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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑦
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/02/02 09:06

 

 

냉각속도 외에도 수지 결정도에 영향을 주는 몇 가지 공정 관련문제들이 있다. 이 부분은 가공업체가 통제하기 어려운 경우가 많다. 하지만 적정수준의 결정화를 얻는 데 원료 선택의 중요성을 제대로 이해하고 있는 가공업체라면 고객에게 골치 아픈 문제를 피할 방법을 제시할 수도 있다.

   

연재를 통해 수지 결정화 정도라는 주제에 대해 무척 많은 시간을 할애해 다루고 있지만, 아직도 할 이야기가 많다. 이제까지는 냉각속도에 중점을 맞춰 논의해 왔다. 냉각속도는 가공업체가 현장에서 조절할 수 있는 영역이기 때문이다. 하지만 결정화 정도에 영향을 줄 수 있는 다른 요소들 또한 존재한다.

 

기타 요소들 가운데 공정 관련사항들은 냉각속도보다 상대적으로 비중이 작지만, 전체 그림을 제대로 보기 위해서는 이 요소들 또한 이해하고 있어야 한다. 그 밖의 요소들로 금형설계와 관련된 측면, 그리고 소재 자체와 관련된 측면 또한 들 수 있다.

 

그 비중은 상대적으로 결정화 정도에 작지만, 눈에 띄는 영향을 미치는 공정 파라미터가 금형에 진입하는 순간의 폴리머 용융수지온도다. 원료온도가 높을수록, 결정화가 중지되는 지점까지 성형품을 냉각하는 데 더 오랜 시간이 걸린다.

 

여기서 말하는 것은 실제 용융수지 온도로, 배럴의 온도설정값이 아니다. 스크류 회전속도 또는 배압 등과 같이 폴리머의 에너지 함량에 변화를 줄 수 있는 그 어떤 요소도 냉각속도에 영향을 미치고, 따라서 결정화 정도에도 영향을 준다.

 

결정도에 뜻하지 않은 영향을 주는 또 다른 공정조건으로 패킹압력 및 보압을 들 수 있다. 압력이 높을수록 원료압축 정도가 높아져 폴리머 사슬이 서로 밀접하게 얽히도록 만들어 사슬의 이동을 제약하게 된다. 결정화 작용은 폴리머 분자의 이동성에 의존하므로, 패킹압력이 높아지면 결정화 작용이 방해를 받는다.

 

이 같은 효과는 그래프에서 보는 바와 같이 압력-체적-온도(PVT) 도표를 통해 관찰할 수 있다. 이 그래프를 보면 PP소재가 각각 다른 압력 아래서 냉각될 때 나타나는 비체적(specific volume)의 변화를 알 수 있다. 부피의 변화가 상대적으로 큰 쪽이 부분적으로 더 높은 결정도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

 

 

또한 압력이 높을수록 부피의 변화가 적어짐을 알 수 있다. 용융수지 온도와 피킹압력 및 보압은 냉각속도만큼 크지 않다고 해도 측정 가능한 수준으로 눈에 띄는 영향을 미치며, 이는 이미 다양한 실험을 통해 확인된 바 있다.

 

결정도에 영향을 주는 또 하나의 흥미로운 요소는 분자의 배향이다. 이는 폴리머가 유동할 때 발생하는 현상이다. 폴리머의 이동작용은 얽혀있던 폴리머 사슬의 풀림현상으로 이어지고, 곧게 펼쳐진 사슬들이 밀접하게 모여 배열됨으로써 보다 높은 결정도를 지닌 구간을 형성할 수 있다.

 

PET원료로 제품을 만드는 열성형업체들은 이 현상에 대해 익히 알고 있으며, 가열한 시트소재를 다이프레스로 가공한 딥드로우(deep draw) 용기는 시트의 연신이 이루어지지 않는 용기 밑바닥보다 용기의 측면이 더 높은 결정도를 보인다는 것도 경험을 통해 알고 있다.

 

이 같은 차이는 용기의 물리적 특성에 영향을 줄 수 있다. 결정화가 지나치게 많이 진행되면 소재의 인성(toughness)이 떨어져 취성 불량으로 이어질 수도 있다. 사출성형에서 이런 종류의 결정화 작용은 흔히 게이트의 위치 및 성형품의 구조에 따라 다르게 관찰되며, PE 및 PP 등과 같이 오랜 기간에 걸쳐 결정화가 진행되는 원료에서 특히 중요하다.

 

그 밖에 일부 선택된 원료의 특성과 관련된 다른 요소들도 있다. 이 부분은 가공업체가 통제하기 어려운 경우가 많다. 하지만 적정수준의 결정화를 얻는 데 있어 원료 선택의 중요성을 제대로 이해하고 있는 가공업체라면 고객에게 골치 아픈 문제를 피할 방법을 제시할 수도 있다.

 

핵형성(nucleation)은 원료의 결정화 과정에 영향을 미치는 원료의 구성에 변경을 가하는 방법이다. 핵형성 촉진에는 대개 첨가제가 사용되며, 특히 PP, 나일론, 폴리에스터 등에 널리 활용된다.

 

핵형성 과정은 결정화가 더욱 골고루 여러 위치에서 동시에 진행될 수 있도록 해줌으로써 적은 수의 큰 결정이 아니라 많은 수의 작은 결정을 생성해준다. 이를 통해 소재의 특성이 바뀌어 강성이 높아지지만, 충격 내성은 감소하는 경우가 많다.

 

또한, 냉각과 함께 소재가 보이는 수축 양도 줄어들고, 결정화 과정이 본래보다 높은 온도에서 개시되고 종료되도록 만들어 사이클타임을 줄일 수 있도록 해준다. 핵형성은 첨가제를 사용해 의도적으로 촉진하는 경우가 많지만, 특정 충전재나 안료를 원료에 혼합했을 때 뜻하지 않게 발생할 수도 있다.

 

결정화 속도에 영향을 미치는 소재의 또 한 가지 특성은 분자량이다. 이 상관관계는 간과되는 경우가 많다. 특정 폴리머 가운데서도 분자량이 높은 그레이드가 분자량이 낮은 그레이드보다 결정화가 느리게 진행된다. 다시 말해, 결정화 과정이 사슬의 이동성에 따라 촉진된다는 점을 잊지 않고 있다면 이 현상을 완벽하게 이해할 수 있다.

 

분자량이 높을 때 사슬엉킴이 더 많이 발생하고, 이는 사슬 이동성을 제한해 원료의 결정형성을 억제하게 된다. 여러 해 전, 필자는 유리섬유강화 PBT 폴리에스터로 만든 성형품의 두꺼운 부위에 생기는 보이드(voids) 문제를 해결하는 데 이 원리를 활용한 경험이 있다.

 

성형품은 3/16인치의 명목 벽두께를 갖도록 설계했으나, 게이트로부터 약 3인치 떨어진 영역에서 두께가 거의 1인치나 되는 문제가 발생했다. 성형품 냉각과정에서 이 영역에 자꾸 보이드가 발생했다. 물론, 이는 최종사용자 입장에서는 절대 용납할 수 없는 불량이었다.

 

초기공정 수립과정에서 이 문제를 최소화하긴 했으나, 사후 품질검사과정에서 빈공간 생성여부 확인을 위해 생산량의 5%가량의 성형품을 절단해 열어봐야 했다. 당시에는 아직 비파괴 이미징기술이 없었기 때문이다. 할 수 있는 모든 공정기술을 동원해 최선을 다했으나, 여전히 같은 소재의 일부 로트에서 문제가 발생했다.

 

원료의 로트별 거동에 따른 품질 데이터를 분석해본 결과, 문제가 생기는 로트는 최고값의 용융유동지수(Melt Flow Rate; MFR)로 생산된 제품들이었다. 명목 용융유동지수 사양은 11g/10분(min)으로, 허용 최저값 9에 최고값 13이었다.

 

11g/10분(min) 밑의 유동지수로 가공된 로트는 보이드 발생 없는 적정 공정윈도우를 제공해줬다. 보이드는 국부에 집중된 과도한 수축이 그 원인으로, 결정화 속도가 이런 방식으로 발생한 수축보다 그 정도가 매우 빠른 경우에 생긴다.

 

상대적으로 점도가 높은 로트는 수축이 적게 일어난다. 아마 원료 공급업체에 유동이 덜 되는 원료를 달라고 요청한 가공업체는 우리가 처음이었을 것이다.

 

당시 수지 공급업체 기술지원 담당자는 문제 해결을 위해서 더욱 효과적인 완전충전, 즉 패킹이 필요하고, 이를 위해서는 유동이 더 잘 되는 원료를 사용해야 한다며, 그렇게 하면 안 된다고 우리를 설득했다.

 

하지만 실험을 통해 얻은 자료는 우리 방법이 옳다는 것을 확인시켜 줬으며, 점도가 높은 로트를 골라냄으로써 실질적으로 불량을 없앨 수 있었다. 그 후로도 여러 차례 이 방법을 사용해 성형품의 두꺼운 벽 내부에 생기는 보이드 문제를 해결할 수 있었다.

 

이제 결정도 문제에 관해서는 충분히 이야기를 나눈 것 같다. 다음 칼럼에서는 찾아내기 어렵지만, 성형조건에 따라 빈번히 발생 하는 또 다른 불량, 내부응력(internal stress)에 대해 알아보고자 한다.

 

kplastic1991@daum.net

  

  

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