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제목 폴리머의 점도가 용융온도에 미치는 효과
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/12/30 09:37

폴리머의 점도가 용융온도에 미치는 효과

가공업체는 공정에 사용하거나 사용을 고려하고 있는 폴리머의 점도 곡선을 입수해 이를 어떻게 읽고 활용할 것인지 배워야 한다. 다양한 온도에서 보이는 슬로프(slope) 및 오프셋(offset) 모두를 보여주는 전체 곡선을 살펴보는 것도 중요하다.

 

플라스틱 압출이 등장한지 약 100년이 됐다. 하지만 이런 긴 역사에도 폴리머 전단률(shear rate) 및 점도곡선(viscosity curves)의 폭넓은 사용과 이해는 여전히 부족하다. 필자는 최근 경험이 꽤 풍부한 파이프 가공업체로부터 자신들이 평가 중인 새 폴리머의 용융온도가 어째서 그리 높은지에 관한 자문을 받은 적이 있다.

이 회사는 MI(용융지수) 0.35의 분별 용융지수(fractional melt index) HDPE(고밀도폴리에틸렌)를 MI 0.06의 바이모달(bimodal) HDPE로 변경하면서, 사용하는 다운스트림 냉각 설비에 맞도록 용융온도를 낮게 유지하려 했다. 이 과정에서 배럴온도를 크게 낮추었지만, 용융온도는 낮아지지 않고, 시스템에서 너무 많은 열을 빼앗겨 구동장치 과부하를 초래했다.

기본적으로, 압출기에서 용융 및 용융온도 상승은 주로 배럴 보어와 스크류 사이의 공간에 들어있는 용융된 폴리머를 “스트레칭(stretching)”시킴으로써 이루어진다(그림 참조). 처음 용융을 시작할 때는 배럴을 가열해 도움을 얻지만, 그 다음에 오는 스트레칭 과정에서 배럴은 주로 열을 보호하는 역할을 한다.

용융폴리머는 배럴 벽과 스크류 표면에 단단하게 달라붙는다(그림에서 파란색으로 강조해 표시한 선 모양 참조). 회전하는 스크류는 이 배럴 보어와 스크류 사이의 공간에서 폴리머를 스트레칭 시키거나 전단을 가한다. 이는 마치 폴리머가 모두 배럴과 스크류에 붙은 채로 서로 얽힌 수많은 고무줄로 이루어진 것과 같다.

스크류가 돌아가기 위해서는 이 고무줄을 늘려야 하며, 이를 위해서는 구동 모터에서 나오는 일정량의 힘이 필요하다. 이 스트레칭 과정은 스크류 구동장치에서 폴리머로 에너지를 전달시키면 폴리머의 온도가 상승한다. 이 같은 에너지의 전달은 배럴 온도를 높이는 것이 아니라 주로 폴리머를 가열하는 역할을 하게 된다. 스크류를 회전시키는 데 필요한 에너지 양은 폴리머의 점도, 다시 말해, 고무줄의 늘어나지 않으려는 강도에 따라 달라지게 된다.

위의 사례는 MI가 0.35에서 0.06으로 변경됨에 따라, 폴리머 점도가 동일 전단률 및 온도를 기준으로 1200 Pa·s에서 2200 Pa·s로 올라갔다. 점도는 83% 증가했다. 따라서 용융폴리머의 스트레칭에 83% 더 많은 힘이 필요하기 때문에, 추가로 투입된 힘이 폴리머에 보관되면서 용융온도가 올라가게 된 것이다.

폴리머는 비뉴턴 거동을 보인다. 따라서 폴리머의 점도는 온도와 전단률 양쪽에 따라 변화한다. 공정 상의 실제 점도를 확인하기 위해서는 동일한 종류의 두 폴리머가 여러 가지 온도에서 보이는 점도 차이를 보여주는 전달률/점도곡선 세트가 필요하다. 용융유동 또는 용융지수 숫자만을 가지고는 실제 점도의 차이를 정확히 알아내기 어렵다. 본 사례에서 용융 유량을 나타내는 숫자(0.35/0.06) 차이는 거의 6대 1 수준이지만, 점도 차이는 1.83대 1에 불과하다. 따라서 이 데이터에 기반해 공정에 필요한 사항을 판단하면 예상 결과에서 크게 벗어나는 오류로 이어질 수 있다.

필자는 전단률/점도 데이터가 특정 폴리머 가공에 필요한 사항의 평가를 위해 가장 중요한 정보라고 믿는다. 따라서 모든 가공업체가 가공에 사용하고자 하는 폴리머의 점도 곡선을 입수해 이를 어떻게 읽고 활용할 것인지 배울 것을 권장한다.

서로 다른 폴리머들이 특정 전단률 및 온도에서 동일한 점도를 가질 수도 있지만, 이는 한 지점에서만 일치하는 것일 수도 있기 때문에, 다양한 온도에서 보이는 슬로프(slope) 및 오프셋(offset) 모두를 보여주는 전체 곡선을 살펴보는 것이 중요하다.

하지만, 곡선을 바탕으로 한 정확한 비교는 같은 종류의 폴리머에서만 가능하다. 유변학 지식이 없다면 완전히 이해하기 어려운 여러 가지 차이를 만들어내는 분자 차원의 요소들이 있기 때문이다. 그러나 동일한 폴리머의 경우에는 전단률/점도 곡선에는 이 모든 것들이 반영되어 있기 때문이다. 전단률/점도 데이터는 특정 폴리머 가공에 필요한 사항의 평가를 위해 가장 중요한 정보다.

위의 그래프는 유사하지만 상당히 다른 용융유동을 보이는 세 가지 종류 PE의 차이를 드러내 준다. LDPE의 곡선들이 여러 가지 온도에서도 크게 차이가 나지 않음을 눈 여겨 보라. LDPE의 경우 온도가 점도에 미치는 영향이 낮음을 보여 준다. 반면 HDPE와 LLDPE의 경우는 또 그렇지 않다. LDPE 곡선은 가장 큰 경사를 보이고 있다. 이는 이 수지가 전단 민감도가 가장 크다는 것을 나타낸다.

100 sec-1 전단률에서 LLDPE가 약 2000 Pa·s의 점도를 나타내는 반면, LDPE는 거의 3배에 달하는 약 700 Pa·s 점도를 보이고 있다. 전단률/점도 곡선을 사용하면 폴리머를 변경했을 때 얻을 수 있는 공정의 결과에 미치는 영향에 대한 훨씬 더 정량적인 판단을 얻을 수 있다. 

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19925   다중소재 재활용을 위한 스크류 설계 평가 플라스틱코리아