KR20170107765A - 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기존의 ASTM에 의한 물성 측정 값을 이용하여, 실제 제조되는 성형 제품의 내충격성을 정확히 도출해낼 수 있는, 새로운 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법에 관한 것이다.

Description

플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법{ASSESSMENT METHOD FOR PLASTIC FORM}
본 발명은 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기존의 ASTM에 의한 물성 측정 값을 이용하여, 실제 제조되는 성형 제품의 내충격성을 정확히 도출해낼 수 있는, 새로운 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법에 관한 것이다.
플라스틱은, 열 및/또는 압력을 이용하여 성형이 가능한 고분자 화합물의 일종으로, 가공이 쉽고, 열을 가했을 때 녹고, 온도를 충분히 낮추면 고체 상태로 되돌아가는 고분자이다.
플라스틱은, 다양한 형태로 가공하기 쉽고, 그 중 일부는 재활용도 가능하기 때문에, 현대 사회에서는 다양한 종류의 플라스틱 수지 성형품이 사용되고 있다.
이러한 플라스틱은, 일반적으로, 단량체 화합물을 중합하여 얻을 수 있으며, 중합된 수지 또는 수지 조성물을 펠렛 형태로 가공하여 보관하고, 각 용도에 따라 다양한 방법으로 성형하여 제품을 제조한다.
이러한 플라스틱 수지 성형품의 기계적 물성을 확인하기 위해, 인장 강도, 신율, 충격 강도, 굴곡 강도 등, 다양한 측정 방법이 고안되고는 있으나, 실제 제조되는 제품에 따라 각각 요구되는 물성이 상이하며, 위와 같은 기본 물성은, 시편을 제작한 후 테스트하기 때문에, 이것 만으로는 다양한 형태의 실제 제품에 요구되는 물성을 유추하기 어려웠다.
본 발명은 플라스틱 수지 성형품에 대해, 기존의 표준 측정 방법에 의한 물성 측정 값을 이용하여, 실제 제조되는 성형 제품의 내충격성을 정확히 도출해낼 수 있는, 새로운 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 플라스틱 수지 시편에 대해, ASTM D638에 의해, 시편이 절단될 때까지 가해진 하중 대비 길이 변화를 측정하여, 길이 신장값 대비 하중값을 도식화하는 단계; 상기 도식화된 측정 값에 대해, 극소점 및 제2극대점을 확인 하는 단계; 및 상기 극소점과 제2극대점 사이에서, 상기 플라스틱 수지 시편의 스프레딩 그래디언트 값을 구하는 단계를 포함하는, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법을 제공한다.
본 발명의 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법에 따르면, 실제 제품을 제조하여 별도의 물성을 측정하는 방법에 의하지 않고도, 시편으로 제조한 고분자 수지 성형품에서 측정한 기본 물성만으로, 제조되는 성형 제품의 내충격성을 정확히 도출해낼 수 있어, 시간적, 금전적 측면에서 경제적이다.
도 1은, 플라스틱 수지 시편에서, 가해진 하중과 길이 신장의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는, 플라스틱 수지 시편에서, 스프레딩 그래디언트 대비 복소 탄성률 값을 나타낸 분포도이다.
도 3은, 플라스틱 수지 성형 제품의 충격강도 테스트 결과를 나타낸 이미지이다.
본 발명의 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법은, 플라스틱 수지 시편에 대해, ASTM D638에 의해, 시편이 절단될 때까지 가해진 하중 대비 길이 변화를 측정하여, 길이 신장값 대비 하중값을 도식화하는 단계; 상기 도식화된 측정 값에 대해, 극소점 및 제2극대점을 확인 하는 단계; 및 상기 극소점과 제2극대점 사이에서, 상기 플라스틱 수지 시편의 스프레딩 그래디언트 값을 구하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 플라스틱 수지라 함은, 열경화성 플라스틱, 또는 열가소성 플라스틱을 포함하는, 고분자 플라스틱 수지를 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따른 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법은, 플라스틱 수지 시편에 대해, ASTM D638에 의해, 시편이 절단될 때까지 가해진 하중 대비 길이 변화를 측정하여, 길이 신장값 대비 하중값을 도식화하는 단계; 상기 도식화된 측정 값에 대해, 극소점 및 제2극대점을 확인 하는 단계; 및 상기 극소점과 제2극대점 사이에서, 상기 플라스틱 수지 시편의 스프레딩 그래디언트 값을 구하는 단계를 포함한다.
본 명세서 전체에서, 상기 극소점이라 함은, 플라스틱 수지 시편에 대해 ASTM D638에 의해 측정된, 길이 신장(Strain) 대비 하중 (Stress)의 그래프에서, 항복점(Yield Point)을 지난 후, 다시 하중 증가에 따라 길이 신장이 시작되어, 그래프 상에서 하중의 극솟값의 형태로 나타나게 되는 점을 의미한다.
그리고, 상기 제2극대점이라 함은, 플라스틱 수지 시편에 대해 ASTM D638에 의해 측정된, 길이 신장(Strain) 대비 하중 (Stress)의 그래프에서, 항복점(Yield Point), 즉 제1극대점을 지나고, 영구 신장이 일어나는(Permanent elongation) 변형 경화 구간(Strain Hardening Zone)을 거쳐, 최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength, UTS)에 도달하여, 그래프 상에서 하중의 극댓값의 형태로 나타나게 되는 점을 의미한다. (UTS point)
또한, 본 명세서에서, 상기 스프레딩 그래디언트 값(Spreading Gradient Value)이라 함은, 상기에서 정의한 극소점과 제2극대점 사이, 영구 신장이 일어나는 변형 경화 구간 내에서의, 길이 신장(Strain)에 대한 하중(Stress)의 평균 변화율(
Figure pat00001
) 값을 의미한다. 즉, ASTM D638에 의해 측정된, 길이 신장(Strain) 대비 하중 (Stress)의 그래프에서, 변형 경화 구간 내 기울기의 평균값으로 볼 수 있다.
도 1은, 플라스틱 수지 시편에서, 가해진 하중과 길이 신장의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법은, 플라스틱 수지 시편에 대해, ASTM D638에 의해, 시편이 절단될 때까지 가해진 하중 대비 길이 변화를 측정하여, 길이 신장값 대비 하중값을 도식화하는 단계; 상기 도식화된 측정 값에 대해, 극소점(300) 및 제2극대점(400)을 확인 하는 단계; 및 상기 극소점과 제2극대점 사이에서, 상기 플라스틱 수지 시편의 스프레딩 그래디언트 값을 구하는 단계를 포함한다.
기존의 ASTM 등에 규정된 방법에 의해 고분자 수지 성형품의 물성을 측정하는 경우, 인장 강도와 신율 등을 알 수 있지만, 내충격성 등과 관련된 물성은 알 수 없었기 때문에, 판 형태 또는 바구니 형태의 별도 시편을 따로 제작하여, 충격 관련 물성을 측정해야 하는 번거로움이 있었다.
그러나 본 발명의 방법에 의할 경우, 한 번의 측정으로, 기존의 인장 강도, 신율 등, 탄성 관련 물성뿐 아니라, 즉, 얻어진, Strain vs Stress 그래프에서 상기에서 정의한 스프레딩 그래디언트 값을 측정하고, 이를 표준 시편의 값과 비교하여, 충격 관련 물성 역시 도출해낼 수 있게 되는 것이다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법은, 상기 플라스틱 수지 시편의 복소 탄성률을 측정하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
즉, 스프레딩 그래디언트 값만으로도 충격 관련 물성을 예측할 수 있지만, 복소 탄성률 값을 함께 이용하는 경우, 더욱 정확하게 충격 관련 물성을 도출해낼 수 있게 되며, 이에 더하여, 가공성 및 굴곡 강도 값 역시 쉽게 예측이 가능하게 된다.
일 예에 따르면, 상기 복소 탄성률 값을 측정한 이후, 상기 플라스틱 수지 시편의 스프레딩 그래디언트 값 대비 복소 탄성률 값을 측정하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
더욱 구체적으로는, 상기 단계는 측정한 스프레딩 그래디언트 값과 복소 탄성률 값에 하기 수학식 1을 도입하여 진행할 수 있다.
[수학식 1]
(X-a)2 + (Y-b)2 ≤ 25
상기 수학식 1에 있어서,
X는 (10^6 Pa/m 단위로 측정한) 스프레딩 그래디언트 값을 의미하고,
Y는 (10^8 Pa 단위로 측정한) 복소 탄성률 값을 의미하며,
a는 표준 시편의 스프레딩 그래디언트 값이고,
b는 표준 시편의 복소 탄성률 값이다.
도 2는, 플라스틱 수지 시편에서, 스프레딩 그래디언트 대비 복소 탄성률 값을 나타낸 분포도이다.
도 2를 참고하면, 각 시편의 스프레딩 그래디언트 값과 복소 탄성률 값을 도시하고, 표준 시편의 스프레딩 그래디언트 값과 복소 탄성률 값을 이용하여, 이를 중심으로 하는 원의 방정식에 따라, 물성을 평가하는 것이 가능함을 명확히 확인할 수 있다.
본 발명의 평가 방법은, 성형품의 형태로 제조되는 다양한 플라스틱 고분자 수지에 대해 적용이 가능하다.
일 예로, ASTM 1238에 의해 측정한, 용융 흐름 지수(MI)가 약 5 내지 약 10g/10분, 바람직하게는, 약 7 내지 약 8g/10분인, 플라스틱 수지를 대상으로 할 수 있다.
발명의 다른 일 실시예에 따르면, ASTM 1238에 의해 측정한, 하중 하 용융 유동율비(MI5/MI2.16) 값이 약 3 내지 약 4, 바람직하게는 약 3.1 내지 약 3.5인 플라스틱 수지를 대상으로 할 수 있다.
발명의 다른 일 실시예에 따르면, ASTM 1505에 의해 측정한 밀도 값이 약 0.9 내지 약 1g/cm3, 바람직하게는 약 0.950 내지 약 0.970g/cm3인, 플라스틱 수지를 대상으로 할 수 있다.
그리고, 구체적으로는, 폴리스티렌계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리(메트)아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, ABS계 수지, 우레탄에폭시계 수지, 우레탄아크릴계 수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 및 폴리에스테르계 수지 등, 충격 강도가 중요하게 여겨지는 제품을 제조하기 위한 다양한 열경화성 또는 열가소성 플라스틱 수지를 그 대상으로 할 수 있지만, 열가소성 플라스틱 수지를 대상으로 하는 경우, 더욱 정확한 평가 결과를 나타낼 수 있으며, 이중에서도, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 수지 등, 폴리올레핀계 수지를 그 대상으로 하는 것이 바람직할 수 있다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
< 실시예 >
플라스틱 수지 시편 준비
하기 표 1의 물성값을 가지는 폴리에틸렌 수지를 40℃ 진공 오븐에서 하룻밤 동안 건조하고, 트윈 스크류 압출기(twin screw extruder, BA-19, 제조사 BAUTECH)를 사용하여 펠렛 형태로 제조하였다.
압축하여 얻어진 펠렛 형태의 수지를 다시 40℃ 진공 오븐에서 하룻밤 동안 건조한 후에 시편 제조기(Xplore 5.cc micro injection molding machine)를 이용하여, 230℃에서 N2 pressure 8bar 30초, 10bar 30초 조건에서 dog bone 시편을 제작하였다. (길이: 2.7in, 너비: 0.125in(중앙, 최솟값), 0.27in(말단, 최댓값), 두께: 0.125in)
준비된 시편의 기본 물성은 다음과 같다.
1) 밀도
ASTM 1505에 의해 측정하였다.
2) 용융지수(MI):
190℃에서, ASTM 1238에 의해 측정하였다.
MI 밀도
실시예 1 8.3 0.957
실시예 2 9.1 0.957
실시예 3 8.3 0.959
실시예 4 7.5 0.959
실시예 5 8.6 0.961
실시예 6 7.5 0.961
비교예 1 9.5 0.961
비교예 2 6.0 0.961
비교예 3 8.0 0.956
비교예 4 7.7 0.955
물성 평가
실시평가예
스프레딩 그래디언트 측정
상기 준비된 시편에 대해, Zwick 사의 Z010 만능시험기(Universal Testing Machine)를 이용하여 200 mm/min의 속도로 측정하였으며, 전술한 방법에 의해 스프레딩 그래디언트 값을 구하여, 합계 5회 시험의 평균치를 결과로 표시하였다.
복소 탄성률 측정:
Dynamic Mecahnical Analysis를 이용하여 측정하였다.
비교평가예
가공성(Spiral flow) 측정
ASTM D 3123에 의해, 측정하였다.
내충격성 평가 1:
평균 두께 2mm, 부피 20L인 원기둥형 바구니를 제작하여, 물을 가득 채우고 뚜껑을 닫은 후, 2m 높이에서 수직 낙하시켜, 내충격성을 평가하였다. 동일한 실험을 10회 반복하여, 평가 샘플이 전혀 깨지지 않은 경우, 상, 10회 중 1 또는 2회 깨진 경우, 중, 3회 이상 깨진 경우, 하로 평가하였다.
내충격성 평가 2:
상기 7-1과 동일한 조건에서, 원기둥형 바구니를 옆면으로 눕힌 상태로 수직 낙하시켜, 내충격성을 평가하였다. 동일한 실험을 10회 반복하여, 평가 샘플이 전혀 깨지지 않은 경우, 상, 10회 중 1 또는 2회 깨진 경우, 중, 3회 이상 깨진 경우, 하로 평가하였다.
내충격성 평가 3:
2mm 두께의 원판 시편을 제작하고, 밑 면이 열린 거치대에 고정한 후, 21.2kg, SUS 재질의 다트를 1m 높이에서 수직 낙하시켰으며, 10회 반복하여, 시편이 관통되거나 깨지는 횟수로, 내충격성을 평가하였다.
도 3은, 플라스틱 수지 성형 제품의 충격강도 테스트 결과를 나타낸 이미지이다. 도 3을 참조하면, 원판 형태의 시편이 관통된 상태와 깨짐이 나타난 상태를 확인할 수 있다.
굴곡강도:
ASTM D 790에 의해 측정하였다.
상기 측정 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
실시평가예 비교평가예
스프레딩
그래디언트
(10^6 Pa/m)		 복소 탄성률
(10^8 Pa)		 내충격성
1		 내충격성
2		 내충격성
3		 가공성
(cm)		 굴곡강도
(kgf/cm2)
실시예 1 7.6 14.8 상 상 0 - -
실시예 2 4.8 13.3 상 상 0 - -
실시예 3 8.8 16 상 상 0 - -
실시예 4 7 15.6 상 상 0 - -
실시예 5 5.9 16.2 상 상 0 19.5 12000
실시예 6 6.6 16.8 상 상 0 20.2 12100
비교예 1 4 18.6 중 상 1 16 12000
비교예 2 17.1 18.8 하 하 5 - -
비교예 3 15.8 17 중 하 3 - -
비교예 4 10.7 15.3 상 상 0 18 10200
상기 표 2에서, 비교평가예를 참고하면, 상기 실시예 화합물의 경우, 내충격성 평가에서 모두 우수한 결과를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있으며, 가공성 및 굴곡강도 역시 대체적으로 우수한 것을 확인할 수 있다.
이에 대해, 실시평가예에서, 실시예 1 내지 6의 시편은, 스프레딩 그래디언트 값이 약 4.8 내지 약 8.8로 측정되는 것을 확인할 수 있으며, 비교예는 이 범위를 벗어나는 것을 확인할 수 있는데, 비교예의 경우, 비교평가예에서의 내충격성 실험 결과가 실시예에 비해 대체적으로 좋지 못한 것을 명확히 확인할 수 있다.
도 2는, 상기 실시예 및 비교예의 시편에서, 스프레딩 그래디언트 대비 복소 탄성률 값을 나타낸 분포도이다.
도 2를 참조하면, 실시예의 경우, 스프레딩 그래디언트 대비 복소 탄성률 값이, 표준 시편의 값으로부터, 반지름 5에 해당하는 영역에 모두 포함되어 분포하고 있는 것을 알 수 있으며, 비교예의 경우, 해당 영역 밖에 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.
특히, 비교예 4의 경우, 내충격성 평가에서는, 모두 양호한 결과를 나타내고 있으나, 실시예에 비해 가공성이 저하된 것을 확인할 수 있으며, 특히 굴곡 강도 값이 실시예에 비해 약 20% 가량 저하된 것을 확인할 수 있다.
즉, 실시평가예에서와 같이, 기존의 기본 물성 측정 기기를 이용하여, 스프레딩 그래디언트 값 만을 측정한다 하더라도, 별도의 실험 없이 내충격성에 관련된 물성을 쉽게 도출해낼 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 또한, 복소탄성률 값을 함께 고려하여, 수학식 1의 값을 적용하여보면, 내충격성 관련 물성뿐 아니라, 가공성 및 굴곡강도 값 역시 어느 정도 도출해낼 수 있는 것을 확인할 수 있다.
100: 탄성 영역
200: 항복점
300: 극소점
400: 제2극대점
500: 절단점

Claims (11)

  1. 플라스틱 수지 시편에 대해, ASTM D638에 의해, 시편이 절단될 때까지 가해진 하중 대비 길이 변화를 측정하여, 길이 신장값 대비 하중값을 도식화하는 단계;
    상기 도식화된 측정 값에 대해, 극소점 및 제2극대점을 확인 하는 단계; 및
    상기 극소점과 제2극대점 사이에서, 상기 플라스틱 수지 시편의 스프레딩 그래디언트 값을 구하는 단계를 포함하는, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 극소점은, 플라스틱 수지 시편에 대해 ASTM D638에 의해 측정된, 길이 신장(Strain) 대비 하중 (Stress)의 그래프에서, 항복점(Yield Point)을 지난 후, 다시 하중 증가에 따라 길이 신장이 시작되는 점인, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2극대점은, 플라스틱 수지 시편에 대해 ASTM D638에 의해 측정된, 길이 신장(Strain) 대비 하중 (Stress)의 그래프에서, 최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength, UTS)에 도달하는 점인, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라스틱 수지 시편의 측정값을 표준 시편의 측정값과 비교하는 단계를 더 포함하는, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라스틱 수지 시편의 복소 탄성률을 측정하는 단계를 더 포함하는, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플라스틱 수지 시편의 측정값을 표준 시편의 측정값과 비교하는 단계를 더 포함하는, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    하기 수학식 1을 이용하여 진행하는, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법:
    [수학식 1]
    (X-a)2 + (Y-b)2 ≤ 25
    상기 수학식 1에 있어서,
    X는 (10^6 Pa/m 단위로 측정한) 스프레딩 그래디언트 값을 의미하고,
    Y는 (10^8 Pa 단위로 측정한) 복소 탄성률 값을 의미하며,
    a는 표준 시편의 스프레딩 그래디언트 값이고,
    b는 표준 시편의 복소 탄성률 값이다.
  8. 제1항에 있어서,
    ASTM 1238에 의해 측정한, 상기 플라스틱 수지의 용융 흐름 지수(MI)가 5 내지 10g/10분인, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    ASTM 1238에 의해 측정한, 상기 플라스틱 수지의 하중 하 용융 유동율비(MI5/MI2.16, MFRR) 값이 3 내지 4인, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    ASTM 1505에 의해 측정된, 상기 플라스틱 수지의 밀도 값이, 0.950 내지 0.970g/cm3인, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플라스틱 수지는 폴리올레핀 수지인, 플라스틱 수지 성형품의 물성 평가 방법.
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