3. 산소의 제거

산소는 성형불량을 일으키는 큰 요인 중 하나다. 변색(황변), 기포, 흑점, 수지 탐, 금형 침전물 등의 불량이 모두 산소의 보존과 관련이 있다. 수지나 첨가제는 산소 존재 하에서 열분해하기 쉬워지고 변색(황변)을 일으킨다. 또한 바렐 내에 장기 체류 수지가 산소 존재 하에서 탄화하기 쉬우며, 흑점으로 성형에 혼입된다. 열분해에 의한 가스가 발생하거나 기포나 수지가 타는 등 다양하다.
산소의 영향을 제거하기 위해 바렐 내 공급부 및 압축부에 불활성가스인 질소를 퍼지하는 방법이 보통 사용된다. 이 방법에서는 공급부와 압축부에서의 공기 휘말림에 의한 수지의 산화를 방지하는 효과가 있으나, 팰릿 표면 흡착 산소나 팰릿 내부의 용존산소 제거가 불가능하며, 이 때문에 렌즈나 도광판 같은 이물, 변색에 대한 요구가 엄격한 성형품일 경우, 여전히 흑점이나 변색에 의한 불량률이 높아 보다 철저한 산소 대책이 필요하다.
용존산소를 제거하기 위해 질소와 같은 불활성가스를 사용해 팰릿 안에 산소를 치환해야 한다. 질소는 수지 중에서의 확산속도가 빠르기 때문에 치환을 촉진시키는 데에는 가열이 유효한 수단이다. 그래서 수지의 가열건조와 동시에 고농도질소를 퍼지하면 <그림4>와 같이 질소 분위기에서보다 단시간으로 산소를 제거할 수 있다.
당사가 성형재료의 철저한 관리 관점부터 산소의 철저 제거를 최우선 과제로 두고 성형 안정화 장치인 ‘M-STABILIZER-’을 개발했다(<사진3>). M은 Material(재료)+Molding(성형)을 뜻하고, 재료를 적당히 관리함에 따라 성형이 안정화된다는 의미다.

안정화의 중심에는 다음 5가지 항목이 포함된다.
(1) 건조에 의한 오차 저감
미건조재료를 질소가압한 탱크에 저습도상태에서 관리함에 따라 성형현장의 환경(온도·습도)이 크게 달라도 환경에 상관없이 안정된 재료 관리가 가능하다.
(2) 사람에 의한 오차 저감
작업자는 재료를 탱크에 투입하여 운전 버튼을 누르는 것만으로 성형이 가능해 휴먼에러 발생이 적다.
(3) 함수율에 의한 오차 저감
최소한의 건조로 재료의 수분이나 휘발성분의 성형불량을 일으키지 않는 정도의 낮은 함유율에 유지할 수 있으며, 성형의 안정화를 꾀할 수 있다.
(4) 용존산소에 의한 오차 저감
장치 내의 질소농도를 보통 99% 이상으로 유지할 수 있으며 재료를 안정된 농도의 질소로 건조함에 따라 재료의 산화황변을 억제하며, 나아가 성형기 내의 질소관리가 가능, 재료용융시 산화 열열화를 극력 저감해 안정화할 수 있다.
(5) 재료온도의 불균형에 의한 오차 저감
성형기 투입직전까지 재료 온도를 안정하게 유지할 수 있고 재료의 침식이나 용융 속도에 의한 성형의 불안정성을 해소할 수 있다.

본 장치는 주로 3개 부분에 의해 구성된다(<그림5>).
① 질소퍼지기능 부착 원료탱크 : 재료개봉 후 바로 본 탱크에 넣으면 외기에 닿지 않고 흡습에 의한 초기수분율의 증가를 방지할 수 있다.
② 질소발생장치 : 본 장치에 막식(膜式)질소발생장치가 표준 장비가 되어 원료 탱크와 건조 호퍼에 연속적으로 공급 가능하다.
③ 기내형건조호퍼 : 안정된 재료온도를 보증할 수 있으며, 호퍼 내에서 고농도 질소의 순환 가열로 수지가 건조됨과 동시에 질소로 수지 내부의 용존산소가 치환된다.

본 장치를 이용할 때, 재료의 건조는 물론 초기 흡습의 방지, 수지 중 용존산소의 제거가 가능하다. 또한 본 장치는 고기밀구조를 채용하여 높은 산소 농도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 오염 혼입도 방지할 수 있다.
최근에는 정밀 커넥터나 렌즈의 성형에, 특히 0.5㎜ 이하의 박육 도광판의 성형에도 이 장치가 주목받고 있다. 스마트폰이나 태블릿 단말이 얇아지는 경향이 있어 이후에는 도광판의 박육화가 더욱 진행될 것으로 보인다.
도광판에는 내열성과 고휘도가 요구되기 때문에 투과율, 성형성, 패턴 전사성, 저 더스트성 등을 개량한 PC가 쓰이지만, 높은 유동성이 요구되어 성형온도를 높이 설정하는 경향이 있다. 하지만 성형온도를 높이 설정하면 수지나 첨가제의 산화 분해에 의한 황변이 현저하게 나타난다. 이때는 M-STABILIZER 도입에 의해 YI치를 대폭 저감할 수 있고 또 두 자리 수 이상의 불량률이 0에 가까이 저감되는 등 우수한 불량률 저감 효과가 확인되어 높은 평가를 받고 있다.

4. 분상물(粉狀物)의 제거

이물의 존재가 성형 불량이라는 것은 말할 것도 없지만 수지 재료와 같은 구성의 분상(粉狀)의 재료도 성형불량을 일으키는 요인 중 하나다. 예를 들어 PET 같은 결정성수지에 대해서는 작은 수지분말 건조 시, 팰릿과 비교했을 때보다 빨리 승온되어 보다 높은 결정화도를 가지게 된다. 때문에 바렐 내에서 용융이 어려워지고 백점(白點)으로 성형품에 남는다. 또, 비결정성수지라고 해도 스크류 압축부에 대부분 전단을 받지 않고 승온이 늦춰져 녹지 않고 성형품에 들어가는 경우도 있다. 게다가 분상 재료가 스크류의 가소화 능력에 영향을 주기 때문에 가루의 함유량에 불균형이 있을 경우 성형의 불안정성을 일으키게 된다.
따라서 당사는 종래 미세입자 분리장치 등의 분체제거제품군에 보다 제거효율이 좋은 제노필터 시리즈를 개발·상시했다.

분리방식은 <그림6>과 같은 풍력선별방식으로, 원심분리의 원리를 이용한다. 특징은 다음과 같다.
① 콤팩트
종래의 사이클론식과 비교했을 때, 매우 콤팩트한 능력을 실현했다. 높이에 관해서는 절반 이하(350㎜ 정도)이다.
② 안정된 성능
수송 공기와 원료의 비율(혼합화) 등에 변동이 있어도 분리 효율에 미치는 영향은 크지 않아 안정적이다.
③ 적은 비용
종래 기계에 비해 저렴하고 기존설비에 추가할 경우도 기존설비가 대부분 전용(?用)이기 때문에 코스트 메리트가 있다.

5. 맺음말

불량률의 환경요소는 원료의 관리나 성형조건의 설정 및 금형 기술 등 여러 가지가 있지만 본문은 성형주변기기 메이커의 입장에서 원료의 적정 관리 면에서 몇몇의 불량저감기술과 본 회사의 제품을 소개했다. 향후에는 성형품질에 대한 요구가 더욱 엄격해질 것으로 예상되어 고객의 불량률 저감에 더욱 공헌할 수 있도록 끊임없이 노력할 것이다.

* 필자
CHUNXIAO ZHANG
(주)카와타 지적재산권개발부 부장 공학박사