고분자 가공 - 3) 성형품 가공

 

 

 

고분자 물질은 다양한 방법으로 성형품으로 가공됩니다. 이러한 가공 성형품은 생활의 각 부분에 사용되며 가공품의 형태는 각종 용기, 톱니 및 생활용품 등 수없이 많으며 기계, 전기, 전자, 자동차 부품 등 거의 전 산업분야에 사용됩니다. 성형가공방법은 매우 다양하며 가장 대표적이고 생산성이 높은 방법은 사출성형법 및 압출법이라고 할 수 있습니다. 성형의 생산성을 높이기 위해서는 대단히 복잡하고 가격이 높은 생산설비를 필요로 하는 경우가 있습니다. 따라서 대부분의 실험실적 가공을 위해서는 casting 및 압축성형 등 많은 투자를 필요로 하지 않는 성형법을 적용하게 됩니다. 

 

 

1. Casting 

Casting은 액상의 단량체 또는 prepolymer를 금형에 주입하여, 금형 내부에서 중합 경화 시킴으로써 성형품을 제조하는 방법입니다. Casting 공정은 생산성이 낮으나 복잡한 형상을 쉽게 성형할 수 있으며 금형 외에는 투자가 적다는 장점이 있습니다. 가장 간단한 casting 성형의 예는 PMMA 판 가공이며 Polystyrene 수지의 성형 및 epoxy 수지 등의 열경화성 수지의 성형에 이러한 방식이 적용됩니다.

 

 

2. 적층법 (Lamination)

적층이란 두 가지 이상의 종류가 다른 필름을 붙이거나 또는 고분자 필름을 종이 또는 aluminium foil 등의 표면에 입히는 가공방법입니다. 이러한 가공을 하는 이유는 두 가지 다른 물질의 장점을 동시에 갖는 제품을 생산하기 위해서입니다. 예를 들어 cellophane 필름 위에 polyethylene 필름을 적층 시킬 경우 cellophane의 우수한 강도와 인쇄성 및 polyethylene의 우수한 열접착성 및 가스 차단성을 갖는 필름을 제조할 수 있습니다. 적층을 위해서는 각 물질 사이를 접착제로 처리하기도 합니다. 현재 적층 필름의 수요가 계속 증가하고 있는 추세이며 그 제조를 위해서는 2개 이상의 압출기를 사용하는 동시 압출 기술이 가장 많이 사용되고 있습니다. 

 

 

3. 압축성형 (Compression molding)

압축성형은 고분자의 pellet 또는 분말을 첨가제와 혼합한 후 상하가 분리된 금형의 하부에 채우고 그 위에 상부 금형을 결합하여 성형품을 생산하는 방법입니다. 금형으로부터 과잉의 고분자와 공기를 제거하고 가열 압축하여 성형품을 제조한 후 금형을 열고 성형품을 빼냅니다. 이 경우 압축을 위하여 가하는 압력은 약 150기압 정도입니다. 압축성형은 보통 phenol수지, 요소 수지, melamine 수지, alkyd 수지 등 열경화성 수지의 성형에 활용됩니다. 압축성형법의 단점은 가교를 위해 장 시간이 소요되기 때문에 생산성이 떨어진다는 것입니다. 

 

 

4. 사출성형 (Injection molding)

사출성형은 생산속도가 빠르고 가장 보편화된 성형방법입니다. 사출성형법은 열가소성 수지뿐만 아니라 열경화성 수지의 가공에도 적용할 수 있습니다. 사출성형공정은 사출기를 이용하는데, 분말상 또는 pellet상의 수지를 주입구를 통하여 사출기로 주입하고 주입된 수지는 사출기의 barrel 내에서 가열 용융됩니다. 고분자 용융물은 plunger나 screw를 이용하여 금형 내로 높은 압력(500~2,000기압)으로 주입됩니다. 금형에 주입된 고분자 용융물이 냉각 또는 가교에 의하여 고화되면 금형이 열리고 성형품이 빠져 나오게 됩니다. 이러한 공정은 계속 반복되면 반복주기는 수십 초 정도입니다. 공정 중 원료투입 및 제품수거는 자동화가 가능하므로 사출공정의 자동화율이 매우 높은 편입니다. 사출 성형이 가능한 성형품의 크기는 매우 다양하여 아주 작은(수 mm) 것에서부터 아주 큰(수 m) 것 까지입니다. 생산제품의 형태의 다양성과 적용되는 고분자 물질의 다양성으로 인하여 사출성형법의 적용범위는 매우 광범위합니다. 사출제품의 적용범위는 기계부품 및 전자부품 등으로 점차 확대되고 있습니다. 

 

 

5. 중공성형 (Blow molding)

중공성형법은 유리의 가공법과 매우 유사합니다. 복잡한 형태의 유리 성형품의 가공을 위해서는 tube 형태의 용융 유리를 금형 내부에서 공기를 주입하여 팽창시킵니다. 중공성형 공정에서는 가열되어 연화 된 튜브상의 열가소성 수지가 압출기로부터 일정량 배출된 후 그 주위에 금형이 닫히고 수지의 내부로 압축공기가 주입됩니다. 압축공기(2~5기압)가 주입되면 금형 면까지 수지가 팽창되고 경화되어 제품이 성형됩니다. 성형이 끝난 후에 금형이 열리고 성형품이 수거됩니다. 중공성형법은 수지의 압출가공에서 발전된 가공 기술입니다. 그러나 현재는 압출기가 사출기로 대체되고 있는 추세입니다. 

 

 

6. 회전성형 (Rotational molding)

중공성형과 마찬가지로 내부가 빈 성형품의 제조에 사용됩니다. Pellet상 또는 분말상의 고분자 물질은 금형에 주입되어 그 내부에서 용융됩니다. 용융수지는 금형이 상하 축과 좌우 축을 중심으로 동시에 회전할 때의 원심력에 의해 일정한 두께로 금형 내부 면에 코팅된 후 냉각 고화되어 제품으로 성형됩니다. 이 가공방법은 중공성형법에서와 같이 대형 용기류, 컴퓨터 housing 등의 대형 성형품의 가공 및 표면이 특수한 가공품의 성형에 유용합니다.  

 

 

7. 열성형 (Thermoforming)

열성형은 가열 연화된 수지에 여러 형태의 압력을 가함으로써 성형품을 제조하는 방법입니다. 압력을 가하는 방법에 따라 진공성형법, clamping 등으로 구분할 수 있습니다. 열가소성 수지의 열성형은 먼저 수지를 여러 형태의 틀에 고정한 후 가열하여 연화시킵니다. 성형 단계에서는 진공을 걸거나 압력을 가하거나 하여 여러 형태의 기계적인 조작에 의하여 성형품의 형태를 만든 후 냉각하여 고화시킵니다. 성형이 끝나면 마무리 손질을 하여 제품을 완성합니다. 열성형법은 판 형태의 모든 종류의 열가소성 수지의 가공에 적용할 수 있습니다.