플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

4-2 아크릴수지의 온도특성

이 실험에서는 POF와의 비교를 위해 시판단면이 일변 3㎜인 정사각형 아크릴수지를 측정했다.
<그림5>는 아크릴수지의 동적인장탄성률과 손실 인장탄성률, 인장손실탄젠트 등의 온도특성이다. 인장모드의 경우 220℃ 근방에서 시료의 연화에 의해 측정이 불가능해진다. 또한 동적인장탄성률이 강하하는 도중에 인장손실탄젠트의 피크온도를 볼 수 있는 전이영역이 존재하는 점도 특징이다.

<그림6>은 승온속도 2~10℃/min에서 아크릴수지의 동적인장탄성률과 인장손실탄젠트의 온도 특성이다. POF와 같이 승온속도가 커질수록 전이온도영역은 온도가 높은 쪽으로 이동함을 알 수 있다.
<그림7>은 아크릴수지에서의 승온속도와 <그림6>에서 구한 전이온도영역에서의 동적인장탄성률이 강하되기 시작한 변곡점 온도인 한계온도, 그리고 인장손실탄젠트의 극대치 온도인 전이피크온도와의 관계이다. 승온속도와 한계온도, 전이피크온도는 양호한 양의 선형관계가 된다.

<표1>에는 A, B와 상관계수의 값을 나타냈다. 승온속도 0℃/min인 절편의 B값은 승온온도 2℃/min의 한계온도, 그리고 전이피크온도와 비교해서 2℃의 차이가 있다. 문헌에서는 열전도율이 높은 시료일수록 승온속도의 차이에 의한 영향이 크고, Tcp = A·TS+B의 기울기인 A가 저온영역보다 고온영역에서 크다고 기술하고 있으나 표에는 고온영역의 A 값이 저온영역보다 작게 나타났다.

4-3 압축모드의 온도 특성
<그림8>은 POF의 승온속도 2~10℃/min의 압축모드에 의한 압축손실탄젠트 온도특성이다. 승온속도가 커질수록 전이온도영역은 온도가 높은 쪽으로 이동하고, 이동량은 인장모드보다 크다. 시료의 치수 입력에서 인장모드의 경우는 시료의 단면적과 길이로부터 동적압축탄성률을 정확에게 구할 수 있었지만, 압축모드에서는 정확한 치수를 입력할 수 없어 동적압축탄성률을 구할 수 없었다.
하지만 실제로는 하중이 시료의 측면에 걸리는 경우가 많으므로 손실탄젠트만을 파악하기 위해서는 측정 데이터의 격차가 적은 압축모드에 의한 측정방법이 실용적이다.
<그림9>는 POF 및 아크릴수지에 대한 승온속도와
<그림8>에서 구한 압축손실탄젠트피크온도인 전이피크온도와의 관계이다. 승온속도와 전이피크온도는 직선관계로 나타났다.
<표2>는 A, B, 상관 계수의 값을 나타내는데, POF와 아크릴 수지의 A, B값이 적은 차이를 보이는 이유는 POF 코어와 클래드의 열전도율 차가 적기 때문으로 사료된다.
승온속도 0℃/min인 절편의 B값은 승온온도 2℃/min의 전이피크온도와 4℃ 이상의 차이가 있다. 아크릴수지는 인장모드의 경우보다 A값이 꽤 크게 나타나지만, 이 기울기의 차이는 금속 치구로부터의 열전도율이 인장모드보다 압축모드에서 빠르기 때문이다.
따라서 POF Tanδ의 온도 특성은 압축모드로 파악이 가능하며, 압축모드에서의 아크릴수지 Tanδ 온도특성은 인장모드에서보다 상관계수가 크므로, 단열성의 평가는 압축모드로 측청하는 편이 좋다.
한편, 제조사의 다른 측정 장치에서는 시료의 크기가 같지 않기 때문에 Tanδ의 최대온도 등 측정 데이터를 비교할 때 주의가 필요하다. 특히 유리전이온도를 구할 때는 승온속도를 변경시킨 온도특성에서 구한 식의 절편 B를 유리전이온도로 봐야 한다.

4-4 주파수 특성과 마이스터 곡선
<그림10>은 POF, 아크릴수지를 대상으로 한 인장모드와 압축모드의 주파수 특성이다. 압축방식 손실탄젠트는 인장모드보다 크며, 아크릴수지의 손실탄젠트는 POF보다 크다는 점을 알 수 있다. 또한 POF의 인장모드를 제외하면 주파수가 커질수록 서서히 손실탄젠트가 커지는 경향이 있다. 싱글 모드 광섬유의 경우 손실탄젠트 0.042 이상에서 적절한 PMD의 값이 형성되는데, 주파수가 커지면 0.042보다 작아질 가능성이 있다.
낮은 주파수와 높은 주파수의 동적 점탄성 파라미터가 필요한 경우에는 각 온도의 주파수 곡선을 겹쳐 마스터커브를 작성하는 것이 좋다. 단일 사인파의 각 온도에 대한 주파수 분산을 구하고 겹치는 것이 일반적인 방법이지만, 본고에서는 합성파를 이용했다. POF, 아크릴수지를 기본 주파수 1㎐로 한 합성파(주파수 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128㎐)에서 120℃부터 승온속도 2℃/min으로 170℃까지의 압축손실탄젠트 온도특성을 측정했다. 그 후 기준 온도를 130℃로 설정하고 120℃에서 5℃ 간격으로 170℃까지 각 온도의 주파수 분산을 겹쳐 <그림11>과 같이 마스터커브를 작성했다.

그림에 따르면 전체에서 1개의 매끄러운 곡선을 얻어 10-5∼104㎐의 넓은 주파수 범위에 걸친 동적점탄성 파라미터의 추정이 가능하다.

5. 결론

높은 주파수 영역에서 아크릴수지가 POF보다 훨씬 압축손실탄젠트가 크게 나타나지만, 이는 POF 클래드의 불소계수지 영향이 크다고 생각된다. 인장모드의 경우는 불규칙하여, 마스터커브를 만들 수 없었다.
플라스틱 광섬유는 승온속도가 커질수록 시료에 열이 전달되는 속도가 현저히 느려지고, 설정 온도를 따라 가지 못하기 때문에 동적인장탄성률의 온도 특성은 온도가 높은 쪽으로 이동하는 모습을 보였다.
승온속도와 한계온도는 선형 관계에 있다는 점이 확인됐다. 또한 시료의 길이 방향을 횡으로 측정하여 압축손실탄젠트의 온도특성을 측정할 수 있었으며, 승온속도가 다른 측정데이터로부터 승온속도와 전이피크온도가 양의 선형 관계에 있다는 점도 알 수 있
었다.
또한 기준 온도 130℃로 온도 120℃에서 170℃까지의 압축 손실탄젠트의 주파수 분산을 중합한 결과, 매끄러운 마스터 곡선이 되어, 주파수-온도 환산법칙의 성립도 확인이 가능했다.

* 필자소개

足立　廣正(아다치 히로마사)
나고야시공업연구소 시스템기술부 계측기술연구실
연구원

<참고문헌>
(1) 足立廣正：プラスチックス，62，5，16（2011）
(2) 足立廣正：プラスチックス，63，11，45（2012）
(3) 足立廣正：プラスチックス，64，7，17（2013）
(4) 足立廣正：プラスチックス，65，7，29（2014）
(5) 種谷   一：やさしいレオロジ一工   ，工業調査東京（1992）.
(6) 日本lレオロジ一      編：講座レオロジ，高分子刊行   ，京都（1996）
(7) 村上謙吉：やさしいレオロジ一，産業   書，東京（1996）
(8) 峰   樹：熱設計完全入門，日刊工業新聞社，東京（2009）
(9) J. M. Lederman：J. Appl.Polymer Sci., 15, 693（1971）