물질이 외부에서 힘을 받았을 때 보이는 반응은 물질의 상태와 그 물질이 가진 물성에 따라 달라지는데 이때, 고분자 물질은 일반적인 액체나 고체와는 달리, 동시에 탄성과 점성이라는 두 가지 성질을 나타내며, 이를 *점탄성(viscoelasticity)*이라고 부릅니다.
점탄성(viscoelasticity), 저장 탄성률(storage modulus) 및 손실 탄성률(loss modulus)란 무엇일까?
점탄성 물질은 고체처럼 원래의 형태로 돌아가려는 성질(탄성)과 액체처럼 흐르려는 성질(점성)을 동시에 갖고 있습니다. 이러한 성질로 인해 고분자 물질은 가공 시에 특별한 주의가 필요합니다.
1. 탄성(elasticity)과 점성(viscosity)
먼저, 점탄성을 이해하기 위해서는 탄성과 점성의 개념을 알아야 합니다.
- 탄성(elasticity): 물체에 외부 힘이 가해졌을 때 원래 모양으로 돌아가려는 성질을 말합니다. 예를 들어, 스프링을 늘린 후 놓으면 원래 길이로 돌아오는 성질이 바로 탄성입니다.
- 점성(viscosity): 유체에서 볼 수 있는 성질로, 외부 힘에 의해 물체가 쉽게 변형되거나 흐르는 특성입니다. 예를 들어, 꿀처럼 끈적한 액체는 높은 점성을 가집니다.
이 두 가지 성질을 동시에 갖고 있는 물질이 바로 점탄성 물질입니다. 점탄성 물질은 고분자 재료에서 흔히 발견되며, 고체처럼 보이지만 장시간 외부 힘이 가해지면 변형된 상태를 유지하거나 점성 액체처럼 흐르게 됩니다.
2. 응력(Stress), 변형율(Strain), 그리고 탄성계수(Modulus of Elasticity)
점탄성 물질을 이해하려면 응력과 변형율, 그리고 탄성계수에 대한 개념을 함께 알아야 합니다.
- 응력(Stress): 물체에 외부에서 힘이 가해졌을 때, 내부에서 그 힘에 저항하려고 하는 힘을 말합니다. 이를 단위 면적당 힘으로 나타내며, 단위는 Pa(파스칼)를 사용합니다.
- 변형율(Strain): 물체가 외부 힘에 의해 얼마나 변형되었는지를 나타냅니다. 예를 들어, 원래 길이가 10cm인 물체를 5cm 더 늘렸다면, 변형율은 0.5(=5/10)가 됩니다.
- 탄성계수(Modulus of Elasticity): 외부에서 힘을 가했을 때, 물체가 원래 모양으로 복귀하려는 정도를 나타내며, 물체의 강성을 측정하는 값입니다. 탄성계수가 클수록 잘 변형되지 않으며, 대표적으로 **영의 탄성계수(Young’s modulus)**가 있습니다.
3. 저장 탄성률(Storage Modulus, G’)와 손실 탄성률(Loss Modulus, G”)
점탄성 물질은 외부 힘에 대해 두 가지 반응을 보이는데, 이를 각각 *저장 탄성률(G’)*과 *손실 탄성률(G”)*로 나누어 설명할 수 있습니다.
- 저장 탄성률(Storage Modulus, G’): 외부 힘이 가해졌을 때 물체가 가진 탄성 에너지의 비율을 나타냅니다. 다시 말해, 물체가 변형 후 원래 상태로 돌아가려는 복원력에 해당합니다. 예를 들어, 마른 스펀지에 힘을 가했을 때 원래 모양으로 돌아가려는 성질이 바로 저장 탄성률입니다.
- 손실 탄성률(Loss Modulus, G”): 외부 힘에 의해 물체 내부에서 점성으로 인한 에너지가 손실되는 정도를 나타냅니다. 이는 물체가 외부 힘에 저항하지 못하고 영구 변형이 일어나는 성질로 설명될 수 있습니다. 예를 들어, 스펀지가 물에 젖으면 손실 탄성률이 커지며, 꿀이나 시럽처럼 점성이 높은 물질에 젖으면 더 큰 저항이 발생합니다.
복합 탄성률(Complex Modulus, G)와 위상각(Phase Angle, δ)*
저장 탄성률과 손실 탄성률의 결합은 *복합 탄성률(Complex Modulus, G)**로 나타낼 수 있습니다.
이는 점탄성 물질이 외부에서 힘을 받을 때의 전체적인 강성도를 의미합니다. 복합 탄성률은 벡터 합으로 계산되며, 여기서 **위상각(δ)**이 중요한 역할을 합니다.
위상각(Phase Angle, δ): 저장 탄성률과 손실 탄성률 간의 관계를 나타내는 각도입니다. 만약 δ가 0도라면 물질은 순수하게 탄성적인 성질을 가진다고 볼 수 있고, δ가 90도에 가까우면 물질이 순수한 점성체로 작용하게 됩니다. 이를 통해 물질이 고체 성질이 더 강한지, 액체 성질이 더 강한지를 파악할 수 있습니다.
위상각을 이용해 *손실 탄젠트(tanδ)*를 계산할 수 있습니다.
tanδ는 손실 탄성률과 저장 탄성률의 비율을 나타내며, 이 값이 크면 물질의 점성이 더 우세한 상태를 의미하고, 값이 작으면 탄성이 더 우세하다는 뜻입니다.
4. 예시와 실생활 응용
스펀지 예시
스펀지가 마른 상태에서는 외부 힘을 가했을 때 쉽게 원래 상태로 돌아옵니다.
이는 높은 *저장 탄성률(G’)*을 의미하는데 스펀지가 물에 젖으면 손실 탄성률이 커져 복원력이 약해집니다. 만약 스펀지를 꿀에 적시면 손실 탄성률은 더욱 커져 점성적인 성질이 더 강하게 나타나게 됩니다.
점탄성 재료의 응용
고분자 물질을 사용한 자동차 타이어는 외부 충격에 대해 탄성을 가지고 있어 충격을 흡수하지만, 동시에 점성 성질이 있어 충격 에너지를 소모하게 됩니다. 이와 같이 점탄성은 일상생활에서 충격 흡수 및 진동 완화에 중요한 역할을 합니다.
5. 동적 기계 분석(DMA)과 점탄성 측정
점탄성 물질의 물성은 *동적 기계 분석(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)*를 통해 측정할 수 있습니다.
이 방법은 시료에 일정한 주기의 변형을 가하고 이에 따른 응력과 변형률을 측정해 저장 탄성률, 손실 탄성률, 그리고 복합 탄성률을 계산합니다. DMA는 고분자 재료의 가공성, 강도 및 내구성을 평가하는 데 필수적인 도구로 활용됩니다.
점탄성은 고분자 물질이 가진 독특한 성질로, 외부 힘에 대해 동시에 탄성과 점성을 나타내는 특성으로 이러한 물질의 특성은 저장 탄성률과 손실 탄성률로 측정할 수 있으며, 각 값은 물질이 고체 성질에 가까운지, 액체 성질에 가까운지를 나타냅니다.
| 고분자 재료 | 가공 방법 | 내구성 | 흔히 사용되는 용도 |
|---|---|---|---|
| 폴리에틸렌 (PE) | 사출 성형, 압출 | 중간 | 포장재, 용기 |
| 폴리프로필렌 (PP) | 사출 성형, 압출, 블로우 성형 | 높음 | 자동차 부품, 용기 |
| 폴리염화비닐 (PVC) | 사출 성형, 압출, 강화 성형 | 높음 | 파이프, 창틀 |
| 폴리스티렌 (PS) | 사출 성형, 압출 | 낮음 | 일회용 용기, CD 케이스 |
| 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) | 사출 성형, 압출, 블로우 성형 | 중간 | 병, 식품 포장 |
이러한 특성을 잘 이해하면 고분자 재료의 가공성과 내구성을 더 효율적으로 관리할 수 있습니다.