PVC 및 Polyester Tube의 열수축 특성

이원영, 이태형, 신영선, 천승환, 김남형, 최중소

광운대학교 화학공학과

Heat Shrinkable Properties of PVC and Polyester Tubes

Won Young Lee, Tae Hyung Lee, Young Sun Shin, Seung Hwan Chun,

Nam Hyung Kim, Joong So Choi

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

서론

산업이 다각적으로 발전해감에 따라, 필연적으로 발생하는 것이 환경오염 문제이다. 다양한 환경처리 기술 중 유해화학물질(Toxics Release Inventory ,TRI)의 대체에 의한 사전오염예방기술은 많은 관심사로 부각되고 있다. 현재 국내·외 산업현장에는 PVC 수축튜브를 사용하고 있는 곳이 많다. PVC의 chlorine은 TRI목록에 있는 물질이나 이를 포함하고 있는 PVC는 가격이 저렴하고, 물리적 특성 및 절연 특성이 양호하여 수축튜브로서 각광을 받으며 현재까지 사용되고 있다. 그러나 TRI 목록에 있는 성분을 포함하고 있는 물질은 OECD가입국가로의 수출을 점점 어렵게 하고 있는 실정이어서 이의 대체물질 개발이 필요한 시점이다. PVC 수축튜브를 대체하는 물질은 여러 종류가 있을 수 있으나 세계적으로 관심의 대상이 되고 있는 것이 polyester계통의 수지이다.

본 연구에서는 사전오염예방 차원의 환경유해물질 대체를 배경으로 하여,  PVC 열수축튜브의 대체물질로 관심사가 되고있는 polyester를 대상으로 하여 열수축 특성을 고찰하고자 한다. 이를 위하여 기존의 PVC 열수축튜브 제품들과  polyester계 열수축튜브 제품들의 수축력(shrinkage force)[1-3]과 수축률(shrinkage ratio)을 측정하여 각 물질마다의 특성을 비교 검토하고자 하며, 수축특성을 설명해 주는 모델을 개발하여 이들 실험 데이터 에 적용시키고자 한다.

실험

(1) 시편준비

시편은 수축력 및 수축률, 연신력을 측정하기 위하여 2종류의 규격으로 준비하였다. PVC 열수축튜브와 polyester 열수축튜브 각각의 수축력과 수축률을 측정하기 위하여 두께가 0.1mm인 기존의 PVC 열수축튜브 3종류와  polyester 열수축튜브 6종류를 선택하여 width(반경방향)×length(축방향)를 20mm×50mm 규격으로 절단하여 각각의 시편으로 준비하였다.

또한 polyester 열수축튜브의 연신력 측정을 위하여 polyester계 수지를 압출기를 이용하여 압출한 0.25mm PET-A를 위와 동일 규격으로 절단하여 시편으로 사용하였다.

(2) 실험방법

□ 수축력 측정

온도변화에 따른 열수축튜브의 수축력[4]을 측정하기 위하여 environmental chamber가 부착된 universal testing machine (Hounsfield H50KS)을 사용하였다. 2.5Kgf load cell에 의하여 측정되었으며, chamber내의 온도는 303.15K에서부터 413.15K까지 연속 상승시키면서 열수축튜브의 수축력을 측정하였다.

□ 수축률 측정

열수축튜브의 수축률 측정은 oil bath에 의하여 323.15K∼373.15K 범위 내에서 각각 10K씩 증가시켜가며 등온상태를 유지한 후 시간에 따른 수축률을 측정하였다.

□ 연신력 측정

Polyester 계열 수지 PET-A (Eastman사 제공)를 이용하여 압출 성형된 7개의 미연신 시편을 2.5Kgf load cell이 부착된 재료시험기에 장착한 후, cross head의 속도를 10mm/min으로 유지하여 각각의 시편마다 chamber내의 온도를 373.15K∼413.15K 범위 내에서 10K씩 증가시켜, 항온을 유지시킨 후 튜브가 파열 될 때까지 연신 시켰으며, 연신력의 측정단위는 MPa 로 환산하여 나타내었다.

결과 및 고찰

(1) 수축력

303.15K∼413.15K범위에서 측정된 3종류의 PVC 열수축튜브의 수축력은 Fig. 1에 도시하였다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 313.15K∼323.15K에서 수축력은 급격히 높아지며 333.15K∼343.15K에서 각 시편들은 최고점을 나타낸다. 이러한 결과는 PVC 열수축튜브가 323.15K∼333.15K에서 가장 효과적인 수축현상을 나타내고 있음을 보여주고 있으며, 이는 최적의 외부작업 조건임을 보여주고 있다.

Fig. . Shrinkage force of heat shrinkable PVC                 tubes.

Fig. . Shrinkage force of heat shrinkable polyester            tubes.

한편, PVC 열수축튜브의 대체물질로 제조된 polyester계 열수축튜브에 대하여 PVC와 동일한 방법으로 수축력을 측정하여 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 polyester 튜브는 PVC 열수축튜브에 비하여 30K 이상 높은 온도에서 급격한 수축력을 보이는 결과로 나타나 내열성이 향상되었음을 알 수 있었고, 수축력의 최고점을 나타내는 온도는 353.15K∼363.15K에서 나타났다[5]. 이러한 결과는 polyester 열수축튜브를 수축시키기 위해서는 PVC 열수축튜브보다 많은 에너지가 필요하다는 것을 알 수 있었다.

(2) 수축률

열수축튜브에 있어서 수축률[6]은 제품의 성능을 의미하며, 생산에서 중요한 인자로 받아들여지고 있다. 이는 가열에 의하여 연신된 후에 최초의 형태로 되돌아가는 형상기억의 정도를 나타내는 척도로서 공업적으로 반경방향 기준으로 40∼50% 범위의 수축률 범위가 최적인 것으로 알려졌다. 본 연구에서는 기존의 연신된 상태로 출하된 3종류의 PVC중 PVC-1 및 6종류의 polyester-1 열수축튜브에 대하여 시간 변화에 따른 수축률을 측정하여 각각 Fig. 3 및 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 3∼4에서 보는 바와 같이 PVC 열수축튜브는 353.15K이상에서, polyester 열수축튜브는 373.15K이상에서 최적의 수축률(공업적 표준 수축률)을 나타내었다.

Fig. . Shrinkage ratios of PVC-1.

Fig. . Shrinkage ratios of polyester-1 tube.

(3) 연신력

열수축튜브에 있어서 최적의 연신력 결정은 에너지 사용과 직접적 관계에 있다. PET 열수축튜브의 연신에 필요한 최적 에너지 공급을 위하여 PET-A 시편 7개에 대하여 373.15K∼423.15K범위에서 10K간격으로 각각 연신력을 측정한 후 시편의 연신률 변화에 대한 연신력을 도시하였다. 이 그래프로부터 7개의 각 시편의 최대 연신력 점을 최대 연신률에 대하여 plot한 결과를 Fig. 5에 도시하였다[7]. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 최적 연신력은 403.15K에서 최소값을 나타내어 이 온도가 PET-A 튜브를 연신 시킬 수 있는 가장 이상적인 온도임을 추정할 수가 있었다.

(4) 수축률 모델링 및 계산

열수축튜브에 대한 수축률을 모델링 하고 계산하기 위하여 등온 하에서 측정된 데이터가 평형을 이룰 때 수축률은 다음 (1)식과 같이 정의할 수 있다.

[eqn: s_□ = { l_0 -l_□} over { l_0} ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ (1)]

한편, 등온 하에서 시간에 따른 재료의 수축률은 다음(2)식과 같이 미분방정식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: { dC} over { dt}=-kC ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(2)]

여기에서 [eqn: C= { l-l_□} over {l_0 -l_□ }] 이다.

(2)식을 경계조건과 함께 해를 구하면 식 (3)을 얻을 수 있다[6].

[eqn: s=s_□ (1-exp[-k(t-t_0 )]) ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ (3)]

식 (3)에서 등온 하에서 시간변화에 따른 수축률 데이터를 이용하여 파라미터([eqn: k])를 추산하였고, [eqn: k]값 변화에 따른 수축률을 고찰하였다.

Fig. . Peak strain force of PET-A tube at each                 temperature.

참고문헌

1. Capaccio, G. and Ward, I. M.: Colloid Polym. Sci., 260, 46(1982)

2. Trznadel, M.: Polymer, 27, 871(1986)

3. Cifferi, A.: J. Poly. Sci., 54, 149,(1961)

4. Pakula, T. and Trznadel, M.: Polymer, 26, 1011(1985)

5. Perena, J. M. and Benavente, R.: Poly. Eng. Sci., 28, 1260(1998)

6. Shih, W. K.: Poly. Eng. Sci., 34, 1121(1994)

7. Rietsch, F., Duckett, R. A. and Ward, I. M.: Polymer, 20, 1133(1979)