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제목 트윈스크류 컴파운딩 압출기의 용융온도 관리가 중요한 까닭
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/04/29 13:34

트윈스크류 컴파운딩 압출기의 용융온도 관리가 중요한 까닭

 

공정 최적화 달성을 위해 동방향 회전(co-rotating) 컴파운딩 트윈 스크류에서 용융온도 및 열화(degradation) 관리 제어가 중요하다. 이것은 컴파운딩 업체의 성형 및 압출 고객들이 고품질 성형품 내지 압출물을 만들 수 있는지 여부에 큰 영향을 끼치기 때문이다. 이를 잘 보여주는 연구 결과를 살펴보기로 하자.

 

동방향 교합형(co-rotating intermeshing) 트윈스크류 압출기(twin-screw extruder. TSE)는 폴리머를 첨가제 및 충전재와 연속적으로 혼합하기 위해 컴파운딩 업계에서 가장 널리 사용되는 장치다(그림1). 이형 활성 성분을 활용하는 특이한 포뮬레이션이라 해도 이 같은 압출기를 사용해 가공된다. 높은 전단 및 온도에 노출된 원료는 열화(degradae)가 발생한다. 공정에서 전단력(및 에너지)이 가공하는 원료에 전달되고, 그 결과로 조성되는 용융온도 측정 방식을 전략적으로 잘 관리하면 성형품 및 압출품의 품질 향상에 도움이 된다.

 

트윈스크류 압출기 이론 및 설계의 기본사항

트윈스크류 압출기는 토크가 높은 스플라인 축(spline shaft)에 조립된 몇 개의 구간으로 나누어진 스크류를 사용한다(그림 2). 배럴 또한 모듈식으로 액체 냉각을 활용하고 모터는 회전하는 스크류를 통해 공정 안으로 에너지를 투입한다. 피더는 트윈스크류 압출기의 공정 섹션으로 원료를 계량해 전달해주고, 스크류의 rpm은 그와 별도로 공정 효율성을 최적화하도록 설정된다.

구간으로 나누어진 스크류 및 배럴은 동방향 회전 스크류의 적절히 제어된 펌핑(pumping) 및 와이핑(wiping) 특성과 결합해, 스크류 형상과 배럴 형상 공정이 목표로 하는 작업을 적절히 수행할 수 있는 방식으로 결합되도록 해준다. 그리고 고형 원료의 이송 및 용융은 공정 섹션 첫 번째 부분에서 이루어진다. 그 다음으로는 스크류에서 믹싱 및 액화를 담당하는 기계 요소들이 역할을 수행한다. 다음으로 압출기 토출을 담당하는 요소가 다이 또는 프론트 엔드 장치 방향으로 압력을 높이고 안정화시켜 준다.

공정에서 전단력(및 에너지)이 가공하는 원료에 전달되고, 그 결과로 조성되는 용융온도를 측정하는 방식을 전략적으로 잘 관리하면 성형품 및 압출품의 품질 향상에 도움이 된다.

공정 섹션의 자유부피는 각 스크류의 내경(ID)으로 외경(OD)을 나눈 값인 OD/ID 비율과 관련이 있다. 스크류 플라이트가 깊을수록 자유부피가 늘어나고 평균 전단속도가 낮아지지만, 결과적으로 스크류 축의 직경이 더 작아지게 되기 때문에 토크가 적어진다.

비대칭 스플라인 축 설계는 축 직경이 작을수록 그렇지 않은 경우보다 더 높은 토크를 전달할 수 있도록 최적의 동력 전달 효율을 제공한다. 이는 모터에 의해 축에서 스크류로 전달되는 접선력 벡터(tangential force vector)를 분리해냄으로써 가능하다. 많은 공정에서 높은 토크, 낮은 평균 전단, 높은 OD/ID 비율이 결합했을 때 유리한 결과를 얻을 수 있음이 입증됐다. 

라이스트리츠(Leistritz)사의 명칭별 규격에 따르면, HP 계열은 1.55/1의 OD/ID 비율이며, 대칭형 스플라인 축 설계를 사용하고, MAXX 계열은 비대칭 스플라인 축 1.66/1의 OD/ID 비율을 사용한다. OD/ID 비율이 올라갈수록 자유부피도 약 20% 증가하고, 토크 값도 높아진다.

 

실험을 통해 나타난 것

실험 데이터는 1.5/1의 OD/ID 비율에 실제 1.66/1 크기의 트윈스크류 압출기들을 사용한 비교 실험을 통해 생성됐다(그림 3). 공정 섹션은 바꿔서 사용할 수 있었고, 동일한 기어박스에 물려 사용했다. 1차 테스트는 40:1 L/D 비율의 공정 섹션과 40마력 모터를 사용해 첨가제를 배합하지 않은 니트레진(neat resin)을 원료로 수행했다.

MFI(용융유동지수) 12인 LDPE 분말 원료를 ZSE-27 HP(27mm 직경 스크류, 1.5/1 OD/ID 비율)와 ZSE-27 MAXX(28.3mm, 1.66/1 OD/ID)에서 가공한 테스트 결과 테스트의 각 인스턴스에서 체적측정식 공급 피드 용량이 속도 제한 요소였다. 1.66/1 OD/ID 비율 덕분에 공급 제한이 일어나기 전 피드 스롯에 더 많은 원료 공급이 가능했다.

이런 방식으로 달성 가능한 피드 속도의 증가는 약 20%로, 이는 OD/ID 비율이 높아지면 그에 따라 커지는 자유부피의 증가량과 유사하다. rpm(800 이상)이 높은 스크류에서는 이 증가 비율이 뚜렷하지 않았지만, 이는 스크류 팁 속도가 높아지면서 다소 원료 피딩을 억제하는 “프로펠러” 효과를 냈기 때문이다. 

많은 공정에서 높은 토크, 낮은 평균 전단, 높은 OD/ID 비율이 결합했을 때 유리한 결과를 얻을 수 있음이 입증됐다. 이에 따른 용융온도는 가공 원료의 각 kg에 투입되는 낮은 비에너지양(kWh)과 플라이트가 더 깊은 1.66/1 OD/ID 스크류 형상으로 인해 더 부드러운 믹싱 효과를 낼수 있어(더 높은 스루풋 양에서도) 1.66/1 OD/ID 비율 스크류가 더 낮았다.

ZSE-27 MAXX(1.66 OD/ID)에서 스크류의 용융구간 구성을 달리 함에 따라 달라지는 용융온도 비교를 위한 일련의 실험을 MFI 2의 PP 펠렛 수지를 사용해 추가로 수행했다(그림 4). 배럴 위치 3(12L/D)에 의해 용융이 완료되는 “공격적인(aggressive)” 형태의 용융구간을 배럴 위치 4(16L/D)로 정하고 용융이 완료되는 “확장된(extended)” 형태의 용융구간과 비교했다.

용융 후 단일 니딩블록(Kneading block) 세트를 사용해 서로 다른 용융구간 구성과 그에 따른 용융온도를 분리해 비교했다. 저압 토출 다이를 사용해 용융온도에 미치는 압력의 영향을 최소화했다. 이 실험에서는 용융온도 측정을 위해 플러시형 프로브와 침투형 프로브를 모두 사용했다. 테스트는 다양한 속도 및 스크류 rpm으로 수행했다.

공격적 형태의 용융구간 설계는 중립형(neutral)/광폭형(wide) 디스크 니딩블록 요소 그리고 역방향 요소 하나를 사용해 배럴 영역 3을 통한 폴리머의 완전 용융을 달성한다. 공격적인 용융구간은 L/D를 짧게 만들거나, 공정 후반부의 추가 장치 작동, 즉 주입, 믹싱 또는 액화 등을 위한 자유 공간을 확보하기 위한 목적으로 채택할 수 있다. 이에 비해 확장형 스크류 설계는 폴리머로의 전단 응력 투입이 상대적으로 덜 집중적인 협폭형(narrow) 디스크 니딩블록 요소를 사용함으로써 폴리머를 보다 점진적으로 용융시킨다. 확장형 용융구간은 가공하는 원료의 용융온도 및 전단응력 노출을 줄이고자 할 때 사용한다.

스크류의 용융구간 다음은 믹싱 과정에서 발생하는 온도상승을 최소화하기 위해 단일 니딩블록 구간이 설계된다. 온도 프로파일은 최적화시키고 다양한 스크류 rpms을 테스트 한다. 여기서 보는 용융온도 그래프 데이터는 휴대용 침투형 프로브를 사용해 얻었다.

모든 인스턴스에서 공격적 형태의 설계에서 용융온도가 확장형 용융구간 설계에 비해 훨씬 더(10~30°C) 높게 나타났다(그림 5). 침투 프로브가 플러시형 프로브보다 훨씬 높은 온도 측정 결과(때로 20~40°C 이상)를 보여주었다는 점은 주목해 볼만한 가치가 있다. 용융온도 측정 프로브가 용융 폴리머에 완전히 침투하지 못하면, 용융온도 측정값이 실제 보다 낮고 정확하지 않게 맞춰진 금속 어댑터 설정값에 영향을 받게 됨이 분명하다.

공격적 형태의 스크류 설계로 인해 조성되는 높은 온도는 스크류 rpm이 높아지면 연기와 변색이 발생하면서 용융수지에 열화(degradation)를 일으켰다. 또한 85%의 작동 토크를 목표로 하고 임계값에 도달할 때까지 속도를 높임으로써 두 가지 스크류 디자인 모두에서 달성 가능 속도를 극대화했다. 확장형 용융구간 설계는 공격적 형태의 스크류 설계보다 처리속도가 더 높으면서도 용융온도가 낮게 나타나는 결과를 보였다.

두 가지 방식의 용융구간(공격적 형태와 확장형)을 비교하면 공격적 형태의 용융구간이 확장된 형태의 용융구간보다 상당한 정도의 온도 상승을 보이는 동시에, 얻을 수 있을 스루풋 또한 낮게 나타났다. 공격적 형태의 스크류 설계로 인해 조성되는 높은 온도는 스크류 rpm이 높아지면 연기와 변색이 나타나면서 용융수지에 열화(degradation)를 일으켰다.

 

용융 온도에 영향을 미치는 기타 요인들

스크류 용융구간 설계는 용융온도에 직접적인 영향을 미치며 이 영향의 정도는 적지 않다. 이 구간의 온도 설정값 또한 용융온도에 영향을 미칠 것이다. 설정값을 높이면 용융온도도 높아질 것이라 생각하기 쉽지만 일반적으로 용융온도가 낮아진다. 따라서, 이 연구에서는 용융구간 설계와 관련된 용융온도 상승을 감소시키기 위해 역온도 프로파일(공정 최초 구간의 온도 설정값을 더 높게 하는 방법)을 선택했다.

시작지점에서 용융구간을 최적화 시켜주는 것이 좋기 때문이다. 용융뿐 아니라 과도한 전단 유도 없이 용융과 믹싱이 이루어지도록 스크류를 설계해야 하는 점은 명확하다. 믹싱을 위해 광폭형 니딩블록과 역방향 요소를 사용하면 더 많은 에너지가 공정에 투입되고, 이는 용융온도를 더 높이는 결과를 가져온다는 점을 스크류 설계시 고려해야 한다.

흔히 간과되는 점이지만, 트윈스크류 압출기의 토출부에서 압력생성 또한 용융온도를 높이는 역할을 한다. 프론트 엔드가 좁을수록 압력이 올라가고 그에 상응해 용융온도도 높아진다. 프런트 엔드 설계와 관련된 온도 상승 값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

Δ T(C) = Δ P(bar) ÷ 2

Δ T = 온도 변화(℃)

Δ P = 압력 변화(1 bar = 14.503 psi)

예를 들어, 트윈스크류 압출기로 500kg/hr을 처리할 때 다이 압력이 40bar(580psi)인 경우, 그로 인한 용융온도 상승값은 20°C(?T=40÷2)가 된다. 이 공식은 스크류 rpm, 토출 스크류 요소의 형상, 온도 설정값, 용융수지의 점도 등이 모두 용융온도에 영향을 미치는 요소들이기 때문에 그 값이 반드시 정확하지 않다 해도 상황을 이해할 수 있는 통찰을 제공한다.

요점은 동방향 트윈스크류 압출기에서 용융온도 관리를 위해서는 프론트 엔드 설계를 반드시 고려해야 한다는 것이다. 동방향 회전 트윈스크류 압출기에서는 스크류 설계, 프론트 엔드 구성, 온도설정 및 작동조건 등이 모두 트윈스크류 압출기의 공정에서 원료 수지가 겪게 되는 모든 것에 영향을 미치고, 결국은 최종 압출물의 특성에 직접적인 영향을 미친다. 용융온도를 적절히 관리하고 열화를 최소화하는 것은 고품질 부품을 만드는 데 핵심 사항으로 모든 폴리머 공정의 최적화를 달성하기 위해 제대로 이루어져야 한다.

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