제5장 잘못된 용융수지 온도

   
결정성 엔지니어링 폴리머를 성형할 때 용융수지 온도(melt temperature)를 선택하는 것이 성형품의 품질에 매우 중요하다. 일반적으로 허용 한도가 비결정성 수지를 가공할 때보다 좁다. 성형기를 다루는 작업자는 최종 제품의 물성에 직접적인 영향을 준다. 이 자료의 5장에서는 POM, PA, PBT 및PET를 성형할 때 용융수지 온도의 문제를 다루고 있다.

 용융수지 온도가 잘못된 경우 어떤 일이 발생하는가?

용융수지 온도는 너무 높거나 너무 낮을 수 있는데, 양쪽 모두 잘못된 것이다. 그리고, 용융수지에서 온도의 분포도 고려해야 할 요인이다.

너무 높은 온도는 폴리머를 디그레이드(degrade) 시킨다. 즉, 분자 사슬을 파괴한다. 또 다른 결과는 용융수지에 있는 첨가물, 즉 안료, 충격 완화제(impact modifier) 등도 분해된다는 점이다. 그 결과 (분자 사슬이 짧아진 결과) 기계적 특성이 나빠지고, (분해 산물로 인해) 표면 결함이 생기고 불쾌한 냄새가 난다.

온도가 너무 낮은 경우, 균일성이 제대로 갖추어지지  않은 구조가 된다. 이는 충격 저항을 극적으로 감소시키며 대부분의 경우 물리적 특성에 상당한 변화를 초래한다.

용융수지 온도와는 별도로, 사출부(injection unit)에 폴리머가 머무르는 시간(dwell time)도 중요한 역할을 한다. 경험에 의하면 머무르는 시간은 2분에서 9분 사이가 정상인 것으로 보여진다. 머무르는 시간이 더 길면, 용융수지 온도가 정확하다 할 지라도 어떤 상황에서는 열 분해가 일어날 수 있다. 머무르는 시간이 너무 짧으면, 용융수지가 완전히 균일해질 시간이 없는 것이 보통이다.

용융수지 온도가 잘못된 것을 어떻게 알 수 있나?

POM의 경우, 과도한 열적 스트레스는 분해 산물을 발생시켜서,용융액에 거품이 생기게 한다.이는 용융수지를 퍼지(purge)할 때 용융수지에서 선명히 관찰할 수 있다. 다른 증상은 금형 침전물의 증가와 불쾌한 냄새이다. 그러나, POM 호모폴리머(homopolymer)의 물리적 특성은 너무 높은 용융수지 온도에 거의 영향을 받지 않는다.

사출 노즐이 너무 뜨거워서 과열이 발생하는 경우를 포함하여, 극단적인 조건에서 PA는 변색이 된다. PA형은 모두 기계적 특성 저하를 통해 열 분해를 파악할 수 있다. 실험실 환경에서는 용액의 점성으로 열 분해를 확인할 수 있지만, 일반적으로 성형기를 사용하는 곳에서는 이 방법을 적용할 수 없다.

PBT와 PET는 과열에 훨씬 심하게 반응하여 강성(toughness)이 저하된다. 공정 중에는 흠집을 알아보기 어렵다. 적절한 품질 관리 검사를 거치지 않으면, 조립 단계가 되어야 손상이 드러나거나 성형품을 사용하는 중에 드러나는게 보통이다. 변색은 아주 심한 손상을 나타낸다. 실제로는 무작위로 표본을 추출하여 강성에 관계된 특성을 측정하는 테스트를 하는 것이 보통이다. 성형품의 점성에 관한 테스트를 하려면 시간이 너무 많이 걸리고 비용이 많이 든다.

비강화 PA나 PBT의 경우, 퍼지(purge)시 용융되지 않은 입자가 관찰되면, 용융수지 온도가 너무 높거나 극단적인 경우 토출량(shot size)이 과도함을 나타낸다.

올바른 용융수지 온도

각 엔지니어링 폴리머의 최적 용융액 온도 범위는 참고 자료를 통해 알 수 있다. 일반적으로 배럴(barrel) 가열 부위의 온도 설정만으로는 신뢰할 수 없는데 왜냐하면 히터 밴드로 인한 온도 상승과는 별도로 스크류 회전으로 인한 마찰도 열을 발생시키기 때문이다. 이렇게 발생되는 열이 얼마나 되는지는 스크류의 구조와 rpm, 그리고 배압(back pressure)에 달려 있다.

다음은 정확한 온도 측정을 위해 권장되는 사항이다.

• 용융수지 온도 탐침(probe)의 직경을 1.5mm이하로 한다.
  
• 탐침을 예열한다.
  
• 용융수지를 단열 용기에서 취한다.
  
• 측정하는 동안 잘 젓는다.

최초로 온도를 측정하거나 신뢰할 만한 기존 측정값이 없는 경우, 유입부(feed section)의 용융점보다 10-15℃ 높고 측정 부위에서 요구되는 용융수지 온도보다 약5-10℃ 낮도록 온도 프로파일을 구성해야 한다. 측정하는 용융수지 온도에 따라 온도를 미세하게 조정한다. 머무르는 시간(dwell time)이 길고 측정시간이 짧은 경우, 일반적으로 상승 프로파일이 권장된다. 머무르는 시간이 짧고 측정 시간이 긴 경우 균일 프로파일이 최상의 결과를 주는 것이 일반적이다. 온도 영역을 해당 폴리머의 용융점보다 낮게 설정해서는 안 된다.