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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑪
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/01 16:12

 

  

성형된 제품이 최종용도로 사용될 때 원하는 성능을 발휘할 수 있도록 충분한 안정제(stabilizer) 함량을 유지하는 것도 가공업체의 일이다. 최소한 일정 수준의 윤활제와 열안정제 및 산화분해안정제는 공통적으로 들어 있을 가능성이 크다.

 

시차주사열량측정법(示差走査熱量測定法, differential scanning calorimetry, DSC)을 사용해 원료 샘플을 산소가 존재하는 일정한 고온상태에 노출돼 이 소재에 산화가 진행되는 데 걸리는 시간을 측정할 수 있다. 그래프의 곡선이 갑자기 변화하는 지점에서 산화가 시작된다. 이 원료는 항산화제 패키지가 소모되기 전까지 이 조건에서 77분의 노출을 견디다가 그 이후 급속하게 불량을 일으킨다.

 

기계적 물성을 제대로 유지할 수 있도록 하기 위해 가공업체가 살펴야 할 마지막 단계는 첨가제 패키지다. 모든 상업용 폴리머는 폴리머 성능을 저하시키지 않으면서 용융가공을 수행하는 데 필요한 안정성을 제공해주는 컴파운드 결합물인 첨가제 패키지가 들어간다.

 

또한, 수지에는 최종 제품 성능을 향상시켜주는 첨가제도 들어갈 수 있다. 첨가제 패키지의 구성성분은 컴파운드마다 다를 수 있으며, 여기에는 UV 안정화제, 핵제, 정전기 방지제, 항균제, 착색제 및 난연제 등이 있다.

 

하지만 최소한 일정 수준의 윤활제와 열안정제 및 산화분해 안정제는 공통으로 들어 있을 가능성이 크다. 이 칼럼의 목적에 비춰 우리가 가장 관심을 가져야 하는 것은 바로 안정제 패키지다.

 

일반적으로 산화방지제라고 불리는 이 화합물은 다음의 2가지 목적을 위해 원료에 혼입된다. 첫째, 성형과정에서 발생하는 고온 및 전단응력을 원료가 견뎌낼 수 있도록 하기 위해서이고, 둘째, 성형품 용도가 요구하는 역할을 충족시키는 데 필요한 안정성을 제공하기 위해서다.

 

이 같은 기능은 보통 1차 항산화제 그리고 2차 항산화제로 분류되는 두 가지 다른 화학물질 조합을 통해서 구현된다. 이 물질들의 화학적 작용은 매우 놀랍고도 복잡하다. 하지만 결과를 놓고 말하자면, 이 물질들의 목적은 가공 및 사용 중에 발생할 수 있는 폴리머의 성능저하를 보호하기 위한 것이다.

 

이런 첨가제의 정확한 사용량은 안정화시켜야 하는 폴리머나 원료의 역할 및 쓰임새에 따라 달라진다. PP와 PE는 산화를 막아줘야 하는 원료의 전형적 예이다. 일반적으로, PE는 PP보다 산화내성이 강하기 때문에 첨가제 투하량이 적다. 그러나 모든 상업용 PE 및 PP 원료는 용융 가공을 거치기 위해서 최소한 일정 수준의 항산화제가 필요하다.

 

부품 성형 후에 고온에서 사용해야 하는 경우 제품에 불량이 발생하지 않도록 보다 높은 수준의 안정화 작용이 필요하게 된다. PP의 경우, 이러한 유형의 고온 용도는 커피메이커 부품에서 자동차 엔진 냉각수 탱크에 이르기까지 광범위하다.

 

원료 공급업체는 일정량의 안정화제 패키지를 원료에 기본으로 포함하고, 이를 이 원료의 출발점으로 삼는다. 성형품에 최종사용자의 요구에 부응할 수 있을 만큼 충분한 안정화제가 함유될 수 있도록 가공 도중 원료를 다루는 것은 이제 가공업체의 임무가 된다.

 

성형공정에서는 늘 원료 내 항산화 물질이 일정량 소비된다. 이것은 피할 수 없는 일이다. 하지만 소비되는 안정제의 양은 공정조건, 특히 용융온도와 원료가 용융상태로 보내는 시간에 따라 달라진다. 용융온도가 낮아지고 체류시간이 짧아지면 안정화제 함량이 더 높게 유지된 부품을 만들 수 있고, 이렇게 생산한 부품은 최종 용도에서 요구되는 특성을 보다 잘 발휘할 수 있다. 용융온도가 올라가거나 체류시간이 길어지면 성형품이 최종 용도의 필요에 맞는 역할을 제대로 수행하지 못하게 된다.

 

실험실을 통해 원료의 항산화 안정성을 측정할 수 있다. 시차주사열량측정법이라는 분석기법을 사용해 원료 샘플을 산소가 존재하는 일정한 고온 상태에 노출돼 이 소재에 산화가 진행되는 데 걸리는 시간을 측정할 수 있다.

 

여기서 나온 측정값은 산화유도시간(oxidation-induction time; OIT)이라고 하며, 이 기법은 폴리머 과학자들이 1960년대 와이어 절연재의 조기 불량 발생문제를 이해하는 데 도움을 얻기 위해 처음 도입했다. 옆에서 보여주는 그래프는 이 테스트 결과를 나타내고 있다. 그래프의 곡선이 갑자기 변화하는 지점에서 산화가 시작된다. 이 원료는 항산화제 패키지가 소모되기 전까지 이 조건에서 77분의 노출을 견디다가 그 이후 급속하게 불량을 일으킨다.

 

이 원재료로 성형된 부품에 대해 이 시험을 실시하면 그 결과를 바탕으로 성형공정이 원료의 장기 안정성에 어떻게 영향을 미치는지를 알아볼 수 있다. 실제 실험에서 원재료의 OIT의 75%를 유지하고 있는 성형품을 관찰해봤다. 그리고 이 기준선 값의 10% 밖에 함유하고 있지 않은 성형품 또한 살펴봤다.

 

이 두 경우의 결과 차이는 성형공정의 열이력과 관련이 있다. 또한 실제 사용현장에서 성형품의 수명은 사용 시작시점에서 성형품이 지닌 산화안정성 수준에 따라 크게 좌우된다. 이것은 리사이클링된 재생재의 사용과 관련해 시사하는 바가 있다.

 

재생재는 항산화제 패키지가 일정 정도 이상 소모됐을 가능성이 높다. 이 또한 공정조건에 달려 있다. 재생재 함량이 어느 정도가 적당한지, 원료의 용융가공은 몇 차례나 반복해서 할 수 있는지에 대한 질문을 자주 받는다. 이에 대한 대답은 원료가 재생 이전단계의 성형공정에서 노출되는 열응력에 달려있다. 항산화제 성분의 고갈은 성형품 사용중에도 발생할 수 있다.

 

최근 필자는 펠렛 형태로 140분의 OIT를 갖는 원료분석을 검토한 적이 있다. 성형품은 100분의 OIT를 보유하고 있었으나, 오랫동안 고온 환경에 노출된 성형품의 OIT는 60~70분에 그쳤다. 업계가 갈수록 더 많은 재활용 재생재를 사용하는 방향으로 나아감에 따라 신재로 만들었던 원래 제품의 수명주기와 재활용 원료로 만들 계획의 제품 종류를 세밀하게 고려하는 것이 더욱 중요하다. 재생원료를 생산시 안정화제를 복원하는 작업이 필요할 수도 있다.

 

이제까지 여러 회를 통해 폴리머의 구조를 튼튼하고 온전하게 유지하는 데 관련된 가공상의 모든 측면을 검토하는 데 시간이 걸렸다. 이런 모든 요소는 성형품과 관련해 가공업체에서 세워지는 대부분의 품질계획에서는 다뤄지지 않고 있다. 대개 가공업체들은 이익을 많이 낼 수 있는 사이클타임에 맞춰 부품가공에 중점을 둔다. 분자량, 폴리머 구조, 내부 응력수준, 강화소재 및 첨가제 구조 및 함량의 온전한 유지 등에 대해서는 거의 신경을 쓰지 않는다.

 

많은 가공업체가 이 같은 영역에서 최적의 결과를 얻기 위해서는 자신들이 해야 할 역할을 인식하지 못하고 있을 수도 있다. 이 역할을 제대로 해내기 위한 몇 가지 흥미로운 공통 전략이 있다. 예를 들어, 분자량 및 첨가제의 유지는 가능한 용융온도 범위의 가장 낮은 온도에서 소재를 가공해야 최적화시킬 수 있다.

 

결정구조의 극대화와 성형품 내부응력의 최소화는 금형온도를 높임으로써 달성할 수 있다. 가공업체가 이러한 문제들과 관련한 자신들의 역할을 인식하게 되면 이 같은 이해를 활용해 자신들의 공정개발전략을 고객사들에게 홍보할 수도 있다. 그리고 플라스틱 제품의 세계 또한 끊임없는 학습과정을 거치면서 더 개선될 것이다.

 

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