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제목 2019 CNS PPT 하계기술강좌, 제45회 유변학 특별강좌 개최
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/26 16:16

 

 

지난 6월 19일부터 21일까지 서울대학교에서 고분자·나노 융합소재 가공기술센터(CNS PPT), 사단법인 한국유변학회, 서울대학교 글로벌공학교육센터에서 개최하는 하계기술강좌 ‘제45회 유변학 특별강좌’ 가 개최됐다. 이번 하계기술강좌는 기초과정으로 고분자 가공기술과 유변학 입문이 특별히 구성돼 수강자들의 이해를 도왔다. CNSPPT는 입자계 코팅기술 플랫폼 구축을 통해 국내 코팅산업의 경쟁력을 향상을 위해 설립됐으며, 주로 기업과의 공동과제 수행 및 다양한 교육과정을 제공해 국가의 미래 비전을 제시하기 위해 노력하고 있다.

 

고분자 가공기술 입문

첫날 오전 강의를 맡은 서울대학교 조동만 교수는 “세계 플라스틱 시장은 원가 경쟁력 하락으로 성장 기울기가 감소하고 있으나, 성장은 지속되고 있으며, 고분자제품은 이미 일상생활의 대부분을 차지하며 제품생산력과 고부가가치분야 등 다양한 분야를 개발하면 무한한 가능성이 있다”고 강조했다. 이어 플라스틱 가공공정에서 필라멘트 압출, 파이프 압출, 필름 블로잉, 압출 코팅, 중공 성형, 사출 성형, 사출 중공 성형, 진공 성형, 회전 성형 등을 설명했다.

가공 관련물성에서 고분자 가공 특성, 분자량 분포, 고분자 사슬 엉킴 및 형태, 비정형 및 결정 상태, 결정화도, 광학적 이방성, 기계적 물성, 고분자상 전이, 유리 전이, 고무탄성체, 밀도·흐름·비열·열 전도성 등 물성에 이어 PE, PP, PVC, PS, PET 등 5대 범용 고분자 폴리머에 대한 특성과 용도별 시장 점유율에 대해 소개했다.

 

유변학 입문

오후 강의를 진행한 수원대학교 이성재 교수는 “유변학의 역사는 1678년 Hooke의 고체탄성학, 1687 년 Newton의 점도, 1835년 Weber의 점탄성에 관한 발표로 이어져왔고, 미국은 1929년, 한국은 1989 년부터 유변학에 대한 연구가 시작됐다”고 밝혔다.

점도는 전단점도와 신장점도로 구분되고, 데보라 넘버가 높을수록 탄성이, 낮을수록 점성이 중요하며, 전단속도와 온도, 압력과 시간이 중요한 영향을 미친다. 이에 따라 뉴턴유체과 비뉴턴유체에서 전단담화, 전단농화, 항복응력, 루프현상이 발생하며, 점도 모델에는 4 파라미터(Cross, Carreau), 2 파라미터(멱수법칙)가 있다.

선형 점탄성 시험법에는 SAOS(소진폭 진동전단) 와 그 반대의 LAOS가 있다. 수직응력은 측정 중요도가 떨어지는 N2보다 점성과 탄성을 잘 보여주는 N1에 집중이 필요하다. 농도가 증가하면 액정 형성후 점도가 떨어지는 액정고분자 리쿼드, 전단 레오메트리와 신장 레오메트리의 종류 및 측정시 주의사항, 실험실에서의 CNT·그래핀옥사이드(GO)·나노흑연 (GNP)의 전도성 나노필터 실험 결과를 설명했다.

 

 

컴파운딩 압출기와 제품 생산 압출기의 특성

한남대학교 김명호 교수는 압출기의 종류와 스크류, 고형수지 이송, 다이 등 압출공정에 대한 전반적인 설명과 함께 에너지 전환 스크류 설계시 Solid/Melt Screws 에 대한 장단점을 설명했다. 이어 단축 압출기의 이송원리와 달리 스크류 회전에 C-형태의 전진에 의해 이송되는 ctr-TSE(이방향 회전 양축압출기)는 압출기 중 가장 좋은 압력 유발기능을 가지고 있으며, 가득 채워진 부분 에서만 가압이 일어나는 특성이 있다.

co-TSE(동방향 회전 양축압출기)는 별도의 투입기로 토출량을 제어할 수 있고, 짧은 L/D에서 효율적인 기능을 발휘할 수 있으며, 교환 가능한 조합형 스크류를 사용하고, 스크류-스크류 상호작용에 의한 혼련효과를 증대할 수 있다는 장점이 있다. 이어 연속 컴파운딩 공정기기인 Buss Kneader는 단축압출기의 회전과 왕복운동의 조합으로 간극에서의 끌림 유동과 압력유동에 따라 우수한 분배 혼합효과와 최적의 원료 분포를 유도할 수 있으며, 바렐에 3열의 혼련 핀이 장착돼 있어 원료의 혼련과 이송시 우수한 특성을 가지고 있다.

 

단축압출성형공정

공주대학교 손영곤 교수는 단축압출기의 기능과 성능, 스크류 및 수지 이송, 다이 특성에 대해 설명 하고, 압출기 호퍼에서 고분자 및 원료를 채우는 과정에서 발생할 수 있는 Feeding function, L/D 사이에 고체입자가 채워지는 과정에서 압력에 의해 단단해지는 Solid conveying, 용융부에서 열전도도와 속도의 의한 Melting function 등 압출기 구조에서 나타날 수 있는 현상과 문제 원인에 대해 살펴보고, 압출성형 기반의 공정인 필름 블로우 몰딩과 시트 압출공정에 대해 설명했다.

다이부에서는 다이를 통과한 압출물에 생기는 일그러지거나 깨진 형태의 불량현상인 압출 용융 파단(extrusion melt fracture)이 생기는데, 고분자 용융체가 다이를 빠져나갈 때 벽면의 속도가 0이라 벽면쪽에 용융체가 응집속도가 빠른 중앙부분을 끌어당겨 sharkskin이 발생하기 때문이다. 이에 비해 sharkskin melt fracture가 나타나는 유량보다 매우 높은 영역에서 직경의 변화가 매우 큰 Gross melt fracture가 발생하는데, 이때 유동보조제를 첨가해 melt strength를 증가시켜주는 방법과 다이 길이를 길게 하거나 입구 각도를 조절해 신장 유동의 세기를 줄여주는 방법이 있다.

 

사출성형기술과 성형품

서울과학기술대학교 김선경 교수는 사출성형에 대한 설명과 함께 최저비용으로 고생산성을 구현하는 사출성형공정의 장점에 대해 언급했다. 대부분의 열가소성 수지들은 사출 그레이드로 활용되고, PVC 는 범용제품 제조에서 가장 중요한 수지이며, PP는 PE의 장단점을 활용 및 보완해주는 가장 많이 쓰이 고, ABS는 우수한 질감과 기계적 물성이 뛰어나며, PET는 다양한 분야에서 기능성 소재로 널리 쓰이고 있고, PE는 고강도·고내열제품, 광학제품에 널리 쓰이고 있다. 또한, 첨가제로는 난연제, 열안정화제, 이형제 등이 주로 사용되고 있다.

사출기의 설계에 있어 상온에서의 단기 하중은 비례한계보다 낮은 응력의 경우 순간탄성계수를, 다른 온도에서는 등온곡선을 사용하고, 비례한계를 넘어서면 직선화해 사용하며, 설계 한계 스트레스는 등시 스트레스-스트레인 곡선을 사용하고, 안전계수 2.0을 사용해야 한다. 또한, 스냅핏이 체결상태에서 굽힘 하중을 받게 되지만, 시간 경과 후 응력이 해제되면서 체결이 풀리게 되는데, 이를 고려한 설계가 필요하다.

 

코팅공정기술의 이해

서울대학교 남재욱 교수는 코팅공정에서 “폭과 길이가 넓어지고, 용매를 적게 쓰며, 용액의 환경조성이 중요하다”고 밝혔다. 흐름은 질량보존의 법칙, 운동량 보존의 법칙, 힘과 변형의 상관관계가 기본원리로 작용한다. 움직이는 벽에 액체가 유동할 때 선형 및 삼각형 모양의 흐름이 나타나고, 벽과 채널에 정비례하는 힘이 생긴다. 벽과 채널간 압력 차이가 있는 경우 둘 다 더해주는데, 이때 채널크기의 3승에 비례하고, 벽과 정비례한다. 윤활분석법에서 비틀어진 코팅에는 압력 산과 압력 계곡이 발생한다.

슬롯 코팅에서 콘텍트라인 3개가 나오는데, 많이 젖어 있을수록 압력계곡이 나타나고, 리빙 현상이 일어날 가능성이 크다. 슬롯 다이에서 감압장치가 약하면 코팅 비드가 깨지는 현상이 발생한다. 코팅영역은 Operability Window에서 Quality Window으로 이동하는 추세이고, 전산모사 예측모델방법과 유동모습을 관찰하는 시각화 방법으로 찾는다. 진동요소에서 펌프는 맥동을 적게 해야 하고, 슬롯 다이는 두께를 조절하지 않고 평탄도를 조절해야 한다. 현재까지 진동에 의한 영향을 실험적으로 구현한 예는 많지 않지만 전산모사의 모델과 거꾸로 비교해가면서 코팅 진동의 원인을 파악할 수 있다.

 

사출금형과 구성요소

아주대학교 이병옥 교수는 사출금형의 종류를 소개하면서 “러너 구조에 따라 금형의 대부분을 차지하는 구조가 비교적 간단한 콜드 러너 금형과 연속 성형시 성형 사이클을 단축할 수 있고 대량 생산용에 적합한 핫 러너 금형으로 분류했다. 콜드 슬러그웰은 금형에 들어오는 반용융수지를 잡아둬 캐비티로 들어가지 못하도록 하고, 분기점에서 고화층에 의해 유로가 좁아지는 것을 방지해 러너 내부의 압력강하를 최소화한다. 러너 직경의 약 1~1.5배 길이로 하고, 벽면에 유동 정체가 일어나는 것을 방지한다. 원형이 가장 효과적이지만 가공이 힘들고, 가공이 손쉬운 사다리꼴 단면을 많이 사용한다.

게이트는 용융수지의 흐름방향과 유량을 제어하고, 캐비티 내 수지가 고화할 때까지 수지의 역류를 방지한다. 게이트의 중심은 러너의 중심과 일치되는 것이 압력 손실관점에서 유리하고, 벤팅은 수지 앞단의 공기가 밀폐된 캐비티 내에서 단열 압축되지 않도록 설치해야 하는데, 수지는 통기구가 막히지 않도록 세척한다.

금형의 열설계는 금형 표면온도 분포가 고르게 되도록 해야 하며, 코어는 열전달 설계에 특히 주의를 기울여야 하고, 평판부위의 냉각설계에서 넓은 평판한 구조의 성형품은 냉각속도가 균일하지 못하면 제품의 변형이 발생하고, 냉각관이 길이가 길어지게 되면 냉각수 입구와 출구를 복수로 하는 방법도 좋다.

 

사출공정기술과 유동 특징

이어진 강의에서 금형 내 수지 유동 특성에 대해 “유로의 확장·축소와 상관없이 상대적인 층을 유지 하는 유동층이 있고, 수지의 높은 점도로 인해 높은 온도로 가열된 가열층이 형성해 분배 불균형이 발생하며, 이로 인해 콜드 러너 금형의 충전 불균형이 발생할 수 있다”고 설명했다. 사출 제한압력에 걸렸을 때 설정된 사출속도에 따른 충전완료시간을 계산하고, 실제 충전시간을 측정한 다음 실제 충전시간이 이론적인 충전완료시간보다 크면 사출 제한압력에 걸린 것으로 추정하고, 사출속도를 변경하면서 시간 차이를 측정해 변화를 관찰해야 한다.

적정 보압시간 설정법은 게이트가 고화돼 더 이상 게이트를 통해 압력이 제품 내로 전달되지 않고, 게이트 크기에 따라 영향을 받으며 게이트가 클수록 보압시간이 크게 된다. 플라스틱 수지는 성형품의 두께가 두꺼워질수록 총 수축량은 커지고, 성형 종료 후약 10일이 경과하면 더 이상 수축이 진행되지 않는다. 필러는 수축량을 줄이는 데 대단히 효과적이며, 필러의 형상에 따라 수축량이 달라지는데, 구형보다 섬유형이 수축량을 더욱 크게 줄인다.

 

컴파운딩 공정의 이해

세 번째 강의에서 단국대학교 김형수 교수는 Capillary number(Ca) 관점에서의 혼련과정이 변형을 유도하는 응력과 변형에 저항해 단위부피당 표면적을 최소화하려는 응력비율에 대해 설명했다. 가공에서 부여되는 Ca값이 임계값보다 클 때 혼련이 가능해지며, 초기에는 다양한 파장과 진폭이 존재하지만, 주어진 점도비에 대해 가장 빠른 성장속도를 유도하는 현저한 파장이 나타나고, 진폭이 평균 반경과 같아질 때 멱적이 형성된다.

컴파운딩에 사용되는 첨가제는 기능과 고분자와의 상용성, 농도에 따라 구분되며, 고분자 가공 중에 발생하는 열-산화성 분해와 고분자의 광분해의 과정과 메커니즘에 대해 설명했다.

 

코팅공정이슈 사례

서울대학교 안경현 교수는 “플라스틱 공정에서 일어나는 문제는 지식이 부족해 문제를 풀지 못하는 경우가 많고, 가공이 어려운 것은 고체나 액체가 균일한 양상으로 나타나지 않는다”고 설명했다. 이어 입자는 특성에 따라 점도의 양상이 달라지거나 똑같은 재료로 실험을 해도 서로 다른 결과가 도출되기도 하며, 분산 정도에 따라 물성과 점도가 달라지기도 한다.

BaTiO3 슬러리의 필름구조에서 에탄올을 용매로 사용했을 때와 기포로 인한 불량이 나타났을 때 결과가 달라지는 실험을 소개했다. “탄성에 의한 혼잡 유동에서는 고분자영역의 독특한 현상들이 벌어지기도 하고, 전단유동보다 신장유동에서 훨씬 구조적으로 변화하는 것을 알 수 있으며 분산이 잘 됐다 하더라도 건조조건에 따라 필름 내부구조에 입자가 쌓이는 방식이 달라지기도 한다”고 설명했다. 이어서 코팅 공정사례로 유동과 건조에 맞게 설계가 이뤄져야 하는 배터리 제조와 공정을 이해하는 사람이 없어 문제 파악에 어려움이 있었던 CR코팅을 소개했다.

  

 

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