폴리아미드는 흡습성이 있으며, 수분 흡수는 폴리아미드의 물성에 영향을 미칩니다. 이 도구는 수분 흡수 또는 방출량과 관련된 시간 척도를 예측합니다. 사용자는 두 가지 계산 모드를 선택할 수 있습니다: 조건이 한 번 변화하는 '기본' 모드, 또는 반복되는(주기적) 조건을 고려하는 고급 모드.

‘Step change’:

시편은 초기 조건(온도 T_0, 상대습도 RH_0)에서 평형상태에 놓인 후, 시간=0에 새로운 조건(온도 T_1, 상대습도 RH_1)에 일정 시간 동안 노출됩니다. 시간에 따른 수분 함량뿐만 아니라 시편 두께에 대한 수분 농도 분포 역시 예측됩니다. 이를 통해 수분 흡수뿐만 아니라 건조화 효과도 시뮬레이션할 수 있습니다.

‘Cyclic’

시편은 다시 초기 조건(온도 T_0, 상대습도 RH_0)에서 평형상태에 놓인 후, 시간=0에 여러 가지 주어진 조건(각각의 온도와 상대습도, 노출 시간)에 따라 노출됩니다. 이러한 조건 세트는 반복(주기)될 수 있습니다. 시간에 따른 수분 함량과 시편 두께에 대한 수분 농도 분포가 예측됩니다. 이를 통해 수분 흡수뿐만 아니라 건조화 효과도 시뮬레이션할 수 있습니다.

사용자 입력:

• Grade 선택
• 플레이트 두께 (높이 및 깊이는 무한대로 간주)
• 플레이트의 초기 온도 및 상대습도
• 플레이트에 적용되는 온도, 상대습도, 지속시간 (조건 1, 2 등)
• 사이클(주기) 수 (웹 인터페이스 제한을 위해 최대 50 사이클)

도구 출력:

• 세 번의 사이클 동안 시간에 따른 플레이트 내부 위치별 수분 침투를 나타내는 그래프
• 시간에 따른 위치 평균 수분 농도 그래프

두께가 1-10 mm (0.04-0.4 in) 사이로 다양한 플레이트를 성형한 후, 상승된 온도(유리전이온도 Tg와 용융온도 Tm 사이, 결정화 속도가 최대가 되는 지점)에서 어닐링(annealing) 처리하였습니다. 이 열처리는 16시간 동안 수행되었으며, 이는 상당한 수준의 결정화를 나타내는 것으로 간주됩니다(추가적인 열처리로 더 높은 결정화도를 달성할 수 있음은 알려져 있음). 산화 방지를 위해 질소 분위기 하에서 실험이 진행되었습니다.

다양한 상용 폴리아마이드(Polyamide) 등급의 파라미터화는 온도 범위 23 - 120°C (73-248°F)에서 광범위한 흡수 및 방출 실험을 기반으로 합니다. 대부분의 플레이트는 수조에 침적하였으며, 일부는 조건 조절 챔버에 넣었습니다. 일정 시간 간격으로 중량을 측정하여 플레이트가 흡수한 수분량을 확인하였습니다. 건조 환경에서는 같은 방식으로 탈습(desorption) 과정을 연구하였습니다.

결정화도

반결정성 플라스틱은 일반적으로 무정형(비정질)상(고분자 사슬이 무질서하게 배열)과 결정(질서 정연하게 배열)상 모두를 포함합니다. 수분은 오직 무정형상에서만 흡수될 수 있습니다. 하지만 결정화도는 고정된 소재 고유의 물성이 아니며, 가공 조건 및 경과 시간(에이징)에 따라 달라집니다. 사출/블로우 성형 및 냉각 후(‘드라이 애즈 몰디드(dry as molded)’) 상태에서 플라스틱은 아직 최대 결정화도에 도달하지 않은 상태입니다. 일부 용도에서는 최대 결정화도보다 낮은 상태가 이점을 제공할 수 있지만, 다른 경우에는 완전히 결정화된 상태가 요구됩니다. 드라이 애즈 몰디드 샘플은 어닐링(또는 에이징)된 소재에 비해 더 많은 수분을 흡수할 수 있습니다. 파트의 수명 동안 결정화도는 일반적으로 증가(수분 흡수량은 감소)하며, 이 과정을 가속화하기 위해 단시간의 어닐링(열처리) 처리가 적용될 수 있습니다.

결정화도는 가공 조건, 환경 조건, 소재의 경과 시간 등 여러 요인에 영향을 받기 때문에, 특정 소재에 대해 하나의 절대적인 값만 제시하는 것은 불가능합니다. 이에 따라 본 도구는 드라이 애즈 몰디드 상태의 수분함량 예측값과 지정 조건에서 어닐링된 상태의 예측값을 모두 제공합니다. 극한의 어닐링이 적용되지 않는 한, 실제 파트의 수분함량은 일반적으로 이 두 값의 중간에 위치하게 됩니다.

데이터시트에는 일반적으로 ‘드라이 애즈 몰디드(as molded)’ 값이 제공됩니다. PA6, PA66, PPA의 경우 ‘어닐링(annealed)’ 평형 수분함량은 드라이 애즈 몰디드 샘플 대비 10-20% 낮을 수 있으며, PA46은 그 차이가 최대 2배에 이를 수 있습니다.

필요한 건조 시간은 Moisture Diffusion 도구로 추정할 수 있지만, 두 단계로 진행해야 합니다; (1) 지정된 조건에서 반년 동안 흡수된 수분의 양을 계산하고, (2) 해당 조건에서 고온으로 다시 건조합니다. 이 도구는 일부 단순 형상을 처리할 수 있으며, 이 사례에서는 ‘무한 평판’이 고객 부품에 가장 근접합니다.

첫 번째 단계는 흡습입니다. 드롭다운 목록에서 ‘Akulon® K122’를 선택한 후 아래와 같은 입력값이 필요합니다:

• 샘플 형상 = 무한 평판 (이 도구는 일부 단순한 형상을 처리할 수 있으며, 이 사례에서는 ‘무한 평판’이 고객 부품과 가장 유사합니다.)
• 평판/샘플 두께 = 5 mm (0.2 in)
• 초기 온도 = 20°C (68°F)
• 초기 습도 = 0% (성형 직후 부품에는 수분이 포함되어 있지 않으며, 이를 ‘건조-성형(dry-as-molded)’ 상태라 합니다.)
• 가해진 온도 = 20°C (68°F)
• 가해진 습도 = 50%
• 최대 확산 시간 = 4380 시간 (반년은 182.5일 x 24시간에 해당합니다.)

이 도구는 계산 결과를 보여주는 두 개의 그래프를 제공합니다. 이 예제에서는 두 그래프 모두 관련이 있습니다:

• ‘Moisture evolution’: 평판 두께를 평균한 수분 농도. 이 그래프는 성형 직후 초기 평균 수분 농도가 0이고, 시간이 지남에 따라 증가함을 보여줍니다. 반년 기간 동안 평형에 도달하지 않으며; 평균 수분 농도는 2wt%입니다. 이 경우, 건조-성형 샘플과 어닐링(열처리 또는 에이징) 샘플 간의 차이는 거의 없습니다.
• ‘Moisture penetration’: 시간의 세 지점에서 평판 두께 방향의 수분 프로필을 더 자세히 보여주는 그래프입니다. 평판 외부에서는 수분 농도가 최대치(선택한 조건에서 3.5wt%)에 도달합니다. 수분은 양쪽에서 중심부로 확산되며, 중심부에서 약 1.3wt%의 값을 가집니다.

두 번째 단계는 건조입니다. 일반적으로 장시간 동안 고온에서 재료를 유지하는 것은 권장되지 않으며, 열화(degradation)가 발생할 수 있습니다. 약 80°C(176°F), 가능하면 질소 분위기에서 건조하는 것이 더 좋습니다.

좌측 입력란에서 동일한 그레이드를 선택하고 모든 입력값을 입력합니다. 또는 이전 계산의 범례에서 “Edit calculation” 아이콘을 클릭하면 모든 필드가 미리 채워집니다. 변경 후 “Add new calculation”을 선택하면 됩니다(참고: “Update calculation”은 이전 값을 덮어씁니다). 건조 시작 시 평판 내 수분 프로필이 평평하다고 가정하는 단순화가 필요합니다. ‘수분 농도’ 값을 직접 입력할 수 없으므로 이를 조정해야 합니다.흡습 단계가 끝났을 때와 동일한 수분 농도를 얻을 수 있도록 ‘초기 습도’ 입력값을 조정합니다 (참고: 입력값을 조정할 때는 “Edit calculation” 및 “Update calculation” 버튼을 사용하는 것이 가장 쉽습니다). 입력값은 다음과 같습니다:

• 시편 형상 = 무한 평판
• 평판/시편 두께 = 5 mm (0.2 in)
• 초기 온도 = 20°C (68°F)
• 초기 습도 = 31% (2wt% 수분 농도와 일치하도록 조정됨)
• 가해진 온도 = 110°C (230°F)
• 가해진 습도 = 0%
• 최대 확산 시간 = 300시간 (초기 추정값, 이후 조정 가능)

수분 프로파일을 나타내는 그래프를 분석하여, 중심부(평판의 코어)에서 수분 농도가 0.1wt%에 도달하는 시간을 확인해야 합니다. 물론, 평판 외부에서는 수분 농도가 더 낮습니다. 요구 조건을 만족하는 건조 시간은 약 475시간으로 확인됩니다. Moisture Evolution 그래프에 따르면, 코어가 0.1wt%에 도달할 때 평균 수분 농도는 0.06wt%입니다. 실제 건조 과정에서 시작 시점의 수분 프로파일은 평탄하지 않으므로, 실제 건조 시간은 이론치보다 약간 짧아질 수 있습니다.

이 질문은 부품을 평판 기하로 가정하고 간단한 수분 흡수 계산을 통해 답변할 수 있습니다. 드롭다운에서 요청 등급을 선택하거나 등급명을 입력해 검색한 후, 필요한 입력값을 제공하십시오:

• 샘플 기하 = 무한 평판
• 평판/샘플 두께 = 3.2mm (0.13in)
• 초기 온도 = 23°C (73°F)
• 초기 습도 = 0% (성형 후 부품에는 수분이 포함되어 있지 않으며, 이를 ‘dry-as-molded’ 상태라 합니다)
• 부여된 온도 = 23°C (73°F)
• 부여된 습도 = 50%
• 최대 확산 시간 = 100시간 (계산 속도를 높이기 위해 작은 시간부터 시작하십시오)

수분 변화 그래프에서 100시간은 이 부품에서 평형에 도달하기에 충분하지 않음을 보여줍니다. 범례에서 '계산 편집' 아이콘을 클릭하여 최대 확산 시간을 9,000시간으로 늘리고 '계산 업데이트'로 재계산하십시오.

• 그래프에는 두 개의 선이 표시됩니다. 실선은 ‘dry-as-molded’ 샘플, 점선은 결정화도가 더 높은 ‘annealed’ 샘플입니다. 높은 결정화도는 열/습기 처리를 통해 달성할 수 있으며(자세한 내용은 측정 탭 참조), 부품의 노화 과정에서도 자연적으로 발생할 수 있습니다. Stanyl®(PA46)의 경우 이 효과가 다른 폴리아마이드에 비해 더 큽니다. 실제로 부품의 상태는 이 두 모델 예측값 사이일 가능성이 높습니다.
• 9,000시간 후 ‘as-molded’ 상태의 수분 변화 그래프는 거의 평평해지며 평형에 도달했음을 의미합니다(annealed 샘플의 경우는 이미 4,000시간 후 달성됨).
• 이론적으로 수분 농도는 두 선 사이 어딘가일 수 있습니다. 하지만 극한 조건이 적용되지 않았으므로 부품은 2.6wt% 수분을 가지는 'as-molded' 선에 가까울 가능성이 높습니다.

70°C(158°F)/62%RH 가속 컨디셔닝 조건에 대한 그래프를 추가하려면 동일한 절차를 따르면 됩니다. 동일한 등급을 선택하고 필수 입력 값을 작성하거나, 이전 계산에서 “계산 편집” 버튼을 사용해 모든 필드가 미리 채워진 상태에서 “새 계산 추가”를 클릭하십시오.

• 샘플 기하 = 무한 평판
• 평판/샘플 두께 = 3.2mm (0.13in)
• 초기 온도 = 23°C (73°F)
• 초기 습도 = 0% (성형 후 부품에는 수분이 포함되어 있지 않으며, 이를 ‘dry-as-molded’ 상태라 합니다)
• 부여된 온도 = 70°C (158°F)
• 부여된 습도 = 62%
• 최대 확산 시간 = 9,000시간

수분 변화 그래프에서 평형 조건에 훨씬 더 빠르게 도달함을 확인할 수 있습니다. dry-as-molded 샘플의 경우 2,000시간 후 평형에 도달합니다. 이 경우 평형 수분 함량은 약간 높아져 약 3.0wt%입니다. 이는 컨디셔닝 온도와 습도가 표준 컨디셔닝 조건(23°C(73°F)/50%RH)보다 높기 때문입니다.H의 경우, 결정성이 약간 더 높아져(수분 함량이 약간 감소), 두 컨디셔닝 방법 간의 수분 함량이 반드시 동일하지는 않지만, 두 방법 모두 유사한 기계적 물성치를 제공합니다.

문제에 대한 한 가지 가능한 해결책은 다음과 같은 사례를 정의하고, 부품 내의 정상 상태 평균 수분 함량을 계산하는 것입니다. 본 사례는 하루(24시간) 동안 오전 9시부터 10시까지 차량이 주행하고, 나머지 시간은 주차장에 정차해 있는 상황을 가정합니다. 주행 중에는 폴리머 부품이 100˚C, 상대습도 0% 환경에 노출되고, 주차 시에는 23˚C, 상대습도 100% 환경에 노출됩니다. 이러한 일일 조건은 50일(1,200시간) 동안 반복되는 주기적 일일 패턴으로 적용됩니다. 더 긴 시간에 대한 분석이 필요하다면, 웹 인터페이스의 시간 제한 문제로 인해 당사 전문가에게 오프라인 계산을 문의해주시기 바랍니다.

그림 1a에서는 각 주기(일) 말에 부품 두께 방향을 따라 수분 농도 분포를 특정 일마다 나타내고 있습니다. 첫째 날이 끝나면, 폴리머 외부 표면 양쪽층에는 이미 수분이 존재하지만 시편 내부는 여전히 건조한 상태입니다. 시간이 경과할수록, 외측 표면의 수분 상태는 크게 변하지 않으나, 내부에서는 주기 수가 늘어날수록 점차 수분 함량이 증가하며, 50일 후에는 거의 일정한 값에 도달합니다.

폴리머 부품 내 전체 수분 함량이 시간의 함수로 Figure 2에 나타나 있습니다. 일일 주기가 뚜렷하게 보이며, 약 100일 이후에는 수분 함량이 1.0-1.3 wt% 범위의 최종 값으로 점차 평형에 도달합니다. 이 최종 값은 주차 또는 주행 조건에서의 평형 값과 정확히 일치하지 않으며, 두 평형 값의 중간 어디쯤에 해당합니다. 이 최종 값과 두께 방향에 따른 분포는 부품의 기계적 성능에 영향을 미치므로 매우 중요합니다.