사출성형은 플라스틱 산업에서 가장 보편적으로 사용되는 방식으로 복잡한 형상도 정밀성이 높은 제품을 생산할 수 있어 사출성형 방식과 기기 내부의 유동 특성에 관한 연구는 끊임없이 진행되고 있다. 사출 금형 내의 유동 특성을 평가하는 방법인 나선 흐름 시험법은 사다리꼴 또는 반원의 단면을 가진 나선형 금형을 통한 사출성형에서 그 흐름 길이를 정량화 하는데 이용된다. 이는 금형 내의 흐름 길이를 비교하여 금형 설계에 이용하는 목적, 또는 흐름 길이 비교를 통한 소재의 품질 지표 설정 등에 사용된다. 하지만 실제 사출 테스트를 위한 나선형 금형 제작은 복잡한 냉각라인 및 금형 제작 노하우가 도입되기 때문에 동일한 나선형 금형 형상이라도 이종 금형, 실험실간 실험의 오차가 매우 큰 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 산업적으로 많은 이용에도 불구하고 상대적인 비교, 저압의 열경화성 수지 등 제한된 적용에 대해서만 규격이 이용되고 있다.
따라서 본 연구에서는 열가소성 재료에 대한 새로운 나선형 금형을 제작하고 냉각 채널을 제거한 압력 구동 소형 사출기와 기존의 나선 흐름을 측정하던 benchtop 사출 시스템을 사용하여 재현성이 확보된 표준화가 가능한 나선 흐름 시험 방법을 찾고자 하였다. 또한, 용융 수지의 여러 유동 특성에 따른 나선 흐름 길이의 영향을 파악하기 위해 melt flow indexer와 screw rheometer를 사용하여 물질의 유변학적 데이터를 측정하여 흐름 길이와의 상관관계를 살펴보았다.
진행한 모든 나선 흐름 시험에서 사출 압력의 증가와 수지 온도 및 금형 온도의 증가에 대해 흐름 길이 상승의 경향성이 명확하게 나타났다. 다만, 금형 온도의 경우 시료의 열변형 온도에 따라 제한적인 테스트 범위를 가진다. 시료가 흐를 수 있는 단일 온도에서의 용융물의 흐름 특성을 나타내는 MFR과 shear rate의 증가에 따른 흐름 길이의 영향은 적게 나타났다.
benchtop 사출 시스템에 비해 압력 구동 소형 사출기를 활용한 모든 나선 흐름 시험은 매우 높은 재현성을 나타냈으며 이번 연구에서 측정한 모든 흐름 길이 결과는 새로 제작한 나선형 금형의 최대 길이의 60% 안쪽에 위치하여 충분히 높은 MFR을 가진 물질에 대한 테스트의 가능성을 확인하였다.
본 연구에 사용된 열가소성 플라스틱에 대한 새로운 나선 흐름 시험 방법은 현재 ASTM 표준 제정 준비 중이며, 이는 실제 공정에서 일어나는 현상들에 대해 규명하고, 플라스틱의 물성 데이터로서 성형품의 다양한 품질 문제를 개선해줄 것으로 기대한다.