사출 금형 1

제1장 플라스틱(Plastic)의 개요

1. 플라스틱의 유래 및 정의

사출 금형(MOLD)의 소재가 되는 플라스틱은 각종 전기•전자기기와 기계장치 및 자동차 부품 등에서 경량화•소형화 경향에 따라 플라스틱 제품도 고정밀도를 요하는 시대를 맞이하고 있습니다.

게기에다가 광디스크의 보급과 각종 렌즈 등과 같은 광학기기의 플라스틱화로 이러한 경향은 가속화되고 있습니다.

배터리 팩과 같은 초박형 제품을 성형하기 위한 고속 성형이라는 특수 플라스틱 성형법이 개발되었고 이는 경량화•소형화의 경향을 적극 반영한 사례이기도 합니다.

우선, 플라스틱이란 가소성 물질 또는 플라스틱스라고도 하며 천연수지와 합성수지로 크게 구별되고 일반적으로 플라스틱이라고 하면 합성수지를 가리킵니다.

플라스틱은 최종적인 고형이며 분자량이 많은 것이 되지만, 거기에 이르는 제조공정의 어떤 단계에서 유동성을 가지며, 이때 성형이 이루어지는 것이라야 플라스틱이라 말할 수 있을 것입니다.

원칙적으로는 유기화합물로써 고분자화합물이 될 수 있지만, 이러한 것을 본질적 성분으로 하는 재료 전반을 포함해서 플라스틱이라고 말할 수 있습니다.

1868년 미국의 발명가 하이엇이 상아로 된 당구공의 대용품으로 발명한 셀룰로이드가 세계 최초의 플라스틱입니다.

그후 베이클랜드가 1909년 발명한 페놀 포르말린 수지(베이클라이트)가 이를 대체하였으며, 이것이 외관상 송진(RESIN)과 비슷했기 때문에 합성수지라는 말은 여기에서 유래가 되었고 그 후 인조 재료를 통칭하는 의미로 쓰이기 시작하였습니다.

그러나 천연수지와 다른 인조 재료가 많이 출현함에 따라 점차 그리스어인 플라스티코스(PLASTIKOS : 성형하기 알맞다는 뜻)에서 유래하는 플라스틱이라는 이름으로 바뀌어 불리게 되었습니다.

플라스틱은 고분자로써 가열에 의해서 유동성을 가지게 되어 성형이 되는 열가소성 플라스틱(수지)과 저분자이지만 형 속에서 가열•가압되는 동안에 유동성을 가지고 화학반응에 의해서 고분자화가 되어 재가열을 하더라도 유동성을 가지지 못하는 열경화성 플라스틱(수지)으로 크게 구분하고 있습니다.

2. 플라스틱 성형의 특성

(1) 가소화(용융)

플라스틱에 열을 가해 녹인다는 것은 분자량에 따라 차이가 드러나는데 저분자의 경우에는 특유의 용융점에서 녹아 액상이 되고 차츰 분자량이 커지면서 용융점이 높아지는 현상을 보임.

이것은 분자량이 커짐에 따라 분자 자체의 크기가 커지므로 쉽게 유동시킬 수 없다는 것을 의미함.

고분자의 경우에는 이 상태가 더욱 심해져서 상당한 고온을 가하지 않으면 액상으로 변화가 쉽지 않기 때문에 유동이 될 수가 없음.

이러한 상태 변화는 ‘녹인다 → 흐른다 → 굳힌다’의 과정을 거쳐 성형품을 만들어내는 중요한 의미를 가지는데 플라스틱의 일부만 유동을 시작하는 온도를 유리 전이점이라 하고 완전하게 유동되는 온도를 융점이라고 함.

(2) 유동

플라스틱을 성형할 때 잘 흘러야 하는데 점도가 높으면 금형의 세밀한 곳까지 유입되기 어려워 충전 불량이 발생하고 점도가 낮으면 금형의 파팅 라인으로 용융된 플라스틱이 새어 나와 플래시가 발생됨.

플라스틱은 점도가 낮을수록 유동에는 유리하나 한계가 명확하기 때문에 온도 상승에 따른 점도 변화를 측정할 필요가 있음.

멜트 인덱스, 고화식 점도계, 플로 테스터, 고압 세관 점도계 등을 이용하여 플라스틱의 온도 상승에 따른 점도 변화를 측정할 수 있음.

(3) 냉각

냉각은 플라스틱의 종류에 따라 다르지만 열가소성 플라스틱 중에서도 결정성 플라스틱의 경우에는 냉각속도에 따라 결정화 상태가 바뀌는데 서냉을 하면 결정화도가 높고 급랭을 하면 결정화가 진행되기 전에 고화가 되므로 결정입자가 작아지는 현상이 일어나서 결정화도가 낮아짐.

결정입자를 미세화하고 결정화도를 높이면 성형품의 투명도, 광택, 강도, 경도가 향상되는데 이를 뒷받침하기 위해서는 금형온도의 관리가 필수적임.

플라스틱 성형품의 살두께에 따라 냉각속도도 차이를 보이는데 이는 플라스틱 성형품의 부분적인 온도 차를 유발하여 성형 수축과 내부응력 발생에 따른 변형을 일으키는 원인이 됨.

3. 플리스틱의 일반적인 특성

가볍다.

내식성이 크다.

완충성이 크다.

자기 윤활성이 좋다

성형성이 우수하다.

색채가 다양하다.

이물질과의 혼합에 따른 재질의 개량이 가능하다.

저내열성을 가지고 있다.

금속 가공에 비해 치수가 불안정하다.

기계적 강도가 금속에 비해 낮다.

내구성이 금속에 비해 낮다.

4. 플라스틱의 결정 구조

(1) 개요

고분자는 비결정성 플라스틱과 결정성 플라스틱으로 나뉨.

비결정성 플라스틱은 결정구조를 가질 수 없는 무정형 상태를 가지고 있는 고분자이고 결정성 플라스틱은 결정화가 진행되는 상태에서는 분자가 규칙적으로 배열되는 분자구조를 가짐.

결정화가 일어나는 정도를 결정화도라고 하는데 고분자의 전체 질량에 대한 결정 부분만의 질량비를 의미함.

플라스틱 종류에 따라 결정화도가 다르지만 PA는 30%, LDPE는 65%, HDPE는 90% 정도의 결정화도를 가지고 있음.

결정화도는 서냉일수록 높아지고 성형품의 강도와 경도 및 성형 수축률에 영향을 미침.

(2) 종류

1) 비결정성 플라스틱

분자 간의 인장력에 의해 분자 배열이 정돈되지 않고 어느 한 방향으로 정돈되어 있음.

특별한 용융온도를 가지고 있지 않으며 온도가 높을수록 유체보다 유동성이 더 크고 온도가 낮으면 유동성이 유체보다 더 작아짐.

결정성 플라스틱에 비해 흐름방향과 직각방향의 성형 수축률의 차이가 적어 치수 정밀도를 높일 수 있음.

PMMA, PS, ABS, PVC, PC 등이 여기에 속함.

2) 결정성 플라스틱

분자가 규칙적인 배열을 이루고 있음.

특별한 용융온도와 고화온도를 가지고 있음.

분자간의 결합력이 강함.

일반적으로 흐름방향으로 배향하기 때문에 흐름방향과 직각방향의 성형 수축률 차이가 큼.

금형온도 관리를 하지않으면 치수 변동성이 큼.

PA, PE, PP, POM 등이 여기에 속함.

3) 결정성과 비결정성 플라스틱의 비교

4) PVT 선도

(가) 개요

플라스틱의 온도 및 압력에 따른 부피의 변화를 표현한 그래프임.

플라스틱의 온도가 상승하면 부피는 증가하고 압력이 상승하면 부피는 감소함.

PVT 선도를 보면 플라스틱의 온도가 상승할수록, 동일한 온도 하에서는 압력이 작을수록 부피가 증가함을 알 수 있음.

(나) 결정성 플라스틱의 PVT 선도

특정 온도에서 급격하게 고분자의 부피가 증가하는데 이는 상온에서 규칙적인 결정을 이루다가 용융점에 도달하면서부터 불규칙한 구조로 변하는 특성 때문임.

상온→비결정→용융→냉각(상온)의 과정을 거치면서 발생한 체적수축으로 인해 결정성 플라스틱의 성형품에서 성형 수축률이 커지고 치수 정밀도에 악영향을 미침.

한편으로는 부피의 증가는 분자 간의 거리가 멀어진다는 것이므로 유동성이 좋다는 의미를 내포하는 것이며 유동성이 좋다는 것은 충전에 있어서는 긍정적으로 작용할 수도 있음.

(다) 비결정성 플라스틱의 PVT 선도

온도 상승에 따라 고분자의 부피가 완만하게 증가하고 특별한 용융온도와 고화온도를 가지고 있지 않

기 때문에 급격한 부피의 변화로 인한 체적 수축이 발생하지 않음.

상온→용융→냉각(상온)의 과정을 거쳐 성형이 이루어지므로 결정화가 이루어질 수 없음.

5) 유리전이온도와 융점

(가) 개요

결정성 플라스틱은 융점(Tm) 값을 가지며 100% 결정성 플라스틱을 제외하고는 무정형 분자 구조를 내포하고 있으므로 유리전이온도(Tg) 값도 가지고 있음.

Tg 전의 물질은 단단한 유리 상의 고체 상태이나 Tg를 지나면 탄성을 가진 고무처럼 변하고 그 후에도 계속 열을 가하면 녹기 시작함.

결국, Tg 값이 높다는 것은 잘 녹지 않음을 의미함.

(나) 유리전이온도(Tg)

플라스틱의 일부만 유동을 시작하는 온도.

(다) 융점(Tm)

플라스틱이 완전하게 유동하는 온도.

(3) 분자배향

1) 개요

용융된 플라스틱이 금형의 캐비티에서 흐름과 냉각이 진행되면서 점도가 높아져 가는데 이때 플라스틱에 전단력이 작용하면 분자가 끌려 들어가서 전단력이 작용하는 방향으로 직렬상으로 정렬하는 현상을 분자배향이라고 함.

2) 분자배향 형성과정

아래 그림 (a)에서는 플라스틱의 흐름속도가 가운데 부분에서 가장 빠르고 캐비티 벽에 가까울수록 흐름속도가 차츰 느려지는데

캐비티 벽과 플라스틱이 맞닿는 곳에서는 그림(b)와 같이 플라스틱이 흐르지 않는 층이 생겨서 표층을 만듦.

이때 캐비티 가운데 부분과 벽 사이에 전단속도가 발생되고 그로 인해 캐비티 벽 부위에 고분자 사슬이 압입되는 용융체에 의해 전단력이 크게 작용하여 충진이 완료되면 그림 (c)와 (d)처럼 흐름방향으로 잡아당겨진 채 고화가 되는 것을 배향이라고 함.

3) 배향의 영향

금형 내에 충전된 플라스틱의 온도, 전단압력, 유동의 방향성 등이 배향도를 결정함.

배향도가 높은 성형품은 배향의 수평방향과 직각방향에 대해서는 물성상 이방성이 생겨서 수평방향보다는 직각방향에서 물성이 낮아지는 현상을 보임.

배향은 성형품의 기계적 성질에 방향성을 부여하는  것 외에 휨, 뒤틀림 등의 변형에 원인이 되고 경우에 따라서는 성형품에 균열을 발생시킴.

게이트의 위치는 가급적 배향이 적은 곳에 설치해야 성형품의 변형을 억제할 수 있음.

5. 열가소성과 열경화성 플라스틱

(1) 개요

열경화성 플라스틱은 열을 가하면 용융되어 유동 상태가 되고 냉각되어 고화되면 재가열을 하더라도 용융되지 않아 재사용이 불가능함.

이는 고화 과정에서 화학적 반응으로 인해 새로운 합성물을 형성하기 때문임.

열가소성 플라스틱은 용융되고 고화가 되었더라도 재가열을 하면 다시 용융되어 재사용이 가능하고 결정화도에 따라 비결정성과 결정성으로 나뉨.

(2) 열경화성 플라스틱

1) 특징

높은 열 안정성, 하중 하에서 크리프, 변형에 대한 저항력, 치수 안정성, 높은 강성과 경도를 가지고 있음.

내열성, 내용제성, 내약품성, 기계적 성질, 전기 절연성이 우수함.

재사용을 할 수 없어 친환경적인 측면은 물론이고 사용 상의 측면에서도 어려움이 있음.

주로 압축성형이나 이송성형(Transfer Mold)을 이용하여 성형하므로 성형 방법에 제약이 따름.

착색이 잘 되지 않음.

성형능률이 낮아서 열가소성 플라스틱에 비해 생산성이 떨어짐.

2) 종류

(가) 페놀

페놀은 열경화성 플라스틱 중에서 가장 많이 사용되는 것으로 가격이 싸고 양호한 전기적 특성, 내열성, 기계적 특성이 좋음.

우수한 성형성을 가지고 있으나 색상과 색 안정성에 제한을 받음.

범용품재는 톱밥과 솜 부스러기를 충진재로 사용함.

전화기 부품, 전기제품, 자동차 핸들, 재떨이, 카메라 케이스, 세탁기 진동판 등을 성형하는데 쓰임.

(나) 멜라민

멜라민은 경도와 강도가 우수하고 냄새와 맛이 없으며 색상이 다양하고 충격에 대한 저항력이 큼.

욕조, 안전모, 단추, 커피잔, 식기류, 면도기 케이스 등에 쓰이며 접시류나 주방용품을 위한 범용품재는 α-셀룰로오스를 충진재로 사용함.

천과 유리섬유로 보강한 것은 보다 높은 내충격성과 충격강도를 가짐.

내화학성과 내약품성은 비교적 좋은 편이나 강산이나 강알칼리에는 침식됨.

(다) 에폭시

에폭시는 우수한 전기적 특성과 치수 안정성, 높은 강도와 낮은 흡습성을 가지고 있음.

유리섬유를 첨가하면 고강도의 합성물을 생성하며 항공기 부속품, 미사일의 로켓 부품, 모터 케이스, 파이프  등에 사용됨.

(라) 우레아

냄새와 맛이 없고 색상이 다양하며 전기 절연성이 큼.

알칼리에 약하고 치수 안정성과 내충격 강도가 나쁘며 값이 저렴함.

단추, 조명기구, 시계, 문자판, 라디오 케이스, 식기류 등에 사용되며 요소수지라고도 함.

(3) 열가소성 플라스틱

1) 범용 플라스틱(ESP-ABS)

(가) 개요

사출 성형에 있어서 유동성이 좋고 예비 건조를 할 필요가 없으며 사출성형기 선택에 제한이 없음.

(나) 종류

① 폴리에틸렌(PE)

폴리에틸렌은 표면이 매끈하고 결정화도가 높으며 제조 방법에 따라 저밀도(LDPE), 중밀도(MDPE), 고밀도(HDPE)로 나뉨.

비중이 작고 인장강도 및 연신율이 크고 충격에 강함.

고주파 특성이 우수하고 내약품성이 좋으며 유기용제에 강함.

성형 수축률이 크고 접착이 잘되지 않음.

전선 피복, 고주파 부품, 용기류, 포장재, 튜브, 파이프 등에 사용됨.

성형품의 변형을 방지하기 위해 충전시간을 단축할 수 있도록 게이트와 러너를 설치하는 것이 중요함.

성형 수축률이 크고 변형이 심해서 금형온도를 균일하게 유지할 수 있는 냉각회로가 필요함.

② 폴리스티렌(PS)

폴리스티렌은 맛과 냄새가 없으며 수정처럼 맑고 투명함.

착색이 잘되고 비중이 작으며 사출 성형성이과 치수 안정성이 좋고 흡수성이 낮음.

취성이 있고 열에 약해서 100℃ 이상에서 견디지 못하며 흠이 생기기 쉬움.

냉장고 내장재, 선풍기 날개, 측정기 케이스, 회로 부품의 프레임, 완구류 등으로 쓰이며 발포한 것은 단열재, 포장재, 전기 전열재로 사용함.

취출 시 크랙이 발생할 우려가 있으므로 언더컷을 피하고 금형 제작 시 경면 사상성이 좋은 재질을 사용해야 하며 일반용(GPPS)과 내충격용(HIPS)으로 나뉨.

③ 폴리프로필렌(PP)

폴리프로필렌은 유백색이고 불투명 또는 반투명이며 범용수지 중에서 제일 가벼움.(비중 0.9)

광택이 좋고 스트레스, 균열, 내약품성이 우수함.

내충격성이 강하고 반복 굽힘에도 잘 견딜 수 있어 힌지 성형에 쓰임.

힌지를 성형하기 위해서는 충전 부족, 웰드 라인 등의 발생이 우려되어 다점 게이트를 설치하는 것이 좋음.

④ ABS

내충격성, 강인성, 내약품성, 성형 가공성 및 치수 안정성이 우수하고 다양한 색상으로 성형할 수 있으나 유동성이 좋지 않고 내구성이 약함.

TV, 라디오, 청소기 케이스, 전화기 본체, 냉장고 내장재, 에어컨 그릴, 용기, 헬멧 등에 쓰임.

금형 제작 시 러너를 크게 길이를 짧게 하고 빼기구배를 2° 이상 주어야 하며 에어벤트 설치 위치를 고려해야 함.

2) 공업용 플라스틱

(가) 개요

엔지니어링 플라스틱이라고도 하며 금속 및 세라믹 소재를 대체할 수 있는 고성능 플라스틱 소재를 말함.

강도와 탄성이 우수하고 고온에서 잘 견디며 금속 및 세라믹 소재 대비 가벼워 제품의 경량화에 유리함.

제품의 사용온도 100°C를 기준으로 그보다 낮으면 범용 플라스틱, 높으면 공업용 플라스틱으로 구분됨.

그중에서 150 °C 이상에서 사용할 수 있는 것은 특수 엔지니어링 플라스틱 또는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 따로 나누고 있음.

(나) 종류

① 폴리아미드(PA)

폴리아미드는 나일론이라고도 하며 6나일론(PA6), 66나일론(PA66), 11나일론(PA11)  등으로 나뉨.

PE, PP와 같이 대표적인 결정성 플라스틱으로 마찰계수가 작고 자기 윤활성이 좋으며 내마모성이 특히 우수하나 성형 수축률이 커서 치수 안정성이 좋지 않음.

기어, 캠, 베어링 등으로 사용되고 포장재료로 사용함.

금형 제작 시 용융 점도가 낮고 플래시 발생이 우려되므로 치수 정밀도가 높은 금형 가공을 요하고 금형온도를 높게 하며 냉각이 균일하게 이루어져야 함.

② 메타크릴레이트(PMMA)

메타크릴레이트는 아크릴이라고도 하며 굳고 단단하며 투명도가 높아서 광학특성(광선투과율 92%)이 우수하고 유리보다 내충격성이 큼.

PS보다 인장강도, 굽힘강도가 우수하고 내약품성, 내유성이 양호함.

압출, 사출, 중공 성형용 및 주조용으로 이용할 수 있고 실외 간판, 창 유리, 조명기구, 기계 커버, 안전 보호판 등에 사용됨.

금형 제작 시 유동성이 좋지 않기 때문에 고압 성형이 필요하고 유동저항을 작게 하기 위해 러너의 크기를 크게 길이는 짧게 함.

광학적인 용도일 경우에는 잔류응력이 생기지 않도록 게이트를 선정해야 하고 빼기구배는 되도록이면 커야 함.

③ 폴리카보네이트(PC)

폴리카보네이트는 투명하고 유연성과 강성이 높으며 자기소화성이 있음.

충격 및 인장강도가 높고 내열성이 뛰어남.

성형성이 좋아서 성형 수축률이 작고 치수 안정성이 높음.

반복하중에 약하고 스트레스 균열이 발생하기 쉬움.

절연 볼트나 너트, 밸브, 전동공구, 의료기기, 밸브 코크 등에 사용됨.

금형 제작 시 유동성이 좋지 않아서 고압 성형이 필요하고 러너를 크게 길이는 짧게 하며 러너와 게이트는 사상을 충분히 하는 것이 좋음.

성형품에 잔류응력이 남아 크랙이 발생할 수 있으니 온도를 충분히 높여서 성형해야 함.

빼기구배는 2° 이상 주고 압출, 사출, 블로 성형이 가능함.

④ 폴리아세탈(POM)

폴리아세탈은 피로수명이 열가소성 플라스틱 중에서 가장 높고 금속 스프링과 같은 탄성을 가지고 있으며 마찰계수 및 내마모성이 우수함.

인장강도, 굽힘강도, 압축강도가 매우 우수하고 치수 안정성이 좋음.

220°C 이상에서는 열분해 현상이 일어나서 변색과 동시에 가스가 발생하여 역한 냄새를 내뿜기도 함.

기어, 캠, 베어링, 전자밸브, 케이스, 커넥터, 풀리 등으로 사용함.

금형 제작 시 유동성이 좋지 않아서 러너의 길이는 되도록 짧게 하고 유동저항이 작은 단면형으로 하며 게이트 단면경이 너무 작으면 플로 마크가 발생할 수 있음.

게이트 두께는 성형품의 살두께의 약 60% 정도로 하고 냉각속도를 균일하게 하며 가스의 발생이 심해서 에어벤트를 설치할 위치를 고민해야 함.

⑤ AS(SAN)

PS와 같이 투명성이 좋고 PS보다는 내열성, 내유성, 내약품성 및 기계적 성질이 좋음.

유동성이 좋아서 성형성이 양호하고 성형능률이 우수함.

믹서 케이스, 선풍기 날개, 배터리 케이스, 등에 사용됨.

⑥ 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)

폴리부틸렌테레프탈레이트는 저온 영역에서 결정화 속도가 빨라 결정화도가 높은 성형품을 얻을 수 있음.

폴리부틸렌테레프탈레이트의 최대 난점인 성형성을 향상시킨 수지가 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)임.

폴리에틸렌테레프탈레이트는 균형 잡힌 기계적 성질을 가지고 있고 높은 열변형 온도, 내마모성 등이 PA와 POM과 동일함.

폴리에틸렌테레프탈레이트에 유리섬유를 첨가하면 상기 성질이 비약적으로 향상되고 성형성도 우수하여 금속 및 열경화성 플라스틱 대체재로 사용할 수 있음.

흡습율도 작고 내유성이 우수하나 강산, 강알카리, 열수에 약하고 충격강도의 노치 감도가 높은 게 흠임.

필름과 판재, 전기 절연재, 용기 등에 사용됨.

⑦ 폴리우레탄(PUR)

폴리우레탄은 고무처럼 부드럽고 탄성을 가지고 있음.

PA보다 흡습성이 낮고 흡습 시 기계 및 전기적인 특성의 변화가 적어 충격을 주어도 파괴되지 않음.

롤러, 엘리베이터용 가이드, 벨트, 완충용 패드 등으로 사용함.

이상으로 플라스틱의 개요에 대한 연재를 마치고 다음에는 플라스틱 성형법에 대한 연재를 시작할 예정입니다.