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1-1 열가소성 수지와 열경화성 수지
1-2 결정성 수지와 비결정성 수지
1-3 단일 중합체와 공중합체
1-4 수지합금과 복합수지
1-5 엘라스토머
1-6 첨가제, 보강제 및 충진제
1-7 수지의 기본 성질과 물리적 특성
1-8 동질과 이질성
1-9 등방성과 이방성
1-10 탄성, 동질성 및 등방성의 중요성

프라스틱은 인간이 만들어낸 유기물로서, 그 물리적인 거동을 결정하는 구성요소인 수지 중합체(POLYMERS)는 하나 또는 여러 형태의 단량체(MONOMERIC) 그룹의 반복되는 부가 중합에 의해 분자량이 증가되는 특성이 있다.

프라스틱에 사용되는 수지 중합체(POLYMERS)는 셀룰로이즈 같은 천연 유기물을 화학적으로 변형(MODIFICATION)시켜 생산하거나 단순한 단량체(MONOMERS)의 중합(POLYMERIZATION)에 의해 생산된다.

이들 단량체들은 보통 석유 화학산업의 부산물이다.

프라스틱은 화학적 거동에 따라 열가소성 수지와 열경화성 수지의 2개의 그룹으로 나누어 진다. 열가소성 수지는 그 구조상으로 결정성 수지와 비결정성 수지로 구분 될 수 있고 또한 공중합체, 세 개의 공중합체, 복합(합금)수지 및 열가소성 엘라스토머로도 구분 될 수 있다.

프라스틱에는 수지 중합체(POLYMERS)만 포함되어 있는 것이 아니고 첨가제와 보강제 및 충진제 등도 포함되어 있어 성형성이나 프라스틱의 물리화학적(PHYSIOCHEMICAL) 특성 및 기계적 특성을 높여 준다.

1-1 열가소성 수지와 열경화성 수지
THERMOPLASTICS AND THERMOSETS

1) 열가소성 수지 (THERMOPLASTICS)

열가소성 수지는 수지별로 특정 온도 범위내에서 반복적으로 가열에 의해 연화되고 냉각에 의해 경화되는 수지이다.

열가소성 수지는 그림 2에서 보는 바와 같이 많은 수의 독립된 분자 사슬들(CHAINS)이 얽혀져 있다.

이들 분자사슬들은 가열되면 미끄러져 프라스틱 흐름을 일으키고 냉각되면 다시 고정된다. 다시 가열을 하면 미끄럼을 촉진시키나 계속해서 가열과 냉각을 시킬 수 있는 회수는 제한되어 있다.

단 가열시에는 수지의 외관과 기계적 특성에 영향을 받지 않는 한도 내에서 이루어져야 한다.

2) 열경화성 수지 (THERMOSETS)

열경화성 수지는 가열에 의하여 경화되어 영구히 용해되지 않고 용융되지 않는 수지이다. 열경화성 프라스틱은 성형전에 사슬과 유사한 구조를 하고 있다.

경화시 부근의 분자들 사이에 교차 결합이 일어나서 그림 3에서와 같이 복잡하게 서로 연결된 망상 구조가 된다.

이 교차 결합은 각각의 분자 사슬의 미끄러짐을 방지하고 성형시의 부수적인 열에 의해 프라스틱 흐름이 일어난다.

이때 너무 많은 열이 가해지면 수지의 물성저하가 일어난다.

1-2 결정성 수지와 비결정성 수지
CRYSTALLINE AND AMORPHOUS POLYMERS

어떤 열가소성 수지들은 용융 수지가 고화될 때 분자 사슬이 부분적으로 결정체를 형성시킨다.

이들 결정체를 갖는 수지를 결정성 또는 반결정성 열가소성 수지라 한다.

전체의 수지 중합체중에서 완전한 결정성 구조는 존재하지 않으므로 반결정성 수지라는 용어를 주로 사용한다.

분자가 결정체를 형성시키지 않는 부위를 비결정성 구조라 부른다.

그림 4에 대표적인 결정성 구조와 비결정성 구조를 2차원적으로 설명하였다.

물성과 기계적 성질은 모두 그 수지의 구조에 의하여 영향을 받는다.

일반적으로 발 정열된 구조의 결정성 수지는 비결정성 수지보다 단단하고 강하나 충격 강도에는 약하다.

수지(중합체)의 일반적인 특성이 표1에 나와있다.

표1 수지의 특성

수지	결정성수지	비결정성 수지
비중	높다	낮다
인장 강도	″	″
인장 탄성 계수	″	″
연성, 신율	낮다	높다
내크리이프성	높다	낮다
연속사용 온도	″	″
수축율	″	″
뒤틀림	″	″
용융 수지 흐름	″	″
내화학성	″	″

1-3 단일 중합체와 공중합체 HOMOPOLYMERS AND COPOLYMERS

단일 형태로 반복되는 구성단위 즉 단량체로만 구성된 중합체를 단일 중합체라하고 반복되는 구성단위의 수가 증가된 경우의 중합체를 공중합체라한다.

반복되는 단량체가 무작위로 나타나는 경우를 무작위(RANDOM) 공중합체라하고 블럭으로 나타나는 경우를 블럭(BLOCK) 공중합체라 하며 교대로 나타나는 경우를 얼터네이팅(ALTERNATING) 공중합체라 한다.

1-4 수지합금과 복합수지 ALLOYS AND BLENDS

수지 합금이 무엇인지에 대하여 명확한 정의는 없지만 화학적 결합이라기 보다는 기계적으로 혼합된 중합체의 화합물이라고 생각할 수 있다.

그와 같은 화합물을 얻기 위하여는 특수한 혼합제(COMPATIBILISERS)가 필요하다.

수지합금은 각 성분들의 약점을 보완하고 하나의 수지로는 이룰 수 없는 각 성분의 최적특성을 모두 갖추도록 만들어 졌고 그 물성 범위를 나타낼 수 있다.

1-5 엘라스토머 ELASTOMERS

열가소성 엘라스토머(TPE)는 단단한 부분과 연한 부분이 혼합되어 있는 복잡한 분자 구조로 구성되어 있다.

열가소성 엘라스토머(TPE)는 일반적으로 낮은 계수(MODULII)를 갖고 있어 상온에서 원래 길이의 최소 2배까지 늘어났다가 응력이 제거되면서 거의 원래의 길이로 줄어드는 것을 반복적으로 할수 있다.

열가소성 엘라스토머(TPE)의 주요 용도 중의 하나는 견고한 열가소성 프라스틱의 충격특성을 보완하기 위하여 사용하는 것이다.

1-6 첨가제, 보강제 및 충진제
ADDITIVES, REINFORCEMENTS AND FILLERS

첨가제나 충진제 및 보강제는 일반적으로 수지 중합체의 물리적 특성과 기계적 특성 범위를 변화시키기 위하여 사용된다.

섬유 보강은 기계적 특성을 개선시키는데 사용되고 가소제는 탄성계수(MODULUS)치를 낮추어 유연성을 높여 주는 반면에 충진제는 보통 탄성계수(MODULUS)치를 증가시킨다.

첨가제로 난연성이나 자외선 안정성과 산화방지 특성을 개선 시킬 수 있으나 어떤 용도에서는 첨가제의 사용이 재료에 도움이 되지 않는 경우가 있다.

특히 전기적 용도에서 그와 같은 현상이 일어난다.

카본 블랙과 같은 전도성 충진제는 재료의 내트래킹(TRACKING)성을 상당히 감소시키므로 전기적인 용도에서는 피하여야 한다.

일반적인 수지용 충진제와 첨가제 및 보강제가 표2에 있다.

표2 충진제 보강제 및 다른 첨가제


구분	종류
충진제	유리구슬, 목분, 카본 블랙, 세라믹 분말, 금속 분말, 운모 조각, 규사, 몰리브텐 황화물
보강섬유	유리섬유, 황마섬유, 탄소섬유, 나이론섬유, 아라미드섬유, 폴리에스터섬유
기타 첨가제	자외선 안정제, 방부제, 가소제, 윤활제, 살균제, 안료/염료, 연기 억제제, 난연제, 발포제, 산화 방지제, 점도 보완제, 정전기 방지제, 충격 보강제, 성형성 보완제(PROCESSING AIDS)

1-7 수지의 기본 성질과 물리적 특성
FUNDAMENTAL CHARACTERICS AND PHYSICAL PROPERTIES

1) 밀도 (DENSITY)

수지의 밀도나 비중은 거의 모든 재료의 물성표에 포함되어 있다.

상기 2용어가 서로 호환성 있게 자주 사용되나 그 의미와 수치에 명백한 차이가 있으므로 구분하여 사용하여야 한다.

밀도는 일정 온도(프라스틱의 경우는 23℃)에서 재료의 단위 체적당 질량으로 정의 되며 g/㎤으로 표기한다.

2) 비중/상대밀도 (SPECIFIC GRAVITY/RELATIVE DENSITY)

비중은 23℃에서 물에 의한 체적의 질량에 대한 재료에 의한 체적의 질량의 비로서 정의된다.

23℃에서 물의 밀도가 1보다 약간 작기 때문에 두 수치 사이에 차이가 발생한다.

비중을 밀도로 환산하기 위하여는 다음의 공식이 사용된다.

밀도＝비중×0.99756

3) 점탄성 (VISCOELASTICITY)

응력의 작용하에서 점성과 탄성 거동을 나타내는 재료를 설명하는 용어이다. 주로 측정하는 방법은 온도에 따른 응력이나 변형율의 크기 작용기간 및 속도에 의하여 결정된다.

4) 탄성 (ELASTICITY)

재료의 항복점 아래에서 변형후 원상태로 되돌아 오는 재료의 능력이다.

이 책자에서는 명시되지 않는 한 일반적인 프라스틱은 탄성을 의미한다.

5) 소성 (PLASTICITY)

재료가 항복점 이상으로 응력을 받았을 때는 응력이 제거된 후에도 원상태로 되돌아 가지 않는다.

이와 같이 소성은 탄성의 반대로 생각할 수 있다.

또한 소성은 열가소성 프라스틱의 냉간 가공성을 나타내 주기도 한다.

6) 연성/취성 (DUCTILITY/BRITTLENESS)

응력/변형율 거동은 재료가 연성인지 취성인지를 구분 하는데 도움을 준다.

응력/변형율 선도에서 취성 재료의 특성은 초기에 변화량이 적은 급격한 경사의 직선을 갖고 파손시 변형량이 적고 거의 구부러지지 않는다.

연성 재료는 초기에 경사가 취성재료보다 완만한 변화량이 큰 직선을 갖고 파손시 변형량이 크다.

7) 인성 (TOUGHNESS)

인성은 파손되지 않는 한도 내에서 재료의 기계적 에너지를 흡수하는 능력을 나타내는 측정치이다.

이 기계적 에너지는 재료의 탄성 또는 소성 변형에 의하여 흡수된다.

인성은 그림 5에서 응력/변형율 선도의 아래에 표시된 부위 면적으로 계산될 수 있다.

1-8 동질과 이질성
HOMOGENEOUS AND HETEROGENEOUS

동질성이란 용어의 의미는 균일하고 부위별 재료의 조성이 일정하다는 것을 말한다.

보강되지 않은 열가소성 프라스틱은 동질성을 갖는 재료의 좋은 예이다.

이질성이란 균일하나 부위별 재료의 조성이 다른 것을 말한다.

유리 섬유가 보강된 열가소성 프라스틱은 이질성 재료이다.

단 제품설계시에는 이질성 재료도 재질의 대부분이 동질성 일때는 동질성 재료로 취급하여 설계하여야 한다.

1-9 등방성과 이방성
ISOTROPIC AND ANISOTROPIC

등방성 재료는 측정된 물성치가 방향과 관계가 없다.

이방성 재료는 측정된 물성치가 방향과 관계가 있다.

1-10 탄성, 동질성 및 등방성의 중요성
SIGNIFICANCE OF ELASTICITY, HOMOGENEITY AND ISOTROPY

설계자가 구조 부품을 분석할 때 재료의 기계적인 특성을 평가하기 위하여 영율과 포아송의 비 단 2가지의 상수만을 사용한다.

등방성의 탄성 재료일때는 위의 2가지 상수만으로도 정확하게 분석될 수 있다.

이때 재료가 동질성이라는 가정하에 구조물 전체에 같은 상수를 적용한다. 이와 같은 분석시 재료는 선형적으로 탄성이고 동질성이며 등방성이라고 가정한다.

구조해석을 위한 대부분의 기본 방정식 즉 굽힘, 비틀림, 파이프의 압력 등에도 위와 같이 가정한다.

이 가정은 유리 섬유가 보강된 프라스틱과 같은 이방성이 큰 프라스틱으로 제품을 설계할 때 큰 오차를 일으킬 수 있다.

재료의 이방성 정도에 따라 이 오차가 증가하게 되므로 재료별로 최대 21까지의 상수 또는 율이 정해져 있다.

이와같이 재료는 탄성이고 동질성이며 등방성이라는 가정에 의해 문제가 너무 단순화 되고 재료 특성의 불확실성과 그 상황에서의 기본 방정식의 타당성 여부로 인해 제품이 출하 되기 전에 엄격한 최종사용 시험을 할 필요가 생긴다.

최근에는 컴퓨터를 이용한 유한 요소법(FEA)에 의한 분석이 점점 더 쉽게 이용될 수 있고 소프트웨어(SOFT WARE)가 개선되어 이방성 재료로 인한 수학적인 문제 해결이 점점 더 가능해 진다.