용융중합체의 두 가지 특성 : 점도와 점탄성

열가소성 중합체를 성형하기 위해서는 액체 상태의 농도에 이르도록 가열해야 하는데, 이러한 상태를 용융중합체(polymer melt)라 한다. 용융중합체는 여러 가지 독특한 특성을 가지고 있는데, 이 포스팅에서는 그중 2가지인 점도와 점탄성에 대해 설명한다.

 

점도

용융중합체는 분자량이 크기 때문에 높은 점도(viscosity)를 가지는 걸쭉한 유체다. 앞서 설명한 바와 같이 점도란 유체가 흐르면서 생기는 전단응력과 전단속도를 연관 짓는 유체 특성이다. 점도는 중합체 공정에서 매우 중요한데, 이는 대부분의 성형 방법들이 용융중합체를 작은 관이나 다이의 틈으로 흘려보내는 과정을 포함하기 때문이다. 유속은 큰 편이기 때문에 높은 전단속도를 발생시키며 결과적으로 전단응력 또는 증가한다. 따라서 이러한 공정을 수행하기 위해서는 매우 높은 압력이 필요하다.

2가지 종류의 유체에서 점도가 전단속도에 따라 보여준다. 정해진 온도에서 뉴턴유체(물과 기름 같은 대부분의 간단한 유체를 포함)의 점도는 일정하다. 즉, 전단속도에 따라 변화하지 않는다. 전단응력과 전단변형률은 점도를 비례상수로하는 비례 관계를 가진다. 그러나 용융중합체에서는 전단속도가 증가함에 따라 점도가 감소한다. 이는 전단속도가 높아짐에 따라 유체가 묽어지게 된다는 것을 뜻한다. 준소성(pseudoplasticity)이라 불리는 이 특성은 다음과 같이 설명 가능하다. 

용융중합체의 점도는 전단속도(유속)의 효과뿐만 아니라 온도에도 영향을 받는다. 대부분의 유체와 마찬가지로 용융중합체의 점도 또한 온도가 올라감에 따라 감소한다. 이와 같이 용융중합체의 점도는 전단속도와 온도가 증가함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있다.

 

점탄성

용융중합체가 가진 또 다른 특징은 점탄성(viscoelasticity)이다. 고체 중합체에 대한 설명에서 이 성질을 다루었다. 용융중합체 또한 점탄성을 보인다. 좋은 예로 압출에서의 다이 팽창(die swell)을 들 수 있는데, 다이 팽창이란 다이 구멍을 빠져나오는 뜨거운 플라스틱이 팽창하는 것을 말한다. 넓은 통에 있던 중합체가 좁은 다이 채널을 통과하면서 팽창하는 것을 보여준다. 압출된 물질은 다이 오리피스를 빠져나온 후 이전의 모습을 기억하고 되돌아가려 한다. 기술적으로 말하면 좁은 다이 구멍을 지나면서 물질에 가해지는 압축응력이 바로 없어지지 않고 오리피스를 빠져 나오면서 제한이 없어졌을 때 남아 있는 압축응력이 단면적을 확장시키는 것이다. 다이 팽창은 다음과 같이 정의된 팽창률(swell ratio)로 원형 단면에 대해 쉽게 측정될 수 있다. 다이 팽창의 크기는 용융중합체가 다이 채널에 머무르는 시간에 달려 있다. 채널이 길어 그 안에 머무는 시간이 길어지면 다이 팽창이 줄어든다.