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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑤
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/10/04 11:47

 

금형 온도를 가공하는 폴리머의 유리전이온도(Tg)보다 높게 해주면 성형품을 고온에서 사용해도 문제없는 치수 안정성을 부여해주기에 충분한 높은 결정화 정도를 얻을 수 있다. 하지만 POM(폴리아세탈)의 경우는 그렇지 않다. 왜일까?

 
널리 쓰이는 세 가지 반(半)결정질 폴리머, 즉 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 그리고 폴리아세탈(최근에는 폴리옥시메틸렌[polyoxymethylene, POM]이라 불리는)은 상온보다 낮은 유리전이온도(Tg)를 지니고 있다.

 

이는 이 폴리머들이 실온 수준으로 냉각된 후에 결정화 과정이 계속 진행된다는 뜻이다. 이 소재들을 사용해 좁은 공차범위의 부품을 가공해야 하는 경우라면 이렇게 결정화 과정이 지속돼 성형품의 수축이 오랜 기간 계속 진행되는 것을 경험하게 된다.

 

대부분의 경우 성형된 부품은 실온 수준으로 냉각된 뒤 폴리머의 종류, 부품의 벽 두께, 치수 측정부위 등에 따라 30~90분 안에 치수 안정상태에 도달한다. 하지만 이 세 가지 소재의 경우는 치수 변화가 24~48시간 동안 계속될 수도 있다.

 

이렇게 수축이 계속된다는 것은 결정화가 계속 진행되고 있다는 물리적 증거다. 다행히도 대부분의 성형품은 길다고는 해도 이 시간 안에 안정적 치수에 도달한다. 하지만 폴리머의 기계적 물성을 측정하면 강도나 탄성계수, 충격내성 등에 있어 변화가 진행되는 것을 몇 주 동안 관찰할 수 있다.

 

한 기업에서 고객이 POM으로 성형한 부품을 납기에 딱 맞춰 납품했으나, “부품의 강성이 충분히 느껴지지 않는다”는 불만을 들었다고 알려왔다. 납품에 앞서 몇 주 동안 창고에 보관했던 부품들에 대해서는 이런 불평을 듣지 않았다.

 

이 같은 거동은 POM 소재의 경우 특히 문제가 된다. 왜냐하면 이 소재는 기어 등과 같이 치수 정밀성과 안정적 물성이 요구되는 기능성 부품 제작에 많이 쓰이기 때문이다. 이 문제는 부품이 고온에서 작동해야 하는 경우라면 더욱 심각해진다. 고온 환경이 성형 후 수축을 더욱 촉진하기 때문이다.

 

지난 9월호 기사에서 금형 온도를 폴리머의 유리전이온도(Tg)보다 높게 해주면 성형품을 고온에서 사용해도 문제없는 치수 안정성을 부여해주기에 충분한 높은 결정화 정도를 얻을 수 있다는 원리를 다룬 바 있다. 하지만 소재가 POM인 경우에는 이 규칙이 깨지는 것 같이 보인다.

 

POM의 Tg는 -80℃에 가깝다. 따라서 금형에 냉각수를 통과시키기만 해도 적정 결정화 수준을 얻는 데 충분한 것으로 보인다. 하지만 POM 공급업체들은 코폴리머에는 80~85℃, 호모폴리머에는 90~95℃의 상대적으로 높은 금형 온도 사용을 권하고 있다.

 

수지 공급업체들이 제공하고 있는 설계 및 가공 안내자료를 보면 다양한 사용 온도에서 금형 온도와 부품 벽 두께, 성형 후 치수 변화 간의 복잡한 관계를 수치로 보여주면서 아주 상세하게 이 문제를 다루고 있다. 그림 1은 DuPont사가 1960년에 빌명한 POM 호모폴리머에 대해 그 같은 방식으로 자세히 검토하고 있는 자료다.

 

 

 

세 개의 그래프는 부품의 사용 온도 그리고 부품 제조시 금형 온도의 함수로서 성형 후 발생할 수 있는 수축률 사이의 관계를 나타내고 있다. 이 관계는 0.8mm(1/32 in.), 1.6 mm(1/16 in.), 3.2mm(1/8 in.)의 세 가지 다른 벽 두께로 나눠 나타내고 있다.

 

가장 벽 두께가 두꺼울 때 치수 안정성이 가장 크다. 이 두께에서는 만일 부품이 상온보다 높은 조건에 노출되지 않는다는 조건 아래, 부품을 38℃의 온도에서 성형했을 때 성형 후 치수 변화는 0.001 in./in. 수준이다.

 

금형 온도가 올라가서, 121℃에 이르면 성형 후 이 변화는 실질적으로 제로 수준으로 떨어진다. 하지만 부품이 고온에 노출되면 성형 후 수축으로 인한 치수 변화는 현격하게 증가한다. 38℃에서 성형된 부품이 100℃의 사용환경에 노출되면 0.007 in./in.의 치수 변화가 일어난다.

 

121℃의 높은 금형 온도로 가공한다해도 0.002 in./in.의 성형 후 변화가 발생한다. 하지만 금형 온도가 높을수록 고형 상태 결정화로 인해 발생하는 치수 변화도 적어진다는 것은 분명하다.

 

벽 두께의 명목 치수가 얇을수록 이 효과는 증폭된다. 가장 얇은 0.8mm의 벽 두께로 가면 38℃로 성형돼 100℃의 사용 온도에 노출된 부품에 발생하는 치수 변화는 0.014in./in.로 배가된다.

 

이는 얇은 벽이 더욱 빠른 속도로 냉각되기 때문이다. 플라스틱은 상대적으로 열전도성이 낮다. 벽이 두꺼울수록 부품의 코어 부위는 성형 표면에서 멀리 떨어져 있게 되고, 냉각된 바깥의 성형 수지층이 단열 효과를 초래한다.

 

이 때문에 냉각 속도는 낮아지고 발생 가능 결정화도는 높아지는 결과가 일어난다. 이 같은 데이터를 보면 이 소재 내에 안정적 결정구조를 확보하기 위해서는 유리전이온도보다 높은 금형 온도가 필요함이 매우 분명하다.

 

그럼에도 POM의 거동이 이 규칙을 따르지 않는다는 사실은 거의 언급되지 않을 뿐 아니라, 반결정질 폴리머에서 최적화된 수준의 결정화도를 달성할 수 있는 이 같은 믿을만한 가이드라인이 POM의 경우에는 왜 적용되지 않는지에 대해 아무런 논의도 이루어지지 않고 있다.

 

하지만 우리가 온도에 따른 POM의 거동 변화를 밀접하게 조사해 본다면 이 비정상적 거동의 까닭을 이해할 수 있는 실마리를 얻을 수 있을지도 모른다.

 

 

 

그림 2는 세 가지 다른 POM 샘플의 탄성계수 대비 온도 변화 그래프를 보여준다. 온도 스캔은 유리전이를 관찰할 수 있도록 -125℃에서 시작된다. 약 -70℃에서 마무리되는 탄성계수의 커다란 하락은 폴리머의 유리전이 때문이다. 이 곡선들을 자세히 조사해보면 80℃ 부근에서 이 샘플들에 일어나는 훨씬 작은 폭이지만 급격한 변이를 또한 관찰할 수 있다.

 

그림 3은 이 전이를 확대해 보여주면서, 중요한 영역을 하이라이트 하기 위해 점탄성 특성 변화를 보다 완벽한 그래프로 나타내주고 있다. 특히, 중요한 전이들과 관련된 피크를 나타내는 손실탄성률(loss modulus)로 알려진 특성은 95℃를 바로 밑도는 최대값을 보여주고 있다.

 

관련 탄젠트 델타 피크(tan deltapeak)는 123℃에서 일어나고 있다. 이는 우리에게 치수 안정성 높은 POM 부품을 만들기 위해 필요한 권장 금형 온도를 똑바로 보여주고 있다. 이 문제에 관한 소재공급사들의 조언에 주의를 기울이는 것이 중요함을 가볍게 여겨서는 안 되며, 그 중요성은 성형부품의 치수를 측정해보고, 그 부품을 부품 사용환경과 비슷한 수준의 높은 온도 오븐에 방치해 두었다가 오븐에서 꺼내어 실온으로 냉각한 다음 부품의 치수를 다시 측정해 보기만 하면 쉽게 드러난다.

 

폴리머의 구조가 안정적일수록 성형품의 치수 변화는 적게 나타나는 동시에 기대하는 수준의 성능을 보일 가능 성이 더 높다. 큰 폭의 치수 변화는 성형 공정상에서 바람직한 구조를 달성하는 데 실패했음을 나타낸다. 몇 년 전작 동시 서로 맞물려 움직이게 설계된 두개의 POM 호모폴리머 부품으로 이루어진 어셈블리를 성형해야 하는 고객과 일한 적이 있다. 가공시 금형 온도는 60℃였고, 부품들은 만족스럽게 성형돼 제성능을 발휘하는 듯했다.

 

하지만 부품의 최종 사용자는 이 부품들이 85℃의 고온환경에 노출될 수 있다는 점을 알고 있었다. 따라서 최종사용자는 어셈블리를 85℃의 온도로 8시간 동안 가열하며 테스트했다. 그리고는 상온 수준으로 냉각해 어셈블리를 다시 테스트했다. 이 과정 후에 부품들은 처음처럼 제대로 자유로이 움직이지 않았다. 하지만 이 문제는 소재공급사의 성형 가이드가 가리키는 대로 금형 온도를 99℃로 올리자 해결됐다.

 

추가적인 수축작용은 부품이 원래 설계보다 작아지는 결과를 초래할 것이라고 흔히들 생각한다. 만일 툴 제작시 기준으로 삼은 수축값이 부정확했다면 그럴 수 있다. 하지만 안정적 치수를 얻는데 있어 아주 중요한 요소는 부품이 충분히 패킹 되도록, 즉 완전충전 되도록하는 것이다.

 

 

 

금형 온도를 올리면 게이트 동결에 필요한 시간 또한 늘어난다. 그에 따라 더 긴 패킹 및 보압 시간을 주면 캐비티에 원료가 추가로 더 많이 공급돼 결정도가 높아지면서 초래되는 수축률 상승을 상쇄할 수 있다.

 

다음 회 기사에서는 적정수준의 결정화가 이루어지지 못한 소재에 초래되는 장기간의 영향에 대해 살펴보고자 한다. 이 경우에 나타나는 영향은 부품이 한동안 사용되고 난 후까지 분명히 드러나지 않는 성능 저하를 가져올 수 있다. 그리고 불행하게도 이 고성능 소재 공급사들이 제공하는 잘못된 정보 때문에 이같은 결과가 초래될 수 있다.

 

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