Single-Pellet Molding: A Unified and Efficient Technique for Viscoelastic Characterization of Polymers from Melt to Glassy State = 단일 펠렛 성형법: 고분자의 용융-유리상 점탄성 물성의 통합적이고 효율적인 평가방법

국문 초록 (Abstract)

열가소성 비정질 고분자의 점탄성 특성 평가는 일반적으로 유리전이 온도(Tg) 이상에서는 회전식 레오미터를, Tg 이하에서는 동적 기계분석(DMA)을 사용하여 수행된다. 그러나 본 연구에서는 회전식 레오미터만을 이용하여 두 온도 영역 전반에 걸친 점탄성 특성을 포괄적으로 평가할 수 있는 단일 펠렛 성형(Single Pellet Molding, SPM) 기법을 제안하며, 이를 통해 재료 품질 평가에서 가장 많은 시간과 비용이 소요되는 장기 신뢰성 평가 결과를 경제적이고 신속하게 예측하고자 한다.
SPM 기법은 하부 플레이트에 장착된 커스텀 몰드 안에 고분자 펠렛 한 개를 투입한 뒤, 상부 플레이트로 이를 압축하여 플레이트 사이에 부착·성형된 원통형 시편을 제작하는 방법이다. 이 방법은 열 및 산화에 민감하여 측정 시 불활성 가스가 필요한 고분자에 대해, 열화를 방지할 수 있는 저온에서 공기 분위기에서 시편 준비를 완료할 수 있기 때문에 별도의 질소 퍼지 없이도 경제적으로 수행할 수 있다. 또한 플레이트 직경이 작아질수록 문제가 되는 기존 트리밍 공정의 육안 의존 및 작업자 의존 오차를 근본적으로 제거할 수 있다. 제안된 SPM 방법과 기존 트리밍 방법을 비교한 결과, 직경 5 mm 평행판 사용 시 반복재현성이 69% 향상되었으며(상대표준편차, RSD: 3.52 → 1.09%), 측정 신뢰성이 크게 개선됨을 확인하였다.
또한, 측정 장치의 열팽창 계수와 비틀림 순응도를 직접 측정하고 보정함으로써, 하나의 장비만으로 고분자의 용융 온도 영역에서부터 Tg 이하 온도 영역까지 연속적이고 일관된 점탄성 데이터를 취득할 수 있었다. 단일 분석 장비만을 사용하기 때문에, 열분해 온도 결정, 선형 점탄성 영역 조건 확인 등 장비별로 수행하던 각종 예비 시험을 하나의 레오미터에서만 진행할 수 있어 전체 측정 소요 시간을 크게 단축할 수 있다. 아울러 10–20 mg 수준의 소량 시편으로도 측정 신뢰성을 확보할 수 있기 때문에, 이 방법은 신규 재료 개발과 사출 성형 스크랩의 재활용 가능 품질 검증 등, 경제적이면서도 신속한 특성 평가가 요구되는 산업 현장에 즉시 적용 가능한 기법으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The viscoelastic properties of thermoplastic amorphous polymers are conventionally characterized using rotational rheometry above the glass transition temperature (Tg) and dynamic mechanical analysis (DMA) below Tg. However, this study proposes a Single Pellet Molding (SPM) technique that enables comprehensive viscoelastic evaluation across both temperature regimes using a single rotational rheometer, thereby allowing economical and rapid prediction of long-term reliability assessment results—the most time- and cost-intensive aspect of material quality evaluation.
The SPM technique involves placing a single polymer pellet into a custom mold mounted on the lower plate, followed by compression with the upper plate to form a cylindrical specimen adhered and molded between the plates. This method is economical for thermally and oxidation-sensitive polymers requiring inert gas during measurement, as it enables specimen preparation in an air atmosphere at low temperatures that prevent degradation without nitrogen purging. Furthermore, it fundamentally eliminates visual inspection-dependent and operator-dependent errors in conventional trimming procedures, which become increasingly problematic as plate diameter decreases. Comparative experiments between the proposed SPM method and conventional trimming demonstrated a 69% improvement in repeatability with 5 mm diameter parallel plates (relative standard deviation, RSD: 3.52 → 1.09%), confirming significant enhancement in measurement reliability.
Direct measurement and correction of the measuring instrument's thermal expansion coefficient and torsional compliance enabled continuous and consistent viscoelastic data acquisition from the polymer melt temperature region down to below Tg using a single instrument. Since only a single analytical instrument is employed, various preliminary tests—such as thermal decomposition temperature determination and linear viscoelastic regime condition verification—that were previously conducted separately for each instrument can now be performed on one rheometer alone, substantially reducing overall measurement time. Additionally, measurement reliability can be secured even with minimal specimen quantities of 10–20 mg, making this method expected to be immediately applicable as an economical and rapid characterization technique in industrial settings requiring new material development and quality validation of recyclability for injection molding scraps.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. General Introduction 1
• 1.2. Objective and outline of the thesis 5
• Chapter 2. Improving Measurement Reproducibility of Small Diameter Parallel Plates through the SPM Method 7
• 2.1. Introduction 7
• 2.2. Experimental 9
• 2.2.1. Materials 9
• 2.2.2. Rheological measurements 9
• 2.2.3. Single Pellet Molding (SPM) process 26
• 2.3. Results and Discussion 36
• 2.3.1. Thermal and oxidation effect on sample 36
• 2.3.2. Effect of pellet molding structure 43
• 2.3.3. SPM and Trimming method comparison 52
• Chapter 3. Viscoelastic Characterization of Polymers from Melt to Glassy State 60
• 3.1. Introduction 60
• 3.2. Experimental 61
• 3.2.1. Materials 62
• 3.2.2. Dynamic Mechanical Analysis (DMA) 62
• 3.2.3. Rheological measurements 65
• 3.3. Results and Discussion 82
• 3.3.1. torsional compliance correction 82
• 3.3.2. Temperature sweep test results before and after AGC and torsional compliance correction 91
• Chapter 4. Concluding Remark 98
• Bibliography 102
• 국문 초록 107