KR102163809B1 - 사출성형 금형의 표면 처리 방법 및 그에 따른 사출 성형 금형 - Google Patents

사출성형 금형의 표면 처리 방법 및 그에 따른 사출 성형 금형 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사출성형 금형의 표면 처리 방법 및 그에 따른 사출성형 금형에 관한 것으로서, 소정의 엠보싱 패턴이 형성된 플라스틱 사출성형용 금형의 캐비티면 및/또는 코어면에 수용성 폴리실록산과 무기 실리카졸을 저온 중합시킨 무기 내열성 수지에, 다시 수용성 아크릴 및 우레탄 프리폴리머를 저온 중합시켜 얻어지는 유·무기 복합 실리콘 합성수지와 필러로서의 카본 파우더의 혼합물로 된 도료를 플라스틱 사출성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 박막 도장하고 건조 경화시켜 두께 1~10㎛의 코팅막을 형성시킴으로 인하여, 사출 성형 과정 중에 발생할 수 있는 플라스틱 성형품 표면의 얼룩이나, 가스마크, 플로우마크, 웰드라인, 씽크마크 등과 같은 표면 불량을 획기적으로 줄일 수가 있음과 아울러, 도장이나 도금 등과 같은 2차 가공 공수를 줄이거나 또는 이러한 2차 가공 없이도 우수한 표면 품질을 갖는 사출 성형품을 얻을 수가 있는 장점을 가진다.

Description

사출성형 금형의 표면 처리 방법 및 그에 따른 사출 성형 금형{SURFACE TREATMENT METHOD FOR INJECTION MOULD AND INJECTION MOULD THEREOF}
본 발명은 사출성형 금형의 표면 처리 방법 및 그에 따른 사출성형 금형에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 사출성형 금형의 코어면 및/또는 캐비티면을 3차원 형상의 엠보싱 가공 후 유무기 복합 실리콘 수지 박막을 코팅함으로써 우수한 외관 품질을 갖는 플라스틱 성형품을 제조할 수 있도록 하는 사출성형 금형의 표면 처리 방법 및 그에 따른 사출성형 금형에 관한 것이다.
근래들어, 생활수준의 향상에 따라 소비자들은 제품자체의 본연의 기능뿐만 아니라 제품의 외관 및 그에 부여된 질감과 같은 감성적 품질도 중요하게 여기는 경향이 강화되는 추세에 있다.
이러한 시대적 추세에 따라, 차량의 대시 보드나 센터페시아, 글로브박스, 콘솔, 필러, 도어 내장 패널, 에어백 덮개 패널 등과 같은 차량의 내외장용 수지 사출성형품 또는 생활 속의 인테리어 수지 사출성형품과 같은 다양한 수지 사출성형품의 감성적 품질 향상 및 고급감 부여를 위하여 천연 가죽 등과 같은 고품질 질감을 가지는 다양한 엠보싱 패턴이 널리 적용되고 있다.
일반적으로 플라스틱 제품, 특히 차량의 내외장재 플라스틱 부품은 제품의 가치 및 고급감을 향상시킴과 아울러, 원가 절감을 이루기 위하여 다양한 제조 방법을 적용하여 발전되고 있다.
종래의 전형적인 제조 방법은, 천연 가죽 패턴 및/또는 지오메트릭(geometric)한 엠보싱 패턴을 사출 성형 금형의 코어면과 캐비티면에 에칭 가공하고, 이를 이용하여 사출 성형한 다음, 제조된 사출 성형 제품에 대한 도장 작업을 실시하여 제품의 외관 품질을 향상시키는 것이었다. 그러나 이 방법은 성형된 제품마다 각각 도장 작업을 하여야 한다는 번거로움과 수고를 필요로 하므로 원가 상승의 요인이 되어 왔다.
종래의 또 다른 전형적인 제조 방법으로는, 전기주조법으로 플라스틱을 성형할 수 있는 니켈쉘 및 니켈쉘 진공금형을 만들어 더욱 사실적인 표면 형상의 플라스틱 제품을 제조하는 방법이 있으나, 성형 사이클 타임이 길고, 가공비용이 높으며, 제조된 니켈쉘 금형의 내구성이 낮다는 문제점이 있으며, 마찬가지로 성형된 제품에 각각 도장을 해야 하는 번거로움 및 수고를 필요로 하므로 이로 인한 원가 상승을 피할 수 없다는 문제점이 있다.
상기한 종래의 제조 방법으로 성형된 플라스틱 제품의 공통적인 문제점은 성형된 제품 표면에 싱크마크, 은혼, 웰드라인, 가스얼룩 등 다양한 문제점이 발생되고 있고, 이를 해소하고자 도장을 통하여 이러한 문제점을 해결하고 있으나, 이는 도장시 용제로 인한 환경오염을 유발하게 되며, 도장이라는 2차 가공을 하여야 하므로 이는 원가상승의 주요 원인이 되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2002-0085567호(2002.11.16. 공개) 한국 등록특허공보 제10-0962778호(2010.06.01. 등록) 한국 등록특허공보 제10-0976419호(2010.08.11. 등록) 한국 등록특허공보 제10-1614298호(2016.04.15. 등록)
본 발명의 첫 번째 목적은 사출 성형 과정 중에 발생할 수 있는 플라스틱 성형품 표면의 얼룩이나, 가스마크, 플로우마크, 웰드라인, 씽크마크 등과 같은 표면 불량을 획기적으로 줄일 수가 있는 사출성형 금형의 표면 처리 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은 도장이나 도금 등과 같은 2차 가공 공수를 줄이거나 또는 이러한 2차 가공 없이도 우수한 표면 품질을 갖는 사출 성형품을 얻을 수가 있는 사출성형 금형의 표면 처리 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은 상기한 첫 번째 및 두 번째 목적에 따른 사출성형 금형의 표면 처리 방법에 의하여 제공되는 사출 성형 금형을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기한 첫 번째 및 두 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, (A) 플라스틱 사출성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 소정의 엠보싱 패턴을 형성하는 단계와, (B) 엠보싱 패턴 형성면을 세정하는 단계와, (C) 수용성 폴리실록산과 무기 실리카 졸을 저온 중합시킨 무기 내열성 수지에, 다시 수용성 아크릴 및 우레탄 프리폴리머를 저온 중합시켜 얻어지는 유·무기 복합 실리콘 합성수지와 필러(filler)로서의 카본 파우더의 혼합물로 된 도료를 플라스틱 사출성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 박막 도장하고 건조 경화시켜 두께 1~10㎛의 코팅막을 형성하는 단계로 구성되는 사출성형 금형의 표면 처리 방법이 제공된다.
여기서, 상기한 단계 (C)의 코팅막 형성 단계에서의 상기한 무기 내열성 수지는 500~1100℃의 내열성, -60℃의 내한성, 유기 용제 불용성, 표면 경도 5~7H, 수분 흡수율 0.3% 이하, 광 투과율 94%, 불연성 물질 함량 95% 이상인 박막 코팅용 도료이다.
또한, 상기한 단계 (C)의 코팅막 형성 단계에서의 상기한 유·무기 복합 실리콘 합성수지는 250℃의 내열성, -30℃의 내한성, 표면 경도 2~5H, 수분 흡수율 0.3% 이하, 광 투과율 91%이다.
한편, 상기한 단계 (C)의 코팅막 형성 단계는 스프레이 건을 이용하여 박막 도장 한 후, 상온 또는 200℃ 이하로 소부 건조하거나, 가스토치를 이용하여 10~60분 직접 가열 건조시킬 수 있다.
상기한 단계 (A)의 엠보싱 패턴 형성 단계는 소정의 패턴이 인쇄된 전사필름을 금형표면에 전사한 후 화학적 에칭에 의하여 엠보싱 가공하거나, 샌드 블라스팅에 의하여 엠보싱 가공하거나, 또는 5축 NC 가공이나 레이저 가공에 의하여 엠보싱 가공하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기한 단계 (B)의 세정 단계는 세척제를 이용하거나, 또는 샌드 블라스팅을 이용하여 미세 요철 형성과 동시에 표면 이물질을 제거하는 것으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 상기한 세 번째 목적을 원활히 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 전술한 사출성형 금형의 표면 처리 방법에 의하여 제조되는 사출성형용 금형이 제공된다.
본 발명에 따른 사출성형 금형의 표면 처리 방법에 따른 사출성형용 금형을 이용하면, 사출 성형 과정 중에 발생할 수 있는 플라스틱 성형품 표면의 얼룩이나, 가스마크, 플로우마크, 웰드라인, 씽크마크 등과 같은 표면 불량을 획기적으로 줄일 수가 있음과 아울러, 도장이나 도금 등과 같은 2차 가공 공수를 줄이거나 또는 이러한 2차 가공 없이도 우수한 표면 품질을 갖는 사출 성형품을 얻을 수가 있다.
도 1은 비교예 1의 금형 캐비티를 나타내는 사시도이다.
도 2는 실시예 1의 금형 캐비티를 나타내는 사시도이다.
도 3은 비교예 1의 금형 캐비티를 이용한 폴리프로필렌 사출성형품의 사시도이다.
도 4는 실시예 1의 금형 캐비티를 이용한 폴리프로필렌 사출성형품의 사시도이다.
도 5는 도 3의 50배율 확대도이다.
도 6은 도 4의 50배율 확대도이다.
도 7은 비교예 2의 사출성형품에 대한 평면도이다.
도 8은 실시예 2의 사출성형품에 대한 평면도이다.
이하, 본 발명에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 사출성형용 금형의 표면 처리 방법은 수용성 폴리실록산과 무기 실리카 졸을 저온 중합시킨 무기 내열성 수지와, 수용성 아크릴 및 우레탄 프리폴리머를 저온 중합시켜 얻어지는 유·무기 복합 실리콘 합성수지 도료를 성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 박막 코팅하는 것을 특징으로 하며, 하기의 3단계로 구성된다.
(A) 엠보싱 패턴 형성 단계:
첫 번째 단계는 플라스틱 사출성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 소정의 엠보싱 패턴을 형성한다.
이러한 소정의 엠보싱 패턴의 형성은, 소정의 원하는 패턴이 인쇄된 전사필름을 금형표면에 전사하고 화학적 에칭 단계를 거쳐 엠보싱 가공하거나, 샌드 블라스팅 에 의하여 엠보싱 가공하거나, 또는 5축 NC가공이나 레이저를 이용하여 직간접적으로 엠보싱 표면을 형성한다.
구체적으로는, 화학적 에칭법은 점착성 내산성 잉크를 실크스크린을 이용하여 소정의 패턴으로 인쇄한 전사필름을 제조하고, 이를 플라스틱 성형용 금형의 캐비티면에 부착하여 패턴닝을 한 후, 혼합산을 이용하여 엠보싱을 가공하거나, 또는 투사재로서 #24~#200의 알루미늄옥사이드나, #80~#300의 글라스비드, 또는 #10~#300의 스틸볼을 5~10kgf/㎠ 공기압을 이용하여 엠보싱을 가공하거나, 5축 NC 가공기를 이용하여 금형 표면에 소정 패턴의 엠보싱을 직접 가공하거나, 또는 3~5축 레이저 가공기를 이용하여 금형 표면에 직접 패턴닝을 하여 엠보싱을 가공할 수 있다.
(B) 세정 단계:
두 번째 단계는 후속하는 유·무기 복합 실리콘 합성수지 도료를 성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 박막 코팅하기에 앞서 엠보싱 패턴 형성면을 세정한다.
상기한 세정 단계는 엠보싱 가공된 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면을 세척제로 세정하거나, 또는 샌드 블라스팅을 이용하여 미세 요철 형성과 동시에 엠보싱 표면의 이물질을 제거한다.
후속하는 코팅막 형성을 위한 세정 및 표면 전처리를 위한 세척제는 통상적인 금형세척제 및 세정제를 사용할 수 있으며, 샌드 블라스팅을 이용한 방법은 #24~#200의 알루미늄 옥사이드와, #80~#300의 글라스 비드를 5~10kgf/㎠의 공기압을 이용할 수 있다.
(C) 코팅막 형성 단계:
세 번째 단계는 위와 같이 가공 처리된 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 및 코어면에 필러로서의 카본파우더가 전중량 기준으로 0.1~5중량% 혼합된 유·무기 복합 실리콘 합성수지 도료를 이용하여 박막 도장한다.
상기한 유·무기 복합 실리콘 합성수지 도료는 수용성 폴리실록산과 무기 실리카 졸을 저온 중합시킨 무기 내열성 수지와, 수용성 아크릴 및 우레탄 프리폴리머를 저온 중합시켜 얻어진다.
상기한 무기 내열성 수지는 수용성 폴리실록산 중합체와 미세 세라믹재로서의 무기 실리카 졸을 저온 중합한 하기의 화학식 1에 나타낸 바와 같은 실리콘 사다리꼴 고분자(silicon ladder polymer)로서, 500~1100℃의 내열성, -60℃의 내한성, 20% HCl 처리를 견디는 내약품성 및 유기 용제 불용성과, 표면 경도 5~7H, 수분 흡수율 0.3% 이하의 전기적 특성, 영구적인 내수성 및 소수성, 1nm 이하의 기공, 약 94%의 광 투과율을 지니며, 불연성 물질 함량 95% 이상으로서 내열성이 매우 우수한 고경도 특성을 지니며 점도가 낮아 박막 코팅성이 우수한 특성을 지닌다.
Figure 112018088070455-pat00001
코팅막 형성 단계에서 사용되는 유·무기 복합 실리콘 합성수지 도료는, 하기의 화학식 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 무기 내열성 수지와, 수용성 아크릴 및 우레탄 프리폴리머를 저온 중합하는 것에 의해 제조된다.
Figure 112018088070455-pat00002
상기한 유·무기 복합 실리콘 합성수지는 250℃의 내열성, -30℃의 내한성, 표면 경도 2~5H, MEK(메틸에틸케톤) 100회 러빙(rubbing) 및 20% HCl에 이상이 없는 내약품성, 수분 흡수율 0.3% 이하의 전기적 특성, 반영구적인 내수 및 소수성, 기체 투과성이 없고, 광 투과율이 약 91%로서, 유·무기 복합에 따라 고경도이면서도 양호한 유연성을 지니며, 균열 발생이 없고 우수한 부착성을 지니며, 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 포함하지 않으므로 환경 및 인체 친화적이다.
이러한 유·무기 복합 실리콘 합성수지는 상업적으로도 입수 가능하며, 예컨대, 경기도 화성시에 소재하는 주식회사 엔씨피의 콘크리트용, 건축용 및, 선박 중방식용 도료인 다면체 올리고머성 실세스퀴옥산수지(Polyhedral Olygomeric Silsesquioxane)에 대한 상품명 ‘Cerazen’을 들 수 있다.
상기한 단계 (C)의 코팅막 형성 단계는 스프레이 건을 이용하여 박막 도장 한 후, 상온 또는 200℃ 이하로 소부 건조하거나, 가스토치를 이용하여 10~60분 직접 가열 건조시킬 수 있다.
구체적으로는, 0.5~3mm 분사 노즐 직경을 갖는 스프레이 건에 도료를 넣고 금형과 기본 거리 30~100cm를 유지하면서 2~9kgf/㎠ 공기압을 이용하여 10㎛ 이하로 박막 도장한 후, 상온 또는 200℃ 또는 그 이하에서 소부 건조하거나, 또는 가스토치를 이용하여 10~60분간 직접 가열 건조하며, 이에 의해 두께 1~10㎛의 코팅막이 형성돠며, 이러한 코팅막은 금형의 캐비티면에 국한되지 않고, 코어면에도 함께 도장할 경우 더욱 우수한 플라스틱 외관 품질을 얻을 수 있다.
이와 같이 표면 처리된 금형을 이용하여 폴리프로필렌 레진이나 ABS레진, 또는 나일론 레진 등과 다양한 수지를 사출성형하여 성형품을 제조하면, 우수한 외관 품질을 갖는 성형품을 얻을 수가 있다.
이하, 실시예 및 비교예와 시험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 하나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것일뿐 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
비교예 1:
도 1에 나타낸 바와 같이 플라스틱 사출성형시 웰드라인이 발생하도록 금형 캐비티를 제작하고 금형 표면에 K자동차 엠보 스펙인 KM-134 패턴을 화학적 에칭으로 가공하고, 코어 금형과 조립한 다음, 폴리프로필렌 원소재를 이용하여 사출성형하였으며, 그 결과 도 2에 나타낸 바와 같은 사출성형품을 얻었다.
실시예 1:
비교예 1의 실시 후, 비교예 1의 금형 표면에 유·무기 복합 실리콘 합성수지 도료(주식회사 엔씨피의 상품명 ‘Crezan’)를 박막 도장하여 도 3과 같이 박막 코팅막이 형성된 금형 캐비티를 제작하였고 이를 코어 금형과 조립한 다음, 폴리프로필렌 원소재를 이용하여 사출성형하였으며, 그 결과 도 4에 나타낸 바와 같은 사출성형품을 얻었다.
시험예 1:
비교예 1에서의 도 1의 금형 표면 및 도 2의 성형품과, 실시예 1에서의 도 3의 금형 표면 및 도 4의 성형품에 각각 표시한 ⓐ부분에 대한 광택 값을 BYK사의 광택 측정기를 이용하여 각각 광택 값을 측정하여 변화를 관찰하였으며 그 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
구분 금형 캐비티 표면 광택 PP 성형품 표면 광택 웰드라인 유무
코팅막 형성 전 2.8 GU 1.8 GU 선명하게 관찰됨(도 5 참조)
코팅막 형성 후 2.4 GU 2.0 GU 흐릿하게 관찰됨(도 6 참조)
또한 성형된 제품의 웰드라인 개선 유무를 확인 하기 위해서, 비교예 1에서의 도 2의 성형품과, 실시예 1에서의 도 4의 성형품에 각각 표시한 ⓑ부분의 웰드라인 개선 유무를 육안 평가 및 50배율 마이크로스코프를 이용하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 5(비교예 1) 및 도 6(실시예 1)에 각각 나타낸다.
상기한 시험 결과, PP(폴리프로필렌) 성형품의 광택은 코팅막 형성 전후를 비교할 때, 약간의 편차가 있었으나, 이는 국내 자동차 회사의 표준 광택 범위에 부합되는 기준이며, 웰드라인의 형성 유무는 코팅막을 형성시킨 금형 캐비티를 이용하여 성형된 제품에서 확연하게 개선되는 것으로 판명되었다.
비교예 2:
SS 자동차사에서 양산 중인 코란도 투리스모 차종의 텔게이트 로워 트림 성형용 금형을 대상으로 실시예 1에서와 동일한 방식으로 코팅막을 형성시키지 않은 금형 캐비티를 이용하여 사출 성형한 결과, 도 7에 나타낸 바와 같은 성형품이 제조되었다.
실시예 2:
비교예 2의 금형 캐비티에 실시예 1에서와 동일한 방식으로 코팅막을 형성시키고, 이를 이용하여 사출 성형한 결과, 도 8에 나타낸 바와 같은 성형품이 제조되었다.
시험예 2:
비교예 2 및 실시예 2의 성형품을 육안 관찰하였으며, 그 결과를 하기한다.
코팅막을 형성하지 않은 통상적인 금형 캐비티를 이용하여 성형한 비교예 2의 도 7에 나타낸 성형품은 성형소재의 수축에 따른 긁힘과 제품형상에 따른 백화 현상이 제품 전면에 나타나고 있으며, 특히 붉은색 점선 원형부분을 보게 되면, 가스발생에 의한 얼룩이 매우 선명하게 나타남을 확인할 수 있었다.
한편, 금형 캐비티에 코팅막을 형성한 후 성형한 실시예 2의 도 8에 나타낸 성형품은 도 7에 나타낸 성형품에서 보였던 성형 상 문제점이 95% 이상 개선된 것으로 확인되었으며, 특히 붉은색 점선 원형분의 가스얼룩은 완벽하게 개선된 효과를 나타내는 것으로 판명되었다.

Claims (7)

  1. 하기의 단계로 구성되는 사출성형 금형의 표면 처리 방법:
    (A) 플라스틱 사출성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 소정의 천연 가죽 패턴 또는 지오메트릭(geometric)한 엠보싱 패턴을 형성하는 단계;
    (B) 세척제를 이용하거나, 또는 샌드 블라스팅을 이용하여 미세 요철 형성과 동시에 표면 이물질을 제거하는 것으로 이루어지는 엠보싱 패턴 형성면을 세정하는 단계; 및
    (C) 수용성 폴리실록산과 무기 실리카 졸을 저온 중합시킨 실리콘 사다리꼴 고분자(silicon ladder polymer)로써의 무기 내열성 수지에, 다시 수용성 아크릴 및 우레탄 프리폴리머를 저온 중합시켜 얻어지는 다면체 올리고머성 실세스퀴옥산(Polyhedral Olygomeric Silsesquioxane) 수지로써의 유·무기 복합 실리콘 합성수지에, 필러로써의 카본 파우더를 전중량 기준으로 0.1~5중량% 혼합한 도료를 플라스틱 사출성형용 금형의 캐비티면 또는 캐비티면과 코어면에 스프레이 건을 이용하여 2~9kgf/㎠ 공기압으로 박막 도장하고 가스토치를 이용하여 10~60분 동안 직접 가열 건조시켜 두께 1~10㎛의 코팅막을 형성하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 단계 (C)의 코팅막 형성 단계에서의 상기한 무기 내열성 수지는 500~1100℃의 내열성, -60℃의 내한성, 유기 용제 불용성, 표면 경도 5~7H, 수분 흡수율 0.3% 이하, 광 투과율 94%, 불연성 물질 함량 95% 이상인 박막 코팅용 도료인 사출성형 금형의 표면 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 단계 (C)의 코팅막 형성 단계에서의 상기한 유·무기 복합 실리콘 합성수지는 250℃의 내열성, -30℃의 내한성, 표면 경도 2~5H, 수분 흡수율 0.3% 이하, 광 투과율 91%인 사출성형 금형의 표면 처리 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기한 단계 (A)의 엠보싱 패턴 형성 단계가 소정의 패턴이 인쇄된 전사필름을 금형표면에 전사한 후 화학적 에칭에 의하여 엠보싱 가공하거나, 샌드 블라스팅에 의하여 엠보싱 가공하거나, 또는 5축 NC 가공이나 레이저 가공에 의하여 엠보싱 가공하는 것으로 이루어지는 사출성형 금형의 표면 처리 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항 또는 제5항에 따른 사출성형 금형의 표면 처리 방법에 의하여 제조되는 사출성형용 금형.
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