[해외기술동향] 원료의 적정관리에 의한 성형불량의 저감(上) :: Today

1. 서론

최근 일본의 제조업은 새로운 시장을 요구하며 생산거점을 점차 중국이나 동남아시아로 옮기고 있다. 플라스틱 성형업계 또한, 경쟁이 심해지면서 수익을 유지하기 위해 생산코스트를 저감시키는 노력을 하고 있다.
생산코스트의 삭감에는 인건비의 제어, 폐플라스틱의 재활용, 성형 사이클의 단축, 기기 에너지 절약 등의 수단이 있지만, 이는 결국 한계가 있다.
한편 성형품에 대한 품질요구가 엄격해지면서 성형 불량 증가에 의한 재료나 생산시간 등의 낭비가 생산코스트를 좌우하는 큰 요인이 되고 있다. 따라서 본문에서는 성형수지원료의 적정관리의 관점에서 불량률 저감에 의한 생산코스트 삭감에 대해 서술한다.
수지원료 관리에 대해서는 <그림1>과 같이 수분관리를 시작으로 이물혼입방지나 탄소제거 등 여러 가지 요소에 주의를 기울여야 된다.

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2. 수분관리

2-1. 초기 수분관리
수지재료에 수분을 포함할 경우, 실버 스트릭, 보이드 등의 불량이 발생할 수 있다. 때문에 건조공정이 필요하지만, 초기 수분률이 다를 경우, 동일 건조 시간에 있어서 도달 수분률이 다르기 때문에 성형불안정이 상기불량을 일으키는 원인이 된다.
흡습성인 수지에 관해서는 물류 시간의 단축과 수지포장재료의 진보 등으로 인해 미개봉 상태라면 초기수분치가 크게 달라지지는 않지만 일단 개봉해서 외기(外氣)와 닿으면 급속히 흡습현상이 일어날 수 있다. 흡습현상은 나일론계 수지가 보다 현저하다. <그림2>에는 나일론수지의 건조 곡선을 나타냈다. 개봉직후는 700ppm 근처에 있지만 외기(50%RH)에 4시간 가량 방치하면 2,700ppm 이상에 달한다. 또, 초기 수분율이 다르면 동일건조조건에 대한 도달 수분율이 달라진다. 따라서 재료 개봉 후 계속적으로 안정적 성형을 유지하기 위해서는 재료를 외기에 닿지 않도록 하기 위한 연구가 필요하다.
흡습문제를 해소하기 위해 (주)카와타는 드라이에어나 질소가 퍼지되는 재료 보존 탱크를 고객에게 제안하고 있다. 게다가 일부 고기능성수지의 전용건조설비에 질소 퍼지가 되는 원료 탱크를 표준 장비로 하고 있다. 재료 개봉 후 바로 당해 탱크에 넣어 두면, 흡습을 방지할 수 있고, 개봉 시 낮은 수분률을 유지할 수 있다면 건조하지 않고 성형할 수 있는 경우도 있으며 이로 인해 쓸데없는 에너지 소비를 저감할 수 있을 뿐만 아니라 장시간 건조에 의한 수지 변색도 방지할 수 있다.

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2-2. 과건조 방지
‘다른 초기 수분률의 영향을 없애기 위해 건조시간을 길게 하는 것이 좋다’는 생각이 있다. 그러나 이 경우는 수지의 산화변색 이외에 과건조에 의한 결함이 생길 수 있다. 수지 중 수분이 기포나 실버 스트릭 등의 불량을 일으키는 한편, 가소제로서의 효과가 있다. 절건 상태보다도 적정량을 함유하는 것이 수지의 유동성을 높이고 성형을 안정화시키는 효과를 기대할 수 있다.
과건조를 방지하기 위해서는 앞서 서술한 것과 같이 초기 수분을 깔끔하게 관리하는 것을 전제로, 건조시간을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 하지만 건조능력과 성형능력이 일치하지 않을 경우가 많다. 예를 들어, 20㎏/hr 건조능력이 있는 건조기를 10㎏/hr 성형능력의 건조기에 사용한다면 건조호퍼 내에서의 체류시간은 통상 체류시간(20㎏/hr 수지소비)과 비교했을 때 2배가 된다. 이 경우, 과건조될 염려가 있으며, 에너지절약의 관점에서도 바람직하지 않다.
여기서 카와타는 <그림3>과 같은 건조시간유지·에너지절약옵션을 제안했다. 건조호퍼에서의 배기 온도를 감시하고 소정의 치수를 넘으면 자동적으로 에너지 절약 모드, 곧, 저온가열로 교체되며 에너지절약과 동시에 과건조 방지도 가능하다.
이 외에, 보다 간단한 수지 체류시간을 컨트롤하는 방법으로는 <사진1>과 같이 호퍼의 작은 문에 레벨계를 붙여 성형능력에 따라 수지 레벨을 설정·관리하는 것이다.
이러한 방법에 비해 보다 철저한 수분관리 설비는 당사 배치식 수소건조기 ADAM이다 (<사진2>). ADAM은 Advanced Dryer for Assistance of Molding의 약자로, 성형지원을 위해 진보한 차세대 건조기로 표현된다.
ADAM은 보통 연속건조와는 달리, 배치식으로 가열(건조)과 냉각을 실행한다. 건조 호퍼는 5㎏인 소형 SUS제 탱크로, 이 건조 호퍼는 본체에 간단히 설치할 수 있다. 건조나 냉각을 미리 설정된 시간대로 실행하면, 수지원료의 건조시간을 일정하게 하는 것이 보증되어 과건조현상을 방지할 수 있다.
이 건조호퍼는 밀폐도가 극도로 높기 때문에 건조냉각된 재료는 별도 용의된 보관용 베이스에 설치하면 그 상태로 한 달 가까이 보관이 가능하며 여러 개를 용의한다면 필요할 때에 저스트인타임(Just-in-time)으로 성형기에 공급할 수 있다(<표1>).
게다가 수지 가열 및 냉각은 질소가스 분위기에서 실행되기 때문에 서술한 것과 같이 수지 중 용존산소를 제거할 수 있으며 변색, 흑점 발생 등 불량 억제가 가능하다.

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