플라스틱의 열 열화와 광(자외선)열화

플라스틱은 다양한 화학 구조를 가진 고분자(polymer) 소재로, 열이나 광(자외선) 같은 환경적 요인에 노출되면 물리적, 화학적, 기계적 성질이 저하될 수 있습니다. 이러한 현상을 각각 열 열화와 광 열화(자외선 열화)라고 합니다. 아래에서 두 열화의 원인, 과정, 영향을 자세히 살펴보겠습니다.

1. 열 열화(Thermal Degradation)

가. 정의

열 열화는 플라스틱이 고온 환경에 장시간 노출되어 분자 구조가 변형되고, 물리적/기계적 성질이 저하되는 현상입니다. 이는 화학 결합이 깨지고 고분자 사슬이 분해되면서 발생합니다.

나. 열 열화 메커니즘

  (1) 고분자 분해

• 높은 온도가 플라스틱의 화학 결합을 파괴하여 분자량이 감소하고 강도가 약화됩니다.
• 열분해(Pyrolysis): 고온에서 화학적 분해가 일어나면서 가스나 액체 형태의 부산물이 생성됩니다.

  (2) 산화 반응

• 산소가 열화 과정에 개입해 플라스틱이 산화되고 물성이 변화합니다.
• 산소에 의한 라디칼 생성 → 라디칼이 고분자 사슬을 공격해 분해.

다. 영향을 받는 플라스틱 종류

• 내열성이 낮은 플라스틱: PVC, PE, PP 등은 열에 민감합니다.
• 내열성이 높은 플라스틱: PTFE(테플론), PEEK, 폴리이미드 등은 고온 환경에서도 열화에 강합니다.

라. 열 열화의 영향

• 기계적 강도 저하(파손 가능성 증가)
• 색상 변화(노화 현상)
• 유연성 감소 및 취성 증가
• 가스나 냄새 같은 부산물 발생

마. 예방 방법

• 안정제 첨가: 열안정제(heat stabilizer)를 첨가하여 분해를 억제.
• 재료 설계: 내열성이 높은 고분자 또는 복합 재료 사용.
• 작동 온도 제어: 고온 환경에서 장시간 사용을 피함.

2. 광 열화(자외선 열화, Photo Degradation)

가. 정의

광 열화는 플라스틱이 자외선(UV) 또는 강한 빛에 노출되었을 때 분자 구조의 변형과 화학적 결합의 파괴로 인해 물성이 저하되는 현상입니다.

나. 광 열화 메커니즘

• 광자 흡수: 플라스틱 내의 화학 결합(특히 C-H, C-C, C=O 결합)이 자외선을 흡수하여 고에너지 상태로 변함.
• 라디칼 형성: 고에너지로 인해 플라스틱 분자 내에서 라디칼이 생성되고, 이는 연쇄적으로 다른 분자 사슬을 공격.
• 산화 반응: 생성된 라디칼이 공기 중 산소와 결합하여 산화 반응을 촉진. 결과적으로 고분자 사슬이 끊어지거나, 사슬 구조가 변형됨.
• 광열화 초기에 분자량 증가(가교반응), 밀도증가(결정화 진행), 강도의 일시 증가 후 급격히 저하

다. 영향을 받는 플라스틱 종류

• 자외선에 민감한 플라스틱: 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), PVC, PS 등은 자외선 노출에 약합니다.
• 자외선에 강한 플라스틱: 불소수지(PTFE), 폴리이미드(PI) 등은 UV 저항성이 높음.

라. 광 열화의 영향

• 표면 균열 및 분말화(Chalking 현상)
• 색상 변화(황변, 퇴색)
• 투명성 저하
• 기계적 강도 및 유연성 감소
• 재료의 수명 단축

마. 예방 방법

• UV 안정제 첨가: 자외선 차단제를 첨가하거나 흡광제(UV absorber)를 사용.
• 재료 코팅: 플라스틱 표면에 자외선 차단 코팅이나 도료 적용.
• 복합재 사용: UV 저항성이 높은 재료와 혼합.
• 환경 설계: 자외선에 직접 노출되지 않는 구조로 설계.

3. 플라스틱의 열 열화, 광 열화 저항성 테스트

가. 열 열화 시험

(1) 시험 장비   

  (가) 열 가속 시험기(Thermal Aging Oven)

• 일정 온도에서 시료를 노출시키는 장치로, 고온 환경에서의 열화 속도를 가속화해 평가합니다.
• 종류: 순환 공기 오븐, 진공 오븐, 질소 분위기 오븐 등
• 온도 범위: 일반적으로 50~300℃ (사용 플라스틱에 따라 조절)

   (나) 열분해 분석기(Thermogravimetric Analyzer, TGA)

• 플라스틱이 고온에서 분해되는 과정을 실시간으로 분석하며, 분해 온도와 잔여량을 측정.
• 적용 온도: 25~1,000℃
• 결과: 플라스틱의 열 안정성, 열분해 온도 확인

   (다) 차분 주사 열량계(DSC, Differential Scanning Calorimetry)

• 열 용량, 녹는점, 유리전이온도(Tg) 등 열적 특성을 측정.

(2) 시험 방법

• ISO 11357 또는 ASTM D5374: DSC를 활용한 고분자의 열적 특성 평가.
• ISO 2578: 고온에서의 장기적인 열화 시험을 통해 예상 수명을 추정.
• 가속 열화 시험: 85℃, 100℃와 같은 고온에서 시료를 노출시키고 일정 주기마다 강도, 색상, 변형 등을 측정.
• 데이터: 물성 변화율(인장 강도, 충격 저항) 분석.

나. 광 열화(자외선 열화) 시험

(1) 시험 장비

 (가) UV 가속 시험기(UV Weathering Tester, QUV Tester)

• 자외선(UV) 램프와 습기(또는 물 스프레이)를 주기적으로 제공해 실외 조건을 모사.
• 광원: UV-A, UV-B 램프 (특히 UV-B는 플라스틱 열화 평가에 주로 사용)
• 노출 조건: 온도, 습도, UV 강도를 설정 가능.
• 대표 기기: Q-Lab사의 QUV 가속기, Atlas Weather-Ometer.

 (나) 자외선 투과 시험기(Spectrophotometer)

• 자외선에 노출된 후 색상 변화나 투과도 변화를 측정.

(2) 시험 방법

 (가) ISO 4892 또는 ASTM G154: 자외선 및 환경 조건에 따른 인공 광 열화 시험.

• UV-A 램프: 315~400 nm (장기간 노출 환경 모사)
• UV-B 램프: 280~315 nm (극한 환경 모사)
• 노출 시간: 수백~수천 시간.

 (나) 시험 순서

• 시료를 UV 가속 시험기에 장착.
• 8시간 UV 노출 → 4시간 응축 습도 노출 반복.
• 특정 시간 간격마다 기계적 특성, 색상, 광택 측정.

(3) 데이터 수집

• 시간별 물성 변화: 인장 강도(ASTM D638), 충격 저항(ASTM D256), 색상 변화(CIE Lab 색 공간) 등을 측정.
• 열화 정도 분석: 열 중량 손실(TGA), 분자 구조 변화(FTIR 스펙트럼 분석) 등을 통해 비교.

(4) 참고할 주요 표준

• ISO 11357-2: 고분자의 열적 특성 분석.
• ISO 4892-2: 자외선에 의한 플라스틱 열화 평가.
• ASTM D4329: 인공 광원에 의한 플라스틱 가속 열화 시험.
• ASTM G154: UV 램프를 이용한 가속 실험 절차.

(5) 예상 결과

• 열 열화: 고온에서 분자 구조 분해로 인해 기계적 강도가 크게 저하됨.
• 광 열화: 자외선 노출 후 표면 균열, 색상 변화, 강도 감소가 확인됨.
• 비교: 열 열화는 내구성과 강도에, 광 열화는 표면 품질과 외관에 더 큰 영향을 미침.