왜 플라스틱의 수분흡수성이 중요할까요?
플라스틱 사출성형에서 수분은 제품 품질을 좌우하는 결정적인 요소입니다. 많은 분들이 플라스틱은 물을 흡수하지 않는다고 생각하지만, 실제로 대부분의 플라스틱은 어느 정도의 수분을 흡수합니다. 이 수분이 성형 과정에서 다양한 문제를 일으킬 수 있기 때문에, 수분흡수성을 이해하는 것은 사출성형의 필수 지식입니다.
이번 편에서는 플라스틱 수지의 특성 중 하나인 수분흡수성에 대해 자세히 알아보겠습니다.
플라스틱 수지의 특성 개요
플라스틱 수지는 여러 가지 특성을 가지고 있으며, 이러한 특성들이 사출성형 공정과 최종 제품의 품질에 영향을 미칩니다. 플라스틱 수지의 주요 특성은 다음과 같습니다.
수분흡수성은 플라스틱이 대기 중의 수분을 얼마나 흡수하는지를 나타냅니다. 용융흐름지수는 플라스틱이 녹았을 때 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 지표입니다. 밀도의 영향은 플라스틱의 무게와 물성 간의 관계를 설명합니다. 물리적 성질은 분자량, 분자량 분포, 입체규칙도 등 플라스틱의 근본적인 특성을 포함합니다. 열적 성질은 온도 변화에 따른 플라스틱의 거동을 설명합니다. 고분자의 결정구조는 플라스틱 내부의 분자 배열 상태를 나타냅니다.
이번 편에서는 이 중 수분흡수성에 대해 집중적으로 알아보겠습니다.
수분흡수성의 원리
플라스틱이 수분을 흡수하는 정도는 분자 내 특정 원소의 존재 여부에 따라 달라집니다. 쉽게 말해, 플라스틱을 구성하는 화학 원소의 종류가 수분흡수율을 결정한다는 뜻입니다.
탄소와 수소로 구성된 플라스틱
탄소와 수소로 분자 사슬이 구성된 플라스틱은 우수한 내흡수성을 가집니다. 내흡수성이란 수분을 잘 흡수하지 않는 성질을 말합니다.
대표적인 예로 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 있습니다. PE와 PP는 탄소와 수소만으로 구성되어 있어 물과 친하지 않은 소수성 특성을 가집니다. 그래서 물병이나 식품 용기에 많이 사용되는 것입니다.
산소와 수소로 구성된 플라스틱
산소와 수소로 분자 사슬이 구성된 플라스틱은 수분 흡수에 민감합니다. 산소는 물 분자와 결합하기 쉬운 특성이 있기 때문입니다.
대표적인 예로 폴리아마이드가 있습니다. PA라고 불리는 나일론 계열의 플라스틱은 분자 구조 내에 아마이드 결합이 있어 수분을 잘 흡수합니다. 이러한 특성 때문에 나일론 제품은 사출성형 전에 반드시 건조 과정을 거쳐야 합니다.
불소와 염소가 포함된 플라스틱
분자 사슬에 불소나 염소가 포함되면 방습성을 가지게 됩니다. 방습성이란 습기를 막아주는 성질을 말합니다.
대표적인 예로 테프론이 있습니다. PTFE라고도 불리는 테프론은 불소가 포함되어 있어 물을 완전히 튕겨내는 특성이 있습니다. 프라이팬 코팅에 테프론이 사용되는 이유가 바로 이 때문입니다.
외부 표면 노출의 영향
성형품이 외부 표면에 노출되면 대체로 수분에 대한 친화성이 커집니다. 이는 표면이 대기 중의 습기와 직접 접촉하기 때문입니다.
따라서 플라스틱 원료를 보관할 때는 밀봉 상태를 유지하고, 사용 전에 적절한 건조 과정을 거치는 것이 중요합니다.
수지별 수분흡수율 비교
각 플라스틱 수지는 고유한 수분흡수율을 가지고 있습니다. 수분흡수율은 백분율로 표시하며, 숫자가 클수록 수분을 많이 흡수한다는 의미입니다.
수분흡수율이 낮은 수지
PE와 PP는 수분흡수율이 0.01퍼센트로 매우 낮습니다. 이는 100그램의 플라스틱이 겨우 0.01그램의 수분만 흡수한다는 의미입니다. m-PPO도 0.07퍼센트로 낮은 수분흡수율을 보입니다. PBT는 0.08퍼센트입니다.
수분흡수율이 중간인 수지
PVC는 0.07퍼센트에서 0.75퍼센트 사이의 수분흡수율을 보입니다. PC는 0.15퍼센트입니다. ABS는 0.20퍼센트에서 0.45퍼센트 사이입니다. SAN은 0.2퍼센트에서 0.3퍼센트 사이입니다. POM은 0.22퍼센트입니다. PET는 0.38퍼센트에서 0.8퍼센트로 중간 수준의 수분흡수성을 가지고 있습니다.
수분흡수율이 높은 수지
PA 계열은 수분흡수율이 매우 높습니다. PA66은 1.20퍼센트이고, PA6는 1.90퍼센트에 달합니다. 이는 다른 플라스틱에 비해 10배에서 100배 이상 높은 수치입니다.
수지별 수분흡수율 정리표
| 플라스틱 | 수분흡수율(%) | 플라스틱 | 수분흡수율(%) |
|---|---|---|---|
| PE | 0.01 | PET | 0.38에서 0.8 |
| PP | 0.01 | PBT | 0.08 |
| PVC | 0.07에서 0.75 | PA6 | 1.90 |
| ABS | 0.20에서 0.45 | PA66 | 1.20 |
| SAN | 0.2에서 0.3 | PC | 0.15 |
| POM | 0.22 | m-PPO | 0.07 |
이 표에서 알 수 있듯이, PA 계열의 수분흡수성이 가장 크고 PE와 PP의 수분흡수성은 가장 작습니다.
PET의 가수분해 반응과 건조의 중요성
PET는 중간 수준의 수분흡수성을 가지고 있지만, 수분이 있는 상태에서 가열하면 심각한 문제가 발생합니다. 이것이 바로 가수분해 반응입니다.
가수분해 반응이란?
가수분해 반응이란 물 분자가 화학 결합을 끊는 반응을 말합니다. PET의 경우, 수분 존재 하에서 용융되면 가수분해 반응이 일어납니다.
구체적으로 설명하면, PET 분자 내의 에스터기가 물과 반응하여 다시 카르복실기와 하이드록시기로 분해됩니다. 에스터기는 화학식으로 마이너스COO마이너스로 표기합니다. 카르복실기는 마이너스COOH로, 하이드록시기는 마이너스OH로 표기합니다.
해중합이란?
이렇게 고분자가 다시 작은 분자로 분해되는 현상을 해중합이라고 합니다. 중합이 작은 분자들이 결합하여 큰 분자를 만드는 과정이라면, 해중합은 그 반대로 큰 분자가 다시 작은 분자로 쪼개지는 과정입니다.
PET가 해중합되면 원래의 원료인 에틸렌글리콜과 테레프탈산으로 분해됩니다. 에틸렌글리콜은 하이드록시기를 가지고 있고, 테레프탈산은 카르복실기를 가지고 있습니다.
해중합이 성형품에 미치는 영향
해중합이 발생하면 성형품의 강도가 저하됩니다. 플라스틱의 강도는 분자 사슬의 길이와 밀접한 관련이 있는데, 해중합으로 분자 사슬이 짧아지면 제품이 약해지고 부서지기 쉬워집니다.
PET와 PBT의 건조가 필수인 이유
PET는 물, 산, 염기에 강한 내약품성이 있습니다. 그러나 섭씨 100도 이상에서는 가수분해가 쉽게 일어납니다. 사출성형 시 수지 온도가 200도 이상으로 올라가기 때문에, 수분이 남아있으면 가수분해가 필연적으로 발생합니다.
따라서 PBT와 PET의 사출 가공 시에는 반드시 건조해야 합니다. 일반적으로 섭씨 120도에서 150도 사이의 온도로 4시간 이상 건조하는 것이 권장됩니다. 건조가 불충분하면 성형품에 기포가 생기거나, 표면이 거칠어지거나, 강도가 떨어지는 문제가 발생합니다.
이번 편에서 배운 내용 정리
이번 편에서는 플라스틱의 수분흡수성에 대해 알아보았습니다. 플라스틱의 수분흡수율은 분자 내 특정 원소의 존재 여부에 따라 달라집니다. 탄소와 수소로만 구성된 PE와 PP는 수분흡수율이 매우 낮고, 산소를 포함한 PA 계열은 수분흡수율이 높습니다.
특히 PET와 PBT는 수분이 있는 상태에서 가열하면 가수분해 반응이 일어나 해중합이 발생하고, 이로 인해 성형품의 강도가 저하됩니다. 따라서 이러한 수지들은 사출성형 전에 반드시 건조 과정을 거쳐야 합니다.
다음 편 예고
다음 편에서는 용융흐름지수에 대해 알아보겠습니다. 용융흐름지수가 무엇인지, 어떻게 측정하는지, 그리고 왜 사출성형에서 중요한지 상세히 설명해 드리겠습니다. MI 분석 설비와 ASTM 시험 규격에 대해서도 함께 다루겠습니다.
