플라스틱 물성 평가법

5-1. 물리적 성질

비중

비중이란 같은 온도, 같은 용적의 물과 물질과의 질량의 비교를 말합니다. 각종 플라스틱의 비중은 0.83~2.1 정도로 가장 가벼운 것은 폴리메텔펜틴으로 0.83, 가장 무거운 것은 PTFE(4불화 에틸렌)인 2.1입니다. 평균적으로는 1.1 정도로 철의 약 1/7 정도로 가벼운 것이 큰 특징입니다.

흡습성

플라스틱 재료를 장시간에 걸쳐 수중에 침적시켜 두거나, 또는 습도가 높은 분위기 내에 방치시켜 두면 그 재료의 종류에 의해 다소 차이는 있지만 어느 것이든 수분(습기)을 흡수해 그 중량을 늘리며, 또한 일반적으로 그 때의 온도가 높을수록 이 경향은 촉진됩니다. 이러한 성질을 흡수성 또는 흡습성이라고 부르며, 일정시간 후에 따른 시료의 단위 중량당, 또는 단위 표면적당으로 증가한 중량을 가지고 흡수율이라 정의하여 퍼센트(%) 등으로 표시합니다. 

5-2. 광학적 성질

투명도

물체에 입사하는 빛은 일부는 물체 표면에서 반사되며, 다른 일부는 물체 내에서 흡수되며 나머지는 투과광이 됩니다. 투명도는 투과광의 크기의 정도로 나타내며, 전광선 투과율과 평행광선 투과율이 있습니다. ASTM에서는 플라스틱의 투명도에 D-1003 및 D1746-1970으로 전광선 투과율에 상당하는 투과율 및 산란율을 이용하고 있습니다. 투과율이 높은 플라스틱으로는 아크릴 수지(93%)나 폴리가보네이트(89%)를 들 수 있으며, 그 성형물은 극히 아름다워, 렌즈나 디스크 등 광학부품에 사용되고 있습니다.

굴절율

굴절율의 관측은 ASTM D542-1950에 Abbe의 굴절계에 따른 방법을 규정하고 있어, 플라스틱에 있어서는 1.338(플루오로 카본 수지)~1.586(폴리가보네이트)의 범위를 나타내, 수정에서 1.55, 강철공 1.768, 다이아몬드에서 2.417입니다.

5-3. 열적성질

열전도율

물체내부의 등온면의 단위면적을 통해 단위시간에 직각으로 흐르는 열량과 그 방향에 따른 온도 교배와의 비를 열전도도라고 합니다. 플라스틱의 열전도도는 금속과 비교해 일반적으로 낮으며, 최저 폴리프로필렌 1.3×10-4cal/s/cm2/(℃/cm)에서 최고 고밀도 폴리에틸렌 12.4×10-4cal/s /cm2/(℃/cm)까지의 범위이며, 석영 유리의 33.1×10-4cal/s/cm2/(℃/cm), 보통자기 30～41×10-4 구리  0.941cal/s/cm2/(℃/cm)와 비교하면 눈에 띄게 작습니다.

비열

비열, 정확히는 비열용량이란 물질의 열용량을 나타내는 척도로, 단위질량의 물질을 단위온도만으로 상승시키는데 필요한 열량으로 표시, 실용단위로서 (cal/℃・g) 가 사용되고 있습니다. 플라스틱의 비열은 최저 3불화 수지인 0.22(cal/℃・g)에서, 최고인 폴리에틸렌 또는 아이오노머 수지 0.55(cal/℃・g)의 좁은 범위에 있어, 유리 0.185(cal/℃・g), 페라이트 0.17(cal/℃・g)보다 큽니다.

열팽창계수

온도의 상승에 의해 물질의 체적이 증대하는 정도를 나타내는 것이 열팽창계수입니다만, 길이로 표시하는 선팽창계수α와 체적으로 표시하는 체적팽창계수 β가 있어, 완전히 등방적인 고체에서는 β=3α의 관계가 있습니다. 플라스틱에 있어서 선팽창계수는 온도1℃당 길이 변화율로 표시하며, 최저값을 표시하는 페놀 수지 (10.0～20.0×10-5℃-1)까지의 범위에 있습니다.

열전이점

플라스틱은 온도의 변화에 의해 상(PHASE)이 전이하는 곳이 2군데 있습니다. 즉, 유리 전이점과 융점입니다. 전자는 비정성 플라스틱에서 현저히 나타나며, 이 온도 이상으로 분자쇄 내의 세그먼트 운동이 가능해져, 분자의 변형이 눈에 띄게 자유로워져 유리상에서 고무상까지 이동, 크게 늘어나며 변형저항은 눈에 띄게 저하합니다. 후자는 결정성 플라스틱에서 눈에 띄게 나타나며, 이 온도 이상에서 결정은 없어져, 용융상태가 되는 점에서, 온도강하 때에는 이 온도값 아래에서 결정화, 고화해 눈에 띄게 체적이 축소, 또 전체적으로 단단해집니다.

하중 굴곡 온도 

시험편의 중앙에 일정의 굴곡 하중(0.45MPa 또는 1.82MPa)을 가해, 등속도로 승온시켜 중앙부의 잡아당겨 틀어진 곳이 0.2mm 에 달했을 때의 온도를 말합니다. 단기내열성을 보는 하나의 기준이며 열변형온도라고도 불립니다. 

5-4. 전기적 성질

전기저항

물체에 전위차(V)로 전류(I)가 흐를 때, R=(V/I)을 전기저항 또는 단순한 저항이라고 말합니다. 일반적으로 플라스틱 체적저항률을 108Ω・cm 이상의 전기저항을 가지는 절연체이지만, 이 값은 물체의 형상, 전압을 주는 방식 및 환경 등에 따라 일정하지 않습니다. 따라서, 그 실용적 관점에서 절연저항・체적저항・표면저항의 3종의 저항이 규격화되어 사용되고 있습니다. 절연저항이란 두 개의 전극 사이에 인가한 직류전압을 전극 간에 흘러보내 전 전류로 나는 수치로 시험편의 체적저항 및 표면저항 양방이 포함됩니다. 이 값을 측정하는 데에는 직류전압 500V로 일정의 시험편을 사용, 20℃, 65%RH를 기본으로 측정합니다. 체적저항이란 두 개의 전극 사이에 인가한 직류전압을 전극 사이에 끼운 시험편의 단위체적을 통해 전류로 나눈 수치를 말합니다. 또한, 실용적 수치로서 체적저항율(Ω・cm)을 사용, 플라스틱은 최저 페놀 수지인 1011Ω・cm에서 최고인 4불화 수지인 1018 Ω・cm 범위에 있습니다. 표면저항이란 시험편 표면의 두 개의 전극 사이에 인가한 직류전압을 표면층을 통해 흐르는 전류로 나눈 수치를 말합니다.

절연파괴 강도

절연체인 플라스틱도 눈에 띄게 높은 전위차에서는 전류도 커지며, 재료의 파괴가 발생하게 됩니다. 절연파손강도란 규정된 시험조건 아래에 시험편이 파손되는 최소실효전압(파괴잔압)을 2전극간 거리(시험편의 두께)로 나눈 값을 말하며, 일반적으로 MV/mm 단위로 나타냅니다. 플라스틱은 최고 페놀 수지인 11.8MV/mm에서 최고 폴리프로필렌 30MV/mm까지의 범위에 있습니다.

유전율

유전율이란 단위전계에 있어 단위체적 중에 축척된 정전 에너지의 크기를 나타냅니다. 이 값은 주파수 및 흡습, 환경에도 영향을 미치지만 플라스틱에서는 106Hz로 최저 4불화 수지의 2.1에서 최고 폴리아미드6의 4.7까지 범위에 있습니다.

유전정접

유전회로에 정현파 전압(E)을 가하면, 이상적인 콘덴서의 경우에는 E와 전류(I)와의 위상차각은 90°가 되지만, 실제 유전체에서는 위상이 어긋난 전류가 흐릅니다. 이 위상차각의 여각의 정접을 유전정접이라고 합니다. 이 값은 재료에 의해 가압주파수, 환경 등에 영향을 받지만, 플라스틱에서는 보통상태에서 106Hz에 대해 최저 폴리스틸렌인 0.0001에서 최고 폴리아미드6, 에폭시 수지인 약 0.03 범위에 있습니다. 이 값은 고주파 회로인 유전손실의 원인이 되지만, 재료의 고주파가열 때에는 유효한 특성치입니다.

내아크성

절연파괴강도가 높은 플라스틱에서도 고전압으로 장시간 사용하고 있으면 부분방전에 의한 열화가 발생합니다. 이 방전열화의 저항성을 나타내는 것이 내아크성입니다.

5-5. 기계적 성질

인장특성

재료에 순수하게 인장외압만이 가해지는 경우는 적지만, 인장외력은 어느 경우이든 부분에도 균일한 인장응력이 발생하기 때문에 단순한 응력분포 상태가 되어, 또한 재료는 인장응력이 있는 한도 이상이 되어 파손하는 경우가 많으므로 인장특성은 대표적인 기계적 성질로서 취급되고 있습니다. 인장 강도는 항복 또는 파손시의 최대 인장하중을 시험편의 원래의 최소횡단면적으로 나눈 값을 말하며, Mpa로 나타냅니다. 인장의 길이는 시험편의 파괴시의 평행부표점간 거리에서 원래 표점간 거리를 뺀 것을 원래 표점간 거리로 나눈 값을 말하며, %로 표시합니다.

굴곡특성

물체에 굴곡 외력이 작용했을 때의 재료의 동작을 굴곡특성이라 부릅니다.

경도

경도에 대한 엄밀한 물리적 정의는 없지만 일종의 비파괴시험이므로 재료를 파괴하지 않고 간단히 측정할 수 있는 점에서 실용적으로 경도는 자주 쓰이며, 편리한 척도가 되고 있습니다. 플라스틱의 경도 측정 규격으로서는 록웰 경도가 일반적입니다. 플라스틱에 사용하는 록웰 경도는 HR 충격압자는 강철공으로, 기준하중 Po를 먼저 가하고, 그 때의 파인 깊이를 기준으로 더욱이 시험하중P를 일정시간(ASTM에서는 15s)가한 후, 기준하중으로 되돌렸을 때의 소성의 파임의 깊이h(mm)를 측정해 다음의 식으로 구합니다. HR=130-500h. 단, 강철공의 지름과 하중 종류에 의해 각 스케일의 록웰 경도가 있어, JIS에서는 M스케일과 R스케일, ASTM에서는 K/E/L/M/R 5스케일이 규정되어 있습니다.

충격특성

재료의 역학적 강도는 하중을 천천히 증가시켜 측정해 정적 강도와 충격적으로 가하는 경우의 강도, 즉 인성 또는 충격 강도는 반드시 같은 경향을 나타내지 않습니다. 이러한 재료의 인성을 측정하는 원리는, 재료에 충격적인 하중을 가해 파괴하여, 그 파괴에 필요한 에너지를 표시합니다. 아이조드 충격치는 그 대표적인 시험방법이며, 진자형 아이조드 충격시험기를 이용해, 고정된 시험편에 충격 굴곡 타격을 가해 1회 타격으로 파괴하는데에 필요한 에너지를 시험편의 넓이로 나눈 값을 말합니다.

크리프 특성

일정의 상태에서 일정의 응력이 단속적으로 가해질 때의 재료의 동작을 크리프라고 하는데, 이 경우 다음과 같은 두 가지 특성을 나타냅니다. 1. 경과시간과 함께 변형량이 증대한다. 2. 경과시간과 함께 파괴응력이 저하한다. 즉, 1.은 하중시간이 짧을 때에는 변형양이 적어 문제가 되지 않지만, 하중경과시간이 길어지면 상당히 큰 변형, 특히 소성적으로 변형해 사용에 견딜 수 없게 되며, 2는 정강도 이하의 응력에 대해 하중시간이 길어 지면 파괴하는 파괴되는 것을 가르킵니다.

피로특성

물체에 응력 또는 뒤틀림이 계속해서 가해질 경우, 그 재료가 약화해 파손이 촉진되는 동작을 재료의 피로라고 말합니다. 즉, 재료에 가해지는 응력이 1회뿐일 때에는, 정적 강도보다 작은 응력에서는 파손은 발생하지 않지만, 계속해서 수가 많아지면 정적 강도보다 상당히 작은 응력에서도 파괴하는 경우가 많아집니다. 플라스틱 재료를 이러한 조건에서 이용하는 경우에는, 그 피로 동작이 명확하지 않으면 파괴에 대한 안전성을 확보할 수 없습니다.

마찰・마모특성

플라스틱 표면이 서로 접촉하는 경우, 양자간에 상대 운동이 발생하면 그 운동을 방해하려 하는 것이 마찰이며, 표면에서 재료가 마멸되어 가는 것을 마모라고 합니다.