KR101485220B1 - 사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 사출성형 도중 금형에 침착되는 플라스틱 수지로부터 발생하는 가스 성분을 금형 표면으로부터 외부로 분리해내어 그 성분 및 양을 분석하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 사출 누적 횟수에 따른 금형 침착량을 분석할 수 있으며 금형 침착을 일으키는 원인 성분을 파악하여, 플라스틱 수지별 금형 침착량 비교를 통하여 금형 침착량이 적은 소재 개발을 도모할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사출 누적 횟수에 따른 금형 침착량을 분석할 수 있으며 금형 침착을 일으키는 원인 성분을 파악하여, 플라스틱 수지별 금형 침착량 비교를 통하여 금형 침착량이 적은 소재 개발을 도모할 수 있다.
Description
본 발명은 사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 본 발명은 사출성형 도중 금형에 침착되는 플라스틱 수지로부터 발생하는 가스 성분을 금형 표면으로부터 외부로 분리해내어 그 성분 및 양을 분석하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 사출 누적 횟수에 따른 금형 침착량을 분석하고 금형 침착을 일으키는 원인 성분을 파악하여, 플라스틱 수지별 금형 침착량 비교 및 금형 침착량이 적은 소재를 개발할 수 있는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
플라스틱 수지로부터 제품을 만들기 위한 가공 방법의 종류로는 압출성형, 사출성형, 중공성형, 캘린더링 등이 있다. 이중에서 사출성형은 사출기를 통해 플라스틱에 열을 가하여 용융시킨 후, 사출기에 장착되어 있는 금형 안에 압입시키고, 용융된 수지가 고화된 후, 성형품을 빼내어 최종 제품으로 만드는 방법으로 열가소성 플라스틱을 가공하는 일반적인 방법 중의 하나이다.
플라스틱 수지는 사출기의 배럴(barrel) 내에서 용융된 후 금형 내부로 사출된다. 사출과정 중 용융된 수지에는 가스가 존재하는데, 가스의 발생 원인으로는 수지 내에 충분히 건조되지 못하여 잔존하는 수분, 펠렛(Pellet) 사이의 공기, 수지의 중합 반응 이후 수지 내에 잔존하는 저분자 물질인 단량체(monomer) 및 다량체(oligomer), 가소화 과정에서 저분자 물질 또는 수지가 과량 분해된 가스, 금형 내로 수지가 유입될 때 금속 표면과의 전단 마찰열에 의해 열분해되는 수지 혹은 저분자 물질로부터 생성되는 가스 등이 있다.
사출 공정 중의 가소화 과정에서 배압에 의해 압력이 낮은 사출기 호퍼 쪽으로 공급되는 가스도 있지만, 많은 양의 가스는 용융된 플라스틱 수지 내에 잔류하게 되고, 이중에서 유동선단에 존재하는 일부의 가스들은 금형 표면에 침착되게 된다. 분자량이 낮은 성분들은 대부분 금형의 가스 벤트를 통해 외부로 배출되거나 금형 표면에 침착되었다가 공기 중으로 기화되어 방출된다.
그러나, 분자량이 높은 다량체 성분들은 외부로 배출되지 못하거나 기화되지 못하여 금형 표면에 침착되는데, 사출성형이 계속 진행됨에 따라 침착된 성분들은 금형 표면에 계속해서 쌓이게 된다. 이렇게 침착된 성분들은 사출품의 외관 결함을 일으키는데, 표면에 가스 자국이 나타나게 되거나 광택 불량 등을 일으키게 된다. 금형 침착이 일어나는 플라스틱 소재의 사출성형 고정의 경우에는 금형에 침착된 성분들을 제거하기 위하여 금형을 주기적으로 세정하기 때문에 생산성 손실을 초래하고 금형의 수명이 단축된다.
사출 성형시 발생하는 가스들 중에서 금형 표면에 침착된 성분을 분석하기 위한 종래의 방법은, 수백 회의 연속 사출 후에 금형 표면에 묻어있는 성분들을 떼어내어서 그 성분을 분석하는 방법이다. 이 방법으로는 침착된 성분을 금형에서 떼어낼 수 있을 만큼의 상당히 많은 사출 횟수가 필요하다.
이뿐 아니라, 플라스틱 소재들 간에 침착된 양의 정량적인 상대 비교는 불가능하며, 사출 횟수에 대한 침착된 성분의 누적량 측정이 불가능하다. 소재에 따라서 금형에 침착되는 양이 극히 적어서 분석을 위해 필요한 양만큼 침착된 성분들을 금형 표면에서 떼어내지 못해 분석값 신뢰성이 저하되거나, 심한 경우 측정이 불가능한 경우도 있다.
이에 본 발명은 플라스틱 사출성형 시 금형 표면에 침착된 불순물이 사출품의 표면에 가스 자국 혹은 광택 불량과 같은 외관 결함의 원인이 되고 있는데, 현재까지 국내에서 사출성형 도중 금형 표면 침착성분 분석은 수작업에 의존하거나 혹은 아예 주기적인 금형 세정 주기로 임의 선정하고 있는 바 상기 금형 침착 성분을 채취하여 그 성분 및 양을 분석할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 금형 침착 성분 채취 및 성분 분석을 위한 장치로서, 고정측 금형(2) 재질의 금속 막대(4)와 상기 금속 막대(4) 탈부착용 고정 지그(3)가 고정측 금형(2)에 구비된 것을 특징으로 한다.
한편, 금형 침착성분을 채집하여 분석하는 방법으로는, 상술한 장치를 사용하되,
사출성형 공정이전 금형에 침착되는 성분을 수득하기 위한 금속 막대 및 고정 지그를 금형에 외설하는 단계; 및 상기 금속 막대에 침착된 성분을 분석하는 단계; 로 이루어진다.
이하, 본 발명에서 제공하는 장치에 대하여 구체적으로 살펴본다.
즉, 본 발명에서 사출성형 도중 금형에 침착되는 성분을 채취하고 분석하는 장치는 플라스틱 사출성형 공정 중 금형에 침착되는 성분을 수득하기 위한 금속 막대와 금속 막대를 금형 표면에 장착하기 위한 고정 지그로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
이때 상기 금속 막대는 금형과 동일한 재질의 금속 또는 금형 제작 시 통상적으로 사용되는 금속의 금형 재질로 제작되는 것이 분석의 신뢰성을 높이는 측면에서 바람직하다. 상기 금속 막대(4)의 형태는 이에 한정하는 것은 아니나, 원통형, 사각형 등 단면이 상대적으로 긴 것이 고정측 금형에서 탈착 및 고정하기에 유리하며, 나아가 침착의 효율을 고려할 때 고정 지그(3)와 형태를 일치시키는 것이 보다 바람직하다.
또한 상기 금속 막대는, 탈착 가능한 금속 막대와 고정 지그 형태로 구비된 것이 금형에 손쉽게 연결할 수 있고, 또한 외설된 금속 막대를 필요에 따라 자유로이 탈착할 수 있어 바람직하다.
이중, 상기 고정 지그는 외설된 금속 막대가 금형 표면에 연결되도록 고정시키는 역할을 한다. 또한, 상기 고정측 금형(2)내 고정 지그(3)의 위치는 외설될 수 있다면 특정하는 것은 아니며, 일례로 이하 실시예에서 기재한 바와 같이, 고정측 금형(2)의 표면에 외설시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용하는 분석 장치로는 GC-MS(가스 크로마토그래피-질량 분석기)이며, 금속 막대에 묻은 가스 성분을 정량/정성 분석하는 역할을 수행한다.
이하, 본 발명의 장치 및 공정을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 사출성형시 발생하는 금형 침착 성분 분석을 위한 장치 연결 구성의 일례를 개략적으로 도시한 것으로, 분석 장치는 이동측 금형(1)과 고정측 금형(2)과 고정 지그(3)와 금속 막대(4)를 포함하여 구성된다. 이때 금속 막대(4)는 고정 지그(3)에 외설되어 있고 필요에 따라 자유로이 탈착 가능한 것이다.
이중 사출성형 도중 금형에 침착된 성분을 채집하고 분석하는 방법을 도면 1을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 사출성형 도중 금형 침착 성분의 분석 방법은 도 1의 장치를 사용하여 플라스틱 사출성형 금형의 고정측 금형(2)의 표면에 금형 재질의 금속 막대(4)가 내장되어 있는 고정 지그(3)를 연결하는 단계; 사출성형 시 발생되는 가스를 금형 재질의 금속 막대(4)에 침착시키는 단계; 및 금속 막대(4)를 탈착한 다음 금속 막대(4)에 침착된 가스의 성분 및 양을 GC-MS 등의 성분분석장치로 분석하는 단계; 로 이루어질 수 있다.
플라스틱 사출성형 시 고온의 수지가 금형(1,2) 안에 충전되면서, 발생한 가스들은 금속 막대(4)에 침착하게 된다. 이때, 가스 침착은 1회의 사출성형을 행하여 얻을 수도 있고, 1회 이상의 여러 번의 사출성형을 행하여 얻을 수도 있으며, 일정시간의 작업에 의해 얻을 수도 있다.
이때 플라스틱 사출성형 금형의 이동측 금형(1)에도 적용가능하지만, 금형의 이동측에는 이젝트 핀이 다수 있어 금속막대, 지그를 설치하기 어려운 점을 고려할 때 고정측 금형(2)에 적용하는 것이 효율 및 용이성을 고려할 때 보다 바람직하다.
다음으로 GC-MS를 통하여 금속 막대(4)에 침착된 성분 및 그 양을 측정한다.
상기 금속 막대의 탈착 시 혹은 이후 소정의 시점에 새 금속 막대를 부착하여 계속 분석을 수행할 수 있다.
상기와 같은 과정을 거쳐 사출 공정시 금형 표면에 장착된 금속 막대에 묻은 성분분석이 완료되면 작업자는 성분 데이타를 이용, 금형의 세정 주기 예측과 같은 후 공정이나 신규 소재 개발 관련공정에 이용, 효율적인 작업을 진행할 수 있게 된다. 즉, 상기 성분분석장치로부터 제공된 분석 데이터는 금형 침착량이 적은 소재의 개발 등에 있어 소재의 금형 침착량을 예비 분석하는데 활용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사출공정 도중 금형 침착성분의 분석 및 결과 적용이 곤란한 문제점들의 해결이 가능하며 궁극적으로 금형 침착 성분을 채취, 분석하여 공정에 활용하여 생산성 향상, 금형의 수명 개선, 신규 소재 개발 및 최적화된 사출조건 정립 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 각 실시예에 따른 사출 성형 시 발생하는 가스의 침착 성분 분석을 위한 주요장치 구성도이다.
도 2는 종래 방식에 따라 500회 연속 사출 성형 후 금형 표면의 일부를 디지털 카메라로 찍은 사진이며, 금형 표면에 가스 자국이 묻어 있는 것이 관찰된다.
도 2는 종래 방식에 따라 500회 연속 사출 성형 후 금형 표면의 일부를 디지털 카메라로 찍은 사진이며, 금형 표면에 가스 자국이 묻어 있는 것이 관찰된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예 1] ABS 수지 2종
도 1에 나타낸 바와 같이, NAK-80 재질을 갖는 고정측 금형(2)의 표면에 NAK-80 재질로 표면적 360 mm2의 사각형 금속 막대(4)를 장착한 후 일반 ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌) 수지 2종에 대해 10회 연속 사출 후 금속 막대에 묻어있는 금형 침착 성분 분석을 실시하였다. 이때 침착량이 많은 소재의 경우 1회 ~ 20회 연속 사출이 바람직하고, 침착량이 적은 소재의 경우 20회 ~ 100회 연속사출이 바람직하다.
이중 샘플 1은 T사의 일반 ABS이며, 사출 성형시 금형 표면에 가스의 침착되는 양이 많아서 사출품 표면에 가스 자국이 나타나는 불량과 광택저하 등의 외관 불량률이 높으며, 금형 표면에 묻은 가스 제거를 위한 금형 세정 주기가 짧은 소재이다.
또한, 샘플 2는 LG화학 일반 ABS인 제품명 HF380X이며, 샘플 1보다 금형 표면에 가스의 침착량이 적고 외관 불량률이 낮은 소재이다.
이들 ABS 수지 샘플 1과 샘플 2에 대해 사출시 발생한 가스 중 금속 막대(4)에 침착된 성분 및 양을 GC-MS로 분석하고 그 결과를 하기표 1로서 나타내었다.
| 구분 | 검출량(㎍) | |
| 샘플 1 | 샘플 2 | |
| A성분 | 0.4 | 3.6 |
| B성분 | 0.2 | 1.1 |
| C성분 | 5.4 | 0.0 |
| D성분 | 32.4 | 16.0 |
| 기타 성분 | 1.8 | 1.2 |
| 총량 | 40.2 | 21.9 |
상기 표 1에서 보듯이, 두 소재 모두 금형 침착량이 가장 높은 성분은 D 성분이다. 따라서, 금형 침착으로 인한 불량을 저감시키기 위해 소재 개발시 성분 D를 감소시키는 방향을 제시할 수 있다. 또한 샘플 1보다 샘플 2의 금형 침착 성분 총량이 낮음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 도 1에 따라 사출 공정시 발생하는 가스 중 금형 표면에 침착된 성분을 금형 표면에서 채취하고 분석을 통해 침착 성분으로 인한 불량의 정도를 실제 제품에 테스트하기 전에 파악할 수 있음을 규명하였다.
[실시예 2] 다른 ABS 수지 2종
실시예 1과 동일한 실험을 반복하되, 샘플 1 대신 샘플 3으로서 LG화학 난연 ABS에 해당하는 EF378L을 사용하고, 샘플 2 대신 샘플 4로서 EF378L의 개선 소재로 대체하였다. 20회 연속 사출하여 금속 막대(4)에 침착된 성분 및 양을 GC-MS로 분석하여 그 결과를 하기표 2에 나타내었다.
참고로, 샘플 3은 사출 성형시 침착되는 양이 많아 사출품 표면에 가스 자국이 나타나는 불량과 광택 저하 등의 외관 불량률이 높으며, 금형 표면에 묻은 가스 제거를 위한 금형 세정 주기가 짧은 소재라서 금형 침착성분에 대한 개선이 필요한 소재이다.
또한, 샘플 4는 하기 표 2중 금형 침착 성분으로 의심되는 H 성분을 최소화하도록 의도된 소재에 해당한다.
| 구분 | 검출량(㎍) | |
| 샘플 3 | 샘플 4 | |
| E성분 | 2.2 | 2.2 |
| F성분 | 4.3 | 2.7 |
| G성분 | 1.3 | 1.1 |
| H성분 | 60.8 | 15.8 |
| 기타 성분 | 3.2 | 2.5 |
| 총량 | 71.8 | 24.3 |
상기 표 2에서 보듯이, 샘플 3의 금형 침착량이 가장 높은 성분은 H 성분이므로, 금형 침착으로 인한 외관 불량을 줄이기 위해서는 H 성분을 감소시키려는 소재 개선이 필요한 것을 제시할 수 있다. 이에 성분 H를 감소시킨 샘플 4는 금형 침착 성분이 저감되어 실제 제품 테스트에서도 금형 침착으로 인한 외관 불량이 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
[비교예 1] 종래 기술
LG화학 PBT 계열 소재인 LUPOX HI-1002FA 소재에 대해 종래 방식에 따라 500회 연속 사출 성형 후 금형 표면에 묻은 가스 자국 확인 결과를 도 2에 사진으로 제시하였으며, 금형 표면에 묻은 불순물을 면봉으로 채취하고 GC-MS로 분석하여 검출된 성분 및 검출량을 정리하면 하기표 3과 같다.
| 검출 성분 | 검출량(㎍) |
| I성분 | 32 |
| J성분 | 137 |
| K성분 | 42 |
| L성분 | 24 |
| 기타 성분 | 61 |
| 총량 | 296 |
상기 표 3에서 보듯이, 금형 침착량이 가장 높은 성분은 J성분이므로 금형 침착으로 인한 외관 불량을 줄이기 위해서는 J성분을 감소시키려는 소재 개선이 필요한 것을 제시할 수 있다.
하지만, 이와 같은 방법은 금형 표면에 묻은 가스 성분의 일부를 면봉에 묻힌 후 면봉에 묻은 성분에 대해 분석은 가능하지만, 면봉으로 채취시 일정한 부분을 정확하게 채취하기에는 불가능하다.
즉, 이와 같은 종래의 방법으로는 시료별 비교시 면봉에 동일하게 채취하기 어려우므로, 시료별 정량적인 비교 분석이 불가능한 방법이다.
실제로, 도 2의 사진에서 보듯이, 기존 방법에서는 500회 연속 사출 성형 후 금형 표면에 묻은 가스 자국을 육안으로 확인하여 금형에 묻은 성분이 많음을 확인하였다. 하지만, 대부분의 소재의 경우 500 회 연속 사출 성형 후에도 금형 표면을 육안으로 확인시 거의 보이지 않아 육안 관찰 방법으로 시료별 차이점을 나타내기 어려운 실정이다.
1. 이동측 금형
2. 고정측 금형
3. 고정 지그
4. 금속 막대
2. 고정측 금형
3. 고정 지그
4. 금속 막대
Claims (11)
- 금형 침착 성분 채취 및 성분 분석을 위한 장치로서, 고정측 금형(2) 재질의 금속 막대(4)와 상기 금속 막대(4) 탈부착용 고정 지그(3)가 고정측 금형(2)에 구비된 것을 특징으로 하는,
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 금속 막대(4)는 고정 지그(3)에 내장되어 있는 형태인 것을 특징으로 하는
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 고정 지그(3)는 상기 금속 막대(4)가 금형 표면에 연결되도록 장착되는 것을 특징으로 하는
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
나아가 성분분석 장치로서, 가스 크로마토그래피-질량 분석기를 사용하는 것을 특징으로 하는
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치.
- 제1항의 장치를 사용하여 금속 막대를 고정측 금형 표면에 장착하는 단계; 사출성형 공정을 수행하고 고정측 금형에 침착된 성분과 동일한 침착 성분이 금속 막대 상에 형성되는 단계; 및
상기 금속 막대에 침착된 성분을 분석하는 단계;를 특징으로 하는,
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 방법. - 제7항에 있어서,
상기 채취 분석 방법은, 금속 막대에 침착된 가스의 성분 및 양을 GC-MS로 분석하는 것을 특징으로 하는
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 방법. - 제7항에 있어서,
상기 침착된 성분을 분석하는 단계는 상기 금속 막대를 탈착한 다음 성분분석장치로 분석하는 단계로 수행되는 것을 특징으로 하는
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 금속 막대의 탈착 시 혹은 이후 소정의 시점에 새 금속 막대를 부착하여 분석하는 것을 특징으로 하는
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 성분분석장치로부터 제공된 분석 데이터는 소재의 금형 침착량을 예비 분석시 활용되는 것을 특징으로 하는
사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR20120058081A KR101485220B1 (ko) | 2012-05-31 | 2012-05-31 | 사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
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| KR20120058081A KR101485220B1 (ko) | 2012-05-31 | 2012-05-31 | 사출성형 공정 내 금형 침착 성분에 대한 채취 분석 장치 및 이를 이용한 분석 방법 |
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| KR20110056063A (ko) * | 2009-11-20 | 2011-05-26 | 주식회사 엘지화학 | 사출시 발생가스의 포집 및 분석 방법 |
-
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