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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/06/04 11:08

[원료]

플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ①

 

많은 가공업체들이 원료의 특성을 제대로 보존하는 것이 성형품의 성공과 실패를 좌우한다는 사실을 미처 깨닫지 못하고 있다. 이번 컬럼에서는 수지 원료의 분자량에 중점을 두어 알아본다.

 

플라스틱 가공업체들에게 가장 중요한 책임이 무엇인가 물으면 그 대답은 대개 생산성과 관련된 요소들에 집중된다. 사이클타임, 장비활용, 품질검사를 통과할 성형품을 가공하는 일, 1.33 또는 그 이상의 공정능력지수(process capability indices, Cpk)유지 등에 관한 이야기가 나오는 것이 보통이다.

원료의 분자량, 결정도, 첨가제 보존, 금형 내 응력 최소화 등 이에 관한 언급이 나오는 경우는 드물다. 이런 요소들이 성형제품의 성패를 좌우하는 기초가 됨에도 불구하고 플라스틱 가공업체들은 이 요소들을 정확히 관리하는 것을 자신들의 역할로 여기지 않는 경우가 흔하다.

하지만 이 같은 특성들에 제대로 주의를 기울이지 않으면, 생산성과 관련된 모든 측면들은 실상 별로 의미가 없다. 이 컬럼에서 우선 다루고자 하는 원료의 특성은 분자량이다. 이미 100여 년 전 각각의 폴리머가 지닌 고유 특성들이 폴리머 분자의 커다란 크기와 분자들의 확장사슬 구조에 의해 결정된다는 점이 확인된 바 있다.

이 특성들의 조합은 사슬엉킴(chain entanglement)이라 불리는 현상을 일으키고, 이것이 폴리머의 기계적 성능의 기초가 된다. 충격내성과 같은 단기적 물성들은 분자량의 변화에 특히 민감하다. 하지만 피로내성 및 응력균열 내성과 같은 장기적 물성들 또한 원료를 구성하는 사슬 길이와 밀접한 관련을 갖는다.

플라스틱 원재료 제조업체들은 자신들이 생산하는 제품의 분자량에 밀접한 주의를 기울이고 있으며 용융유동속도(melt flow rate) 즉 용융지수 및 고유점도(intrinsic viscosity)같은 특성을 측정하는 방법으로 분자량 수준을 파악한다. 그렇다면 원재료를 성형품으로 가공하면서 그 분자량을 보존하는 일은 가공업체의 몫이다. 문제는 이것이 자동적으로 이루어지지 않는 다는 점이다.

용융수지 가공에서 지나치게 온도가 올라가고 이것이 배럴 안에서 원료가 체류하는 시간과 결합되면 컴파운드의 분자량에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 용융온도가 높고 원료의 배럴내 체류시간이 길어질수록 폴리머 분자량이 부정적 영향을 받을 가능성이 높아진다.

이때 대부분 원료에서 나타나는 반응은 사슬절단(chain scission)이라 불리는 과정이다. 즉 폴리머 사슬의 길이 가공시에 발생하는 열응력 때문에 짧아지는 것이다. 시간과 온도의 이중적 영향에 더해, 어떤 원료는 공정 투입 시점에 습기가 지나치게 많아서 발생하는 열화(劣化, degradation), 즉 가수분해(加水分解, hydrolysis)의 잠재적 위험 또한 안고 있다.

응축폴리머(condensation polymer), 즉 단위체를 연결하는 결합이 응축반응에 의해 형성되는 폴리머, 예를들면 폴리에스터, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리우레탄 등은 이 문제에 특히 취약하다. 이런 원료들은 수분 함량에서 가수분해를 예방할 수 있는 수준까지 제대로 건조시켜 주는 과정이 반드시 필요하다.

용융온도, 체류시간, 그리고 필요한 경우 수분함량을 적절하게 조절해 주어야 원료가 펠렛 상태에서 성형품으로 탈바꿈 하는 과정중에 폴리머의 분자량을 제대로 유지할 수 있다. 간단한 일처럼 들리지만, 폴리머 열화가 최소한의 요인이 되어 발생한 성형품 불량사례에 관한 문의가 빈번하게 일어난다.

문제가 간단치 않은 이유 중 하나는 열화된 원료로 가공한 성형품이 보통은 겉보기에는 멀쩡할 뿐 아니라, 사이클타임에도 변동이 없고, 중요 치수를 측정해도 아무 문제없이 검사를 통과한다는 데 있다.

가공업체가 모종의 기계적 성능 테스트를 수행해보지 않는 한, 분자량 변화는 성형된 완제품이 이미 공급사슬 몇 단계를 거친 뒤 불량으로 인한 문제가 발생하기 전까지는 파악되지 않는다.

최악의 상황은 최종 사용고객이 제품을 사용하는 도중에 이 불량이 발생하는 것이다. 대개는 통상적인 사용 환경에서 지속적으로 발생하는 스트레스 아래서도 취성 불량이 나타난다.

어떤 제품이든 폴리머로 가공된 성형품에 대한 불량 분석을 제대로 수행하기 위해서는 분자량을 확인하는 작업이 이루어져야 하며, 여기서 얻은 결과를 성형품 가공에 사용한 원재료의 분자량과 비교해 보는 것이 좋다. 이 테스트를 통해서 분자량이 지나치게 많이 감소했음이 드러난다면, 즉시 공정 파라미터를 중점적으로 조사해 보아야 한다.

어떤 경우에는 공정상의 변화를 만들어낸 장본인인 가공업체에게 위에서 언급한 변수들을 조절함에 따라 분자량의 문제가 해결될 수도 있고 악화될 수도 있음을 명확히 실험을 통해 보여주는 과정이 필요할 수도 있다. 이 같은 실험을 수행해 보면 이런 공정 조건들 간의 밀접한 상호작용을 드러내는 놀라운 결과를 얻게 되는 경우가 많다.

얼마 전 높은 비율의 유리섬유로 강화된 나일론 66에 대해 이 같은 실험을 행한 적이 있다. 현장에서 반품된 불량 성형품은 평균 분자량의 지나친 감소를 보였다. 아직 조립되지 않은 상태의 제품을 조사해 본 결과, 문제가 단지 잘못 만들어진 초기 생산 제품 수준을 크게 넘어서는 것임이 드러났다. 제품의 분자량은 미미한 수준에서 시작해 현장에서 반품된 경우보다 상당히 나쁜 수준까지 광범위한 변화를 보였다.

이에 대응하여, 상대적으로 간단한 실험을 수행했다. 274℃ 와 302℃ 두 가지 다른 용융온도에서 제품을 성형했다. 두 온도 모두 권장 가공조건의 한계범위 안에 있었다. 각각의 온도에서 제품을 생산하되, 최고 권장 습기 함량을 넘어서는 원료와 상한선 바로 못 미치는 수준까지 건조한 원료, 최고 한계치보다 훨씬 낮은 수준으로 건조시킨(업계 내 어떤 이들은 “과잉건조”되었다고 부르는 수준으로) 원료를 사용하여 따로 성형했다.  

낮은 용융온도에서는, 세 가지 습기 조건의 원료 모두 평균분자량을 잘 유지하는 성형품을 얻을 수 있었다. 습기가 많은 원료를 사용한 경우에도 분자량의 과도한 감소가 나타나지 않는 성형품이 나왔고, 원료의 불완전 건조시 나타나는 미관상의 결함도 전혀 보이지 않았다.

하지만, 높은 용융온도에서는 매우 심하게 건조시킨 원료에서만 제대로 된 결과를 얻을 수 있었다. 한계선 근처의 “안전한” 수준으로 건조한 원료로 가공된 성형품은 권장 정도보다 약간 높은 분자량의 변화가 관찰되었고, 습기가 많은 원료에서는 현장 불량품에서 조사된 수준의 변화가 나타났다.

하지만 이 모든 제품들이 외관상으로는 별 문제가 없었다. 실험 대상이 된 모든 성형품들에 대해 치수를 체크해 보았지만 통계적으로 유의미한 변화는 발견되지 않았다.

기계적 테스트를 수행했을 때도 어떤 경우에는 눈에 띄는 성능 변화를 감지할 수 없었다. 하지만, 충격하중이 가해지는 테스트를 진행했을 때, 열화된 원료를 사용해 성형한 제품의 문제가 보다 분명하게 드러났다.

이 같은 실험과 같은 교육을 거치면 가공업체 실무자들의 의식과 태도가 바뀐다. 아니면 최소한 그런 기회를 통해 바꾸어 나가야 한다. 가공조건에 대해 새롭게 주의를 기울이게 되고, 외관이나 치수에 이상이 없다고 곧바로 양품인 것이 아니라는 경각심을 갖게 되는 것이다.

제품가공에서 원료의 상태는 매우 중요하다. 비록 성형공장이 통상 갖추고 있는 기술만으로는 이를 정확히 확인할 수 있는 경우도 있지만 공정조건과 성형품에 사용된 폴리머의 적정상태 여부를 연결지어 생각해본적 없는 가공업체라면 공정 결과에 대해 이 변수들이 하는 역할은 알 길이 없다.

경우에 따라, 성형공장 현장에서 내리는 결정이 분자수준에서 폴리머의 통합성에 영향을 줄 수 있다는 것을 명백하게 부정하는 의견이 존재한다. 분자량과 플라스틱 성능 사이에 관련이 있다는 것을 알게 된지가 거의 100년이 되었지만 그런 일이 비일비재하다.

분자량은 공정조선의 영향을 받는 소재특성들 가운데 하나일 뿐이다. 다음 컬럼에서는 결정도(crystallinity)에 대해 살펴보기로 한다.

HYOWON 2018/07/30 
작성해주신 글이 도움이 많이되서 댓글을 남깁니다. 감사합니다. 계속해서 연재되는 글에 짧은 댓글이 작은 기쁨이 되었으면 좋겠습니다.
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