왜 용융흐름지수를 알아야 할까요?
플라스틱 사출성형에서 수지가 얼마나 잘 흐르는지는 제품 품질을 결정하는 핵심 요소입니다. 같은 종류의 플라스틱이라도 유동성이 다르면 성형 조건이 달라지고, 최종 제품의 특성도 변합니다. 이러한 유동 특성을 수치로 나타낸 것이 바로 용융흐름지수입니다.
이번 편에서는 용융흐름지수의 개념, 측정 방법, 그리고 밀도가 플라스틱 물성에 미치는 영향에 대해 알아보겠습니다.
용융흐름지수란 무엇인가요?
용융흐름지수는 영어로 Melt Flow Index라고 하며, 줄여서 MI라고 부릅니다. 플라스틱이 녹은 상태에서 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 지표입니다.
플라스틱에서 사용되는 MI는 규격이 명확하게 제시되어 있습니다. 또한 수지 종류별로 측정 방법이 다르기 때문에, 동일한 조건에서 측정된 MI 값만 서로 비교할 수 있습니다.
MI 분석 설비와 측정 원리
ASTM D 1238 규격이란?
MI 측정은 ASTM D 1238이라는 국제 규격에 따라 진행됩니다. ASTM은 미국재료시험학회의 약자로, 재료의 시험 방법을 표준화하는 기관입니다. D 1238은 압출 플라스토미터에 의한 열가소성 플라스틱의 용융흐름지수를 측정하는 시험 규격을 의미합니다.
열가소성 플라스틱이란 열을 가하면 녹고 식으면 굳어지는 플라스틱을 말합니다. 우리가 일반적으로 접하는 대부분의 플라스틱이 열가소성 플라스틱에 해당합니다.
MI 측정 장비의 구조
ASTM D 1238에서 정한 표준 시험기는 간단한 구조로 되어 있습니다. 시험기는 크게 규격 하중, 피스톤, 시료를 넣는 실린더, 그리고 오리피스로 구성됩니다.
오리피스란 시료가 빠져나가는 작은 구멍을 말합니다. 이 구멍의 크기는 표준화되어 있어서 모든 시험에서 동일합니다.
MI 측정 방법
MI는 일정한 부하와 온도에서 10분 동안 모세관을 흐르는 수지의 무게로 측정합니다. 단위는 그램 나누기 10분으로 표시합니다.
측정 과정은 다음과 같습니다. 먼저 시료를 정해진 온도로 가열된 실린더에 넣습니다. 그 위에 규격 하중을 얹은 피스톤을 올립니다. 피스톤이 시료를 누르면 녹은 플라스틱이 오리피스를 통해 아래로 흘러나옵니다. 10분 동안 흘러나온 플라스틱의 무게를 측정하면 그것이 MI 값이 됩니다.
MI에 영향을 주는 요인
분자량과 분자량 분포
MI에 영향을 주는 주요 인자는 플라스틱의 분자량과 분자량 분포입니다. 여기서 중요한 점은 MI와 분자량이 반비례 관계라는 것입니다.
분자량이 큰 플라스틱은 분자 사슬이 길고 서로 얽혀 있어서 잘 흐르지 않습니다. 따라서 MI 값이 낮습니다. 반대로 분자량이 작은 플라스틱은 분자 사슬이 짧아서 잘 흐르고, MI 값이 높습니다.
MI의 활용과 한계
용융 수지의 유동학적 성질은 온도, 압력, 전단 속도 등 여러 가지 변수에 의존합니다. 따라서 MI만으로 플라스틱의 유동 특성을 완벽하게 파악하기는 어렵습니다. 신뢰성은 크지 않다고 볼 수 있습니다.
그러나 일정 형태로 성형할 때 유동 특성을 살펴보는 방법으로는 적당합니다. 같은 종류의 플라스틱에서 MI가 다른 등급들을 비교할 때 유용하게 사용됩니다.
수지별 MI 시험 조건
ASTM D 1238 시험 조건표
각 수지는 정해진 시험 규격에 맞추어 온도 및 총 하중이 정해집니다. 아래 표는 ASTM D 1238에서 규정한 시험 조건입니다.
| 조건번호 | 온도(섭씨) | 총 하중(그램) | 조건번호 | 온도(섭씨) | 총 하중(그램) |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 125 | 325 | K | 275 | 325 |
| B | 125 | 2,160 | L | 230 | 2,160 |
| D | 190 | 325 | M | 190 | 1,050 |
| E | 190 | 2,160 | N | 190 | 10,000 |
| F | 190 | 21,600 | O | 300 | 1,200 |
| G | 200 | 5,000 | P | 190 | 5,000 |
| H | 230 | 1,200 | R | 235 | 2,160 |
| I | 230 | 3,800 | S | 235 | 5,000 |
| 조건번호 | 온도(섭씨) | 총 하중(그램) |
|---|---|---|
| T | 250 | 2,160 |
| U | 310 | 12,500 |
| V | 315 | 5,000 |
| W | 343 | 2,160 |
| X | 360 | 10,000 |
| Y | 380 | 2,160 |
수지별 적용 시험 조건
각 수지마다 적용되는 시험 조건이 다릅니다. 아래 표를 참고하시기 바랍니다.
| 수지 | 시험 조건 | 수지 | 시험 조건 |
|---|---|---|---|
| PE | A, B, D, E, F, N | Polyester | T |
| PP | L | PES | W, X, Y |
| PS | G, H, I, P | PA | K, O, R, S |
| ABS | G, I | PPS | V |
| SAN | I | PC | O |
| POM | E, M | m-PPO | MI 비추천 |
SAN은 Styrene Acrylonitrile Copolymers의 약자로 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체를 의미합니다. POM은 Polyoxymethylene의 약자로 폴리옥시메틸렌을 의미합니다.
PE와 PP의 MI 비교가 어려운 이유
PE는 다양한 ASTM 규격으로 시험을 진행할 수 있습니다. A, B, D, E, F, N 등 여러 조건에서 측정이 가능합니다.
반면 PP는 ASTM 규격에서 섭씨 230도, 2,160그램으로 시험을 진행합니다. 이는 L 조건에 해당합니다. PE와 일치된 규격이 없기 때문에, PE와 PP의 MI 값을 동등하게 비교할 수 없습니다. 서로 다른 조건에서 측정된 값이기 때문입니다.
POM과 PE의 MI 비교
POM은 E 방법과 M 방법으로 시험할 수 있습니다. PE와 MI를 동등하게 비교하려면 E 방법만 유효합니다. E 방법은 섭씨 190도, 2,160그램 조건인데, 이 조건이 PE의 시험 조건 중 하나와 일치하기 때문입니다.
m-PPO는 왜 MI 측정이 비추천인가요?
m-PPO는 MI 측정이 비추천됩니다. 이는 m-PPO의 유동 특성이 MI 측정 조건에서 정확하게 나타나지 않기 때문입니다. m-PPO의 유동성을 평가할 때는 다른 방법을 사용하는 것이 좋습니다.
밀도가 플라스틱 물성에 미치는 영향
밀도의 정의
밀도란 단위 체적당 플라스틱의 중량을 의미합니다. 단위는 그램 나누기 세제곱센티미터로 표시합니다. 쉽게 말해, 같은 크기의 플라스틱이 얼마나 무거운지를 나타내는 값입니다.
밀도는 수지 내 결정 정도와 분자 구조와 밀접한 관련이 있습니다. 이로 인해 제반 성질도 분자 구조와 연관성이 큽니다.
밀도에 영향을 주는 인자
밀도에 가장 큰 영향을 주는 인자는 결정화도와 수지의 가지 수입니다. 가지는 영어로 Branch라고 합니다. 분자 사슬에서 곁가지처럼 뻗어 나온 부분을 말합니다.
결정화도가 높으면 분자들이 촘촘하게 배열되어 밀도가 높아집니다. 가지 수가 많으면 분자들이 느슨하게 배열되어 밀도가 낮아집니다.
수지별 밀도 범위
| 플라스틱 | 밀도(g/cm3) |
|---|---|
| PP | 0.89에서 0.91 |
| LDPE | 0.91에서 0.92 |
| LLDPE | 0.91에서 0.93 |
| MDPE | 0.92에서 0.94 |
| HDPE | 0.94에서 0.96 |
LDPE는 저밀도 폴리에틸렌, LLDPE는 선형 저밀도 폴리에틸렌, MDPE는 중밀도 폴리에틸렌, HDPE는 고밀도 폴리에틸렌입니다. 이름에서 알 수 있듯이 밀도에 따라 분류됩니다.
밀도가 물성에 미치는 영향
밀도가 커지면 인장강도 등은 증가하지만 충격강도 등은 저하됩니다. 인장강도란 잡아당겼을 때 버티는 힘을 말하고, 충격강도란 충격을 받았을 때 깨지지 않고 버티는 힘을 말합니다.
밀도가 높은 HDPE는 단단하고 강하지만 충격에 약합니다. 반면 밀도가 낮은 LDPE는 부드럽고 유연하며 충격에 강합니다. 따라서 사용 목적에 따라 적절한 밀도의 플라스틱을 선택해야 합니다.
이번 편에서 배운 내용 정리
이번 편에서는 용융흐름지수와 밀도에 대해 알아보았습니다. MI는 플라스틱이 녹은 상태에서 10분 동안 흘러나온 양을 측정한 값으로, 분자량과 반비례 관계에 있습니다. 각 수지마다 ASTM에서 정한 시험 조건이 다르기 때문에, 동일 조건에서 측정된 값만 비교할 수 있습니다.
밀도는 결정화도와 가지 수에 의해 결정되며, 밀도가 높으면 인장강도는 증가하지만 충격강도는 감소합니다. PE 계열 플라스틱은 밀도에 따라 LDPE, LLDPE, MDPE, HDPE로 분류됩니다.
다음 편 예고
다음 편에서는 플라스틱의 물리적 성질에 대해 알아보겠습니다. 분자량과 분자량 분포가 플라스틱 물성에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 입체규칙도가 무엇이고 왜 중요한지 상세히 설명해 드리겠습니다.
