|
MuCell 초미세발포 공법에 대한 기술적 서술
열가소성 수지를 이용한 발포 부품들은 오랜 기간 동안 상업적으로 활용되어 왔다. 몇몇 분야에서는 이러한 제품들이 성공을 거둔 바 있으나 기존 발포 기술이 갖는 특정 제약 요소들 때문에 기존 시장 내에서 또는 신규 시장으로의 확산이 제대로 이루어지지 못했다. 미국 MIT가 원천 특허를 가지고 있었던 열가소성 폴리머의 초미세발포 기술에 기초한 MuCell 공법은 분포가 고르고 균일한 크기를 갖는 초미세기포를 만들기 위해 열가소성 소재 내에 고밀도의 기포 핵을 생성시키는 방식을 쓰고 있다. 이러한 방식으로 만들어진 발포 소재는 일관성 및 균질성이 뛰어난 기포 구조를 갖게 되는데 그 결과 탁월한 물성과 재현성을 갖는 부품들을 생산할 수 있게 되었다.
■ 기술적 배경
기존의 열가소성 수지에 기포를 생성하고 적용하는데 있어 가장 대표적인 한계 요소들은 바로 기포 크기가 크다는 것과 그러한 기포들의 크기가 일정치 않다는 것인데 이렇듯 크고 균일하지 못한 기포들은 제품의 기계적 성질(예: 인장/충격 강도, 굽힘 강도, 피로 강도)을 약화시키고 쉽게 부러질 뿐만 아니라 기포들이 재료 밖으로 표출되지 않게 하기 위해서는 필연적으로 제품 단면을 상대적으로 두껍게 가져가야 한다는 것이었다(얇은 단면은 깨진 틈이나 구멍이 드러나 불량을 발생시킨다.).
기존의 발포 공법에서는 화학 발포촉매(CBA)를 사용할 때와 같이 발포 촉매의 활성화 수준과 방출을 제어하는데 근본적인 어려움이 있기 때문에 품질의 일관성을 저하시키게 된다. 뿐만 아니라 많은 발포 공법들이 가연성 발포 촉매를 사용하다 보니 이로 인해 사용과 방출에 있어 관련 기관의 승인을 받아야 하고 특별한 취급 기술이 필요함과 동시에 완전한 가연성 촉매 방출을 위해 부품 출하 전 보관 기일이 길어진다는 부담이 있다.
기존 방식으로 발포된 열가소성 플라스틱 부품들의 사용상 제약 요소들로부터 자유로워진 새로운 개념의 발포 공법을 개발하여 Trexel은 사출 성형에, 그리고 MuCell Extrusion은 압출 및 중공 성형(Blow molding)의 상용화에 접목시켜 왔다. 미국 MIT가 원천 특허를 가지고 있었던 열가소성 폴리머의 초미세발포 기술에 기초한 MuCell 공법은 분포가 고르고 균일한 크기를 갖는 초미세기포(재료 및 적용 제품에 따라 통상 5~50㎛의 크기)를 만들기 위해 열가소성 소재 내에 고밀도의 기포 핵을 생성시키는 방식을 쓰고 있다. 이러한 방식으로 만들어진 발포 소재는 일관성 및 균질성이 뛰어난 기포 구조를 갖게 되는데 그 결과 탁월한 물성과 재현성을 갖는 부품들을 생산할 수 있게 되었다.
대부분의 발포 소재에서는 인장 계수가 밀도 감소치의 제곱에 반비례하는데 비해 100㎛ 이하의 매우 작은 일률적인 기포 구조를 갖는 초미세발포 소재에서는 인장 계수가 밀도 감소치에 정율 반비례하게 된다. 또한 사출을 통해 기포가 없는 0.5㎜ 두께의 스킨층과 초미세발포 중간층으로 구성된 스킨/코아의 이중 단면구조를 갖는 부품의 경우 단순 계수 감소치로 계산되는 것보다는 훨씬 좋은 굴곡 강도를 나타내게 된다.
MuCell®이라는 이름은 이러한 초미세발포 공법과 그를 통해 만들어지는 소재들을 지칭하기 위하여 Trexel에 의해 등록되었다.
■ 초미세발포 기술
초미세발포는 기포의 핵 생성률이 상당히 높고 기포 성장률보다 훨씬 클 때 만들어 진다. 이러한 조건들 하에서는 미처 기포 성장이 이루어지기 전에 극도로 많은 수의 기포 핵들이 만들어 지게 되는 것이다. 결과적으로 전체 기포 생성 공정에서 발포 촉매의 확산이 본격적으로 이루어 질 때 모든 기포 생성점들은 거의 동시에 동일한 비율로 성장하기 시작하고 그 결과 많은 수의 균일 분포된 일률적인 크기의 초미세 기포들을 내포하는 발포 소재가 만들어 지는 것이다.
이러한 현상들을 만들어 내기 위해서 다른 발포 촉매들 보다 저렴하고 사용 규제를 받지 않는 이산화탄소(CO₂)와 질소(N₂)와 같은 대기가스들을 물리적 발포촉매(Physical Foaming Agent)로 사용할 수 있다. 보다 중요한 것은 활석이나 석회 같은 핵 생성 촉매들을 사용하지 않고도 초미세발포를 만들기 위해 필요한 매우 높은 핵 생성률을 이끌어 낼 수 있다는 점이다.
■ 높은 핵 생성률 : 이론적 해법
고도의 기포 핵 생성률과 그 결과로써 다수의 핵 생성 기점들을 만들어 내기 위해서는 기포들이 핵화되는 방법에 있어 근본적인 변화를 줄 필요가 있다. 기존의 발포 기술들은 일반적으로 폴리머 소재에 고체 입자형태로 첨가되는 핵화 촉매들을 사용하고 있다. 그러한 고체 상태의 핵화 촉매들은 소재 내에 상대적으로 적은 수의 핵 생성 기점을 만들게 되어 불균일하고 이질적인 핵 생성을 유발하게 된다. 이런 이질적인 핵 생성을 통해 만들어진 소재는 크고 균일치 못한 기포조직의 특성을 갖게 되는데 기포 크기의 비 균질성은 상대적으로 느린 핵 생성률에 기인한다.
고도의 기포 핵 생성률과 다수의 핵 생성 기점을 이끌어 내기 위해서는 균질적인 핵 생성 방식이 필요한데 이 경우 발포의 시발점이 되는 핵 생성 기점들이 용융 폴리머 전역에 거쳐 분자 단위에서 만들어 진다(기포 핵 생성률은 발포 촉매의 농축 정도에 의존한다.). 기포의 성장에 필요한 핵 생성 기점의 숫자는 기존의 발포 공법이 갖는 그것보다 몇 승수나 크게 되는데 그것은 균질 핵 생성 방식에서는 기존 방식에서 나타나던 핵화 촉매 입자들의 불균일한 분포 및 낮은 응축 농도라는 제약이 없어지기 때문이다.
균질 핵 생성은 높은 열역학적 불안정성에 기인한다. 이러한 고도의 열역학적 불안정성은 고온 고압의 용융 폴리머에 높은 응축 농도의 발포 촉매를 녹여 단일 액상체를 만들고 나서 압력을 포화 압력 이하로 낮춤으로써 나타난다. 원하는 높은 균질 핵 생성률을 얻기 위해서는 녹아 있는 발포 촉매의 포화 수준(Saturation Level)과 불안정성이 나타나기 시작하는 포화율(Saturation Rate)이 동시에 높아야 한다.
균질 핵 생성에 필요한 조건들은 전형적인 용융 폴리머 시스템 하에서 압력의 함수로서 발포 촉매의 용해성을 그래프로 그려봄으로써 잘 나타낼 수 있다. 좌측의 3차원 도식에서와 같이 폴리프로필렌(PP)에 있어 이산화탄소(CO₂)의 용해도는 압력과 온도의 함수로서 나타난다. 보여지는 바와 같이 이산화탄소(CO₂)의 용해도는 압력이 증가함에 따라 늘어나고(선 AB) 온도가 상승함에 따라 줄어드는 것(선 AC)을 알 수 있다. 사출기의 실린더나 압출 장치 내부(점 D)에서는 온도와 압력이 높고 CO₂의 용해도도 높아 용융수지 내부에는 CO₂ 발포 촉매가 포화 상태에 있게 된다. 그러나 금형 (점 C)로 방출되는 시점에서 압력이 급격히 떨어지고 (△p) 그 결과 용융수지 내부의 CO₂ 발포촉매는 과포화 상태로 변하게 되며 녹지 못하는 잉여 CO₂가 기체화되기 시작한다. 만일 발포 촉매의 용해도가 A에서 B로 충분히 크고 빠르게 떨어 진다면 균질 기포 핵 생성에 필요한 여건들이 조성되며 많은 수의 고르게 분포된 초미세 기포들이 형성되고 균일하게 성장할 것이다.
MuCell® 공법(左)은 분포가 고르고 균일한 크기를 갖는 초미세 기포를 만들 수 있다.
* 자료 : (주)플러스허브 박용일 대표이사(ykgd96@naver.com)
[여기에 산업뉴스 보도일자 : 2012-09-03 ] | 