최신 사출성형기술과 장치

다층 동시 사출성형기의 특징과 성형 사례

1. 서론

최근 프리폼 및 블로우 성형 후의 PET 음료 용기가 경량화 되고 있다.

용기의 경량화에 따라 재료 비용과 운송 비용의 절감, 제조열 에너지 효율 향상 등이 기대되고 있는 반면, 두께가 얇아져 산소 및 이산화탄소 투과율의 증가, 용기 내의 산소 함유율의 상승 및 이산화탄소 함유율의 저하를 초래하며, 내용물의 플레이버(Flavor)성의 열화, 유통기한의 단축 등을 초래할 위험이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 PET제의 외면층과 내면층의 중간에 중간층을 형성한 다층 프리폼(보틀용)이 주목받고 있다. 이 다층 프리폼에는 중간층에 산소 흡수제나 이산화탄소의 투과를 저감시키는 배리어성이 있는 재료(배리어재)가 사용된다.

PET재에 배리어재를 혼합시킨 브랜드 PET 프리폼의 수법도 있지만, 다층 프리폼과 비교하면 투과성 성능의 우위성이 부족하다는 판단이다.

한편, 식품용기에서는 레토르트가 가능한 PP용기의 PP보틀용 다층 프리폼이나 다층 컵이 많아지고 있다. 이것도 앞에 서술한 것과 같이 주로 산소의 투과성을 저감하는 것을 목적으로 하고 있다.

다층 프리폼, 컵의 제조에 관해 정평이 나 있는 Kortec사의 제조장치를 소개하고자 한다.

2. 장치의 소개

2-1 개요

Kortec사의 다층 프리폼 제조기는 PET재와 배리어재를 동시에 사출해 하나의 노즐로 성형이 가능하다. PET재 및 배리어재는 다양한 스크류로 용해시켜 매니폴드를 통해 온도를 관리한 후, 노즐로 보낸다.

다층 프리폼의 경우에는 72~144캐비티를 가지고 있는 핫런너로 생산하는 머신이 주류를 이루며, 다층 컵 용기는 주로 8~72캐비티를 가진 핫런너로 생산된다.

사출기는 Husky, Arburg, 스미토모중기계공업 등을 기본으로 사용하며 Kortec사의 핫런너를 탑재한다. 사출제어는 유압식, 전동서보식과의 조합을 이룬다. <사진1> 

<사진1> 다층 프리폼 제조장치

2-2. 특징

(1) 단층과 같은 속도로 다층성형품 생산이 가능

두 종류의 재료를 동시사출해 노즐 한 개로 각 재료의 압력 속도 조건으로 다층 프리폼이나 다층 컵을 성형한다.

(2) 다층을 성형할 때, 배리어층이 내장외장에 토출되지 않음(엣지가 안 나옴)

① 중간층 위치 또는 두께 분포가 가변

② 중간층에 사이클재의 적용이 가능

③ 중간층에 브랜드 배리어재의 적용이 가능

④ Hot Half는 매니폴드(코어매니폴드, 스킨매니폴드, 크로스매니폴드) 노즐 등의 치밀한 온도관리에 의해 수지 유동성을 제어하며 모든 캐비티로 배리어 위치를 컨트롤한다.

⑤ 프리폼 성형장치의 크기는 단층 성형장치와 비교해 핫런너의 두께가 약간 두꺼워진다. 또한 두 종류의 재료를 대응하기 위해 사출기 두 대가 탑재되지만, 기본적인 단층 성형장치보다 약간 큰 정도이다.

⑥ 퍼지는 통상 퍼지 기구에 리버스퍼지(두 종류 재(材)의 스킨층 쪽부터 Hot Half 내에 수지를 도입해 중간층 쪽에 수지를 퍼지함)에 의한 청소가 가능하다. 또한, 콜드퍼지에도 대응해 수지 막힘에 대한 대책을 마련할 수 있다.

2-3. 구성, 성형 프로세스

2종 3층 구조 동시 사출에 대해 설명한다.

외면층, 내면층(스킨층) 및 중간층(코어층 또는 배리어층)은 각각 사출기로부터 사출되며, 두 개의 사출기는 개별 시켄스로 제어된다. 사출기의 제어는 속도, 압력, 타이밍의 조합을 이루며, 중간층의 분포를 제어한다.

재료의 온도 컨트롤은 각각 독립적인 온도제어로 실행되며, 매니폴드 노즐 온도 등의 코어층(배리어층)의 위치 제어에 따른 온도 컨트롤은 캐비티별로 독립해 실시한다.

최종 노즐의 온도제어는 두 종류와 같은 온도로 실시되며, 중간층의 리딩, 트레이딩 위치 변경이 가능하다. <그림1> 

<그림2>에서는 스킨층 및 코어층(배리어층) 사출의 시계열 공정을 나타낸다.

이는 단층 프리폼과 같은 속도로 제어가 가능하다.

(144캐비티, 프리폼 중량 23g의 예: 13~15s/사이클).

3. 성형사례

음료용기로는 가온(加溫)용 다층 PET용기, 탄산음료용 다층 PET용기가 이미 판매되고 있다. 전부 종래의 용기와 비교해 프리폼 중량 경감에 성공했다. 물론, 유통기한의 연장에도 주력하고 있다.

다층 프리폼을 블로우 성형할 경우, 층간박리의 문제가 있다. 그에 따라 배리어재와 PET재를 미리 혼합시켜 다층 프리폼 성형시 박리 방지를 하는 용기와 배리어층을 한 면에 배치하는 것이 아니라 부분적으로 사용해 박리방지를 하는 용기가 대책으로 떠오르고 있다.

컵 다층용기 및 레토르트 대응 다층용기로는 투명성이 높은 PP재를 사용한다. 특히 시트재로부터 성형하는 용기와 비교했을 때의 우위점으로는 용기의 경량화, 급랭 불량의 저감, 컵 엣지의 주입 가능, 스크럽의 발생 저하, 인몰드 용기로 활용이 가능하다는 점이 있다(예: PP/EVOH/PP용기).

해외에서는 과일, 씨푸드, 채소, 펫 푸드, 베이비 푸드, 조미료 등 용기의 수요가 늘고 있다.

또한 레토르트가 가능하며 통조림의 용도를 가진 용기로 사용되는 경우도 있다. <사진2> 

한편, 차광성을 필요로 하는 음료 용기의 다층 프리폼(보틀용) 을 성형하는 다층 사출 성형기의 신제품도 개발되고 있다. 이는 자외선 영역을 자르고 유통 기한을 연장시키는 용도로 사용된다.

또한, 배리어성을 가진 다층 캡, 배리어성이 추가된 Gradation 보틀 등 와인이나 술 용기를 패트병으로 많이 사용하는 현 시점에 대체 적용이 가능하며, 의장성이나 기능면에서 우위성을 갖기 위해 사용되고 있다.

특히 음료 용기로서의 다층 프리폼은 음료 충진 회사에서 브로우성형을 하는 것이 운송, 보관, 적은 CO2 배출 등에서 비용 절감에 강점이 보인다.

다층용기로는 충진회사에서 프리폼으로의 블로우성형이 증대 경향에 있다.

4. 효과

다층용기의 산소 투과, 이산화탄소 투과의 효과 예는 <그림3>에서 볼 수 있다. 

용도에 따라 배리어 재료에 액티브성을 부가하기도 한다.

유통기한, 내용물, 보관 온도에 대해서는 배리어재 특성(배리어재 종류, 함유량, 첨가제 등)을 유효하게 끌어내는 방법을 이용하고 있다. 용기 중량과 산소 또는 이산화탄소의 투과성은 밀접한 관계가 있으며, 다층용기일 경우는 두 가지 특성을 최대한으로 끌어낼 수 있다.

5. 맺음말

다층 프리폼의 수요가 확대돼 생산량이 증가하고 있는 가운데, 다층 프리폼의 품질 관리가 문제시되고 있다. 이에 따라 최근에는 선별된 파괴검사가 다층 프리폼 검사의 주이긴 하나, 다수의 제조 라인에서는 인라인으로의 전수 검사를 실시한다.

전수 검사에서는 배리어 상태 이상의 검출뿐 아니라, 스타트업부터 안정시기까지의 양품을 선별하는 것도 가능하다. 또, 각 프리폼의 사출한 캐비티를 특정할 수 있기 때문에 일상의 성형기 온도 관리에 피드백이 가능하다는 장점이 있다.

현재 선별된 비파괴검사기도 이미 개발되어 있으며, 프리폼의 배리어층을 종방향 및 원주 방향에 단기간으로 검사가 가능하다. 스킨재 및 코어재(배리어재)의 건조 조건의 변화, 또는 성형기의 제조 조건에 의한 배리어층의 위치나 두께에 의한 굴곡도 검사할 수 있다.

<사진3>은 비파괴 선별 막두께 측정기의 일례를 나타낸 자료이다. 

용기의 경량화에 따른 용기의 박육화에 의해 용기 자체의 내하중성이 저하하는 것도 문제가 된다. 특히 종하중 강도가 약해지면 운송 과정에도 문제가 생긴다.

이 대책으로 용기 형태의 연구로 내압을 가진 상품도 현재 많은 시장에 출시되어 있으며, 액체질소충진(LN2충진)을 실행시켜 내압을 조정하는 것으로 경량화에 따라 저하된 내하중성을 보강하는 것도 가능하다. 액체질소충진은 해드스페이스의 산소치환도 동시에 실행할 수 있다.

특히, 액체질소충진기 안에서는 액체 질소를 액 상태가 아닌 분무화(噴霧化)해 충진한 것이 있는데, 이에 따라 높은 내압이 되는 것이 제어되어 헤드스페이스의 산소치환률의 향상도 알 수 있다.

이 밖에도 종래의 질소 가스 플로우와 비교해 높은 산소 치환률을 얻게 되며, 용기의 미양압화(微陽壓化) 적용도 기대할 수 있다.

최근 증가하고 있는 무균충진에도 적용되는 액체질소무균충진기의 개발이 진행되고 있는 것 중에 실용화되고 있는 것도 있다.

<사진4>에 분무화한 액체 질소의 충진 상태의 일례를 담았다. 

<사진4> 분무화한 액체 질소의 충진 상태? 

용기의 경량화·박육화에 따라 전술한 것과 같은 문제도 있지만, 한 번에 다층용기로 판별되지 않는 투명성 높은 것이나 기능성이 풍부한 것이 이미 시장에 많이 출시되어 있기 때문에 이후에는 더 많은 수요가 확대될 것으로 예상된다.

* 필자

가와이 시게야(Kawai Shigeya)

디아이엔지니어링(주) 영업부 상품개발담당부장