발포성형 공정 : 초임계 발포 시스템(Supercritical Expansion System)

 

ㆍ초임계 발포 시스템(Supercritical Expansion System)

 

 '초임계 발포 시스템'이란 성형공정 중 기포를 생성하고, 고분자 수지 내에 균일하게 분산시켜 제품을 제조하는 방법이다. 발포 성형을 통해 완성된 발포 플라스틱은 단열, 보온, 완충, 방음, 신축, 유연성 등에 특성을 향상하는 데, 특히 다공성 구조로 강도는 그대로이면서 무게를 가볍게 하는 장점이 있다.

> 발포 플라스틱에 대표적인 주원료 합성수지 : 폴리우레탄(PUR), 폴리스티렌(PS), 폴리오레핀(polyolefin : 폴레이텔렌 or 폴리프로필렌 혼합 발포체)

 

 초임계 발포 시스템은 '초임계 유체(supercritical fluid)'를 이용한다.

 

ㆍ'초임계 유체'란?

: 일반적으로 액체와 기체를 서로 분간할 수 없는 애매한 상태를 임계 상태라고 하며, 이때 온도와 압력 상태를 임계점이라고 한다. 임계 상태에 있는 물질을 ‘초임계 유체(Supercritical fluid, SCF)’라고 한다. 초임계 유체는 환산온도(reduced temperature Tr), 환산압력(Reduced pressure Pr) 범위 내에서 이루어진다.  

 

Pr = P /  αy(yield stress)

 특히 초임계 CO₂(scCO₂)는 임계점이 낮아초임계 조건에 쉽게 도달이 가능 및 무독성, 불연성, 낮은 cost 장점이 있다.

 

source :  google

 

---

ㆍ일반적인 초임계 유체를 이용한 발포성형 공정법

 

> 일정 온도와 압력에서 고분자 시료를 seCO₂(초임계 CO₂)에 포화시킨 뒤 평형 상태에서 압력을 급강하시키면 과포화에 의한 열역학적 불안정으로 핵이 생성된다. 핵은 cell로 성장하다가, CO₂ 농도가 감소하면서 성장이 정지되는 데 이때 미세한 닫힌 기포(Closed cell) 구조를 가진다.

 

source : suflux.com

 

>  초임계유체 상태인 용제를 수지 재료 속에 넣는데, 이때 고온고압의 환경을 유지한다. --> 재료가 들어간 후 상온 상압 상태가 되면서 발포가 된다. (탄산음료 뚜껑을 처음 개봉할 때처럼) --> 자연스레 기공이 많이 생기며 다공성 구조가 된다.

 

source : suflux.com

 

---

 일반적인 성형공정법에 경우

 

1) 발포 압출시 여러 첨가제를 배합 및 조건을 맞춰놓은 상태에서 압출하고, 압출물이  
바로 재료 내로 압출될 때 발포제가 즉시 팽창이 되는 것이다. 

2) 압출공정에서 발포제가 분해되지 않는 낮은 온도에서 압출한 뒤, 압출물이 가열장치를  
통과함과 동시에 재료 내로 들어가면서 발포되는 것이다. 

3) 발포제를 재료 내에 넣은 후, 가열 등에 방법으로 발포시킨 뒤, 기타 첨가제를 투입하여  
적당한 형태로 만든다. 

4) 폴리우테란, 실리콘 등에 축중합으로 만든 고분자는 축합 시 저분자 물질이 생성되는 데,  
이를 인위적으로 급속하게 발생시켜 발포를 일으킨다.

 

---

 

발포성형의 종류에는 크게 두 가지로 나눠져 있다.

ㆍ(a) 물리발포 성형(Physical foaming) : 수지 재료 속에 저비점 용제(끓는점이 낮은 재료)를 넣고 가열 등을 통해 기공을 만든다. 프로판, 부탄 외 핵산, 염화메틸렌, 헵탄 등에 재료가 있다.

ㆍ(b) 화학발포 성형(Chemical foaming) : 무기 발포제를 이용하는 데, 발포제를 투입하여 원료가 화학적 반응을 일으켜 기공을 만들어내는 것을 말한다.

 

 일반적으로 물리발포 성형은 고가의 압축장비가 필요해 초기 비용이 높다는 단점이 있지만, 그 외는 화학적 발포보다 이점이 더 많은 방식이다.

(c)갬성과 공대	물리적 발포	화학적 발포
성형 방법	제품 성형 시 용융 상태의 플라스틱에 초임계 상태 가스를 혼입하여 성형 및 부품 내부에 다공성 구조 형성	압출기 투입 전 혼합된 화학 발포제가 압출기내의 높은 온도로 열분해 -> 이후 발생한 가스로 내부에 다공성 구조를 형성
장·단점	[장점] ㆍ50% 이상 경량 가능  ㆍ타 공정 대비 높은 수준 원가절감 가능 ㆍ높은 기계적 강도 구현 가능 ㆍ외관상 높은 품질 ㆍ공정 시간 단축 [단점] ㆍ고가의 압축 장비가 필요	[장점] ㆍ고가의 압축장비 필요 X ㆍ단열 및 차음 성능 우수 [단점] ㆍ상대적으로 낮은 경량화(10 ~ 30% 정도) ㆍ상대적으로 낮은 기계적 강도 ㆍ상대적으로 낮은 공정 시간 ㆍ낮은 표면 품질