사출 성형기에서 실리콘은 어떻게 제조되고 가공됩니까?

실리콘은 어떻게 만들어지나요? 재료 뒤의 화학

실리콘은 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 유기 플라스틱에서 발견되는 탄소-탄소 골격이 아닌 실리콘과 산소 원자가 교대로 구성되는 합성 폴리머입니다. 실록산 사슬로 알려진 구조입니다. 분자 구조의 이러한 근본적인 차이점은 실리콘에 탁월한 열 안정성, 화학적 불활성, 넓은 온도 범위에 걸친 유연성 및 UV 분해에 대한 저항성을 부여하는 것입니다. 엔지니어, 제품 디자이너, 제조업체는 실리콘이 원래의 원소 기원부터 완성된 엘라스토머까지 어떻게 만들어지는지 이해하면 이 소재가 기존의 열가소성 수지와 다르게 가공되는 이유와 이유를 이해하는 데 도움이 됩니다.

실리콘의 생산은 지각에서 두 번째로 풍부한 원소인 규소에서 시작됩니다. 규소는 일반적으로 석영 또는 규사로 알려진 이산화규소(SiO2)의 형태로 주로 발견됩니다. 결정적으로, 실리콘은 고분자인 실리콘과 화학적으로 구별됩니다. 원시 형태의 실리콘은 자연적으로 부드럽고 유연하지 않으며 다양한 조건에서 화학적으로 안정하지 않습니다. 단단하고 부서지기 쉬운 준금속입니다. 이를 의료 기기, 자동차 씰, 소비재 및 산업 부품에 사용되는 다용도 실리콘 폴리머로 변환하려면 탄소 기반 유기 그룹을 실리콘 백본에 도입하여 근본적으로 특성을 변경하는 다단계 화학 공정이 필요합니다.

석영에서 실리콘 금속까지: 첫 번째 생산 단계

실리콘을 만드는 첫 번째 단계는 이산화규소를 금속 등급의 실리콘 금속으로 환원시키는 것입니다. 이는 석탄, 코크스, 우드 칩과 같은 탄소가 풍부한 환원제 존재 하에 규암(고순도 석영 형태)을 1,800°C가 넘는 온도로 가열하는 대형 전기 아크로에서 수행됩니다. 탄소는 이산화규소의 산소와 반응하여 이산화탄소를 방출하고 순도가 약 98~99%인 액체 실리콘 금속을 남깁니다. 이 재료는 금속 등급 실리콘(MG-Si)으로 알려져 있으며 실리콘 폴리머 생산을 위한 중요한 원료 공급원료 역할을 합니다.

용융된 실리콘은 잉곳으로 주조되고 냉각된 후 추가 화학 처리를 위해 분말 또는 과립으로 분쇄됩니다. 이 단계에서 실리콘은 여전히 ​​폴리머가 아닙니다. 유기 메틸 그룹을 실리콘 원자에 부착하는 일련의 화학 반응을 거쳐 모든 상업용 실리콘 제품의 구성 요소 역할을 하는 유기염화실란 중간체를 생성해야 합니다.

Müller-Rochow 공정: 실리콘 모노머 제작

실리콘 모노머의 산업적 생산은 1940년대에 독립적으로 개발된 Müller-Rochow 직접 공정에 의해 주도됩니다. 이 공정에서는 분말 실리콘 금속이 구리 촉매 존재 하에 250°C~350°C의 온도에서 염화메틸(CH₃Cl) 가스와 반응합니다. 이 반응은 클로로실란 화합물의 혼합물을 생성하며, 그 중 가장 상업적으로 중요한 것은 디메틸디클로로실란((CH₃)²SiCl²)입니다. 이 분자는 대부분의 상업용 실리콘이 궁극적으로 파생되는 주요 단량체입니다.

직접 공정으로 생산된 클로로실란 혼합물은 분별 증류를 통해 개별 성분으로 분리되며, 각 성분은 뚜렷한 반응성을 가지며 가수분해 시 서로 다른 실리콘 폴리머 구조를 생성합니다. 디메틸디클로로실란은 물에 노출되면 급속한 가수분해를 거치며(염소 원자는 수산기로 대체됨) 생성된 실라놀 중간체는 자발적으로 서로 축합하여 폴리디메틸실록산(PDMS) 사슬을 형성합니다. 반응 조건, 사슬 길이, 사용된 클로로실란 단량체의 특정 혼합에 따라 생성되는 중합체는 저점도 유체, 점성 검 또는 실리콘 고무에 혼합하기에 적합한 고분자량 기본 중합체가 될 수 있습니다.

실리콘 고무 합성: 기본 폴리머에서 성형 가능한 재료까지

원시 폴리디메틸실록산 중합체만으로는 사출 성형에 적합하지 않습니다. 특정 적용 요구 사항에 맞게 경도, 인장 강도, 신장률, 내열성, 색상 및 경화 특성을 조정하는 다양한 첨가제와 혼합되어야 합니다. 이 합성 단계는 사출 성형 기계에 사용되는 기능성 실리콘 고무 재료가 실제로 생성되는 단계이며, 가공 제약 조건과 경쟁적인 특성 요구 사항의 균형을 맞추는 재료 화학자의 신중한 구성이 필요합니다.

• 강화 필러: 흄드 실리카는 실리콘 고무 화합물에 가장 널리 사용되는 강화 충전재입니다. 20-50% 중량으로 첨가된 흄드 실리카는 분자 규모에서 폴리머 사슬과 상호 작용하여 인장 강도와 인열 저항을 극적으로 증가시킵니다. 보강재가 없는 순수 실리콘 폴리머는 기계적 강도가 매우 낮습니다.
• 가교제: 선형 또는 약간 분지된 실리콘 중합체를 3차원 탄성 네트워크로 변환하려면 가교제가 통합되어야 합니다. 기존 사출 성형에 사용되는 고농도 고무(HCR)의 경우 유기 과산화물이 전통적인 가교제입니다. 액상 실리콘 고무(LSR)의 경우 백금 촉매 첨가 경화 시스템이 표준이며, 더 빠른 경화 주기와 우수한 특성 일관성을 제공합니다.
• 안료 및 착색제: 실리콘은 자연적으로 반투명하며 색소침착을 쉽게 받아들입니다. 산화철, 이산화티타늄 및 유기 색소는 혼합 과정에서 통합되어 소비자 제품 및 의료 기기 제조업체가 요구하는 전체 색상 스펙트럼을 생성합니다.
• 가공 보조제: 실리콘 오일이나 왁스와 같은 가공 보조제를 조금만 추가하면 사출 성형 중 화합물의 흐름 거동이 개선되고, 사출 압력 요구 사항이 줄어들며, 복잡한 캐비티 형상에서 금형 충진이 개선됩니다.
• 기능성 첨가제: 최종 응용 분야에 따라 전기 절연 부품용 난연제, 의료 및 식품 접촉 제품용 항균제, 고온 서비스 응용 분야용 열 안정제 등 추가 제제가 포함될 수 있습니다.

사출 성형에 사용되는 실리콘 유형: HCR 대 LSR

두 가지 형태의 실리콘 고무가 사출 성형 기계에서 가공되며 물리적 상태, 가공 동작 및 이를 처리하는 데 필요한 기계 유형이 크게 다릅니다. 고일관성 고무(HCR)와 액상 실리콘 고무(LSR) 중에서 선택하는 것은 실리콘 제품 개발에서 가장 중요한 재료 결정 중 하나이며 부품 품질, 사이클 시간, 툴링 설계 및 생산 경제성에 직접적인 영향을 미칩니다.

고점도 고무(HCR)

HCR은 상온에서 딱딱한 빵 반죽과 비슷한 농도를 지닌 고체 퍼티 같은 물질입니다. 이는 일반적으로 백만 g/mol을 초과하는 높은 분자량을 가지며, 금형 캐비티에 주입될 만큼 충분히 흐르기 전에 예열 및 작업을 거쳐야 합니다. HCR 화합물은 일반적으로 150~200°C의 온도에서 유기 과산화물을 사용하여 경화되며, 기계적 특성을 완전히 개발하고 잔류 과산화물 분해 부산물을 제거하려면 종종 높은 온도에서 사후 경화가 필요합니다. HCR은 씰, 개스킷, 튜브 및 케이블 액세서리 생산에 널리 사용되며 개조된 고무 사출 성형기 또는 압축 성형 프레스에서 가공할 수 있습니다.

액상 실리콘 고무(LSR)

LSR은 별도의 드럼에 공급되는 2성분 펌핑형 액체 시스템입니다. 성분 A에는 베이스 폴리머와 백금 촉매가 포함되어 있고, 성분 B에는 베이스 폴리머와 가교제(일반적으로 실리콘 수소화물 화합물)가 포함되어 있습니다. 두 성분은 정밀한 1:1 비율로 계량되어 정적 또는 동적 믹서에서 혼합된 후 백금 촉매 첨가 경화 반응이 일반적으로 150~220°C의 금형 온도에서 10~60초 내에 빠르게 일어나는 가열된 금형에 주입됩니다. LSR은 경화 부산물을 생성하지 않고, 후처리가 필요하지 않으며, HCR로는 달성하기 어려운 치수 정밀도로 탁월한 부품 일관성을 제공합니다. 의료 기기, 유아 관리 제품, 웨어러블 기술 부품 및 정밀 산업용 씰의 대량 생산에 선호되는 소재입니다.

실리콘/고무 사출 성형기의 작동 원리

실리콘이나 고무 사출 성형기 실리콘과 고무의 열경화성 특성에 따라 여러 가지 중요한 측면에서 표준 열가소성 사출 성형기와 근본적으로 다릅니다. 열가소성 수지처럼 가열하면 연화되기보다는 가열 시 비가역적으로 경화되는 재료입니다. 열가소성 기계에서는 배럴과 스크류를 가열하여 재료를 녹이고, 금형을 냉각하여 부품을 응고시킵니다. 실리콘/고무 사출 성형 기계에서는 조기 경화를 방지하기 위해 사출 시스템 전체에서 재료를 차갑게 유지해야 하며, 동시에 금형은 가열되어 가황을 시작하고 완료해야 합니다.

LSR 처리의 경우 주입 장치에는 정밀 기어 펌프를 사용하여 두 개의 재료 드럼에서 끌어와 정적 혼합기 어셈블리를 통해 정확한 비율로 혼합하고 혼합된 재료를 냉간 주입 배럴로 전달하는 2성분 계량 및 혼합 시스템이 장착되어 있습니다. 배럴과 스크류 어셈블리는 일반적으로 5~15°C의 냉각수를 사용하여 냉각되어 사출 사이클 동안 LSR을 활성화 온도 이하로 유지합니다. 재료가 가열된 금형(150~220°C)에 주입되면 급격한 온도 상승으로 인해 백금 촉매가 활성화되고 경화 반응이 몇 초 만에 완료됩니다.

실리콘/고무 사출성형기의 주요 부품

실리콘 사출 성형과 관련된 금형 설계 고려 사항

실리콘 사출 성형을 위한 금형 설계에는 열가소성 금형과 크게 다른 요소에 세심한 주의가 필요합니다. 종종 헤비 크림이나 팬케이크 반죽과 비교되는 LSR 형태의 실리콘 점도가 낮다는 것은 금형 분리 표면 사이의 가장 작은 틈으로 쉽게 흘러 들어가 후처리에서 제거해야 하는 플래시를 생성한다는 것을 의미합니다. 플래시가 없거나 플래시가 거의 없는 실리콘 성형에는 일반적으로 2~5미크론 이내의 매우 엄격한 절단 표면 평탄도 공차와 수백만 사이클 동안 이러한 공차를 유지하기 위해 경도가 48HRC 이상인 정밀 연삭 공구강이 필요합니다.

캐비티 포켓에 갇힌 공기는 일부 다공성 공정에서처럼 재료를 통해 빠져나갈 수 없기 때문에 실리콘 몰드 설계에서는 벤팅이 매우 중요합니다. 갇힌 공기는 보이드, 미성형 또는 표면 결함을 생성합니다. 3~8미크론만큼 얕은 벤팅 채널이 분할선과 각 캐비티의 마지막 충전 지점에 통합되어 있습니다. 배출 시스템 설계는 또한 경화된 실리콘 부품의 높은 유연성과 표면 점착성을 고려해야 합니다. 벽이 얇은 형상을 찢거나 왜곡하지 않고 탈형하려면 일반적으로 주의 깊은 구배 각도 설계, 표면 텍스처링 또는 캐비티 표면에 PTFE 또는 플라즈마 표면 처리와 같은 접착 방지 코팅을 사용해야 합니다.

실리콘 사출 성형이 제공되는 산업 및 응용 분야

실리콘의 탁월한 재료 특성과 사출 성형을 통해 달성할 수 있는 정밀도의 조합으로 인해 실리콘/고무 사출 성형 기계는 매우 다양한 산업 분야의 생산에 핵심이 되었습니다. 각 부문은 실리콘 성능 특성의 뚜렷한 하위 집합을 활용하며, 대량 생산 시 엄격한 공차로 복잡한 형상을 생산할 수 있는 능력으로 인해 모든 부문에서 사출 성형이 선호되는 생산 방법이 되었습니다.

• 의료 및 제약: 실리콘의 생체 적합성, 살균성 및 화학적 불활성으로 인해 실리콘은 카테터 구성 요소, 이식형 장치 밀봉, 수술 기구 그립, 호흡 마스크 및 약물 전달 밸브 멤브레인에 선택되는 재료입니다. LSR 사출 성형을 통해 이러한 부품은 전체 공정 검증 및 추적성을 통해 클래스 III 의료 기기 표준에 따라 생산될 수 있습니다.
• 자동차: 커넥터 씰, 그로밋 링, 스파크 플러그 부츠, 터보차저 호스 및 언더후드용 개스킷은 차량 수명 전반에 걸쳐 -60°C에서 200°C 이상의 온도 범위에서 씰링 성능을 유지하는 실리콘의 능력에 의존합니다.
• 가전제품: 보호 커버, 버튼 멤브레인, 웨어러블용 방수 씰 및 이어폰 팁은 일관된 치수 정확도로 연간 수백만 개의 부품을 생산하는 캐비테이션이 높은 도구에서 LSR로 사출 성형됩니다.
• 영유아용 제품: 식품 등급 및 FDA 규격 LSR 화합물로 제작된 젖병 젖꼭지, 노리개 젖꼭지, 치발기 및 수유용 숟가락 팁은 엄격한 위생 제조 프로토콜에 따라 다중 캐비티 금형에서 생산됩니다.
• 산업 및 에너지: 고전압 전송 장비, 펌프 다이어프램, 체크 밸브 및 화학 처리 씰용 전기 절연체 창고는 까다로운 실외 및 공정 환경에서 실리콘의 전기 저항성, UV 안정성 및 내화학성 조합을 활용합니다.

아크로에 공급되는 규암 광석부터 의료용 임플란트의 정밀 성형 실리콘 씰까지, 실리콘의 원료부터 완제품까지의 여정은 긴밀하게 협력하는 산업 화학 및 정밀 엔지니어링 중 하나입니다. 실리콘/고무 사출 성형기는 이 가치 사슬의 중심에 자리잡고 있습니다. 신중하게 제조된 열경화성 폴리머를 치수가 정확하고 현대 생활을 정의하는 제품에 눈에 보이지 않게 내장되는 고성능 구성 요소로 변환하는 것입니다.