압출성형이란? 비닐·필름·파이프를 만드는 방법

플라스틱 제품은 모양에 따라 제조 방법도 달라집니다. 수납함이나 전자제품 케이스처럼 일정한 형태의 제품은 사출성형으로 만드는 경우가 많지만, 비닐과 필름, 파이프처럼 길게 이어지는 제품에는 압출성형이 널리 사용됩니다.

압출성형은 플라스틱 원료를 가열해 녹인 뒤 일정한 모양의 다이를 통과시켜 연속적으로 제품을 만드는 가공 방법입니다. 영어로는 Extrusion 또는 Extrusion Molding이라고 합니다.

사출성형이 금형 내부에 용융 수지를 채우고 하나의 제품을 꺼내는 과정을 반복한다면 압출성형은 수지를 계속 공급하면서 제품을 끊임없이 뽑아낸다는 점에서 차이가 있습니다.

비닐봉투의 원료가 되는 필름부터 수도관, 전선 피복, 창호 프로파일, 플라스틱 시트까지 압출성형의 적용 범위는 상당히 넓습니다. 같은 압출 공정을 사용하더라도 다이의 구조와 냉각 방식, 후속 공정에 따라 전혀 다른 제품을 만들 수 있습니다.

압출성형은 플라스틱을 연속해서 뽑아내는 공정입니다

압출성형의 기본 원리는 비교적 단순합니다.

펠릿 형태의 플라스틱 원료를 압출기에 넣고 가열하여 용융시킵니다. 녹은 수지는 회전하는 스크루에 의해 앞으로 이동하며 압력을 받습니다.

압출기 끝에는 다이라고 부르는 장치가 있습니다.

용융된 플라스틱이 다이의 일정한 틈을 통과하면 그 단면 형태에 맞는 모양으로 나오게 됩니다. 이후 냉각과 인취 과정을 거쳐 형태를 안정시키고 필요한 길이로 자르거나 롤 형태로 감습니다.

파이프를 만들고 싶다면 가운데가 비어 있는 원형 단면을 형성하는 다이를 사용하고, 평평한 시트를 만들려면 넓고 얇은 형태의 다이를 사용합니다.

제품의 기본적인 형태를 결정하는 것이 다이인 셈입니다.

압출기의 내부에서는 어떤 일이 일어날까

압출기의 기본 구조는 호퍼, 배럴, 스크루, 히터, 다이 등으로 이루어집니다.

먼저 펠릿을 호퍼에 넣으면 중력에 의해 배럴 내부로 공급됩니다.

배럴 안에서는 스크루가 계속 회전합니다. 스크루는 원료를 앞으로 운반하는 동시에 압축하고 혼합하는 역할을 합니다.

플라스틱이 녹는 데 필요한 열이 전부 외부 히터에서 공급되는 것은 아닙니다.

배럴의 히터가 원료의 온도를 높이지만 스크루가 회전하면서 발생하는 마찰과 전단에 의해서도 상당한 열이 발생합니다. 실제 압출에서는 히터와 전단열을 함께 이용해 적절한 용융 상태를 유지합니다.

수지가 충분히 녹으면 고체 펠릿이었던 원료는 점성이 높은 용융체로 바뀌어 다이 방향으로 이동합니다.

스크루의 모양이 구간마다 다른 이유

압출기의 스크루를 보면 전체 형상이 완전히 동일하지 않은 경우가 많습니다.

일반적인 단축 압출기에서는 기능에 따라 공급부, 압축부, 계량부 등으로 구분할 수 있습니다.

공급부에서는 고체 펠릿을 안정적으로 앞으로 이동시킵니다.

그다음 구간에서는 플라스틱이 가열되면서 녹기 시작합니다. 고체와 용융된 수지가 함께 존재하는 상태를 거치며 점차 균일한 용융체로 바뀝니다.

계량부에서는 충분히 용융된 수지를 보다 일정한 상태로 만들어 다이 쪽으로 공급합니다.

이 과정에서 온도와 압력, 혼합 상태가 일정하지 않으면 최종 제품의 두께나 표면 품질도 불균일해질 수 있습니다.

따라서 압출성형에서 스크루는 단순히 플라스틱을 앞으로 미는 나선형 막대가 아닙니다. 원료의 이송과 용융, 혼합, 압력 형성에 관여하는 핵심 부품입니다.

다이를 통과하면 왜 일정한 모양이 만들어질까

압출성형에서 제품의 단면 형태를 결정하는 핵심 부품이 다이입니다.

용융된 플라스틱은 압출기 내부에서 압력을 받은 상태로 다이에 도달합니다. 그리고 다이에 만들어진 통로를 따라 밖으로 나오면서 원하는 단면을 형성합니다.

하지만 다이의 출구 모양을 그대로 제품 치수라고 생각하면 정확하지 않습니다.

용융 고분자는 다이를 빠져나온 뒤에도 변형될 수 있기 때문입니다.

압력을 받고 있던 고분자 사슬이 다이 밖으로 나오면서 일부 변형을 회복해 압출물이 예상보다 팽창하는 현상이 나타날 수 있습니다. 이를 다이 스웰 또는 압출 팽윤이라고 합니다.

반대로 제품을 일정한 속도로 잡아당기면 두께와 폭이 줄어들 수도 있습니다.

따라서 실제 다이 설계에서는 수지의 점탄성과 압출속도, 인취속도, 냉각 조건까지 고려해 최종 제품의 크기를 맞춥니다.

비닐과 필름은 어떻게 그렇게 얇게 만들까

플라스틱 필름을 만드는 대표적인 방법으로 블로운 필름 압출과 캐스트 필름 압출이 있습니다.

비닐봉투 등에 많이 사용되는 필름은 블로운 필름 방식으로 생산할 수 있습니다.

용융된 플라스틱을 원형 다이에서 튜브 형태로 압출한 뒤 내부에 공기를 불어넣습니다. 뜨거운 플라스틱 튜브가 풍선처럼 팽창하면서 얇은 막으로 늘어납니다.

이를 흔히 버블이라고 부릅니다.

버블을 공기로 냉각한 뒤 위쪽의 롤러로 끌어올려 납작하게 만들고 롤 형태로 감으면 연속적인 필름이 만들어집니다.

이 방식에서는 공기를 얼마나 넣어 팽창시키는지, 압출속도와 인취속도를 어떻게 설정하는지에 따라 필름의 폭과 두께가 달라집니다.

우리가 사용하는 얇은 비닐이 처음부터 납작한 형태로 나오는 것이 아니라 원통 형태로 부풀려진 뒤 접히는 방식으로 생산될 수 있다는 점이 특징입니다.

캐스트 필름은 블로운 필름과 무엇이 다를까

캐스트 필름은 용융 수지를 넓고 얇은 슬릿 형태의 다이에서 압출한 뒤 냉각 롤에 접촉시켜 빠르게 식히는 방식입니다.

블로운 필름처럼 공기를 넣어 크게 부풀리는 과정이 없습니다.

뜨거운 필름이 차가운 롤 표면과 접촉하면서 빠르게 냉각되므로 두께를 정밀하게 관리하기에 유리하고 높은 투명성이 필요한 필름 생산에도 활용됩니다.

두 방식은 같은 필름을 생산하더라도 제품 특성이 완전히 같지는 않습니다.

냉각 속도와 고분자 배향 상태가 달라지기 때문에 기계적 성질과 광학 특성에도 차이가 생길 수 있습니다.

따라서 어떤 방식이 무조건 우수하다고 보기보다 필요한 필름의 물성과 생산성에 따라 공정을 선택합니다.

플라스틱 파이프는 가운데 구멍을 어떻게 만들까

파이프 역시 압출성형의 대표적인 제품입니다.

파이프용 다이는 용융 수지가 가운데 부분을 피해 원형으로 흐르도록 설계됩니다. 다이를 빠져나오면 가운데가 빈 원통 형태의 플라스틱이 연속해서 만들어집니다.

하지만 뜨거운 상태의 파이프는 아직 형태가 안정적이지 않습니다.

그대로 냉각하면 원하는 직경을 정확하게 유지하기 어려울 수 있습니다. 그래서 다이에서 나온 직후 사이징 장치 등을 이용하여 외경과 형태를 조절하고 냉각수조를 통과시키면서 굳힙니다.

냉각이 끝난 파이프는 인취 장치에 의해 일정한 속도로 이동합니다.

마지막으로 필요한 길이로 절단하거나 재질과 크기에 따라 롤 형태로 감을 수 있습니다.

PE, PP, PVC 등 여러 플라스틱이 파이프 생산에 사용되며 수도와 배수, 가스, 전선 보호 등 용도에 따라 재료와 구조가 달라집니다.

전선의 플라스틱 피복도 압출해서 만듭니다

전선 바깥을 감싸고 있는 플라스틱 피복 역시 압출 공정을 이용해 만들 수 있습니다.

이 경우에는 플라스틱만 단독으로 압출하는 것이 아니라 금속 도체가 압출기의 다이 중심을 연속해서 지나갑니다.

용융된 플라스틱이 도체 주변을 감싸면서 밖으로 나오고 냉각 과정을 거치면 일정한 두께의 피복이 형성됩니다.

이러한 방식을 이용하면 매우 긴 전선에도 연속적으로 절연층을 만들 수 있습니다.

PVC, PE와 여러 종류의 절연용 고분자 재료가 사용되며 전기적 특성과 난연성, 사용온도, 유연성 등에 따라 소재를 선택합니다.

압출 제품은 왜 길이가 사실상 제한되지 않을까

사출성형에서는 금형의 크기가 제품 크기를 결정합니다.

금형 안에 하나의 제품이 만들어지고 냉각된 뒤 금형이 열리면서 제품을 꺼냅니다. 따라서 기본적으로 하나의 사이클마다 일정한 크기의 제품이 생산됩니다.

압출성형에는 이러한 과정이 없습니다.

원료가 계속 공급되고 압출기가 계속 작동하는 동안 제품도 연속해서 나옵니다.

파이프나 프로파일처럼 단단한 제품은 필요한 길이에서 절단하고 필름이나 얇은 시트는 롤에 감아 보관할 수 있습니다.

그래서 압출 제품의 길이는 금형 크기보다는 생산과 운반, 후가공 조건에 의해 결정되는 경우가 많습니다.

압출과 사출성형은 무엇이 가장 다를까

두 공정 모두 플라스틱을 가열해 용융시킨다는 점에서는 비슷합니다.

그러나 제품을 만드는 방식은 다릅니다.

사출성형은 용융 수지를 닫힌 금형의 캐비티 안에 높은 압력으로 채웁니다. 냉각한 뒤 금형을 열고 완성품을 꺼냅니다.

이 때문에 수납함이나 장난감 부품, 전자제품 케이스처럼 입체적이고 복잡한 형상을 만들기에 적합합니다.

압출성형은 다이를 통과한 플라스틱이 계속 앞으로 나오면서 제품이 만들어집니다.

따라서 길이 방향으로 단면이 일정하게 이어지는 파이프와 튜브, 프로파일 등에 특히 적합합니다. 필름과 시트처럼 연속 생산이 필요한 제품에도 사용됩니다.

제품을 하나씩 찍어내느냐, 연속적으로 뽑아내느냐가 가장 쉽게 구분할 수 있는 차이입니다.

압출 제품의 두께는 무엇으로 결정될까

다이의 간격이 중요한 요소이지만 그것만으로 최종 두께가 결정되지는 않습니다.

다이에서 나온 뒤 제품을 끌어당기는 인취속도도 영향을 줍니다.

일반적으로 다른 조건이 같다면 제품을 더 빠르게 당길수록 단면이나 두께가 감소할 수 있습니다. 반대로 압출기에서 나오는 수지량이 증가하면 두께가 증가하는 방향으로 영향을 줄 수 있습니다.

필름 생산에서는 이러한 관계가 더욱 중요합니다.

블로운 필름에서는 공기에 의한 팽창비까지 함께 작용합니다.

결국 압출량과 다이 구조, 인취속도, 팽창비와 냉각 조건을 함께 조절하여 목표 두께를 맞춥니다.

표면이 거칠어지는 이유는 무엇일까

압출속도를 계속 높이면 생산량을 늘릴 수 있을 것 같지만 실제로는 한계가 있습니다.

특정 조건에서는 다이를 빠져나온 압출물 표면이 매끄럽지 않고 거칠어질 수 있습니다. 고분자 용융체의 유동이 불안정해지면서 나타나는 현상 가운데 하나입니다.

흔히 샤크스킨이라고 불리는 표면 불량도 이러한 압출 유동과 관련되어 있습니다.

더 심한 조건에서는 압출물의 형태가 불규칙하게 변하는 용융 파괴가 나타날 수도 있습니다.

재료의 점도와 압출속도, 다이의 구조, 온도 등이 영향을 줄 수 있으므로 생산량만을 목적으로 스크루 회전속도를 무조건 높일 수는 없습니다.

최종 제품의 표면 품질을 유지할 수 있는 안정적인 공정 범위를 찾아야 합니다.

압출할 때 온도가 너무 낮거나 높으면 어떻게 될까

용융온도가 지나치게 낮으면 플라스틱의 점도가 높아져 다이를 통과하기 어려워집니다.

스크루와 모터에 걸리는 부하가 증가할 수 있고 혼합과 표면 상태에도 영향을 줄 수 있습니다.

반대로 온도가 지나치게 높으면 점도가 과도하게 낮아지고 형태를 안정적으로 유지하기 어려워질 수 있습니다.

열에 민감한 재료에서는 분해도 문제가 됩니다.

PVC처럼 가공 중 열안정성 관리가 중요한 재료는 과도한 온도나 긴 체류시간에 의해 열화될 수 있습니다.

따라서 압출온도는 단순히 플라스틱을 충분히 녹일 수 있는 온도가 아니라 안정적으로 흐르면서도 재료의 열화를 최소화할 수 있는 범위로 설정해야 합니다.

필름을 여러 재질로 겹쳐 만드는 이유

식품 포장재를 보면 단일 플라스틱처럼 보이지만 실제로는 여러 종류의 고분자가 층을 이루고 있는 경우가 있습니다.

이러한 구조는 공압출을 이용해 만들 수 있습니다.

공압출은 두 대 이상의 압출기에서 서로 다른 수지를 녹인 뒤 하나의 다이에서 여러 층으로 합쳐 동시에 압출하는 방법입니다.

한 재료는 수분을 막는 성능이 좋고 다른 재료는 산소 차단성이 우수할 수 있습니다. 또 다른 층은 열접착성이나 기계적 강도를 담당할 수 있습니다.

각 재료의 장점을 결합하여 하나의 포장재를 만드는 것입니다.

다만 서로 잘 붙지 않는 재료를 조합하면 층이 분리될 수 있기 때문에 접착 역할을 하는 타이 레이어를 추가하기도 합니다.

다층 포장재의 재활용이 단일 소재 제품보다 어려운 이유 역시 이러한 복합구조와 관련되어 있습니다.

압출 과정에서도 플라스틱의 분자 구조가 영향을 받을까

압출 과정에서 고분자는 높은 온도와 전단력을 동시에 받습니다.

따라서 가공 조건이 지나치면 분자 구조에 변화가 생길 수 있습니다.

열과 산소에 장시간 노출되면 산화 열화가 진행될 수 있으며 과도한 전단과 온도는 일부 재료의 분자량 감소로 이어질 수 있습니다.

재생 플라스틱을 여러 번 용융 가공할 때 물성이 점차 달라질 수 있는 이유 가운데 하나입니다.

반대로 압출 과정의 전단을 이용해 첨가제나 안료, 충전재를 수지에 혼합하기도 합니다.

특히 혼합 성능이 우수한 이축 압출기는 플라스틱 컴파운딩에 널리 사용됩니다.

단축 압출기와 이축 압출기는 무엇이 다를까

단축 압출기에는 하나의 스크루가 들어 있고 이축 압출기에는 두 개의 스크루가 사용됩니다.

일반적인 제품의 연속 압출에는 단축 압출기가 널리 사용됩니다.

이축 압출기는 혼합과 분산 능력이 중요한 공정에서 많이 활용됩니다.

기본 수지에 유리섬유나 무기 충전재, 안료, 난연제, 안정제 등을 균일하게 섞어 새로운 플라스틱 컴파운드를 만드는 것이 대표적입니다.

이렇게 만들어진 재료를 다시 펠릿으로 만든 뒤 사출성형이나 다른 압출 공정의 원료로 사용할 수 있습니다.

따라서 압출성형은 완제품을 만드는 방법이면서 다른 플라스틱 제품에 사용할 원료를 제조하는 과정이기도 합니다.

압출 후 바로 제품이 완성되는 것은 아닙니다

다이를 통과한 직후의 플라스틱은 아직 높은 온도에 있고 형태도 완전히 안정되지 않은 상태입니다.

그래서 제품에 맞는 후속 공정이 필요합니다.

파이프는 사이징과 수냉을 거치고 필름은 공기나 냉각 롤을 이용해 식힙니다. 프로파일은 원하는 형상을 유지하면서 냉각한 뒤 일정한 길이로 절단합니다.

시트는 롤을 통과하면서 두께와 표면 상태를 조절할 수 있습니다.

냉각이 지나치게 불균일하면 제품이 휘거나 내부에 잔류응력이 생길 수 있습니다.

결국 압출성형의 품질은 다이를 빠져나오는 순간이 아니라 냉각과 인취까지 포함한 전체 공정에서 결정됩니다.

같은 PE라도 필름과 파이프용 원료가 다른 이유

제품에 PE라고 표시되어 있다고 해서 모두 동일한 원료를 사용하는 것은 아닙니다.

같은 종류의 고분자라도 분자량과 분자량 분포, 분지 구조 등이 달라지면 용융 상태의 흐름과 최종 물성이 달라집니다.

얇은 필름을 안정적으로 생산하기 위해 필요한 특성과 높은 내부 압력을 견뎌야 하는 파이프에 필요한 특성은 같지 않습니다.

제조사는 용도에 맞게 서로 다른 등급의 수지를 생산합니다.

따라서 단순히 PE, PP, PVC 같은 재질명만으로 압출 가공성이나 최종 제품 성능을 판단하기는 어렵습니다.

같은 소재 계열에서도 어떤 가공법과 제품을 목적으로 설계된 등급인지 확인해야 합니다.

압출성형이 대량생산에 유리한 이유

압출성형은 공정이 안정화되면 원료를 지속적으로 공급하면서 제품을 연속 생산할 수 있습니다.

매번 금형을 열고 제품을 꺼낸 뒤 다시 닫는 과정이 필요하지 않습니다.

이러한 특성 때문에 필름과 시트, 파이프처럼 길이가 긴 제품을 대량으로 생산하기에 효율적입니다.

다이와 압출 설비에 초기 투자가 필요하지만 장기간 동일한 규격을 생산한다면 높은 생산성을 확보할 수 있습니다.

다만 연속 공정이라는 점은 단점으로 작용하기도 합니다.

압출 조건이 조금만 흔들려도 상당한 길이의 제품에서 두께나 폭이 연속적으로 기준을 벗어날 수 있습니다. 원료 공급량과 압력, 온도, 스크루 회전속도, 인취속도를 일정하게 관리해야 하는 이유입니다.

비닐과 파이프가 같은 방식으로 만들어진다는 말의 의미

완성된 제품만 보면 얇은 비닐과 두꺼운 플라스틱 파이프는 전혀 다른 물건처럼 보입니다.

그러나 제조 원리의 중심에는 동일한 압출 과정이 있습니다.

펠릿을 공급하고 가열해 용융시킨 뒤 스크루로 압력을 가해 다이를 통과시킵니다. 이후 원하는 형태를 유지하면서 냉각하고 필요한 후가공을 거칩니다.

달라지는 것은 다이의 구조와 냉각 방식, 인취 방법, 사용되는 수지와 공정 조건입니다.

필름에서는 극도로 얇고 균일한 두께를 만드는 것이 중요하고 파이프에서는 외경과 벽 두께, 원형도를 안정적으로 유지해야 합니다. 전선 피복에서는 도체를 일정한 두께로 감싸는 것이 핵심입니다.

압출성형은 단순히 녹은 플라스틱을 틈 사이로 밀어내는 공정이 아닙니다. 고분자의 점성과 탄성, 압력, 온도, 냉각과 인취속도를 동시에 제어하면서 일정한 단면의 제품을 연속적으로 만들어내는 가공 기술입니다.

생활에서 쉽게 접하는 비닐봉투 한 장부터 건물 내부에 설치되는 플라스틱 배관까지 서로 다른 제품이 같은 기본 원리를 이용해 생산될 수 있는 이유도 여기에 있습니다.