[한국금형비전포럼] 사출 성형에서의 가소화 과정에 대한 고찰
LG화학 김월룡 기술사
사출을 하는 사람들이 중요하다고 여기는 사출 성형 조건은 속도와 위치, 압력이다. 하지만 이런 조건보다 더 중요한 것은 수지를 제대로 녹이는 것이다. 우리는 짧은 시간에 수지를 녹여 생산성을 향상시켜 왔다. 그러나 예전처럼 사출기에 스크류가 없는 경우, 수지를 녹이는데 어느 정도 시간이 더 필요한지 예측할 수 있어야 한다. 열전도도와 가소화 시간은 플라스틱의 경우 0.15~0.25W/m℃이다. 히터밴드로 수지를 녹이려면 수백에서 수천초의 계량 시간이 필요하다. 즉 1사이클이 수분에서 수십분 소요된다. 따라서 수지는 히터밴드로 녹이는 게 아니다. 빠른 시간에 수지를 녹이려면 스크류 회전수 즉 rpm을 높여야 한다. 스크류는 녹아가는 수지와 실린더의 표면에서 발생하는 마찰력으로 수지를 녹이게 된다. 실제로 히터밴드에서 수지를 녹이는 양은 20~30% 밖에 되지 않는다. 나머지 70~80%는 마찰력이다. 따라서 수지를 가장 빠르게 녹이는 방법은 온도를 높이는 것이 아니라 rpm과 배압을 조절하는 것이다.
유럽 PMMA 업체를 예로 들면 스크류의 직경이 30mm이면 최대 스크류 회전 속도는 120rpm, 직경이 120mm이면 회전 속도는 30rpm이라고 가이드를 정해 놓았다. rpm 배압이 맞으면 수지 내 기체함량이 높아진다. 이 기체는 윤활작용을 해 마찰력을 높여 발열이 생기지 않는다. 그러나 계량관에 기체가 너무 많으면 과도한 마찰열로 인해 열분해 현상이 일어난다. 수지의 점도가 높으면 용융수지와 기체 간에 상분리가 안 된다. 반면 수지 점도가 낮아지면 유동성이 좋아 기체 분해가 잘된다.
그렇다면 가소화를 어떻게 설정할까? 최적의 rpm과 배압을 찾으려면 가이드를 설정하고 그 범위 중 정중앙을 선택하면 된다. 세 번 정도 사출을 해보고 어느 수지에서 가스가 가장 많이 나오는지, 혹은 가장 적게 나오는지 확인해 선택하는 것이다.
유압식 사출기는 압력을 높이지 못하기 때문에 스크류 좌우에 각기 다른 압력을 가해 압력 차이를 만든다. 이 원리로 유압펌프의 낮은 압력으로 높은 사출압을 발생시킬 수 있다. 우리가 보는 유압식 사출기 계기판의 각종 압력은 스크류에 작용하는 압력이 아니라 유압 펌프에 작용하는 압력이다. 반면 전동식 사출기는 유압장치가 없어 로드셀로 힘을 측정한다. 스크류 단면적으로 나눈 값이 전동식 사출기의 배압이며, 스크류 앞에서 용융수지가 받는 실제 배압이다. 업체들이 유압식 사출기와 전동식 사출기에서 나오는 압을 같이 세팅해 문제가 발생한다.
이 가소화 조건이 적절하지 않은 몇몇의 사례가 있다. 과도한 rpm과 배압으로 마찰열에 의해 분해가 일어나고 가스가 발생했다. 이 경우 과열 분해를 피하기 위해 rpm과 배압을 낮추면 된다. 미건조 PBT 수지의 경우, 고객이 처음 설정한 배압 수치 7MPa를 17~20MPa로 높였다. 똑같은 수지이지만 rpm의 수치에 따라 다른 결과가 나온다. 수지 안에 얼마나 공기를 잘 채워놓고 작업하느냐, 공기를 얼마나 잘 빼주느냐의 차이이다.
결론적으로 사출에서 최우선적으로 고려해야 할 기본은 가소화이다. 가소화 조건 변수 중 가장 중요한 것은 스크류 회전수이며, 그 다음으로 배압, 실린더 온도이다. 소재의 유동성과 가스함량, 내열도 등의 특성에 따라 가소화 조건을 조정할 수 있어야 한다.
