기술강좌
 
홈으로로그인회원가입사이트맵이메일
 
HOME 기술강좌 압출성형

Since 1991

전시회 일정
국내전시일정
해외전시일정(상반기)
해외전시일정(하반기)
관련링크
관련협회
연구소
관련도서
관련 채용정보
제목 ‘멜트블로운’ 섬유 안면 마스크 시장 진입을 위해 반드시 알아야 할 사항
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/11/02 17:17

‘멜트블로운’ 섬유 안면 마스크 시장 진입을 위해 반드시 알아야 할 사항

 

코로나바이러스 팬데믹으로 전 세계의 압출 가공업체들이 안면 마스크 시장 진입 방법에 대해 많은 관심을 갖게 됐다. 하지만 멜트블로운 섬유는 대부분 다른 압출 공정과 크게 다르며 전문 장비가 필요하다.

 

코로나19 팬데믹은 수십억 개의 얼굴 마스크 수요를 낳았다. 이 같은 안면 마스크 최상의 필터링 소재 중 하나는 “멜트블로운” 공정으로 만든 촘촘하게 얽힌 미세 섬유다. 안면 마스크 시장이 현재 활짝 열려 있지만 압출 공정업체들은 무작정 뛰어들고 있다

멜트블로운 가공으로 만든 마이크로 섬유는 마스크를 만들기 위해 샌드위치처럼 기존에 쓰이던 두 겹의 방수 직물 두 사이에 삽입된다. 현재 PP가 이러한 섬유에 가장 널리 사용되는 폴리머지만, 필요한 여과 특성에 따라 다른 고유동 폴리머 또한 사용할 수 있다.

지금까지 대부분의 멜트블로운 섬유제조는 산업용 필터, 특히 석유 및 화학산업에서 쓰이는 제품을 만들기 위한 것이었다. 이 가공에 필요한 폴리머는 미세 섬유를 만들기 위해 쉽게 연신시킬 수 있도록 높은 용융 흐름을 지니고 있어야 하고, 점도는 뜨거운 시럽과 다소 비슷한 10분에 300~1500g/10 수준이어야 한다.

멜트블로운 섬유 제조는 다이의 미세한 구멍을 통해 폴리머를 강제로 밀어내기 위해 높은 압출기의 토출 압력이 필요하다. 여기에 필요한 다이는 시트 압출용 다이와 비슷하지만, 다이 전면에 슬릿 대신 0.010~0.015인치 간격으로 수천 개의 미세한 구멍이 있다.

다이 너비 30cm 당 많게는 1,000개의 구멍이 있을 수 있다. 이 구멍의 지름은 0.003인치(0.076cm)밖에 안되지만 안정성을 위해 긴 L/D(구멍의 지름에 대한 깊이 비율)를 지니고 있다. 점도가 매우 낮은 폴리머를 사용해도 긴 L/D를 가진 미세한 구멍을 통과하며 발생하는 압력 강하는 수천 psi 수준일 수 있다.

폴리머 섬유는 미세한 다이 구멍을 빠져나오면 뜨거운 초음속 에어 스트림 안으로 들어가고, 이를 통해 섬유는 길게 뻗어 늘어나서 무작위로 엉킨 뒤 진공 수집기 드럼 위로 증착된다(그림 참조). 뜨거운 에어 스트림은 초 당 1,000 피트 혹은 시간 당 680마일이 넘는 속도를 지니고 있다.

이 뜨거운 공기는 용융온도나 그보다 높기 때문에 연신 과정에서 용융 상태의 섬유를 냉각시키지 않는다. 공정상에서 연신 단계는 짧은 거리에서 매우 빠르게 일어나기 때문에, 섬유의 최종 두께는 0.00001~0.000015인치 로 끌어내려진다.

이렇게 늘어난 섬유는 그 다음 차가운 공기로 냉각되어, 진공 수집기 드럼위에 깔려 롤로 와인딩 된다. 이 지점까지 오면 섬유는 마치 솜사탕처럼 보인다. 여러 가지 가공 조건에 변화를 주어 다양한 두께, 배향, 밀도 등을 얻을 수 있다. 또한 많은 생산라인에서는 사용 시 섬유가 오염물 입자를 가두어 두는 능력을 높이기 위해 섬유에 정전하를 부여한다.

보어가 매끄러운 압출기는 적당한 출력 속도에서 필요한 토출 압력을 조성하는 데 어려움이 있을 수 있다. 이러한 종류의 가공에 가장 적합한 압출기는 무엇일까? 원료로 사용할 폴리머가 매우 높은 유동성과 낮은 점도를 지니고 있기 때문에, 보어가 매끄러운 압출기는 적당한 출력 속도에서 필요한 토출 압력을 조성하는 데 어려움이 있을 수 있다. 이와 관련한 성능을 향상시키는 데는 두 가지 방법이 있다.

1)이 그림은 그루브 피드(grooved-feed) 압출기를 사용했을 때를 나타낸 것으로, 그렇지 않은 경우에는 용융 펌프가 추가돼야 한다.

1)이 그림은 그루브 피드(grooved-feed) 압출기를 사용했을 때를 나타낸 것으로, 그렇지 않은 경우에는 용융 펌프가 추가돼야 한다.

유럽 지역 압출기 제조업체들을 홈(그루브)이 있는 배럴을 사용해 압출 헤드 압력을 높이는 방법을 채택한 반면, 미국쪽 제조업체들은 압출기 다이의 보어 즉 구멍의 L/D를 길게 해주는 방법을 선호하는 경향이 있다. 보다 최근에는 용융 펌프를 장착하는 방법을 택하기도 한다. 이런 방법들은 각각 장단점이 있다.

필자는 최근에 긴급하게 멜트블로운 섬유 기술을 사용한 마스크 제조로 뛰어들고자 하는 업체를 상대로 컨설팅을 진행한 적이 있다. 업체 관계자들은 자신들의 기존 압출장비를 크게 바꾸지 않고도 그대로 사용할 수 있다는 데 놀라움을 표했다. 따라서 라인 비용을 절감하고 장비의 가용성을 높이기 위해, 이 가공업체는 일단 고유동 폴리머에 적합한 특수 스크류가 장착된 그루브 배럴 압출기로 마스크 생산을 시작하기로 결정했다.

가공업체가 공정에 필요한 압력 조성을 위해 그루브 배럴 압출기를 사용하든 아니면 매끄러운 다이 보어 압출기에 용융 펌프를 장착해 사용하든, 이 공정에는 특수 디자인 스크류가 필요하다. 낮은 용융 점도를 지닌 폴리머라도 여전히 동일한 온도에서 용융되며, 압출 가공업체가 해당 원료 가공에 보다 익숙해질수록 원료 용융에는 동일한 양의 전력이 필요하다.

압출기 스크류는 점성 소산 또는 폴리머에 가해지는 회전 스크류의 전단 작용을 통해 폴리머를 용융시키면서 자신이 가진 대부분의 에너지를 폴리머로 투입시킨다. 특정 스크류 디자인에서 폴리머로 투입된 전력의 양은 사용하는 폴리머의 점도 및 농도에 비례한다.

다시 말해, 점도가 낮은 폴리머를 처리하는 데 충분한 출력과 전단을 얻으려면 압출기 스크류는 매우 얕은 채널에 높은 rpm으로 회전시켜야 하는데, 이는 현재 사용하고 있는 대부분의 압출장비의 가동 조건과는 매우 다른 것이다.

 

 

작성자   비밀번호
19800   압출기 배럴 1구간 온도의 중요성 플라스틱코리아