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제목 헤드압력과 산출량 안정성
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2018/10/31 10:35

모종의 변화를 줘 후방충전을 보강함으로써 이 반응 메커니즘을 약화시키지 않으면 헤드압력과 산출량 안정성의 주기적인 진동의 반복이 계속된다. 항력유동, 압력유동, 실제산출량으로 계량구간을 채우고 있는 폴리머의 충전길이를 알아낼 수 있다.

 

 

지난 8월호와 9월호 칼럼에서는 항력유동(drag flow) 및 압력유동(pressure flow) 등식을 사용해 압출기 성능을 평가하는 방법을 알아봤다. 동일한 공식들을 특정 양상의 산출량 안정성 문제를 분석하는 데 사용할 수도 있다. 산출량이 일정한 리듬을 보이며 급상승하는 경우, 그 원인은 대부분 계량구간(metering section)에 폴리머가 부분적으로 채워진 탓이다.

 
산출량 안정성을 달성하기 위해서는 계량구간을 채우고 있는 폴리머의 특정 비길이(specific length)가 확보돼야 한다. 이 길이는 폴리머의 점도, 스크류 설계, 헤드압력에 따라 결정된다. 산출량의 급등은 헤드압력과 계량구간을 채우고 있는 폴리머 길이를 거의 완벽하게 주기적인 반응 사이클로 나타내고 있다.

 
계량구간을 폴리머가 완전히 채워지지 않으면 헤드압력과 균형이 맞춰질 때까지 후방충전이 발생한다. 이 같은 현상이 일어나면 항력유동에서 압력유동을 뺀 값이 실제산출량과 같아지게 된다.

 
압력유동은 어떤 디자인의 스크류에 있어서도 계량구간을 채우고 있는 폴리머의 길이와 폴리머의 점도 양쪽에 비례하게 된다. 그리고 계량구간이 헤드압력과 균형을 맞추기 위해 후방충전이 일어날 때 주기적인 산출량 급등이 발생한다. 하지만 그 균등화와 그에 따른 반응 사이의 지체가 존재하기 때문에 산출량에 약간의 변화가 생긴다.

 
이 과정 전체가 리드미컬한 변동 사이클을 이룬다. 다시 말해, 모종의 변화를 줘 후방충전을 보강함으로써 이 반응 메커니즘을 약화시키지 않으면 헤드압력과 산출량 안정성의 주기적인 진동의 반복이 계속되는 것이다. 항력유동, 압력유동, 실제산출량을 사용해 계량구간을 채우고 있는 폴리머의 충전길이를 알아낼 수 있다.

 
이 같은 유형의 주기적 산출량 급등을 막기 위해 확보해야 할 충전길이는 폴리머의 점도, 채널깊이, 헤드압력 등에 따라 달라지기 때문에, 일정하게 정해진 고정값이 있는 것은 아니다. 하지만 확실한 것은 그 길이가 최소한 스크류 플라이트 2개는 돼야 하며, 폴리머의 점도가 낮고 헤드압력이 낮은 경우에는 무려 플라이트 4개의 길이가 필요할 수도 있다.

 
이 같은 산출량 급상승의 원인은 헤드압력에 변화를 주면 간단히 확인할 수 있다. 헤드압력을 낮추면 산출량 급등의 빈도와 강도가 커진다. 반대로, 헤드압력을 높여주면 그 빈도와 강도는 줄어든다.

 

 
하지만 용융펌프를 사용해 흡착압력을 낮추거나 올려보면 용융구간의 불완전 충전이 문제인지, 또 산출량 급등의 빈도 및 강도가 앞서 말한 바처럼 압력에 따라 영향을 받는지를 명확히 알 수 있다. 실제 충전 정도를 가늠하기 위해서는‘충전길이(fill length)’에 대한 계산이 필요하다.

 
용융펌프를 갖추고 있지 않은 경우라면 다운스트림 폴리머 유동장치를 조절하는 방법을 통해 헤드압력을 변경해줘야 한다. 스크린 체인저(screen changer)를 사용하고 있는 경우라면 대개 스크린을 교체함으로써 효과를 볼 수 있다.

 
깨끗한 스크린을 사용할 때 나타나는 스크류 펄스(screw pulse)가 스크린이 이물질이나 노폐물로 막혀 헤드압력이 높아지면서 천천히 사라지는 것을 관찰할 수 있다.

 
이는 용융펌프가 있는 경우에도 압출기 스크류 속도가 배압 변동에 따라 변하면서 나타난다. 용융펌프 때문에 다이로 보내지는 산출량은 일정하지만, 스크류 속도는 끊임없이 변화한다. 이는 별문제가 아닌 것처럼 보일 수 있지만, 스크류 속도 변화는 용융수지 온도 또한 변화시키고, 이것이 최종 제품 품질에 영향을 미칠 수 있다.

 
특히 구조가 복잡한 프로파일 및 필라멘트와 같이 크기가 매우 작은 압출물에서는 그 영향이 두드러질 수 있다. 산출량의 주기적 급등은 헤드압력에 맞춰 설계되지 않은 2단계 스크류에서 매우 흔히 발생한다. 새로운 압출물 가공을 이제 막 시작해서 공정상에 나타나는 정확한 헤드압력을 알 수 없을 때 특히 자주 나타난다.

 
하지만 2차 계량구간을 1차 계량구간 깊이의 1.5배로 해야 한다는 식의 정확히 검증되지 않은 경험칙으로 인해 이 같은 문제가 초래될 수 있다. 단일 단계 스크류에0서 계량구간의 불완전 충전은 대개 부적당한 피딩이 그 원인으로, 이는 스크류 디자인 때문이거나 혹은 폴리머의 특성 탓에 산출량이 줄어들어 계량구간에 제대로 충전되지 않았기 때문이다.

 
필자는 아주 최근에 고분자량고밀도 폴리에틸렌(HMWPE)을 가공하는 스무스보어(smoothbore) 압출기에서 산출량의 주기적 급등현상이 지속적으로 나타나는 문제를 처리한 적이 있다.

 
HMWPE의 미끄러운 성질 때문에 피딩 속도가 기대보다 낮아지고, 이것이 계량구간의 불완전 충전으로 이어지는 경우가 종종 일어난다. 산출량 급등은 스크린 체인저를 활용해 헤드압력을 몇백 파운드 올려줌으로써 해결할 수 있었다.

 
유용한 팁 하나: 용융펌프를 사용해 흡입압력을 올림으로써 산출량의 주기적 급등현상을 없애고자 할 때는 펌프의 토출압력보다 충분히 낮은 상태를 유지해 주도록 해야 한다. 이렇게 함으로써 폴리머가 용융펌프 베어링 사이로 끊김 없이 잘 흘러 들어가 윤활작용을 원활하게 해 장비의 파손을 막아준다.

 

 

#헤드압력 #산출량안정성 #압출기스크류속도 #폴리머유동장치