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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑥
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/10/31 10:31

고성능 원료의 경우 원하는 폴리머 결정구조 구현에서 금형온도의 중요성은 절대적 비중을 차지하게 된다. 금형온도에 따라 좌우되는 냉각속도도 중요한 변수이지만, 결정화 과정은 패킹압력 및 보압과 관련된 응력, 폴리머 분자의 배향, 핵형성과정 등 영향을 받는다.

 

 

지난 칼럼들을 통해서 밝혔듯 반결정질 폴리머에서 결정구조의 형성은 고형 상태에서 해당 소재가 달성할 수 있는 성능의 수준과 상관관계를 지니는 경향이 있다. 흔히 범용 폴리머로 분류되는 PE나 PP 원료들은 낮은 유리전이온도(Tg) 때문에 쉽게 결정화가 진행된다. 원료의 냉각속도는 성형품 결정온도 변화에 따라 조절될 수 있다. 

 

하지만 이런 결정도의 변화는 상대적으로 작기 때문에, 더욱 완만한 속도로 냉각할 경우 필요할 수도 있는 사이클타임 연장의 충분한 이유가 되지 않을 수도 있다.

 
지방족 나일론, 아세탈, 폴리에스터 등과 같이 중급 성능을 보이는 반결정질 폴리머군 쪽으로 갈수록 결정화도를 적절하게 조절할 수 있는 가공업체의 능력이 더욱 중요해지고, 적정 금형온도 유지가 성형품 성능 확보에서 차지하는 비중이 커진다.

 
그러나 PPS, PEEK, 폴리프탈아미드(polyphthalamide)등과 같은 고성능 원료 쪽으로 가면, 원하는 결정구조를 구현하는 데 있어 금형온도의 중요성은 절대적인 비중을 차지하게 되어, 온도설정시 단 5~8℃정도만 적정 금형온도에서 벗어나도 원래 의도했던 소재의 성능 수준에 크게 못미치는 결과를 초래할 수 있다.

 
대부분 이런 원료 공급업체는 최적의 결정도를 얻기 위한 금형온도 설정방법에 대해 명확한 가이드라인을 제공하고 있다. 하지만 이따금 원료공급업체가 가공업체에게 좀 더 공정상의 재량을 주려 하다가 결과적으로 아주 잘못된 지침을 전하고 마는 경우도 있다.

 
지난번 ⑤회(플라스틱코리아 10월호) 칼럼에서 이들 고성능 원료 사용시 만족스러운 수준의 결정화를 얻기에 충분할 정도로 금형온도를 높이 유지하는 것의 중요성을 다룬 바 있다. 표준 물순환 장치를 가지고는 이런 금형온도는 절대 달성할 수 없다. 이를 위해서는 고온 오일, 전기 카트리지, 또는 가압수를 사용해야 한다.

 
폴리머의 종류와 성형품 두께에 따라 다르지만, 필요 금형온도가 121~205℃ 수준에 이르기 때문이다. 많은 가공업체가 이를 까다로운 진입장벽으로 여기고 있다. 하지만 원료 공급업체들은 수지를 판매해야 하는 입장에 있다. 이런 사정 때문에, 원료 공급업체들이 가공업체에 내놓는 정보가 다소 혼란스럽고 모호한 경우가 생기고 있다.

 
폴리머가 유리전이온도보다 높은 온도에서 사용하는 성형품의 경우만 완전 결정화가 필요하다는 식으로 가공업체들에게 말하는 것이다. 말하자면 다음과 같은 논리다. 결정화가 완전히 이루어지지 않은 성형품도 급격한 냉각으로 인해 이루어지지 않았던 결정화를 추가로 진행시킬 만큼 높은 온도에 노출되지 않으면 성능 이상을 겪지 않는다는 것이다.

 
이 정보대로라면, 불완전한 결정화로 인한 불안정한 상태는 성형품의 결정화가 다시 진행될 만큼 뜨거운 온도가 아니면 문제가 되지 않는다. 안타깝게도, 실상은 그렇게 간단치가 않다. 그림 1은 40% 유리섬유강화 PPS로 만든 두 개의 샘플 탄성계수와 온도이동 사이의 관계를 비교하고 있다.

 

 
낮은 온도로 성형된 부품에 사용된 금형온도는 82℃였고, 높은 온도로 성형된 부품 제작에 사용된 금형온도는 149℃였다. 최적의 결정화도 달성을 위해 제시된 가공온도, 금형온도 가이드라인은 135℃였다. 이 두 개의 샘플 온도와 무관한 거동에는 중요한 차이가 드러난다. 이는 지난번(⑤회) 칼럼에서 다루었던 PPA 소재 샘플에서 관찰한 바와 유사하다.

 
우선, 실온에서도 두 샘플의 탄성계수간에는 분명한 차이가 존재한다. 온도가 낮은 금형으로 가공한 샘플의 탄성계수가 10GPa(1450ksi)인 반면, 온도가 높은 금형으로 가공한 샘플은 이보다 25% 이상 강성이 높았다.

 
하지만 가장 중요한 차이는 두 가지 샘플을 유리전이온도대에 놓았을 때 발생한다. 양쪽 샘플 모두 거의 같은 온도에서 탄성계수 하락이 시작된다. 하지만 두 샘플이 이 전이지대를 통과하며 보이는 양상은 매우 다르다.

 
온도가 높은 금형에서 나온 샘플은 온도가 150℃에 이를 때까지 50%가 조금 넘는 수준의 탄성계수 하락을 보였다. 그다음에는 260℃ 지점까지 큰 변동 없이 새로운 안정기에 들어간다. 그 온도를 넘어서면 최초단계 결정이 용융되면서 탄성계수의 두 번째 하락을 보인다.

 
온도가 낮은 금형으로 가공한 부품은 150℃에 이를 때까지 실온에서 보인 탄성계수에서 90% 이상까지 감소하는 극적 변화를 보인다. 이 지점을 지난 뒤 탄성계수가 다시 오르는 경향을 보이는 것은 최초 성형과정에서 만들어졌어야 할 결정을 폴리머가 이제야 형성하려 하고 있음을 나타낸다.

 
부품의 사용온도가 유리전이온도에 달하지 않으면 최적 결정화 도달 여부가 크게 문제되지 않는다는 원료공급사의 논리는 일견 말이 되는 것처럼 보일 수도 있다. 두 샘플의 탄성계수는 85℃ 온도까지는 비슷한 양상을 보이며 변화하고 있기 때문이다. 하지만 지속적 또는 반복되는 부하를 장시간에 걸쳐 받게 되면 소재의 거동은 온도를 높였을 때 보이는 것과 유사한 방식으로 반응한다는 점을 이해하는 것이 중요하다.

 
그 결과, 온도가 낮은 금형에서 가공된 샘플에서 먼저 더 급격하게 나타나는 탄성계수 하락은 유리전이온도를 넘지 않는 낮은 온도에서 행한 크리프(creep) 테스트를 통해 나타나게 된다. 그림 2에서 크리프 탄성계수라 부르기도 하는 겉보기 탄성계수(apparent modulus) 곡선을 볼 수 있다.

 
겉보기 탄성계수는 온도가 낮거나 온도가 높은 금형에서 가공된 각각의 샘플에 대한 60℃와 80℃ 온도의 테스트에서 시간과 함수관계로 나타나 있다. 그래프를 통해 나타난 차이는 매우 크며, 이는 성형품의 장기간 안정성에 중요한 의미를 지닌다.

 
온도가 높은 금형에서 가공한 샘플은 4~12개월 정도의 테스트 기간 동안 겉보기 탄성계수가 무시할 만한 낮은 변화만 보인다. 온도가 낮은 금형으로 가공한 샘플은 매우 빠른 속도로 변화가 진행돼 같은 기간 탄성계수는 거의 한자릿수에 가까운 하락을 보인다.

 
크리프 탄성계수 곡선들과 만나며 수직으로 그어진 선은 테스트 시작으로부터 2시간 지점을 나타낸다. 이 짧은 시간 안에 이미 샘플을 가공한 금형온도 함수로 나타나는 성형품의 성능 차이가 분명히 드러나고 있다. 특히 80℃에서 수행한 테스트에서 이는 두드러진다.

 
이 같은 실험결과는 최적화된 결정온도 달성 여부가 낮은 온도에서는 별문제가 되지 않는다는 주장은 매우 그릇된 생각으로, 부품에 가해지는 온도와 시간, 부하 함수로서 부품 성능을 종합적으로 고려하지 못한 데서 기인한 오류라 할 수 있다.

 
결정화 문제에 관해 살펴보는 데 많은 시간을 보냈지만, 아직도 할 수 있는 이야기가 많다. 금형온도에 따라 좌우되는 냉각속도도 중요한 변수이지만, 결정화 과정은 패킹(완전충전)압력 및 보압과 관련된 응력, 폴리머 분자의 배향, 그리고 핵형성(nucleation)과정 등 여러 면으로 영향도 받는다.

 
결정화는 열을 방출하고 예기치 않은 방식으로 사이클타임을 연장시킬 수 있는 과정이다. 다음 달 칼럼에서는 이와 같은 다양한 기타 요소들을 간략하게 살펴보면서 결정화 문제에 대한 논의를 정리할 예정이다.

 

 

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18271   플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑤ 플라스틱코리아