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제목 다중소재 재활용을 위한 스크류 설계 평가
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/12/01 17:20

다중소재 재활용을 위한 스크류 설계 평가

 

플라스틱 제품은 많은 경우 용용점이 크게 차이가 나는 소재를 조합해 만들어지기 때문에, 이런 제품을 재활용할 경우 스크류 설계에 각별한 주의를 기울여야 한다. 특별한 물성을 제공하는 여러 층의 폴리머로 이루어진 반결정질 폴리머는 더 주의해야 한다.

 

재활용의 중요성이 커진 최근에는 공압출 또는 다중사출성형된 제품을 재활용할 경우 가공 상의 문제를 방지하기 위해 충분한 사전 고려가 요구된다. 플라스틱 제품은 많은 경우 차폐, 광택, 색상, 마모 등과 같이 매우 얇지만 재활용을 위해 스크류를 설계할 때 반드시 고려해야 한다. 왜냐하면 특별한 물성을 제공하는 여러 층의 폴리머로 이루어져 있기 때문이다. 이는 반결정질 폴리머의 경우 특히 그러하다.

반결정질 폴리머는 용융점에 아주 가까워질 때까지 조금도 연화되지 않는다. 예를 들어, PET같은 반결정질 층을 공압출 또는 오버몰딩한 HDPE와 같은 반결정질 폴리머로 만든 성형품이 있다고 가정해 보자. 이 경우, HDPE는 130°C(266°F)에서 녹고 PET는 260°C(500°F)에서 녹는다.

재활용하고자 하는 제품의 주요 소재가 HDPE인 경우, 즉 90%가량이 HDPE인 경우, 통상의 가공온도는 대개 188~204°C(370~400°F) PET의 범위다. PET는 이 온도대에서는 용융은커녕 부드러워질 기미도 보이지 않는다.

어찌어찌 해서 PET를 녹을 수 있는 지점까지 전체 처리 온도를 높인다 해도 HDPE가 열화(劣化)되거나 타버릴 수 있다. 그 반대의 경우도 역시 문제가 된다. 주 폴리머가 PET인 경우 필요한 가공온도에서 HDPE에 심한 열화가 발생한다.

비정질 폴리머 층으로 이루어진 성형품이나 비정질 폴리머를 결합해 만든 제품을 재활용할 때는 통상적인 가공 온도보다 훨씬 낮은 온도에서도 연화되고 고무처럼 바뀌는 경우가 대부분이라 이런 문제가 덜하다. 따라서 이런 경우에는 정상적인 가공온도와 이런 비정질 소재들이 스크류의 좁은 유격을 통과할 수 있게 되는 시점 사이에는 상당한 차이가 발생할 수 있다.

이 소재들의 연화점을 유리전이온도 또는 Tg라고 한다. 하지만 비정질 폴리머에서도 스크류를 막히게 하지 않기 위해서 각 폴리머의 Tg 차이가 어느 범위 이상이 되면 안된다는 제한이 있다. 반결정질 폴리머 또한 Tg를 지니고 있다. 이것을 반결정질이라고 하는 이유는 비정질 폴리머를 일부 포함하고 있기 때문이다.

그러나 이는 일반적으로 폴리머의 유동 특성에 큰 영향을 미치지 않으며, 용융점에 도달하기 전까지는 유동하지 않는다고 말할 수 있다. 따라서 본 컬럼의 목적에 비추어 보아 반결정질 폴리머에는 용융점이 Tg보다 더 많은 의미를 갖는다.

결정질 폴리머 층을 갖는 공압출 또는 다중사출성형된 제품을 재활용할 때는 배리어 스크류와 (다양한 종류의 매독[Maddock] 스타일 믹서 같은) 전단형 믹서 사용에 주의를 기울여야 한다. 만일 제품을 이루는 레이어 중 하나가 주 소재로 쓰인 폴리머의 정상 가공 온도보다 훨씬 높은 용융점을 가진 반결정질 폴리머로 이루어진 경우에는 이것이 배리어 플라이트와 믹서 랜드 사이의 좁은 유격 뒤에 갇히게 된다.

용융점이 더 높은 반결정질 수지는 절대로 부숴져 배리어 플라이트나 믹서의 전단 유격을 통해 유동하지 않는다. 상대적으로 낮은 비율이지만(5% 미만) 일부 용융점이 더 높은 폴리머는 스크류에 끼여 출력을 불안정하고 감소하도록 만들기도 한다.

필름을 포함해 어떠한 종류의 재활용 원료를 가공할 때에도 스크류 설계가 폴리머의 성분 구성에 적합한지 여부의 검토를 위해 성분 폴리머의 용융점 및 각 소재 간의 연화점 차이를 주의 깊게 살펴야 한다. 만일 온도와 관련해 제품에 사용된 소재들 간의 차이가 너무 클 경우에는, 배리어 스크류와 유격이 좁은 전단형 믹싱장치 사용에 각별한 주의가 필요하며, 가급적 이러한 장치 없이용융이 가능하도록 스크류 설계를 고민해야 한다.

하지만 이렇게 하면 산출량에 제한이 발생할 수 있기 때문에, 재생원료 가공의 수익성 자체에 대한 평가를 내릴 때 이 부분이 감안돼야 한다. 유격이 좁지 않은 스크류에서는 더 높은 용융온도 또는 더 높은 Tg 소재가 마치 불활성 충전재처럼 스크류를 통과할 수 있다. 

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