제10장 금형 표면의 침전물

금형 표면의 침전물은 거의 모든 열가소성 물질에서 발생할 수 있다.  최종 산물에 대한 요구가 증가할수록, 완화제(modifier), 난연제(flame retardant)등과 같이 포함되어야 하는 첨가제의 양도 증가한다.  이러한 첨가제로 인해 금형 캐비티(cavity) 표면에 침전물(deposit)이 형성되는 경우가 많다.

금형 침전물 형성에 관련된 다른 원인도 많다.  가장 흔한 원인들은 다음과 같다.

• 열 분해
  
• 과도한 전단 변형(shear)
  
• 부적절한 벤트(vent)

그러한 침전물은 다양한 요인이 조합되어 발생하는 경우가 많고, 이러한 침전물이 형성되는 원인과 이를 방지하기 위한 방법을 정확히 규명하기 위해 처리해야 할 문제가 많다.  한 가지 문제점은 며칠이 지나서야 침전물이 생기는 경우가 많다는 것이다.

침전물의 유형

첨가제의 부류별로 독특한 유형의 침전물을 만들어낸다.  난연제는 고온에서 반응하며, 침전물을 만들게 될 분해 산물을 형성할 수 있다. 충격 완화제는 지나치게 높은 온도뿐만 아니라 지나친 전단 병형에도 영향을 받는다.  불리한 조건에서 완화제는 폴리머로주터 분리되어 캐비티 표면에 침전물을 형성할 수 있다.

높은 용융수지 온도를 필요로 하는 엔지니어링 열가소성 물질에 포함된 안료는 성형 화합물의 열적 안정성을 감소시켜서, 폴리머의 디그레이드(degradation)산물과 분해된 안료로 이루어진 침전물을 형성할 수 있다.

(코어와 같이) 특히 뜨거워지는 금형의 부분에서, 완화제, 안정제 및 기타 첨가물이 표면에 들러붙어서 침전물을 형성하게 된다.  그러한 경우, 더 나은 금형 온도 조절을 위해서나 특별한 안정제를 사용하도록 조치를 취해야 한다.  다음 표에서 금형 침전물의 추정 원인과 이를 막기 위한 방법을 나열하였다.
 

추정원인		제거방법
열 분 해	너무 높은 용융수지 온도 너무 긴 체류 시간	용융수지 온도를 측정하여 권장 수준으로 낮춤 사출된 화합물에 대해 분해 조짐(예:거품형성, 용융수지내의 가스)이 있는지 검사 실린더 온도를 체류 시간에 맞춤 핫 러너의 단면, 온도 조절 상태 검사, 온도를 낮춤
	노즐의 막힌 분분(dead spot). 거의 비응답성(편도성)밸브.실린더의 마멸. 핫 러너의 막힌 부분(dead spot)	색깔 변화를 통해 막힌 부분(dead spot)를 표시. 클리닝 주기가 길면 퍼지(purge)가 잘 안됨을 의미함 막힌 부분(dead spot)이 있는지 의심이 가는 요소(노즐, 어댑터, 스크류, 핫 러너)를 검사하고 고치거나 교환함
	열적 안정성이 부족한 폴리머나 첨가제	더 작은 실린더를 사용하여 체류 시간을 감소. 유입을 늦추어 작동, 용융수지의 쿠션(cushion)을 작게 함. 흡입된 공기를 통한 산화를 방지하기 위해 용융수지의 감압이 최소화함. 시험적으로(원화제, 안료 등이 없는)표준 제품을 사용 사전 건조시켜 휘발성 요소를 줄임
과 도 한 전 단 변 형	심한 전단 변형(shear) 스트레스를 초래하는 너무 얇은 벽면이나 너무 긴 플로우 디스턴스	벽면을 두껍게 하거나 플로우 보조기(flow aids)를 사용 게이트 수를 증가시켜 를로우 디스턴스를 줄임 게이트 시스템을 변경. 가능하면 핫 러너를 사용 용융수지 온도를 최대한 증가
	너무 작은 게이트로 인한 심한 전단 변형	게이트 단면을 증가 게이트를 재설계 게이트 수를 증가
	빠른 사출로 인한 심한 전단 변형	사출 충진 속도를 줄이거나 프로파일로 함 용융수지 온도를 증가
불충분한 벤트(venting)		개비티에 벤트를 만들거나 벤드 시스템을 개선 공기를 지속적으로 제거할 수 있도록 셀프클리닝 벤트를 설치
너무 높은 금형 표면 온도		스타트업 상태 후 용융수지 온도를 측정하여 권장 수준으로 감소시킴 금형 온도 제어기를 조정하여 코어의 과열을 줄임

갑자기 나타나는 침전물

침전물이 갑자기 나타난다면, 이는 변화된 성형 조건이나, 이전과 출처가 다른 성형 화합물 때문일 수 있다.  다음에 언급한 사항들이 도움이 될 것이다.

우선, 용융수지 온도를 측정하고 용융수지에서 분해의 조짐(예를 들면, 타버린 입자의 존재)이 있는지를 가시적으로 검사해야 한다.  성형 화합물이 불순물로 오염되었는지의 여부와, 맞지 않는 퍼지 화합물을 사용하지 않았는지도 점검해야 한다.  금형의 벤트도 검사해야 한다.  다음 단계에서는 자연 그대로이거나 연한 색이 들어간 성형 화합물(검정색은 안 됨)로 기계를 가동해야 한다.  그리고 나서 약 20분간 성형후 기계의 스위치를 내린다.  그 다음, 노즐, 어댑터, 그리고 가능하면 스크류까지도 분해한다.  타버린 입자의 물질을 조사하고, 그 색을 원래 성형 화합물 색과 비교하면 문제의 근원이 속속 드러날 것이다.

이 기법은 많은 경우에 대해 드러난 약점을 가지지만, 소규모 기계에는 실제 적용이 가능하다.(즉, 스크류 직경이 40mm까지). 침전물을 제거하면 다른 재료를 다룰 때에도 뚜렷한 품질 개선을 가져올 것이다.  핫 러너 시스템에도 유사한 절차를 사용한다.

금형의 관리

위에 언급한 방법에 의해 침전물이 형성되는 것을 방지할 수 없으면, 금형에 대한 특별한 관리와 주의가 필요하다.

초기 단계에서는 금형 표면의 침전물을 비교적 쉽게 제거할 수 있는 것으로 밝혀졌다.  따라서 캐비티와 벤트를 정해진 간격(예를들면 쉬프트(shift)가 끝날 때마다)으로 청소해야 한다.  일단 침전물이 두꺼운 층을 형성하면 이것을 제거하기가 매우 어렵고 시간이 많이 걸리게 된다.

침전물은 그 화학적 조성에 따라 매우 다양하므로 그것을 제거할 가장 적절한 용매를 찾기 위한 시도를 해야 한다.  전통적인 용매 외에, 흔히 사용되지 않는 제품(예를 들면, 오븐 스프레이나 카페인이 포함된 레모네이드)으로 문제를 해결할 수 있음을 알게 되는 때도 많다.  또 다른 방법은 모형 철도에서 사용되는 고무 지우개를 사용하는 것이다.

침전물 방지에 대한 권장사항

열적으로 민감한 화합물을 핫 러너로 성형하는 경우, 체류 시간이 길어져서 디그레이드 산물로 이루어진 침전물의 위험이 더 커짐을 기억해야 한다.

전단 변형(shear)이 일어나기 쉬운 물질들은 항상 넉넉한 크기의 러너와 게이트를 사용하여 다루어야 한다.  다중 게이트는 플로우 디스턴스를 감소시켜서 성형기의 사출 속도를 줄일 수 있게 하므로 좋은 결과를 가져온다.
일반적으로, 금형 벤트가 효율적이면 침번물 형성 경향을 감소시킨다고 한다.  따라서 금형 설계 단계에서 적절한 벤트가 포함되어야 한다.  셀프클리닝 벤트, 또는 침전물이 쉽게 제거되는 벤트가 좋다.  벤트 시스템을 개선하여 금형의 침전물이 감소된 경우가 많다.

어떤 경우, 달라붙지 않도록 개비티 표면에 특별 코팅을 할 수도 있는데, 이는 침전물이 쌓이는 것을 막는다.  그러한 코팅의 효과를 평가하기 위해서는 테스트를 해야 한다.  티타늄 나이트리드를 사용하면(titanium nitriding)금형에 침전물이 쌓이는 속도가 감소된 경우가 많다.

편집 : 이엔지폴리머