폴리머 인사이트 #32 성형품 생산의 품질 문제 중 하나! 표면 품질이 떨어지는 현상, 용융체 파단(Melt Fracture)
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        폴리머 인사이트 #32 성형품 생산의 품질 문제 중 하나! 표면 품질이 떨어지는 현상, 용융체 파단(Melt Fracture)

        2021년 4월 29일

        성형품 품질을 떨어트리는 현상, 용융체 파단(Melt Fracture)

        성형품을 생산하는 데 있어 높은 생산성을 확보하기 위해 선속을 증대시킬 경우 많은 품질 문제가 발생합니다. 선속은 물리량이 시간 또는 위치에 따라 변할 때 변화하는 모양새를 표현하기 위한 용어로 흐름의 양을 말합니다. 흐름의 양인 선속을 증대시키거나 필름(Film), 시트(Sheet), 파이프(Pipe), 케이블(Cable), 파이버(Fiber) 등과 같이 선속이 높거나 다이(Die) 간격이 좁은 제품은 다이 이후의 공정(Post-die shaping)에서 품질 문제가 많이 발생할 수 있습니다.

        여러 품질 문제 중에서도 용융체 파단(Melt Fracture)은 표면 품질을 저하시키는 대표적인 현상입니다. 고분자가 다이(Die)에서 억눌리거나 지나치게 자극을 받아 다이(Die)에서 추출된 뒤 표면이 굴곡 등의 상태를 나타내는 현상을 말합니다. 대부분 정상적으로 생산하는 공정에서는 용융체 파단이 나타나지 않지만 기존 공정 대비 선속을 높이거나, 다른 원료를 적용하거나, 수지 온도가 낮아진 경우에 발생할 수 있습니다.

        용융체 파단과 점탄성

        고분자 수지는 압출기 스크류(Screw)와 다이(Die)를 거쳐 대기압 상태로 나오게 됩니다. 스크류(Screw)와 다이(Die) 내부는 높은 온도와 좁은 유로로 인해 큰 압력을 받아 고분자 사슬 구조에 일시적인 변화를 주게 됩니다. 이 과정에서 고분자는 구조 특성상 외부에서 받은 자극이 다이(Die) 내/외부에서 충분히 해소되지 못할 경우, 고분자 표면에 변형이 생기게 되어 용융체 파단(Melt Fracture) 형태로 나타나게 됩니다.

        즉, 용융체 파단이 생기지 않도록 하려면 수지가 다이(Die) 내에서 높은 자극을 받지 않거나 빠르게 완화하는 것이 중요합니다. 선속이 상승하게 되는 경우 수지와 다이(Die) 벽면 간에 발생하는 스트레스도 같이 상승하게 되며, 결국 완화될 수 있을 수준의 임계 자극 수치가 넘으면 표면에서 파단이 생겨나게 됩니다.

        고분자 수지는 앞서 언급된 바와 같이 외부에서 받은 자극이 해소되거나 그대로 응축되는 등의 과정이 반복되는데 이를 수지의 점탄성(Viscoelastic, 물체에 힘을 가했을 때 고체, 액체로서 성질이 동시에 나타나는 현상) 특성이라 합니다. 점탄성 특성을 회전형 레오미터(Rotational Rheometer, 용액의 점도 및 점탄성을 분석하는 장비)와 같은 정밀 측정 기기를 통해 확보할 수 있으며 해당 정보를 통해 고분자 구조를 예측할 수도 있습니다. 동일한 화학식을 갖는 원료라고 할지라도 분자 구조가 차이 날 경우 점탄성 특성이 크게 변화할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 A사의 원료를 사용하던 고객이 새로운 B사의 원료를 적용하는 경우 용융체 파단이 발생하였다면 A사와 B사의 원료 제조 과정 차이로 인해 점탄성 특성이 다름을 의심해볼 필요가 있습니다. 이 경우 기본적으로 압출기 온도 또는 조업 조건 등을 변경해 수지 온도를 높이면 개선될 수 있으나 다른 성형 문제를 발생할 수 있으므로 주의가 필요합니다.

        용융체 파단의 개선과 한계

        용융체 파단은 결국 공정조건 변경이나 원료 특성 변경을 통해 다이에서 발생하는 스트레스를 낮추거나 빠르게 완화시킬 수 있도록 해야 합니다. 적용 가능한 솔루션과 해당 솔루션이 갖는 한계는 다음과 같습니다.

        품질 높은 성형품 생산을 위해

        용융체 파단은 고분자 수지가 갖는 고유의 점탄성 특성과 온도, 선속도와 같은 공정 인자가 연관성이 있음을 확인해봤습니다. 다이 내부에서 높은 자극을 유발하고 해당 자극을 해소시키기 어려울 때 용융체 파단이 나타나게 되므로, 공정 조건, 외부환경, 원료 조절 등을 체크해 자극을 낮추면 개선될 수 있습니다. 다만 고유의 점탄성 수준이 너무 높은 경우 공정 조절을 통해 확보 가능한 조업 영역이 좁기 때문에 용융체 파단을 방지하기 위해서는 원료의 근본적인 개선도 고려해야 합니다.

        내용 출처 : LG화학 <폴리머 인사이트> 2018 가을호 P.28 고분자 용융체 파단

         

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