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제목 배리어 스크류라고 다 같은 것은 아니다
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/09/26 12:36

 

 

배리어 스크류 가운데 평행(parallel) 타입과 크로싱(crossing) 타입에 따라 각각의 적합한 용도가 다르다. 평행 배리어의 용융 및 펌핑작용 성능 계산은 훨씬 쉽지만, 크로싱 배리어는 용융속도와 산출량을 정확히 계산해야 한다.

 

 

가소화 성능 향상을 위해 여러 해에 걸쳐 다양한 종류의 배리어 스크류가 설계돼 나왔다. 설계상의 몇몇 공통적 특징들이 있지만, 이 모두가 정확히 같은 방식으로 작동하지는 않는다. 필자는 평행 배리어 스크류(parallel barriers screw, 그림 1 참조)가 크로싱 배리어 스크류(crossing barriers screw)보다 몇 가지 장점이 있다는 것을 발견했다.

첫째, (이 점은 스크류 설계를 하는 필자에게는 특히 중요하다) 평행 배리어의 용융 및 펌핑작용 성능 계산이 훨씬 쉽고, 설계에 들어가는 시간이 단축된다. 일반적으로 장점이라 할 수는 없지만, 크로싱 배리어는 용융 속도와 산출량을 정확하게 계산하기 위해서는 더 많은 계산작업이 필요하다. 이는 고형수지와 용융수지 채널 깊이와 너비가 스크류상의 위치에 따라 지속적으로 바뀌기 때문이다. 따라서 이는 설계상의 오류발생 가능성을 키운다. 스크류 채널의 체적을 알아내는 작업은 수학 연습수준의 많은 계산이 필요하다.

성능 관점에서 크로싱 배리어 설계는 배럴 벽에 동일한 표면적을 구현하는 데 스크류 길이가 더 필요하다. 이 때문에 L/D 비율이 작은 스크류의 경우에는 산출량을 낮추거나 떨어지는 용융품질을 감수하는 설계를 해줘야 할 수도 있다.

필자가 다수의 크로싱 배리어 스크류와 평행 배리어 설계를 평가해본 결과, 배리어 구간 길이가 동일하고, 플라이트 리드 또한 길이가 같을 경우 크로싱 배리어 스크류가 평행 배리어 스크류에 비해 고형수지 채널면적이 약 3분의 2에 지나지 않는 경우가 대부분이었다.

필자가 검토해 본 평행 배리어 디자인들은 모두 약 66%의 고형수지 채널과 33%의 용융수지 채널 폭을 지니고 있었다. 배리어 디자인은 더 높은 산출량에서 용융수지 균일성을 향상시키는 목적을 가진 것이기 때문에 가장 큰 고형수지 채널면적에 따라 결정되는 더 큰 용융면적을 갖도록 설계하는 것이 더 유리할 것으로 예상된다.

 

 

두 번째 고려사항으로는 스크류 채널 깊이 대 폭의 비율(h/W)이 증가하면 항력유동(drag flow)이 감소한다. 이 채널 깊이 대 폭의 비율은 흔히 형상계수(shape factor)라 한다. 형상계수는 항력유동과 압력유동(pressure flow) 양쪽에 모두 영향을 끼친다. 그림 2는 항력유동에 미치는 형상계수의 영향 크기를 보여준다.

예를 들어, 스크류 채널 깊이가 0.600인치에 너비 3인치일 경우, 스크류 채널 깊이 대 폭의 비율(h/W)이 0.2에 이르게 되면, Fc(factor for drag flow, 항력유동계수; 흐름의 요인)는 계산을 통해 얻은 항력유동의 90% 수준으로 감소하고, 크로싱 배리어의 경우, 고형수지 채널구간 전체에서 항력유동이 감소하게 된다. 항력유동은 3인치에서 0.600인치의 일정한 깊이로 시작하는 이 채널의 중간지점에서는 72% 수준으로 감소하고, 끝부분으로 가면 더욱 감소하게 된다.

크로싱 배리어가 스크류 끝부분으로 갈수록 형상계수 때문에 항력유동이 감소하기 때문에 궁극적으로 용융수지를 효과적으로 제거하지 못하는 고형수지 채널 일부(매우 좁아지는 부분)가 생겨서 용융되지 않은 고형수지가 이 영역으로 유입되는 것을 막게 된다. 이렇게 항력유동 감소는 대략 배리어 길이의 마지막 1/3에 걸쳐 발생하며, 용융영역에 더 영향을 미치게 된다.

h/W 효과의 강도는 또한 폴리머의 점도에 따라 크게 달라진다. 다시 말해, 멱법칙계수(power-law coefficients)가 낮은 폴리머, 즉 전단감소(shear thinning)가 더 큰 폴리머일수록 더 큰 영향을 받는다. Dow Chemical Company의 Mark Spalding과 Castle Research Associates의 Greg Campbell씨가 2010년 SPE ANTEC에서 공동으로 발표한 논문 「싱글 스크류 압출기의 회전 유량 계산 보정에 대한 엔지니어링적 접근」에서도 다양한 멱법칙계수를 가진 폴리머에 형상계수가 미치는 영향을 보여주고 있다(그림 3).

Spalding과 Campbell의 연구에서 크로싱 배리어 타입 스크류는 멱법칙계수가 높은 폴리머에 더 적합하다는 것을 보여준다. 이는 폴리카보네이트 또는 나일론 66과 같은 중합체가 크로싱 배리어 디자인을 사용하기에 적합한 폴리머 후보군임을 의미한다. 흥미로운 사실은 PVC용 스크류가 Fc의 영향을 가장 많이 받는다는 점이다.

그러나 대부분의 PVC용 배리어 스크류는 크로싱 배리어 타입이다. 하지만 더욱 자세히 살펴보면 비정질 폴리머는 본질적으로 온도가 상승함에 따라 연화되고 확실히 정해진 용융점을 거치지 않으므로 용융영역의 영향을 그리 받지 않기 때문에 충분히 말이 된다. 고형수지영역을 최대화하는 것이 탁월한 배리어 스크류 디자인의 우수함을 판단하는 유일한 기준은 아니지만, 분명히 핵심적으로 중요한 요소 가운데 하나인 것은 분명하다.

평행 배리어 설계를 선택할 때 고려해야 할 또 다른 사항은 용융과정 중 고형수지층의 왜곡 가능성이다. 크로싱 배리어의 고형수지 채널의 폭(즉, 형상)이 끊임없이 변하기 때문에 이는 크로싱 배리어 스크류에서 흔히 발생하며, 고형수지층 끊김 및 용융속도와 용융품질 저하로 이어질 수 있다. 이 점은 고정된 용융점을 갖는 결정성 폴리머에는 평행 배리어가 더 적합하지만, 비정질 폴리머에는 그다지 중요하지 않음을 나타내준다.

크로싱 배리어는 앞서 말한 펌핑작용 성능의 제한으로 평행 배리어의 산출량과 동일한 산출량을 얻는 데 더 깊은 고형수지 채널이 필요하다. 그에 따라 채널을 깊게 해주면 배럴과 용융수지로부터 용융되지 않은 수지로의 열전달이 줄어들게 된다.

이런 점을 잘 보완할 수 있도록 성공적으로 설계 된 크로싱 배리어 스크류가 시중에 많이 나와 있기 때문에 스크류 길이만 충분하면 이러한 모든 한계를 극복할 수 있다. 하지만 결정질 폴리머와 비정질 폴리머의 각기 다른 필요사항을 설계시 충분히 고려해야 하며, 단순히 평행 배리어와 크로싱 배리어를 기하학적 구조로만 여기고 선택해서는 안 된다.

  

  

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