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제목 이축압출기의 공학적 해석 및 현장 적용
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/10/04 14:06

 

 

Practical Theory and Application of Twin Screw Extrusion

 

 

1. 서론
2. 이축압출기의 기본개념
2.1 용어의 정리
2.2 스크류의 해석의 기초?기하학적 형상과 기본 성능식
2.3 이축압출기의 종류와 특성
2.3.1 이축압출기의 분류
2.3.2 회분식 혼련기, 단축압출기와 비교한 이축압출기의 특성
2.3.3 여러 가지 이축압출기의 특징
2.3.4 자가 청소형 이축압출기의 기하학적 해석
3. 이축압출기의 단위 공정
3.1 고형분 트입과 이송
3.2 이축압출기 내의 용융 공정 해석
3.3 혼련 해석
3.4 가압 및 토출 공정의 핵석 및 압출기 내 물질의 분산
3.5 탈기 공정
4. 이축압출기의 공학적 해석
5. 이축압출기의 구성요소

 

그림 1 - 트윈스크류 설계 해석용 1D CAE 소프트웨어인 WinTXS는 PPI에서 개발해 PolyTech Inc에서 상업화한 도구이다.

 

 
플라스틱 산업을 견인해 왔던 두 축은 끊임없는 소재 개발과 이들 소재의 경제성을 확보한 유용한 형태로 변환시킬 수 있는 가공기기의 부단한 발전이었다. 최근 플라스틱 분야의 대변혁에서 나타난 최종 ‘수요자 중심의 제품생산’과 ‘맞춤형 소재기술의 발전’은 플라스틱을 현명하게 이용하고자 하는 ‘New Plastic Economy’와 결합해 생분해성 플라스틱의 활용(To the Biodegradableplastic)과 재활용을 통한 플라스틱 가치의 보존(Recyclingupcycling)의 방향으로 나아갈 것으로 예상된다.

 

이러한 움직임에서 맞춤형 소재 개발을 견인하는 플라스틱의 컴파운딩 기술과 제품생산에 직결되는 가공물성의 정확한 이해(Dr. Plastic 가공랩 2018년 2월호)와 활용은 플라스틱 산업경쟁력을 확보하기 위해 그 중요성이 증대될 것이다.

 

특히 대부분의 컴파운딩 업계에서 이용하는 트윈 컴파운더(동방향 회전 이축압출기: Co-rotating twin screwextruder)의 효율적 활용은 플라스틱 산업고도화를 위한 핵심 역량이 될 것이 자명한 사실이다.

 

그림 2 - MKE MiniCompounder는 연구용 Twin screw extruder로 개발된 장비로 연속모드와 배치모드를 선택해서 사용할 수 있는 설비이다. 배럴 오픈형 장치로 블랜드 및 컴파운드의 용융 및 혼련 거동을 손쉽게 관찰?연구할 수 있는 설비이다. 특히, 액상 투입장치 및 질소 차단 유닛을 갖추고 있어 reactive extrusion 연구에 효과적으로 활용할 수 있는 장치이다.

 

 

컴파운딩 연구경험은 1991년 LG화학에서 블랜딩형 스크류 조합을 필러 컴파운딩형 조합으로 조합 변경을 수행해 컴파운딩 기기를 단축압출기 중심의 기기에서 양축압출기로 바꾸는 기초연구를 수행했던 경험이 최초의 경험이다.

 

이후 Polymer Processing Institute에서 연구수행 중 컴파운더 내에서 발생하는 용융현상에 대한 체계적 연구로 박사연구를 수행하면서 체계화됐다. [1,2] 이후 이 모델을 컴파운딩 분석용 소프트웨어로 널리 이용되는 TXS에 모델로 삽입하고 혼련 모델(Mixingindex)을 정의하면서 컴파운딩 연구를 체계화했다.

 

[3] TXS는 그림 1에 나타난 바와 같은 WinTXS로 상업화돼 전 세계 컴파운딩 회사에서 블랜딩과 컴파운딩을 분석하고 해석하는 기본적인 도구로 자리잡고 있는 표준 프로그램이기도 하다. 앞으로 몇 회에 걸쳐 연재될 ‘이축압출기의 공학적 해석 및 현장 적용’에서 다루는 내용은 WinTXS를 구성하는 기초 이론들로 단위조작 방법론(unit operational approach)로 구성되어 기술하고자 한다.

 

그림 3 - MKE Co-TSE 19는 연구용 소형 Twin screw extruder로 개발된 장비로 연속모드로 사용할 수 있는 설비이다. 일반 스트랜드 펠렛타이저를 갖추고 있으며, micro-bead를 생산할 수 있는 under-water pelletizing 설비도 준비 중이다.

저자는 컴파운딩 연구는 실험과 시뮬레이션의 비교를 통해 기술수준을 올릴 수 있다고 생각해왔다. 본 연재를 통해 그림 2와 3에 나타난 연구용 컴파운딩 설비인 MiniCompounder와 연속형 양축압출기의 가장 작은 설비인 Co-TSE 19를 활용한 실험을 함께 게재함으로써 컴파운딩 기술의 이해를 돕도록 하겠다.

 

 
서론

 

합성 고분자인 플라스틱은 열경화성수지인 베이크라이트(Bakelite)가 1900년대 초반 상업 생산된 이래 1920년대와 1940년대를 거쳐 열가소성 수지인 PVC, PP, LDPE 등이 상업 생산되면서 현대의 편리한 생활을 가능하게 한 포장재 혁명을 이끈 핵심소재, 자동차의 고기능화와 경량화를 가능케 하는 기능성소재, 건설 및 건축에 이용돼 기능성과 내구성을 부가하는 핵심소재, 현대 IoT와 거의 모든 가전제품의 외관 및 주요 부품의 소재로 이용돼 사람과 접촉하는 심미소재로 이용되고 있다. 또한, 편안한 생활을 추구하는 현대인의 거의 모든 생활에 밀접하게 이용되는 현대 문명의 총아로서 주목받고 있다.

 

특히, 이축압출기는 컴파운딩용으로 광범위하게 이용되는데, 이는 표 1의 플라스틱 산업지도를 참조해 설명한 바최근 전통적으로 ‘원료 공급업계’와 ‘기계 장비업계’가 플라스틱 산업의 역할을 주도해 왔다. 최근 들어 컴파운딩 기술을 이용해 원료를 특화하고 제품을 생산하는 ‘컴파운딩 업계’와 ‘제품생산 업계’의 기술 발전이 ‘플라스틱 산업 대변혁(grand shift)’을 일으킨 원인의 한 가지로 생각해 볼 수 있다.

 

그중에서도 이축압출기 중 가장 광범위하게 이용되는 ‘접촉 동방향회전 이축압출기’ 컴파운딩 산업, 재활용산업 등에 이용되어 플라스틱 제품의 다양화 및 제품가치 증진에 큰 역할을 수행하고 있다.

 

이 이축압출기(twin screw extruder)는 19세기 말과 20세기 초반에 식품가공(파스타 및 제빵 혼련) 등에 널리 사용됐던 기기로 1970년대 이후부터 여러 플라스틱의 블랜딩과 컴파운딩에 이용되면서 상업적으로 큰 성공을 가져왔다.

 

그러나 여전히 이 기기를 ‘state-ofthe-art'로 이해함으로써 소수의 전문가에 의해 그 해석과 적용이 이루어져 오고 있다. 2000년대 초반 이후 많은 연구가의 노력으로 이런 ‘state-ofthe-art’가 아닌 해석 가능한 ‘과학(science)’ 혹은 ‘기술(technology)’의 영역으로 발전하게 됐다.

 

본고에서는 1990년대 중반 이후 새로 이해되기 시작한 이축압출기의 성질과 이 기기 내의 여러 현상과 성능평 그리고 해석은 어떻게 수행되는지 폭넓게 살펴보기로 한다.

 

본 내용의 상당부분은 2001년 유변학회에서 출간된 유변학 총설집인 ‘유변학의 이해: 15장 이축 압출’을 기본으로 하여 현재 상황에 맞춰 보완해 산업현장의 수요에 대응한 것이다. 본고에 이용된 많은 기초적인 이론들은 1995년부터 2004년의 10여년에 걸친 Polymer ProcessingIns t itut e (NewJers ey, 미국)의 Polymer Mixing Study 연구를 기반으로 집필한 것이며, 현재 이축압출기 전용해석 CAE 툴로 널리 이용되는 ‘WinTXS’의 성능 해석식을 구성하는 기초적인 이론으로 이용됐음을 밝힌다.

 

WinTXS의 자세한 운용은 그림 2에 함께 나타낸 QR코드를 스캔하면 대체적인 운용과 특징을 살펴볼 수 있다. WinTXS와 같은 CAE를 이용한 컴파운딩 해석은 별도의 지면에서 다시 다루고자 한다. 또한, 본고에서 다루는 TwinScrew의 많은 이론은 David Todd(~2010)가 정리한 시각에 의해 구성되었다는 것을 미리 밝히고자 한다.

 

 

 

우선, 구체적인 설명을 하기 전에 중요한 분석틀로서 화학공학에서 복잡한 시스템을 해석하기 위한 방법으로 이용되는 단위조작 개념을 고분자 가공공정에 어떻게 도입할 수 있는지 알아본다.

 
이는 Tadmor와 Gogos(1979)가 제안한 것으로 고분자 가공공정에 단위조작의 개념을 도입해 복잡한 문제를 단순화, 그리고 부분화시켜 문제 해결에 쉽게 접근할 수 있도록 하는 매우 유용한 방법이다.

 

<표 1>은 이를 나타낸 것으로, 고분자 원료로부터 마지막 최종 제품에 이르는 과정을 단위공정(elementarysteps), 형상화공정(shaping), 후형상화공정(post-shaping)으로 나눠 설명하고, 하단부에서는 고분자공학(polymer engineering)과 고분자과학(polymer science)에서 이들 단위공정 해석을 위한 중요한 연구영역을 열거했다. 이 중 유변학은 고분자공학과 고분자과학 모두에서 공히 중요한 연구영역을 차지하고 있다. 그러나 특히 고분자공학에서 유변학의 이용은 매우 한정적이고 기본적인 내용만 이용되고 있는 것이 현실이다.

 

예를 들면, 고분자의 용융시 고체 형상의 변형(Kim, 1999; Gogos et. al.,1998; Gogos & Kim, 2000; Kim & Gogos, 2000) 및 고형분과 용융분혼합체에서의 유변물성(Kim, 1999; Todd, 1993; Rauwendaal, 1993), 혼련시 작용하는 유변물성(ManasZloczower & Tadmor, 1994; Rauwendaal, 1991) 및 가압 과정에서 용융물의 유변물성(Manas-Zloczower & Tadmor, 1994; Rauwendaal, 1991)이 실제 현상을 설명하거나 수치 모사를 수행하는 데 이용되고 있다.

 

그러나 가장 간단한 압출기 형상인 단축압출기에서조차 실제 물질의 특성을 구할 수 있는 복잡한 구성 방정식을 도입하기에는 형상이 너무 복잡하다는 치명적인 약점이 있어 실제의 경우 이축압출기를 해석하는 데 있어 간단한 멱수법칙 유체(power law fluid model)이나 Cross-model 등 일반 뉴튼유체모델(generalized newtonian fluidmodel)이 주로 사용되고 있다.

 

따라서 본 장에서는 유변학적 접근으로 이들의 해석에 사용되는 예를 살펴보기보다는 실제 일어나는 현상과 실제 해석을 위해 필요한 기본적인 거동들을 살펴보는 데 주안점을 둬 현장 엔지니어에게 도움이 되는 방향으로 내용을 기술하고, 이축압출기 내에서 일어나는 현상을 단위공정(elementary steps)으로 나눠 살펴보는 방법론을 이용하고자 한다.

 

상업적으로 이용되는 모든 이축압출기를 본고에서 상세히 설명하는 것은 불가능하다. 따라서 본 장에서는 가장 널리 쓰이는 이축압출기인 교합형 동방향 이축압출기(intermeshingco-rotating twin screw extruders; 이하 Co-TSE)에 대해 비교적 자세히 다루고, 교합형 이방향 이축압출기(intermeshing counter-rotatingtwin screw extruders)와 비교합형 이방향 이축압출기(tangential counterrotatingtwin screw extruders)에 대해서는 그 특징만 간단히 설명하고자 한다.

 

그러나 본 장에서 설명되는 Co-TSE의 기본적인 여러 개념은 이 외의 다른 압출기를 해석하는 데도 원용할 수 있으며, 더욱 자세한 내용은 D.B. Todd가 정리한 ‘Plastics Compounding’(Todd, 1988), J.L. White의 ‘TwinScrew Extrusion’(White, 1990), J.L. White와 Helmute Potente의 ‘Screw Extrusion’(2002) 등의 저서에 잘 상술돼 있다.

 

이 중 특히 Todd의 저서는 위 세 종류의 널리 쓰이는 압출기를 각각의 기기 제작회사의 전문가들이 직접 기술한고급 실험 내용, 실제 적용 사례를 공학적으로 유용한 자료 등이 방대하게 서술돼 있어 실제 산업현장이나 연구계에 매우 유용하게 쓰일 수 있다.

 

또한, 이 저서는 자료를 구하기 쉽지 않은 연속혼련기(continuous mixer)와 Buss Ko-Kneader 등의 기기 해석에 관한 내용과 컴파운딩기에 사용되는 펠렛타이저, 건조(drying) 기기, 멜트필터 등도 아울러 다루고 있다.

 

한편 White의 저서는 이들 세 종류 압출기의 용융체 이송 공정들에 대한 기본적인 이론과 방대한 양의 기기의 발전 역사 등이 흥미롭게 서술돼 있다. 이후 White와 Potente가 공동 집필한 저서는 Kun Sup Hyun의 Hanser 시리즈 저작물의 일환으로 출판된 책으로 단축압출기, 사출기 가소화 기기, 양축압출기 및 다축 압출기 등의 다양한 압출기에 대해 비교적 소상히 다루고 있어 이 분야 연구자들에게 유용한 정보를 제공하고 있다.

 

 

 
김명호 박사는 서울대에서 유변학을 전공하고 1987년부터 현재까지 압출분야에서 연구를 수행해오고 있다. 단축압출기 및 이축압출기 설계, 다이 설계분야에서 세계적인 권위를 갖고 여러 글로벌 회사와 다양한 프로젝트를 진행해왔다. 1989년부터 LG화학, 미국 스티븐슨 기술연구소, 고분자 공정연구소 등에 근무하며 산업 일선에서 연구경험과 기술을 축적하고, 2009년부터는 한남대 화공신소재공학과 교수로 재직중이다. 현재는 플라스틱 압출분야 전문가로서 CNSPPT 압출분소장, 한국유변학회 이사, SPE Korea 자문위원 등 여러 활동을 병행하고 있으며, 특히 2010년 스타트업 벤처회사인 MKE를 설립해 다양한 가공성 평가장비를 국산화하고, 국내 기업에 기술 컨설팅을 제공하고 있다.

 

 

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18287   사출성형기의 이해 플라스틱코리아