고분자의 기계적 성질 및 기타 물리적 성질

[기계적 성질]

기계적 성질은 고분자가 구조용 재료로 사용될 때 고려해야 할 중요한 성질로서 변형, 파괴 및 피로거동 등이 이에 속한다. 그림 2-30에 인장실험에서의 여러가지의 변형 및 파괴거동을 보였다. 

파괴가 일어날 때 까지의 직선적으로 응력이 증가하며 항복점 (Yield point)이 없이 파괴되는 거동을 취성파괴 (Brittle failure)라 하며 polystyrene, poly(methyl methacrylate) 및 epoxy 수지 등의 유리상 고분자가 이러한 파괴 형태를 보인다. 이와는 달리 인장시키면 항복점을 지나 길게 늘어나는 변형이 계속되는 거동을 연성파괴 (ductile failure)라 한다. 결정성 고분자나 엔지니어링 플라스틱이 이러한 거동을 보인다. 항복점을 지나서의 소성변형과정을 냉연신 (cold drawing)이라 하는데, 그림 2-31에서 보는 것과 같이 인장되고 있는 시료의 한 부분이 갑자기 가늘어지는 necking이 일어난다. 인장이 계속됨에 따라 가늘어진 부분은 그 두께를 유지한 채 다른 부분으로 계속 전파되어 간다. 냉연신이 일어나면 고분자 사슬이 인장방향으로 배향 (orientation) 하게 된다. 

 

위에 설명한 두가지 경우와 다른 형태인 탄성체거동은 낮은 Young 탄성률을 지녀 유연하며 수백 %까지 자유스럽게 늘어나고 응력을 제거하면 원 상태로 돌아가는 탄성적 변형을 보인다. 응력-변형 곡선에서 얻어지는 Young 탄성률, 항복점에서의 변형 및 응력, 파괴시의 변형 및 응력 등은 실제 용도에 맞는 고분자 재료를 선택할 때 고려해야 할 중요한 변수이다. 

 

고분자의 변형 및 파괴 시의 온도와 변형속도에 크게 영향받는 점이다. 온도에 의한 영향을 그림 2-32에 나타내었다. 그림에 나타낸 poly(methyl methacrylate)는 낮은 온도에서는 취성파괴 거동을 보이나 온도가 올라갈수록 변형시 고분자 사슬의 유동성이 커지므로 연성파괴 형태를 보이고 있다. 

 

파괴가 일어날 때 까지 소요된 에너지 또는 응력의 계산으로부터 구해지는 파괴강도는 변형과 더불어 고분자 재료를 실제 사용할 때 고려해야 할 중요한 요소이다. 최근에는 파괴역학 및 재료과학의 도움으로 고분자의 파괴가 일어나는 역학적 환경 및 파괴가 일어나는 분자 매커니즘의 규명에 많은 진전이 있었으며, 이를 고분자의 기계적 성질개발에 응용하고 있다. 예를 들어 polystyrene은 높은 탄성률을 지녀 딱딱하고 높은 인장강도를 갖지만, 잘 깨어지기 쉬운 단점이 있으므로 어느 정도 딱딱한 성질을 유지하면서 충격에 잘 깨어지지 않는 질긴 polystyrene이 필요하다. 이러한 목적으로 내충격성 polystyrene (high impact polystyrene, HIPS)이 개발되었다. HIPS는 고무를 styrene 단량체에 녹인 후 중합시켜 만든 것으로, 고무입자가 polystyrene에 분산되어 있어 그림 2-33에 나타낸 것과 같이 질기며 잘 깨어지지 않아 높은 파괴에너지를 지닌다. 

 

주기적 응력에 의한 물질의 파괴를 피로 (fatigue)라 한다. 실제로 플라스틱은 한 번의 과도한 변형이나 강한 충격보다는 반복되는 응력에 의해서 파괴가 되는 경우가 더 많으므로, 고분자의 피로에 관한 연구는 응용적 측면에서 아주 중요한 의의를 지닌다. 

 

[고분자의 기타 물리적 성질] 

고분자는 가벼우면서 무게에 비해 기계적 강도가 우수하며 가공성이 좋아 구조재료로 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 다른 우수한 물리적 특성으로 인하여 기능성 재료로서도 사용이 증대되고 있다. 대부분의 고분자가 우수한 전기저항성을 지니고 있어 절연체로 많이 사용되고 있으나, 몇몇 고분자들은 전기를 통하는 성질을 보여 전도성 고분자로의 사용 가능성을 가지고 있다. 도한 고분자막은 선택적으로 물질을 투과하므로, 공기 중에 산소를 분리하거나 인공신장 등에 사용되는 등 기능성 분리막으로도 사용되고 있다. 특이한 광학적 성질로 인하여 컴퓨터칩 등에 사용되는 반도체 재료로서의 사용도 증대되고 있다. 이외에도 의료용 및 기타 산업용 첨단소재로서 고분자의 사용이 증가하고 있으므로 구조-물성-응용의 상관관계를 이해하는 것은 매우 중요하다.