고분자 물질은 다양한 방법으로 성형품으로 가공된다. 이러한 가공 성형품은 생활의 각 부분에 사용되며 가공품의 형태는 각종 용기, 톱니 및 생활용품 등 수없이 많으며 기계, 전기, 전자, 자동차 부품 등 거의 전 산업분야에 사용된다. 성형가공방법은 매우 다양하며 가장 대표적이고 생산성이 높은 방법은 사출성형법 및 압출법이라고 할 수 있다. 성형의 생산성을 높이기 위해서는 대단히 복잡하고 가격이 높은 생산설비를 필요로 하는 경우가 있다. 따라서 대부분의 실험실적 가공을 위해서는 casting 및 압축성형 등 많은 투자를 필요로 하지 않는 성형법을 적용하게 된다.
성형가공 대표적인 네 가지 방법들
(1) Casting
casting은 액상의 단량체 또는 prepolymer를 금형에 주입하여, 금형 내부에서 중합 경화시컴으로써 성형품을 제조하는 방법이다. Casting 공정은 생산성이 낮으나 복잡한 형상을 쉽게 성형할 수 있으며 금형 외에는 투자가 적다는 장점이 있다. 가장 간단한 casting 성형의 예는 PMMA 판 가공이며 polystyrene 수지의 성형 및 epoxy 수지 등의 열경화성 수지의 성형에 이러한 방식이 적용된다.
(2) 적층법
적층이란 두 가지 이상의 종류가 다른 필름을 붙이거나 또는 고분자 필름을 종이 또는 알루미늄 foil 등의 표면에 입히는 가공방법이다. 이러한 가공을 하는 이유는 두 가지 다른 물질의 장점을 동시에 갖는 제품을 생산하기 위해서이다. 예를 들어 cellophane 필름 위에 polyethylene 필름을 적층 시킬 경우 cellophane의 우수한 강도와 인쇄성 및 polyethylene의 우수한 열 접착성 및 가스 차단성을 갖는 필름을 제조할 수 있다. 적층을 위해서는 각 물질 사이를 접착제로 처리하기도 한다. 현재 적층 필름의 수요가 계속 증가하고 있는 추세이며 그 제조를 위해서는 2개 이상의 압출기를 사용하는 동시 압출 기법이 많이 사용되고 있다.
(3) 압축성형
압축성형은 고분자의 pellet 또는 분말을 첨가제와 혼합한 경우 상하가 분리된 금형의 하부에 채우고 그 위에 상부 금형을 결합하여 성형품을 생산하는 방법이다. 금형으로부터 과잉의 고분자와 공기를 제거하고 가열 압축하여 성형품을 제조한 후 금형을 열고 성형품을 빼어낸다. 이 경우 압축을 위하여 가하는 압력은 약 150 기압 정도이다. 압축성형은 보통 phenol 수지, 요소 수지, melamine 수지, alkyl 수지 등 열경화성 수지의 성형에 활용된다. 압축 성형법의 단점은 가교를 위해 장시간이 소요되므로 생산성이 떨어지는 것이다.
(4) 사출성형
사출성형은 생산속도가 빠르고 가장 보편화된 성형방법이다. 사출성형법은 열가소성 수지뿐만 아니라 열경화성 수지의 가공에도 적용할 수 있다. 사출성형공정은 사출기를 이용하는데 분말상 또는 pellet상의 수지를 주입구를 통하여 사출기로 주입하고 주입된 수지는 사출기의 barrel 내에서 가열 용융된다. 고분자 용융물은 plunger나 screw를 이용하여 금형 내로 높은 압력으로 주입된다. 금형에 주입된 고분자 용융물이 냉각 또는 가교에 의하여 고화되면 금형이 열리고 성형품이 빠져나오게 된다. 이러한 공정은 계속 반복되면 반복 주기는 수십 초 정도이다.
공정 중 원료 투입 및 제품 수지는 자동화가 가능하므로 사출 공정의 자동화율이 매우 높은 편이다. 사출성형이 가능한 성형품의 크기는 매우 다양하여 아주 작은 것에서부터 아주 큰 것까지이다. 생산제품의 형태의 다양성과 적용되는 고분자 물질의 다양성으로 인하여 사출성형법의 적용범위는 매우 광범위하다. 사출제품의 적용범위는 기게 부품 및 전자부품 등으로 점차 확대하고 있다.
사출성형에는 특히 성능이 우수한 금형이 필수적인데, 이는 높은 생산성을 위해서는 반복 시간이 짧고 보수할 필요가 없으며 냉각효율이 높은 금형이 필요하기 때문이다. 또한 금형의 디자인에 따라 최종 제품의 품질이 크게 영향받는다. 현재의 사출성형은 금형의 가공 정밀도 및 표면처리기술의 개선으로 인하여 광학렌즈 등의 사출성형도 가능한 수준이다.
금형의 설계 및 제조는 매우 어려운 기술이며 수지의 점도, 열 수축률, 냉각속도, 금형 재질 등의 많은 변수를 고려하여야 한다. 따라서 금형의 설계 및 제조에는 고도의 기술과 많은 투자가 필요하게 되며, 최근에는 컴퓨터를 이용하여 설계 및 제작되고 있다.