플라스틱 수지의 특성: 사출성형 품질을 결정하는 재료의 이해

사출 성형에서 금형 설계와 성형 조건이 아무리 완벽하더라도 재료인 플라스틱 수지의 특성을 이해하지 못하면 안정적인 품질을 얻기 어렵습니다. 플라스틱 수지는 종류에 따라 유동성, 강도, 내열성, 수축률이 크게 다르며 이 차이는 곧 성형성·불량 발생·제품 수명으로 이어집니다. 이 글에서는 사출 성형과 금형 설계의 기초가 되는 플라스틱 수지의 주요 특성과 분류 기준을 실무 관점에서 정리해 보겠습니다.

플라스틱 수지란 무엇인가

플라스틱 수지의 정의

플라스틱 수지는 열이나 압력을 가하면 성형이 가능하고 냉각 후에는 일정 형상을 유지하는 고분자 재료입니다.

사출 성형에서는 이 수지를 용융 상태로 만들어 금형 내부에 충전한 후 제품을 제작합니다.

플라스틱 수지의 기본 분류

플라스틱 수지는 열에 대한 반응에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다.

• 열가소성 수지
• 열경화성 수지

사출 성형에서는 주로 열가소성 수지가 사용됩니다.

 

1. 플라스틱 재료의 수축률
플라스틱 사출 금형의 설계를 진행하기 위해서 성형 수축률을 결정할 필요가 있다. 사출 성형에 사용되는 일반적인 플라스틱 재료에 대한 대략적인 성형 수축률 가이드가 존재한다. 자세한 내용은 성형 재료 제조업체로부터 각 그레이드에 대한 재료 카탈로그 및 기술 문서를 얻고, 결정을 내릴 때 참고 자료로 사용하는 것이 일반적이다.

 

2. 플라스틱의 종류와 캐비티용 강재의 선택
캐비티용 강재는 플라스틱 수지의 종류 및 성형품에 요구되는 기능에 따라 선택한다. 강재의 선택이 적절하지 않은 경우 정밀한 표면으로 연마하는 것이 불가능하거나 성형 중에 부식이 진행된다. 또 마모가 빠른 속도로 발생할 수 있다.

 

3. 플라스틱의 유리 전이 온도 Tg
열가소성 수지는 용융점보다 높은 온도에서 용융되어 액상이 되지만 액체 상태에서 서서히 냉각됨에 따라 점도가 점차 증가하여 고무 상태가 되어 최종적으로 응고된다. 고무 상태에서 고체 상태로의 온도(유리 상태)를 유리 전이 온도라고 한다. 유리 전이 온도는 일반적으로 Tg로 표시된다. Tg는 플라스틱의 유형에 따라 결정되는 물리적인 양이다. Tg의 값을 알면 캐비티 내부에서 성형품이 냉각되는 데 필요한 시간과 금형에서 꺼낼 수 있는 성형품 온도를 예측할 수 있다.

 

4. 내열성 폴리락틱산 수지의 사출 성형
대표적인 생분해성 플라스틱 중 하나는 폴리락틴산(PLA)이다. 폴리락틱산은 식물에서 추출한 생분해성 플라스틱 수지이다. 폴리락틱산은 비교적 단단하고 폴리스타이렌과 거의 동일한 기계적 강도를 가지고 있다. 약 10년 동안 산업용으로 사용되고 있지만 강도와 내열성이 부족하기 때문에 고부가가치 산업 제품에는 그다지 많이 사용되지 않았다. 하지만 최근 나노 복합체 기술을 응용하여 내열성이 우수한 폴리락틱산이 개발되고 있다. 이러한 재료는 최대 120℃의 하중에서 처짐 온도를 견딜 수 있기 때문에 뜨거운 물로 세척하거나 연속적으로 증기 환경에서 사용할 수 있다. 따라서 일회용 식품 용기, 회수 가능한 식품 용기(학교 점심에 반복적으로 사용되는 식품 용기 등), 개인용 컴퓨터 류, 사무 자동화기기 류, 병 용기, 포장 용기 등의 용도로 사용된다. 내열성 폴리락틱산은 수축률이 크고(약 12~20/1000), 강하게 코어에 달라붙는 성질을 갖는다. 이형 저항을 작게 만드는 금형 설계 및 기계 가공 및 표면 처리가 필요하다. 따라서 취출 구조를 고려하는 것이 매우 중요하다. 또한, 폴리락틱산의 내열성을 얻기 위해서 금형 캐비티 표면 온도를 약 110~120℃로 유지할 필요가 있다. 따라서 금형에는 카트리지 가열 장치 또는 오일 온도 제어 장치가 필수적이다. 특히, 케이스, 용기 등의 깊이가 깊은 성형품의 경우 취출이 극히 어렵다. 성형품의 내열성뿐만 아니라 원활한 배출을 가능하게 하는 금형 구조 및 사출 성형 방법에 관해서는 여러 가지 기술이 개발되고 있다.

 

5. 플라스틱 수지의 용융 흐름 지수
플라스틱 수지의 유동성이 양호하거나 불량하든 상관없이 사출 성형 조건, 특히 사출 압력 또는 사출 속도 및 금형 온도의 설정이 용융 수지의 유동성에 큰 영향을 끼친다. 플라스틱의 유동성을 평가하는 여러 가지 방법이 있지만 지침으로 사용되는 가장 쉬운 방법은 용융 흐름 지수(MFR) 방법이다. 용융 흐름 지수는 멜트로 인덱서라고 불리는 시험 장치에 플라스틱 수지를 투입하여 가열하고 소정 중량의 용융 수지를 유동시키고, 유출된 플라스틱의 중량을 측정한다. 용융 흐름 지수는 유속의 지표로써 사용한다. 이 시험 방법은 JIS 및 ISO 규격에 규정되어 있다. 용융 흐름 지수가 높은 플라스틱 수지는 유동성이 좋은 것으로 평가된다. 반면, 용융 흐름 지수가 낮은 플라스틱 수지의 유동성은 낮다. 그러나 용융 흐름 지수는 정적 상태에서의 유동성을 평가하는 반면, 실제 사출 성형에서 플라스틱 수지는 아주 짧은 시간에 매우 좁은 게이트를 통해 흐르기 때문에 용융 흐름 지수가 사출 성형의 경우에는 맞지 않는다는 사실을 이해할 필요가 있다. 용융 흐름 지수는 플라스틱 수지의 물성을 간단히 파악하기 위해서 플라스틱 수지 유동성의 지표로써 사용된다.

 

6. PET 플라스틱
PET는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 플라스틱 수지의 약자이다. PET는 270℃ 근처의 융점을 가지며 성형 온도는 270~280℃이므로 사출 성형은 상대적으로 높은 온도에서 수행된다. 이 플라스틱의 특징 중 하나는 유동성이다. 유동성이 융점 이상에는 우수하지만 고화가 시작되면 유동이 갑자기 어려워진다. 즉, 플라스틱의 온도와 유동성 사이에는 매우 밀접한 관계가 있다. 금형의 온도 관리와 플라스틱의 온도 관리는 PET의 경우 필수 항목이다. 유체 상태에서 고화하는 과정 중에 PET의 결정 크기가 커지고, 결정이 쉽게 구형 결정이 될 수 있다. 이런 일이 발생하면 성형품은 투명하지는 않고 색상이 탁하며, 희게 된다. 결과적으로, 투명한 성형품을 제조하는 경우 구형 결정의 성장을 억제하기 위해 신속하게 냉각할 필요가 있다. 따라서 금형에 급속 냉각 시스템을 제공해야 한다. 냉각기를 사용하는 금형 온도 변화를 5~15℃로 유지해야 한다. 금형 내에서 플라스틱 수지의 온도가 270~280℃에서 5~15℃의 온도로 관리해야 하므로 PET의 사출 성형이 얼마나 어려운지 알 수가 있다. 대부분의 경우 PET의 사출 성형에 핫 런너가 사용되며, 게이트를 기계적으로 열고 닫음으로써 유동성 관리를 확실하게하기 위해 밸브 게이트가 선택된다. 유동성이 양호하므로 금형 틈새 관리 및 충전압력으로 인한 변형을 고려해야한다. 특히 핫 런너의 매니폴드 설계 시 열팽창으로 인한 변형 및 관리를 방지하는 것이 중요하다. 또한, PET는 수분에 민감하게 반응하기 때문에 펠릿의 예비 건조를 철저히 할 필요가 있고 관리 레벨을 높게 할 필요가 있다. 이 플라스틱은 물과 반응할 때 가수 분해를 한다. 따라서 PET의 사출 성형에는 사전 건조 장비가 필수적으로 요구된다. 현재 PET 플라스틱의 사출 성형 기술은 성숙 단계에 이르렀고, 대량 생산이 가능하며 대량 생산 세계에서 슈퍼 다중 사출 금형 기술이 사용되고 있다.

 

플라스틱 수지는 사출 성형 공정의 출발점이자 기준입니다. 수지의 유동성, 수축, 열적 특성, 강도를 정확히 이해하고 적용한다면 금형 설계와 성형 조건은 훨씬 단순해집니다. 이 글에서 정리한 플라스틱 수지의 기본 특성은 앞으로 다룰 성형 조건·불량 분석을 이해하는 핵심 기반이 될 것입니다.