발전하는 압출성형 가공기술의 최근 동향

1압출성형은 배관이나 필름, 시트 등의 범용제품에서 고기능제품까지 다양한 분야에 이용되는 성형가공 기술이다. 본 내용은 2011년에 발표된 성형가공 관련 잡지나 학회에서 발표된 압출성형 논문 중에서 압출기를 이용한 재료개발, 재료특성의 평가, 프로세스의 검증, 기술개선에 관한 주요 동향을 한국과학기술정보연구원의 이치옹 전문연구위원이 분석한 내용이다.

 

1. 압출기를 이용한 재료개발과 재료 특성 평가

압출기의 성능을 활용하고 압출조건을 최적화하면 재료의 성능이 향상된다.

Li 등은 2축 스크루압출기 프로세스에서 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)/셀룰로오스 아세테이트부틸레이트(CAB)계 폴리머 블렌드로부터 PBT 나노파이버를 생성하는 프로세스를 검토했다.

분산된 PBT상의 형태는 점탄성, 블렌드 비율, 전단속도 상승과 함께 분산상도 완만하게 변형된다는 결과를 얻었다.

최종적으로 PBT 나노파이버의 점도비가 증가하면 직경은 감소되었다. 블렌드 비가 증가하면 미셀 사이의 간섭이나 합체가 생성되므로 PBT 나노파이버의 직경은 증가한다. 전단속도의 증가는 직경에 영향을 주지 않는다.

고체상 압출은 폴리머의 배향상태를 높이는 방법의 하나이다. 또한 공(共)압출과 1축 연신 등의 상이한 고상배향법을 조합하면 단독법과 비교해 기계적 특성이 향상된다.

원추형 다이스를 사용하는 고상압출(Extrusion Draw, ED)과 등채널 다각압출(Equal-channel Angular and Multiple-angle Extrusion, ECMAE)의 순서가 바뀐 새로운 복합시스템을 사용해 반결정성 고분자(폴리아미드 6)의 구조와 특성 효과를 검토했는데 ED와 ECMAE를 조합한 시스템이 반결정성 고분자의 개질과 물리 및 기계적 특성의 개량에 유효한 방법이라는 사실이 밝혀졌다.

ED와 ECMAE 시스템은 초고의 강도와 소성특성이 나타나며 압출물의 축을 따라 라멜라가 균일하게 배향된 구조가 관찰되며 단면방향의 미소경도(Hardness)의 이방성과 분산성은 가장 적다.

한편 Kemal 등은 2축 스크루압출기를 사용해 PVC와 CaCO3의 나노복합체 제조 프로세스에 티탄산염 커플링제를 첨가하면 입자와 매트릭스와의 결합이 개선되어 복합체의 탄성율이 증가한다는 사실을 확인했다.

2. 압출 프로세스의 검증

압출기 내부의 보이지 않는 영역의 프로세스 파악을 위해 시뮬레이션 검증이 포함된 거동파악 실험이 다수 보고되고 있다.

Haixia Fang 등은 동일한 방향의 회전 2축 스크루압출기 내의 고분자 및 폴리머 블렌드의 유동거동을 형광물질을 사용해 조사한 결과 점도가 높거나 압력이 높은 폴리머가 체류시간이 길어지며 상용성과 비상용성 폴리머 블렌드의 체류시간 분포에는 차이가 있음이 확인됐다.

또한 Bigio 등은 2축 압출기 내의 응력분포를 비즈(Beads)를 사용해 평가했다. 폭이 좁거나 또는 폭이 넓은 니딩블록(Kneading Block)으로 구성되는 혼련영역을 가진 스크루 배치를 비교한 결과 폭이 넓은 블록의 응력이 높았다.

다층류 흐름의 특징적인 대표현상의 하나로 수지 상호간의 혼입현상이 있다. Lee 등은 투명한 Y자형 유로에 2층 뉴턴유체의 흐름을 글리세롤, 실리콘오일, 윤활유를 사용해 실험했다. 윤활유와 실리콘오일의 2층흐름에서 중심부와 고리모양의 혼입이 관측되었다. 유체의 점도 영향은 발견되지 않았으나 젖음성이 큰 영향을 준 것으로 보인다.

Noriega 등은 스크루압출기 내부의 폴리머 용융거동을 센서가 내장된 소형 석영창을 가진 단축압축기를 사용해 온라인으로 관찰하는 방법을 개발했다.

Sarhangira 등은 기어가 맞물린 동방향 2축 압출기 내부의 혼련상태를 매핑법을 사용해 3차원적으로 예측한 결과 스크루 사이의 갭 거리가 증가하면 혼련능력은 증가하나 반송능력은 저하되며 자체 청소능력도 저하되었다.

 

3. 압출기술의 개선

혼련특성을 단축 또는 2축 압출기보다 혼련특성을 더 향상시킬 수 있는 압출기장치가 고안되었다.

Costeux 등은 신장믹서(Spiral Fluted Extensional Mixer, SFEM)의 혼합특성을 올레핀계 열가소성 엘라스토머(TPO)를 사용해 평가한 결과 SFEM의 엘레멘트는 높은 분산성능을 가지고 있으며 SFEM 엘레멘트를 장착한 단축 스크루압출기로도 보통의 2축 스크루압출기 정도의 양호한 분산상태가 달성되었다고 보고했다.

레올로지 제어된 폴리프로필렌(Controlled Rheology Polypropylene, CRPP)의 제조에는 퍼옥사이드를 사용해 왔으나 He 등은 UV램프와 광 개시제를 사용하는 새로운 압출공정을 개발했다. 벤조페논(BP)이 광 개시제로 사용되었는데 BP의 농도가 낮아도 효과가 있으며 고온에서는 분자량과 레올로지의 저하가 나타난다.

그리고 Anderson 등은 압출기 중의 미립자 또는 저밀도재료의 공급량을 늘리기 위해 새로운 공급량 증진기술(PET)을 개발했다. PET는 배럴의 일부에 다공질재료를 설치하고 여기로부터 진공장치로 폴리머나 필러재료 주변의 공기를 배기했다. 공기가 빠져나가면 폴리머분말이 치밀해지고 배럴과 재료 사이의 마찰계수가 증가되어 반송능력이 향상된다.

Keung 등은 비용이 고가인 하이드로카본수지(HCR)의 마스터배치를 사용하는 PP와의 폴리머 블렌드를 제조하는 프로세스를 개선했다. 단축 스크루압축기에서 PP와 HCR을 건조블렌드로 압출하는 프로세스로 개선해 비용절감과 최적 압출조건을 확립했다. 또한 공급부의 실링온도를 높여서 압출량을 증가시켰다.

한편 Gunes 등은 보통의 조건에서는 상용성(相容性)이 없는 폴리에틸렌나 프탈레이트(PEN)와 열방성(thermotropic) 고분자액정(LCP)을 초음파 조사하고 혼합·압출 처리해 PEN/LCP 블렌드를 상용화하고 초음파의 강도나 PEN/LCP 혼합비가 미치는 영향을 조사했다. 초음파로 처리하면 압출운전 중의 압력이 감소되고 PEN의 점도도 감소된다.

7.5㎛의 초음파 진폭의 경우에는 PEN/LCP 계면의 접착성이 개선되었으며 섬유파단시의 신장과 성형품 성형시의 신장과 충격강도가 개선되었다.

Matsumoto 등은 높은 유동성과 높은 연성을 가진 PP와 CF를 용융혼련해 CFRP를 제조했다. 매트릭스 폴리머인 고유동성 PP에 디쿠밀퍼옥사이드(DCP)와 페놀수지(Ph)를 그래프트화한 Ph-PP를 사용해 고유동성, 고강성, 고내열성의 CFRP 제조에 성공했다. 또한 CF를 측면 공급부에 투입해 더욱 높은 강성과 내열성을 달성했다. 그러나 고연성인 Ph-PP의 특징을 CFRP의 성능에 반영하지는 못했다.

 

4. 전문가 제언

압출성형은 배관이나 필름, 시트 등의 범용제품에서 고기능제품까지 다양한 분야에 이용되는 성형가공 기술이다. 압출성형은 플라스틱 성형법의 일종으로 압출기를 사용해 압출다이(Dies)로부터 열가소성수지를 가열, 연화해 압출하는 성형방식이며 제품의 체적 제한이 없고 복잡한 단면형상에 대해서도 제한이 없으며 생산효율도 극대화할 수 있다.

필요로 하는 성형품을 얻기 위해서는 성형기의 실린더온도나 사출속도, 금형온도 등을 설정해야 하며 그 조합은 무수히 존재한다. 조건에 따라 얻을 수 있는 성형품의 외관이나 치수, 기계적 물성 등이 다양하게 변화하기 때문에 최적 성형조건의 설정이 중요하다.

압출조건을 최적화하면 재료의 성능이 향상된다. 폴리프로필렌과 나노실리카로부터 나노복합체를 제조할 경우에 압출기의 스크루 회전속도나 스크루 범위가 크게 영향을 미친다. 스크루의 용융영역에서 높은 응력, 충분한 체류시간, 높은 충만율을 유지하면 실리카의 분산이 촉진되어 균일한 성형품을 얻을 수 있다.

본고는 성형가공 관련 잡지나 학회에서 최근에 발표된 압출성형 논문 중에서 압출기를 이용한 재료개발, 재료특성의 평가, 프로세스의 검증, 기술개선에 관한 주요내용을 개략 소개한 것으로 압출성형의 연구동향 파악에 도움이 될 것으로 기대된다.                          

 

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* 출처 : 重石高志, 福澤洋平, ‘押出成形’, 成形加工, 24(7), 2012, pp.355~359
* 필자 : 한국과학기술정보연구원 이치옹 전문연구위원

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 발전하는 압출성형 가공기술의 최근 동향