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열가소성수지의 성질을 상실하지 않고 기계적, 열적 성질을 그리고 치수안정성에 개량을 목적으로 GF 등 섬유 상 물질을 첨가한 강화 플라스틱을 FRTP(FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC)라고 한다. 강화제에 주류는 유리섬유로 오래전부터 검토되어 왔다. FRTP의 특성은 강화될 수지에 기본적 성질을 갖고 있으나 유리섬유의 길이, 굵기, 첨가량, 유리섬유와 수지의 접착효과 등에 영향을 미친다. 특히 수지와 유리섬유 접착성의 강약이 FRTP의 강도를 좌우하므로 유리섬유의 표면처리가 행해진다. 표면 처리제로서는 길란계 처리제가 EP에 효과가 있다. 한편 폴리올레핀과 같은 극성을 갖지 않는 폴리머는 실 란계 퍼리의 유리섬유만을 첨가해서는 충분한 접착을 얻을 수 없으며 물성의 향상도 많이 바라볼 수가 없을 뿐 만 아니라 편차에 있어서도 실용성이 떨어진다. 폴리올레핀과 같이 무극성 폴리머로 양호한 접착성을 갖게 하 기 위해서는 폴리머 표면에 극성을 부여하는 것이 유효하며 산기를 도입한 접착성을 계량한 데이터도 보이는 것 이외에 염소 화합물, 과산화물을 첨가하여 가교하는 방법 등으로 한 특허도 있다. FRTP용으로서 유리섬유는 접속된 것을 수지로 피복하여 팰릿상으로 절단해 사용하는 로빙 타입(유리섬유경 10 ~13㎛)과 수지와 블랜드 하여 집적 사출성형하는 CHOPPED STAND(유리섬유경 3~12MM)의 것이 있으며 가공성, 물성에 의해 사용 구분된다. 사출성형용으로서는 CHOPPED STAND가 많고 수지와 블랜드하여 팰릿상 으로 한 것이 있다. 유리섬유의 길이는 기계적 특성, 혼합성, 분산성, 외관 등에 영향을 주며 기계적 특성을 중 시하는 경우는 장섬유를 선택하는 것이 일반적이다. 사출로 성형에 의해 성형품을 제조할 경우 유리섬유는 파 괴되어 짧게도 되며 섬유는 유동방향에 배향하므로 성형수축률에 방향차가 생긴다. 특히 결정성 플라스틱에 있 어 폴리올레핀이나 POM 등은 수축률이 크므로 방향차도 현저하다. 또 성형품의 두께나 유리섬유의 첨가량 게 이트 형상에 따라서도 성형수축률은 다르므로 제품화에 있어서 물성면은 근원부터 금형시험 등으로 양산전에 충분한 검토가 필요하다.
a. 사출성형시에 일반적 사항 |
1) 사출성형기로서는 유리섬유의 분산, 기계적 성질 향상 때문에 스크류식을 사용 한다. 2) 수지온도, 사출압력, 사출속도는 성형품의 형상, 크기, 금형구조에 따라 약간 다 르지만 여하튼 약간 높게 설정한다. 이 경우 유리섬유 표면처리제의 분해에 의 한 색조불량, 흑조현상이나, BURNED SPOT에 주의한다. 3) 금형온도는 높은 것이 좋으며 70~80도이다. 4) 성형기 스크류는 배압을 거는 것이 좋다. |
b. 제품 및 금형설계상의 일반적 사항 |
우리섬유이기 때문에 기본제 수지보다 유동성이 10~15% 저하한다. 또 표면 광택 도 떨어지며 성형 수축률의 방향차가 있으므로 설계에 앞서 이점을 고려하여야 한 다. 1) 두께가 4MM 이하의 판상 성형품은 뒤틀림 되기가 쉬우며 평판상을 얻기 힘드 므로 게이트 위치, 형상 및 수 등을 연구해야 한다. 다점 게이트는 웰드 라인이 눈에 띄기 쉬우므로 필름 게이트가 적합하다. 2) 두께가 4~7MM 인 성형품은 유리섬유의 배열이 평면과 중심으로 샌드위치식 (표면은 유동방향, 중심은 직각방향)으로 되므로 변형은 적고 일반 수지에 준하 여 설계한다. 각형이 깊은 성형품, 원통상 용기 등은 형상 보관효과로 변형은 적 다. 3) 급격한 두께의 변화는 피한다. 4) 성형품의 빼기구배는 일반품보다 2~3도 정도 약간 크게 한다. 이때 언더 커트 는 물론 피한다. 5) 유동성을 좋게하기 위해 스프루 런너는 될 수 있는한 단면적을 크게 한다. 런너 는 원형으로 하고 스프루를 포함 짧게 하고 굴곡부나 말단에는 슬러그 웰을 설 치한다. 6) 게이트경은 유리섬유의 분산에 영향을 주므로 굵거나 가늘은 것에 신경을 쓴다. 굵으면 분산하기 힘들며 너무 가늘면 유리섬유가 막히는 일이 있으므로 Ø2.0~ 3.5MM가 적당하다. 7) 유리섬유에 표면처리제 등의 분해가스나 금형내의 공기를 압출하기 쉽게 하기 위해서 또 웰드 라인부에 융합을 좋게 하기 위해서 말단부에는 반드시 에어 벤 트의 선단에 오버 플로우 수지 슬러그를 설치한다. 8) 유리섬유 첨가 수지를 장시간 성형하면 게이트를 통해 캐비티로 유동할 때에 마 찰에 의해 금속면을 마찰시키는 일이 있으므로 세밀한 가공부, 치수정밀도 하기 힘든 부분에 상처가 생긴다. 따라서 때때로 치수를 체크한다. 금형의 재질도 높 인다. 그리고 부분적으로 열처리를 해두면 유효하다. |
c. 성형기의 마모 |
FRTP를 장시간 사용하면 스크류 선단이나 실린더 선단부가 마모한다. 유리섬유는 상당한 경도를 가지고 있으며 고온하에서 수지를 혼련하므로 마찰력이 크게 일어 나는 것으로 추정된다. 유리섬유와 수지를 고체상태로 혼합하여 호퍼에서 스크류 식 사출성형기에 공급할 경우 높은 압력하에서 혼합되므로 유리는 마찰에 의해 정 전기가 생겨 특히 낮은 온도일 때는 정전기에 의해 유리가 스크류면에 점착하여 큰 덩어리로 된다. 이 덩어리는 충분히 분쇄되지 않으므로 성형품에 분산 불균일의 형 으로 나타난다. 또 유리섬유 미첨가에 나일론6과 유리섬유 첨가, 나일론의 사출성형을 비교한 결 과 유리섬유첨가 나일론의 경우 6개월 후 마모가 생긴다. 마멸부의 조사에 의하면 마모가 아니고 화합부식에 의한 것이다. 개량책으로서는 스크류 선단부에 밸브 링의 표면을 크롬 도금한 것을 취부 또는 실 린더 내면을 질화함을 써 어느 정도 마모에 완화를 도모할 수 있다. | |
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a. 재료의 특성 |
FRTP의 사출성형에 있어서는 이제까지 CHOP STAND TYPE이 중심이었지만 최근 들어 로빙 타입이었는데 팰릿화 공정에 관한 연구를 함으로써 원료 팰릿 상태에서 섬유의 분산성을 향상시킨 타입의 장섬유 강화재료의 시장전개가 본격적으로 시작 되고 있다. 사출성형시에 분산성을 부여한다고 하는 종래의 로빙 타입의 방법으로 는 확실히 분산시키고자 하려면 수지에 얼마간의 전단을 줄 필요가 있어 실용적인 섬유길이가 짧게 되고 말아 이 때문에 장섬유로서의 특징을 살리지 못했으나 팰릿 단계부터 분산성을 향상시킴으로써 이 결점을 막을 수 있었다. 연속섬유 (ROBBING)이나 섬유 MAT기초게에 열가소성수지를 함침시키는 기술로서는 1) 필름과 적충해 두고 압축 용해하여 함침시킨다. 2) 압출기로 수지를 용해하여 특수 노즐을 이용하여 함침시킨다. 3) 수지를 용제로 녹여서 함침시킨다. 4) 수지 파우더를 사용하여 함침시킨다. 현재 시장에 나와 있는 재료는 어느 것이나 압출기를 이용한 인발법에 의해 제조되 고 있다. 이 때문에 섬유를 손상시키지 않고 높은 수준의 충전이 가능하다. 강화섬 유로서는 유리섬유가 중심이지만 카본섬유, 합성섬유 등의 장섬유 등도 강화되고 있다. 또 매트릭스용 수지로서는 PA, POM, PP, PET, PBT, PSF, PUR 등 많은 수 지가 있다. 분산성이 개량된 장섬유 강화수지의 장점은 다음과 같다. 1) 고충격성과 고굴곡탄성률을 동시에 발생한다. 2) 저온에 있어서도 고충격성을 유지하고 있다. 3) 고온에 있어 탄성률의 유지가 높다. 4) 충격에 의한 파괴가 전파되기 어렵다. |
b. 성형기술 |
그러나 팰릿단계에서 아무리 장섬유라해도 현실에서는 사출성형에 있어 가소화와 유동공정사이의 섬유는 전단 등 각종 힘을 받아서 짧게 되어지므로 정섬유로서의 특징을 발휘시키기 위해서는 성형기술이 중요한 포인트이다. 1) 성형기 : 기본적으로는 일반 스크류식 사출성형기로 성형된다. 단, 가소화시에 유리섬유 등의 강화제에 손상을 될 수 있는 한 적게하기 위해 다음과 같은 사항 을 주의할 필요가 있다. ⓐ 스크류 구조로서는 피드경, METERING부의 흠을 될 수 있는 한 깊게 함과 동 시에 압축비를 2 이하로서 LID도 적게 한다. 또 역류방지 변의 간격을 보통때 보다 크게 취한다. ⓑ 상기와 같은 이유로서 너무 작은 사출성형기는 바람직하지 않다. 또 호퍼 입 구가 너무 좁으면 브리지가 생기기 쉬우므로 주의가 필요하다. 2) 성형조건 : 기본적으로는 종래의 팰릿 성형조건에 준하지만 여기서도 장섬유의 손상을 적게하기 위해 다음과 같은 점에 주의해야 한다. ⓐ 실린더 온도(수지온도)는 보통 상품의 경우보다 높은 듯이 설정한다. 매트릭 스수지 등의 열하등이 일어나지 않는 범위내에서 높은 듯이 하는 것이 바람 직하다. 이것에 의해 실린더 내부의 마찰에 의한 열의 발생을 억제하고 섬유 의 손상을 최소한으로 막을 수 있다. ⓑ 금형온도는 유동성을 확보하고 또 용융물의 급속한 고화를 피할 목적으로 높 은 듯이 설정한다. ⓒ 사출속도는 필요한 범위에서 될 수 있으면 늦게 한다. 표면의 편활성을 위해 서는 빨리하는 것이 좋으나 용융수지의 흐름이 변화하는 게이트부 등의 장소 에서 섬유 절상을 일으키기 쉬우므로 주의가 필요하다. ⓓ 스크류 회전수는 낮은 듯이 설정한다. 이것은 가소화시에 전단을 될 수 있는 한 낮게 억제하여 섬유의 파손을 막기 위해서다. ⓔ 배압은 분산성 향상을 위해서 중요한 인자이므로 여기서는 섬유의 파손에 응 결되므로 회전력을 작게하는 것이 필요하다. 다른 원료나 접착제를 혼합할 경우는 배합을 서서히 증가함으로써 소정의 혼합고 균일화를 달성하도록 한 다. ⓕ 수지의 예비건조를 매트릭스수지로 규정되어 있는 조건에 따라 실시한다. 또 재생재의 사용에 관해서는 섬유길이가 짧게 되어 있으므로 필요 최소한으로 억제함과 동시에 성능에 관해서 사전조사를 하는 것이 바람직하다. 3) 시동과 정지 : 시동시에는 성형기 각부의 온도를 설정한 후 PP 또는 PE로 충분 히 퍼지한다. 장섬유 강화수지를 포함한 STAND는 단섬유품에 비해 일반적으로 가스를 방출하기 쉽기 때문에 주의가 필요하다. 이 때문에 퍼지품은 물 속에서 급냉시킴으로써 가스발생을 억제할 수 있다. 4) 금형설계 : 장섬유 강화수지용의 금형은 같은 매트릭스의 단섬유강화수지의 금 형과 기본적으로는 같이 설계되지만 장섬유를 확보하기 위해서 다음 사항을 고 려한다. ⓐ 런너나 게이트는 섬유 파손을 최소한으로 하고 과도의 압력손실 및 수지가 너무 빨리 고화하는 것을 방지하기 위해 약간 크게 한다. 특히 흐름이 급변하 지 않도록 배려하는 것이 필요하다. ⓑ 게이트는 FULL ROUND GATE 또는 FAN GATE가 바람직하다. PIN GATE, TUNNEL GATE 또는 SUBMARINE GATE는 수지의 파손 압력손실을 가져와 성형품 내부의 변형을 남기게 된다. ⓒ 성형수축률을 매트릭스 수지 및 성형조건의 영향을 받는다. 동일 함유량의 } 단섬유품과 비교하여 거의 동일 수준이지만 일반적인 이방성을 약간 작게 되 는 방향이다 | |