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제목 헤드압력의 측정과 제어
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/10/04 11:54

 

용융수지 온도에 대해 신경을 써야 하는 것은 틀림없지만, 압출기 헤드압력을 소홀히 다루어서는 안 된다. 이 두 가지가 서로 밀접하게 연결돼 있어 압출라인 전체의 효율성에 영향을 미치기 때문이다.

 

압출가공 업체들이 헤드압력에 관해서는 크게 관심을 두지 않지만, 용융수지 온도에 대해서는 늘 신경을 쓰는 것을 보게 된다. 하지만 이 두 가지는 밀접한 연관이 있다.

 

개방된 토출부의 용융수지 온도는 압출기 내의 여러 가지 조건에 따라서만 결정되는 함수이다. 즉, 스크류 디자인, 스크류 속도, L/D 비율, 폴리머의 특성, 스크류 및 배럴의 상태, 배럴의 가열/냉각 효율 등에 의해 제어된다. 압출기의 여러 가지 변수 변화에 따라서 변동되는 일종의 기준 온도가 된다. 하지만 압출기 말단에 헤드압력이 가해지면 압력이 증가함에 따라 용융수지 온도는 이 기준 온도에서 비선형적으로 상승한다. 이는 압력유동이 만들어내는 폭포효과(cascading effect), 즉 스크류의 산출량이 헤드압력의 증가에 따라 줄어들게 되기 때문이다.

 

산출량이 감소한 상태로 스크류가 계속 회전하면 전단응력을 통해서 폴리머로 유입되는 에너지가 증가한다. 에너지 유입량의 증가는 용융수지 온도의 상승과 폴리머 점성 감소를 낳고, 이는 압력유동을 더욱 증가시키고 산출량은 더 큰 폭으로 감소하게 되는 것이다.

 

따라서, 용융수지 온도는 헤드압력과 관련이 있으며, 용융수지 온도가 올라가면 산출량 감소, 에너지 필요량 증가, 압출 후 다운스트림 공정에서 더 많은 냉각이 필요할 뿐 아니라 폴리머 물성의 열화(劣化)까지 초래할 수 있다. 그 결과, 제조비용은 올라가고, 손쉽게 진단해 바로잡을 수 있음에도 전체 시스템의 효율성을 불필요하게 약화시키게 된다.

 

용융펌프를 사용하면 헤드압력을 최고 헤드압력보다 훨씬 낮게 유지시킬 수 있어 이 같은 부정적 효과를 바로잡을 수 있다. 하지만 원료에 충전재가 함유돼 있거나 폴리머의 열화 및 오염 가능성 때문에 용융펌프가 불가능한 공정도 많다.

 

 

 

이 같은 공정에서는 압출라인의 효율성과 수익성 유지에 있어 적절한 다운스트림 다이 설계가 중요하다. 하지만 안타깝게도 다운스트림 장치 선정 시 헤드압력과 헤드압력이 전체 공정에 미치는 영향을 전혀 고려하지 않는 경우가 허다하다. 헤드압력은 적절한 설계를 통해 정확하게 측정하고 제어할 수 있다.

 

이는 대개 어댑터 및 유동파이프의 길이 제한, 알맞은 크기의 스크린 체인저 사용, 폴리머의 특성에 적합한 다이 디자인, 원하는 산출량에 적합한 유동채널 전체 사이즈, 다운스트림 장치의 적절한 가열 등과 같은 간단한 작업들이다.

 

가장 간단한 유동채널 형태로는 원형, 좁고 긴 슬릿형, 고리형 등을 들 수 있다. 이들 기본형태 채널마다 각각 헤드압력 근사치를 구할 수 있는 간단한 방법이 있다. 각 형태에 따라 기본적인 뉴턴 공식을 사용해 원리에 맞는 방식으로 나타내고 꽤 정확한 헤드압력 값을 구할 수 있다(위의 표와 그림 1 참조).

 

뉴턴 방정식을 사용하기 위해서는 전단율/점도곡선에서 해당 폴리머의 적정 온도상의 점도를 알아내야 한다. 뉴턴 분석법은 유동형태가 변화함에 따라 나타나는 벽면 및 입구에서 점성가열 효과와 같은 일부 점탄성 효과는 고려사항에 넣지 않는다.

 

정확한 점도를 구하기 위해서는 전단률을 계산해 전단율/점도곡선에 적용해야 한다. 때문에 이 값들은 다운스트림 장비 선택에 사용할 수 있는 근사치로서, 더욱 엄격한 컴퓨터 분석을 이용하지 않고서도 압출가공에서 압출기의 중요한 변수들이 미치는 효과를 나타내준다.

 

아래의 표에서 보는 바와 같이, 원형 오리피스에서는 압력이 통로 길이의 8배만큼 증가하지만, 반지름의 4제곱만큼 감소한다. 슬릿형 오리피스와 환형 통로의 경우, 압력은 통로 길이의 12배만큼 상승하고, 폭의 1제곱 그리고 높이 또는 바깥쪽과 안쪽 반지름 사이의 차이가 3제곱만큼 줄어든다.

 

 

 

따라서, 헤드압력을 최소화하려면 유동 통로를 가능한 한 짧고 최대한 크게 만들어줘야 한다. 하지만 ‘최대한 크게’하는 데는 명백한 제약이 따른다. 유동 통로 벽에 스케일이나 고정층이 형성되지 않도록 하기 위해서는 벽에 가해지는 전단응력이 충분히 커서 벽 부근의 원료가 끊임없이 새로 바뀔 수 있도록 해줘야 한다(그림 2 참조).

 

툴링 설계자들에 따라 선호하는 응력 수준이 다르지만, 통상 10psi 정도가 일반적이다. 벽에 가해지는 전단 응력이 너무 낮으면 체류시간의 차이가 크게 발생해 압출품에 온도 차이를 발생시키고 불안정한 유동을 초래한다. 열에 민감한 폴리머의 경우라면 통로 벽에 있는 폴리머층에 열화를 초래할 수도 있다. 아래에서 보듯, 통로 벽의 전단응력을 구하는 공식은 간단하지만, 압력강하에 따라 영향을 받는다.

 

벽면 전단응력= ΔP?R/2L

 

여기서 L은 원형 오리피스의 반지름값 또는 슬릿형 출구의 틈(H) 내지 환형 다이의 틈(R0-Ri)을 나타낸다. 다운스트림 툴링의 적절한 가열은 헤드압력 제어에 있어 중요한 요소다. 툴링의 온도는 용융수지 온도에 최대한 가깝게 유지돼야 한다.

 

그래야 통로 내벽에 스케일이나 온도가 낮거나 점도가 높은 폴리머의 고정층이 생기는 것을 막을 수 있는, 이들은 유동 통로를 좁게 만들어 압력 강하 폭을 크게 만드는 주범이다. 툴링을 냉각시킴으로써 용융수지 온도를 낮추기는 어렵다. 그렇게 하면 헤드압력 또한 올리는 결과를 낳을 뿐 아니라, 폴리머의 열전도성 자체가 낮아 그다지 효과가 없기 때문이다.

 

기존과 다른 형태의 채널을 사용하는 압출라인을 구성할 때는 산출량 및 냉각효율 계산에서 툴링의 헤드압력값을 고려해야 한다. 유동 통로 길이를 최소화하고, 유동 통로의 사이즈를 조절해 벽면 전단응력을 10psi에 가깝도록 유지해주는 것이 중요하다.

 
 

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18187   압출스크류의 간단한 성능평가 방법 ② 플라스틱코리아