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제목 재생원료 사용 시 최적화 방법
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/06/02 13:43

재생원료 사용 시 최적화 방법

 

더 많은 양의 스크랩을 효율적이고 경제적으로 활용하기 위해 재활용 가공업체는 재생원료에 신재 펠렛과 유사한 피딩(feeding) 특성을 “엔지니어링”할 필요가 있다.

 

대부분의 압출 공정에서는 경제적, 환경적 목적으로 리사이클링이 필요한 스크랩이 일정 수준 발생한다. 그러나 압출기 및 스크류로 효과 높은 리사이클링을 할 수 있는 재생원료의 양은 일반적으로 신재 펠렛과 재생원료 간의 물성 차이로 인해 제한을 받는다.

하지만 기존과 다른(異常) 가공이나 시운전 및 기타 생산 중단 등으로 발생한 스크랩을 산출속도를 낮추거나 산출속도 불안정 없이 제품의 품질 변화를 초래하지 않고 처리할 수 있는 방법이 수준 이상으로 훨씬 많다. 별도로 발생한 파쇄 스크랩을 더 많이 가공할 수 있도록 특별히 설계된 압출기 및 스크류가 없다면 저장 공간 부족에 시달리면서 적지 않은 돈이 묶이는 사태에 이를 수 있다.

대부분의 압출 공정은 산출량 및 공정 안정성에 작은 변화만 주어도 10%에서 20%까지 재회수 스크랩을 효과적으로 재가공할 수 있다. 일부 재생원료 가공업체들은 재생원료 사용을 더 높이기 위해 가공 조건, 그 중에서도 특히 온도 제어 조작에 전문적 기술을 개발하기도 했다.

신재 펠렛과 재생원료 사이의 이 같은 문제에 영향을 미치는 주요 변수는 부피 밀도와 고체 입자 유동 특성이다. 폴리머 제조업체들은 이익을 최대화하기 위해 원료 취급 및 포장 과정에서 최적의 부피 밀도 및 고체 유동 물성을 얻기 위해 펠렛 형상을 최적화하기 위한 노력을 아끼지 않는다는 점을 잊지 말아야 한다. 그 결과, 대부분의 신재 펠렛은 이같은 물성에 최적화된 상태로 출시된다.

신재와 재생원료를 함께 압출기에 투입할 때, 둘 사이의 부피 밀도와 입자 흐름 특성 차이로 인해 양쪽의 통합 부피 밀도 그리고 불균등한 입자 유동으로 인한 산출량 감소 때문에 전체 산출량 감소가 초래되는 경우가 흔하다. 산출량과 안정성 개선을 위해 신재와 재생원료의 이 같은 물성들을 편차 없이 보다 균일하게 만들기 위해서는 재생원료 물성에 더 많은 주의를 기울여야 한다.

보다 정확히 말하자면, 더 많은 스크랩을 효율적이고 경제적으로 활용하기 위해서 가공업체는 파쇄 스크랩에 신재 펠렛과 유사한 피딩 특성을 “엔지니어링”해줘야 한다. 이때 조절 효과에서 가장 큰 변수 두 가지가 재생원료의 부피 밀도와 고체 유동 특성이다. 재생원료는 그레뉼레이팅 후 스크랩의 형상, 균일성, 두께 등을 부피 밀도 및 고체 유동 등의 물성을 개선하는 방법으로 고려하는 경우는 거의 없다. 실제로, 필자가 최근 이야기를 나누어 본 업계 관계자들 중 여기에 관심을 갖고 조사해본 이는 매우 적었다.

재생원료를 효과적으로 가공하기 위해서는 신재 폴리머의 물성에 가능한 근접해야 한다.

더 많은 비율의 재생원료를 효과적으로 가공하기 위해, 재생원료가 신재 폴리머의 부피 밀도 및 고체 유동 물성에 가능한 근접해야 한다. 이를 위해서는 그레뉼레이팅 공정에서 더 세심한 조절이 필요하다. 그저 분쇄기에 스크랩을 집어넣고 되는대로 분쇄돼 나오는 것을 사용해서는 곤란하다.

부피 밀도 및 고체 유동의 물성은 측정하기 쉽다. 박막 필름을 제외한 대부분의 압출공정 스크랩의 경우 적어도 부분적으로는 조절이 가능하다. 부피 밀도는 곧 비 체적의 중량이다. 스크류의 피드 스롯 및 피드 섹션(이송부) 부피는 고정되어 있으므로 부피 밀도가 감소하면 산출량이 감소한다.

재생원료의 부피 밀도를 신재의 부피 밀도에 근접하도록 만들어주면 스크류로 유입되는 폴리머의 중량을 일정하게 유지할 수 있을 뿐 아니라 호퍼에서 피드 스롯으로 그리고 스크류로 원료 혼합물이 유동하는 동안 신재와 재생원료의 분리를 최소화할 수 있다. 고체 유동 특성은 재생원료의 “안식각(angle of repose)”을 측정해 이를 신재 펠렛의 안식각과 비교해 근사하게 만들 수 있다.

안식각은 눈에 띄는 분명한 지표로 보이지 않을 수 있지만, 이 지표는 놀랍게도 원료 입자들이 스크류의 피드 섹션에서 압축이 이루어지고 스크류 안으로 유동되는 방식에 영향을 미치는 입자와 입자 간의 마찰을 나타내준다. 입자 마찰은 느슨했던 폴리머 입자들이 조밀하게 됨에 따라 피드 플라이트 시작부에 형성되는 고형 수지 덩어리 또는 솔리드 베드(solid bed)의 강도를 나타낸다.

수지 입자들이 조밀화가 빠르고 효과적일수록 폴리머의 추가 공급을 위한 공간이 늘어나고 스크류 산출량 또한 늘어난다. 부피 밀도와 입자 마찰은 특정 압출기 및 스크류의 피딩 속도에 큰 영향을 미친다. 부피 밀도를 비교할 때 사용하는 용기는 분쇄기를 빠져나오는 입자의 불균일성 감소 효과를 더 높이기 위해 약 1갤런(3.78리터) 크기 정도가 적당하다.

매우 간단한 테스트이지만, 안식각은 스크류 위에서 그레뉼레이팅한 재생원료가 신재 펠렛과 얼마나 비슷한 거동을 보이는가를 비교해 볼 수 있는 좋은 지표다. 안식각은 컵에 담긴 원료를 테이블 위에 원뿔형으로 쌓아 놓은 원료 더미 위에 천천히 붓고 이 더미의 경사가 테이블과 이루는 각도를 측정해 얻을 수 있다. 이 각도가 클수록 펠렛 대 펠렛 간의 마찰이 높다.

재생원료는 일반적으로 신재 펠렛보다 더 높은 안식각을 갖지만, 그 차이가 압출기 성능에 미치는 영향을 최소화할 수 있도록 재생원료의 안식각이 신재 펠렛의 안식각과 근접하도록 하는 것이 목표다. 부피 밀도의 경우도 마찬가지이다. 재생원료의 부피 밀도는 항상 신재 펠렛보다 낮다.

재생원료를 사용하는 모든 공정에서, 재생원료 비율을 높였을 때 발생할 수 있는 가공 상의 난점을 확인하기 위해 반드시 부피 밀도와 안식각을 측정해 보는 것이 좋다.

재생원료를 사용하는 모든 공정에서, 재생원료 비율을 높였을 때 발생할 수 있는 가공 상의 난점을 확인하기 위해 반드시 부피 밀도와 안식각을 측정해 보는 것이 좋다. 필자는 최대 100% 분쇄 재생원료를 가공할 수 있게 설계된 특수 스크류의 경우에도 역시 마찬가지로 이 두 가지 값을 측정해 스크류 설계에 사용할 데이터와 비교해본다.

분쇄 재생스크랩의 특성을 어떻게 개선할 수 있을까? 여기에 영향을 가장 크게 미치는 변수는 그라인더(분쇄기)에 공급되는 스크랩 원료의 구성, 그라인더 스크린, 로터, 커터 바 및 블레이드 등이다. 서로 다른 두 가지 공정에서 나온 스크랩을 혼합하면 부피 밀도 또는 고체 유량 물성 조정 작업이 엄청나게 복잡해지기 때문에 피하는 것이 좋다.

그라인더 스크린이 재생원료 입자의 크기를 결정하는 기본 요소라면, 블레이드와 커터 바는 입자의 형태를 결정하는 경우가 많다. 최신 그라인더 설계에는 범퍼 블록, 커터 바 간격 또는 스크린 스큐잉(skewing) 등을 조정할 수 있는 기능이 추가되기도 한다. 이를 통해 부품을 분해하거나 교체할 필요 없이 재생원료 입자의 크기와 형태를 조정할 수 있다. 블레이드와 커터 바가 마모되면 원하는 부피 밀도 및 고체 유동을 얻는 데 큰 방해가 되는 결과를 낳기 때문에 그라인더 부품의 유지 보수 또한 중요하다.

재생원료의 최적화에는 약간의 시간과 비용이 들어가지만, 제대로 해놓고 나면 산출량 및 공정 안정성 손실을 최소화해 훨씬 더 높은 수준의 재생원료 활용 공정을 실행할 수 있다. 그리고 당연한 말이지만, 그라인더 제조사 및 제품에 대해서 충분히 조사해 숙지하는 과정이 필요하다. 최적화된 개선을 얻기 위해 반복을 최소화하는 것은 매우 중요하다.

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