간 수준이면서 내열성은 우수하고 경제성도 갖춘 재료가 됩니다.
PC/ABS 블렌드 수지는 강성 및 내열성 보완을 위해 PC와 ABS를 혼합한 것으로, Facia 판넬류, Air vent류, 각종 Switch 판넬류 등 자동차 전 부문에서 다양한 용도로 이용됩니다.
PC/ABS 블렌드 물성 비교
| 물성조건 | 단위 | PC | ABS | PC/ABS |
|---|---|---|---|---|
| GF 강화유무 | – | 비강화 | 비강화 | 비강화 |
| 밀도 | g/cc | 1.19 | 1.07 | 1.17 |
| 수분흡수율 | % | 0.12 | 0.409 | 0.325 |
| 용융흐름지수(MI) | g/10min | 37 | 15.0 | 17.3 |
| 최대인장강도(UTS) | MPa | 74 | 38.4 | 32.5~51.0 |
| 유리전이온도(Tg) | 도씨 | 140 | 110 | 125 |
| Vicat 연화온도(Ts) | 도씨 | 145 | 100 | 117 |
| 용융온도(Tm) | 도씨 | – | – | – |
표에서 볼 수 있듯이 PC/ABS의 제반 물성이 PC와 ABS 값의 사이에 위치합니다. 이를 통해 기계적 물성과 내열성을 확보하면서도 경제성을 갖출 수 있습니다.
복합재료(Polymer Composite)란 무엇인가
복합재료는 수지에 무기물이나 섬유 등의 첨가제를 넣어 성능을 향상시킨 재료입니다. 고분자 복합재료는 수지 내열성 및 기계적 성질 개선뿐만 아니라 사출성형 시 수축률을 개선시키는 좋은 방법입니다.
복합재료의 목적
복합재료를 만드는 목적은 수지와 첨가제의 효율적인 조합을 통해 우수한 강도와 사출공정 상 수축률 개선을 달성하는 것입니다. 이는 성능적 측면뿐만 아니라 생산성과도 직접적으로 연결됩니다.
첨가제의 종류로는 크게 두 가지가 있습니다. 첫째, 유리섬유와 탄소섬유 등 섬유류입니다. 둘째, Talc(활석)와 Clay(점토) 등 Filler류입니다. 섬유류는 주로 강도 향상에, Filler류는 치수 안정성과 경제성 향상에 기여합니다.
유리섬유(GF) 강화 복합재료의 특성
유리섬유강화 복합재료의 특성을 PP수지를 예로 들어 살펴보겠습니다. PP수지의 유리섬유강화 비율을 0퍼센트, 10퍼센트, 30퍼센트, 50퍼센트로 증가시키면 물성이 어떻게 변화하는지 확인할 수 있습니다.
유리섬유 함량이 증가하면 다음 물성들이 증가합니다: 밀도, 수분흡수율, 최대인장강도, Vicat 연화점, 용융온도.
반면 유리섬유 함량이 증가하면 용융흐름지수(MI)는 감소합니다. 이는 섬유가 용융 수지의 흐름을 방해하기 때문입니다.
유리섬유강화 PP의 제반 물성 변화
| 물성조건 | 단위 | PP00 | PP10 | PP30 | PP50 |
|---|---|---|---|---|---|
| GF 강화 유무 | – | 비강화 | GF10 | GF30 | GF50 |
| 밀도 | g/cc | 0.933 | 1.01 | 1.14 | 1.31 |
| 수분흡수율 | % | 0.010 | 0.019 | 0.026 | 0.047 |
| 용융흐름지수(MI) | g/10min | 23.5 | 8.73 | 6.78 | 5.06 |
| 최대인장강도(UTS) | MPa | 30.1 | 42.6 | 81.2 | 131 |
| Vicat 연화온도(Ts) | 도씨 | 121 | 138 | 138 | 151 |
| 용융온도(Tm) | 도씨 | 160 | 160 | 164 | 164 |
표에서 주목할 점은 최대인장강도의 변화입니다. 비강화 PP의 인장강도는 30.1MPa이지만, 50퍼센트 유리섬유 강화 시 131MPa로 약 4배 이상 증가합니다. 이처럼 유리섬유 강화는 플라스틱의 강도를 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.
사출성형에서 사용하는 수지의 다양한 형태
실제 사출성형에서 사용하는 수지는 다양한 형태로 공급됩니다.
첫째, 단독 사용입니다. 수지 하나만을 그대로 사용하는 가장 기본적인 방법입니다.
둘째, 블렌드 사용입니다. 수지와 수지를 블렌드하여 사용하는 방법으로, 각 수지의 장점을 조합할 수 있습니다.
셋째, 복합재료 사용입니다. 수지와 유리섬유 등과 같은 무기물을 사용하여 복합재료로 사용하는 방법입니다.
넷째, 블렌드/복합재료화 사용입니다. 2종 수지의 블렌드 상태에서 유리섬유가 강화된 형태로도 사용 가능합니다. 이 방법은 블렌드와 복합재료의 장점을 모두 취할 수 있습니다.
사출수지 공급 패턴의 영향
사출수지의 다양한 공급패턴(단독, 블렌드, 복합재료, 블렌드/복합재료 등)은 실제 현장에서 사출공정 상 수축률 등에 영향을 미칩니다. 또한 기계적 및 열적 성질 등에도 많은 영향을 줍니다.
따라서 사출성형 엔지니어는 제품의 요구 성능, 사용 환경, 가공 조건, 경제성 등을 종합적으로 고려하여 적절한 수지 형태를 선택해야 합니다. 같은 기본 수지라도 블렌드나 강화 여부에 따라 완전히 다른 특성을 나타낼 수 있기 때문입니다.
이번 편 핵심 정리
이번 편에서는 플라스틱 물성 개선을 위한 두 가지 방법인 블렌드와 복합재료에 대해 알아보았습니다.
블렌드는 두 가지 이상의 수지를 혼합하여 각각의 장점을 살린 새로운 재료를 만드는 방법으로, 상용성과 혼화성 개념을 이해하는 것이 중요합니다. PC/ABS 블렌드가 대표적인 예시입니다.
복합재료는 수지에 유리섬유나 Filler를 첨가하여 강도, 내열성, 치수안정성 등을 향상시키는 방법입니다. 유리섬유 함량이 증가할수록 강도는 증가하지만 유동성은 감소합니다.
실제 사출성형 현장에서는 제품의 요구 성능에 따라 단독, 블렌드, 복합재료, 블렌드/복합재료 등 다양한 형태의 수지를 선택하여 사용합니다.
이로써 플라스틱 사출성형 기초 시리즈의 플라스틱 재료 특징 편을 마무리합니다. 플라스틱의 분류, 범용수지와 EP수지의 특성, 그리고 블렌드와 복합재료를 통한 물성 개선 방법을 이해하셨다면 사출성형 재료 선택의 기초를 갖추신 것입니다.
