고분자 물질의 가장 특이한 점 중 하나는 필름을 형성할 수 있다는 것이다. 필름 가공방법은 주로 용액 casting법과 용융 가공의 형태로 나누어질 수 있다. 그 외의 가능한 방법으로는 소결(sintering) 등이 있다. 실험적으로는 casting이 매우 유용한 방법이며, 용융 가공은 설비에 대한 많은 투자가 필요하므로 상업생산에 주로 이용되고 있다.
(1) 용액 Casting법
고분자 물질을 용매에 용해시키면 점성이 높은 용액을 얻을 수 있다. 이 용액을 접착성이 없는 평활한 표면에 전개시킨 후 용매를 날려 보내면 필름을 얻을 수 있다. Casting 법은 매우 간단하여 실험적으로도 사용되고 있다. 사용되는 용매는 용해력이 매우 높은 이상 용매이어야 하며, 비점이 너무 낮아도 안된다. 약 60~100도 정도의 비점을 갖는 용매가 적당하다. 사용 용매의 독성 및 인화성에 대한 충분한 고려도 필요하다. 고분자 용액의 점도는 용액의 농도와 온도에 의해 조절이 가능한데, 점도는 용액이 천천히 흐를 정도로 높아야 한다. 보통 20 wt% 정도의 농도가 적당하다. 필름의 두께는 용액의 농도 및 표면에 전개된 용액의 두께로부터 환산이 가능하다. 예를 들어 20% 용액을 사용할 경우 원하는 최종 필름 두께의 5배의 두께로 용액을 전개시켜야 한다. 용액을 표면 위에 원하는 두께로 전개하기 위해서는 실험실적으로는 Gardner knife 또는 mayer bar 등이 사용된다. 용액을 전개하는 표면은 필름과의 접착성이 없어야 하며 비 접착성 표면의 재질로는 Teflon 또는 크롬으로 도금된 표면이 적당하다.
상업적으로는 연속 casting 라인이 사용되고 있다. 상업적인 연속 casting 라인은 회전 drum의 표면에 slit die를 통하여 용액을 전개 건조하는 형태와 회전하는 연속 belt 위에 용액을 전개하는 형태로 구분된다. 두 경우 모두 용매를 회수하기 위한 hood장치와 용매 회수장치를 부착하고 있다. 연속 casting 법은 주로 poly(vinyl alcohol) 및 PVC 등의 필름 가공에 사용되고 있다.
(2) 용융 가공법
고분자 물질은 대개 용융 온도(또는 연화 온도) 이상에서도 비교적 안정하므로 열과 압력을 이용하여 이를 용융 가공함으로써 필름으로 가공할 수 있다. 필름 가공에는 다양한 형태의 용융 가공법이 적용되고 있으며 실험적으로는 대개 용융 압축(melt pressing) 법이 적용된다. 이 경우 전기 가열선이 부착된 실험실용 소형 프레스를 사용한다.
한편 상업적으로는 연속 생산이 가능하고 폭이 넓은 필름을 얻을 수 있는 방법이 유리하므로 용융 압출법이나 용융 cast
ing 법이 주로 사용된다. 필름 가공방법은 고분자의 종류에 큰 영향을 받으며 상업적으로 사용되는 가장 대표적인 필름가공방법은 고분자의 종류에 큰영향을 받으며 상업적으로 사용되는 가장 대표적인 필름가공방법은 압출기를 사용하는 것이다.
압출기는 고분자의 가공에서 매우 중요한 장비이다. 압출기는 일축 압출기(single screw extruder)와 이축 압출기( twin screw extrude)로 구별할 수 있으며 각기 장단점을 갖고 있으나 현재 이축 압출기와 사용이 증가하고 있는 추세이다.
압출기는 고점도인 고분자의 용융물을 연속적으로 밀어내는 일종의 pump이며 고점도 물질과 첨가제 및 다른 고점도 물질을 효과적으로 혼련 하는 일종의 혼련기(mixer)이다.
압출기를 이용한 가공공정에서 주요한 변수는 압출기 barrel의 길이와 지름의 비, screw의 형태, screw의 회전 속도(rpm), 그리고 가공 온도 등이다. 이들 변수의 조합이 압출기 내에서의 체류시간과 전단력을 결정한다. 일반적으로 혼련 효과를 높이기 위해서는, 큰 L/D, screw의 작은 pitch, 작은 rpm, 그리고 높은 온도가 유리하다. 그러나 이들 조건은 생산성을 떨어뜨릴 수 있으므로, 혼련효과 생산성을 동시에 고려하여 가공조건이 결정되어야 한다.
압출기를 사용한 대형 필름의 연속 생산공정이 있다. 고분자의 pellet 또는 분말을 압출기에 주입하고 압출기 내부에서 용융, 혼련 하여 slit die를 통하여 연속 배출하면 회전 drum에서 냉각 또는 연신한다. 일반적으로 회전 drum의 연신 속도가 압출기 die에서의 배출 속도보다 크므로 die의 두께가 원하는 필름 두께보다 두껍더라도 0.01~0.1mm 두께의 얇은 필름 생산이 가능하다.
(3) Bubble 가공법
용융 압출법을 대신하여 생산성을 크게 높일 수 있는 방법으로 bubble 가공법이 있다. 이 방법은 압출기에 환형의 die를 부착하여 고분자 용융물을 관 형태로 압출하고 압축공기를 이용하여 이를 팽창시킴으로써 필름을 제조하는 방법이다. 압축공기에 의해 고분자 용융물은 원통형의 bubble과 같은 형태로 팽창하며 roller에 의해 단계적으로 압착되어 필름으로 감기게 된다. 이 방법으로는 두께가 얇은 광폭의 필름을 빠른 속도로 생산할 수 있다. 한편 bubble 형성 시 필름은 두 방향으로 팽창되므로 이축 배향이 일어난다.
배향이란 필름을 연산시킬 때 고분자의 주사슬이 필름의 면과 평행한 방향으로 배열하게 되는 현상을 말한다. 연신은 일 축연 신과 이 축연 신으로 구분할 수 있다. 필름은 bubble가공할 경우 이축연신이 가능하며 이 축연 신에 의해 필름의 인장강도, 유연성 및 치수안전성들을 개선시킬 수 있다. 이축연신에 의해 필름의 투명도가 개선되고 기체 및 습기에 대한 차단성을 개선시킬 수 있는 경우도 있다. 필름을 연산시키기 위해서는 bubble 가공이 가장 보편적인 방법이다. 그러나 일단 필름이 형성된 후 이름 단계적으로 연신시키는 방법도 있다. 즉, 필름 양쪽을 clamp로 고정하여 clamp 간의 간격을 확대시킴으로써 횡방향으로 연신시키고 종방향으로는 roller의 회전 속도를 조절하여 연신시키는 것이다. 한편 필름이 냉각되기 전에 연신시킬 경우 연 신시의 응력이 냉각과 함께 내부에 남게 되어 생성된 필름에 열을 가하면 수축하게 된다. 이러한 현상을 이용하여 열수축 필름을 생산하고 있다. 열수축 필름의 열 수축률은 30% 내지 80% 정도이다. 열수축 필름은 일반 포장용 또는 식품 포장용 필름으로 사용되고 있다.
(4) Calender 법
고분자 용융물을 가열된 roller 사이를 통과시킴으로써 필름을 제조하는 방법을 calender 가공이라 한다. 이 방법은 두꺼운 필름의 제조에 자주 사용한다. Calender 가공법은 가소제 및 열안정제 등의 배합을 필요로 하고 용융 시 열안정성이 불량한 PVC 등의 가공에 적용된다.