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제목 PE 필름에 나타나는 저층 백그라운드 겔 현상 줄이기
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/01 16:21

 

  

많은 경우 용인되기도 하지만, 필름에 나타나는 저층 백그라운드 겔(low-level background gel)현상은 불가피한 것이 아니며, 스크류 디자인상의 소소한 결함이 그 원인인 경우가 많다. 저층 백그라운드 겔에 대한 적절한 대처법을 살펴본다.

 

PE 필름들은 대부분 최종용도에서 대개 용인되는 저층 백그라운드 겔 현상을 보이는 경우가 많다. 이런 겔 발생은 불가피한 것이 아니다. 겔 발생은 스크류 디자인의 사소한 결함 때문으로 이런 유형의 저층 겔 발생을 줄이는 스크류 디자인 기술이 나와 있기 때문이다.

 

겔(gel)이라는 용어는 필름을 왜곡시키는 작은 불량을 말한다. 여기서 다루고자 하는 저층 백그라운드 겔은 대개 공장 품질관리 책임자의 시선을 끌지도 않고, 그런 겔이 있어도 필름은 여전히 ‘프라임(prime)’ 등급 제품으로 여겨진다. 여러 유형의 겔이 있지만, 아래와 같은 겔이 가장 흔히 발생된다.

 

  

1. 취성이 강한 흑점을 보이는 고도로 산화된 폴리머

2. 산화과정을 통해 교차결합을 이룬 폴리머

3. 분산이 제대로 이뤄지지 않았으나 교차결합이 발생한(혼합되지 않은) 고도로 얽힌 폴리머

4. 제대로 용융되지 않은 수지 또는 고형 폴리머 조각

5. 다른 종류의 수지 또는 금속, 나무, 섬유직물, 벌레 또는 먼지 등과 같은 오염물질

 

여기에서 중점적으로 다루고자 하는 두 가지 유형의 겔은 2와 3의 저층 교차결합 겔과 혼합되지 않은 겔이다. 교차결합 수지 겔은 대개 산화과정에서 형성돼 수지 사슬의 교차결합 및 변색된 겔을 발생시킨다. 고도로 얽힌 겔은 대개 서로 얽혀 압출과정에서 분산이 어렵게 된 고분자량 폴리머 사슬이다.

 

핫스테이지 현미경(hot-stage microscope)을 사용해 분석해보면 고도로 얽힌 유형의 겔은 스테이지(재물대) 온도를 올리면 용융되는 것을 관찰할 수 있다. 스테이지 온도를 다시 낮추면 겔은 다시 결정화돼 단단한 폴리머 조각 같은 겔 형상을 만든다.

 

  

이 겔을 용융 직후에 전단 응력에 노출하면 응력이 사슬을 얽힘에서 풀어놓아 냉각시켜도 다시 형상을 회복하지 않는 경우가 많다. 이 겔들은 산화되지 않았기 때문에 색 변화는 없다. 이를 두고 보통 분산이 안 된 겔 또는 혼합이 안 된 겔이라고 부른다.

 

겔이 발생하는 PE 필름 압출공정의 문제 해결은 겔의 다양한 유형 때문에 어려울 수 있다. 겔이 다양한 원인에서 나올 수 있기 때문에 문제 해결을 위해서는 겔의 특성 파악과 그 적절한 원인에 대한 이해가 선행돼야 하고, 그를 바탕으로 겔 불량을 완화하기 위한 공정상의 변화를 수행해야 한다.

 

‘모팻 소용돌이(Moffat Eddies)’ 로 인한 겔

많은 PE 필름공정에서 저층 겔이 연속적으로 나타난다. 이는 산화되거나 교차결합된 PE 원료인 경우가 흔하다. 이 경우는 흑점 또는 갈색 소프트 겔 형태로 나타난다. 이 겔들은 대개 스크류의 수지가 움직이지 못하고 정체된 구간에서 수지가 열화될 정도로 긴 시간 체류함으로써 생겨난다.

 

그림 2는 이런 유형 겔들의 현미경 사진이다. 겔의 크기는 대개 50~250μm 범위이다. 이 같은 백그라운드 겔의 가장 흔한 원인은 스크류 플라이트 곡면에 생기는 수지 정체구간이다. 정체구간은 플라이트의 곡면 부족 때문에 형성되는 ‘모팻 소용돌이(Moffat Eddies)’ 때문에 발생한다.

 

 

 

그림 3은 플라이트 곡면에 수지가 열화된 스크류 사진이다. 이 열화된 원료는 서서히 스크류에서 떨어져 나와 필름에 지속적인 저층 겔현상을 만든다. 수지는 오랜 기간 모팻 소용돌이 안에 갇혀있게 돼 항산화제를 첨가해도 열화를 막을 수 없다. 모팻 소용돌이는 그림 4에서 보는 바와 같이 급격한 모서리에 발생하는 반복순환 또는 소용돌이를 가리킨다. 다시 말해, 유체 상층부가 빨리 움직이는 공동유동방식으로 움직이면서 그림 4에서 보는 바와 같이 채널에 유동 순환이 만들어진다. 스크류 채널 모서리에 2차 순환이 발달해 채널 중심부위의 고속유동과 바깥쪽에 저속 나선형 소용돌이를 만들어낸다.

 

 

 

열화된 수지를 만들어내는 모팻 소용돌이는 스크류 채널 깊이보다 플라이트 곡면이 너무 작아서 발생한다. 플라이트 곡면이 더 크면 모팻 소용돌이 및 그로 인한 수지 열화는 일어나지 않는다. 플라이트 곡면 크기는 그림 5에서 볼 수 있듯 PE 가공에는 국부 채널 깊이보다 1.5배 큰 플라이트 곡면이 적당하다.

 

잘못 설계된 매독(Maddock) 믹서로 인한 겔

잘못 설계된 매독(Maddock) 믹서 또한 저층에 연속적으로 나타날 수 있는 두 가지 유형 겔의 원인이 된다. 이런 유형의 겔은 그림 2에서 보는 것과 같이 열을 받아 산화된 겔과 혼합되지 않은 겔이 포함된다. 혼합이 되지 않은 겔은 다이에서 토출될 때는 용융상태였다가 냉각시에 먼저 응고돼 단단한 폴리머 조각 모양의 고도로 얽힌 종류의 폴리머다.

 

  

가열과 응력과정을 거치면서 혼합되지 않은 겔의 현미경 사진이 그림 6에서 볼 수 있다. 혼합되지 않은 겔은 모든 용융수지에 압출 스크류 압출부 근처에서 한 차례 높은 수준의 응력을 가해주면 압출공정에서 쉽게 제거할 수 있다. 이렇게 응력을 가하는 작업은 상대적으로 믹싱 플라이트의 간극이 좁은 매독 스타일 믹서를 사용해 쉽게 처리할 수 있다.

 

매독 스타일 믹서의 구조는 그림 7에서 보는 바와 같다. 믹서는 여러 쌍의 유입 홈과 유출 홈 그리고 좁은 유동제한 통로를 지닌 믹싱 플라이트 등으로 설계된다. 수지는 유입 홈을 통해 흘러 들어오고, 수지 흐름은 믹싱 플라이트와 배럴 벽의 좁은 유동제한 통로를 통과한다. 이 좁은 유동제한 통로는 혼합 안 된 겔의 얽힘을 풀어주고, 업스트림 용융구간에서 유입되는 고형 폴리머 조각을 용융시키고 분산시킨다. 이 수지 흐름은 유출 홈을 통해서 스크류의 다운스트림 구간으로 이동한다.

 

  

매독 믹서에서 응력 수준을 상승시키면 혼합 안 된 겔이 압출물에서 제거된다. 믹싱 플라이트의 간극을 줄여주면 응력 수준이 올라간다. 혼합이 안 된 겔의 분산을 위해 필요한 응력 수준은 수지 종류 및 사슬 얽힘 정도에 따라 달라진다. 과거의 경험을 보면 혼합이 안 된 PE 겔의 분산에 필요한 응력수준은 약 100~200kPa였다. 매독 믹서의 믹싱 플라이트를 통과해 유동해가면서 원료가 받게 되는 전단응력은 아래의 등식 1과 2를 사용해 계산할 수 있다. 전단응력은 얽힌 수지를 풀어주는 역할을 한다. 이 계산은 스크류 회전의 물리학에 바탕을 둔 것이다.

 

등식 1: γΜ= π(Db-2λ)N / (u+λ)

등식 2: TΜ = ηγΜ

γΜ - 1/초 단위로 나타낸 믹싱 플라이트 위를 유동하는 평균 전단속도.

N - 회전 수/초로 나타낸 스크류 회전속도.

η - 믹싱 공정 온도 및 전단속도에서 전단점도.

Db - 배럴 지름.

u - 믹싱 플라이트의 언더컷 거리.

λ - 주 플라이트 간극.

TM - 믹싱 플라이트를 통과해 유동해가면서 원료가 받게 되는 전단응력.

 

매독 믹서는 두 가지 공통 원칙을 제외하고는 비정형 형태로 디자인을 권하고 싶다. 그 원칙에는 믹싱 플라이트 언더컷을 스크류 지름의 0.5% 정도로 맞추는 것이 포함된다. 대부분의 스크류 설계자들이 이 언더컷을 지름의 1~1.5%로 정하는 경우가 많다. 0.5% 정도의 적은 언더컷을 줘야 혼합이 안 된 겔의 얽힘을 풀어주고, 용융구간을 빠져나와 흘러나온 고형 폴리머 조각을 붙잡아 분산시킬 수 있다.

 

지름의 1~1.5% 정도 큰 언더컷은 혼합이 안 된 겔과 고형 폴리머 조각이 압출기 토출부를 빠져나가게 된다. 매독 믹서 설계에서 권하고 싶은 또 한 가지 공통 원칙은 유입 홈과 유출 홈의 깊이가 홈 폭의 절반이 돼야 한다. 홈이 그보다 더 깊은 경우 수지 열화가 발생해 완제품 필름에 겔이 생길 수 있다.

 

매끄러운 보어를 지닌 압출기 디자인에서는 매독 믹서의 홈이 너무 깊고 믹싱 플라이트와 배럴 벽의 간극이 큰 경우가 보통이다. 잘못된 디자인의 경우, 장치에서 압력 소비를 줄이기 위한 목적으로 홈 깊이를 지나치게 깊게 만들곤 한다. 이렇게 설계가 잘못되면 수지는 홈 구석에서 열화를 겪게 되고, 이는 곧 완제품 필름에 저층 겔이 생기는 원인이 된다.

 

겔 분석을 통해 불량 원인이 수지 열화라는 것이 밝혀지면 스크류에서 열화가 발생하는 지점을 찾아내는 가장 좋은 방법은 스크류가 뜨거울 때 압출기에서 꺼내 확인하는 것이다. 이 과정을 위해 스크류 회전은 계속 시키면서 호퍼의 펠렛 유입을 멈춰야 한다. 수지가 더 이상 다이에서 나오지 않을 때까지 스크류를 회전시킨다. 그다음, 스크류 회전을 중단시키고, 압출기의 토출기 말단에 연결된 이송라인을 제거한다. 뜨거운 스크류를 지름 3배 정도 밀어내서 사진을 찍은 다음 수지 열화 징후를 살핀다. 스크류의 금속 표면은 미세한 변색만 보일 뿐 전체적으로는 깔끔할 것이다. 만일 수지 정체구간이 존재하면 짙은 색깔의 열화된 원료가 들어찬 공간이 보일 것이다.

 

문제의 구간을 조사하고 사진 촬영을 마친 다음에는 황동으로 된 도구를 사용해 뜨거운 수지를 스크류에서 제거한다. 다시 지름 3배만큼 밀어내어 이 공정을 반복한다. 만일 공정에 원상태의 수지와 색상이 있는 마스터배치를 함께 가공하고 있다면 압출기에서 안료가 완전히 빠질 때까지 원상태의 수지를 사용해 퍼징을 수행한다.

 

 

 

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