기술강좌
 
홈으로로그인회원가입사이트맵이메일
 
HOME 기술강좌 원료
전시회 일정
국내전시일정
해외전시일정(상반기)
해외전시일정(하반기)
관련링크
관련협회
연구소
관련도서
관련 채용정보
제목 폴리카보네이트 가공 할 때 금형 온도의 중요성 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/11/14 23:29

폴리카보네이트의 연성을 최적화하기 위해서는 금형내부 폴리머가 냉각되는 속도에 따라 미치는 영향을 간과하는 경우가 많다. PC소재 같은 비정질 폴리머에서도 금형을 더 뜨겁게 해주면 더 우수한 특성을 갖는 성형품을 생산할 수 있다는 타당성을 보여준다.


폴리카보네이트(polycarbonate, PC)는 60년 넘게 상용 소재로 사용돼왔다. 개발 당시에는 기존 투명 소재가 지닌 특성을 크게 강화한 신소재의 대명사로 인식됐다. PC 발명 이전에도 수십 년 동안 이용되어 온 범용 폴리스티렌 및 아크릴과 같은 투명한 소재들은 개질을 통해 충격 내성을 강화하지 않는 한 취성(쉽게 부서지는 특성)이 강한 경향이 있으며, PC가 제공하는 것과 같은 내열성이 없다.

폴리카보네이트 도입 후 개발된 설폰 기반 소재 계열과 같은 더 우수한 성능의 투명 폴리머는 대개 완전 무색투명은 아니면서 우수한 연성을 보이면서도 노치 감도는 훨씬 더 높다. 이런 까닭으로 폴리카보네이트는 전 세계 소비량이 100억 파운드(약 454만톤)에 이르는 틈새시장을 차지하고 있다. 이는 전 세계적으로 소비되는 모든 플라스틱의 1%를 넘는 수준이다.

그러나 플라스틱 성형품 불량분석 분야에서 일해본 사람이라면 불량 성형품의 약 15%가 PC로 만들어진 것이라고 경험에 비추어 말할 수 있다. ‘방탄’ 소재라고 알려져 있지만, 현미경 관찰에서 보이는 수많은 균열은 언제든 부서질 수 있다.

이 폴리머의 문제점을 들추려는 것이 아니다. 하지만 이 같은 사실은 공식적으로 알려진 속성을 기반으로 하는 설계자 및 엔지니어들의 기대와 실제 세계가 충돌할 때 어떤 일이 벌어지는지를 보여준다. PC의 가장 잘 알려진 성능 특성 가운데 하나는 물성표에 빠짐없이 등장하는 특성인 노치 아이조드 충격(notched Izod impact) 내성이다.

PC는 통상 12~18ft-lb/in(640~960J/m) 값을 나타낸다. 대부분의 폴리머는 이 수치에 미치지 못한다. 이 수치에 가까이 간다 해도, 대개 충격 개질제에 의존하기 때문에 강도와 강성이 약해지는 결과를 낳기 마련이다. 그러나 시중에 나와 있는 폴리머 가운데 가장 인성이 강하다는 PC의 명성에 기여하는 인상적인 숫자에 의문이 가도록 만들 수 있는 여러 가지 특성들이 있다.

아마도 그러한 특성 가운데 가장 잘 알려진 것은 다양한 화학물질에 대한 민감성일 것이다. 이 같은 화학물질들은 화학적 침식 또는 환경스트레스 균열(Environmental Stress Cracking/ESC)을 촉진한다.

NPE 1979에서 당시 주요 PC 제조업체 가운데 하나가 큰 전시 공간을 써가며 자동차용 PC소재 전면 범퍼의 내충격성을 보여준 적이 있다. 업체는 전시 기간 중 매일 여러 차례에 걸쳐 범퍼의 인성이 얼마나 강한가를 보여주는 장면을 연출했다. 하지만 이 같은 노력에도 불구하고 당시에는 아무도 PC를 범퍼 소재로 채택하지 않았다.

그 이유는 주로 자동차가 실제로 사용되는 환경에 존재하는 다양한 종류의 유체 때문이었다. 그 당시 선택된 최종 소재는 PC와 폴리에스테르 얼로이였다. 반결정질 소재인 폴리에스터가 범퍼에 필요한 화학내성을 제공해 줄 수 있기 때문이다.

안료의 첨가는 베이스 수지 인성에 커다란 영향을 미칠 수 있다. 내충격성에서 일어나는 변화 정도는 안료, 안료제조를 위해 선택한 화학성분 그리고 첨가된 착색제 양 등에 따라 달라진다. 연성에 미치는 영향은 응력 집중이 없는 경우보다 노치 시편에서 더욱 두드러지게 나타난다. 착색되는 PC 분자량 또한 소재의 충격 성능이 안료에 의해 어떤 영향을 받는지에 영향을 준다. 고분자량 그레이드는 저분자량 그레이드보다 충격 특성을 더 잘 유지된다. 이는 불투명 착색제를 사용하는 경우 특히 그렇다.

많은 업계 관계자들이 PC가 고온에서 수분의 영향에 민감하다는 사실을 알고 있다. 이 특성은 전자기기 인클로저를 185F(85℃) 및 상대 습도 85%에서 1000시간 노출시키는 이른바 85/85 테스트와 같이, 높은 온도와 높은 습도에 동시에 노출되는 상황에서 성형품에 문제를 일으킬 수 있다. 이 온도 또는 이 습도 두 가지 중 한쪽만으로는 폴리카보네이트의 성능에 아무런 문제를 일으키지 않지만, 이 둘이 동시에 결합되면 폴리카보네이트의 분자량을 크게 감소시킨다.

PC소재의 가장 눈에 띄는 초기 실패 사례로는 소형 가전업계에서 일상적으로 온수를 처리하는 부품을 이 소재로 성형했던 경우다. 이 응용제품이 사용되는 환경의 단기적 영향은 무시할만한 수준이었다. 그러나 반복적인 고온 노출로 인해 시간이 지나면서 소재가 부서지고 균일이 가기 시작했다. 가수분해로 알려진 동일한 메커니즘은 가공 투입 전 수지를 제대로 건조시키지 않고 폴리머를 가공했을 때 아주 빠르게 발생한다.

고체 상태에서 수백 시간에 걸쳐 발생할 일이 펠렛 안의 과도한 수분이 536~608F(280~320℃) 가공 온도에 몇 분만 노출되도 훨씬 더 빠르게 일어난다. 그 결과로 일어나는 폴리머의 열화는 폴리머 연성을 감소시킨다. 그러나 PC의 연성을 최적화하는 데 금형 내에서 폴리머가 냉각 속도에 미치는 영향을 간과하는 경우가 많다.

여러 해 전, 필자는 PC로 만든 성형품 취성이 강하다고 지속해서 불만을 토로하는 고객을 상대한 적이 있다. 고객은 처음에는 수지 제조업체에 책임을 물었으나, 그 과정에서 고객은 마침내 내부로 관심을 돌렸고, 성능 개선의 열쇠는 건조에 있다고 초점을 맞추었다. 여기까지는 좋았지만, 이것만으로는 문제를 해결할 수 없었다. 여기서 놓친 부분은 금형 온도였다.

자신들의 생산 라인에 사용할 이 성형품을 직접 성형한 이 가공업체는 사이클타임을 최소화하기 위해 늘 110~120F(43~49℃) 온도로 금형을 가동했다. 몇 차례 180~190F(82~88℃)로 금형을 작동시켜 성형품을 생산했을 때 성형품이 뛰어난 인성을 나타내는 것으로 드러났다. 이는 사이클타임을 늘이지 않고도 가능했다. 그러나 오래된 습관은 깨기가 쉽지 않고, 이 같은 금형온도 변경이 도입되자, 곧 공장 내 기술자들이 개입해 금형온도를 낮추어 취성을 초래할 수 있는 상태로 되돌아갔다.

금형온도가 낮아지고 냉각 속도가 빨라지면 성형품의 내부 응력이 더 높아진다. 이는 부분적으로 원료가 금형 내로 유입되면서 동결 층이 보다 빨리 생성되기 때문이다. 이 때문에 유동이 지연되어 나타나는 시각적 증거인 플로우 마크가 생길 수 있다.

또한 외부 표면에 냉각이 더 빠르게 진행되는 층에 배향 유지가 더 심하게 발생할 수 있다. 배향은 전단 박화를 촉진하고 원료가 캐비티로 유입될 때 점도를 낮추는 데 유용하다. 그러나 최종 성형품에 배향이 너무 심하게 유지되면 소재 특성이 비등방성이 되어 선호하는 쪽 방향으로 강도와 강성은 최대화되지만 다른 방향은 약한 상태가 된다.

내부 응력을 높이는 데 더 크게 기여하는 것은 금형표면과 직접 접촉하는 원료 층과 안쪽 원료 사이의 냉각 속도 차이다. 플라스틱은 열전도성이 매우 낮다. 따라서, 성형품의 안쪽 층은 표면층보다 천천히 냉각된다. 때문에 금형온도를 낮추면 냉각 속도의 차이가 과장된다.

성형품을 구성하는 원료의 여러 층에서 냉각 속도가 달라지면 수축의 차이가 발생한다. 성형품이 두꺼울수록 이 문제는 확대된다. 이는 PC소재에서 특히 잘 알려진 특성으로 임계 두께(critical thickness) 현상으로 나타난다. 이같은 거동은 시험편의 성형품 두께가 증가함에 따라 노치 아이조드(Izod) 충격내성이 큰 폭으로 감소하는 것을 통해 관찰할 수 있다.

이상의 모든 것은 결정 구조가 형성될 시간이 없을 것으로 보통 생각하는 PC소재 같은 비정질 폴리머에서도 금형을 더 뜨겁게 해주면 더 우수한 특성을 갖는 성형품을 생산할 수 있다는 주장의 타당성을 보여준다. 그렇다면 최적의 금형온도는 어느 정도일까? 다음 컬럼에서는 금형온도를 조절해 성형품 성능을 개선한 사례 연구를 인용해 이 질문에 대한 답을 하고자 한다.

작성자   비밀번호
19126   열변형온도 vs 동역학적분석 ③ 플라스틱코리아