폴리에틸렌수지 (PE : PolyEthlene)
에틸렌을 중합시켜서 얻은 유백색의 불투명 내지는 반투명의 열가소성 수지로서 비중은 1보다 작다.
이수지는 영국의 F.W.FAWCETT에 의해 처음으로 합성되어 1933년 ICI사에 의해 공업화 되었다.
이수지는 중합법에 따라 얻어지는 포리에틸렌도 성질이 다르므로 고압법(ICI법),중앙법(필립스법),
저압법(치클러법)등 제조법에 의해 분류되고 있으며, 본질적인 성상의 차이는 밀도와 관련되어
저밀도(0.910 ~ 0.925), 중밀도(0.926 ~ 0.940), 고밀도(0.941 ~ 0.965)로 분류되고 있다.
폴리에틸렌은 다른 올레핀이나 비닐 화합물과의 공중합체도 생산되고 있어 일괄하여 폴리올레핀
이라 부르고 있다.
폴리에틸렌은 중량 평균분자량이 수만에서 수십만 정도의 것이 시판되고 있으나 가공성 즉, 유동성
은 분자량에 의해 다르다.
유동특성의 판정기준은 일반적으로 멜트인데스가 이용되어 이 수치가 클수록 분자량은 적으며,
필름등의 가공은 용이하나 제품성은 떨어진다.
폴리에틸렌은 내약품성, 전기절연성, 성형성이 우수해 가소제를 사용하지 않아도 유연한 제품이
얻어진다.
비교적 저온에서도 연약하게 되지 않는다. 이때문에 사출성형, 압출성형, 위입성형등에 의해
각종 성형품, 필픔, 병등으로 가공되며 포장재료, 가정용품등에 대향으로 이용되고 있다.
중량 평균 분자량 1만이하 및 100만 이상의 것을 각각 저분자량 및 고분자량 폴리에틸렌, 200만
이상의 것을 초고분자량 폴리에틸렌, 선저밀도 폴리에틸렌이라고 한다.
ICI법은 미량의 산소하에서 500 ~ 3000기압으로 약 200℃에서 중합 시킨다.
분자량 10000이하의 것은 저분자량 폴리에틸렌이라고 하며, 왁스 상으로 분자량이 크게 되면
분자구조를 가진 가공이 쉬운 폴리에틸렌이 된다.
BASF법은 물 또는 벤졸등의 과산화물 촉매 속에서 500기압으로 약 120℃에서 중합시킨다.
이 방법은 ICI법보다 결정성이 톺은 수지가 된다. 이 밖에 Dupont법, Phillips법, Standard법등이
있다.
# 저밀도 폴리에틸렌(LDPE : Low Density Polyethylene)
* 재료의 특성
LDPE는 결정성 열가소성 플라스틱으로 그자체는 투명 그레이드로는 이용될 수 없다.
유백색으로 소프트 왁스 상의 감촉을 가지며 분자고리의 분기를 가지고 있기 때문에 결정화도의
수준이 낮고, 긴 고리와 짧은 고리의 두가지가 있다.
이재료는 물보다도 작은 밀도(0.92g/㎠)를 가지며, 강인하지만 인장강도는 그다지 강하지 않다.
그러나 넓은 온도범위에 걸쳐 내화학성과 전기절연성은 뛰어나다.
* 유동성
LDPE는 유동성이 양호한 재료이다.
유동의 용이성은 멜트 플로우 인덱스(MFI)에 의해 붙여진다. 그수가 적을수록 유동성은 나쁘다.
그러나 낮은 MFI의 재료는 양호한 내스트레스 크래킹성과 내용제성 및 높은 충격강도를 나타낸다.
200℃에 있어서 2의 MFI(Melt Flow Index)를 가진 재료는 PS보다도 높은 점도를 가지며 0.2의 MFI를
가진 재료는 PS보다 저점도이다.
* 성형 수축
밀도가 0.910 ~ 0.925g/㎠일경우 수축은 약 0.02 ~ 0.05mm/mm이고, 0.926 ~ 0.940g/㎠일경우
수축은 약 0.015 ~ 0.04mm/mm이다.
* 강내성물질
비산화성 산, 알칼리 및 많은 수용액에 화학적으로는 견디며, 장시간 침적 후에도 낮은 흡수를
한다. 카본블랙의 첨가는 흡수를 증가시킨다. 아세톤이나 벤젠의 흡수는 크다.
* 약 내성물질
자외선이나 고온에서 산소 및 강초산 60℃에서 벤젠에 용해된다.
방향족과 염소화탄화수소에 의해 늘어난다.
세제류로서 MFI가 0.4보다 큰석에는 스트레스크래킹을 일으킬 가능성이 있다.
* 재료의 판정
물에 뜬다. 칼로 쉽게 절단된다. 거의 통상적으로 용매에는 녹지 않으나 뜨거운 벤젠이나 톨루엔
에는 녹는다. 용이하게 착화하며, 급속히 연소한다. 연소하면 숱이 떨어지며, 왁스나 파라핀이
타는 냄새를 낸다. 불꽃은 청색이며, 선단은 황색을 띤다.
융점은 약 105℃이며, 화학약품에 용해하지 않는 불활성 재료이다.
* 착색
드라이 컬러링이 응용, 사용되나 일괄적으로 정확한 컬러매칭이 요구되는 것에는 마스터배치가
유효하다.
미리 컴파운드된 재료는 고가이지만 양호한 착색이 마스터배치로도 달성될수 있으므로 보통 넓은
제품에 사용하고 있다.
* 재료와 성형부품의 취급
흡습성의 첨가물이 함유되지 않는한 예비건조는 통상 필요치 않다.
필요한 경우에는 65℃에서 3시간으로 충분하다.
* 금형과 게이트에 관한 고려
MFI(Melt Flow Index)의 증가와 함께 금형의 피드시스템은 한층 작게할 필요가 잇다.
런너 사이즈를 너무 감소(6mm이하) 시켜서는 안된다.
수축을 감소시키기 위해서는 적당량의 유지압을 필요로 한다.
게이트는 여러 타입이 사용된다.
핫런너 및 단열런너를 사용하는것도 유효하다.
* 유동길이/두깨비(L/D비)
유동성이 좋은 재료이므로 1mm 두깨에서 L/D비는 200:1이며, 고사출 성형기에서는 300:1에도
달한다.
* 투영 면적
필요한 형체악은 150 ~ 300kg/㎠이다.
* 기타 성형조건
노즐에서 재료 적하를 막기 위해 보통 노즐속에 스프링부하가 있는 밸브를 부착한다. 이것은
스크류 뒤에서 재료가 역규하는것을 최소화하기 위해서이다.
감압을 노즐밸브로 대신하는 핫런너 금형도 함께 사용된다.
스크류 쿠션은 2mm ~ 6mm사이이며, 쇼트 능력은 실린더 정격 능력 10%의 작은 쇼트로도 이용되며
최대 이용 능력은 약95%이다.
멜트 온도는 180 ~ 280℃ 재료가 가열되면 산화가 일어나므로 산화방지제로서
디-β-나프탈-P-페닐렌 디아민을 가하는 것도 필요하다.
재료를 실린더 속에서 과열시키지 않도록 한다.
사출속도는 그다지 높지 않은 압력으로도 신속한 속도를 얻을수있다.
사출압 제1단계는 1300kg/㎠이고 운전정지시 다른 재료로서 퍼지는 필요없다. 재생재는 100%사용
가능하다. 이재료는 유연성을 가지고 있기 때문에 엄밀한 치수 공차를 얻기 위한 사출은 곤란하다.
다시 말해서 이재료는 열팽창계수가 크기 때문에 사용시 엄밀한 치수유지는 곤란하다.
* 용도
완구, 용기, 볼, 비이커, 파이프, 커플링, 포트 핀등
# 고밀도 폴리에틸렌(HDPE : High Density Polyethylen
* 재료의 특성
입체특이성 촉매의 저온, 저압 조건하에서 에틸렌이 중합하여 실직적은 선상의 포리머가 얻어진다.
이재로는 그규칙성 때문에 LDPE보다 높은 수준의 결정화도를 갖는다.
이 결정화도의 증가에 의해 높은 밀도, 강성, 인장강도, 경도, 가열변형온도, 내화학품성, 점도및
내투과성을 가진 프라스틱이다. 그러나 충격강도는 저하한다.
얼마간의 응용에 있어서는 내후성은 충분하나 카본블랙과 컴파운딩함으로서 개선된다.
PP보다는 저온충격 및 산화에 대해 높은 내영을 가지며 높은 연화점, 양호한 굴곡저항성, 높은경도,
높은 인장강도를 가지고 있으며 빠른 싸이클로 사출된다.
* 유동성
비교적 유동이 양호하다. 그러나 LDPE에 비해 성형 그레이드는 낮은 MFI(Melt Flow Index)의
재료가 공급된다.
* 성형수축
분자의 선상 성질로 높은 수준의 결정화도를 얻을수 있다. 따라서 높은 수축치가 되며 이것은
횡방향과 흐름방향이 현저하게 다르다. 그러므로 변형이 문제가 된다.
두꺼운 성형품에 있어서는 수축치가 0.05mm/mm까지는 고려된다. 그러나 0.015에서 0.040mm/mm의
수축치가 일반적이다.
* 강 내성물질
비산화성 산, 알칼리와 많은 수용액에 화학적으로는 견딘다. 그러나 화이트, 스피리트 4염화탄소
에는 침해된다.
* 약 내성물질
자외선, 고온에 있어서 산소와 산화제, 방향족및 염소화탄화수소에 LDPE보다 높은 내성을 갖는다.
그러나 활성액체인 세제 또는 금속비누에는 응력에 의해 크래킹을 일으킨다.
* 재료의 판정
LDPE와 유사하며 85℃의 벤젠에는 용해된다.
높은 밀도와 강성을 가지고 있으나 불투명하고 높은 융점 또는 고연화점을 가지며 알코올이나
물 혼합물은 수중에서 뜬다.
* 착색
광범위하게 착색 컴파운드된 수지로서, 마스터배치는 주요 테크닉이다.
액체 착색제도 사용되고 있으나 너무 많은 액체 착색제는 스크류의 슬리프를 일으킬 염려가
있으므로 주의를 요한다.
청색이나 녹색용으로 사용되는 프탈로시아닌 안료를 사용했을 경우에는 결정화도를 변화시킬
가능성이 있다.
* 재료와 성형품의 취급
예비건조는 통상 필요치 않으나 필요한 경우에는 85℃애서 약3시간 정도 한다.(카본블랙을 가한것)
흑색재료에 있어서는 색채유지를 위해 건조가 필요하다.
대형 성형품 부품에서 휨의 감소를 위해 냉각치구를 약10분간 사용함으로서 효과를 얻을수 있다.
* 금형과 게이트에 관한 고려
성형품은 수축이 다르므로(휨과 흐름방향) 휨을 일으킬 가능성이 있으나. 휨은 차별냉갹에 의해
어느정도 억제할 수가 있다. 또 좁은 분자량 분포를 가진 그레이드가 효과적이다.
첨가제는 결정화도에 미치는 영향이 있으므로 염두에 두어야 한다.
유로의 길이는 가능한 동등하게 한다. 따라서 대형 성형품에 있어서는 복수게이트 사용이 바람직
하다. 예를 들면 4개의 게이트를 코너마다 하나씩 붙이는것 등이다. 높은 비열과 낮은 열전도성
이므로 핫런너 금형이 널리 사용된다.
* 유동길이/두깨비(L/D비)
두깨에 대한 최대 L/D비는 LDPE보다는 통상 작다. 1mm 두깨에 있어서 170:1이다.
* 투영 면적
필요한 형체압은 300kg/㎠가 통상적이다.
* 기타 성형조건
바렐은 통상 실린더 타입의 노즐을 구비한다. 그리고 역류방지 밸브를 부착하며, MPI 그레이드가
성형될 때에는 이것이 더욱 필요하다. 스크류 쿠션은 2mm에서 6mm까지이며, 쇼트능력은 실린더
정격 능력의 80 ~ 85%가 사용된다.
멜트 온도는 205 ~ 260℃범위이며, 얇은 두깨의 성형품은 높은 온도를 사용 하는데 보통 230℃에서
행한다.
바렐 체류시간중 열분해의 염려는 그다지 없으나 성형중단으로 과열될 염려가 있으므로 설정온도를
내리도록 한다.
높은 멜트 온도는 고광택의 성형물을 얻을수는 있지만 그만큼 성형 싸이클이 길어진다.
사출속도는 가능한 빨리하고, 사출압 제1단계는 1800kg/㎠, 제2단계(보압) 1500kg/㎠으로 과잉충전
을 피한다. 이것은 게이트 부근의 크랙발생을 유발하기 때문이다.
스크류속도 rpm은 가능한 낮게한다.
배합은 200kg/㎠까지이며 재생제는 버진 또는 폴리머와 25 ~ 30% 블렌드된 것이라면 깨끗하게 건조
되었을때 100% 사용 가능하다. 또 이수지는 전기 도금은 어렵지만 진공증착, 핫스탬핑 인쇄등은
가능하다.
* 용도
각종 병, 컨테이너, 어물상자, 식품저장박스, 가정용품등
# 선상저밀도 폴리에틸렌(LLDPE : Linear Low Density Polyethylene)
* 재료의 특성
LLDPE는 저밀도폴리에틸렌이지만 고압법 저밀도 폴리에틸렌보다 분기가 적으며 뛰어난 물성을
가지고 있다.
LDPE와 HDPE를 비교하면 인장가도는 중간치이며, 특히 신장률이 LDPE보다 30%정도 높다. 그리고
이수지는 찢어지지 않는 튼튼한 강성때문에 얇은 필름으로도 같은 강도의 필름을 만들수 있어
약30% 원료가 절감된다.
현재 필름용으로 실용화되고 있으며, 이밖에 사출성형용 재료로도 기대된다.
* 응용
초고분자량 PE를 사용하여 플라스틱 함마, 전기절연부품, 프리, 스핀들, 맨드렐등 내마모성,
강인성을 가진 기계부품을 만든다.