플라스틱 재료에 따른 초음파 용착 성능!
초음파와 플라스틱!
초음파 용착기는 기계적 진동을 발생시켜 플라스틱을 통과하여 용착 부위에 마찰, 용융을 일으켜 용착 작업을 하는데요! 그러나 플라스틱 용착이란 초음파 용착기의 기계적인 측면도 있지만 용착하고자 하는 플라스틱 재료에 따라 용착 특성이 다르므로 초음파에 영향을 주는 플라스틱 재료의 특성을 알아야 합니다~
이번 글에서는 다양한 플라스틱 재질의 구조와 특성의 이해뿐만 아니라 플라스틱의 용착 특성에 대한 기본적인 사항을 설명해 드리겠습니다.!
(1) 수지
수지는 기본적으로 열가소성 플라스틱(Thermo-plastic) 수지와 열경화성 (Thermoset) 수지로 크게 나누어 볼 수 있습니다!
열가소성 수지는 형성된 후 재 가압과 재 가열로 재 용융시키면 본 특성은 변하지 않고 외관 상태만 변하는데요 이 특징은 초음파 용착에 적당한 재료임을 알 수 있어요!
열경화성 수지는 한번 형성되면 재가압, 가열로 인해 재 용융이 일어나지 않아요 그래서 초음파 용착에는 비 적합한 플라스틱입니다!
(2) 용착성에 영향을 주는 요인
열가소성 플라스틱의 용착성을 논의하기 전에 초음파 에너지에 영향을 주는 몇 가지 요인에 대해 반드시 알아야 하는데요~ 가장 주된 요인은 플라스틱 구조, 용융 온도, 탄성률 (단단함), 화학적 구성입니다.
1) 플라스틱 구조
플라스틱의 구조는 크게 비결정성 수지(Amorphous resins)와 결정성 수지 (Semi-crystalline resins)로 나눌 수 있습니다.
비결정성 수지 : 비결정성 수지는 드문드문한 불규칙한 분자 배열과 넓은 범위에서 점차적으로 「부드러워지고 녹고 흐르고 빠르게 굳지 않는」 유리전이온도 (Tg : glass transition temperature) 대역이 있어요~ 이들 수지는 초음파 에너지의 전달이 잘되고 손실이 적어 압력과 진폭의 넓은 범위에서 용착 작업이 이루어집니다!
결정성 수지 : 결정성 수지는 규칙적인 분자 배열과 예민한 용융 온도 범위 (Tm : melt temperature)와 빨리 굳는 특성이 있습니다. 굳었을 때의 분자는 스프링과 비슷한 구조로 연결되어 있고 이러한 구조 때문에 고주파수의 기계적인 진동이 일부를 흡수해요, 그래서 용착 부위까지 초음파 에너지가 전달되기가 어렵습니다. 이러한 이유로 고 진폭이 필요합니다!
예민한 용융 온도는 용융물이 흐르게 하기 위해 강력하게 결합한 결정구조를 파괴해야 하기 때문에 매우 높은 에너지가 필요합니다~ 또한 용융 온도에서 약간만 온도가 떨어져도 금방 굳어지게 되지요.
이러한 특징은 초음파 용착기의 적용에 있어서 특별한 주의를 요구하는데요! 즉 양호한 용착을 얻기 위해 고 진폭, 용착산 설계. 공구혼 접촉부위와 지그 등을 철저히 고려해야 합니다.
2) 용융 온도
플라스틱의 용융 온도가 높으면 높을수록 용착하기 위해 필요한 초음파 에너지는 높아야 합니다.
3) 단단함 (탄성률)
플라스틱의 단단함은 용착 부위까지의 초음파 에너지 전달에 영향을 줍니다. 일반적으로 재료가 단단하면 단단할수록 초음파의 전달이 잘 된답니다!
4) 이종재질의 용착
이종재질이란 서로 다른 종류의 플라스틱 재질을 용착! 즉 붙이는 건데요 용착하고자 하는 플라스틱들의 용융 온도가 비슷해야만 용착이 됩니다! 왜냐하면 온도 차가 22℃이면 용착이 안되기 때문인데요, 즉 낮은 용융 온도의 재료가 녹아 흘러, 높은 용융 온도의 재료가 녹을 수 있는 진동을 흡수하기 때문입니다.
예를 들면 높은 용융 온도의 아크릴 쪽에 용착산을 설치하고 낮은 용융 온도의 아크릴 쪽의 판과 용착하려 한다면 높은 용융 온도의 아크릴 쪽의 용착산이 녹기 전에 반대편의 낮은 용융 온도의 아크릴 쪽이 녹아 용착산이 녹지 못하여 양호한 용착 강도를 기대하기 어려워져요.
또한 이종재질의 용착에서는 재질의 분자구조가 유사해야 합니다. 대개 분자구조가 비슷한 비결정성 수지에서만 가능하고 결정성 수지는 이종재질 용착이 안됩니다!
(3) 용착성에 영향을 주는 다른 요인
1) 습기
어떠한 재료들은 용착성에 나쁜 영향을 주는 습기를 흡수하게 되는데요 이러한 특징을 갖는 재료는 나일론, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 폴리설폰 등이 있어요!
만일 습기를 흡수한 재료를 용착하면 조직 속의 수분이 100℃에 끓어 플라스틱 속에 기공이 생기고, 용착 부위의 플라스틱의 특성을 저하시키게 됩니다! 이 결과로 기밀성이 유지되지 않고, 외관이 미려하지 못하며 용착 강도가 저하됩니다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 사출기에서 사출되는 즉시 용착하시거나 폴리에틸렌 비닐봉지에 보관하여 용착하고 만일 습기가 흡수된 플라스틱 제품일 경우는 빛이나 열에 의해 건조시켜 용착을 해야 단단하게 용착이 됩니다.
2) 흐름 속도
흐름 속도란 용융되었을 때 플라스틱이 흘러가는 속도를 말한다. 같은 재질이라도 그레이드 (Grade)가 다르면 흐름 속도가 다릅니다. 이러한 차이는 한쪽은 녹고, 다른 쪽은 녹지 않는 결과가 나타납니다.
3) 수지 첨가제
플라스틱을 혼합할 때 첨가제를 첨가하면 재질의 본래 성질이 변하게 되고 또한 이러한 첨가제들은 초음파 용착에 문제를 일으킵니다. 용착이 잘 안되는 상황이 벌어지게 되지요!
※ 이형제 : 플라스틱 사출 물이 금형에서 이탈되기 쉽게 하기 위해 금형 표면에 코팅을 합니다. 외부 이형제인 Zinc stearate, aluminum stearate, flourocarbons, silicone 등은 용착 부위로 이동하여 표면 마찰열, 용융, 용착을 방해합니다. 특히 실리콘은 일반적으로 아주 유해하고 나빠요!
만일 외부 이형제를 꼭 써야 한다면 페인팅이나 프린트하여 이동할 수 없는 이형제를 사용하여야 합니다. 이러한 이형제는 금형으로부터 사출 제품으로 이형제가 잘 묻어나지 않아 초음파 진동의 방해를 최소화하여야 해요! 유해한 이형제 중 어떤 것들은 TF Freon 등과 같은 솔벤트(Solvent)로 제거가 됩니다.
플라스틱 내부에 골고루 분산시키기 때문에 내부 이형제는 용착 중에 영향이 작습니다.
※ 윤활제 (내부 혹은 외부) : 재질에서 중합체의 이동을 도와주는 윤활유는 Waxes, Zinc, Stearate, Stearic acid, ester 등이 있습니다. 윤활제는 초음파 용착 시 분자 간 마찰 (Melt viscosity) 혹은 용착 부위의 마찰을 감소시켜 초음파 용착에 나쁜 영향을 주지만, 내부 이형제처럼 윤활제는 일반적으로 내부에서 분산되어 용착에 영향이 작습니다.
※ 가소제 : 플라스틱을 부드럽게 하기 위해 첨가하는 가소제는 분자들 간의 당기는 힘을 감소시켜요 또한 초음파 진동을 방해합니다. 비닐 같은 높은 가소성 재료들은 초음파 진동이 스펀지를 통과하는 것과 같게되는데요 가소제를 성형 중에 첨가하면 표면으로 이동하는 내부는 물론 외부의 불안정한 결합으로 용착이 불가능합니다.
※ 내충격제 : 고무와 같은 내충격제는 용착 부위에 열가소성 플라스틱의 양을 감소시켜 용착성에 나쁜 영향을 줍니다! 또한 초음파 진동을 흡수하고 고 진폭의 초음파 진동폭이 필요하다.
※ 발포제 : 초음파 진동에너지의 전달을 감소시켜서 기공이 형성된 구조는 조직의 밀도 감소로 용착 부위에 도달하기 전에 진동에너지의 흐름을 방해하고 소모시킵니다.
※ 난연제 : 불에 타지 않도록 첨가하는 난연제는 초음파 용착에 나쁜 영향을 끼치는데요 방화제는 무기 산화물이나 할로겐계 유기물들이고 비용착성 재질들입니다. 예를 들면 알루미늄, Amtimony, Boron, Clorine, Bromine, Sulfur, Nitrogen, phosphorus 등이다.
방화제의 함유가 많을수록 용착에 필요한 플라스틱 양이 줄어들어, 용착 양을 올릴 수 있고 초음파 진동에너지를 증가시킬 수 있는 부착부위의 설계를 해야 합니다.
※ 구재 사용 : 사출 시 만들어지는 스크랩 및 구재는 일반적으로 재사용을 하는데, 이는 초음파 용착 특성에 나쁜 영향을 미치므로 구재의 사용량을 조절해야 합니다. 100% 신재를 사용하면 양호한 용착 결과를 얻을 수 있어요!
※ 착색제 : 안료 혹은 염료는 초음파 진동에너지 전달에 영향을 주지 않지만 어떠한 염료 (흰색, 검은색)는 용착성에 영향을 주게 됩니다. 흰색 안료에 쓰이는 이산화 티타늄(TiO ₂)은, 무기물, 화학적 비활 성체이며, 윤활작용을 해요. 이를 5% 이상 사용한다면 용착을 방해합니다. 또한 티타늄 혼을 사용할 때에 이산화 티타늄 안료와 화학반응을 일으켜 표면에 검은 자국이 생기게 되는데요 이때에는 알루미늄 재료에 경질 크롬 도금을 하여 사용합니다. 검은색 제품은 카본 안료를 사용하는데, 카본이 초음파 진동을 흡수하므로 많이 사용하면 안 돼요! 가능하면 다른 색깔의 안료도 적은 양을 사용하는 것이 좋습니다.
※ 동종 수지 종류(Resin Grade) : 용융 온도와 특성이 다르므로 용착성에 큰 영향을 미치는데요 예를 들어 아크릴의 압출, 사출, 주형 그레이드가 차이가 있는데, 주형 그레이드는 고 분자량과 높은 용융 온도와 경질이고 표면의 경도가 높습니다. 이 같은 특성은 사출 제품보다 용착성이 나쁜 원인이 되고 있어요.
Thumb의 법칙에 의해 서로 다른 그레이드끼리 용착할 때 유사한 분자량과 22℃ 이상의 용융 온도 차이를 가지면 용착이 어려워요.
플라스틱 재질에 따른 용착 적합성 표
4) 수지 혼합물
수지와 혼합하는 충진제와 보강제들은 혼합물이라고 하는데요 그라파이트 (Graphite) 혹은 Kevlar 같은 고성능 섬유의 혼합은 특별한 방법의 복잡한 기술이 필요합니다.
일반적으로 물리적인 특성 (강도, 경도 등)을 향상시키기 위해 첨가하는 비금속 광물, 금속분, 유기화합물 등의 충진제를 사용하는데요 충진제는 제품을 단단하게 만들어 초음파진동 전달을 향상시킵니다.
Calcium carbonate, Alumina trihydrate, Talc, Kaolin, Organic filler, Silica, Glass spheres, wollastonite (Calcium metasilicate), Micas 등은 수지의 용착성을 향상시키지만 용착성을 개선하는 충진제의 양에는 어느 정도의 한계가 있어요. 즉, 20% 이하의 함유 시에는 수지를 보다 단단하게 해 초음파진동 전달을 향상시킵니다.
충진제가 10% 함유된 수지는 일반적인 혼합률이나 10% 이상의 충진제를 함유하면 공구혼의 마모가 발생하게 되는데요 이런 경우 모넬과 고경도 강이나 티탄혼에 카바이드 코팅을 하여 사용한다.
35% 정도의 충진제가 함유되면 기밀 용착에 필요한 용착 부위의 용융량이 불충분하여 용착이 안되고 40% 이상 초과될 시, 충진제가 축적되어 일정한 용착을 위해 필요로 하는 플라스틱 용융량이 적어져 용착이 불가능합니다.
또한 충진제의 특별한 타입이 특수한 문제를 발생시키는데요 즉, 유리섬유의 길이가 길 때 사출 시 일정한 분포보다 덩어리로 게이트 부분에 모입니다. 이 덩어리는 유리섬유가 많이 함유된 용착산으로 이동을 합니다. 그래서 용착 시 충분한 용융 물이 용착 부위에 부족하여 강도가 저하됩니다.
만일 이러한 현상이 나타나면 가능한 한 짧은 유리섬유를 사용해야 합니다! 결론적으로 충진제의 사용은 수지의 물리적인 특성을 향상시키고 용착성도 개선하지만 충진제의 사용은 함유율에 대한 용착성의 관계에 대한 일정한 법칙이 있음을 알 수 있다.
이처럼! 플라스틱의 재질과 착색제에 따라 초음파 용착이 용이한지 아님 용착이 안되는 경우가 생기게 되기 때문에 제품을 디자인하고 사출을 하려고 할 때 초음파 전문 업체와 상의하여 실수하지 않고 한 번에 제작이 들어가는 것이 좋습니다!