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제목 플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑧
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/03/01 13:55

 

 

 

이 연재는 가공과정에서 상당할 정도로 조절할 수 있는 특성들을 살펴보고 있다. 이번에 살펴볼 것은 성형품의 내부응력으로, 몰디드인 스트레스(molded-in stress) 또는 잔류응력이라고도 부른다.

 

응력은 두 가지 큰 영향을 받아 상승한다. 압력 차이와 성형품 내부 폴리머간의 냉각속도 차이가 그것이다. 유동하는 용융폴리머는 시스템을 통과하면서 부분적으로는 원료가 유동하는 거리 그리고 단면면적과 관련돼 압력 손실을 보게 된다.

따라서, 모든 성형품은 원료가 게이트에서 출발해 캐비티 내의 마지막 충전지점에 이르기까지 유동하는 동안 부위에 따라 계측 가능한 압력 변화분포를 보인다. 이같은 압력 변이는 원료 수축정도의 변동을 낳는다.

냉각속도 또한 원료의 수축률에 영향을 미친다. 금형의 냉각수 공급선 레이아웃을 매우 세심하게 주의를 기울여 작업한다 해도 성형품 두께차이 때문에 냉각속도 편차가 불가피하게 발생한다. 금형 표면에 가까이 있는 원료는 성형품 중심부에 있는 원료보다 빠른 속도로 냉각될 것이다. 성형품 두께가 두꺼운 성형품일수록 이같은 문제가 두드러질 것이다.

배향(orientation)은 금형을 통과해 유동하는 원료의 서로 다른 층 거동과 관련된 또 하나의 요소다. 폴리머 사슬은 특성상 분자들이 줄을 이어 감긴 형태의 얽힌 그물망을 형성한다. 하지만 용융폴리머가 유동할 때 유동하는 원료의 서로 다른 층간의 전단력 차이는 폴리머 사슬을 강화하고, 원료의 유동방향으로 분자가 배향되도록 해준다. 이것이 폴리머가 비(非)뉴턴 거동을 보이게 되는 메커니즘이다.

전단률은 성형품 표면 바로 아래에서 가장 높게 나타나며, 이 층 또한 냉각이 가장 빨리 진행되는 부위이다. 이렇게 냉각이 신속하게 진행되면 폴리머사슬이 배향된 상태에서 코일처럼 감긴 상태로 바뀌기 위해 이완되는 데 필요한 시간에 제한을 가하게 된다.

따라서, 성형품 벽에 가까운 원료는 최종상태의 성형품에서 상대적으로 높은 배향 정도를 나타낸다. 배향 정도는 성형품의 내부 중심으로 갈수록 낮아진다.

이렇게 성형품 표면과 중심부 사이의 배향 변화도는 응력이 생성되는 원인이 될 뿐 아니라 섬유강화소재에서는 배향된 섬유와 폴리머가 냉각되면서 나타나는 치수 변화에 가하는 제약 때문에 비등방성 수축이 발생한다.

이 같은 제약은 횡으로 유동하는 방향에서는 적어도 같은 정도로는 관찰되지 않는다. 따라서 어떤 성형품도 용융수지 가공공정의 특성상 발생하는 일정 수준의 내부응력을 안고 있게 된다. 많은 경우 이 같은 응력은 성형품의 휨 현상으로 나타난다. 휨은 성형품 내에서 강도가 다르게 나타나는 수축(그것이 부피와 관련된 까닭에서든, 배향 때문이든)의 자연스러운 결과다.

하지만 휨이 성형품에 눈에 띄게 드러나지 않는 경우라 해도 여전히 응력은 그 안에 존재하고 있다. 성형품이 실제 현장에서 사용되면서 고온이나 특정 화학물질과 접촉이나 충격 같은 환경적 조건에 노출되기 전까지는 드러나지 않는 경우가 흔하다. 성형품에 내재하는 높은 응력은 현장 사용시 받게 되는 외부영향에 대해 최적에 못 미치는 반응을 보이는 결과로 이어진다.

휨 현상은 내부응력을 완화시키는 메커니즘의 일종이다. 성형업체가 근본원인을 해결하지 못하고 냉각하면 성형품의 움직임을 억지로 고정시키는 방법을 취하거나 휨을 줄이기 위해 공정조건을 바꾸는 경우 오히려 응력 수준을 더 높이는 결과를 만들 수 있다.

금형온도를 낮추면 휨을 줄이는 아주 효과적인 방법이 된다는 것을 모르는 가공업체는 거의 없다. 하지만 이 같은 해결책이 임시방편일 뿐이라는 것은 반(半)결정질 폴리머에 관해 다루면서 이미 확인한 바 있다. 그럼 결정화 과정을 거치지 않는 원료에 대해선 어떤 방법을 써야 하는가?

PC, ABS, 폴리설폰(polysulfone) 같은 비정질 폴리머들은 금형온도를 낮추었을 때 생기는 빠른 냉각속도에 어떻게 반응할까?

몇 년 전 이뤄진 ABS를 대상으로 한 연구에서 이 질문에 대한 통찰력이 제시된 바 있다. 아래에 보는 그래프는 이 연구의 결과를 나타내는 것으로 금형온도 및 용융수지온도가 특정 그레이드의 폴리머를 원료로 성형한 시험용 시편의 충격내성에 미치는 영향을 보여주고 있다.

ABS는 일반적으로 꽤 인성이 강한 소재로 여겨지며, 이와 같은 급의 원료들은 30~40N-m(22~30ft-lb) 범위의 낙추 파괴에너지를 보이며, 연성 파손모드를 나타낸다. 하지만 29°C(84°F)의 낮은 온도로 설정한 금형에서 만들어진 시편은 파손에 필요한 에너지를 취성이 매우 강한 소재가 갖는 값인 1.5N-m(1.1 ft-lb)에 불과했다.

용융수지온도를 꽤 넓은 범위로 218°C(425°F)에서 274°C(525°F)로 바꿔봤으나, 이 결과 눈에 띄는 변화를 만들지 않았다. 하지만 금형온도를 올리자 충격내성이 급격하게 향상됐다. 금형온도를 85°C(185°F)로 설정하자, 용융수지온도를 시험범위의 가장 높은 지점에 둔 상태에서도 충격내성이 30N-m(22ft-lb)로 향상됐다.

이 같은 충격내성 향상은 표면 근처의 원료와 성형품 중심에 있는 원료 사이의 냉각속도 차이가 줄어들고, 그에 더해 배향성을 지닌 원료층 두께가 줄어든 덕분으로 볼 수 있다. 두 가지 요소 모두 성형품 내부 몰디드인 스트레스 또는 잔류응력 수준을 낮춰 외부에서 작용하는 스트레스 관리능력을 높여준다.

이 같은 데이터를 제시했을 때 대부분 가공업체가 보이는 자연스러운 반응은 금형온도를 올리면 사이클타임이 길어질 것이라고 항변한다. 하지만 이런 항변에 대한 대답으로 용융수지온도를 낮췄을 때 무슨 일이 일어나는지를 관찰해봐야 한다.

금형온도가 낮을 때는 용융수지온도를 낮추는 것이 성형품 성능에 거의 아무런 영향을 주지 않지만, 금형온도를 올리면 동일한 폭의 용융수지온도 조절이 충격내성의 추가적 개선으로 이어졌다.

충격내성 48N-m(35ft-lb)이라는 최상의 결과는 용융수지온도를 최대한 낮추고 금형온도를 최대한 높였을 때 얻을 수 있었다. 용융수지온도를 낮춤으로써 사이클타임을 바꾸지 않고도 높은 금형온도를 유지할 수 있었다.

열을 신속하게 제거하는 최선의 방법은 처음부터 열을 유입시키지 않는 것이다. 용융수지온도를 낮추면 폴리머 열화의 위험성도 줄어든다. 이러한 거동은 잔류응력의 또 다른 측정방법인 응력 균열내성을 통해서도 확인할 수 있다.

투명 PC소재 성형품을 321°C(610°F)의 상대적으로 높은 용융수지온도와 24°C(75°F)의 낮은 금형온도로 가공한 성형품을 올리브 오일에 노출시켰더니 균열 발생이 관찰됐다. 사실, 이 같은 조건에서 가공한 성형품은 올리브오일에 노출시키지 않아도 제조된 뒤 충분한 시간이 흐르면 자체적으로 균열이 생긴다.

금형온도를 105°C(221°F)로 올리고, 용융수지온도를 277°C(530°F)로 낮춰 가공했더니 사이클타임을 늘리지 않아도 응력 균열이 사라졌다. 성형품의 표면 또한 더욱 우수한 외관을 보여줬다. 높은 금형온도 때문에 소재표면이 경화되는 속도가 늦춰졌기 때문이다.

하지만 이것들은 입증되지 않은 일화적인 결과들로서 플라스틱 세계에서는 누구나 한두 가지 그럴싸한 성공담이 있기 마련이다. 하지만 그렇다고 이것이 과학적 기준에 부합하는 것은 아니다. 다음번 칼럼에서는 이 같은 개선을 만들 수 있는 기초원리 및 그 원리들이 실제 성형품의 최적성능을 보장해줄 가공조건으로 구현하는 법을 상세히 살펴보고자 한다.

  

 

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18571   플라스틱 가공업체에게 가장 중요한 일 ⑦ 플라스틱코리아