점탄성; Viscoelasticity 거동, 점성과 탄성

 

 

 

 점탄성 : 점성과 탄성이란? Viscoelasticity mean

 

▲ 점성;Viscosity

 끈적함을 말한다. 걸쭉한 갯벌을 생각하면 되는 데, 걸쭉함 정도를 점도라고 보면 된다.

 

▲ 탄성;elastic 

 원래대로 돌아가려는 힘을 말한다. 스프링을 잡아당겼을 때 원래의 상태로 돌아가려는 힘이 느껴질 것이다. 이를 탄성이라고 부른다.

 

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 이 두 가지의 물성을 함께 가지고 있는 것을 '점탄성;Viscoelasticity'이라고 한다.

 

- 즉, 물체에 힘을 가할 때 탄성변형과 점성을 동시에 가지게 되는 유동 현상이 발생하는 것이다. '점탄성'은 일반적인 액체에서 보이는 현상은 아니다. 우리가 컵에 담긴 액체를 바닥으로 쏟을 때, 액체가 탄성을 보이진 않는다. 하지만 고분자 용액은 점성과 동시에 복원력을 가지는 탄성을 가졌다.

 

 

 

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 여기선 '응력;stress'라는 개념을 알아두는 게 좋다.

 

· '응력'이란 외부에 힘을 받아 변형을 일으킨 물체 내부에 발생하는 단위면적당 힘을 말한다. 그냥 심플하게 외부에서 힘을 가하는 것이라고 보면 된다. 

 

· 예를 들어 점탄성을 가진 츄잉 껌을 보자. 껌을 순간적으로 늘어나게 했을 때, 변형을 유지하는 응력은 시간이 지날수록 감소한다. 이를 '응력완화'라고 한다. 응력완화는 점탄성이기 때문에 발생하며, 물체가 탄성밖에 없다면 탄성 때문에 일정한 응력을 계속 나타낼 것이다.

 

· 그리고 응력완화가 일어나는 시간을 '완화시간'이라고 한다. 완화시간이 짧을수록 응력은 빠르게 감소한다. 탄성률을 점도로 나누는 비를 완화시간이라고 나타낼 수 있다,

 

*점탄성 거동에서 많이 쓰이는 '맥스웰 모델;Maxwell model'은 이러한 응력완화를 가리키며, 일반적인 물체의 응력완화는 하나의 완화시간을 가지므로, 여러 개의 맥스웰 모델을 병렬로 결합한 일반화된 맥스웰 모델을 사용한다.

 

• 2021.09.03 - [과학과 공학 이야기/고분자] - 고분자의 고체 점탄성 : Generalized Maxwell model, 일반화된 맥스웰 모델

고분자의 고체 점탄성 : Generalized Maxwell model, 일반화된 맥스웰 모델

 

 점탄성을 가진 추잉 껌을 늘리면 탄성 때문에 원래대로 돌아가려고 하지만, 시간이 지날수록 탄성은 점성으로 변해 변형을 유지하는 응력이 감소한다고 보면 된다.

 

 

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 이렇듯 고분자는 점탄성을 가졌고, 이는 강성을 비롯한 내구도에 영향을 준다.

 

· 특히 탄성은 압출이나 사출성형 시 분자의 원래 배향대로 돌아가려는 '와류;vortex'와 '팽창;die swell'에 영향을 준다,

 

· 점성과 탄성에 따른'전단율;shear rate( 변형이 일어나는 속도)'에 대한 관계를 측정할 수 있는 장비를 '레오미터;Rheometer'라고 한다. *레오미터는 회전형과 모세관형으로 나뉜다.

 

• 2021.11.05 - [과학과 공학 이야기/고분자] - 회전형 레오미터와 모세관형 레오미터의 원리 및 차이

회전형 레오미터와 모세관형 레오미터의 원리 및 차이

 

source : TA instrument

- 위는 레오미터로 측정해 왼쪽은 점성;Viscosity과 전단율;shear rate, 오른쪽은 탄성;G'과 진동률;Oscillation 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 

 

 

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- 아래는 저장탄성률;G'과 손실탄성률;G", 각주파수;ω에 관한 관계와 복소점도;η*(complex viscosity)와 각주파수;ω에 관한 그래프다.

 

 

source : TA instrument, Borealis

 

특성	비고
G’;storage modulus	저장탄성률; 가지고 있는 탄성
G“;loss modulus	손실탄성률; 다른 에너지에 의해 잃어버린 탄성 = 점성
G*;complex shear modulus	G’ + G“;저장탄성률과 손실탄성률의 합
ω;angular frequency	각주파수(진동수); 단위시간 동안 물체가 움직인 각도. 진동수* 2π
η*;complex viscosity	복소점도; 점성과 탄성의 복합작용 결과 G*/ω

 

 

 위에 그래프를 보면 점성 및 탄성에 따라 전단 속도, 각주파수가 높아짐. -> 점탄성 감소로 재료가 파괴되므로 재료의 강성 및 내구도를 확인할 수 있다.