플라스틱 가공·제작 공정 완벽 가이드: 압출, 사출, 성형, 발포, 재활용까지

개요

플라스틱 가공 및 제작은 여러 단계를 거칩니다. 일상생활에서 플라스틱 수요가 폭증하면서, 업계는 열가소성 수지를 재활용해 펠릿→필름→식품 용기 등으로 전환하는 순환 체계를 선호합니다. 열가소성 수지는 재가열·재성형이 가능하지만, 열경화성 수지는 한번 경화되면 재가공이 불가능합니다.

컴파운딩(Compounding)

대부분 플라스틱 제작 공정의 첫 단계로, 레시피에 따라 원료를 배합 혼합하는 과정입니다. 수지 펠릿(직경·길이 수 mm), 플레이크, 분말, 점성 액체, 용액, 현탁액 등 다양한 형태로 공급됩니다. 액체 원료는 교반 탱크에서 혼합하지만, 특수 기계가 필요한 경우도 있습니다. 건식 블렌딩은 안료, 안정제, 보강재 등 건식 원료를 예비 혼합하는 과정입니다.

다공성 분말인 폴리염화비닐(PVC)은 리본 블렌더나 텀블러에서 액체 가소제와 혼합해 최대 50% 가소제가 함침된 자유 유동성 분말(드라이 블렌드)을 만듭니다.

성형(Forming)

플라스틱에 다양한 형상을 부여하는 과정으로, 용융 → 성형 → 응고 단계를 거칩니다. 예: 폴리에틸렌 펠릿을 녹는점(T_m) 이상으로 가열해 금형에 넣고 압력을 가한 뒤 T_m 이하로 냉각해 치수 안정성을 확보합니다. 열가소성은 유리전이온도(T_g) 또는 녹는점(T_m) 이하 냉각으로, 열경화성은 가열에 의한 화학적 가교 반응으로 고화됩니다.

압출(Extrusion)

용융 폴리머를 특정 단면 형상의 다이(orifice)를 통해 강제로 밀어내어 일정한 단면의 연속 형상을 만드는 공정입니다. 열가소성은 압출 후 냉각 고화, 열경화성은 압출 후 가열 가교가 일반적입니다. 다이 형상에 따라 필름, 시트, 튜브, 파이프, 단열재, 주택 사이딩 등이 생산됩니다.

열가소성 수지 스크류 압출기 구조

호퍼에서 배럴로 투입된 펠릿이 회전 스크류의 기계적 에너지와 배럴 히터에 의해 점차 용융되어 다이로 강제 토출되며 최종 형상을 갖춥니다.

블로 압출(Blow Extrusion)

비닐봉지 등 얇은 필름 생산에 쓰입니다. 압출된 튜브를 냉각 전 거대한 공기 방울로 팽창시킨 후 붕괴시켜 평평한 필름으로 만듭니다. 다중 다이나 멀티 다이로 다층 필름을 만들 수 있으며, 외층은 강도·내습성, 내층은 산소 투과도 제어(식품 포장 핵심) 역할을 분담합니다. 3층 평판 시트는 칠드 롤 접촉 냉각으로 생산됩니다.

블로 압출에서는 폴리머 분자가 백의 원주 방향과 길이 방향으로 배향되어 이축 배향 구조를 형성, 무배향 소재 대비 우수한 기계적 물성을 발휘합니다.

압축 성형(Compression Molding)

성형 분말(펠릿)을 가열하면서 금형 내에서 압축해 형상을 만듭니다. 열가소성·열경화성 모두 적용 가능하나, 열경화성은 망상 구조 형성이 즉시 시작되므로 신속한 용융과 금형 충진이 필수입니다. 고교차결합 부품은 금형 냉각 없이 탈형 가능합니다. 마이크로파 예열로 반응 온도 근처까지 올린 '비스킷' 프리폼을 쓰면 사이클 타임 단축에 유리합니다.

보강재를 먼저 깔고 수지를 투입하면 열과 압력이 형상 성형과 보강재-수지 결합을 동시에 수행합니다. 평판 금형으로 이종 시트 적층 라미네이트 생산도 가능합니다. 합판은 목재 단판을 요소포름알데히드 등 열경화성 수지로 함침·접착·가열 압축한 대표적 열경화성 라미네이트입니다.

사출 성형(Injection Molding)

압축 성형은 열가소성에 느리고 비효율적이며, 금속 금형을 매 사이클 냉각·재가열해야 합니다. 사출 성형은 이를 해결합니다. 수지 용융·유량 제어는 고온부에서, 성형·냉각은 저온부에서 분리 수행합니다.

왕복 스크류식에서는 호퍼에서 중력으로 펠릿이 스크류에 공급되고, 스크류 회전 기계적 에너지와 보조 히터로 용융됩니다. 스크류가 후퇴하며 계량하고, 충분한 용융량이 모이면 스크류가 전진해 램 역할을 하며 게이트를 통해 냉각 금형으로 용융체를 충진합니다. 고화 후 금형 개방, 이젝터 핀으로 제품 배출, 금형 클램프 후 스크류 후퇴로 다음 사이클 진입합니다.

반응 사출 성형(RIM, Reaction Injection Molding)

네트워크 형성 열경화성 폴리우레탄 성형에 쓰이며, 범퍼·내장 패널 등 자동차 부품에 적용됩니다. 다기능 이소시아네이트와 저분자량 폴리에터/폴리에스테르 프레폴리머(하이드록실, 아민, 아미드 말단기 보유)를 촉매(주석 비누 등) 존재 하에 특수 믹싱 헤드에서 즉각 혼합·금형 주입합니다. 우레탄 기로 급속 가교되며, 저압으로도 금형 충진이 잘 되고 가스 발생 시 체적 팽창으로 유동 저항이 낮아집니다. 대형 부품도 경량·저가 금형으로 생산 가능합니다.

블로 성형(Blow Molding)

열가소성 중공 용기 생산에 쓰입니다. 사출 또는 압출로 파리슨(중공 튜브)을 만들고, 가열 상태에서 일단을 밀봉한 뒤 풍선처럼 불어넣습니다. 분할 금형의 차가운 표면에서 냉각돼 치수 안정화됩니다. 파리슨 형성 시 벽 두께를 프로그래밍해 코너 등 중요 부위 최종 두께를 제어합니다. 직경·길이 양방향 연신(스트레치 블로 성형) 시 이축 배향으로 강도 향상, PET는 결정화도 향상 효과도 있습니다.

캐스팅 및 디핑(Casting and Dipping)

고압이 필요 없는 성형법으로, 안정한 액체 상태라면 단순 주조(캐스팅)로 충분합니다. 미세 저다공성 PVC 입자를 디옥틸프탈레이트(DOP) 등 가소제에 현탁시킨 플라스티솔은 수개월 안정적이나, 180℃ 5분 가열로 균일 겔화돼 실온 냉각 후에도 분리되지 않습니다. 열경화성도 주조 가능하며, 다iallyl 글리콜 카보네이트 단량체와 개시제로 투명 렌즈 제작이 가능합니다. 중공 제품은 회전 몰딩(회전 성형)으로, 분할 금형에 플라스티솔/분말을 넣고 가열 회전시켜 내면에 연속 피막을 형성한 후 냉각 탈형합니다. 공, 인형 등 장난감 생산에 쓰입니다.

열성형 및 냉간 성형(Thermoforming and Cold Molding)

열가소성 시트를 T_g 또는 T_m 이상 가열해 유연 막 상태로 만든 뒤 진공으로 금형 냉각면에 밀착시켜 형상화합니다. 폴리스티렌, PET 컵 생산에 흔히 쓰입니다. 가열 없이 충분한 압력만으로 신형상 성형도 가능(냉간 성형)하며, ABS 공중합체 시트로 마가린 컵, 냉장 식품 용기 등을 만듭니다.

발포(Foaming)

발포 플라스틱(확장 플라스틱)은 고체 폴리머 대비 낮은 열전도도, 동중량 대비 높은 강성, 압축 응력 하에서 에너지 흡수하며 붕괴되는 특성으로 보호 포장재에 유리합니다. 단열재(폴리스티렌, 폴리우레탄, 페놀, 포름알데히드)가 최대 시장이며, 일회용 식음료 용기 등 포장재도 큰 비중을 차지합니다.

열가소성 발포

상온 상압에서 이소펜테인을 폴리스티렌 펠릿에 함침시킨 후 가열하면 이소펜테인 기화와 동시에 펠릿이 융착돼 발포됩니다. 프리폼 발포 후 금형 성형(컵, 강성 포장)하거나, 가압 압출로 연속 발포 시트(포장재, 접시, 계란 판)를 만듭니다. 질소 등 기체를 용융 수지(PS, PP)에 주입·압출하면 구조용 발포체로 밀도는 높으나 강도·강성이 뛰어나 가구·건축용으로 적합합니다. 가열 분해로 가스를 발생시키는 발포제(아조디카르보나마이드 등)를 컴파운딩해 다양한 열가소성 발포도 가능합니다. 아조디카르보나마이드 1몰(116g)은 200℃에서 약 39,000cm³ 기체 발생, 폴리에틸렌 100g당 1g 첨가 시 800cm³ 이상 발포됩니다. PE, PP, PS, 폴리아미드, 가소제 PVC 등에 적용됩니다.

열경화성 발포

이소시아네이트와 하이드록실기 프레폴리머의 급속 반응(폴리우레탄)에 휘발성 액체를 첨가해 발포시킵니다. 하이드록실기 종결 폴리에터로 연질 발포(가구 쿠션), 폴리에스테르로 경질 발포(가전 맞춤 포장)를 만듭니다. 금속 접착성이 좋아 항공기 러더·엘리베이터 등 구조재 충전에도 쓰입니다. 페놀포름알데히드 수지계 경질 발포도 산 촉매와 휘발성 액체로 최종 가교·발포시킵니다.

마무리 공정(Finishing)

접합(Joining)

플라스틱도 금속처럼 용접으로 접합합니다. 전도 가열 또는 유전 가열로 접촉면을 융합합니다. PVC, 폴리에틸렌 탱크·덕트, 블로 압출 폴리올레핀(PE, PP) 튜브 봉지 열밀봉(히트 실링) 등이 대표적입니다. 유전 손실이 큰 PVC는 고주파 고전압 전기장으로 재료 내부에서 열을 발생시켜 용착합니다.

기계 가공(Machining)

강성 열가소성·열경화성 부품은 드릴링, 톱질, 샌딩, 선반 가공 등 통상 공작법으로 가공 가능합니다. 유리섬유 강화 열경화성 수지는 기어, 풀리 등으로 가공되며, 금형 제작이 비경제적일 때 대안입니다. 시트는 다이컷팅으로 다양한 형상 펀칭 가능하며, 진공 성형 컵은 모시트에서 샤프 다이로 펀칭합니다. PS 등 열가소성 스크랩은 재분쇄·재성형 가능합니다.

코팅(Coating)

안료·염료로 전착색 구현이 일반적이나, 표면 코팅으로 보호·장식 기능을 부여하기도 합니다. RIM 범퍼 도장이 대표적입니다. 용제가 기재를 붓게 하지 않는 소재에만 코팅 가능하므로, 라텍스 분산 도료가 유용하나 표면 처리로 접착력 확보가 필요합니다.

섬유 보강(Fibre Reinforcement)

폴리머 매트릭스 복합재는 연속상(매트릭스)이 폴리머이고 보강상이 최소 1개 장축을 갖는 시스템을 말합니다. 이종 적층(샌드위치 라미네이트), 섬유 매트·직물·연속 필라멘트(유리 등) 보강이 주류입니다.

샌드위치 라미네이트(Sandwich Laminates)

합판은 천연 목재 섬유를 요소포름알데히드 등 열경화성 수지로 함침·접착한 샌드위치 구조입니다. 장식 라미네이트는 크라프트지 수층과 인쇄 디자인 표면지를 적층·가열 압착해 만듭니다.

유리섬유(Fiberglass)

탄소, 붕소, 금속, 아라미드 등 다양한 보강 섬유가 있으나 유리섬유가 가장 일반적입니다. 랜덤 배향 마이크로필라멘트 매트, 직물, 연속/불연속 필라멘트 형태로 공급됩니다.

플라스틱 재활용 및 자원 회수

폐기·재활용은 필수 단계입니다. 종이, 유리, 알루미늄처럼 플라스틱도 재사용과 부가가치 창출을 위해 재활용이 보편화되었습니다.

기술·경제적 과제

1. 식별, 분리(선별), 집하 체계 구축
2. 가치 회수의 경제성 확보

식별·분리·집하

주요 상품 플라스틱 병, 식품 트레이, 컵, 접시 등은 삼각형 내 식별 번호와 약어 표시가 의무화되어 있습니다. 빈 음료 용기 보증금 제도(구매 시 예치, 반환 시 환급)는 소비자 자발적 선별과 매장의 집하를 유도해 경제적 재활용의 두 난제를 해결합니다. 이 제도로 도로변 플라스틱 쓰레기가 급감했고, PET·HDPE 병 재활용률이 10% 이상으로 상승했습니다. 반면 가전, 건설, 가구 등 장기 용도 플라스틱은 회수 난이도가 높습니다.

가치 회수의 경제성

열가소성이 열경화성보다 재활용 용이하나 제약도 있습니다. 이종 폴리머 혼입, 동일 폴리머 내 분자량 차이(예: 시트용 고분자량 PS vs 사출용 저분자량 PS) 혼합 시 원용도 부적합해집니다. 안료·염료 색상 혼합, 사용·초기 가공에 의한 물성 변화(가교·절단에 의한 분자량 변화, 산화 등)도 품질 관리 난제로 작용합니다.

결론

플라스틱 가공·제작의 핵심 공정인 컴파운딩, 성형, 압출, 각종 성형(사출, 반응사출, 블로, 캐스팅), 발포, 마무리(접합, 가공, 코팅, 보강), 재활용까지 전 공정을 체계적으로 정리했습니다. 각 공정의 원리와 특성을 이해하면 소재 선정, 공정 설계, 품질 관리, 지속가능한 생산 체계 구축에 실질적 도움이 될 것입니다.