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제목 공압출(Co-extrusion) 전에 반드시 알아야 할 사항
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/03/30 13:44

공압출(Co-extrusion) 전에 반드시 알아야 할 사항

공압출(co-extrusion)은 단층 압출보다, 폴리머 압출에 관해 훨씬 더 많은 지식을 필요로 한다. 적절한 공정 운영 인력이 준비되어야 하고 고려해야 할 사항도 많다. 적절한 압출기 사이즈의 결정부터 툴링, 원료 점도일치 등 여러가지 중요한 사항들을 고려해야 한다. 그것들을 간략하게 살펴보기로 하자.

 

우선, 완성된 압출물에서 요구하는 여러가지 성능을 충족하는 동시에 서로 견고한 구조를 이루며 결합할 수 있는 폴리머 원료들을 선정하는 것이 중요한 필수사항 이다. 폴리머 간의 결합은 각 폴리머의 표면 에너지 양에 주로 좌우된다. 완제품 공압출물에 요구되는 성능을 구현하기 위해 선택된 폴리머가 충분한 결합 강도를 제공하지 않는 경우, 별도의 접착층(tie layers)을 써야 하고, 이를 위해 추가적 압출장치를 필요로 한다.

 

의료 튜브용으로 설계된 정밀 압출 풀러/커터(puller/cutter)

완성 제품의 최종 용도에 따라 결정되는 많은 성능 요소들 가운데 주요한 몇 가지는 유연성, 내화학성, 투과성 및 이상적인 레이어 배치 등을 들 수 있다. 특히 시트 및 캐스트 필름 애플리케이션의 경우, 가공업체는 다중 매니폴드 다이(multi-manifold die) 또는 공압출 피드블록(coextrusion feedblock) 중 한 가지를 선택해야 한다.

일반적으로 공압출 피드블록은 더 많은 유연성을 제공해주는 동시에 초기 비용을 줄이고 유지보수 필요성이 적다. 다중 매니폴드 다이와 공압출 피드블록 양쪽 다 레이어 별 유동속도를 조정할 수 있도록 다양하게 설계된 밸브를 사용할 수 있지만, 각 레이어의 산출량을 정밀하게 제어하기 위해 용융펌프가 널리 사용되고 있다. 경험이 풍부한 공압출 장비 제조업체를 꼼꼼히 따져 선정함으로써 그들이 제안하는 공압출 라인에 적합한 폴리머 원료의 선택, 장비의 구조 및 설계 등 필요한 모든 기술적 정보를 제공하도록 해야 한다.

 

완성된 압출물에 요구되는 여러가지 성능을 충족하는 동시에 서로 견고한 구조를 이루며 결합할 수 있는 폴리머 선정

하지만, 실제 라인에서 매일매일의 운영은 압출기를 빠져나오는 용융수지의 점도에 크게 좌우되며, 이는 여러 레이어가 결합될 때 다운스트림 툴링에서 용융온도(melt temperature) 및 전단속도(shear rates)에 의존한다.

새로운 공압출 제품을 생산할 때, 원료 간의 점도가 서로 일치하지 않으면, 그와 유사한 공압출 제품을 기반으로 모든 것을 올바르게 설계한 경우라 해도 여러 가지 품질 문제가 발생할 수 있다.

공압출 공정에서 이 부분은 현장 라인 운영 인력의 경험과 지식 그리고 다양한 온도 및 전단속도에 따른 폴리머 점도 변화에 대한 이해 정도에 따라 달라진다. 하나의 공압출 구조에서 사용되는 각 수지의 폴리머 전단속도/점도 곡선들은 실제로는 서로 교차할 수 있어 공정 윈도우가 매우 좁아지는 결과를 초래할 수 있다. 때문에 레이어 별 원료 선택에서 각 폴리머의 전단속도/점도 곡선패턴 및 멱함수지수(power-law indexes)를 고려해야만 한다.

500℉(260℃)에서 용융되는 폴리머에 265℉(129℃)에서 용융하는 폴리머를 레이어로 입히면 계면 불안정성 및 레이어 왜곡을 피하기 위해 원료 간의 점도를 일치시키는 것이 매우 어렵다. 따라서 사용하는 각기 다른 폴리머의 유리전이 온도 또한 고려해 사용해야 한다.

공압출 구조에서 요구하는 수준에 맞추어 압출기 크기를 결정하는 것도 중요하다. 그래야 모든 구조에서 특별한 스크류를 사용하지 않고도 비슷한 용융온도를 만들어 낼 수 있기 때문이다. 최근 3개의 공압출기를 지닌 라인으로 얇은 HDPE 캐스트 필름 생산 공정을 본 적이 있다. 

이 3개의 압출기(각 3.5인치, 4.5인치, 6인치 크기)는 산출량에서 차이가 많이 났다. 그 차이가 때로는 두 배에 이르렀다. 이 때문에 3개의 압출기로부터 나오는 각 레이어의 점도를 일치시키는 것이 거의 불가능했다. 그리고 매우 낮은 산출량으로 가동하고 있어 원료들 간의 용융온도가 비교적 유사해지는 경우를 제외하고는 거의 모든 종류의 계면 불안정성이 발생했다.

 

폴리머들 간의 점도 불일치는 레이어 왜곡의 주원인이다.

용융 펌프를 사용해 툴링 밸브를 우회시켜 산출량 변동을 막을 수 있지만, 이는 용융 온도에 더 많은 영향을 줄 수 있다. 용융온도 및 산출량 모두와 관련해 압출기의 산출량 안정성은 본질적으로 극히 중요하다. 특정 스크류 설계에서, 용융온도는 주로 스크류 속도 및 헤드 압력에 의해 제어되며, 배럴 온도는 그보다 적은 범위에서 영향을 미친다. 하지만 단열 압출공정을 수행하면 거의 늘 전체 공정 안정화에 도움이 된다. 단열 압출은 배럴 온도의 열 순환이 최소인 온도설정, 즉 가열이나 냉각이 필요 없는 온도 설정값을 찾는다.

폴리머 간의 점도 불일치는 레이어의 뒤틀림을 야기한다. 하지만, 레이어 중 어느 한 곳에서라도 과도한 전단이 발생하면 용융수지 균열을 일으킬 수 있다. 이는 일반적으로 용융온도를 상승시켜 바로잡을 수 있지만, 그 결과로 각 레이어의 온도 또한 올려줘야 한다.

용융온도의 불균일성은 압출된 시트에 지그재그 패턴 또는 물결 무늬를 유발할 수 있다. 가능하다면 가장 안정적인 시스템이 필요하다. 다이스웰(die swell) 현상은 폴리머마다 다르게 나타나며 폴리머의 온도 및 전단 속도의 영향을 받는다. 때문에, 수익성 있는 라인 운영을 위해 레이어 두께에 변화를 줄 수도 있다.

이상의 내용들은 공압출 가공에 경험이 없는 이들을 위한 당부의 조언들이다. 단층 압출의 경우에는 보조 어댑터 및 다이를 장비의 일부로 사용하는 경우가 아닌 한 단층이 적용되지 않는다. 추가 어댑터 및 다이를 사용하면, 필요 없는 압출기를 차단 및 분리할 수 있을 뿐 아니라 피드블록 또는 다중 매니폴드 다이를 바꾸어줄 필요가 없다. 더불어, 위에서 언급한 문제들 또는 여기서 언급하지 않은 문제들을 어떻게 다룰 것인지에 관해 운영 인력에 대해 적절한 훈련과 교육을 진행하면 지적된 시간과 불량을 크게 줄일 수 있다.

동일한 폴리머용으로 설계했더라도 스크류는 특정 속도와 특정 용융온도에 맞게 설계돼야 한다. 이 조건에서 일반적으로 스크류의 최대 능력 또는 그에 근접한 능력을 얻을 수 있다. 따라서 스크류 하나는 1/3 속도로, 다른 스크류는 2/3 속도로, 세 번째 스크류는 최대 속도로 돌리면 각각의 스크류에서 얻을 수 있는 용융온도가 크게 달라진다.

폴리머는 열전도성이 열악하고, 우수한 공압출 블록은 레이어가 서로 섞이는 것을 방지할 수 있도록 설계되어 있다. 때문에, 각 레이어들은 공압출 블록을 통과하는 과정에서 자신의 온도를 유지하다가 층은 비로소 다이에 이르면 온도가 균질화된다. 따라서 여러 레이어들이 단일 온도로 안정화되는 데는 상당한 시간이 걸릴 수 있다.

이를테면 위에서 언급한 HDPE 캐스트 필름 공압출 라인의 경우, 3개의 압출기를 모두 가동시켜 작동하지 않고 있는 압출기에서 나온 수지가 공압출 블록에서 열화(degradation) 되는 것을 방지할 필요가 있다.

kplastic1991@daum.net

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