기술강좌
 
홈으로로그인회원가입사이트맵이메일
 
HOME 기술강좌 원료
전시회 일정
국내전시일정
해외전시일정(상반기)
해외전시일정(하반기)
관련링크
관련협회
연구소
관련도서
관련 채용정보
제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ④
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/09/03 20:31

폴리머 엔지니어링에서 이상적인 소재 구조를 달성하기 위해서는 더 높은 금형 온도가 필요하다. 금형 온도를 낮추려고 하다가 성형품의 성능을 저하시킬 수 있다.

일반적으로 폴리머의 우수한 성능은 소재가 고온에 노출되었을 때 이를 견딜 수 있는 능력과 관련이 있다. 반(半)결정질 폴리머에서는 두 가지 중요한 전이(轉移)점을 통해 이런 성능이 확보된다. 즉 유리전이온도(Tg)와 용융점(Tm)이 그것이다. 지난 8월호 컬럼의 말미에서 다룬 바 있는 폴리프로필렌은 대기 온도보다 낮은, 0℃에 가까운 Tg, 그리고 대부분의 그레이드에서 160~165℃의 Tm을 가진 범용 소재다.

두 전이점 사이에서 이렇게 큰 온도 차이는 대부분 반결정질 소재의 전형적 특징이다. 성능 피라미드에서 그 다음 그룹에 드는 나일론 6과 나일론 66 같은 지방족 나일론과 PBT, PET 같은 반결정질 폴리에스터 소재들은 Tg가 55~90℃, Tm은 225~260℃ 범위다. 상대적으로 낮은 금형 온도에서 가공할 수 있는 PP와 폴리에틸렌과 달리이들 엔지니어링 폴리머들은 이상적인 구조를 구현하기 위해서는 보다 높은 금형 온도가 필요하다. 따라서 이런 소재들을 가공하면서 금형 온도를 낮추려 하다가는 부품 성능에 문제를 일으킬 수 있다.

성능 피라미드의 위쪽에 있는 SPS, PPS, (때로 PPA라 부르는) 부분방향족 나일론들, 그리고 PEEK같은 초고성능 소재쪽으로 올라갈수록 이런 위험이 커진다. 이런 소재들의 Tg는 물의 비등점 110~150℃보다 높다. 따라서 이 소재들이 만족할 만한 수준의 결정화가 진행될 수 있도록 해줄 금형 온도를 높이 유지하기 위해 가압 수나 오일 또는 전기 카트리지가 필요하다.

이 같은 기술들을 모든 가공업체들이 채택하는 것은 아니다. 하지만 이렇게 고성능 소재의 경우라면 적정 수준의 결정화를 구현하기 위해 필요한 금형 온도를 맞추지 못하면 특히 심각한 결과를 초래될 수 있다.

그림 1은 도표 아래 범례에 표시된 57, 90, 125, 159℃의 네 가지 다른 금형 온도를 사용해 성형한 테스트용 시편의 거동을 보여준다. 실험에 사용된 소재는 35%의 유리섬유로 강화된 부분방향족 나일론(PPA)이다. 각각의 샘플 그룹에서 취한 시편을 동적기계 분석(dynamic mechanical analysis, DMA)을 사용하여 테스트했다.

이 테스트 결과를 온도의 함수로서 소재의 탄성계수 곡선으로 나타냈다. 각각의 금형 온도에서 폴리머가 달성할 수 있었던 상이한 결정화 정도를 각각의 샘플에 나타난 반응을 통해 분명히 관찰할 수 있다.

소재 최초의 탄성계수가 금형 온도가 올라감에 따라 상승되는 경향 을 보이는 점에 주목해야 한다. 57℃에서 성형된 샘플의 탄성계수는 약 9000MPa(1300ksi)인 반면, 159℃에서 성형한 시편은 10,350MPa(1500ksi)의 상온 탄성계수를 보인다. 15% 가량 향상된 수치다.

탄성계수의 가장 큰 상승이 일어난 것은 125℃에서 성형한 시편과 159℃에서 성형한 시편 사이에서다. 하지만 테스트 온도를 올릴 수록 성능 면에서 훨씬 더 큰 차이가 분명히 드러난다. 테스트 온도가 130℃에 이르면 네개 샘플 모두의 탄성계수가 급격히 하락하기 시작한다. 유리전이가 시작된 것이다. 정확하게 측정한 이 소재의 Tg는 145℃다.

반결정질 폴리머는 유리전이 구간을 통과하면서 탄성계수가 크게 하락한다. 유리섬유가 이 수준으로 충전된 폴리아미드(나일론)는 Tg보다 높은 실온에서의 탄성계수의 약 50% 정도를 유지하는 것이 보통이다. 이는 정확히 가장 높은 금형 온도에서 성형한 시편에서 관찰된 수준이다.

더 낮은 금형 온도에서 성형한 샘플들은 샘플 제조에 사용한 금형 온도가 낮을수록 탄성계수가 더 큰 폭으로 감소하는 현상을 보인다. 가장 낮은 금형 온도를 사용한 경우 탄성계수는 75% 가까운 하락을 보였다. 유리전이 온도 보다 낮은 온도에서 작동하는 경우라도 이는 크리프 내성 및 피로내성 등과 같은 부품의 장기적 성능 특성에 영향을 주게 될것이다.

고성능 반결정질 소재의 공급업체 중에는 유리전이 온도보다 높은 온도에서 쓰일 부품을 만드는 경우라면 완전한 결정화를 구현하기만 하면되는 것처럼 가공업체에게 말하는 이들이 있다. 이는 완전히 잘못된 이야기로, 다름 컬럼에서 다룰 예정이다.

가장 높은 금형 온도로 성형한 샘플과 나머지 다른 세 가지 샘플 사이의 또 다른 주목할만한 차이점을 유리전이 구간의 종결 지점에서 관찰할 수 있다. 가장 높은 금형 온도에서 성형한 부품은 유리전이 구간의 끝부분과 300℃ 가까운 용융점 시작부분 사이에 탄성계수가 완만하게 감소하는 고원구간으로 진입한다. 이는 결정화가 제대로 이루어진 폴리머의 전형적 거동이다.

세 개의 다른 샘플이 보이는 거동은 불완전한 결정형성을 보여주는 또 하나의 증상이다. 유리전이가 완료되자마자, 온도가 오르고 있는데도 탄성계수가 상승하기 시작한다. 이는 성형공정 중에 이루어져야 했던 결정형성이 일어나면서 나타나는 현상이다.

하지만 애초의 성형 온도가 완전한 수준의 결정화가 이루어지기에는 너무 낮았던 까닭으로, 결정 형성에 필요했던 분자의 운동성이 다시 확보되는 순간 부족했던 결정화가 고형상태에서 진행되어야 하는 것이다. 이 같은 탄성계수의 상승현상은 전에 검토한 바 있는 결정화에 늘 수반되는 치수 변화와 도 또한 관련이 있다.

결정화가 제대로 이루어진 샘플과 부족한 샘플들을 가르는 경계선이 성형에 사용된 폴리머의 유리전이 온도라는 점은 우연이 아니다. Tg보다 높은 온도를 유지해주면 결정형성에 필요한 운동성이 분자에 공급된다. 그림 2는 금형 온도와 다양한 소재의 결정형성 속도간의 관계를 보여준다.

그래프에 등장하는 소재 가운데 3개(PP, 나일론 6, 나일론 66)는 그래프에 표시된 온도 범위 아래의 유리전이 온도를 지닌 소재들이다. 약 0℃의 Tg를 지닌 PP는 금형 온도를 높여도 결정도의 상승은 미미하지만, 결정화에 걸리는 시간이 크게 늘어나면서 사이클타임을 느리게 만든다.

65~70℃의 Tg를 가진 나일론 6과 나일론 66은 90~100℃의 금형 온도에서 “완전한” 결정화에 도달하게 되며, 이 온도 범위에서는 결정화 시간이 기본적으로 크게 변함이 없음을 알 수 있다. 온도가 이 지점 이상으로 올라가면, 결정화 시간이 서서히 증가하고, 이 역시 사이클타임을 더디게 만드는 결과를 낳는다.

하지만, 나머지 두 가지 다른 폴리머들이 얼마나 다른 거동을 보이는지 보라. 실험에 사용된 PET는 무핵(nonnucleated) 소재로 여기서 그래프로 표시된 거동은 사출성형에 사용하는 고충전 반결정질 그레이드의 전형적 특성과는 차이가 있다.

MXD6은 우리가 위에서 언급한 부분방향족 나일론의 하나다. 이 소재들, 그리고 PPS, PEEK 등 이와 유사한 다른 소재들은 폴리프로필렌과 지방족 나일론과는 매우 다른 거동을 보인다. 이 같은 소재들은 금형 온도가 폴리머의 Tg와 관련된 특정 지점 아래로 떨어지면 결정화 속도가 크게 감소한다. 이것이 미치는 영향은 상당히 크다.

MXD6의 결정화 시간은 160℃에서 25초였다가 금형 온도가 120℃가 되면 180초로 증가한다. 이런 소재들은 낮은 금형 온도가 바람직한 수준의 결정화를 가로막을 뿐 아니라 이형가능한 수준의 탄성계수에 도달하는데 걸리는 시간을 늘여, 결과적으로 사이클타임을 길게 만든다. 금형 온도를 낮춤으로써 생기는 결과를 정확히 이해하기 위해서는 가공하고자 하는 특정 폴리머에 대해 정확히 알고 있어야 한다.

다음 호 에서는 금형 온도를 Tg보다 높이 유지하기만 하면 적정 결정도를 달성할 수 있다는 법칙을 따르지 않는 반결정질 폴리머에 대해 살펴볼 예정이다.

작성자   비밀번호
18160   플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ③ 플라스틱코리아
18271   플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑤ 플라스틱코리아