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제목 압출기 배럴 1구간 온도의 중요성
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/09/25 10:05

압출기 배럴 1구간 온도의 중요성

압출기의 첫 번째 배럴 구간의 온도 설정값을 아무리 조정해도 원하는 결과가 나오지 않을 수 있다. 오히려 바라는 것과 정반대의 결과가 나올 수도 있다. 그 이유를 살펴본다.

 

아마도 압출 공정에서 가장 오해가 많은 부분은 배럴 1구간 온도의 효과일 것이다. 압출기의 피드(feed) 섹션 즉 원료공급 구간에서 고형원료(용융된 원료를 공급하지 않는 한)는 항상 용융 온도보다 훨씬 낮은 상태로, 압출 스크류는 송곳나사(auger) 같이 작동해 고형원료를 앞으로 운반한다.

이들 고형원료는 입자에 작용하는 항력 및 마찰력에 의해 압축된다. 압축이 이루어지는 과정에서 고형 폴리머가 힘을 받아 배럴 벽에 밀접하게 접촉하게 되면서 얼마간의 압력이 발생한다. 스크류가 회전하고 그 결과 압축된 고형원료 덩어리와 배럴 벽 사이에 마찰과 전단이 발생하고 또한 배럴로부터 얼마간의 열이 전도되면서, 배럴 벽에 인접한 고형원료는 표면에 얇은 용융 폴리머 층을 형성하기에 충분한 에너지를 축적하게 된다.

이는 낮은 온도 상태의 피드스롯에서 직경의 1~3배 지난 지점에서 일어나기 때문에, 이를 두고 흔히 “용융 지연(delay in melting)” 현상이라고 한다. 이 지점에서부터 추진력이나 산출량은 밑에 있는 고형원료를 끌고 가는 얇은 용융수지 박막에 의존하게 된다. 

배럴에서 전도된 열이 용융수지 층 또는 막이 처음 형성되는 단계에서는 어느 정도 기여는 하지만, 수지 용융이 시작되도록 하는 에너지의 대부분은 배럴 벽에 대한 폴리머의 마찰 항력에서 비롯된다. 폴리머는 열 전도율이 매우 낮다. 이는 가동을 시작하기 전의 차가운 상태의 압출기에서 폴리머를 녹이는 데 몇 시간이나 걸린다는 사실을 보면 알 수 있다.

용융이 시작되도록 하는 에너지의 대부분은 배럴 벽에 대한 폴리머의 마찰 항력에서 비롯된다. 용융수지의 막은 일단 형성되기 시작되면 배럴과 그 아래 있는 고형상태 수지 사이의 중간 층 역할을 한다. 이 층은 압출기 구동장치에서 나오는 에너지의 대부분을 흡수한다. 결국에는 스크류 플라이트의 푸싱 사이드(pushing side) 표면에 용융수지 풀이 형성되면서 용융이 더욱 진행된다.

따라서 첫 번째 배럴 존은 항상 기대한 대로 반응하지는 않는다. 특정 폴리머의 융점 아래 온도로 1구간을 차갑게 하면 용융 형성이 지연되고 결과적으로 압출기의 용융 길이 그리고 산출량까지도 단축시킬 가능성이 높다. 배럴은 폴리머에 비해 열전도율이 매우 높기 때문에, 배럴온도를 용융온도 아래로 맞추어 놓으면 용융 막에서 열을 빼앗아간다.

반대로, 배럴을 수지원료의 융점 보다 충분히 높은 온도로 가열하면, 용융 막의 점도를 낮추고 전단 응력을 감소시켜, 용융률과 산출량을 감소시키는 결과를 낳는다. 이상의 두 가지 반응 모두 작업자의 의도와는 정반대일 수 있으며, 용융 효율 및 산출량을 낮추는 결과를 초래할 뿐이다.

이 압출 시스템에서 힘의 균형을 살펴보면 배럴 벽에서 첫 용융수지의 형성과 점도가 압출기 산출량을 결정한다. 첫 용융수지가 1구간을 통과하는 속도가 압출의 최종 속도를 결정하는 것이다.

압출기의 구동장치에서 폴리머로 유입되는 전력은 가열 전력을 최대한 사용하지 않아도 대부분의 상용 규모의 압출기에 장착된 모든 배럴 히터의 전체 와트수 여러 배에 해당한다. 여기서 알 수 있듯 배럴 히터는 본질적으로 압출기의 가동 및 배럴 온도 프로파일을 약간 가다듬기 위한 것일 뿐이다.

그래서 필자는 용융 막의 생성 및 산출량의 첫 단추를 꿰는 데 중요한 역할을 할 수 있는 첫 번째 배럴 존을 제외하고는, 배럴온도 설정에서 “단열 중심” 접근 방식을 사용하는 것을 선호한다. 용융의 시작이 빠르면 빠를수록 유효 스크류 길이가 늘어나는 효과를 얻을 수 있다. 1구간의 바람직한 설정 온도는 폴리머의 융점 보다 약간 높은 온도다.

“단열 중심” 접근 방식이란 용융 막이 일단 형성되고 난 뒤에는 거기에서 많은 열을 추가하거나 빼앗지 않는 배럴온도 프로파일을 말한다. 다른 말로 해서, 배럴의 1구간이 지난 뒤부터는 장비 가동 후 최소한의 가열 또는 냉각이 이루어지도록 온도 제어장치를 설정하는 것이다.

또한 1구간이 피드스롯에 열을 전달해 피딩 속도에 추가로 영향을 미친다. 피드스롯의 온도를 올려주면 폴리머와 배럴 간의 마찰을 개선해 더욱 빠른 피딩 속도와 더 나은 안정성을 얻을 수 있다. 피드스롯 온도가 너무 낮으면 1구간 시작 부분의 열을 빼앗아 폴리머와 배럴 간의 초기 마찰 및 이른 용융 형성을 저해시키고 결국 산출량에 부정적 영향을 미치게 된다.

1구간의 바람직한 설정 온도는 폴리머의 융점 보다 약간 높은 온도다. 그렇게 했을 때 두 가지 목표를 이룰 수 있다. 우선은 용융 시작 단계에서 열을 빼앗지 않을 수 있다. 그리고 배럴 벽에 생성되는 용융 수지 막 점도의 큰 감소를 방지하는 것이다.

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19726   미니어처 압출 스크류에 대해 플라스틱코리아