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제목 폴리에틸렌(PE)의 기초 ③
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2020/02/27 10:37

폴리에틸렌(PE)의 기초 ③

적절하지 않은 밀도를 선택하면 PE 성형품에 불량이 발생할 수 있다. HDPE는 고온에서도 상온에서 발휘하는 성능을 높은 비율로 유지하면서 융점이 LDPE보다 약 30℃ 높다. 그러나 LDPE는 저온에서도 취성 발생 없이 사용할 수 있다. 몇 가지 사례를 통해 어떤 문제가 발생했으며 또 원인이 무엇이었는지 살펴보도록 하자.

 

폴리에틸렌 소재에 있어 밀도의 중요성은 적절하지 않은 밀도를 선택했을 때 성형품 불량이 발생한다. 이 경우 응용제품들을 검토해보면 제대로 이해할 수 있다. 이번 컬럼은 이와 관련된 사례를 살펴보는 것으로 시작한다. 흥미롭게도, 이런 실제 현장의 불량 사례는 하나 같이 적절한 수준보다 높은 밀도를 지닌 폴리에틸렌 그레이드를 선택함으로써 발생한 경우이다.

사례 가운데 첫 번째는 컵 디스펜서 구성 부품이다. 사출성형으로 가공한 브러시로 비교적 특별할 것 없는 응용제품이다. 지금으로서는 다소 구닥다리처럼 보일지 모르지만, 1970년대에 이 성형품을 설계하고 특허를 획득한 회사에게는 무척 의미가 큰 제품이었다. 이 회사의 창립자 겸 회장이 직접 설계한 제품이기 때문이다.

이 부품 성형에 8캐비티 툴을 사용했다. 금형에서 나온 성형품은 브러시 모가 일정한 간격으로 베이스에서 튀어나와 있는 평평하고 길다란 조각 형태였다. 제품조립 과정에서 이 성형품은 컵 디스펜서(cup-dispenser) 하단 부분에 맞추어 원형으로 구부러져 들어갔다. 이 부품의 특별한 역할은 브러시 모가 한 번에 하나씩만 나올 수 있도록 해주는 것이다. 70년대에는 이런 것에 소비자들이 쉽게 감동을 받았다.

금형을 새로운 가공업체로 옮겨 맡기면서, 성형품 도면에 ‘폴리에틸렌’이라고만 지정했다. 성형업체가 원하는 밀도에 대해 물었을 때, 컵 회사 담당자는 아무런 생각이 없었고, 생산 원가 외에는 아무 것도 신경 쓰지 않는 것 같았다. 당시 이 성형업체는 5갤런 및 2갤런 통을 많이 제작하고 있었기 때문에 그 원료를 매우 좋은 가격에 공급받고 있었다.

따라서 이 부품의 샘플을 같은 원료로 성형했다. 사용된 원료는 용융 유동속도가 7g/10분, 밀도는 0.952g/cm3인 HDPE였다. 부품 성형이 잘 되어 조립도 적절하게 이루어졌다. 회사 구매 담당자와 성형품을 인도할 공장 품질 담당자의 승인을 받아 생산이 시작됐다.

그리고 몇 달 후, 조립된 완제품 하나를 본사로 보내왔다. 이 제품의 발명자인 회사 설립자가 이를 시험 사용해 보고 문제를 발견했다. 브러시 모가 너무 뻣뻣해 컵을 디스펜서에서 빼내기가 어려웠다. 더 안 좋은 것은 겹쳐진 컵을 잡아당겼을 때 컵이 한 개가 아니라 두 개가 빠져나오기도 했다는 점이다. 회사 전체에 난리가 났고 결국 성형을 맡은 공장에까지 영향을 미쳤다.

이 문제가 확인되었을 때 이를 해결하는 것은 매우 간단했다. 원료를 LDPE로 바꾸자 모든 문제가 해결됐다. 물론 HDPE로 만든 브러시로 조립한 수 십만 개의 컵 디스펜서를 어떻게 할 것인지를 두고는 격렬한 논의가 불가피했지만, 시간이 지남에 따라 HDPE 브러시의 문제가 더 많이 드러났다. 반복해서 사용했을 때 브러시 모가 스트립에서 떨어져 나가기 시작했다.

이는 당연히 부품 성능에 영향을 미쳤으며, 떨어져 나온 PE 조각이 디스펜서에서 뽑아낸 컵 안으로 떨어질 수도 있었다. 이와 관련해 컵 안에서 PE를 발견했다는 소비자의 불만이 접수됐다는 말은 듣지 못했지만, 오늘날 같이 온라인 리뷰나 즉각적인 고객 피드백이 넘치는 경우라면 무슨 일이 일어났을 지 상상해볼 수 있다.

원료 밀도의 변경에 따른 성형품의 거동 변화는 성형 원료의 밀도가 성형품의 기계적 성능에 미치는 영향을 분명하게 보여준다. HDPE는 LDPE보다 결정화도가 높다. 이로 인해 강도 및 강성과 같은 내부하 특성이 향상되지만 연성은 줄어든다. 또한 HDPE는 표면이 단단하며 특정 두께에서 LDPE보다 불투명도가 높다. 위의 사례에서 든 성형품은 늘 실온 환경에서 사용했었지만, HDPE와 LDPE의 온도에 따른 거동은 분자 구조의 차이 또한 반영한다.

HDPE는 고온에서도 상온에서 발휘하는 성능을 높은 비율로 유지하면서 융점은 LDPE보다 약 30℃ 높다. 그러나 LDPE는 저온에서도 취성 발생 없이 사용할 수 있다. 밀도에 비교적 작은 변화를 주어도 성능의 차이를 관찰할 수 있다. 이런 변화가 생각하지 못한 사이에 발생하는 경우가 많다.

몇 년 전 0.962g/cm3 밀도의 그레이드로 제작한 PE 성형품을 두고 고객과 작업한 적이 있다. 이는 폴리에틸렌 밀도 스펙트럼의 위쪽에 속하는 것이다. 성형 부품은 어셈블리 내에서 지속적으로 응력을 받았다. 시간이 지남에 따라 성형품의 일정 비율에서 균열이 생겨 밸브에 누출이 발생했다. 파단 패턴을 조사해본 결과 환경 스트레스 균열(ESC)임을 알 수 있었다.

폴리에틸렌에 대한 응력-균열 원인으로 작용하는, 특정 종류의 비누 용액에 어셈블리가 노출됨으로써 균열 과정이 가속됐다는 것을 발견했다. 어셈블리에 조립하지 않은 성형품에 대해 이 자극을 준 경우 불량 수준은 1% 미만이었다. 그러나 조립된 상태에서 관련 응력의 영향에 놓이면 불량률이 25% 이상 증가했다.

ESC는 비정질 중합체에서 전형적으로 관찰되는 불량 메커니즘이다. 비정질 중합체가 반결정질 중합체보다 동 파괴 메커니즘에 훨씬 더 취약하다는 것이 관찰됐다. 이 사실을 감안할 때 결정성이 높은 고밀도 PE가 저밀도 그레이드보다 ESC 불량에 더 취약하다는 것은 직관에 맞지 않는다. 그러나 이는 실제로 우리가 관찰한 것이다.

이 사례에서는 한 고객의 요구가 간접적으로 해결책을 찾게 도움을 주었다. 이 부품은 늘 착색되지 않은 천연 상태의 원료로 성형했다. 그런데 필자의 고객이 부품을 공급하는 어떤 최종 사용 고객이 일부 수량의 폴리에틸렌 부품에 색을 넣어 달라고 요청한 것이다.

성형품에 안료를 가하는 작업은 원하는 색상만 맞춰 나오면 실질적으로 큰 고민이 필요 없는 과정으로 여기는 경우가 많다. 관련자들이 색상만 좋다고 하면 해당 색상으로 농축물이 제조되어 특정 희석비율로 수지에 추가된다. 그러나 농축액을 만드는 데 사용되는 캐리어 수지가 기본 수지의 특성을 더 좋거나 나쁜 방향으로 바꿀 수 있다.

우리 사례의 경우에는 좋은 방향으로 작용한 것으로 밝혀졌다. 색상을 넣은 성형품은 균열이 발생해 되돌아 오는 일이 없었으며, 비누 용액 테스트를 수행해도 균열이 전혀 관찰되지 않았다. 색상을 넣어 성형한 부품의 밀도를 측정한 결과, 0.953g/cm3으로 나타났다. 처음에는 공급업체로부터 받은 기본 수지가 지정 사양을 벗어난 것으로 생각했다. 폴리에틸렌 공급 업체는 일반적으로 모든 그레이드의 밀도를 명목 사양의

±0.002g/cm3 범위로 가져갈 수 있기 때문이다. 이 경우 범인은 바로 색상을 내기 위한 안료 농축물이다.

농축물의 캐리어 수지가 0.920g/cm3 밀도의 LLDPE였던 것이다. 규정 희석 비율로 첨가했을 때, 이 안료 농축물의 캐리어 수지가 베이스 수지 밀도를 감소시키면서 우연히 ESC 문제를 해결해 준 것이다. 그 결과로 강도와 강성이 줄어들었을 수 있지만, 성형품이 여전히 기계적으로 아무 문제없이 작동하고 있었으므로, 이것이 균열 문제를 해결해 주었음이 분명했다.

다음 회 칼럼에서는 거의 20년 전, 그 때까지 성공적으로 사용돼 오던 PE 그레이드 하나의 사용이 중단되고, 현장에서 커다란 문제를 야기한 고밀도 그레이드로 대체한 문제 사례를 자세히 살펴기로 하자.   

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