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제목 플라스틱 소재 어닐링(annealing)의 이해 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/07/31 10:41

플라스틱 소재 어닐링(annealing)의 이해 ①

상대적으로 냉각 속도가 빠르게 처리되면 내부 응력을 유발한다. 사용 중 기능적인 문제가 발생하는 경우, 어닐링(annealing)을 통해 가공 과정에서 달성하기 어려운 수준으로 응력을 낮출 수 있다. 이는 재료의 구조를 안정화하고 내부 응력을 낮출 수 있다.

 

플라스틱이 발명되기 훨씬 전부터 어닐링 가공은 존재했다. 금속산업, 그리고 특히 철강산업은 조절된 온도의 가열 및 냉각에 재료를 노출하는 후속 처리 작업을 통해 재료의 경도가 낮아지고, 연성이 높아지고, 내부 응력은 줄어든다는 사실을 오랫동안 알고 있었다. 이 과정에서 재료의 미세 구조 또한 바뀐다. 구리 및 황동과 같은 다른 금속 재료 또한 이런 공정을 통해 얻을 수 있는 이점이 많다.

그러나 플라스틱 업계는 플라스틱 어닐링을 제조공정의 일부로 보지 않는 경우가 대부분이다. 예외는 있다. 솔리드 로드(solid rod), 두꺼운 튜브, 시트 등 상당한 두께를 지닌 제품들은 머시닝 가공을 위한 준비 단계로 어닐링을 하는 경우가 많다. 이는 재료의 구조를 안정화하고 내부 응력을 낮추기 위한 것으로, 금속 재료 어닐링과 거의 동일한 목적을 갖는다.

용융 과정을 통해 공정으로 만들어지는 모든 제품은 이 공정의 특성으로 인해 비교적 빠른 냉각속도 때문에 어느 정도 내부 응력이 유발된다. 이로 인해 물질의 평형상태에 변화가 생길 수 있다. 이 때문에 사용 중 기능적인 문제가 발생하는 경우, 어닐링을 통해 가공 단계에서 달성하기 어려울 수도 있는 수준으로 응력을 낮출 수도 있다.

어닐링이 필요한 이유와 재료에 미치는 영향은 어닐링 대상이 되는 폴리머에 따라 크게 달라진다. 비정질 폴리머의 경우, 내부 응력 감소가 목적이다. 냉각 속도의 중요성에 충분한 주의를 기울여 제어가 잘 된 공정에서 생산된 제품은 내부 응력 수준 1,000psi 미만을 얻을 수도 있다.

그러나 냉각이 빠르게 이루어진 생산품은 내부 응력이 그보다 2~ 3배 더 높게 나타날 수 있다. 내부 응력이 높을수록 제품 불량이 없다. 하지만 외부에서 가해지는 응력을 관리할 수 있는 능력이 떨어진다. 또한 높은 수준의 내부 응력을 안고 있는 제품은 취성 불량을 보일 가능성이 높다.

생산제품이 높은 외부 응력에 노출되지 않았어도, 높은 내부 응력은 환경 응력 균열(ESC)을 보이기 쉽다. 비정질 폴리머는 특정 화학물질에 노출되면 환경 응력 균열을 나타낼 가능성이 특히 높다. 그러한 화학물질은 솔벤트, 가소화제, 세제, 녹 방지제, 접착제 등이 될 수 있으며, 비정질 폴리머는 이런 유체와 장시간 접촉하면 환경 응력 균열로 불량이 발생할 수 있다. 이러한 종류의 환경이라면 어닐링 가공이 성공과 실패를 가를 수 있다.

반(半)결정성 폴리머에서는 어닐링의 목적이 근본적으로 다르다. 반결정성 폴리머를 사용하는 이유는 그 원료의 결정도에서 기인하는 기계 및 열 특성 때문이다. 결정도는 소재의 강도, 모듈러스, 유리전이온도보다 높은 온도에서 기계적 물성 유지능력, 내화학성, 피로 및 크리프 내성, 마찰 특성 같은 성질들을 결정한다.

비정질 폴리머에서 내부 응력을 냉각 속도를 낮춰 최소화시킬 수 있는 것처럼, 반정질 폴리머의 결정도는 원료 냉각 속도를 늦추어주면 극대화된다. 그러나 최상의 여건에서도 용융 과정에서 냉각 속도를 아무리 최적화시켜도 성형품에는 원래 달성 가능한 결정도의 약 90% 밖에 구현할 수 없다. 대부분의 경우에는 이 정도면 충분하다. 그러나 그렇지 않은 경우라면, 어닐링 가공을 통해 나머지 10%를 더할 수 있다.

결정 형성의 기회는 폴리머의 융점보다 낮고 유리전이온도(Tg)보다 높은 온도대에서 발생한다. 바라는 결과를 얻기 위해서는 어닐링 온도가 Tg보다 높아야 한다. 최적의 결정화 속도는 일반적으로 융점과 유리전이온도(Tg) 사이의 중간점 근처에서 얻어진다. 예를 들어, 나일론 66은 60°C(140°F)Tg와 260°C(500°F) 융점을 지니고 있기 때문에, 약 160°C(320°F)에서 어닐링 했을 때 가장 효과가 높다.

교차 결합된 소재의 어닐링 가공은 반결정성 열가소성플라스틱 경우와 유사한 목적으로 수행된다. 성형공정이 가능한 최고 수준의 결정화를 달성하기 위해 애를 쓰지만, 일반적으로 최적의 교차 결합을 달성하지는 못한다. 이때 사이클타임을 연장하면 달성할 수 있지만, 경제성 문제가 이를 허락하지 않는 경우가 흔하다. 때문에 차라리 가공 후 많은 양을 한꺼번에 재가열하는 것이 더 효과적이다.

열경화성 플라스틱 업계는 이를 일반적으로 포스트 베이킹(post-baking)이라하고, 페놀 및 폴리이미드 같은 폴리머에서 가장 자주 행해진다. 그러나, 현장 경험이 많은 업계 전문가들은 불포화 폴리에스터, 에폭시, 실리콘 등도 이 작업을 수행하면 이점이 있음을 발견했다.

포스트 베이킹(집합적 재가열) 공정으로 소재의 교차결합 밀도를 효과적으로 늘리려면 베이킹 공정 온도가 성형품에 사용한 폴리머의 Tg보다 높아야 한다. 나중에 다른 컬럼을 통해 다루겠지만, 최적의 특성을 달성하기 위해 포스트 베이킹이 필요한 열가소성 플라스틱도 더러 있다.

 

특정 공정이 원하는 결과를 달성하기 위해서는 어닐링 또는 베이킹 후 온도 및 시간의 특정 조건이 중요하다.

일부 엘라스토머도 포스트 베이킹 또는 어닐링 공정을 수행함으로써 이점을 얻을 수 있다. 여기서도 반결정질 열가소성 플라스틱 및 경성 교차 결합 폴리머의 경우와 마찬가지로 내부 응력 감소가 아니라 기계 및 열 성능을 향상시키는 구조 재배열을 목적으로 한다. 이 공정은 폴리우레탄 같은 열가소성 엘라스토머에서도 유용할 수 있으며, 실리콘 고무와 같은 교차 결합 수지 시스템의 성능 향상에도 효과적인 것으로 밝혀졌다. 높은 온도에 장기간 노출되는 응용 제품에 최적의 성능을 제공하는 데 특히 유용하다.

이러한 공정을 통해 원하는 결과를 달성하기 위해서는 어닐링 또는 포스트 베이킹 온도 및 시간의 구체적 조건이 매우 중요하다. 여기서 일부 공통적으로 중요한 사항은 가열을 완료한 후 냉각시키는 속도다. 이 냉각 과정을 관리하지 못해서 어닐링으로 원하는 결과를 얻지 못하는 원인이 되는 경우가 종종 있다. 냉각 속도는 간과하기 쉬운 중요한 파라미터다.

본 시리즈의 후속 컬럼들에서 비정질 열가소성 플라스틱, 반결정성 열가소성 플라스틱, 교차 결합 소재 및 엘라스토머 등 어닐링에 필요한 다양한 사항들에 대해 살펴볼 예정이다. 더불어 예기치 않은 부정적 결과를 피하고 긍정적인 결과를 극대화시키기 위해 이 과정이 갖고 있는 한계 또한 다룰 예정이다.

특정 공정이 원하는 결과를 달성하기 위해서는, 어닐링 또는 베이킹 후 온도 및 시간의 특정 조건이 중요하다.

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19603   폴리에틸렌(PE)의 기초 ⑥ 플라스틱코리아