이 글의 목적은 실란 가교 수분경화 공정에서 온도, 습도, 시간, 두께, 촉매, 설비 조건을 실무 기준으로 정리하여 불량을 줄이고 목표 가교도를 안정적으로 확보하도록 돕는 것이다.
1. 실란 가교 수분경화의 반응 개념이다
1) 반응은 “가수분해 → 축합 → 실록산 결합 형성” 순서이다
실란 가교형 폴리올레핀(대표적으로 PEX-b)은 폴리머 사슬에 알콕시 실릴기(–Si–OR)가 도입된 상태에서 수분을 만나 실라놀(–Si–OH)로 가수분해가 진행되며, 이후 실라놀끼리 축합되어 –Si–O–Si– 결합이 형성되면서 가교망이 만들어지는 구조이다.
이 공정은 “수분이 반응물”이라는 점이 핵심이며, 수분의 공급 속도와 폴리머 내부로의 확산 속도가 전체 경화 속도를 지배하는 경우가 많다고 한다.
2) 경화 속도를 좌우하는 5대 변수이다
| 변수 | 영향 메커니즘 | 현장 체감 포인트 |
|---|---|---|
| 온도 | 가수분해·축합 반응속도 증가 및 수분 확산 촉진이다 | 온도 상승 시 경화시간이 크게 단축되나 과열 시 산화·뒤틀림 위험이 증가하다 |
| 수분 공급 방식 | 표면 수분 농도 유지 및 내부 확산 구배 형성이다 | 습공기보다 온수/증기 접촉이 경화가 빠르다고 한다 |
| 상대습도(RH) 또는 수중 조건 | 가수분해에 필요한 물 분자 가용량이 결정이다 | RH가 낮으면 표면만 반응하고 내부는 지연되기 쉽다고 한다 |
| 두께(벽두께/절연두께) | 수분 확산 경로 길이가 증가이다 | 두께가 두꺼울수록 “겉만 된 것처럼 보이는” 불량이 늘다 |
| 촉매(주로 축합 촉매) | 실라놀 축합 반응을 가속이다 | 촉매 농도·분산이 나쁘면 로트 편차가 커지다 |
주의 : 실란 가교 수분경화는 “건조” 공정이 아니라 “수분을 충분히 공급하는” 공정이며, 건조한 창고 보관은 경화 지연의 대표 원인이다.
2. 표준 권장 수분경화 조건의 실무 범위이다
1) 가장 빠르고 재현성이 높은 방식은 고온 온수 욕조 경화이다
현장에서는 오프라인 수분경화에서 온수 욕조 방식이 가장 빠르고 균일한 조건을 만들기 쉽다고 한다.
실무적으로는 80~90℃ 수준의 온수 환경이 경화 촉진에 유리한 구간으로 널리 운용되며, 제품 두께와 목표 물성에 따라 시간 설정이 달라진다고 한다.
2) 습공기(습실) 경화는 설비가 간단하나 시간이 길어지는 경향이다
습공기 경화는 대형 욕조나 증기 설비가 어려운 경우에 유용하나, RH 유지와 공기 순환이 불충분하면 표면 경화 편차가 커지기 쉽다고 한다.
현장에서는 50% RH 수준의 상온 환경에서도 시간이 충분하면 경화가 진행될 수 있으나, 일반적으로 수일~수주 단위로 길어지는 경우가 많다고 한다.
3) 저온에서 오래 가는 조건은 산화·변형에는 유리하나 생산성은 불리하다
열에 민감한 제품은 상대적으로 낮은 온도에서 시간을 늘리는 전략을 쓰기도 하나, 두께가 두꺼우면 내부 가교도 확보가 늦어 품질관리 난도가 올라가다.
3. 제품별 조건 설정 가이드이다
1) 전선·케이블(PEX-b 절연/시스) 기준 설정법이다
케이블 절연은 두께가 수 mm 범위로 비교적 얇은 편이라 온수 경화를 적용하면 수 시간 단위로 목표 가교도에 도달하는 설계가 가능하다.
현장 관행에서는 90℃ 온수에서 4~8시간 범위를 출발점으로 두고, 절연 두께, 충전재, 난연 시스템, 목표 시험 기준에 따라 시간을 보정하는 방식이 일반적이다.
2) 배관·튜브(PEX-b) 기준 설정법이다
배관은 벽두께가 두꺼워 수분 확산이 지배적이며, 동일 온도라도 케이블 대비 더 긴 시간이 필요하다고 한다.
온수 경화를 적용하더라도 목표 젤함량 또는 열크리프 기준을 충족하기 위해 하루 단위로 경화시간을 잡는 경우가 있으며, 특히 대구경·후육 제품은 내부 가교도 확보가 병목이 되기 쉽다고 한다.
3) 실란 말단 폴리머(STP) 계열 실란 변성 실란트의 조건은 다른 관점이다
STP 실란트는 대기 수분으로 표면부터 내부로 진행하는 1액형 경화 구조가 많으며, 표면 스킨 형성과 내부 경화 진행이 분리되어 관리되기 쉽다고 한다.
이 경우 온수 욕조 같은 강제 수분공급보다 적용 두께, 작업장 RH, 온도, 통풍, 기재의 수분 상태가 경화 품질을 좌우하는 비중이 크다고 한다.
주의 : 케이블·배관용 PEX-b 수분경화 조건을 실란트에 그대로 적용하면 과도한 기포, 표면 결함, 접착력 저하가 발생할 수 있으므로 계열을 구분하여 조건을 설계해야 한다.
4. 조건 설계의 핵심은 “수분 확산과 열이력” 관리이다
1) 두께 보정 로직은 반드시 포함해야 한다
수분경화는 표면에서 시작해 내부로 확산되므로 두께가 두 배가 되면 시간은 단순히 두 배가 아니라 더 크게 늘어날 수 있다고 한다.
따라서 신규 규격에서는 최소·최대 두께를 기준으로 경화 조건을 각각 검증하고, 생산 편차를 흡수할 안전계수를 포함하는 것이 실무적으로 유리하다.
2) 온도는 빠르게 만들지만 과도하면 부작용이 있다
온도를 올리면 반응 자체와 수분 확산이 빨라지나, 폴리올레핀의 산화, 첨가제 소모, 변형, 권취 변형 같은 부작용이 함께 커질 수 있다고 한다.
특히 케이블은 권취 상태에서 경화하는 경우가 있어, 과열 시 드럼 자국이나 타원화 같은 형상 불량이 발생할 수 있어 온도와 장력 조건을 동시에 관리해야 한다.
3) 촉매는 “양”보다 “분산”이 관건이다
축합 촉매는 경화 시간을 줄이는 데 기여하나, 배합 균일성이 낮으면 구간별 가교도 편차가 발생해 시험 불합격이 증가할 수 있다고 한다.
촉매 마스터배치의 보관 수분관리, 투입 순서, 혼련 에너지, 체류시간을 고정하여 로트 편차를 줄이는 체계가 필요하다.
5. 현장에서 바로 쓰는 표준 레시피 예시이다
1) 케이블 오프라인 온수 경화 레시피 예시이다
# 실란 가교 수분경화(케이블) 예시 레시피이다 # 목적: 목표 가교도(젤함량/열세트/열크리프 기준) 달성이다
온수욕조_온도 = 90 # ℃이다
예열_시간 = 30 # 분이다
본경화_시간 = 6 # 시간이다
후처리_건조 = 2 # 시간(상온 통풍)이다
운전절차이다
욕조 온도를 90℃로 안정화하다
제품을 예열 구간에서 30분 유지하다
본경화 구간에서 6시간 유지하다
꺼낸 뒤 표면수 제거 후 2시간 통풍 건조하다
젤함량 및 열세트 시험으로 합격 여부를 판정하다2) 습실(습공기) 경화 레시피 예시이다
# 습실 경화 예시이다 # 욕조가 없거나 대형 제품에 적용하는 조건이다
챔버_온도 = 60 # ℃이다
상대습도 = 95 # %RH이다
경화_시간 = 48 # 시간이다
공기순환 = "강제순환" # 정체구간을 줄이는 조건이다
운전절차이다
챔버 온도와 RH를 목표치로 안정화하다
제품 간격을 확보하여 공기 흐름을 확보하다
48시간 유지 후 샘플링하여 내부 가교도까지 확인하다주의 : 습실 경화는 챔버 내부의 응축수 발생 여부가 균일성에 큰 영향을 주며, 바닥·벽면의 결로가 특정 구간 과습 또는 냉점으로 이어질 수 있어 온도 분포를 계측해야 한다.
6. 품질 판정과 공정 관리 지표이다
1) 대표 시험 항목과 해석 포인트이다
| 시험 항목 | 의미 | 불량 시 의심 포인트 |
|---|---|---|
| 젤함량 | 가교망 형성 정도의 대표 지표이다 | 경화시간 부족, RH 부족, 촉매 분산 불량, 두께 과대이다 |
| 열세트/열크리프 | 고온에서 형태 유지 능력 및 가교 효율 지표이다 | 가교도 부족, 산화 열화, 배합 안정제 부족이다 |
| 인장강도/신율 | 기계적 균형 확인 지표이다 | 과가교 또는 산화로 취성화, 불균일 경화이다 |
| 온수 노화 후 물성 | 수분 환경 장기 안정성 지표이다 | 잔류 저분자, 촉매 잔류, 첨가제 용출이다 |
2) 공정 중 관리해야 할 로깅 항목이다
온수 욕조 온도, 욕조 내 순환 유량, 투입량 대비 체류시간, 제품 두께, 권취 장력, 챔버 RH, 챔버 온도 분포, 샘플링 위치를 고정된 양식으로 기록하는 체계가 필요하다.
특히 “두께 편차”와 “경화 이력”이 결합되면 동일 로트에서도 불합격이 혼재될 수 있어, 생산 기록과 시험 결과를 1:1로 연결하는 것이 효과적이다.
7. 대표 불량과 원인-대책 매트릭스이다
| 현상 | 가능 원인이다 | 우선 대책이다 | 재발 방지이다 |
|---|---|---|---|
| 젤함량 부족이다 | 온도 부족, 시간 부족, RH 부족, 촉매 분산 불량이다 | 온도 또는 시간을 단계적으로 상향하다 | 두께별 조건표와 샘플링 규격을 확정하다 |
| 겉만 단단하고 내부가 약하다 | 두께 과대, 수분 확산 한계, 표면만 과습이다 | 온수/증기 접촉 방식으로 전환하다 | 내부 위치 젤함량 또는 열크리프 기준을 추가하다 |
| 취성화·균열이다 | 과열, 산화, 과가교, 안정제 부족이다 | 온도 하향 및 시간 재조정하다 | 산화유도시간(OIT) 등 안정성 지표를 관리하다 |
| 변형·타원화·드럼 자국이다 | 권취 장력 과대, 과열, 지지 방식 부적합이다 | 권취 조건과 온도 조건을 동시 조정하다 | 치수 계측 위치와 허용 기준을 공정 기준서에 반영하다 |
| 표면 기포·핀홀이다 | 수분 과다 접촉, 휘발 부산물 포집, 혼련 불량이다 | 초기 예열 구간을 두고 급격한 수분 접촉을 완화하다 | 원료 건조·보관 조건과 혼련 조건을 표준화하다 |
8. 안전·환경 관점에서 반드시 확인할 사항이다
1) 수분경화 과정에서 저분자 부산물이 발생할 수 있다
알콕시 실란의 가수분해 과정에서는 알코올계 저분자가 생성될 수 있으며, 작업장 통풍과 배기 관리가 필요하다고 한다.
온수 욕조 상부는 증기와 함께 휘발 성분이 농축될 수 있어 국소배기와 작업자 노출평가 체계가 중요하다.
2) 과산화물 개시제를 사용하는 공정은 열폭주 리스크를 별도로 관리해야 한다
실란 그래프트 공정이 과산화물 개시제를 포함하는 경우 보관, 혼합, 체류, 잔열 관리가 중요하며, 제조사 권고에 따른 온도 제한과 비상 대응 절차가 필요하다.
주의 : 온수 욕조 주변은 화상 위험과 미끄럼 위험이 동시에 존재하므로, 방열·방수 PPE, 미끄럼 방지 매트, 비상 샤워 접근성을 기본 안전조치로 포함해야 한다.
FAQ
온수 욕조를 100℃ 이상으로 올리면 더 빨라지는가?
온도 상승은 경화 속도를 올리는 요인이 될 수 있으나, 변형, 산화, 물성 저하, 설비 안전 여유 감소가 동시에 커질 수 있어 일반적으로는 80~90℃ 범위를 기준으로 검증 후 확장하는 접근이 실무적이다.
상온 50% RH에서도 경화가 되는가?
경화 자체는 진행될 수 있으나 두께가 두껍거나 목표 가교도가 높은 경우 수일~수주로 길어질 수 있으며, 생산성과 균일성을 고려하면 습실 또는 온수/증기 방식이 더 유리한 경우가 많다고 한다.
두께가 두꺼운 제품에서 내부 가교도는 어떻게 확인하는가?
표면 시편만으로는 과대평가가 가능하므로, 단면 내부 위치를 구분해 젤함량 또는 열크리프를 확인하고, 합격 기준을 내부 위치까지 포함해 설정하는 방식이 효과적이다.
촉매를 늘리면 경화가 항상 빨라지는가?
촉매 증가는 축합 반응을 촉진할 수 있으나 분산 불량, 조기 스코치, 물성 편차 같은 부작용이 생길 수 있어, 우선은 수분 공급과 온도 이력을 최적화한 뒤 촉매를 미세 조정하는 순서가 안정적이다.