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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/07/02 11:39

플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ②

 

공정조건을 통해 특정 폴리머에서 달성할 수 있는 가장 높은 수준의 결정도와 성형품에 구현된 결정도 사이의 차이를 결정할 수 있다. 중요한 것은 금형 온도를 낮추면 성형품 내부에서 얻을 수 있는 결정도 또한 낮춘다는 점이다. 이 지점이 바로 여기서 다루고자 하는 성형품의 성능이 문제가 되는 부분이다.

 

열가소성플라스틱은 일반적으로 비정질과 반결정질 두 부류로 나뉘어진다. 반결정질이라는 용어를 사용하는 것은 상용조건에서 100%의 결정도를 얻을 수 있는 폴리머는 존재하지 않기 때문이다. 분자량이 낮은 물질이라면 100% 결정도를 얻을 수 있으나, 폴리머는 사슬이 길고 이 사슬들이 무수히 다른 방식으로 배열될 수 있기 때문에 그런 완벽한 수준의 결정화가 일어날 수 없다.

일반적으로 사용되는 상용 폴리머 가운데는 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이 가장 높은 결정도를 얻을 수 있지만, 이 경우에도 가장 밀도가 높은 그레이드도 그 결정도가 85%를 넘는 경우가 드물다. 많은 반결정질 폴리머 결정도는 통상 50% 미만이다.

결정화가 가능한 소재라 해도 달성 가능한 최고 결정도에 한계가 있다. 결정체의 형상과 크기는 본 컬럼과 다룰 수 있는 범위를 훨씬 벗어나는 몇 가지 요소들에 따라 결정되며, 결정화의 과정에 관한 보다 학술적 문헌을 검토하는 일은 매우 흥미롭지만 대단히 복잡한 작업이다.

본 내용의 초점은 특정 폴리머에서 달성할 수 있는 최고 결정도와 성형품에 실제 구현된 결정도 사이의 차이에 공정조건이 미치는 영향이다. 이 차이는 성형품의 성능 특성 결정에 있어 매우 중요한 역할을 한다.

결정화 과정은 시간과 온도에 의해 좌우된다. 다른 요소들도 결정화에 영향을 주고, 이는 뒤에서 다룰 예정이지만, 성형품의 최종 구조에 이들이 미치는 영향은 시간과 온도의 영향에 비교하면 상대적으로 적다. 결정화가 발생하려면 폴리머의 온도가 용융온도 이하여야만 한다.

폴리머의 온도가 낮아야 개별 사슬 운동성이 감소하고 결정화 과정이 개시될 수 있다. 이 과정은 소재의 온도가 유리전이온도(Tg) 아래로 떨어질 때까지 계속된다. 유리전이온도는 비정질 유리로 알려진 비결정 소재의 운동성 수준이 크게 감소하게 되는 지점이다.

폴리머가 유리전이온도 위에 있는 동안에는 소재의 비정질 부위가 지닌 운동성이 성장하는 결정에 폴리머 사슬을 더해주게 된다. 따라서 결정 형성의 기회가 주어지는 범위는 폴리머의 용융점 아래에서 유리전이온도 위가 되는 것이다.

이 온도대 내에서 결정형성 및 결정 성장의 속도는 변화를 보인다. 흔히 사람들이 다음과 말을 일반적인 경험칙으로 내세우는 것을 듣게 된다. “융융점과 유리전이온도 중간지점에서 결정 성장 속도가 제일 빠르다.”

실제 그렇게 간단하면 얼마나 좋겠는가. 하지만 실은 모든 폴리머는 폴리머의 온도와 결정 형성 속도 사이에 정의 가능한 특정한 관계가 존재한다. 일반적으로, 결정화는 용융점 바로 아래의 온도에서 상대적으로 느린 속도로 일어난다. 온도가 떨어짐에 따라 결정화 속도는 빨라져 특정 지점에서 최고 결정 성장 속도에 도달한다.

이 지점을 넘어서면 결정화 속도는 둔화되어, 온도가 유리전이온도 아래로 떨어지면 그 과정이 완전히 멈춘다. 이 같은 거동의 일반적인 패턴은 위의 그래프에서 보는 바와 같다. 이 그래프는 천연고무 거동을 나타낸 것으로 플라스틱 사출성형에는 적용할 수 없다. 하지만 이 그래프가 나타내는 전체적인 패턴은 모든 폴리머에 공통적이다.

이 그래프에 담긴 두 가지 매우 중요한 사항이 있다. 첫째, 반결정질 폴리머 소재에 있어서 사이클타임은 소재가 특정 탄성계수에 도달하는 속도에 크게 좌우된다는 점이다. 그리고 다시 이 탄성계수가 형성되는 결정의 수와 크기와 관계가 있다.

결정이 빠른 속도로 형성될수록, 성형품의 이형도 빨리 할 수 있다. 아마도 플라스틱 가공현장에서 사이클타임을 줄이기 위해 사용하는 가장 흔한 방법인 금형 온도 낮추기가 어떤 점에서는 역효과를 낳을 수 있음을 그래프는 보여주고 있다. 더욱 중요한 것은 금형 온도를 낮추면 성형품 내부에서 얻을 수 있는 결정도 또한 낮춘다는 점이다. 이 지점이 바로 여기서 다루고자 하는 성형품의 성능이 문제가 되는 부분이다.

다양한 이유에서 비정질 폴리머 보다 반결정질 폴리머를 선호하는 경우가 많다. 주요한 이유로는 향상된 화학내성, 환경응력균열 내성, 피로내성 등을 들 수 있다. 더불어, 높은 결정도는 높은 강도와 강성으로 이어진다.

폴리머가 제대로 결정화될 기회를 충분히 얻지 못하면 이 같은 물성들도 제대로 구현되지 못한다. 결정성이 향상됨으로써 얻는 다른 이득들도 있다. 그 가운데 하나가 유리전이온도 이상에서 탄성계수유지도(degree of modulus retention)다. 반결정질 폴리머의 주요 장점 가운데 하나는 이 소재들이 유리전이온도 이상에서 유용한 고체 특성을 지닌다는 점이다.

비정질 폴리머가 유리전이온도 위에서는 기본적으로 물러져 하중을 견디는 소재로써는 쓸모가 없는 반면, 반결정질 소재는 충전이 되지 않은 경우에도 자기 탄성계수의 10~30%를 유지한다. 예를 들어, 상온 탄성계수340,000psi (2340MPa)의 충전되지 않은 PBT 폴리에스터는 100℃

의 온도에서도 아직 48,000psi (330MPa)의 탄성계수를 유지한다.

이 같은 탄성계수 유지력은 유리섬유 같은 충전재를 소재에 혼합해 줌으로써 향상시킬 수 있다. 하지만 소재가 목표로 한 결정도를 달성하지 못하면, 고온에서의 탄성계수 유지력 또한 감소한다. 이는 나중에 다른 기회에 상세히 언급하겠지만 크리프(creep) 내성에 영향을 미친다.

결정도가 높을 때 얻을 수 있는 또 다른 장점으로 우리가 쉽게 지나치는 것이 습기가 나일론에 미치는 영향에 관한 것이다. 나일론 성형품은 습기를 흡수하면 강도와 탄성계수가 약해진다. 치수에도 변화가 일어난다. 나일론은 습기를 빨아들이면 부풀어오른다.

하지만 습기는 성형품의 비정질 부위로만 흡수되어 들어온다. 따라서 성형품 소재의 결정도가 높을수록, 빨아들인 습기가 제품 주요 치수에 미치는 영향이 적어진다. 냉각 속도는 반결정질 폴리머의 결정도를 결정하는 중요한 요소이기 때문에, 가공현장에서 금형 온도 설정이 성형품 성능에 중요한 영향을 미친다.

물론 성형품의 구조가 이 상황에서 중요한 한 측면이다. 성형품의 벽두께는 냉각시간을 결정짓는 중요한 요소로, 금형 벽면과 집적 닿는 소재가 성형품 벽 중간의 소재보다 냉각 속도가 항시 빠르다. 이는 어떤 성형품의 결정도도 그 부위에 따라 차이가 난다는 뜻이다.

하지만 성형품의 구조는 한 번 정해지면 변치 않는 상수다. 반면 금형온도는 변수로서 공정운영자의 임의대로 설정할 수 있다. 금형온도 선택이 성형품 성능에 미치는 중요한 영향을 전혀 고려치 않은 채로 이루어지는 경우가 너무 많다.

금형온도가 위에서 보는 그래프 왼쪽 어딘가 쯤에 있는 경우라면 금형온도가 높을수록 대개 결정도도 높아지는 효과를 볼 수 있다. 하지만 금형온도 상승은 자동적으로 사이클타임에 부정적 효과를 초래하는 경우가 많다. 어떤 소재에 있어서는 그럴 수 있다. 폴리에틸렌은 상온보다 훨씬 낮은 유리전이온도를 갖고 있다.

연구결과에 따르면 폴리에틸렌의 결정화 속도가 가장 빠른 지점 또한 상온 아래에 위치한다. 이 같은 소재들은, 금형 온도가 낮을수록 좋고 그렇게 해도 성형품 성능에 별로 저하요인이 발생하지 않는다. 하지만, 유리전이온도가 상온보다 훨씬 높은 고성능 엔지니어링 폴리머들은 금형온도가 낮으면 제품을 실제 사용하기 전까지는 드러나지 않는 여러 가지 문제점들이 발생할 수 있다. 

다음 번 컬럼에서는 금형온도를 낮춤으로써 생산성을 향상하려다가 생길 수 있는 예기치 않은 문제점들의 사례들을 살펴보고자 한다.

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