폴리머 인사이트 #31 필름 제품에서 발생하는 겔(Gel)! 겔(Gel)의 발생 원인과 해결 방안은?
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        폴리머 인사이트 #31 필름 제품에서 발생하는 겔(Gel)! 겔(Gel)의 발생 원인과 해결 방안은?

        2021년 3월 24일

        필름 제품에서 발생하는 겔(Gel)! 겔(Gel)의 발생 원인과 해결 방안은?

        겔(Gel)은 필름 제품에서 발생하는 결함

        필름 제품에서 발생하는 작은 결함을 겔(Gel)이라고 부릅니다. 겔은 불량 요소로 필름의 품질을 떨어뜨립니다. 육안으로는 10µm(마이크로미터) 이상인 겔을 확인할 수 있습니다. 다만, 필름 품질의 불량 요소로 지목되는 겔은 대게 200 µm(마이크로미터) 이상을 말합니다.

        겔(Gel)은 무엇일까요?

        겔은 다양한 모양과 크기를 띠는데요. 겔에 따라 특정한 모양을 띠기에 유형에 따라 그 원인을 파악해 개선할 수 있습니다.

        원료, 공정, 설비, 환경 등 여러 요소에 의해 겔이 발생할 수 있습니다. 어떤 원인으로 겔이 발생하였는지를 추적하면 겔이 없는 정상 제품을 생산할 수 있습니다. 겔의 종류에 따라 발생 원인을 분석하고 그에 따른 해결 방안을 알아보도록 하겠습니다.

        다양한 겔(Gel)의 발생 원인

        겔이 발생하는 데에는 다양한 원인이 있습니다. 먼저 꼽을 수 있는 원인은 오염입니다. 오염 겔은 금속이나 나무, 다른 종류의 수지, 섬유 직물이나 벌레 혹은 먼지 등과 같은 오염 물질이 들어와 발생된 겔입니다. 이렇게 오염으로 발생한 겔을 오염 겔(Contamination Gel)이라 부릅니다. 필름 제품에서 오염 겔을 분리해야 합니다.

        압출기에서 소재가 불완전하게 섞이거나 부적합하게 섞여서 필름이 추출될 경우에도 겔이 관찰됩니다. 이 원인으로 발생된 겔을 미분산 겔(Unmixes Gel)이라고 부릅니다. 소재들 간에 점성(Viscosity), 부피 밀도(Bulk density), 용융 속도(Melting rate, 녹아서 섞이는 속도) 등이 다르므로 이 차이에 의해 발생하는 겔입니다. 핫스테이지 현미경 분석기(Hot-stage microscopy analysis)를 이용해 필름이 녹는 온도까지 상승시킨 다음에 재결정을 위해 냉각시킵니다. 이후 이물의 형태를 분석합니다. 미분산 겔의 경우 필름을 녹인 뒤 다시 냉각시키면 결정이 생기지 않습니다.

        소량의 산소로 인해 산화 반응이 일어나고 이로 인해 겔이 생기기도 합니다. 이런 겔은 산화 겔(Oxidized Gel)이라 하는데요. 산화 반응은 자유라디칼(Free radical, 짝짓지 않은 전자를 가지는 원자, 분자, 이온을 뜻함)을 형성합니다. 매우 빠르게 산화 겔이 만들어지며 산화가 일어날 경우 황색 혹은 검은색을 띱니다. UV 현미경을 사용하여 검출할 수 있는데요. 이는 산소에 의해 발생한 산화 겔일 경우 UV(Ultraviolet Ray, 자외선) 빛에 의해 겔 속에 존재하는 산소가 형광을 띠기 때문입니다. 압출 공정이나 플랜트 공정에서 항산화 첨가제를 사용하면 산화 겔이 생기는 걸 방지할 수 있습니다.

        겔(Gel)의 발생 원인은?

        T다이(T-Die, 단조, 드로잉 가공, 압출 공 또는 프레스 가공 등 소성가공에 사용하는 T모양의 틀) 안에 오래 머물게 되어 탄화(탄소로 변한 상태)가 된 겔도 있습니다. 체류로 인한 탄화 겔이라 명명하는데요. PE(Polyethylene, 폴리에틸렌) 필름의 경우 해당 겔을 채취해 고온으로 가열하고 성분을 분석하면 해당 물질은 탄산칼슘(CaCO3)으로 추정됩니다.

        고분자량 물질이 화학 반응을 일으키는 과정에서 결합으로 인해 생기는 겔도 있습니다. 바로 가교 겔(Crosslinked Gel)입니다. 결합된 가교 겔은 높은 점도를 가지고 있으며 분자량이 높아서 중합체가 용융되지 않는 경우도 있습니다. 가교 결합 반응이 계속 이어진다면 중합체는 점점 딱딱해질 것입니다. 가교 겔은 중합체 생산 또는 압출 설비에서 발생할 수 있습니다. PE의 경우에는 온도와 시간에 오래 노출됨으로 인해 발생할 수 있으며 압출기 설비에서는 유동 정체 구역, 비충전 유동 채널, 중합체가 압출기 또는 다이의 벽 등 달라붙는 곳에서 발생할 수 있습니다.

        증기나 가스가 필름 내부에 갇히면서 발생하는 가스/수분에 의한 겔(Hollow Gel)도 있습니다. 수지를 충분히 건조하지 않았을 때, 혹은 수지가 가열될 때 생기는 가스가 그 원인입니다. 나일론이나 PET(Polyethyleneterephthalat, 폴리에틸렌테레프탈레이트) 같이 흡습성(물질이 공기 중의 습기를 빨아들이는 성질) 높은 수지는 건조 시에 더욱 유의해야 합니다. 또 배럴(액체나 마른 물질을 담는 데 쓰는 통) 안의 스크루(회전하면서 소재를 밀어내는 장치)에 있는 공급부에서 수지를 가열하는 온도가 충분하지 못했거나 스크루가 너무 빨리 돌 경우 생기기도 합니다. 스크루 공급부의 온도를 높이거나 스크루의 회전을 좀 더 늦추는 등의 방법이 있으나 생산량과 관련된 부분이라 한계가 있습니다.

        마지막으로 꼽을 수 있는 원인은 중합체 분해(Degradation of Polymer)입니다. 고분자가 분해 온도(Degradation temperature)에 도달하게 되면 중합체의 단량체들은 파괴됩니다. 가공 온도 부근에서 분해 온도를 갖는 중합체의 경우 주의를 기울여야 합니다. 또 용융 상태에서 중합체 분자들이 높은 응력(물체가 외부 힘의 작용에 저항해 원형을 지키려는 힘)에 노출될 때 분자 결합이 파괴되고 사슬 절단(Chain scission)이 일어납니다. 사슬 절단은 분자와 분사 사이의 결합력이 약해지는 걸 말하는데요. 이렇게 되면 분합체가 분해됩니다.

        겔(Gel)의 형성을 막는 방법

        겔의 형성을 억제하려면 앞에서 살펴본 원인을 제거하는 게 가장 효과적입니다. 또 가공 온도 또한 신경 써야 하는데요. 압출 시 가공 온도에 따른 겔의 생성 개수를 살펴보면, 가공 온도가 낮을수록 가공 시간이 늘어났고 겔의 형성은 줄어듦을 알 수 있습니다. 또 같은 시간을 가공하더라도 가공 온도가 높아질수록 겔의 수가 늘어났습니다. 즉, 높은 온도로 성형할 경우 분자가 산화되며, 이렇게 산화된 분자는 수지가 정체되는 스크루나 다이, 전단력이 낮은 영역에 달라붙어 더욱 그 크기가 커지게 됩니다. 이로 인해 겔이 생깁니다. 이럴 경우, 처음 압출을 하게 되면 보이는 겔의 수는 적을 텐데요. 계속 압출이 이어지는 동안 겔은 점점 더 많아지고 어떤 시점에 이르면 겔은 더 이상 증가하지 않습니다. 겔의 형성을 억제하려면 분자가 산화되지 않도록 높은 온도를 피해야 합니다.

        겔(Gel)의 형성을 막으려면?

        수지의 체류 시간도 겔의 형성에 중요한 요소입니다. 압출물 생산 시간이 지나치게 길어지면 스크루가 마모되고 스크루와 배럴 사이 간격이 늘어나며 이로 인해 용융된 수지가 역류합니다. 역류로 인해 고분자 용융물이 압출기 내부에 오래 머무르게 되고 이는 겔의 형성으로 이어집니다.

        재가공되는 고분자의 함량도 유의해야 합니다. 한 번 가공을 한 재료는 산소 분자를 함유하고 있습니다. 그 때문에 재가공 시에 열화(열, 빛 등의 작용으로 성능과 기능이 떨어지는 현상)될 가능성이 큽니다. 전체 함량에서 재가공되는 고분자의 함량을 낮춰야 겔의 형성을 막을 수 있습니다. 마지막으로 산화방지제 및 가공제를 사용하면 겔을 줄일 수 있음을 알려드립니다. 다만, 이럴 경우 다른 문제가 생기거나 비용이 증가할 수 있습니다.

        품질 높은 필름 생산을 위해

        품질 높은 필름을 생산하기 위해서는 겔을 줄여야 합니다. 어떤 종류, 어떤 원인으로 인한 겔인지를 살펴보고 파악하는 게 무엇보다 중요합니다. 압출에서 기인할 수 있는 요소는 스크루 디자인과 스크루의 마모 상태이며 압출기 내부와 다이에서 흐름이 정체되는 구간과 온도 설정 및 온도 분포 등을 잘 확인해야 합니다. 또한 원재료 자체의 문제는 없는지, 재가공되는 원재료를 높은 비율로 사용하지는 않았는지 등을 철저히 확인해야 할 것입니다. 정기적으로 설비를 점검하고 보수하는 일 또한 겔의 형성을 줄이는 방법임을 잊지 말아야 할 것입니다. 품질 높은 필름을 생산하기 위해서는 이런 요소들을 꼼꼼하게 확인하고 점검해야 합니다.

        품질 높은 필름을 생산하기 위해서는 원인에 따라 겔을 파악하여 이를 해결하고 정기적으로 설비를 점검/보수해야 한다.

        내용 출처 : LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2017 겨울호 P.36 Gel의 발생 원인과 해결방안

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