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[고분자성형] 고분자 성형법 평가C아쉬워요

1. 압출성형(extrusion)압출성형은 일정한 크기의 단면적을 가지는 열가소성 제품의 생산에 사용되는 방법으로 파이프, 호스, 튜브, 개스킷, 봉(bar), wire, 필라멘트, 선서의 피복, 필름, 시트 등을 연속적으로 생산할 수 있다 압축기는 고점도인 고분자 용융물을 연속적으로 밀어내는 일종의 펌프이며, 동시에 첨가제 등과 고분자를 혼합하는 혼련기(mixer)이다.압축기의 스크류는 채널 깊이에 따라 이송부, 압축부, 주입부로 구분된다. 이송부에서는 펠렛(pellet) 또는 분말 형태의 고체 고분자를 호퍼(hopper)로부터 받아 예열시키고, 일부를 용융시켜서 압축부로 밀어낸다. 따라서 이 영역에서는 유체와 고체의 역학 및 열전달을 같이 고려해야한다. 스크류 채널의 깊이는 깊고 일정하며, 그 길이는 적정한 속도로 재료를 이송시킬 수 있어야 하므로 재료의 종류에 따라 다양하다.압축부에서는 재료를 용융시키고, 공기를 제거하며, 용융채를 균일하게 유지하면서 밀도를 증가시켜서 용융체가 연속적으로 흐를 수 있게 만든다. 이를 위해서 스크류 채널 깊이는 점점 감소하게 된다. 이 영역에서도 고분자의 종류에 따라 스크류의 채널 깊이 및 길이는 고분자의 종류에 따라 다르며, 가장 일반적인 스크류의 형태는 아래와 같다.a. 저밀도 폴리에틸렌과 같이 용융이 점진적으로 진행되는 고분자 재료에서는 압축부의 스크류 채널 깊이가 점차적으로 감소하며, 그 길이도 상당히 긴 것을 볼 수 있다. 이와 같은 형태의 스크류를 폴리에틸렌 스크류라고 한다.b. 이 스크류는 압축부와 주입부 사이에 가스를 배출 할 수 있는 영역이 있다.c. PVC는 폴리에틸렌보다 더 용융이 점진적으로 일어나기 때문에 압출하기에 매우 어려운 고분자이다. 따라서 스크류 전체가 압축부이거나 끝 부분에 짧은 길이의 주입부가 달린 스크류를 사용한다.d. 나일론과 같이 순식간에 용융이 일어나는 경우에는 압축부의 길이가 매우 짧아서 채널이 하나 있을 정도의 길이이며, 이와 같은 스크류를 나일론 스크류라고 한다.주입부에서는 스속도가 증가하며 표면이 거칠고, 불규칙하며 일그러진 형상을 나타내게 되며, 이 현상을 용융파괴(melt fracture)라고 부른다. 이 현상을 최소화하기 위해 다이 길이를 길게하고, 입구를 매끄럽게 제작하여야 하며, 다이 온도를 높게 하면 된다. 만일, 다이의 온도가 낮거나 압력이 높으면 bambooing 현상이 나타난다.내장된 스크류의 수에 따라 단축 스크류식(single screw)과 다중 스크류식(multi screw)으로도 구분할 수 있다.압출기는 일반적으로 스크류 지름 및 길이/지름의 비율로 특성화 한다. 일반적으로 지름의 크기는 2.5cm(1in)로부터 30cm(1 ft)의 크기까지 다양하며, L/D(길이/지름)의 비율은 해마다 증가하는 추세이고, 현제는 20/1 ~ 36/1 의 범위가 보통이다.압출기를 사용한 대형 필름의 연속 생산 공정은 아래와 같다. 압축기로부터 나온 고분자 용융물은 슬릿 다이(slit die)를 통하여 배출되며, 회전 롤러에서, 냉각 및 연신이 된다. 회전 롤러의 속도를 조절함으로써 원하는 두께의 필름을 제조할 수 있으며, 0.01 ~ 0.1 mm 두께의 얇은 필름 생산이 가능하다.2. 사출성형(injection molding)사출성형은 열가소성 플라스틱을 가공하는 가장 일반적인 성형법으로 작은 핀에서부터 자동차 부품에 이르기 까지 정밀하고 품질이 좋은 제품을 대량으로 생산할 수 있다.펠렛 또는 분말 형태의 성형재료는 호퍼를 통해 전기 에너지에 의해 가영되는 배럴에 주입되며, barrel 내에는 회전하는 스크류(screw)rkl 있다. 재료는 barrel 내에서 전기 에너지 a 및 전단 에너지에 의해 용융된다. 초기의 사출기에는 스크류 대신에 플런저(plunger)가 있었으며, 따라서 재료의 혼합이 잘 이루어지지 않았고, 재료를 용융하는데 필요한 열도 narrel을 통한 열전도에 의해서만 공급되었다. 그러나, 스크류를 사용함으로써 재료내부에서 전단 열이 발생하고 혼합을 원활하게 함으로써 용융되는 시간을 단축하고 균일한 용융물반복되며, 반복 주기는 수십 초 정도이다.스크류의 디자인 침 varrel 등 많은 부분이 압출기의 것과 매우 비슷하며, 가장 큰 차이점으로는 가공중 스크류의 왕복운동 여부이다. 수출성형에서는 가공중에 스크류가 왕복운동을 함으로써 고분자 용융물의 역류를 방지할 수 있다. 고분자 용융물은 스크류의 앞쪽에 있는 역행방지 밸브(check valve)를 통해 노즐에 주입되며, 용융물이 주입된후 냉각되는 동안에는 스크류가 이동하여 밸브를 닫는다.고분자 용융물은 노즐을 통해 스푸루(sprue), 러너(runner), 게이트(gate)를 거쳐 몰드에 들어가며, 수냉식에 의해 몰드가 냉각된다. 성형품이 냉각되면 금형을 여고 eject pin을 이용해 성형품을 분리한 후, 스프루, 런너를 저거하며, 제거된 스프루와 런너는 원료로 재생된다.고분자 성형품은 냉각될 때 그 부피가 크게 수축하게 되며, 그 수축율은 냉각과 관련이 있다. 고분자 부품이 냉각 될 때 얇은 부분이 먼저 냉각되고, 고분자의 밀도는 얇은 부분에서 더 급속히 증가하여 압력 차이를 만들게 된다. 이 때문에 두꺼운 부분에서 얇은 부분으로 흐름이 있게되고, 불균일한 수축을 일으키게 되며, 이로 인해서 부품의 표면이 불규칙한 싱크 마크(sink mark)와 잔류응력이 잔존하게 된다. 잔류응력이 높은 성형품은 사용 중에 치수가 변화되거나, 휨등의 원인이 되며, 용제 등에 접촉되면 크랙(crack)이 발생한다. 잔류응력을 줄이기 위해서는 과잉의 압력을 가하기 않아야 하고, 금형온도를 될 수 있는 한 높게 해야 하고, 냉각속도 조절을 잘해야 한다. 또한, 금형으로의 용융물 주입속도를 일정하게 유지하고, 주입할 때의 용융물 온도를 조금 높게 하여야 한다.발포 플라스틱 성형품을 제조하기 위해서는 발포제(blowing agent)를 고분자와 혼합하여 사용하면 된다. 발포제는 반응성이 없으며 휘발성인 액체화합물로써 높은 온도에서 분해되어 질소나 이산화탄소 등을 발생시키다. 발생된 가스는 배럴 내에서 고압으로 용융물과 함께 유지되다가채우고, 압력을 일정하게 가하여 성형한다.몰드의 온도는 위치에 따라 다르며 온도가 높은 곳에서 경화가 더 빨리 진행되기 때문에 균일한 경화물을 얻기가 어렵다. 경화가 너무 빨리 일어나며 몰드의 가늘고 깊은 부분까지 재료가 들어갈 수 없기 때문에 온도가 낮아야 하지만, 온도가 낮으며, 경화시간이 길어져서 생산성이 떨어지므로 적당한 온도에서 최단시간 동안 경화가 이루어 질 수 있도록 해야 한다.위 그림의 트란스퍼 성형(transfer molding, 이송성형)은 압축성형의 효율성을 높인 방범으로, molding compound는 분리된 transfer pot에서 용융된다. 용융물은 압축에 의해 몰드 내로 주입되어 경화되며, 경화 후 분리되어 성형품을 얻는다. 성형 주기가 빠르고, 고형물이 공동(cavity) 내에 직접 주입되지 않기 때문에 몰드가 손상되지 않고, 성형품의 표면이 깨끗하다.4. 반응사출성형(reaction injection molding, RIM)RIM의 장점은 주입된 원료가 액상의 저점도 단량체이기 때문에 에너지를 절약할 수 있다. 즉 일반적인 사출성형의 경우 수지를 용융시키는데 에너지가 필요하며, 용융물이 매우 고점도 이기 때문에 높은 사출압력이 요구된다. 그리고 RIM공정에서는 원료가 저점도이기 때문에 복잡한 형태의 금형에서도 흐름이 용이하며, 첨가제 충전제, 보강 섬유와의 혼합되 용이하다.RIM성성기의 구조는 아래 그림과 같이 원료저장 탱크, 정량펌프, 혼합헤드, 열교환기 등이다.폴리우레탄의 합성공정을 예로 들어서 RIM공정을 설명하겠다. 먼저 각각의 탱크에 폴리올(polyol)과 isocyanate를 분리 저장하고, 두 용액이 혼합헤드에서 섞인 후 몰드에 주입됨으로서 성형품이 얻어진다. 이때 혼합헤드의 역할이 매우 중요해진다.혼합헤드의 피스톤이 후진된 상태에 있을 때에는 두 용액이 서로 섞이게 되며, 피스톨이 전진할 때 노즐을 통해서 몰드로 주입된다. 그리고, 피스톤이 전진된 상태에서는 두 반응물이 서로 섞이지 못하고 각각의 반응용기로 순환능하다, 먼저 그림 18-18에는 압출 blow molding을 나타내었다.먼저, 가운데가 빈 원통형 또는 패리슨(parison)을 중력방향으로 압출한 후, 열려있는 수냉식 몰드의 사이에 패리슨을 위치시킨다. 몰드를 닫으면서, 병의 목부분에 나사를 형성시킨다. 압축공기(2~5)atm)를 병의 목에 불어넣어 패리슨을 팽창시킨후, 부품이 충분히 냉각되었을때 몰드가 열리며, 제품이 수거된다. 대량으로 연속생산을 위해서 두 개의 패리슨 헤드에 20개의 몰드가 회전하면서 제품을 성형하기도 한다.이 방법에서는 패리슨의 레올로지 특성이 중요하다. 만일 점도가 너무 낮아 몰드가 닫히기 전 패리슨이 너무 쳐지면 병의 벽이 너무 얇게 만들어지기 때문에 점도가 크고 분자량이 큰, 다시 말해서 압출상태에서 용융물이 어느 정도의 강도를 나타낼 수 있는 고분자를 사용함으로써 쳐짐을 최소화하여야 하고, 우수한 연신도를 나타내어야 한다. 현재는, 플라스틱 병 외에도 드럼이나 자동차의 가솔린 탱크의 제조에도 사용된다.패리슨(이 경우에는 preform이라고도 함)이 사출 성형에 의해 제조되며, 두개의 금형이 사용되고 수지의 사출량과 금형의 온도가 정밀하게 조절된다. 일정량의 수지가 첫 번째 금형 내부의 중심 핀 주위에 사출되면, 금형이 열리고 중심핀 주위의 가여로딘 수지는 열려진 두 번째 금형으로 이동한다. 두 번째 금형이 단힌 후 중심 핀을 통하여 주입된 압축 공기에 의하여 제품이 성형된다.6. 회전성형(rorarional molding)최전성형도 중공성형과 같이 내부가 빈 성형품의 제조에 사용된다. 분말상 (때로는 펠렛도 가능)의 폴리에틸렌이나 나일론을 가열된 몰드에 주입한 후 상하 축과 좌우 축을 중심으로 동시에 회전될 때 분말이 원심력에 의해 몰드 표면에 고르게 분산되어 용융된다. 몰드가 압축공기 또는 물 분무에 의해 냉각된 후 몰드가 열리고, 성형품이 수거된다. 이 방법은 어떤 형태의 구멍을 가진 것도 성형이 가능하다. 성형 중에 압력이 가해지지 않기 때문에 몰드는 단순히 얇은 금속.

공학/기술| 2004.10.11| 10페이지| 1,000원| 조회(1,401)

고분자, 고분자성형, 고분자사출

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