유변학 및 유변학적 특성-합성고무

오늘 저희가 알려드리고자 하는 알찬 정보는 유변학입니다.  

유변학(Rheology)이란

  응력 및 변형력을 가했을 때의 유제의 유동가 고체의 변형 상태를 분석하는 학문입니다. (가장 간단한게 말씀드리면 말이죠..!) 

유변학적 특성을 규명하기 위하여 사용되는 장비는

  레오메타(Rheometer)입니다. 레오메타에는 응력이나 변형력을 제어할 수 있는 다용도 레오메타나 모세관 레오메타(capillary)등 많은 종류가 있습니다.

응용  

1. 고분자 – 용융 측정

일반적으로 고분자의 유변학적 특성 규명은 묽은 용액이나 용융된 고분자 상에서 이루어지며 이는 분자 구조(분자량, 분자량 분포도 및 분지도), 가공 거동(processing behavior) 및 최종 제품의 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

용융된 고분자의 유변학적 특성을 측정하는 경우 일반적으로 용융 지수(melt index)가 사용되는데 이는 단일 점도를 측정하는 실험법이며, 실제로는 기준 조건(온도, 압력 및 시간) 하에 모세관(capillary)을 통과하는 물질의 양을 의미합니다. 용융 지수는 품질 관리 시 고분자 간의 상대적인 차이를 구분하는 데 있어 가장 간단하고 빠른 방법이며 그만큼 자주 사용됩니다. 그러나 분자 구조의 차이점을 정확하게 구분하지 못하고 물질이 처리 과정에서 어떻게 거동하는 지에 대한 정보를 거의 제공하지 못하는 한계가 있습니다.

고분자는 복잡한 유변학적 물질로 응력, 변형 및 온도의 변화에 따라 점탄성적 특성(viscoelastic properties)을 보입니다. 가장 대표적인 예로서 합성 고무(PDMS)가 있는데 이것은 덩어리 상태로 있다가 시간이 경과되고 중력이 작용하면 천천히 액체처럼 유동하여 고인 상태로 변합니다. 그러나 공처럼 모양을 만들어 튀기면 탄성체처럼 움직이며, 이런 상태에서 급격히 잡아당기면 플라스틱 고체처럼 완전히 부서지게 됩니다. 이러한 고분자의 특성은 처리 과정 중 또는 처리 과정 후 고분자가 응집, 변형 및 시간의 변화에 따라 어떤 상태로 작용하는지를 이해하기 위하여 고분자의 유변학적 특성을 측정하는 것이 매우 중요하다는 것을 보여줍니다.

일반적으로 다음과 같은 특성을 측정하기 위해 응력이나 변형을 제어할 수 있는 회전식 레오메타가 사용됩니다.

• 주파수(시간) 및 온도 함수로 작용하는 점탄성 (G’, G”, tan delta) 측정
• 주파수 범위 및 크리프/회복 시험 (제로전단점도)을 이용한 분자 구조 (분자량, 분자량 분포도, 분지) 측정
• 선형 점탄성 특성(제로전단점도, 정상상태 리커버블 컴플라이언스) 상의 긴 사슬 분지의 영향도 측정

모세관 레오메타는 또한 다음과 같은 측정에도 사용됩니다.

• 처리 과정에서 얻어진 조건을 직접 재현하여 전단률이 낮은 상태에서 높아질 때의 전단 점도 측정
• 처리 시 전단률이 높은 경우 나타나는 탄성 특성으로 인해 발생하는 용융 파괴, 다이 팽창 및 표면불량 현상(Shark skin) 측정
• 고분자 처리 과정에서 측정하는 중요한 파라미터인 인장 점도 및 용융 강도 측정