Effect of annealing on the room-temperature dry sliding tribological behavior of additively manufactured neat and graphene-reinforced PLA

녹은 플라스틱 벽돌로 성을 쌓는다고 상상해 보세요. 이것이 FFF(Fused Filament Fabrication)라고 불리는 흔한 3D 프린팅 기술이 작동하는 방식입니다. 이 기술은 플라스틱 실을 녹여서 층층이 쌓아 물체를 만듭니다. 가장 자주 사용되는 재료는 PLA인데, 이는 옥수수나 사탕수수로 만든 생분해성 소재이며 출력하기 쉽습니다. 하지만 함정이 있습니다. 이 물체들은 층을 쌓아 만들어지기 때문에, 층이 만나는 부분이 다소 약할 수 있습니다. 마치 팬케이크를 높게 쌓아두었다가 세게 밀면 옆으로 미끄러져 버리는 것과 비슷합니다. 이 플라스ка 부품을 무언가(예를 들어 축 위에서 회전하는 바퀴)에 문지르면, 플라스틱이 빠르게 긁히거나 찢어지거나 마모될 수 있습니다. 이러한 '마모되는 현상'을 마찰과 마모의 과학인 '트라이볼로지(tribology)'라고 부릅니다.

이를 해결하기 위해 과학자들은 보통 두 가지 방법을 시도합니다. 첫째, 콘크리트 속의 철근처럼 플라스틱을 더 단단하게 만들기 위해 매우 강력하고 작은 그래핀 조각(탄소 원자들이 벌집 모양 패턴으로 배열된 물질)을 혼합할 수 있습니다. 둘째, 부품을 '어닐링(annealing)'하는 것입니다. 어닐링은 플라스틱에 따뜻한 목욕을 시켜준 뒤 천천히 식히는 과정이라고 생각하면 됩니다. 이 열처리는 플라스틱 분자들이 더 조직적이고 결정질 구조로 재배열되도록 도와, 물체 전체를 더 뻣뻣하고 강하게 만듭니다. 하지만 여기서 큰 의문이 생깁니다. 플라스틱을 더 단단하고 조직적으로 만드는 것이 실제로 마모를 막아줄까요, 아니면 단순히 깨지기 쉬운 상태로 만들까요? 그리고 그래핀이 훨씬 더 도움이 될까요? 이것이 바로 연구팀이 해결하고자 했던 미스터리였습니다.

실험: 3D 프린팅 플라스틱을 위한 따뜻한 목욕

연구진은 두 종류의 3D 프린팅 플라스틱을 준비했습니다: 일반 PLA와 그래핀이 혼합된 PLA입니다. 이들은 표준적인 방식으로 출력된 후, 서로 다른 온도(90, 100, 120 °C)와 서로 다른 시간(60, 120, 240분) 동안 일련의 '따뜻한 목욕'(어닐링) 과정을 거쳤습니다. 이 스파 트리트먼트를 마친 후, 연구진은 플라스틱 샘플을 딱딱한 세라믹 볼(산화알루미늄 제조)에 대해 일정한 압력 아래에서 앞뒤로 문지르는 기계에 넣었습니다. 그들은 두 가지 주요 요소, 즉 얼마나 많은 재료가 깎여 나갔는지(마모)와 볼을 표면 위로 밀어내는 데 얼마나 많은 힘이 들었는지(마찰)를 측정했습니다.

놀라운 결과: 적은 마모, 그러나 높은 접지력

결과는 마치 비디오 게임에서 보상을 얻는 것과 같았습니다. '따뜻한 목방' 처리는 플라스틱이 마모되는 것을 막는 데 놀라운 효과를 보였습니다. 일반 PLA의 경우, 처리되지 않은 버전과 비교했을 때 손실된 재료의 양이 최대 74%까지 줄어들었습니다. 그래핀이 강화된 PLA의 경우, 개선 효과는 더욱 극적이어서 마모가 무려 93%나 감소했습니다. 그래핀 버전이 모든 테스트에서 일반 플라스틱보다 훨씬 적게 마모되며 명확한 승자로 나타났습니다.

하지만 반전이 있었습니다. 플라스키가 마모에는 훨씬 더 잘 견디게 되었지만, 오히려 미끄러지기는 더 어려워졌습니다. 즉, '마찰'이 증가한 것입니다. 일반 PLA의 경우 마찰이 최대 43% 증가했고, 그래핀 버전의 경우 11% 증가했습니다. 이는 매우 중요한 발견입니다. 연구진은 표면이 덜 마모된다고 해서 반드시 더 잘 미끄러지는 것은 아니라는 점을 보여주었습니다. 사실, 플라스틱을 가장 내구성 있게 만든 조건들이 플라스틱을 더 '접지력이 강하게(grippier)' 만들었습니다.

왜 이런 일이 일ر었을까? 표면의 과학

이유를 알아내기 위해 연구팀은 강력한 현미경으로 플라스틱을 관찰했습니다. 그들은 처리되지 않은 플라스틱이 엉망인 상태라는 것을 발견했습니다. 문질렀을 때, 플라스틱은 마치 피부 껍질이 벗겨지는 것처럼 커다란 조각으로 뭉개지고, 늘어나고, 벗겨졌습니다. 이를 '박리(delamination)'라고 합니다.

따뜻한 목욕(어닐링)을 거친 후, 플라스틱 분자들은 더 조밀하고 강한 구조로 조직되었습니다. 이는 플라스틱을 더 뻣뻣하고 강하게 만들어, 쉽게 뭉개지거나 벗겨지지 않도록 했습니다. 연구진은 플라스틱의 강도(특히 인장 강도와 굴곡 강도)와 마모가 적게 발생하는 것 사이에 강력한 연관성이 있음을 발견했습니다. 플라스가 강할수록 마모는 적었습니다.

그래핀 또한 특별한 역할을 했습니다. 플라스틱이 강해졌을 때도 그래핀 버전은 여전히 훨씬 적게 마모되었습니다. 현미경 관찰 결과, 일반 플라스틱은 큰 조각으로 벗겨지는 대신, 그래핀 플라스틱은 표면에 작고 압축된 미세 파편 층을 형성했습니다. 이것은 마치 '자가 치유 갑옷'과 같습니다. 그래핀 조각들이 매끄러운 보호막을 형성하여 세라믹 볼 위를 미끄러지듯 움직임으로써, 본체의 손상을 방지하는 것입니다. 이 보호막은 매우 효과적이어서, 일반 플라스틱이 갈라지기 시작할 때도 그래핀 플라스틱은 튼튼함을 유지했습니다.

결론

본 연구는 3D 프린팅 플라스틱에 열처리를 하는 것이 물체와 마찰이 일어날 때 더 오래 지속되게 만드는 좋은 방법이라는 결론을 내립니다. 이는 부드럽고 벗겨지는 재료를 단단하고 내구성 있는 재료로 바꿔줍니다. 하지만 주의해야 할 점이 있습니다. 마모를 줄이는 것이 곧 미끄러짐을 어렵게 만든다는 것입니다. 만약 당신이 부서지지 않고 오랫동안 지속되어야 하는 부품을 만들고 있다면, 이 열처리는 아주 좋은 아이디어입니다. 하지만 매우 적은 저항으로 매끄럽게 미끄러져야 하는 것이 필요하다면, 다른 균형점을 찾아야 할 것입니다. 그래핀 강화는 보너스 같은 역할로, 열처리만 했을 때보다 더 강력한 방패가 되어 플라스틱을 더욱 안전하게 지켜줍니다.