수분산 폴리우레탄- UTM 결과레포트

1.     수분산 폴리우레탄 인장실험

2.     인장실험을 통해 수분산 폴리우레탄의 물성을 확인할 수 있다.

3.     실험과정

(1)   알고자 하는 시편의 정확한 단면적을 구하기 위해 시편의 중앙부의 두께와 길이를 측정한다.

(2)    시험기에 시편을 중력방향으로 지평면에 수직이 되도록, 수평면과 시편이 90도를 이루도록 고정시킨다

(3)   인장시험기를 통해 시편에 외력을 작용해 응력과 변형률을 측정한다.

(4)   응력과 변형률을 이용해 stress-strain curve를 구할 수 있다.

 

 

4.     실험결과

 

 

[그림1] 수분산 폴리우레탄의 응력-변형률 선도곡선그래프이다.

 

수분산 폴리우레탄의 신축성을 보여주듯, 적은 응력으로도 매우 많이 변형이 됨을 알 수 있다.

 

 

5.   Discussion

 

[그림2] 합성섬유인 나일론양말의 모습이다.

 

 

 

[그림2]를 참고하여, “물어 뜯고~ 비틀고 ~ 당기고~ 해도 끄떡없어요~” 어렸을 때 즐겨보았던 검정고무신에서 나온 대사이다. 바로 나일론 양말을 설명하는 대사인데, 이처럼 나일론 양말은 신축성이 매우 뛰어난 것을 알 수 있다. 그런데 이러한 나일론 보다 더욱 신축성이 뛰어난 폴리우레탄은 과연 얼마나 강한 신축성을 가지고 있는 것일까? 실험을 통해 측정한 결과에 대해서 이야기 해보려고 한다. 우선 먼저 응력과- 변형률에 대해서 이야기해보려고 한다.

어떤 시편의 부재에 외부의 힘을 가하면, 그에 상응하는 힘이 재료 내부에서 발생하는데, 그것이 바로 응력이다 그리고 그 응력으로 인해 재료는 변형을 하고 우리는 초기 길이로부터 변형률을 계산할 수 있다. 이러한 원리로 실험을 진행하려고 한다.

 

 

[그림3] 다음과 같은 모양으로 폴리머 시편을 준비한다.

 

[그림3]을 참고하여 다음과 같은 시편의 수분산 폴리우레탄을 준비한 후, UTM 기계에 시편을 고정시킨다.

 

[그림4] UTM에 폴리머 시편을 고정시킨다.

 

[그림4]를 참고하여 시편을 고정시킨 후 폴리머에 인장응력을 가한다.

 

[그림5] 인장시험이 끝난 후 끊어진 폴리머의 모습이다.

 

위 실험으로부터 응력 변형률 선도곡선을 표현 할 수 있는데, 이를 효과적으로 이해하기 위해서 일련의 개념에 대해서 소개하려고 한다.

[그림6] 응력과 변형률의 관계에 대한 설명이다.

 

어떤 물질을 강한 힘을 주어 장시간 당기면 변형이 일어나고 파괴가 되기 마련이다. 그런데 이때 우리 눈에 물질의 변형이 다 같은 변형처럼 보일지라도 사실은 변형을 3가지 관점으로 구분 할 수 있다. 탄성변형, 소성변형, 파괴. 이를 이해하기 위해서는 응력-변형률에 대한 이해가 필수적이다. 우선 부재의 변형률 e는 단위길이당 부재의 변형양으로 변위/원래길이 로 델/L 로 정의 내릴 수 있다. 또한 부재에 작용하는 하중을 증가시키면서 응력 시그마와 변형률 E의 변화를 그래프로 나타내면 이것이 바로 응력-변형률 곡선이 된다. 이 곡선으로부터 재료의 중요한 특성인 탄성계수 혹은 재료가 연성인지 취성인지 등을 결정할 수 있다. 뿐만 아니라 응력-변형률 곡선으로부터 하중(힘)을 제거하였을 때 시편의 변형률이 없어지거나(탄성변형) 영구적으로 변하는지(소성변형)도 확인할 수 있다. 그런데 폴리머의 인장실험은 사뭇 다르다. 폴리머는 여러관점에서 기계적으로 금속과는 상이하기 때문이다. 예를 들어 고탄성 폴리머 재료의 탄성계수는 7Mpa정도로 작은데 비하여 일부 딱딱한 폴리머 재료에서는 4GPA정도까지 증가한다. 이에 비하여 금속 재료의 탄성계수는 이들 값보다도 훨씬 높다. 또한 변형의 측면에서도 금속은 탄성변형을 거의 하지 않을 뿐더러 100%까지 소성변형 하는 경우가 거의 없다. 그러나 탄성이 매우 우수한 폴리머 재료는 1000%이상 연신되기도 한다.

 

[그림7] 폴리머는 재료에 따라 그 값이 매우 다르게 나온다.

 

[그림7]을 참고하여, 이번 실험에서 사용된 폴리우레탄은 탄성체(elastomer)로 분류할 수 있다.

 

폴리머의 기계적 특성은 금속에서 와 같이 탄성률, 인장, 충격, 및 피로 강도 등과 같은 동일한 변수들로 정의된다. 이들 변수들은 많은 폴리머 재료의 경우 단순한 응력-변형률 시험법으로 정의된다. 이는 금속에서와 마찬가지이다. 하지만, 앞서 전술하였듯이 폴리머의 기계적성질은 금속에서와 달리 변형률, 온도 및 시험의 화학적 분위기 등 시험조건에 매우 민감하게 변화한다. 특히나 탄성률이 매우 큰 고무와 같은 폴리머의 경우에는 금속 재료에서 사용된 시험방법 및 시편의 형상을 약간 변형해야 한다([그림3]참고).

이와 같은 이유로, 선형 탄성영역이 끝나는 점을 바로 지나서 나나타는 항복점을 최대응력점으로 간주하고 그리고 그때의 최대응력을 항복강도라 한다. 인장강도의 경우는 파단이 일어나는 응력인데, 이 값은 항복강도보다 클 수도 있고 작을 수도있다. 그러나 대부분의 탄성체에서는 매우 크다 .

따라서 물성값은 다음과 같다.

 

[그림8] 가황되지 않은 고무와 가황된 고무의 비교를 보여준다.

 

 

수분산 폴리우레탄과 같은 탄성체 거동을 갖기 위해서는 사슬 간에 약한 가교결합 반응이 필요하다. 이러한 탄성체의 결합과정을 가황(vulcanization)이라고 하는데, 이반응은 비가역적 반응이고 고온에서 발생한다. [그림8]을 참고하여, 가황반응이 발생한 고무는 탄성률 인장강도 뿐만 아니라 산화에 의한 노화 저항 등이 향상된다. 또한 가교결합이 되어 있기 때문에 탄성체 재료는 근본적으로 열경화성 폴리머이다.

 

6.결론

 

[그림1]과 [그림7]을 비교해보면 수분산 폴리우레탄은 가황된 고탄성체 폴리머 임을 알 수 있다.

 

 

7.     참고

William D .callister jr 재료과학과 공학 시그마 프레스 pp544~628

Robert J young introduction to polmer 3판, RCR press pp 469~482

Brown Lemay Burstine 일반화학 14판 자유아카데미 피어슨, pp1107~1144