플라스틱 성형 해석용 소재 물성과 측정 -2

4. 전단점도(Shear Viscosity)

점도는 응력과 전단속도 간의 비례계수로서 유체가 흐를 때 에너지를 손실하게 되는데 이때 에너지가 손실되는 정도를 의미한다. 즉, 흐름에 대한 저항력으로 이해하면 된다. 고체의 경우 Hooke`s law에 의해 응력과 변형률의 비례상수가 탄성계수이고 유체는 응력과 변형률(전단속도) 간의 비례상수가 점도이다. 성형해석에서 온도 및 속도 변화에 따른 유동특성을 계산하는데 점도 Data가 필요하다.
뉴톤유체의 점도는 온도에 따라 변하는 상수이나 비뉴톤유체(점탄성유체)는 온도 뿐만 아니라 전단속도에 따라 변한다. 즉, Low shear rate에서는 전단속도에 무관하나 High shear rate에서는 고분자 사슬의 Entanglement 풀림 속도가 엉키는 속도보다 빨라져 Shear thinning(전단속도가 증가하면 점도는 감소) 효과가 발생하여 흐름에 대한 저항력이 감소한다. 온도가 높아지면 고분자 Chain의 움직임이 활발해지며 분자 간 결합력이 약해져 분자 간 거리가 멀어지고 자유공간이 늘어나 흐름에 대한 저항이 줄어들어 점도가 낮아진다.
전단속도와 점도간 Graph에서 기울기 변화가 큰 소재는 사출속도 변화에 따라 점도 변화가 크다. 또한 온도별 점도 Graph의 차이가 적은 소재는 온도 증가에 따른 유동성 증가 효과를 기대하기 어렵다.
전단점도를 측정하는 방법으로는 사출기에 Pressure transducer와 Thermocouple을 설치하여 전단 속도에 따른 전단점도를 측정하는 방법과 Capillary Rheometer(1,000pa-s 이상 전단영역) 와 Rotational Rheometer(1,000pa-s 이하 전단영역)로부터 얻은 전단점도를 조합하는 방법이 있다.

Capillary rheometer를 이용하여 전단점도를 측정하면 겉보기 점도가 측정된다. 이는 입구와 출구에서의 압력 손실, 벽면에서의 Slip, Newtonian 유체와 다른 Non-Parabolic velocity profile에 기인하며 진점도를 측정하기 위해서는 이에 대해 보정을 실시해야 한다. 압력 손실을 보정하기 위해 Bagley correction을 벽면에서의 Slip 현상을 보정하기 위해서는 Mooney correction, Non-parabolic velocity profile을 보정하기 위해 Weissenberg-Rabinowitsch correction을 해야 한다.
측정된 점도 Data는 앞서의 pvT와 마찬가지로 Raw data를 직접 사용하지 않고 점도 예측Model에 Data를 Fitting 하고 인수형태로 Material DB에 입력하여 사용한다. 점도 Model에는 Newtonian Model, Second order Model, Power law Model과 Cross-WLF Model 등이 있으며 점도가 전단속도, 온도, 압력의 함수로 표현되는 Cross-WLF Model을 주로 사용한다.

점도는 소재의 분자량, 분자량 분포, Chain branch 유무 등에 영향을 받는다. Long chain branch는 저분자량에서 점도의 감소(Entanglement 감소), 고분자량에서는 점도의 증가를 야기한다(Entanglement 증가). 이는 저분자량의 경우 Branch에 의해 분자 크기가 작아져 점도가 감소하는 반면 고분자량의 경우 Long chain branch가 Entanglement 수를 늘려 점도를 증가시킨다. 또한 분자량 분포가 좁은 경우 Low shear rate에서 Newtonian 특성을 보여준다. 분자량 분포가 넓은 경우 상대적으로 분자량이 낮은 분자가 많아 Entanglements 수가 감소하며 저분자가 윤활유 역할을 하기 때문에 이로 인해 전단속도가 높아지면 분자량 분포가 좁은 소재보다 점도가 낮다.

 

5. 비열(Specific Heat)

평균열용량(Mean Heat Capacity), C는 온도변화에 대한 열량의 비로 정의되며 물체의 온도를 1℃
높이는데 필요한 열량이다. 비열용량(Specific heat capacity, 이하 비열)은 물질의 단위 질량당 열
용량으로 정의된다.

비열의 단위는 J/(kg.K) 이다. 비열용량은 일정부피 또는 일정압력에서 측정되며 각각은 Cv, Cp로 표현된다. 일정한 부위에서 시료를 가열할 때 Vessel에 과도한 응력이 발생하여 Cp를 사용하는 것이 일반적이다. 일정 부피 또는 일정 압력 조건에서 온도변화에 따른 열용량 변화를 측정하기 어려워 비열을 이미 알고 있는 표준시료와 함께 온도에 따른 열용량 변
화를 측정하고 이로부터 미지 시료의 비열을 계산한다. 표준물질은 주로 Sapphire 또는 Sb2O3을 사용하며 측정은 DSC를 이용한다.

비열은 승온(Heating)인지 강온(Cooling)인지에 따라 비열이 다르며 승온 또는 강온 속도에 따라서도 비열이 다르게 측정된다. 성형해석용 비열 Data는 금형에서의 냉각 과정과 가까운 상태에서 비열을 측정하기 위해 20℃/min의 속도로 강온
과정에서 측정한다.
해석과정에서 비열은 Material이 용융될 때 필요한 열량을 결정하고 성형 후 제거(냉각) 되야할 열량을 결정한다. Filling과 Packing과정에서 용융수지로부터 금형에 전도되는 열의 양을 계산하고 그에 따른 온도, 압력 분포 및 수축률, 변형량 계산에 사용되며 Cavity로 흘러 들어가는 용융수지가 전단발열에 의해 상승되는 온도를 계산하는데 또한 사용된다. 열전도도와 달리 비열이 큰 소재는 냉각하는데 큰 열량을 방출해야 하므로 충전 중 온도 편차가 작고 냉각도 더디다.

 

6. 전이온도(Transition Temp.), 이형온도(Ejection Temp.)

전이온도(Transition temperature)는 수지가 용융상태에서 고체상태로 전환되는 온도이다. 전이온도는 유동이 멈추는 온도로 두께 방향의 고화층 두께를 계산하고 미성형을 예측하는 데 사용된다. 또한 냉각과정에서 전이온도에 도달했을 때 수축률을 계산한다.

이형온도(Ejection temperature)는 Shrinkage 해석에서 Stress relaxation 계산과 유동해석에서 냉각 시간 계산에 이용된다. 이형온도는 전이온도와 마찬가지로 DSC 냉각과정에서 측정된다. Semi-crystalline 소재의 경우 이형온도는 재결정화되는 온도로 추론한다. 이는 결정화 Peak 온도 이후의 온도이다. 무정형소재의 경우 이형온도는 무정형소재가 Glass transition temperature에 도달할 때의 온도이다.