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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑩
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/05/01 13:01

 

 

원료의 강도와 탄성을 올리기 위해 유리섬유나 탄소섬유를 자주 사용한다. 이 같은 특성을 유지하기 위해서는 이 섬유소재들의 종횡비(aspect ratio)가 유지돼야 한다. 가공조건 또는 최종제품에서 섬유 길이는 커다란 영향을 미친다.

  

  

지난달 칼럼(4월호)에서는 소재의 구성과 관련해 성형업체가 유지 또는 최적화의 역할을 수행할 수 있는 세 가지, 즉 분자량, 결정구조(결정구조를 갖는 소재의 경우), 성형품 내부응력에 대해 다뤘다.

기계적 물성을 우수하게 유지할 수 있는 가공상의 네 번째 측면은 섬유길이의 유지이다. 유리섬유 및 탄소섬유 기반 소재의 강도와 탄성을 올리기 위해 여러 가지 폴리머와 결합하게 된다. 이 같은 개질(改質)을 통해 얻을 수 있는 다른 이득은 크리프(creep) 내성 및 피로 내성 향상을 들 수 있다.

섬유가 지니고 있는 강화 특성은 종횡비라고 부르는 특성과 큰 관련이 있다. 종횡비는 기본적으로 섬유 길이와 지름간의 비율을 가리킨다. 종횡비의 주요 특성은 여러 가지 요소에 달려있지만, 종횡비를 높여주면 강도와 탄성 같은 물성이 향상된다고 알려져 있다. 일반적인 단섬유 길이가 1~2mm인 데 비해 초기 길이가 11~22mm에 달하는 장섬유 컴파운드가 개발되고 있는 것은 바로 그런 까닭이다.

하지만 펠렛으로 만들어져 포장될 때 컴파운드에 결합시키는 섬유 길이가 이렇다고 해도, 이 원료를 사용해 성형된 제품의 최종 특성은 그 성형품 내에 존재하는 섬유 길이에 따라 결정된다. 스크류를 사용한 용융가공은 많은 양의 기계적인 작업을 발생시키기 때문에 유리섬유를 끊어놓을 수 있는 가능성은 얼마든지 있다.

이것이 장섬유 원료를 압출기를 통해 컴파운딩하지 않는 까닭이다. 대신 섬유를 용융수지 냉각수통을 통과시킨 다음 원하는 길이로 잘라내는 방법을 사용한다. 하지만 이 같은 원료가 성형과정에서 겪게 되는 가공조건 또한 최종 제품에서 섬유 길이에 커다란 영향을 미친다는 것을 잊어선 안 된다. 이는 단유리섬유와 장유리섬유 모두 마찬가지다.

가공 중 이뤄지는 기계적 작업에는 금형 충전을 위한 원료 유동과 스크류 회전을 통한 원료 가소화로 인해 전단응력이 발생한다. 이는 가공공정에 반드시 필요한 단계이다. 하지만 섬유강화 원료를 사용할 때는 이 같은 요소와 관련된 가공조건 선택에 있어 이것이 섬유 길이에 어떤 영향을 미칠 수 있는지가 먼저 파악돼야 한다.

사진에서는 유리섬유강화 나일론으로 성형한 두 개의 성형품에 수행한 회분시험(ash test)의 결과를 보여주고 있다. 한 쪽 로트에서 나온 성형품이 두 번째 로트에서 나온 성형품들보다 강도와 강성이 높다고 확인되고 있다. 자연스레 두 로트가 강화소재 함량이 다른 원료로 성형됐을 것이라는 결론이 나왔다. 하지만 회분시험을 통해 두 개의 로트에서 각각 나온 성형품들간에 유리섬유 함량의 차이가 없다는 것이 밝혀졌다. 하지만 회분 테스트는 두 로트간 성능 격차를 설명해줄 중요한 차이점을 드러내주지는 못했다.

왼쪽에 보이는 실험용 도가니에 있는 것은 양호한 로트에서 가공된 것으로 공장에서 받은 그대로의 성형품과 회분시험 후의 잔유물이다. 오른쪽 도가니에 담긴 것은 불량이 발생한 로트로부터 나온 원래상태의 성형품과 실험 후에 남은 잔유물이다. 양품에서 나온 회분은 원래 성형품에 가까운 형태를 아직 유지하고 있다.

반면, 불량품에서 나온 회분은 불연속적으로 끊긴 섬유더미에 가깝다. 이렇게 보기에도 차이가 나는 것은 두 성형품 내의 섬유 길이가 다르기 때문이다. 섬유가 길수록 더욱 잘 얽히고 성형품의 형태를 결정하는 봉투 같은 전체적 구조를 유지하는 반면, 섬유가 짧으면 그렇지 못하다.

섬유 길이의 유지 여부는 사실 금형 설계단계부터 고려해야 한다. 유동경로 내에 제약이 지나치게 많은 구조에서는 높은 전단율과 전단응력이 발생한다. 이는 용융수지 전달시스템 전체뿐 아니라 금형 내 캐비티에도 해당되는 이야기다. 원료의 구성 또한 고려가 필요하다. 특히 원료에 안료를 첨가하는 경우 더더욱 주의가 필요하다.

백색 및 기타의 밝은 색상을 내기 위해 가장 널리 사용되는 안료인 이산화티타늄(Titanium Dioxide)은 아주 거칠어서, 필터를 훨씬 빨리 닳게 한다. 하지만 이 시험 사례의 경우 두 로트 생산에서 금형 교체도 없었고, 원재료에 안료 첨가도 없었다(양품이 보이는 노란기 도는 색깔은 건조기에 장시간 노출돼 생긴 것이다). 그렇다면 문제는 공정 자체에 있었다는 결론이 나온다.

섬유 길이를 짧게 만드는 가장 큰 범인은 스크류 회전과 관련된 조건으로, 분당 회전수, 스크류 회복시간, 배압 등이 결합돼 작용한다. 어떤 배압조건은 수지 주입 시작점에서 스크류 앞쪽에 안정적인 양의 원료 공급을 필요로 하기도 한다. 하지만 이 공급량이 지나치면 원료에 가해지는 기계적 작업량이 늘어나 필요한 정도를 넘어 해가 될 수 있다.

더불어, 스크류의 리어 존(rear zone) 온도를 너무 낮게 운전해도 필요 이상의 기계적 작업이 가해져 섬유의 파괴가 커질 뿐 아니라 스크류와 배럴의 마모 또한 훨씬 빨라진다. 필자는 스크류 리어 존 온도를 폴리머의 용융점보다 낮게 해줘야 한다는 입장을 고수하며 65% 충전된 PPS를 두 달 동안 세 개의 스크류를 통해 가공하는 가공업체를 본 적이 있다.

마모된 스크류와 배럴 또한 과도한 섬유의 파손원인이 된다. 그리고 스크류의 믹싱부품이 고강도 제품인 경우에도 그 폭의 섬유 길이 감소를 초래할 것이다. 벤팅 장치가 있는 배럴이 그 한 예이지만, 균일한 용융수지를 얻기 위해 높은 수준의 전단력을 만드는 믹싱부품 또한 섬유강화원료 구조에 부정적인 영향을 미친다.

끝으로, 재생재를 사용하는 경우 리그라인드 된 재생원료 안의 섬유는 신재보다 짧다. 가공조건이 최적화된 경우라도 그렇다. 원료를 계속 리사이클링해서 사용하는 경우 소재의 특성이 점진적으로 악화되는 것을 방지하기 위해 재생재 사용량을 주의 깊게 관리해줘야 한다.

재생재 함량이 높을수록, 성형품 안에 2회, 3회, 4회 반복 회수된 다시 사용된 원료가 차지하는 비율이 커진다. 필자가 언젠가 상담한 적 있는 가공업체는 30% 유리섬유 강화 PBT 폴리에스터로 제품을 가공했으나, 이 성형품이 모두 취성이 매우 높았다.

조사해보니, 이 공정에서 숏의 85%가 러너로 나와서 러너를 다시 파쇄해 곧바로 건조기 호퍼로 집어넣어 재활용하고 있었다. 원료 배합에는 신재가 거의 들어가지 않았고, 그 결과, 얼마 가지 않아 호퍼 내 원료 가운데 절반 이상은 최소한 네 차례 이상 리사이클링한 원료였고, 유리섬유는 이제 섬유가 아니라 그저 유리가루에 불과한 상태였다.

마지막으로, 참고할 만한 가치가 있는 예가 있다. 전자기파 및 무선주파수장해(EMI/RFI)를 차단해 줄 수 있는 폴리머에 대한 수요가 늘어나고 있다. 이 성능은 유도성 충전재를 사용해 얻을 수 있고, 그런 용도의 충전재 가운데 장섬유 스트인리스가 있다. 이 섬유를 6~10% 정도만 사용해도 원하는 결과를 얻을 수 있다.

하지만 효과적인 전자기파 차단능력은 성형품 벽 전체에 섬유망이 겹쳐서 얽혀있어야 구현할 수 있다. 여기서 또한 섬유 길이를 길게 유지해줘야 할 필요가 있다. 스테인리스스틸 섬유 길이가 지나치게 짧아지면 차단성능이 낮아진다는 사실이 실험을 통해서 입증된 바 있다.

이제까지 이 연재를 통해 소재의 구성과 관련해 성형업체가 유지 또는 최적화의 역할을 수행할 수 있는 네 가지 측면, 즉 분자량, 결정구조(결정구조를 갖는 소재의 경우), 성형품 내부 응력, 그리고 강화섬유를 사용하는 경우 그 섬유 길이 등에 대해 다뤘다.

검토해야 할 것이 한 가지 더 있다. 바로 첨가제 패키지(additive package)다. 다음 회 칼럼에서는 이 주제를 다룰 예정이다.

  

  

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18723   플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑨ 플라스틱코리아