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주어진 용도에 맞는 일정한 수준의 기계적 성능과 치수 안정성을 유지할 수 있는 수지를 선정 할 때 설계자는 최종 제품이 사용되는 작동환경과 극한 환경을 고려하여야 한다.

아래에 열가소성 프라스틱 수지에 관한 기본적인 열적 특성에 대하여 설명하였다.

3-1 용융 온도
MELT TEMPERSTURE

열가소성 프라스틱 수지는 온도가 증가하므로 점조가 낮아진다.

결정성 수지는 명확하게 구분되는 용융온도(Tm)을 갖고 있고 그 용융 온도 이상에서는 모든 구조적 성질을 잃고 자유롭게 흐른다.

비결정성 수지는 유리 전이 온도(Tg) 이상의 광범위한 온도에서 연화되고 실제로 명확한 용융 온도는 없다.

3-2 유리 전이 온도
GLASS TRANSITON TEMPERATURE

모든 열가소성 프라스틱 수지는 물성에 중요한 변화를 일으키는 유리 전이 온도(Tg)가 있다.

보통 유리 전이 온도 이하에서는 하중이 가해 졌을 때 수지가 딱딱하고 유리 같이 깨지기 쉬운 상태를 하고 있다.

유리 전이 온도 이상에서는 수지가 더 연성이 되고 고무 같이 질긴 상태로 된다.

3-3 바이켓 연화 온도
VICAT SOFTENING POINT

이것은 시편에 작고 가벼운 하중이 가해진 가열된 시험 침(PROBE)이 일정거리만큼 침투될 때의 온도이다.

비결정성 수지는 시험중에 크리이프 현상을 일으키기 쉬우나 결정성 수지는 시험치가 상당히 크다.

이 시험의 목적은 가열된 물체와 접촉시에 제한된 짧은 기간동안 견딜수 있는 수지의 성능에 대한 지침을 제공하기 위한 것이다.

3-4 열변형 온도
DEFLECTION TEMPERATURE UNDER LOAD

하중하에서의 변형온도(DTUL) 또는 열변형 온도(HDT)는 하중이 가해지는 동안 높은 온도에서 견디는 수지의 성능에 대한 상대적인 측정치이다.

비결정성 수지의 열변형 온도는 거의 유리 전이 온도(Tg)와 일치한다.

결정성 수지는 열변형 온도가 낮으나 그보다 높은 온도에서도 구조적 성질을 유지한다.

수지에 충진제를 보강하면 보통 열변형 온도는 증가한다.

이것은 충진제의 보강에 의해 탄성 계수가 증가하기 때문이다.

열변형 온도는 일정한 탄성 계수(설정된 응력하에서 미리 선정된 변형율)를 나타내 주므로 탄성 계수의 증가는 열변형 온도를 증가시킨다.

충진제의 보강은 비결정성 수지보다 결정성 수지에 더 큰 영향을 미친다.

3-5 선팽창 계수
COEFFICIENT OF LINEAR THERMAL EXPANSION

재료가 가열되거나 냉각되면 재료의 화학적 성질에 의하여 결정되는 범위까지 팽창되거나 수축이 일어난다.

선팽창 계수(CLTE)는 단위 온도 변화(보통 ℃로 표기) 마다의 길이 변화의 비이다.

사출 성형품은 온도 증가에 비례하여 길이가 변하고 팽창한다.

사출 성형 수지는 대개 이방성이기 때문에 그 팽창은 측정 방향에 따라 다르다.

비결정성 수지는 일반적으로 광범위한 온도 범위에 대하여 일정한 팽창율을 나타낸다.

결정성 수지는 유리 전이 온도에서 결정성 구조에 변화가 일어나 선팽창 계수가 급격히 변하고 일반적으로 유리 전이 온도 이사에서는 팽창 계수가 증가한다.

충진제로서 유리 섬유를 사용시 흐름 방향으로 정열이 되므로 수지가 가열되면 유리 섬유가 그 축을 따라서 팽창을 제한하여 수지의 선팽창 계수를 감소시킨다.

보강된 수지들은 흐름방향으로의 팽창이 제한되고 흐름 반대 방향과 두께 방향으로 팽창이 일어나기 때문에 흐름반대 방향과 두께 방향의 선팽창 계수가 증가된다.

만약 부품이 온도 조건이 변하는 곳에서 사용된다면 설계 단계에서 부품의 팽창이나 수축 가능성을 고려하여야 한다.

유사하지 않은 수지를 같이 조립할때는 특히 주의하여야 하고 다음 사항들이 추천된다.

① 부품에 전체적으로 큰 레디우스(R)와 적은 곡선들을 사용한다.

② 가능한한 유사한 선팽창 계수를 갖는 재료를 사용한다.

③ 선팽창 계수가 다른 부품을 조립할 때 볼트나 리베트 또는 스크류 같은 기계적 조립 방법을 사용한다.

a. 구멍 크기를 약 40%이상 크게 한다.

b. 팽창이나 수축 방향으로 구멍에 슬롯(SLOT)을 낸다.

c. 높은 압축 응력을 피하기 위하여 큰 와샤를 사용한다.

d. 높은 압축 응력을 피하기 위하여 안전한 회전력을 사용하여 체결한다.

④ 낮은 온도에서도 연성을 유지하고 응력에 의한 크랙을 일으키지 않는 접착제나 봉합제(SEALANTS)를 사용한다.

⑤ 선정된 수지의 화학 약품에 대한 적합성 여부를 확인하여야 한다.

표5에 지이 프라스틱 수지와 다른 구조용 재료에 대한 선팽창 계수가 나와 있다.

표5 선팽창 계수 (℃^-1×10^-6)

구조용 재료	선팽창 계수	구조용 재료	선팽창 계수
지이 프라스틱 수지		울템 2300/2310	20
사이콜락 AM	88	울템 2400/2410	14
″ T	96	울템 6000	51
″ TCA	90	울템 6100	25
″ LA	110	울템 6202	45
″ GSM	95	바록스 325/310-SEO	130
″ XMM	67	바록스 420/420-SEO	25∼75*
″ DH	85	바록스 752	27∼50*
″ X37	62	바록스 815	55
″ KJY	94	바록스 855	43
″ KJB	95	다른 수지
″ XMA-AS	82	아세탈	85
렉산 미보강 그레이드	70	아크릴	68
렉산 500 (10% GF)	40	나이론	99
렉산 3412 (20% GF)	30	폴리에틸렌	169
렉산 3414 (40% GF)	20	폴리프로필렌	86
노릴 SEO /110/ SE 100	70	열가소성 폴리에스터	124
노릴 731/ SE1	60	다른 재료
노릴 GFN1 /SE1-GFN1	50	알미늄	23
노릴 GFN2 /SE1-GFN2	40	황동	18
노릴 GFN3 /SE1-GFN3	30	콘크리트	14
수펙 6401	22	구리	16
수펙 6402	22	유리(조질 처리)	3
울템 1000/1010	56	소나무(나무결이 있는)	5
울템 2100/2110	32	아연	39
울템 2200/2210	25	강철	11

3-6 열전도도
THERMAL CONDUCTIVITY

열전도도는 재료의 길이 방향이나 두께 방향으로 열이 전도되는 재료의 성질을 측정하는 것이다.

열전도도는 온도에 따라 길이 방향으로 약간씩 변화하고 시편의 수분함량에 의해 영향을 받는다.

프라스틱이 단열체나 발산체(DISSIPATORS)로서 자주 사용되기 때문에 열전도도가 중요한 요소이다.

표6에 지이 프라스틱 수지와 다른 재료에 대한 열전도도 값이 나와 있다.

표6 열전도도(W/mk) 23℃

구분	열전도도
지이 프라스틱 수지
사이콜락	0.17∼0.22
렉산	0.19∼0.22
렉산 발포성형	0.13∼0.16
노릴	0.16∼0.28
노릴 발포성형	0.12∼0.13
바록스	0.16∼0.19
지노이	0.18∼0.19
노릴 GTX	0.23∼0.26
울템	0.22
다른 수지/재료
나이론	0.260
폴리프로필렌	0.121∼0.109
폴리스치렌	0.052∼0.121
고무 (연질)	0.138
유리	0.346∼1.038
물 (60℃)	0.652
공기	0.024
강철	45.35
알미늄	224.99
구리	403.26

3-7 뒤틀림 온도
WARP TEMPERATURE

부품에 허용할 수 없을 정도의 변형이 일어나는 온도를 말한다.

바이켓 연화온도(VICAT SOFTENING POINT)나 열변형 온도(HDT)는 높은 온도에서 변형에 견디는 고유의 열가소성 프라스틱 성질에 대한 확실한 지침을 주지만 최종 제품에는 수지의 방향성, 부품 두께, 체결력 같은 가해지는 하중등과 관계가 있으므로 최종 제품 성능에는 직접 적용할 수 없다.

만약 지지되지 않는 큰 공간이 있는 경우는 부품자체 중량도 크게 영향을 미친다.

이와 같은 이유에서 뒤틀림 온도가 명시 되어야하고 성형조건의 변수나 설계상의 변수 때문에 최종제품 생산자가 보통 사양을 결정한다.

3-8 고온에서의 노화
AGING AT ELEVATED TEMPERATURE

이것은 장기간 동안 특정 온도에서 많은 수의 샘플(SAMPLES)을 저장하고 미리 정해진 시간 간격마다 샘플을 채취하여 표준 시험 조건에서 기계적 특성, 물리적 특성, 열적 특성 및 전기적 특성을 시험한다.

결과는 다양한 노화 온도에서의 물성 대 시간의 그라프로 나타나며 이 결과는 설계시에 허용 되어야할 재료의 열안정성에 대한 지침을 제공한다.

3-9 상대 열적 지수/상대 온도 지수
RELATIVE THERMAL INDEX/RELATIVE TEMPERATURE INDEX

미국의 UNDERWRITER'S LABORATORIES(보험업자의 실험실)에서 전기적인 용도에 사용되는 프라스틱 수지의 연속 사용온도를 시험한다.

또한 전기적인 특성, 충격하의 기계적인 특성 및 충격이 없는 상태에서의 기계적인 특성에 대하여 개별적으로 평가하여 작성한다.

최종 제품이 UL의 인정을 받아야 하는 경우에 이들 시험결과가 중요한 항목이 된다.

표7에 지이 프라스틱 수지의 연속 사용온도치가 나와있다.

표7 상대 열적 지수 (℃)

구분	모든특성	충격없음
사이콜락
AM/T/TCA/DH/X37/KJY/KJB/XMA	60	60
GSM	70	70
렉산
미보강 그레이드	115	125
자외선 안정 그레이드	100	100
2014/2034	110	125
3412/3414	120	130
940/940A	110	125
노릴
731	90	105
110	85	95
SE90	75	95
SE100	80	95
SE1	105	110
Vo-150	115	135
유리 섬유 보강 그레이드	105	110
울템
미보강 그레이드	170	170
유리 섬유 보강 그레이드	170	170
2300	170	180
바록스
325/310-SE0	120	140
420	140	140
420-SE0/752	130	140
815/855	110	125
수펙 G401/G402	220	220
지노이 6120	120	140

3-10 난연성
FLAMMABILITY

난연성은 점화후 재료가 불에 타는 특성을 엄밀하게 평가하여 구분한 것이다.

난연성은 전기적 용도에 중요할 뿐만 아니라 주택의 방과 같은 크거나 제한된 공간에서 프라스틱 성분이 대부분 노출되는 경우에도 중요하다는 것을 설계자는 알아야한다.

공인된 시험 방법으로 가연성, 연기 방출 및 점화 온도를 측정한다.

UL94의 난연성 구분은 V-0, V-1, V-2, 5V HB등이 보통 사용되는 등급이다.

이 시험은 시편을 특정 표준 불꽃에 노출시켜 시험한다.

불꽃이 제거된 후 시편에 연소가 되는 성능이 구분하는 기분이 된다.

일반적으로 불이 빨리 꺼지고 불에 탄 재가 떨어지지 않는 재료가 높은 등급으로 구분된다.

등급은 1.6㎚나 3.2㎚의 일정한 두께를 기준으로 평가되므로 특히 제품 벽 두께에 대한 평가 등급과 직접 관련된 설계자에게 필요하다.

3-11 기계적 특성에 대한 온도의 영향
THE EFFECT OF TEMPERATURE ON MECHANICAL PROPERTIES

설계자가 열가소성 프라스틱으로 제품 설계시에 이해하여야 하는 기본적인 재료의 특성은 변형율 속도와 온도 사이의 반비례 관계이다.

매우 높은 변형율 속도나 매우 낮은 온도에서 재료에 나타나는 현상은 유사하다.

역으로 말하면 높은 온도에서 변형율이 매우 낮을 경우는 크리이프 효과가 가속화된다.

재료의 성질을 파악하고 장기 사용 성능에 대한 지침을 주기 위하여 여러 가지 이론적이고 실험적인 방법을 사용하여 시험에 의해 자료를 얻는다. (단 전이 온도 부근과 그 이상에서와 용융 온도 부근에서의 시험은 제외되었다.)

앞절에서 설명한 기계적 특성에 대한 온도의 영향에 대하여 아래에 검토하였다.

1) 강도, 탄성계수와 신장 (STRENGTH, MODULUS AND ELONGATION)

이들 3가지 재료의 특성은 인장, 압축, 굴곡 및 전단 하중에서의 성질이 유사하게 나타난다.

보통 온도가 증가하면 강도와 탄성 계수는 감소하고 신율은 증가한다.

그림 25에 여러 온도에서 일정한 변형율 속도를 사용할 때 생기는 일반적인 응력-변형율 선도가 나와있다.

온도가 유리 전이 온도까지 증가 하므로서 탄성계수는 점차 감소한다.

결정성 수지는 용융온도에 근접할때 까지는 탄성 계수가 어느 정도 유지되나 비결정성 수지는 유리 전이 온도 이상에서는 탄성 계수가 급격히 내려간다.

결정성 수지에 유리섬유 같은 보강제를 보강시 유리 전이온도 이상에서 탄성계수가 현저히 개선되나 비결정성 수지는 이와 같은 보강시 유리 전이 온도 이상에서 거의 영향이 없다.

그림 26은 비결정성 수지(미보강 및 보강시)와 결정성 수지(미보강 및 보강시)에 대한 온도에 따른 탄성 계수의 변화를 나타내었다.

그림 27은 일반적인 온도 증가에 따른 신율의 증가를 나타내었다.

2) 크리이프 (CREEP)

크리이프에 대한 곡선으로서 일정 온도에서의 등시의 응력-변형율 곡선과 같은 크기의 응력곡선이 있다.

필요한 경우 각각의 다른 온도에서 이와 같은 곡선을 만든다.

크리이프 파손이나 실제의 탄성계수 곡선은 측정 시간에 대한 변수로서 온도가 관련되어 있다. 그림 28에 장기 사용시 재료의 성질을 나타내는 시간-온도 변화에 따른 실제의 크리이프 탄성계수 곡선이 나와 있다.

그림 29는 여러 온도에서의 크리이프 파손곡선이다.

곡선은 가장 낮은 온도 곡선에서 긴 시간동안 직선으로 나타나서 파열강도를 미리 예측할 수 있도록 되어야 한다.

3) 충격 (IMPACT)

다양한 온도에서의 충격시험은 그림 21에 설명된 곡선과 유사하게 충격 강도 대 온도의 그라프로 구성되어 있다.

일반적으로 온도가 대기 온도(23℃) 이하로 현저하게 떨어 졌을 때 프라스틱은 충격강도가 현저하게 감소한다.

아즈델, 아즈로이 및 아즈멧 같이 길이가 아주 긴 유리 섬유가 보강된 재료는 대기 온도에서 비교적 높은 충격 강도를 나타내고 또한 －40℃ 정도의 낮은 온도에서도 높은 충격 강도를 유지한다.

4) 피로 (FATIGIE)

재료는 온도가 증가함에 따라 피로 값이 감소한다.

실험실에서 나온 피로에 대한 자료는 환경에 대한 피로 성능을 거의 나타내지 못한다.

그러므로 이들 자료는 최종사용 성능시험에 대한 초기 재료선정시의 지침으로만 사용하여야 한다.