폴리올레핀 및 필름 압출 소개
에틸렌과 프로필렌과 같은 올레핀 단량체로부터 합성된 고분자 소재인 폴리올레핀은 전 세계적으로 가장 널리 생산되고 사용되는 플라스틱입니다. 폴리올레핀의 널리 보급된 이유는 저렴한 비용, 뛰어난 가공성, 뛰어난 화학적 안정성, 그리고 맞춤형 물리적 특성 등 다양한 특성의 조합 때문입니다. 폴리올레핀의 다양한 용도 중에서도 필름 제품은 식품 포장, 농업용 덮개, 산업용 포장, 의료 및 위생 제품, 그리고 일상 소비재 등에서 중요한 기능을 수행하며 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 필름 생산에 가장 일반적으로 사용되는 폴리올레핀 수지에는 폴리에틸렌(PE)(선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 포함)과 폴리프로필렌(PP)이 있습니다.
폴리올레핀 필름 제조는 주로 압출 기술에 의존하는데, 블로운 필름 압출과 캐스트 필름 압출이 두 가지 핵심 공정입니다.
1. 블로운 필름 압출 공정
블로운 필름 압출은 폴리올레핀 필름 생산에 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 기본 원리는 용융된 중합체를 환형 다이를 통해 수직으로 위쪽으로 압출하여 얇은 벽의 관형 패리슨을 형성하는 것입니다. 이후, 압축 공기를 이 패리슨 내부에 주입하여 다이보다 훨씬 큰 직경의 기포로 팽창시킵니다. 기포가 상승함에 따라 외부 공기 링에 의해 강제 냉각되고 응고됩니다. 냉각된 기포는 닙 롤러(종종 붕괴 프레임 또는 A-프레임을 통해)에 의해 붕괴되고, 이후 트랙션 롤러에 의해 인발되어 롤에 감깁니다. 블로운 필름 공정은 일반적으로 이축 배향 필름을 생산하는데, 이는 기계 방향(MD)과 횡 방향(TD) 모두에서 인장 강도, 인열 저항성, 충격 강도와 같은 기계적 특성의 균형이 우수함을 의미합니다. 필름 두께와 기계적 특성은 팽창비(BUR - 기포 직경과 다이 직경의 비율)와 인출비(DDR - 흡수 속도와 압출 속도의 비율)를 조정하여 제어할 수 있습니다.
2. 캐스트 필름 압출 공정
캐스트 필름 압출은 폴리올레핀 필름의 또 다른 중요한 생산 공정으로, 특히 우수한 광학 특성(예: 고투명도, 고광택)과 우수한 두께 균일성을 요구하는 필름 제조에 적합합니다. 이 공정에서는 용융된 폴리머를 평평한 슬롯형 T-다이를 통해 수평으로 압출하여 균일한 용융 웹을 형성합니다. 이 웹은 하나 이상의 고속 내부 냉각 칠 롤 표면에 빠르게 인발됩니다. 용융물은 콜드 롤 표면에 닿으면 빠르게 응고됩니다. 캐스트 필름은 일반적으로 우수한 광학 특성, 부드러운 촉감, 그리고 우수한 열융착성을 갖습니다. 다이 립 간격, 칠 롤 온도 및 회전 속도를 정밀하게 제어하여 필름 두께와 표면 품질을 정확하게 조절할 수 있습니다.
폴리올레핀 필름 압출의 6가지 주요 과제
압출 기술의 성숙도에도 불구하고, 제조업체들은 폴리올레핀 필름의 실제 생산 과정에서 여러 가지 가공상의 어려움에 자주 직면합니다. 특히 고생산성, 고효율, 더 얇은 두께를 요구하거나 새로운 고성능 수지를 사용할 때 더욱 그렇습니다. 이러한 문제는 생산 안정성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 최종 제품의 품질과 비용에도 직접적인 영향을 미칩니다. 주요 과제는 다음과 같습니다.
1. 용융 균열(샤크스킨): 폴리올레핀 필름 압출에서 가장 흔한 결함 중 하나입니다. 거시적으로는 필름 표면에 주기적인 횡방향 잔물결이나 불규칙적인 거친 표면, 또는 심한 경우 더욱 심한 변형으로 나타납니다. 용융 균열은 주로 다이에서 배출되는 폴리머 용융물의 전단 속도가 임계값을 초과하여 다이 벽과 벌크 용융물 사이에 스틱 슬립 진동이 발생하거나, 다이 출구의 인장 응력이 용융 강도를 초과할 때 발생합니다. 이 결함은 필름의 광학적 특성(투명도, 광택), 표면 평활도를 심각하게 손상시킬 뿐만 아니라 기계적 특성 및 차단 특성도 저하시킬 수 있습니다.
2. 다이 드룰/다이 빌드업: 이는 폴리머 분해 산물, 저분자량 분획, 분산이 불량한 첨가제(예: 안료, 대전 방지제, 슬립제) 또는 겔이 다이 립 가장자리 또는 다이 캐비티 내부의 수지에서 점진적으로 축적되는 현상을 말합니다. 이러한 침전물은 생산 과정에서 떨어져 나와 필름 표면을 오염시키고 겔, 줄무늬 또는 긁힘과 같은 결함을 유발하여 제품 외관 및 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 심각한 경우, 다이 빌드업은 다이 출구를 막아 게이지 편차, 필름 찢어짐을 유발하고 궁극적으로 다이 세척을 위한 생산 라인 가동 중단을 초래하여 생산 효율을 크게 저하시키고 원자재 낭비를 초래할 수 있습니다.
3. 높은 압출 압력 및 변동: 특정 조건, 특히 고점도 수지를 가공하거나 다이 갭이 좁은 경우, 압출 시스템 내부(특히 압출기 헤드와 다이)의 압력이 과도하게 높아질 수 있습니다. 고압은 에너지 소비를 증가시킬 뿐만 아니라 장비(예: 스크류, 배럴, 다이)의 수명 및 안전에도 위험을 초래합니다. 또한, 압출 압력의 불안정한 변동은 용융 출력량의 변동을 직접적으로 유발하여 필름 두께 불균일을 초래합니다.
4. 제한된 처리량: 용융 균열 및 다이 빌드업과 같은 문제를 방지하거나 완화하기 위해 제조업체는 종종 압출기 스크류 속도를 줄여야 하며, 이로 인해 생산 라인의 생산량이 제한됩니다. 이는 생산 효율과 제품 단위당 제조 비용에 직접적인 영향을 미쳐, 대량 생산 및 저비용 필름에 대한 시장 수요를 충족하기 어렵게 만듭니다.
5. 게이지 제어의 어려움: 용융 유동 불안정성, 다이 전체에 걸친 불균일한 온도 분포, 그리고 다이 빌드업은 모두 필름 두께의 횡방향 및 종방향 변화에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 필름의 후속 가공 성능 및 최종 사용 특성에 영향을 미칩니다.
6. 수지 교체의 어려움: 서로 다른 종류 또는 등급의 폴리올레핀 수지 간 교체 또는 색상 마스터배치 변경 시, 이전 공정에서 발생한 잔류물을 압출기와 다이에서 완전히 제거하기 어려운 경우가 많습니다. 이로 인해 기존 재료와 새 재료가 혼합되어 전이 물질이 생성되고, 교체 시간이 길어지며, 불량률이 증가합니다.
이러한 일반적인 가공상의 어려움은 폴리올레핀 필름 제조업체들이 제품 품질과 생산 효율을 향상시키려는 노력을 제약할 뿐만 아니라, 신소재와 첨단 가공 기술의 도입에도 걸림돌이 됩니다. 따라서 이러한 어려움을 극복하기 위한 효과적인 해결책을 모색하는 것은 폴리올레핀 필름 압출 산업 전체의 지속적이고 건강한 발전을 위해 매우 중요합니다.
폴리올레핀 필름 압출 공정을 위한 솔루션: 폴리머 가공 보조제(PPA)
폴리머 가공 보조제(PPA)는 압출 중 폴리머 용융물의 유동학적 거동을 개선하고 장비 표면과의 상호 작용을 수정하여 다양한 가공상의 어려움을 극복하고 생산 효율성과 제품 품질을 향상시키는 것을 핵심 가치로 하는 기능성 첨가제입니다.
1. 불소중합체 기반 PPA
화학 구조 및 특성: 현재 가장 널리 사용되고, 기술적으로 성숙되었으며, 효과가 입증된 PPA 계열입니다. 이들은 일반적으로 비닐리덴 플루오라이드(VDF), 헥사플루오로프로필렌(HFP), 테트라플루오로에틸렌(TFE)과 같은 플루오로올레핀 단량체를 기반으로 하는 호모폴리머 또는 코폴리머이며, 플루오로엘라스토머가 가장 대표적입니다. 이러한 PPA의 분자 사슬은 높은 결합 에너지, 낮은 극성의 CF 결합을 많이 가지고 있어, 매우 낮은 표면 에너지(폴리테트라플루오로에틸렌/테플론®과 유사), 우수한 열 안정성, 그리고 화학적 불활성과 같은 고유한 물리화학적 특성을 부여합니다. 중요한 것은, 플루오로폴리머 PPA는 일반적으로 비극성 폴리올레핀 매트릭스(PE, PP 등)와의 상용성이 낮다는 것입니다. 이러한 비상용성은 다이의 금속 표면으로 효과적으로 이동하여 동적 윤활 코팅을 형성하는 데 중요한 전제 조건입니다.
대표 제품: 불소중합체 PPA 세계 시장의 주요 브랜드로는 Chemours의 Viton™ FreeFlow™ 시리즈와 3M의 Dynamar™ 시리즈가 있으며, 상당한 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 또한, Arkema(Kynar® 시리즈)와 Solvay(Tecnoflon®)의 특정 불소중합체 등급 제품도 PPA 제형의 핵심 성분으로 사용되거나 PPA 제형의 핵심 성분으로 사용됩니다.
화학 구조 및 특성: 이 계열의 PPA의 주요 활성 성분은 일반적으로 실리콘으로 불리는 폴리실록산입니다. 폴리실록산 골격은 규소와 산소 원자(-Si-O-)가 교대로 배열되어 있으며, 규소 원자에 유기기(일반적으로 메틸기)가 결합되어 있습니다. 이러한 독특한 분자 구조 덕분에 실리콘 소재는 매우 낮은 표면 장력, 뛰어난 열 안정성, 우수한 유연성, 그리고 다양한 물질에 대한 비점착성을 갖습니다. 불소 중합체 PPA와 유사하게, 실리콘 기반 PPA는 가공 장비의 금속 표면으로 이동하여 윤활층을 형성하는 방식으로 작용합니다.
적용 특징: 불소 중합체 PPA가 폴리올레핀 필름 압출 분야에서 우위를 점하고 있지만, 실리콘 기반 PPA는 특정 적용 시나리오 또는 특정 수지 시스템과 함께 사용될 경우 고유한 장점을 발휘하거나 시너지 효과를 낼 수 있습니다. 예를 들어, 매우 낮은 마찰 계수가 필요하거나 최종 제품에 특정 표면 특성이 요구되는 경우에 고려될 수 있습니다.
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게시 시간: 2025년 5월 15일
