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제목 폴리에틸렌(PE)의 기초 ⑥
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/07/01 10:33

폴리에틸렌(PE)의 기초 ⑥

폴리에틸렌(PE)이 세상에 알려진지 오래됐기 때문에 알 것은 다 안다고 생각할 수 있다. 하지만 현장에서 발생하는 불량 사례를 겪어보면 우리가 아직 배워야 할 것이 많다는 것을 절감하게 된다. PE의 성능이 어떻게 분자량과 밀도의 영향을 받는가에 대한 또 다른 예를 살펴 보자.

 

적절한 폴리에틸렌 그레이드 선택에 대한 검토를 마치기에 앞서 PE의 성능이 어떻게 분자량과 밀도라는 이중적 고려사항의 영향을 받는지에 대한 또 한 가지 실제 사례를 살펴보면 도움이 될 것이다.

이 사례 연구는 7.0g/10분의 용융유동속도(MFR)와 0.952g/cm3의 밀도를 지닌 HDPE에서 다양한 색상으로 생산된 비교적 큰 성형품에 관한 것이다. 이 성형품의 공급업체는 현장으로부터 균열이 발생한다는 불만을 주기적으로 받고 있었다. 이같은 균열은 이 성형품 쓰임새의 일부였던 상대적으로 높은 기계적 응력으로 인해 발생했다고 추정됐다.

 그러나 이 문제가 현장에서 거슬러 올라가 생산 공정 전체를 추적해봐야 할 만큼 심각해졌을 때, 재고로 보관중인 성형품들을 검토한 결과, 실제 한 번도 사용되지 않은 성형품에서 균열이 자연적으로 발생하는 것으로 나타났다. 또한 최근에 성형된 성형품에는 결함이 나타나지 않는 것으로 확인됐지만, 오래된 성형품은 균열 증상을 보여주었으며, 성형한지 오래 된 것일수록 균열이 더 광범위하게 발생하는 것으로 나타났다.

날카로운 모서리 및 제품 두께의 급격한 변화 등 부실한 설계 요소로 인해 응력이 합쳐지고 시간이 지남에 따라 결정성이 증가하는 원료 특성과 결합하여 원료 고유 강도를 넘어서는 균열이 형성되는 상황을 낳는다. 시간이 지나면서 이러한 균열은 크게 확대될 수 있다. 문제는 대부분 원료의 밀도가 너무 높다는 점이다.

다양한 색상을 검사했을 때 검정색을 제외한 모든 색상이 이 불량 유형에 취약한 것으로 나타났다. 그렇다면 검정색 원료는 무엇이 달랐을까? 검정색 성형품은 여러색이 혼합된 재생원료로 성형된 후 안료 농축액을 추가해 검정색으로 만든 것으로 나타났다. 이 농축액은 LLDPE 원료다. 사실은 모든 컬러가 LLDPE를 기반으로 한 농축액을 사용해 생산된 것이다.

그러나 천연 원료의 착색에는 천연 원료 100파운드 당 2파운드 농축액의 비율로 희석해주면 충분하다. 하지만 혼합된 색상의 재생재를 사용할 때 우수한 검정색을 얻기 위해서 훨씬 더 높은 비율의 농축액을 추가해야 한다.

만족스러운 색상을 얻기위해 필요한 비율로 이 농축액을 추가하면 원료 밀도와 결정성이 효과적으로 감소되어 취성 불량에 대한 취약성이 줄었다. 밀도 감소가 강도와 강성 저하를 낳는 경우가 많지만, 이 경우에는 성형품의 공칭 두께가 상대적으로 두꺼웠기 때문에 낮은 밀도가 성형품의 성능을 손상시키지 않았다. 다른 어떤 색상과 비교해도 검정색 성형품의 하중 지지 성능에는 눈에 띄는 차이가 없었다.

이 사실이 다른 색상 성형품들에 대한 해결책을 제시해줬다. 밀도를 줄이는 동시에 가능하면 성형품 생산에 사용되는 원료의 평균 분자량을 늘리는 것이 좋다는 제안이 나왔다. 성형업체가 특정 원료 공급업체와 관계를 유지하는 것이 중요한 경우가 많으므로, 원료 공급업체의 제품 라인을 검토해 실행 가능한 옵션을 검토해야 한다. 이 사례에서 사용된 제품 라인의 경우, 최초 사용된 제품보다 밀도가 한 단계 낮은 제품이 밀도 0.946g/cm3 용융유동속도 5.0g/10분을 지닌 그레이드였다.

이는 원료 인성을 향상시켜주는 두 가지 변화를 가져다 줄 기회를 제공했다. 더 낮은 MFR은 폴리머의 평균 분자량 증가와 관련이 있고 낮은 밀도는 성형품의 결정성 감소를 제공한다. MFR의 변화폭이 비교적 작은 점을 감안할 때, 성능 향상은 주로 밀도 감소 때문인 것으로 예상된다. 생각했던 대로 성형품의 단기 기계적 물성은 눈에 띄게 변경되지 않았다.

이제 문제는 이 같은 변화들이 현장에서 발생했을 때 해결이 충분한지 확인하는 것이다. 실온에서, 고밀도 물질로 성형된 성형품의 자연발생적 균열이 약 12개월이 지나 발생한다는 것을 확인했다. 성형품을 고온에 노출시키는 방법으로 불량 발생을 더욱 빨리 나타나게 함으로써 사용 적합성 여부에 대해 신속한 결정을 내릴 수 있다.

이 경우에는, 더 높은 밀도에서 생산한 성형품을

93°C(200°F) 온도로 설정한 오븐에 놓아 두었다. 그 후 8시간도 안되어 성형품에 균열이 나타나기 시작했다. 이와 같은 상황에서는 온도에 따른 가속화 메커니즘을 확립하지 않고 높은 온도와 실온이라는 조건이 별 차이 없이 동등하게 작용한다고 단정하고 싶은 유혹이 든다. 그러나 PE는 고온에 노출되면 균열로 이어질 수 있는 여러 가지 프로세스가 촉진될 수 있다.

이 중 하나, 특히 이 컬럼에서 많은 관심을 두고 있는 것은, 추가적인 결정화가 발생하는 속도의 가속화다. 하지만 산화 같은 다른 프로세스는 인성의 약화 원인으로 작용할 수 있다. 따라서 기존 원료와 새 원료에 충분한 안정화제를 첨가해 산화가 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다.

 

PE는 고온에 노출되면 균열로 이어질 수 있는 여러 가지 프로세스가 촉진될 수 있다

이 작업이 완료되었다면 밀도가 낮고 분자량이 더 높은 새 원료에 대한 비교 테스트를 수행할 수 있다. 이 사례의 경우, 새로운 원료는 밀도가 더 높았던 기존의 물질보다 약 16배 더 긴 에이징 시간인 130시간이 지날 때까지 균열이 나타나지 않았다. 이는 비교적 높은 온도에서 생성된 단일 데이터 포인트를 나타낸다.

새 원료의 예상 수명에 대한 합리적 계산을 수행하기 위해서는 이 16배의 개선이 신뢰할 수 있는지 여부를 결정하기 위해 하나 또는 두 개의 온도에서 추가로 이 비교작업을 수행해보는 것이 좋다.

그러나 개선 정도가 다소 미미하더라도, 이러한 테스트 결과는 원료 밀도를 상대적으로 적은 폭으로 낮추어도 제품 수명을 매우 유의한 수준으로 연장할 수 있음을 나타내고 있다. 또한 새로운 원료의 낮은 밀도 그리고 높은 평균 분자량은 현장 사용에서 처하게 되는 응력 영향 아래서 향상된 성능을 제공할 것이다.

이것은 PE 원료 선택에 있어 분자량 및 밀도의 역할에 대한 이해가 얼마나 중요한지 보여주는 한 가지 예다. 우리는 원료 비용이 상대적으로 저렴하다는 이유로 원료를 범용 상품으로 여기는 경우가 많다. 이런 자세는 우리가 원료를 선택할 때 신중을 기울이지 않는다는 인상을 줄 수 있다.

그리고 폴리에틸렌(PE)을 사용하기 시작한지 80년이 지난 지금은 알 것은 다 알고 있다고 생각할 수 있다. 그러나 현장에서 발생하는 불량 사례를 겪어보면 우리가 아직 알아야 할 것이 많다는 것을 절감하게 된다.

 

화학식

https://youtu.be/tTfCx9nCDz4

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