온도와 폴리머

이제 재료 구조를 더 잘 이해했으니 온도에 따른 거동을 이해하기 위해 열적 특성으로 들어가겠습니다. 이를 위해 먼저 폴리머의 열적 특성을 드러내는 시험인 DSC를 정의해야 합니다.

DSC 정의

시차 주사 열량계(DSC)는 시편을 챔버 안에 놓고 챔버 내부 온도를 지속적으로 상승시키기 위해 필요한 열량을 측정하는 일종의 열분석입니다. 이 분석은 폴리머가 서서히 가열될 때 에너지 흡수 및 방출 수준을 기록하여 유리 전이, 결정화, 융해 등 시편이 특정 상태 전이를 겪는 온도를 정확히 파악하도록 설계되었습니다.

DSC

유리전이온도 (Tg)

유리전이온도는 모든 폴리머에서 찾을 수 있으며, 폴리머의 물리적 상태가 유리(딱하고 잘 부러짐)에서 고무상(부드럽고 유연함)으로 전환되는 온도를 말합니다. Tg는 보통 비정질 폴리머의 최고 사용 온도를 강조하는 데 사용됩니다.

결정화온도 (Tc)

결정화는 Tg와 Tm(융해온도) 사이에서 발생합니다. 이는 폴리머 분자들이 정렬되어 결정체를 형성하는 과정입니다. 결정화온도는 폴리머가 가장 빠르게 결정화되는 지점을 말합니다.

융해온도 (Tm)

융해온도는 반결정성 폴리머의 결정 영역이 녹거나 변형되기 시작하는 지점입니다. 비정질 폴리머는 명확한 융해온도를 가지지 않습니다.

분해온도 (Td)

분해온도는 재료가 열화되기 시작하는 온도로, 폴리머의 주쇄가 분해되기 시작함을 의미합니다.

위 그래프 및 정의에 대한 주의사항

간단히 이해하면 챔버에 주입된 열(에너지)은 내부 온도를 상승시키는 데 사용되지만, 챔버 내 샘플(폴리머)이 구조 재배열을 위해 일부 열에너지를 흡수하면 일정한 속도로 온도를 계속 상승시키기 위해 더 많은 열이 주입되어야 한다는 것입니다.

아래 그래프를 참조하면, 처음에는 일정한 속도로 온도를 올리기 위해 시스템에 일정량의 열이 가해집니다. Tg(유리전이온도)에서는 동일한 속도로 온도를 올리기 위해 더 많은 열이 필요하다는 것을 알 수 있는데, 이는 샘플이 일부 열에너지를 흡수해 비공유 결합을 끊고 폴리머가 더 자유롭게 움직이게 되어(재료가 부드러워짐) 발생합니다.

이 상전이 후 샘플은 더 높은 열용량을 가지게 되므로 시스템은 동일한 속도로 온도를 올리기 위해 계속해서 일정량의 열을 주입해야 하지만 그 양은 Tg 이전보다 더 많아집니다. 샘플이 지속적으로 흡수하는 에너지는 폴리머 미세구조를 점점 더 자유롭게 움직이게(흥분시키게) 합니다. Tc(결정화온도)에서는 샘플의 폴리머 사슬이 결정을 형성할 만큼 충분한 자유로운 움직임을 갖게 됩니다. 그러면 샘플은 에너지(열)를 방출하여 시스템의 온도를 올리기 위해 주입해야 하는 열이 줄어듭니다.

그 이유는 결정 구조(더 질서 있는 구조)가 더 무질서한 구조에서 형성되기 때문에 더 적은 에너지를 요구하여 초과 에너지가 방출되기 때문입니다. 결정이 형성되면 더 이상 샘플로부터 시스템으로 에너지가 방출되지 않습니다. 그러나 결정 형성 직후 Tm(융해온도)에서 폴리머 사슬은 계속 에너지(운동)를 얻어 과도하게 흥분하여 결정 구조를 깨뜨리게 되고, 이로 인해 시스템으로부터 에너지를 흡수하여 동일한 속도로 온도를 계속 올리기 위해 더 많은 에너지를 주입해야 합니다. 모든 결정을 파괴한 후에는 샘플이 시스템으로부터 추가 에너지를 필요로 하지 않습니다. 이것이 Tc와 Tm에서의 서로 반대되는 두 스파이크를 설명합니다. Td(분해온도)에서는 샘플이 분해되기 시작하여 공유 결합이 끊어지기 시작하고 샘플은 열용량을 잃게 되어 시스템 온도를 올리기 위해 필요한 열이 더 적어집니다.

이제 온도에 따른 폴리머의 열적 전이와 거동을 더 잘 이해했으므로 이 지식을 사용해 일부 3D 프린팅 현상을 설명할 수 있습니다: