Powder 또는 Pellet상의 수지를 압력 하에서 열과 전단력(Shear Stress)에 의해 용융시키고 일정형태를 갖는 다이(Die)를 통해 밀어내어 필요한 형태의 제품을 성형하는 공정이다. 이러한 압출공정은 그 자체로 파이프, 튜브, 평판, 이형단면판, 시트등의 생산과 중공성형(Blow Molding), 스크류형 사출기의 수지 용융, 혼합등에 이용되기도 한다.
성형기술
파이프(Pipe)
압출성형 중에서 가장 기초적인 기술이며 자동화의 진행에 따라 생산량이 급증하고 있다. 파이프는 종류가 매우 다양하고 사이즈도 1㎜φ에서 1,000㎜φ 까지 있으며 원료로는 경질염화비닐, 연질염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드(나일론), 우레탄 일레스토모, 아크릴, 폴리카보네이트등 다양하게 사용되고 있다. 성형시 압출기, 다이, 사이징다이, 냉각장치, 인장장치, 절단장치를 이용한 연속공정이 필요하다.
압출기는 수지를 충분히 혼련하고 토출하는 역할을 하며 Die는 혼련된 수지를 원하는 모양으로 만든다. Die를 통하여 나온 수지는 냉각장치에 의해 소정의 형상길이로 냉각 고화되어진 후, 절단기에 의해서 일정한 길이로 절단되어 최종제품이 된다. 이와 동시에 압출기의 토출속도와 같은 속도로 제품을 잡아 당기기 위해 인장장치가 동시에 작동한다.
1. 압출성형기
싱글스크류, 트윈스크류 성형기가 사용된다. 전자는 폴리에틸렌, 연질염화비닐, 나일론등에 사용되고 후자는 경질염화비닐 분말에서의 직접 압출(드라이블렌드 압출)에 사용된다.
2. 다이
파이프 성형용으로 사용되는 다이는 스트레이트 헤드 다이, 크로스 헤드 다이, 오프 셋 다이 등이 있다. 각각의 다이는 장단점이 있기 때문에 수지와 용도에 따라 특징을 살려서 사용해야 한다.
3. 사이징다이
다이로부터 나온 용융수지를 사이징다이를 지나 냉각부분에 들어갔을 때 변형이 일어나지 않을 정도로 냉각, 고화하여 사이즈를 정하는 역할을 한다. 플레이트식 사이징법, 아웃사이드 맨드렐법, 인사이드 맨드렐법, 진공사이징법 등이 있다.
시 트
필름과 시트 및 플레이트와의 한계는 정확하지는 않지만 0.25㎜ 두께(1/100 인치)이하를 필름, 그 이상 2.5㎜(1/10 인치)이하를 시트라 하며 그 이상을 플레이트라 한다. 기존의 캘린더 롤 가공, 프레스 가공에서 요즘은 압출을 이용한 시트제조로 이행하고 있다. 압출 시트는 건재, 토목, 공업용, 각종 진공성형등에 이용되고 있으며 거의 모든 열가소성 수지가 이용된다.
1. 압출성형기
싱글스크류, 트윈스크류 성형기가 사용된다. 폴리스티렌, ABS, 아크릴, 폴리카보네이트 등은 벤트(Vent)식 싱글스크류가 사용되고 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 나일론 등은 넌벤트(Non-Vent)식 싱글스크류가 사용된다. 경질염화비닐에는 이방향 회전 2축 스크류(Counter Rotation Twin Screw )가 사용된다.
2. 다이
시트성형용 다이에는 피시테일다이, 매니폴드다이, 코트행거다이, 서큘러다이, 스크류다이 등이 있다.
3. 냉각롤
다이에서 압출된 시트는 짧은 거리에서 냉각롤에 공급된다. 냉각롤은 3개 1조로 되어 있으며 수직형, 경사형, 수평형 등이 있는데 수직롤이 일반적으로 사용되고 크롬도금이 돼있다.
인플레이션 필름
Tubular Film 또는 Blown Film으로도 불리우는 인플레이션필름은 상향식, 하향식 또는 수평식 압출에 의해 생산된다. 원통형 다이에서 압출된 원통튜브의 직경과 두께는 다이 하부에서 나오는 공기량과 인취속도에 의해 결정된다. 수평, 수직방향으로의 연신비에 따라 필름의 물성이 크게 좌우된다.
압출성형기, 다이, 냉각장치, 타워, 안정판, 핀치롤, 전처리장치(주로 코로나방전) 슬리터 및 권취기로 구성된다. 인플레이션필름 성형용 다이로는 크로스헤드형(앵글형)과 스파이더형 및 스파이럴형등이 있다. 이중 스파이더형은 경질염화비닐의 성형에 사용되고, 스파이럴형은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌등 폴리올레핀계의 성형에 사용된다. 필름의 가스배리어성의 향상 등 다층화의 요구에 따라 각종 다층 다이가 개발되고 있다.
수막에 의한 고투명성 필름 압출은 물 등으로 급냉하여 결정화를 방지함으로써 투명성이 우수한 필름을 가공하는데 사용된다. 하향식 압출로 튜부를 팽창시키고 튜브의 외부에 냉각수를 접촉시켜 급냉시킨다.
모노 필라멘트
실경 0.15~1.5㎜(200~2000 데니어)의 두꺼운 단섬유로 HDPE, PP, 폴리아미드(나일론), PVC, PET 등이 원료로 쓰이고 어망, 방충망, 로프의 소재선 또는 브러시 등의 용도로 사용된다.
데니어(Denier)
압출기에서 용융된 Resin은 원형다이의 원주에서 몇 가닥의 가는 끈 모양으로 압출되어 수직으로 떨어져 냉각조에 들어간다. 수조를 통과한 필라멘트는 한 묶음으로 고디트롤에 들어간다. 이 롤은 모노필라멘트를 일정한 속도로 다이에서 끌어내는 역할을 한다. 다음에 오리엔테이션롤에 걸쳐지고 두 롤의 회전차이로 6~10배 정도의 연신이 이루어지며 이 때 분자의 배향이 이루어진다. 마지막으로 보빈 1개씩 개별로 감긴다.
1. 압출기
싱글스쿠류가 주로 사용되고 PP, PE, 폴리아미드 등의 압출에는 L/D 28 이상, PVC용으로는 L/D 26~28 정도가 바람직하다.
2. 연신장치
방사된 미연신사를 두개의 고디트롤 사이의 회전속도 차이에 의해서 연신을 시키고 기계적 강도를 부여한다. 열매체로는 공기, 증기, 온수 또는 글리세린 등을 사용하고 습식 또는 건식으로 가열한다.
3. 열처리(Annealing)장치
연신된 상태로 필라멘트를 방치하면 수축이 일어나고 이것을 가열하면 수축은 급속히 증가한다. 이것은 연신에 의한 잔류응력이 남아 있기 때문으로 필라멘트를 연신온도 이상에서 가열하여 잔류응력을 없애는 것이 목적이다.
응용기술
연 신
연신이란 열가소성 수지를 연화온도와 용융온도 사이에서 MD(Mechanical Direction) 또는 TD(Transverse Direction)로 당김으로써 배향성을 부여해 그 상태로 냉각시는 것으로 '배향' 또는 '연신'이라고 한다.
한방향으로의 연신을 단축연신이라고 하고 단축연신된 것을 직각방향으로 연신하면 2축연신이 완성된다. 양방향으로의 연신률은 각각 3배이므로 연신필름은 원래 시트에 비해 면적이 9배가 된다. 이것을 재가열하면 원래 시트에 접근 할 만큼 수축된다.
모노필라멘트, 밴드 또는 슬릿얀 등은 대표적인 단축연신 성형품이며 폴리프로필렌, 폴리에스테르 필름이 대표적인 2축연신필름이다.
1. 단축연신
모노필라멘트와 밴드를 제외하고는 대부분이 필름을 연신한 연신 테이프, 슬릿얀, 스플릿얀 등의 가공에 사용되고 있다. 연신은 습식, 건식 또는 습식과 건식을 절충한 방식이 있으며 연신배율은 롤간의 속도차에 의해 결정된다.
압출 다이에 따라 인플레이션 필름형과 T-다이형으로 구분된다. 전자는 인플레이션 튜브형태로 압출된 필름을 컷터로 앞면과 뒷면으로 나눈 후 가열판에서 가열을 하면서 연신을 하고 마지막으로 열처리를 거쳐서 1개씩 로빈에 감는다. 연시방법은 위에 설명한 것과 같고 연신 테이프는 주로 건식법을 사용한다. PE는 좋은 안정성 때무에 가열판 방식이 PP의 경우 열풍순환 방식이 주로 사용된다. 연신된 필름의 잔류수축응력 및 열 수축을 감소시키기 위해 연신온도보다 약간 높은 온도로 테이프를 가열한다.
2. 2축연신
압출된 필름을 MD, TD방향으로 연신하는 것으로서 플레이트법(축차 2축연신, 동시 2축연신)과 튜블러법(동시 2축연신)이 있다.
1) 플레이트법
T-다이에서 압출된 필름을 수직과 수평방향으로 연신하는 것인데 두 가지 연신을 별도로 하는 축차 2축연신과 동일 공정에서 수행하는 동시 2축연신이 있다.
축차 2축연신법은 압출된 시트를 냉각 후, 몇 개의 롤로 구성된 수직 연신장치에서 연신하고 그 후 가열 쳄버에서 열을 가하면서 수평연신과 열처리를 한다. 광폭, 고속화가 쉽워 대중적인 방법이다.
동시 2축연신법은 판토그라프(Pantograph)식 클립텐더 또는 나사리드 클립텐더를 사용하여 수평연신시키고 동시에 클립간 간격의 변화를 통해서 수직연신시키는 방법인데 클립구조가 복잡하기 때문에 고속성형에 문제가 있다.
2) 튜블러법
인플레이션 필름을 핀치롤에 걸어 인취시키고 내부에 공기를 주입시킨 후 둘레를 원통형의 가열장치로 가열한다. 가열된 필름은 내부 공기압에 의해 수평방향으로, 롤의 속도차에 의해 수직방향으로의 연신이 동시에 일어난다.
플레이트법에 비해 정밀도, 생산성은 떨어지지만 장치가 간단하여 PP, HDPE, 나일론 등에 사용된다.
3. 열수축 튜브
튜블러 필름법과 같이 연신하고, 그 후 열처리를 하지 않는 튜브를 다시 가열하면 배향성이 없어지면서 원래 상태로 되돌리는 방법이다. 콘덴서, 건전지, 전기절연피복 등의 용도로 사용되고 PVC, 가교 PE, 불소수지, PET 등이 사용된다.
제조법은 공기가압에 의한 외경 사이징법, 철심을 이용한 내부 사이징법 그리고 진공을 이용한 외경 사이징법등이 있는데 첫 번째 방법이 가장 널리 사용된다.
네트(Net)압출
1. 네트 원리와 종류
(1) 원리
필라멘트를 밀어내는 다이홀이 상호 접촉해있는 다른 금형 접촉면에 각각 절반씩 뚤려있어 서로 압출과 직각방향으로 미끄러짐에 따라 다이 절반의 구멍이 서로 상호 일치하는 점에서 마디가 생기고 그 외의 부분이 망사가 된다.
(2) 종류와 용도
LDPE, HDPE, PP와 연질염화비닐 등이 네트압출에 주로 사용된다. 대표적인 형태는 마름모형, 직사각형, 거북등 네트등이 있으며 기타 실보강네트, 고발포 네트 또는 2색 네트 등 여러 가지 제품이 개발되고 있다.
과일ㆍ야채포장, 원예용, 울타리, 여과재 또는 토목자재 등의 분야에서 다양하게 사용된다.
2. 제조방법
크게 원형다이버과 플레이트 다이법이 있고 또 접착방법에는 다이 내부, 다이 외부 접착법이 있다.
(1) 마름모형 네트
일반적으로 원형다이법이 가장 많이 사용되고 다이 내부 접착법 및 다이 외부 접착법 등이 있다.
1) 내부 접착식
상부 Chain Sprocket의 회전으로 여러개의 반홀이 있는 내측다이가 회전하고 하부 Chain Sprocket으로 내측 다이와 역방향으로 회전하는 외측다이가 존재한다. 외측다이에도 반홀이 있고 반홀들이 만나는 곳에서 실모양으로 압출되던 용융수지가 만나고 접착한다. 그 외의 부분은 그물망이 된다.
네트의 인장강도를 향상시키기 위해서 열수 또는 열풍안에서 연신을 시키고 냉각수조 안에서 냉각고화되어 수분을 제거한 후 권취시킨다.
2) 외부 접착식
반홀로 존재하는 내부 접착식과 달리 외부 접착식 다이에서는 온전한 홀이 내, 외 노즐에 존재하고 압출된 필라멘트는 서로 반대방향으로 나선상이 되어 다이립을 나온 후 맨드렐을 통과할 때에 겹쳐져서 네트를 형성한다.
과일 등을 포장하는 용도로 사용되는 고발포 PE네트제조에 주로 사용된다.
(2) 장방형(트리칼) 네트
원형다이에 의한 다이 내 접착법의 하나로 소시에떼ㆍ아노님ㆍ리칼법이다.
콜게이트 파이프
1. 제조법
성형다이는 2분할된 여러개의 금형을 체인에 의해 캐터필러식으로 연결한 것으로 인취기 기능을 합친 것이다.
파이프 형태로 압출된 용융파이프는 금형 내에 가압공기를 불어넣어 캐비티내에서 확대시키는 공기가압법과 금형내를 진공 상태로 만들어 성형하는 진공흡입법이 있다.
이러한 콜게이트 파이프는 5mmΦ에서 최대 1,000mmΦ 정도까지 뽑을 수 있으며 단점으로는 가벼운 무게에 비해 부피가 크기 때문에 수송의 문제가 있다.
2. 용도
LDPE, HDPE, PP 등 올레핀계 수지와 경질염화비닐, ABS, PC, PA, 우레탄 일레스토머등의 수지가 사용된다.
가볍고 굽히기 쉬운 구조로 되어있고 큰 내압력과 편평화 강도를 갖고 있기 때문에 전기배선 보호튜브와 하확배액 파이프 등의 배수용으로 널리 사용된다. 파이프 홈부에 원주방향으로 구멍을 뚫은 것은 논, 밭, 초지, 과수원 등의 집수 및 배수용으로 널리 사용되고 있다.
3. 이중벽 콜게이트 파이프
1. 에서 설명한 파이프의 단점은 내면에 요철이 존재하기 때문에 유체의 흐름이 원활하지 않다는 것과 유체의 내압으로 파이프가 팽창 수축을 반복한다는 것이다. 따라서 요즘에는 내면의 요철을 제거한 이중벽 콜게이트 파이프가 개발되었다.
파이프 내면이 미끄럽기 때문에 저항이 작아 유체의 흐름이 원활하고 외압에 잘 버티는 장점이 있다. 그러나 내면에 요철이 없기 때문에 파이프의 유연성이 좋지 않다는 단점이 존재한다. 그러한 단점을 극복하기 위해서 내벽에 연질의 재료를 사용함으로써 어느 정도 Flexibility를 가미할 수 있다.