기술강좌
 
홈으로로그인회원가입사이트맵이메일
 
HOME 기술강좌 원료
전시회 일정
국내전시일정
해외전시일정(상반기)
해외전시일정(하반기)
관련링크
관련협회
연구소
관련도서
관련 채용정보
제목 열변형온도 vs 동역학적분석 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/07/28 17:06

 

  

플라스틱업계에 플라스틱의 온도 의존적 거동을 더 정확히 나타내주는 방법이 필요할까? 우리에 게는 이미 동역학적 분석(dynamic mechanical analysis, DMA)이라는 방법이 있다. 하지만 이 방법 사용의 일반화는 매우 더디게 이뤄지고 있다.

 

20년 전 미국 플라스틱엔지니어협회(SPE) 연례 기술회의(ANTEC) 한 세션에서 통상적으로 원료물성표에 제공되는 플라스틱의 특성 측정에 사용되는 표준적 방법에 대한 집중검토가 이뤄진 적이 있다.

이 세션의 목적은 우리가 늘 해오던 기존 방식을 면밀히 조사하고 적절한 대안이 있는 경우 더 나은 대안적 접근법을 제안하는 것이었다. 이 세션의 기록은 독립적 저작으로 출간됐고, 그 행사에서 이뤄진 발표들은 미국자동차엔지니어협회(Society of Automotive Engineers, SAE)를 비롯한 다른 기관들의 컨퍼런스를 통해서도 공유됐다.

필자는 당시 산업현장에서 통상 열변형온도(HDT)로 알려진 하중굴곡온도(deflection temperature under load, DTUL)에 관한 프레젠테이션을 맡아 진행했다. 발제 논문에서 플라스틱 소재의 온도 의존적 거동을 정확히 나타내주는 더 나은 방법이 업계에 필요하다고 제안했다. 이때 제안한 대안이 동역학적 분석이라고 알려진 기법이다.

그로부터 20년이 흐른 지금도 다양한 분야의 산업현장에서는 HDT(고분자물성평가, Heat Deflection Temperature or Heat Distortion)와 DMA(동적기계분석, Dynamic Machinical Analyzer) 가운데 어떤 쪽이 더 유용한가를 두고 여전히 의문이 제기되고 있다. 이 같은 의문들에 대한 대부분의 대답은 우리가 아직도 DMA라는 방법을 제대로 이해하지 못하고 있다는 점 그리고 우리가 늘 해왔던 방식에서 느끼는 관성적 편안함이 상상 이상으로 크다는 다소 불편한 진실을 드러내준다.

HDT 테스트는 플라스틱 소재에 대한 테스트 기법이 개발되기 시작하던 초기에 나온 것으로, 4~50년 전의 시점에서는 이 방법을 얼마나 유용하게 생각했을지는 짐작하는 것은 어렵지 않다. 재료가 불량을 일으킬 수 있는 온도범위를 확인하고자 했을 때 해당 소재로 만든 빔(beam)을 일정 유형의 하중 아래 놓은 다음 온도를 올리면서 소재가 부드럽게 되거나 녹는 지점을 확인하는 것은 타당한 것으로 보인다.

그 당시에는 플라스틱 소재에 대한 기대가 별로 높지 않았다. 엔지니어링 소재로서의 플라스틱이라는 개념은 업계 내에서 이제 막 논의가 시작되고 있었을 뿐이다. 나일론과 폴리에스테르가 이미 널리 다양하게 사용되고 있었을 뿐 아니라 아세탈, 폴리카보네이트, 폴리설폰 등과 같은 새로운 폴리머들이 속속 등장하고 있었지만, 일반 대중들은 플라스틱이 장난감, 빨대, 싸구려 가정용품 따위에나 적합한 소재로 여기고 있었다.

 

 

오늘날 플라스틱 산업은 의료기기, 자동차 및 트럭, 심지어 항공우주 산업을 위한 부품을 만들어내고 있다. 금속 대체소재로도 흔히 사용되며, 1960년대에 처음 개척됐던 플라스틱 기어 같은 응용제품들은 심지어 10년 전에 달성 가능하다고 여겼던 수준을 훨씬 넘어서는 정밀성과 출력을 이뤄내고 있다.

이같이 정밀성이 고도화됨에 따라 엔지니어 및 설계자는 플라스틱 소재의 온도 의존적 거동에 대해 더욱 완벽한 이해가 필요하게 됐다. 그러나 고온이 플라스틱 소재에 미치는 영향과 관련해 이용가능한 거의 모든 정보는 HDT를 통해 측정된 물성표로 제한돼 있다. 폴리머 거동에 대해 이 같이 좁은 시야밖에 갖지 못하는 문제는 이 테스트가 무엇을 측정하는 것인지 이해하는 엔지니어와 설계자가 거의 없다는 점이다.

필자는 특정 그레이드의 난연 ABS를 사용하라고 지정한 부품 도면을 받아본 적 있다. 도면에 기재된 메모에는 부품이 87℃ 온도에서 지속적 노출을 견딜 수 있어야 한다고 규정돼 있었다. 이 요구사항은 비현실적이었다. 특히, ‘지속적’이라는 조건과 관련된 구체적인 시간이 정의되지 않았을 뿐 아니라 온도에 관한 이 숫자가 왠지 미심쩍게 느껴졌다. 소재의 물성을 확인한 결과, 이 온도는 원료공급사가 물성을 적어놓은 HDT에 불과함을 확인할 수 있었다.

필자는 이 요구사항을 작성한 엔지니어에게 HDT 가 장기간의 고온성능을 나타내는 기준으로 적용할 수 없음을 설명하기 위해 한참 동안 이야기를 나눠야 했다. 물성을 통해 제공된 대부분의 특성과 마찬가지로 HDT는 실제로는 의미 없는 수치다.

HDT는 소재가 어떤 역할을 할 수 있는지 우리에게 아무것도 알려주지 않는다. 이 점은 여러 해 전 어떤 원료공급업체 책임자가 기술세미나에서 참가자들에게 “물성에 무슨 숫자가 나오면 그저 그 지점에서 뭔가 잘못됐다는 뜻임을 잊지 말라”고 털어놓았을 때 분명히 밝혀졌다.

물성에서 나온 인장강도는 소재가 부러지거나 하중을 견디지 못하는 지점, 즉 우리가 실제 현장에서는 결코 보고 싶어하지 않는 결과를 기준으로 한 수치다. 물성에서 나온 충격내성값은 시편을 파손시키는 데 필요한 에너지를 말한다. 그리고 HDT는 매우 특정한 기하학적 구조로 성형된 시험편이 주어진 응력하에 놓였을 때 특정 정도의 굴곡을 보여주는 온도를 나타내는 것뿐이다.

ASTM(미국재료시험협회)의 테스트 프로토콜에서 사용되는 응력수준은 66psi(0.455MPa)와 264psi(1.82MPa)로 매우 낮다. 몇 달 전 필자는 고객에게서 HDT 테스트 수행 요청을 받은 대학 교수의 전화를 받은 적이 있다. 이 교수는 테스트 절차에 익숙하지 않았고, 실험에서 요구되는 응력수준을 얻는 데 필요한 힘의 양을 계산해서 나온 값이 너무 낮아 자신이 뭔가 오류를 범했다고 생각했다. 그러나 그는 실수한 것이 없었고, 테스트에 필요한 응력수준이 말도 안 되게 낮았을 뿐이다.

필자는 최대응력이 3000~5000psi(20~35MPa) 에 달하는 유한요소분석(FEA) 도표를 일상적으로 검토하고 있다. 실제 부품이 사용될 때 받을 응력수준의 10% 미만의 응력에서 고온 성능을 측정하는 테스트가 대체 얼마나 의미가 있을까? 만일 실제와 비슷한 높은 응력수준에서 HDT 테스트를 수행하면 어떤 값이 나올까?

ISO(국제표준화기구) 관계자들이 테스트 방법에 약간의 현실성을 불어넣으려고 시도했었다. ASTM D 648 프로토콜에 상응하는 테스트 방법 ISO 75는 기존의 두 가지 응력수준에 세 번째 응력기준 1160psi(8.00MPa)를 추가했다. 하지만 이 방법은 현장에서 채택되는 속도가 너무 더디다.

HDT 테스트에 사용된 응력수준을 높일수록 소재에 파손이 발생하는 온도가 낮아지는 것은 어렵지 않게 볼 수 있다. 이렇게 온도가 낮아지는 폭은 우리가 해당 소재 특성에 대한 보다 충분한 데이터를 갖게 되면 테스트하는 소재에 따라 분명한 여러 가지 이유로 크게 달라진다.

하지만 예를 들어, 15% 유리섬유 강화 나일론 6의 HDT는 264psi의 응력하에서 약 205℃(400℉)를 보이지만, 1160psi 응력에서는 약 80℃로 떨어진다. 특히 물성표를 읽는 사람들이 대부분 물성표에 쓰인 값을 얻은 테스트를 수행한 조건에 대해 설명하는 깨알 같은 글자는 잘 들여다보지 않는다는 것을 알고 있기 때문에 원료공급업체는 이렇게 낮은 온도를 제품 물성표에 써넣고 싶어하지 않는 경향이 있다.

또한, 이렇게 높은 응력조건 아래서는 거의 모든 비충전 소재는 상온에서조차 쉽게 파손이 발생할 수 있다. 고온 아래서 성능을 측정하기 위해 고안된 시험에서 현실적인 수준의 응력을 가했을 수천 가지 소재가 상온에서 즉시 파손된다는 결과를 보이는 것으로 나타난다면 이 시험의 전반적 유용성에 의문이 생길 수밖에 없다.

그렇다면 우리 업계는 어째서 이 방식의 실험을 계속하고 있는 것일까? 가장 간단한 대답은 우리가 늘 그렇게 하기 때문이라는 것이다. 또는 플라스틱 업계가 이 테스트를 대체할 새로운 시험방법이 무엇이 돼야 할지 아직 결정을 내리지 못해서일 수도 있다.

물성표에 표시된 거의 모든 값들이 그렇듯, 이 값들은 곡선 그래프상의 한 지점을 나타낸다. 인장항복강도는 인장응력-변형률 곡선상의 한 지점이다. 충격내성은 충격시험이 진행되는 동안 수집된 에너지를 표시하는 곡선 그래프의 한 지점이다. 그리고 HDT는 시험하는 소재의 탄성계수가 특정 수준으로 떨어지는 지점이다.

플라스틱으로 알루미늄과 강철을 대체하고자 하는 이 시대에 분명히 제기해야 할 질문은 왜 정확한 곡선 그래프를 있는 그대로 제공하고, 엔지니어가 그를 바탕으로 자신의 용도와 목적에 맞는 지점을 찾도록 해야 한다는 것인가? 다음 칼럼에서는 바로 그것에 대해 알아볼 예정이다.

  

  

#플라스틱업계 #온도의존적거동 #동역학적분석 #dynamic #mechanical #analysis #DMA #사용일반화 #열변형온도 #heat #deflection #temperature #HDT #유효성 #미국 #플라스틱엔지니어협회 #SPE #연례기술회의 #ANTEC #원료데이터시트 #미국자동차엔지니어협회 #Society #Automotive #Engineers #SAE #컨퍼런스 #산업현장 #하중굴곡온도 #deflection #temperature #under #load #DTUL #프리젠테이션 #온도범위 #빔 #beam #엔지니어링 #나일론 #폴리에스테르 #아세탈 #폴리카보네이트 #폴리설폰 #폴리머 #장난감 #빨대 #가정용품 #의료기기 #자동차 #항공우주산업 #금속대체소재 #응용제품 #정밀성 #고도화 #데이터 #그레이드 #난연ABS #부품도면 #소재물성 #원료공급 #고온성능 #기술세미나 #인장강도 #충격내성값 #기하학적구조 #ASTM 3미국재료시험협회 #프로토콜 #응력수준 #최대응력 #유한요소분석 #FEA #고온성능 #측정테스트 #ISO #국제표준화기구 #프로토콜 #유리섬유강화나일론 #물성표 #비충전소재 #유용성 #곡선그래프 #인장항복강도 #인장응력 #변형률 #탄성계수 #알루미늄 #강철 #칼럼 #플라스틱코리아 #plasticskorea

작성자   비밀번호
18905   플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑪ 플라스틱코리아
19048   열변형온도 vs 동역학적분석 ② 플라스틱코리아