플라스틱의 열화 원인과 플라스틱 수명 예측의 실험 방법을 소개한다.

플라스틱의 열화 원인과 플라스틱 수명 예측의 실험 방법을 소개한다.

플라스틱 성형품은 원료가 되는 합성 수지의 종류에 의해서 악화 요인이 다릅니다.

시험 검토가 진행되면서 제품화했을 때의 수명 예측이 중요하게 되죠.

 

플라스틱의 수명을 예측할 때는 먼저 어떻게 플라스틱이 열화되는지

그 요인과 메커니즘을 파악해야 합니다.

여기에서는 악화 요인과 시험 방법, 또 수명 예측에 대해서 해설합니다.

 

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플라스틱의 주요 열화 요인과 그 메커니즘

플라스틱 성형품의 열화 요인으로는 재료 자신의 시간 경과에 따른 변화와

외적 요인에 의한 변화가 있어 단일 요인으로 생기는 열화 혹은

복수의 요인이 겹치면서 발생하는 열화 등 여러 요인이 있습니다.

<표 1>플라스틱이 열화 되는 원인

재료 자신의 시간 경과에 따른 변화	열 가소성 수지의 반응의 속행(중합) 열 경화성 수지, 고무의 경화 반응 진행 고무 PVC의 가소제의 휘산
외적 요인에 의한 변화 (단일 요인)	응력, 변형(반복 부하, 장시간 부하) 열 빛(주로 자외선) 전기 방사선:원자로, 가속기, 우주 방사선 환경 물질: 가스(산소, 오존, 아황산 가스 등) 물(습도, 고압 물 수증기) 금속(활성 금속, 구리 등) 유기 용제 산, 알칼리, 계면 활성제 미생물
외적 요인에 의한 변화 (복합 요인)	옥외에서 사용 시(자외선+비+공기) 스트레스 크래킹(환경 물질+응력·변형)

수많은 요인 중

"열","빛","물","금속이나 금속 화합물과 접촉","응력·변형"이

가져오는 열악화에 대해서 간단히 말씀드리겠습니다.

 

열에 의한 열화

합성 수지는 주로 탄소, 산소, 수소로 구성되는 고분자 화합물입니다.

분자 구조는 끈 같은 구조를 취하며 주쇄라고 불립니다.

 

합성 수지가 가열됨으로써 분자 운동이 활발해지며 평소에는 반응이 어려운 공기 중의 산소와 반응하기 쉽습니다.

산소와 반응함으로써<그림 1>처럼 합성 수지는 분해되어 버립니다.

합성수지의 분자운동이 활발해지며 공기중의 산소와 반응하는 합성수지의 이미지

 

빛에 의한 열화

빛에 의한 열화는 대부분의 경우 플라스틱 성형품의 표면에서 일어납니다.

빛 에너지는 파장이 짧을수록 높아집니다.

또, 합성 수지의 열화를 일으키는 태양광의 파장은 300~400나노 미터이며

이는 자외선 광선의 영역에 해당합니다.

빛에 의한 열화의 이유는 빛 에너지를 흡수하고 분자 간 화학 결합이 절단되기 때문입니다.

<표 2>에 플라스틱의 종류별로 열화시키는 파장을 정리했습니다.

아울러 빛은 분자 간 화학 결합 절단만 아니라 분자를 진동시키는 것으로

산화가 일어나며 열화를 일으키는 경우도 있습니다.

 

<표 2>플라스틱을 빛 열화 시키는 파장

폴리에스테르	325
폴리스티렌	318
폴리 프로필렌	300
폴리 염화 비닐	310
염화 비닐 식초 비 혼성 중합체	310
포름 알데히드 수지	322～364
질산 셀룰로오스	300～320
폴리카보네이트	310
포리메칠메탁리레트	295

물에 의한 열화

통상 플라스틱 성형품은 물에 강하다는 이미지가 있지만,

합성 수지의 종류나 환경에 따라서는 가수 분해에 의한 열화가 일어납니다.

특히 폴리에틸렌테렉타라트(PET)처럼 분자 구조에 에스테르 결합을 가진 합성 수지는

가수 분해하기 쉬운 성질이 있습니다.

 

또 폴리우레탄(PU)이 가수 분해에 의한 열화 하는 일은 비교적 자주 있습니다.

 

또 합성 수지를 용해하는 성형할 때도 습기가 있으면 분해하기 쉽기 때문에 주의가 필요합니다.

 

유기 용제에 의한 열화

일반적으로 어떤 재료라도 자신의 구조와 유사한 구조를 가진 재료는 도입하기 쉽다는 성질이 있습니다.

범용 엔프라(범용 엔지니어링 플라스틱)의 일종인 폴리카보네이트(PC)는

내후성, 충격 강도, 내열성이 뛰어나고 자동차의 해드 램프 렌즈나 광디스크 등

폭넓은 제품에 이용되고 있지만 어느 특정의 용제에 대해서는

재료 내에 유기 용제를 넣고 강도 저하로 이어지기 때문에 주의가 필요합니다.

 

금속이나 금속 화합물에 의한 열화

합성 수지가 금속이나 금속 화합물과 접촉하는 경우는 적지 않습니다.

합성 수지가 금속으로 퇴화하는 주된 이유는 금속 이온이 합성 수지의 산화 반응의 촉매로서 작용하기 때문입니다.

금속 중에는 코발트, 망간이 합성 수지에 영향을 미치기 쉬운 원소입니다.

다만 실제로는 이 2종류의 금속과 합성 수지를 접촉하는 듯한 제품은 거의 없고

사고 발생 원인이 되는 경우는 별로 찾아볼 수 없습니다.

반면 대량으로 사용되고 있는 동과 철에 의한 열화가 생기기 쉽고,

특히 폴리 프로필렌(PP)와 ABS수지는 고온이 되면 구리에 반응하기 때문에

이런 용도에서는 안정제를 첨가하는 등 주의가 필요합니다.

 

응력·변형에 의한 열화

결함에는 기포나 크랙 웰 드라마 인 이물질이 혼입 등이 있고

응력이 집중함으로써 열악화나 파괴가 일어납니다.

 

또, 합성 수지를 사출 성형할 때는 그 과정에서 성형품 내부에 응력이 발생하는 잔존합니다.

이 잔류 응력에 의한 균열로는 스트레스 크랙 솔벤트 균열 현상이 있습니다.

 

이처럼 악화 요인으로는 여러가지 경우가 생각할 수 있지만, 

요인은 하나가 아니라 열과 자외선 자외선과 물 등 복합적인 요인으로

열화할 경우도 적지 않은 것을 명심할 필요가 있습니다.

왜 플라스틱의 수명 예측이 중요한가

이처럼 플라스틱 성형품은 여러 요인에 의한 열화가 피할 수 없습니다.

성형품이 어떻게 퇴화할 것인가, 그 수명이 예측하기도 쉽지 않습니다.

그 이유는 주로 이하의 3가지가 있습니다.

(가)여러 종류의 합성 수지와 함께 산화·자외선 방지제, 충전제 등 많은 첨가제가 사용되고 있다
(나)사용 조건이나 사용 환경이 다양하다
(다)수명의 판정 기준 자체가 다양(보관 수명, 외관 수명, 고장 수명, 파괴 수명, 잔존 수명 등)하다

제품을 최적으로 설계하는 안전성을 확보하려면 제품의 수명을 예측하는 사용 가능 기간과 

사용 시간을 추정하는 것이 매우 중요합니다.

 

 

촉진 열화 시험이란?

플라스틱 성형품의 열화에 대해서는 안심·안전 사고 방지의 관점에서,

제품의 수명을 예측하고 보증 기간을 설정하고 사용자에게 제시하는 것은 필수입니다.

 

그러나 만약에 보증 기간을 10년간으로 할 경우 그것을 10년 동안 확인한다는 것은 현실적이지 않습니다.

거기에서 널리 실시되고 있는 것이 촉진 열화 시험입니다.

 

아레니우스의 법칙을 이용한 수명 예측 시험이 일반적입니다.

 

이것은 어떤 퇴화가 화학 반응에 따를 경우 복수의 온도에서 시험을 실시하고

아레니우스 식으로부터 도출되는 아레니우스 조사구를 이용하여 수명을 예측한다는 것입니다.

재료, 제품을 실제 사용 환경 하에서 오랫동안 장시간 사용했을 경우의 변화를 단시간에 판별하는 방법을

<표 3>으로 정리하였으니 참고하세요.

 

#1~3은 유사 제품의 실적을 이용하는 방법으로

#4~7은 촉진 열화 시험과 시장 조건에서 요구하는 방법입니다.

<표 3>촉진 열화 시험법

실지 시험과 촉진 열화 시험의 예측	1	비례 배수 법	한 특성의 촉진 시험에서개량품 개량 경쟁률을 요구한다. 유사품 시장 실적을 바탕으로 개량품의 수명을 예측
	2	특성치 대응 법	유사 제품에 대해서,퇴화 단계마다 시장과 촉진 시험 시간적 대응을 요구하며그것을 바탕으로 개량품의 수명을 예측
	3	유사 제품 대응 법	몇가지 유사 제품에 대해서,한 수명 값의 퇴화 단계마다 시장과 촉진 시험 시간적 대응을 요구하며 이를 바탕으로 개량품의 수명을 예측
촉진 열화 시험 법에 의한 예측 법	4	반응 속도론에 근거한 예측 방법	열화가 화학 반응에 따를 경우복수의 온도로 시험을 실시하는 아레니우스 조사구*1에서 수명을 예측
	5	S-N곡선 법	고 스트레스 지역에서 S-N곡선*2작성사용 조건(저 스트레스 지역)의 수명을 예측
	6	시간-온도 환산 법칙 법	크리프 변형, 크리프 파괴 현상이환경 온도를 높이와 촉진된다것을 이용하여 수명을 예측
	7	마이너 법칙 법 (직선 피해의 법칙)	열화 인자의 수명이 시간 경과나, 반복 횟수에서 벌어지는 일이 미리 뚜렷한 경우, 각각의열화 인자의 누적 부하에서 잔존 수명을 예측

*1스웨덴의 화학자 아레니우스가 1889년에 펴낸 화학 반응 속도 상수의 온도 변화에 관한 아레니우스 식
*2어느 부재에 대한 일정한 진폭으로 반복 응력을 부하했을 경우에 어느 정도로 파괴하는지를 나타낸 것.
응력과 파단까지 반복 횟수의 관계를 나타낸 곡선

수명 예측을 위한 내구성 시험이나 플리스틱 열화의 요인을

제대로 파악하기 위한 평가·해석에는 전문적 지식이 필요합니다.

 

정리

이처럼 플라스틱 성형품은 여러 요인에 의해서 열화합니다.

 

플라스틱 성형품의 원료가 되는 합성 수지를 선택할 때에는

그것이 어떤 환경 하에서 어느 정도의 기간이나 시간, 사용되는지를 제대로 파악한 후에 최적인 것을 고르도록 합니다.

 

또 그것을 제품화할 때는 여기에서 소개한 절차를 참고하시면 감사하겠습니다.

수명 예측함으로써 사고나 트러블 발생을 회피하도록 합시다.

 

 

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