3. PET 보틀의 성형공정(Molding Process)

PET 보틀은 사출성형(射出成形, Injection Molding)으로 제조한 시험관 모양의 프리폼(Preform)에 압축공기를 주입하여 블로우(Blow) 성형함으로써 완성된다(아래 〈그림 5-1〉 참조). 블로우 성형 시 프리폼의 온도를 설정하는 방식에 따라 성형법은 크게 두 가지로 구분된다.

[그림 3] 도5-1 PET 보틀의 성형공정 — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.589). 가열 → 금형 이동 → 축방향 연신 → 블로우·냉각(횡연신) → 취출(取出し) 순으로 진행됨

3-1. 핫 패리슨법(Hot Parison Method, 1단계법)

첫 번째 방식은 사출성형된 프리폼을 완전히 냉각시키지 않고 그 잔류열(余熱)을 활용하여 온도를 조정한 후 곧바로 블로우 성형하는 핫 패리슨법(Hot Parison Method)이다. 이 방식은 프리폼 성형과 블로우 성형이 연동되어 진행되므로 1스테이지(1-Stage)법이라고도 불린다(아래 〈그림 5-2〉 참조). 이 방식은 사출성형과 블로우성형이 일체화된 컴팩트(Compact)한 장치 구성을 가지며, 사출성형의 사이클(Cycle)이 전체 생산속도를 지배하는 구조이기 때문에 중소형 로트(Lot) 생산에 적합하다.

[그림 4] 도5-2 핫 패리슨법(닛세이 ASB社 성형기 개략도) — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.589). 가열 포지션 → 사출 포지션 → 연신블로우 포지션 → 제품취출 포지션의 4스테이션 회전 구조

3-2. 콜드 패리슨법(Cold Parison Method, 2단계법)

두 번째 방식은 사출성형된 프리폼을 일단 냉각시킨 후, 별도의 공정에서 다시 가열하여 블로우 성형하는 콜드 패리슨법(Cold Parison Method)이다. 이 방식은 프리폼 성형과 블로우 성형이 공정상 완전히 분리되어 있어 2스테이지(2-Stage)법이라고도 불린다(아래 〈그림 5-3〉 참조). 콜드 패리슨법은 블로우 성형기를 최대로 가동시킬 수 있는 구조이기 때문에 대(大)로트 생산에 적합하다.

[그림 5] 도5-3 콜드 패리슨법(코포플라스트社 성형라인 평면도 예) — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.590). ① 프리폼 공급 ② 공급 스테이션 ③ 컨트롤 패널 ④ 가열 휠 ⑤ 취출 휠 ⑥ 연신블로우 휠 ⑦ 스위치 캐비닛 ⑧ 공기압 패널 ⑨ 컨베이어 포켓

3-3. 프리폼 사출 공정

프리폼 내부에 사출 시의 수지 유동 변형(流動歪, Flow-Induced Strain)이 잔류하게 되면, 블로우 시 재가열 과정에서 프리폼이 휘어지는(曲がり) 현상이 발생하고, 이는 곧 보틀의 편육(偏肉, Uneven Wall Thickness) 불량으로 이어지므로, 적절한 사출 조건의 선정이 매우 중요하다.

3-4. 프리폼의 두께와 투명성

프리폼을 투명하게 만들기 위해서는 사출 금형 내에서 용융 수지를 급속히 냉각해야 하는데, 프리폼이 두꺼워질수록 냉각 속도가 저하되어 백화(白化) 현상이 발생하기 쉬워진다. 따라서 프리폼의 두께(肉厚)에는 일정한 한계가 존재한다. 다만 결정화 속도가 느린 고(高) I.V. 수지나 공중합 PET를 사용하면 두꺼운 프리폼도 투명하게 성형하는 것이 가능해진다(아래 〈그림 5-4〉 참조).

[그림 6] 도5-4 프리폼 두께와 투명성의 관계 — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.590). 가로축: 프리폼 두께(mm), 세로축: 헤이즈(Haze, %). 저(低)I.V. PET가 고(高)I.V. PET보다 더 얇은 두께에서 불투명 영역에 도달함

3-5. 프리폼 가열 공정

핫 패리슨법에서는 사출성형 시의 잔류열(余熱)을 그대로 활용하기 때문에, 프리폼 재가열 후 온도 분포의 정밀도가 콜드 패리슨법에 비해 다소 떨어질 가능성이 있다.

콜드 패리슨법에서는 일반적으로 프리폼 가열에 근적외선 히터(近赤外線 Heater)가 사용되며, 프리폼의 높이 방향으로 수 개에서 십수 개의 히터가 배치된다. 히터에 투입되는 시점의 프리폼 온도가 일정하게 유지되면 보틀의 육후 분포(肉厚分布)는 비교적 안정적으로 형성된다. 그러나 성형 속도를 높이기 위해 급속하게 가열할 경우, 프리폼의 외면(外面)만 온도가 상승하여 외면이 결정화에 의해 백화되는 현상이 나타날 수 있다. 반대로 내면(内面)이 충분히 온도 상승하지 않은 상태에서 블로우를 진행하면 미세기포(마이크로보이드, Micro-void)가 발생하여 은색(銀色) 외관을 띠게 된다.

이러한 결함이 있는 보틀은 외관상의 문제뿐 아니라 강도 등의 물성도 함께 저하된다. 따라서 충분한 가열 시간을 확보하여 온화(穏やか)하게 가열하는 것이 바람직하다.

3-6. 연신블로우 공정(Stretch Blow Molding)

블로우 압력(블로우圧)은 20~40kg/cm² 수준으로, 일반적인 다이렉트 블로우(Direct Blow)보다 높은 압력이 적용되는데, 이는 연신블로우(延伸ブロー)에 의해 형상을 부여하기 때문이다. 편육을 방지하기 위하여, 연신로드(延伸ロッド, Stretch Rod)로 프리폼을 축방향으로 연신하면서 동시에 블로우를 진행한다.

블로우 압력 및 연신로드의 이동 속도는 보틀의 육후 분포 및 물성에 영향을 미치며, 이와 함께 수지의 I.V., 프리폼의 연신배율(延伸倍率) 및 연신온도(延伸温度)의 영향도 매우 크다. 예를 들어 탄산음료용 내압 보틀의 경우, 내용물 충전 후의 내(耐)크리프성(Creep Resistance)이 매우 중요한데, 연신배율과 연신온도가 이 내크리프성을 크게 좌우한다(아래 〈그림 5-5〉, 〈그림 5-6〉 참조).

[그림 7] 도5-5 PET 보틀의 블로우 온도와 강도(연신배율=7.3 조건) — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.591). 가로축: 블로우 온도(℃), 세로축: 입구라인 하강량(mm). 1시간 후 vs 1주일 후(크리프) 비교

위 그림에서 알 수 있듯, 연신배율 7.3 조건에서 블로우 온도가 105℃에서 115℃로 상승함에 따라, 1시간 후 및 1주일 후(크리프 발생 후)의 입구라인 하강량(入れ目線降下量, 보틀이 변형되어 충전선이 낮아지는 정도를 나타내는 지표)이 함께 증가하는 경향을 보였다. 즉, 블로우 온도가 높아질수록 내크리프성이 다소 저하되는 트레이드오프(Trade-off) 관계가 확인된다.

[그림 8] 도5-6 PET 보틀의 연신배율과 강도(블로우 온도 약 105℃ 조건) — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.592). 가로축: 연신배율, 세로축: 입구라인 하강량(mm)

반면 〈그림 5-6〉에서는 블로우 온도를 약 105℃로 고정한 상태에서 연신배율을 6.0에서 8.0까지 높일 경우, 입구라인 하강량이 오히려 감소하는 경향이 나타난다. 즉 연신배율을 높이는 것은 내크리프성 향상에 유리하게 작용하며, 이는 배향결정화가 더욱 충분히 진행되었기 때문으로 해석된다. 따라서 실제 보틀 설계 시에는 블로우 온도와 연신배율 두 변수의 균형점을 찾는 것이 내압·내크리프 성능 확보의 핵심이 된다.

3-7. 히트세트 공정(Heat-Set Process)

히트세트(Heat-Set) 공정은 내열성(耐熱性) 보틀을 성형할 때 적용되는 공정이다. 히트세트를 실시하지 않는 경우 보틀 몸통(胴部)의 결정화도(結晶化度)는 약 30% 수준에 머무르나, 블로우 금형(金型)을 고온으로 유지하면서 히트세트를 실시하면 결정화도를 35~40% 수준까지 끌어올릴 수 있다(아래 〈표 5-3〉 참조).

[그림 9] 표5-3 PET 시트(히트세트)의 수축률 — 원문 (출처: 最新・ソフトドリンクス, p.592)

히트세트 온도(℃)	결정화도(%)	오븐온도 85℃ 수축률	오븐온도 100℃ 수축률	오븐온도 120℃ 수축률
110	26.3	0.9%	6%	13%
130	32.5	OK	0.9%	6%
150	36.5	OK	OK	2.3%
180	42.8	OK	OK	OK
200	45.5	OK	OK	OK
230	53.0	OK	OK	OK

(주) OK = 수축률 0.5% 이하. 시트 조건: 연신배율 3.0×3.0, 가열시간 1시간