고분자 가공 - 2) 필름가공 방법

 

 

 

 

열가소성 또는 열경화성 수지는 여러 가지 형태의 생활에 필요한 가공제품의 생산에 활용됩니다. 가공제품의 형태는 필름, 섬유, 각종 형태의 성형품 등 수없이 많습니다. 가공 방법의 종류도 사출, 압출, calender 가공 등 많은 방법이 있습니다. 고분자 물질의 가장 특이한 점 중 하나는 필름을 형성할 수 있다는 것입니다. 필름가공 방법은 주로 용액 casting법과 용융가공의 형태로 나누어질 수 있습니다. 그 외의 가능한 방법으로는 소결(Sintering)등이 있습니다. 실험적으로 casting이 매우 유용한 방법이며, 용융가공은 설비에 대한 많은 투자가 필요하므로 상업생산에 주로 이용되어 있습니다.  

 

 

 

1. 용액 Casting법

고분자 물질을 용매에 용해시키면 점성이 높은 용액을 얻을 수 있습니다. 이 용액을 접착성이 없는 평활한 표면에 전개시킨 후 용매를 날려 보내면 필름을 얻을 수 있습니다. Casting법은 매우 간단하여 실험적으로도 사용되고 있습니다. 사용되는 용매는 용해력이 매우 높은 이상용매이어야 하며, 비점이 너무 낮아도 안됩니다. 약 60~100°C 정도의 비점을 갖는 용매가 적당합니다. 사용 용매의 독성 및 인화성에 대한 충분한 고려도 필요합니다. 고분자 용액의 점도는 용액의 농도와 온도에 의해 조절이 가능한데, 점도는 용액이 천천히 흐를 정도로 높아야 합니다. 보통 20wt% 정도의 농도가 적당합니다. 필름의 두께는 용액의 농도 및 표면에 전개된 용액의 두께로부터 환산이 가능합니다. 예를 들어 20%의 용액을 사용할 경우 원하는 최종 필름 두께의 5배의 두께로 용액을 전개 시켜야 합니다. 

 

 

2. 용융압출법

고분자 물질은 대개 용융온도(또는 연화온도) 이상에서도 비교적 안정하므로 열과 압력을 이용하여 이를 용융가공함으로써 필름으로 가공할 수 있습니다. 필름가공에는 다양한 형태의 용융가공법이 적용되고 있으며 실험적으로는 대개 용융압축(melt pressing)법이 적용됩니다. 이 경우 전기 가열선이 부착된 실험실용 소형 프레스를 사용합니다. 상업적으로는 연속 생산이 가능하고 폭이 넓은 필름을 얻을 수 있는 방법이 유리하므로 용융압출법이나 용융 casting법이 주로 사용됩니다. 필름가공방법은 고분자의 종류에 큰 영향을 받으며 상업적으로 사용되는 가장 대표적인 필름가공방법은 압출기를 사용하는 것입니다. 압출기는 고분자의 가공에서 매우 중요한 장비입니다. 압출기는 일축압출기(single screw extruder)와 이축압출기(twin screw extruder)로 구별할 수 있으며 각기 장단점을 갖고 있으나 현재 이축압출기아 사용이 증가하고 있는 추세입니다. 압출기는 고점도인 고분자의 용융물을 연속적으로 밀어내는 일종의 pump이며 고점도 물질과 첨가제 및 다른 고점도 물질을 효과적으로 혼련하는 일종의 혼련기(mixer)입니다. 압출기를 이용한 가공공정에서 주요한 변수는 압출기 barrel의 길이와 지름의 비 (L/D), screw의 형태, screw의 회전속도(rpm), 그리고 가공온도 등입니다. 이들 변수의 조합이 압출기 내에서의 체류시간과 전단력을 결정합니다. 일반적으로 혼련효과를 높이기 위해서는, 큰 L/D, screw의 작은 pitch, 작은 rpm, 그리고 높은 온도가 유리합니다. 그러나 이들 조건은 생산성을 떨어뜨릴 수 있으므로, 혼련효과 생산성을 동시에 고려하여 가공조건이 결정되어야 합니다. 

 

 

3. Bubble 가공법

용융 압출법을 대신하여 생산성을 크게 높일 수 있는 방법으로 bubble 가공법이 있습니다. 이 방법은 압출기에 환형의 die를 부착하여 고분자 용융물을 관 형태로 압출하고 압축공기를 이용하여 이를 팽창시킴으로써 필름을 제조하는 방법입니다. 압축 공기에 의해 고분자 용융물은 원통형의 bubble과 같은 형태로 팽창하며 roller에 의해 단계적으로 압착되어 필름으로 감기게 됩니다. 이 방법으로는 두께가 얇은 광폭의 필름을 빠른 속도로 생산할 수 있습니다. 한편 bubble형성 시 필름은 두 방향으로 팽창되므로 이축배향(biaxial orientation)이 일어납니다. 배향이란 필름을 연산시킬 때 고분자의 주사슬이 필름의 면과 평행한 방향으로 배열하게 되는 현상을 말합니다. 연신은 일축연신과 이축연신으로 구분할 수 있습니다. 필름은 bubble 가공할 경우 이축연신이 가능하며 이축연신에 의해 필름의 인장강도, 유연성 및 치수안전성 등을 개선시킬 수 있습니다. 이축연신에 의해 필름의 투명도가 개선되고 기체 및 습기에 대한 차단성을 개선시킬 수 있는 경우도 있습니다. 필름을 연신키키기 위해서는 bubble 가공이 가장 보편적인 방법입니다. 그러나 일단 필름이 형성된 후 이를 단계적으로 연신시키는 방법도 있습니다. 즉 필름 양쪽을 clamp로 고정하여 clamp 간의 간격을 확대시킴으로써 횡방향으로 연신시키고 종방향으로는 roller의 회전속도를 조절하여 연신시키는 것입니다. 한편 필름이 냉각되기 전에 연신시킬 경우 연시시의 응력이 냉각과 함께 내부에 남게 되어 생성된 필름에 열을 가하면 수축하게 됩니다. 이러한 현상을 이용하여 열수축 필름을 생산하고 있습니다. 열수축 필름의 열수축률은 30-80% 정도입니다. 열수축 필름은 일반 포장용 또는 식품 포장용 필름으로 사용되고 있습니다. 

 

 

4. Calender법

고분자 용융물을 가열된 roller 사이를 통과시킴으로써 필름을 제조하는 방법을 calender가공이라 합니다. 이 방법은 두꺼운 필름 제조에 자주 사용합니다. Calender 가공법은 가소제 및 열 안정제 등의 배합을 필요로 하고 용융 시 열안정성이 불량한 PVC 등의 가공에 적용됩니다. 

 

 

5. 소결법 (Sintering)

Teflon 등의 고분자 물질은 용융점이 매우 높으므로 용융온도 이상에서는 열분해가 일어나게 됩니다. 따라서 이런 종류의 고분자 물질의 가공에 용융가공법을 적용하는 것은 불가능합니다. 그러나 이러한 고분자 물질에 높은 압력을 가하면 강도가 약한 필름으로의 성형이 가능합니다. 이러한 불완전한 필름을 가열함으로써 강도가 높은 필름을 제조할 수 있습니다. 이 방법은 금속 등의 가공에 적용되는 방법과 유사합니다. Teflon 필름을 생산하기 위해서는 분말을 100-500기압 정도로 압착하여 불완전한 필름을 제조한 후 이를 360-390°C 사이에서 열처리 합니다.