DSC 열가소성 고분자 분석

DSC 열가소성 고분자 분석

고분자 이론을 처음 배운다면 열가소성과 열경화성 고분자에 대한 이해가 먼저 필요합니다. 열가소성은 열을 가했을 때 고분자가 분해되지 않고 용융되는 특성을 가진 고분자입니다. 단단한 고분자가 열을 받아 다시 유체가 되어 재사용이 가능한 형태가 바로 열가소성 고분자입니다.

 

 

반대로 열경화성 고분자는 한번 경화가 되면 아무리 열을 가해도 유체가 되지 않고 분자구조가 깨지는 특성을 갖는 고분자입니다. 재사용 측면에서 보면 열가소성 고분자가 더 좋다고 판단할 수 있지만 내열성 측면에서 본다면 열경화성 고분자가 더 좋은 물성을 가지고 있습니다.

 

 

오늘은 위의 2가지 고분자의 형태 중에서 열가소성 고분자와 DSC 기기분석에 대해서 알아보도록 하겠습니다. DSC 분석장비를 이용했을 때 열가소성 고분자의 어떤 특성을 알아낼 수 있는지를 자세히 알아보고 추가로 열가소성 고분자에 대해서도 설명해보겠습니다.

 

DSC 분석 장비

 

1. 고분자 열적 전이 (Transitions)

전이라는 것은 형태나 활성 또는 장소에 따라서 동작이나 물성 , 과정 등이 바뀌는 것을 의미합니다. 열가소성 고분자에서는 열에 따라서 물성과 형태가 바뀌는 열적 전이 특성을 관찰할 수 있는데 이때 DSC 장비가 주로 활용됩니다. DSC 장비는 열가소성 고분자의 유리 전이 온도와 용융 온도, 결정화 온도, 가교 온도 등을 측정할 수 있습니다.

 

 

이러한 온도 특성을 알게되면 우리가 어떤 산업에 고분자를 어떤 형태로 만들지를 디자인할 수 있게 됩니다. 그렇기 때문에 이러한 유리 전이, 용융, 결정화, 가교 온도 범위를 파악하는 것이 고분자 업계에서 가장 큰 화두가 되고 있습니다. 

 

열가소성 고분자 DSC 그래프

 

2. 상(phase)의 정의

Phase(상)이란 형태를 의미합니다. 고분자는 비결정과 결정 그리고 반결정 형태로 존재합니다. 비결정 구조는 분자가 무실서 하게 배열된 상태를 말하고, 결정 구조는 공간에 분자가 규칙적으로 배열된 상태를 의미합니다. 그리고 이 2가지 형태가 공존하는 것이 반결정 상태라고 합니다. 이러한 상의 구조는 앞으로 우리가 고분자를 공부하는 데 있어서 가장 기초가 되는 부분입니다. 

 

 

3. 열가소성 고분자의 결정과 비결정

열가소성 고분자를 예를들면 경화되기 전에 무규칙적으로 존재하며 이를 비결정(Amorphous) 상이라고 표현합니다. 이 상태에서는 유리 전이 온도 Tg가 존재하고 결정화되어있던 고분자가 녹은 후에 냉각할 때 나타납니다. 그리고 결정상은 Crystalline phase라고 표기하며 가열할 때 흡열 피크가 나타나는 Tm 온도를 확인할 수 있습니다. 일반적으로 열가소성 고분자는 반결정(Semi-Crystalline) 형태로 존재하게 됩니다.

 

열가소성 고분자와 DSC 분석

 

4. 열가소성 고분자 열적 거동

열가소성 고분자의 열적 거동을 확인하기 위해서는 DSC 분석 장비가 활용됩니다. 가열과 냉각 그리고 다시 가열하는 사이클을 통해서 하나의 차트를 얻을 수 있습니다. 이와 같은 방법의 장점은 2개 이상의 시료의 재질과 열 이력 등이 다를 경우에 이를 비교할 수 있다는 것입니다.

 

• 재질이 다를 경우 : 냉각-가열 과정을 통해 차이를 확인
• 재질 및 열이력이 같은 경우 :  가열-냉각-가열 과정 모두 비슷함
• 재질은 같고 열이력이 다른 경우 : 첫 가열 과정은 다르지만 나머지 냉각-가열 과정은 비슷함

 

 

5. 비결정 구조 측정 방법

유리 전이 유리 전이 온도(Tg)의 크기가 비결정 영역의 중량 함량에 비례합니다. 작은 분자들에서는 유리 전이 과정은 상당히 급격한 계단 모양 특징이 나타나고 크기는 보통의 DSC 분석 기기로 쉽게 구할 수 있습니다. 고분자에서는 보통 더 넓게 나타나고 결정화 비율이 크면 측정이 어려워집니다.

 

DSC 열 사이클

 

6. 실험 조건 검토

처음에 시료를 가열할 때는 결정을 다 녹일 정도로 열을 가해야 하지만 등온 시간이 필요할 수도 있습니다. 온도가 높아지고 시간이 지속되면 열분해가 시작되고 온도가 낮고 시간이 부족하면 결정 구조나 열 이력이 다 없어지지 않기 때문에 다음번 측정 결과에 영향을 주게 됩니다. 결정성이 없는 고분자는 유리전이 온도(Tg) 보다 미세하게 온도를 올리면 충분하지만 지나치면 정확한 결괏값을 얻을 수 없게 됩니다.

 

오늘은 DSC 열가소성 고분자 분석 방법에 대해서 알아보았습니다. 분석기기는 실제로 사용하면서 공부해야 이해가 쉽습니다. 결국엔 DSC 장비를 오래 사용하기 위해서는 측정 온도 범위를 너무 높게 설정하거나 온도를 급격하게 올려서는 안 됩니다. 온도를 천천히 올리면 결괏값이 더 정확할 거라고 생각할 수 있지만 꼭 그렇지는 않습니다. 고분자 물질에 따라서 온도 상승 속도가 빠른 것이 더 정확하게 sample과 reference를 비교할 수 있습니다. 이점을 염두하셔서 실험해보시길 바랍니다.