Plastic 제품의 성형법 - 결정성 수지의 성형

2.5 비결정성 수지 및 결정성 수지의 성형 (part 2)

2) 결정성 수지의 성형

 결정성 plastic 중 나일론은 1938년 미국 듀폰사에서 개발되었으며 최근에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아세탈, 폴리스티렌, 텔레프타레이트 등의 수지와 함께 높은 강도, 내 피로성, 내열성, 내마모성이 우수한 수지가 개발되어 자동차 부품, 전기·전자 부품에 널리 사용되고 있다. 이러한 plastic 수지들은 종전에 금속으로 사용되어 오던 까다로운 용도에 더욱 많이 사용되고 있으며, 비결정성 수지에 비하여 독특한 특성을 갖고 있다. 비결정성 plastic은 온도가 상승하면 연화하여 성형이 가능하나, 결정성 plastic은 결정 융점에서 비결정으로 변화하고 더욱 가열하여 연화한 뒤 성형하기 때문에 성형온도까지 많은 열량이 필요하고 고화할 때까지 많은 열을 방출한다.

 

 (1) 사출 시간(Injection Time)

 반결정 특성으로 인하여 용융된 단계에서의 밀도는 고화 단계에서의 밀도보다 훨씬 낮기(15%까지) 때문에 금형 수축률이 높게 된다. 수축량의 감소를 위하여 성형품이 냉각되고 있는 시간 동안에 수축으로 생긴 공간을 채워주기 위하여 screw는(새로운 수지를 충전해 주기 위하여) 전진된 상태로 있어야 한다. Screw 전진 시간은 성형품의 내부까지 완전히 고화되어 새로운 수지가 보충되지 않을 때까지 충분히 길게 정해져야 한다. 정해진 금형에서 screw 전진 시간을 정확히 구하는 방법은 screw 전진 시간을 증가시켜 가며 성형품의 무게를 조사하여 성형품의 무게가 증가해 가다가 일정하게 되기 시작하는 시점의 시간이 최적의 물성과 치수 관리를 위한 적절한 screw 전진 시간이다. 여기에서 중요한 사항은 gate(게이트)의 위치와 크기이다. Gate의 크기가 작아서 성형품이 완전히 고화하기 전에 gate 부분이 먼저 고화된다면 성형품은 수축 현상 또는 내부에 기포가 생기게 된다. 적정한 gate를 설계하기 위한 기본원칙은 다음과 같다.

 ① gate는 가능한 한 성형품의 가장 두꺼운 부분에 위치해야 한다.

 ② gate의 두께는 gate가 있는 부분의 성형품 두께의 약 1/2이 되어야 한다.

 ③ 러너의 크기는 성형품의 가장 두꺼운 부분보다 약간 두꺼워야 한다.

 결정성 수지는 냉각 속도에 따라 결정 부분 전체에 미치는 비율, 즉 결정화율이 변화한다. 냉각 속도를 빠르게 하면 결정화율이 작아지고 서냉 하면 결정화율이 높아진다. 결정화율이 작으면 비중은 작아지고(수축률이 작아지고) 투명성은 증가한다. 결정화율이 크면 비중이 커지고(수축률이 높아지고) 반투명 또는 불투명이 된다. 냉각 속도는 성형품의 두께에 따라 다르며 냉각 속도는 결정화율을 변화시키게 된다.

 

(2) 냉각 시간(Cooling Time)

 (1)에서 설명한 것과 같이 screw 전진 시간의 결정은 결정성 수지의 성형에 매우 중요하다고 할 수 있다. 반결정성 수지는 연화점이 낮기 때문에 온도가 용융점 이하로 되면(screw 전진 시간이 완료되면) 곧 고화되어할 수 있다. 결정성 수지에서 냉각 시간의 설정은 성형품을 고화시키기 위하여 필요한 시간을 말하는 것이 아니다. 냉각 시간은 screw가 회전하여 용융된 수지를 노즐 쪽으로 모이게 하는 후퇴 시간에 좌우된다. 냉각 시간의 결정은 다음과 같이 정한다.

 - 냉각 시간 = screw 후퇴 시간 + 1초

 그러나 일회용 라이터의 몸체와 같이 깊은 성형품의 경우에서는 금형의 냉각 방법이 효과적인 것이 아니면 일정한 금형 온도의 유리를 위하여 조금 긴 냉각 시간이 요구될 수도 있다.

 

(3) 실린더 온도

 결정성 plastic을 성형하기 위하여 수지 온도는 매우 중요한 변수이며 실린더 온도를 설정하는 것은 용융 수지 온도를 얻기 위한 것이다. 결정성 수지는 융점에서 비결정으로 변하고 추가적인 열에너지를 흡수하여 연화되므로 사출량이 사출 용량에 비하여 40% 정도 이상일 경우에는 하향 실린더 온도(실린더의 호퍼 쪽 온도가 노즐 온도보다 높은 경우)를 채택하는 것이 좋다. 최근의 plastic 수지의 제조사에서는 수지의 용도별로 물성을 조절하기 위해 각종 첨가제를 투입하므로 수지별 최적 실린더 온도는 수지 제조사에서 시험된 자료를 활용하는 것이 바람직하다.

 

(4) 사출 압력

 엔지니어링 plastic의 성형에 필요한 사출 압력은 수지의 점도 및 첨가제에 따라 차이는 있으나 일반적으로 350kgf/cm² 에서 1,400kgf/cm² 범위 내에서 사용된다. 사출 압력은 다음과 같은 문제점이 생기지 않도록 충분히 높아야 한다.

 ① 거친 표면

 ② 미성형

 ③ 취약한 wild line(웰드라인)

 반결정성의 plastic은 미성형과 같은 성형 상의 문제점을 해결하기 위해 수지의 온도만을 상승시켜서는 해결되지 않는다. 수지 온도의 상승은 점도의 상승에 큰 영향을 주지 못하며 오히려 열분해를 일으키기 쉬우므로 사출 압력을 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 약한 weld line은 금형에 air vent(공기 빼기)를 설치하는 것이 좋다. 너무 높은 사출 압력은 플래시의 원인이 될 수 있으며, 가늘고 긴 core는 변형될 우려가 있다. 반결정성 수지의 경우 수축량이 크기 때문에 과잉충전(over packing)에 ejecting 불량문제는 거의 없다. 여러 cavity가 있는 성형품 중 1~2개 cavity에서 플래시가 발생하고 동시에 다른 cavity에서는 미성형이 되는 경우가 종종 있다. 이 경우는 사출 압력만을 조정하여 개선되지 않으며 모든 cavity에 거의 동시에 충전되도록 러너 시스템의 수정 또는 gate 밸런스를 고려하여 개선하여야 한다.

 

(5) 충전 속도(사출 속도)

 사출 압력과 사출 속도는 서로 관련이 있으나 최근의 사출 성형기에 있어서는 독립적으로 컨트롤된다. 사출 압력은 실린더에 작용 유압을 조절하는 밸브에 의해 조절된다. 사출 속도는 screw가 얼마나 빨리 앞으로 움직이는 가에 달려 있다. 그리고 그것은 사출기 유압 실린더로의 기름의 흐름 속도를 조절하는 밸브에 의해 조절된다. 반결정성 수지는 빨리 고화되기 때문에 고화되기 전에 충분한 충전을 위해 중간에서 빠른 듯한 사출 속도가 요구된다. 수지가 고화되기 전에 cavity가 채워지도록 충분히 빠르게 충전한다면 더 양호하고 더 균일한 표면 광택을 얻을 수 있다. 이것은 유리섬유 강화 수지를 성형할 때 서리가 낀 듯한 표면(유리섬유가 나타난 표면)을 피하기 위하여 특히 중요하다. 그러나 제팅(jetting) 또는 gate 결함과 같은 부분적인 표면의 불량들은 충전 속도를 낮춤으로써 종종 감소시킬 수 있다. 빠른 충전 속도를 얻고, 약한 weld line과 타버릴 문제를 피하기 위해서는 충분한 공기 빼기(air vent)를 금형에 추가하여야 한다.

 

(6) Screw 후퇴 속도(Screw Refill Speed)

 약간 느린 또는 중간 정도의 screw 후퇴속도에서 균일한 색상과 양호한 용융 상태의 수지를 얻을 수 있다. Screw 후퇴 시간은 대부분의 냉각 시간을 차지하도록 screw 후퇴 속도를 변화시켜 조정되어야만 한다. 따라서, 빠른 사이클의 성형작업을 위해서는 screw 후퇴 속도를 빠르게 하여야 하며, 이때 성형품의 품질에 세심한 주의를 기울여야 한다.

 

(7) 배압(Back Pressure)

 높은 배압은 screw가 원료의 혼합 작용 및 기계적인 열에너지를 증가시킨다. 그러나 그것은 screw를 통과하는 수지의 토출량을 감소시키고 유리섬유의 길이를 짧게 하여 유리섬유 강화 수지의 물성을 변화시킨다. 일반적으로 배압은 더 많은 열에너지를 가하거나 혼합이 필요할 때만 사용된다(마스터 뱄지나 안료가 사용될 때, 미용융 수지들을 피하고 착색의 균일성을 개선하는 것 같은 경우)

 

(8) 건조(Drying)

 나일론, 아세탈, 폴리에스테르(polyester) 수지와 같은 엔지니어링 plastic들 중에서, 나일론과 폴리에스터는 응축 중합에 의해 만들어진다. 즉, 중합이 진행되는 동안에 물이 방출되고 제거된다. 사출성형기의 실린더 속에 젖은 수지를 넣고 약 300℃까지 가열시키면, 역반응(분해 또는 폴리머의 절단)이 발생하게 되는 것을 쉽게 짐작할 수 있다. 그러므로 건조는 성형품의 품질을 보증하기 위해 매우 중요하다. 폴리에스테르 수지는 나일론보다 더 습기에 민감하다. 예를 들면, PET의 경우 성형 전에 권장된 최고의 수분율은 0.02%이고 나일론 66은 0.3%이다. 그러나 “수소 결합”의 형성 때문에 일단 나일론이 습기를 흡수하면 건조가 어렵다. 제습식 건조기와 재래의 호퍼 건조기 사이의 중요한 차이는 제습식 건조기는 공기를 가열시키고 원료를 통하여 그것을 순환시키기 전에 건조제 층을 통과시켜 공기를 건조한다. 후냉각기는 간단하지만 매우 중요하지만 종종 무시되는 경우가 있다. 그 기능은 호퍼로부터 순환된 공기가 필터를 통하여 건조층을 통과하기 전에 냉각시키는 것이다. 그것은 건조층을 훼손할지도 모르는 휘발성 물질을 제거하는 것을 돕고, 건조제의 효율을 최대화한다.