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제목 슬릿다이 점도계 이용한 점도 데이터 측정 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/28 12:46

 

 

실험실 압출기에 연결된 슬릿다이(slit-die) 점도계를 사용하면 다양한 전단속도와 온도 용융수지 점도에 대한 정확한 데이터 생성이 가능하다. 플라스틱 가공에 있어 유용한 품질 관리도구로 이용할 수 있다.

 

다양한 전단속도에서 용융수지점도에 관한 데이터는 대부분 압출공정에서 그 유용성이 크다. 이 데이터는 귀중한 품질 관리도구 역할을 한다. 점도 데이터는 스크류 및 다이 설계 그리고 압출공정의 컴퓨터 시뮬레이션에도 필요하다.

압출기 스크류나 압출다이의 적절한 선택은 전단 속도의 함수로서 점도에 대한 지식이 필요하다. 또한, 모세관형 레오미터(capillary rheometer) 또는 슬릿다이 점도계로부터 점도 데이터를 확보함으로써 용융파단(melt fracture)과 같은 공정 불안정성을 정량화하고 예측할 수 있다.

이 칼럼에서는 실험실 압출기에 연결된 슬릿다이 점도계를 사용해 다양한 전단속도와 온도에서의 용융수지점도에 대한 정확한 데이터를 얻는 방법을 설명하고자 한다. 슬릿다이 점도계는 특히 모세관 레오미터와 비교해 유변학적 데이터를 확보하는 경제적인 방법을 제공해준다.

슬릿다이는 높이(H)보다 훨씬 큰 폭(W)의 직사각형 채널을 갖고 있다. (W>>H) 슬릿다이는 실험실 압출기에 직접 연결할 수 있다. 또는 기어펌프를 압출기와 슬릿다이 사이에 배치할 수도 있다. 그림 1은 이 연구에 사용된 슬릿다이 도면이다. 슬릿다이 벽면의 전단속도는 유동속도의 함수다. 겉보기 전단속도(apparent shear rate)는 다음의 식으로 구할 수 있다.

 

 

(벽면의 겉보기 전단속도) = (유동속도) × (6H 2 W)

 

거듭제곱 지수(power-law index) n을 가진 멱법칙(power-law) 유체의 실제 전단속도는 다음과 같다.

(벽면의 실제 전단속도) = (벽면의 겉보기 전단속도) × (0.667+0.333/n)

 

벽면의 전단응력은 측정된 압력 프로파일의 압력 경도(pressure gradient)로 구할 수 있다.

(전단응력) = 0.5H × (압력경도)

 

전단응력 및 전단속도로 전단점도를 계산할 수 있다.

(전단점도) = (전단응력) ÷ (전단속도)

 

전단속도 변화에 따른 점도 변화 데이터를 얻기 위해서는 압출기를 다양한 스크류 속도에서 가동시켜야 한다. 각 스크류 속도는 특정 유속 및 그에 따른 특정 전단속도에 대응한다. 유속을 알아내기 위해서는 각 스크류 속도에서 압출기 산출량을 측정해야 한다. 기어펌프를 사용하고 있다면 기어펌프 속도를 이용해 유동속도 및 전단속도를 계산할 수 있다.

 

 

데이터 수집 및 점도 계산

데이터 수집 시스템(DAS, Data Acquistion System)을 사용할 수 있다면 데이터 수집이 손쉽다. 이 연구에서 데이터는 미국 Graham Engineering사 실험실의 1인치 싱글스크류 압출기를 사용해 얻었다. 슬릿다이를 사용한 압출작업은 Rauwendaal Extrusion Engineering사가 Graham Engineering사와 협력해 실시한 세미나 워크숍의 일부로 이뤄졌다. 데이터 수집 소프트웨어는 Graham Engineering에서 사용하는 Navigator XC300 제어시스템의 일부다.

DAS에서 수집된 데이터는 CSV(쉼표로 구분된 값) 형식으로 엑셀 파일로 내보내졌다. 표 1은 400℉(204.4℃)의 압출기 및 다이온도를 사용하는 실험실 1의 스크류 속도, 유동속도 및 압력 데이터를 보여준다. 엑셀 프로그램은 데이터를 다양한 방식으로 가공할 수 있다. 이를 통해 압력경도, 전단응력, 전단속도, 전단점도 등을 자동으로 계산할 수 있다.

 

 

폴리머는 러시아연방 공화국의 하나인 타타르스탄 카잔의 Kazanorgsintez사가 제조한 0.5 MI HDPE 273-83을 사용했다. 압출기는 5, 10, 20, 40, 60 및 78rpm의 여섯 가지 스크류 속도로 가동 시켰다. 이 압출기의 최대 스크류 속도는 80rpm이었다. 적용했던 각각의 스크류 속도는 약 10sec-1에서 150sec-1까지 전단속도 범위에 대응한다. 압출기는 두 가지 온도, 400℉(204.4℃) 및 440℉(226.7℃)에서 작동시켰다.

이제 우리는 전단속도 함수로 용융수지점도를 결정하는 데 필요한 충분한 정보를 가지고 있다. 표 2는 로그-로그 그래프를 사용해 두 가지 온도에서 점도 대 전단속도를 보여준다. 로그-로그 그래프에서 데이터는 거의 직선형태를 보여준다. 이는 점도가 멱수(거듭제곱으로 된 수) 법칙 등식을 사용해 전단 속도의 함수로 나타낼 수 있음을 의미한다.

 

 

그림 2는 멱함수 곡선(power curve) 등식들을 나타내준다. 이 등식들로부터 우리는 두 가지 온도에서 일관성 지수(consistency index)와 거듭제곱 지수를 구할 수 있다. 동력 멱법칙 파라미터는 표 3에 나타나 있다. 거듭제곱 지수의 값이 400℉에서 440℉로 조금(약 5%) 바뀌는 것을 볼 수 있다. 일관성 지수는 400℉에서 440℉로 큰 폭으로(약 30 %) 떨어진다.

이제 우리는 두 가지 온도에서 점도 대 전단속도에 관한 데이터를 확보했다. 이 시점에서 압출기의 성능 특성을 분석하는 것이 도움이 된다. 이에 관해서는 다음 칼럼에서 집중적으로 다뤄보기로 한다.

 

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