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제목 폴리카보네이트 가공 할 때 금형 온도의 중요성 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/01/09 22:10

폴리카보네이트(PC) 성형품 제조과정에서 금형온도를 높여 성형품 품질을 향상시키는 것을 두려워해서는 안된다. 원료에서 열에너지를 제거하는 데 필요 이상의 시간을 더 들이지 않는 가장 좋은 방법은 반드시 필요하지 않은 에너지를 원료에 집어넣지 않는 것이 우선이다. 여기 몇 가지 예를 살펴보도록 하자.

사이클타임을 결정하기 위해서는 원료가 이형 가능한 모듈러스에 얼마나 빠른 시간 안에 도달할 수 있는지를 알아야 한다.


몇 해 전 필자의 고객이 폴리카보네이트로 6x6 인치(152x152mm) 크기의 간단한 패(牌, 카드, 화투모양)를 사출성형하기로 했다. 패의 벽 두께는 0.5인치(12.7mm)였고, 고객은 이 패를 가지고 작은 크기의 다양한 부품을 가공할 수 있었다. 금형으로 먼저 생산된 성형품은 투명했기 때문에, 이 정도 두께에서 주요 염려 사항은 공극의 발생이었다.


공극은 생기지 않았지만, 성형품 표면에 유동 흔적 라인이 너무 많아서 투명하게 보이지 않을 정도였다. 성형품의 이 같은 외관 문제를 해결하기 위해 이 성형업체 고객을 방문했을 때 금형온도는 75F(24℃)로 설정되어 있었다. 이 문제를 어떻게 해결하는 것이 좋겠냐는 질문에 필자는 우선 금형온도를 높여보자고 답했다.


금형온도를 얼마나 높일 생각이냐고 묻기에, 아직 확실히 알 수는 없지만 220F(104℃)까지 올렸으면 좋겠다고 답했다. 이때 내가 받은 반응은 이전에도 여러 차례 들었던 것이다. 즉, “그러면 원료가 절대 굳지 않을 것”이라는 대답이었다.


그래프에서 볼 수 있듯이 온도에 따른 PC의 모듈러스 좌표를 나타내고 있다. 성형 업계 내에서 사이클타임 결정 방법을 둘러싼 많은 논의가 있지만, 필자는 이 문제는 근본적으로 성형하는 원료가 이형 가능한 모듈러스에 얼마나 빠른 시간 안에 도달할 수 있는가에 관한 것이라는 의견을 가지고 있다.


이 그래프는 220F(104℃)에서 PC의 모듈러스가 실온에서보다 약 15% 정도 밖에 낮지 않다는 것을 보여준다. 오른쪽에서 왼쪽으로 빨간색 선을 따다가 보면, 실온 수준으로 냉각할 때 PC가 최종적으로 지니게 되는 강성의 대부분이 원료가 265F(130℃)로 냉각되는 시점에 이미 생성된다는 점을 명확히 알 수 있다.


동시에, 필자는 소재의 용융수지의 온도가 610F (321℃)라는 것을 깨달았다. 우리는 성형품에서 제거해야 하는 열의 양을 줄이기 위해 용융수지 온도를 500F(260℃)로 낮추자는데 합의를 보았다. 그러자 사이클타임의 변화 없이도 유동흔적 선이 전혀 없고 원하는 투명성을 지닌 성형품이 나왔다.


그때 우리가 미처 알지 못했던 것은 낮은 온도의 금형으로 가공된 성형품이 2년 후 보관돼 있다가 갑자기 금이 가기 시작한다는 점이다. 균열은 성형품의 양 쪽 표면에서 1/8인치(3.2mm)보다 약간 얕게 성형품 가장자리에서 처음 나타났으며 시간이 흐름에 따라 꾸준히 확대됐다.


균열의 깊이는 빠르게 냉각된 금형 표면에 가까운 원료와 훨씬 느리게 냉각된 벽 부분까지 원료 내 전이를 잘 보여준다. 이는 성형품 내부의 높은 응력이 원료의 장기적 거동에 영향을 미치는 방식을 잘 보여준다. 금형의 높은 온도로 성형한 일부 성형품들은 지금까지 거의 8년이나 됐지만 아직 이러한 결함을 보이지 않고 있다.


최근에도 필자의 다른 고객사 2곳도 폴리카보네이트 성형품의 주기적인 취성 거동 문제를 금형온도를 올림으로써 해결했다. 그 가운데 하나는 성형품이 표준 굴곡 테스트 중에 게이트에서 취성 파괴가 발생한 사례였다. 다른 한 경우는 성형품이 성형품 내부 응력 측정을 위한 시험에 사용 된 유체에 노출되었을 때 응력 균열로 문제가 나타났다.


이 경우 성형품을 가공한 후 어닐링을 통해 문제를 해결했다. 그러나 어닐링 단계를 거친 뒤에도, 응력 균열로 인한 불량이 여전히 일부 발생했다. 두 가지 경우 모두 금형온도를 높임으로써 문제를 제거할 수 있었다. 어닐링이 필요했던 성형품의 경우에도 금형온도를 높인 후에는 어닐링 과정이 더 이상 필요하지 않았다.


이 두 가지 경우에는 공통점이 있다. 두 가공업체 모두 이미 원료 공급 업체가 권장하는 범위의 금형온도를 사용했다. 게이트 지점에서 굴곡에 불량이 발생한 성형품의 경우 금형온도는 170~190F(77~88℃)로 지정되어 있었고, 이 같은 설정을 기준으로 공정이 승인되어 실행 됐다.


그러나 원료에 첨가되는 안료의 조성 변화가 성능 문제를 야기했으며, 간단한 실험계획법(DOE)을 통해 금형온도를 210~230F(99~110℃)로 증가시킴으로써 불량 발생을 막을 수 있음이 확인됐다. 또한 DOE를 통해 용융수지 온도를 소폭 올려주면 응력 완화에 도움이 된다는 것도 드러났다.


용융수지 온도가 증가함에 따라 금형 표면온도가 올라갈 수 있다는 것도 밝혀졌다. 그러나, 용융수지 온도를 올리면 폴리머의 평균 분자량의 허용 가능한 범위에서 감소가 관찰 되었지만, 금형온도를 올리면 그러한 부작용이 수반되지 않았다.


어닐링이 필요했던 성형품의 경우, 최초 금형온도는 160F(71℃)였다. 필자는 금형온도를 210~230F (99`~110℃)로 올릴 것을 권했다. 성형품의 공칭 두께가 0.200인치(5mm)였기 때문에 처음에는 우려가 있었다. 하지만 그보다 더 높은 금형온도에서도 성형이 가능했다.


이 사례의 경우 가공업체는 원료의 그레이드를 그에 따라 변경하는 방법을 사용할 수도 있었고, 필자는 후속조치로 공칭 13 MFR에서 공칭 6 MFR로 PC 그레이드를 바꿀 것을 권했다. 이를 통해 응력균열 내성을 향상시키는 동시에 두꺼운 부위의 싱크마크 발생 경향도 줄일 수 있기 때문이었다.


이상의 사례들은 금형온도를 사용해 성형품 품질을 향상시킬 때 기존 한계를 넘어서는 것의 중요성을 잘 보여준다. PC 가공을 위한 금형온도에 대한 물성표 상의 권장 사항을 보면 문서를 발행한 지역에 따라 동일한 그레이드 원료에 대해서도 차이가 있다는 점은 흥미로운 사실이다.


같은 그레이드의 원료에 제각각 다른 권장 내용을 담은 세 종류의 물성표를 발견한 적이 있다. 이 가운데 2가지는 아시아 및 미주 지역에서 발행 된 것으로 158~203F(70~95℃)의 권장 금형온도를 제시하고 있었던 반면, 유럽 시장용으로 공개된 물성표는 176~230F(80~110℃) 범위를 권하고 있었다. 전 세계 시장 가운데 적어도 일부 지역에서는 원료 공급업체가 표준 물 가열 장치 이상의 장비가 필요한 금형온도를 권장 온도로 제시하는 것을 피하고 있는 것으로 보인다.


그러나 경험을 통해 표준 관행을 뛰어 넘는 시도의 이점이 반복적으로 확인된 바 있다. 대부분의 경우, 일반적으로 필요 이상으로 높게 설정되기도 하는 용융수지 온도를 낮춰 사이클타임을 일정하게 유지할 수 있다.


용융수지 온도가 올라가는 것은 바로 금형온도가 너무 낮기 때문인 경우가 흔하다. 원료에서 열에너지를 제거하는 데 필요 이상의 시간을 들이지 않아도 되는 가장 좋은 방법은 반드시 필요하지 않은 에너지를 원료에 집어넣지 않는 것이다. 이와 마찬가지 원료가 아크릴, ABS 및 폴리설폰 계열을 포함한 다양한 비정질 폴리머에도 마찬가지로 해당된다. 앞의 그래프에서 볼 수 있듯이 비정질 재료는 대부분의 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 빠르게 굳는다.

1)이 그래프는 220F(104℃)에서 PC의 모듈러스가 실온에서보다 약 15% 정도 밖에 낮지 않다는 것을 보여준다. 오른쪽에서 왼쪽으로 빨간색 선을 따다가 보면, 실온 수준으로 냉각 할 때 PC가 최종적으로 지니게 되는 강성 대부분이 원료가 265F(130℃)로 냉각되는 시점에 이미 생성된다는 점을 명확히 알 수 있다.

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19172   폴리카보네이트 가공 할 때 금형 온도의 중요성 ① 플라스틱코리아