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제목 범용 스크류의 귀환?
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/04/29 18:33

범용 스크류의 귀환?

리사이클링 분야에서 공정 유연성을 높이기 위해 범용 스크류를 사용하는 경우가 늘고 있다. 그러나 진정한 의미의 범용 스크류는 존재하지 않는다. 재활용업체들은 다른 가공 방법을 고려해야 할 필요가 있다.

 

“범용 스크류(general-purpose GP)” 디자인은 1960년대로 거슬러 올라간다. 경질 PVC를 제외한 다양한 범위의 폴리머를 하나의 스크류 설계로 모두 가공할 수 있도록 하자는 의도로 만들어졌다. 당시에는 폴리머의 가짓수가 현재에 비해 제한적이었으며 생산효율을 둘러싼 경쟁 또한 그렇게 심하지 않았다. 따라서 이 개념은 어느 정도는 의미가 있었다.

압출 스크류 설계 기술이 더욱 고도화되고 새로운 종류의 폴리머가 크게 늘어나면서, 이러한 개념은 대체로 사라졌다. 오늘날 대부분의 가공업체들은 산출량 및 용융품질 극대화를 위해서 각 폴리머의 특성에 맞는 스크류 설계가 필요하다는 점을 잘 이해하고 있다.

하지만 플라스틱 재활용이 급속히 확대되면서 범용 스크류를 요구하는 경우가 늘어나고 있다. 깨끗한 생활폐기물 수집품에 대한 요구가 강하고, 사업활동을 지속하기 위해 꾸준한 재생원료 공급을 확보하기 위해서는 회사 내에서 원료를 자체 생산하지 않는 이상 끊임없이 새로운 공급원을 찾아야 한다.

재활용업체들은 여러 종의 기본 폴리머를 모두 처리해야 하므로 압출라인 상에서 일주일에도 몇 차례씩 원료를 변경해야 하는 경우가 많기 때문에 범용 스크류에 대한 요구가 늘어나고 있다.

하지만 효율적인 가공을 위한 수많은 개별 폴리머 특성으로 인해 “진정한” GP 스크류 같은 것은 존재하지 않는다. 높은 생산성을 지닌 스크류 디자인을 위해서 고려해야 할 폴리머의 데이터가 아닌 일부를 보여주는 주요한 다음과 같은 사항들을 들 수 있다.

 

? 다양한 전단율(shear rate) 및 온도에서의 점도

? 유리전이 온도

? 비열(specific heat) 및 융해열(heat of fusion)

? 융점(melting point) 및 가공온도

? ?고체밀도(solid density), 부피밀도(bulk density), 용융밀도(melt density)

? 피딩(feeding) 특성

 

예를 들어, 동일한 부피의 산출량(in.³/sec)을 기준으로 시트 그레이드 HDPE 재생원료와 시트 그레이드 PET 재생원료를 비교했을 때 통상적인 가공온도에 도달하기까지는 거의 동일한 양의 에너지 투입이 필요하다. 그러나 스크류 상에서 HDPE의 통상적인 점도는 PET의 두 배 가까이 된다. 에너지 투입의 대부분은 배럴 가열을 통해서가 아니라 회전하는 스크류가 폴리머에 발생시킨 전단 응력에 의해 이루어진다는 것을 잊어서는 안 된다. 스크류 속도가 동일할 때, 그로부터 나온 에너지 투입량은 폴리머 점도에 대략 비례한다.

그 결과, HDPE는 스크류를 통과하는 과정에서 점성 소실(viscous dissipation) 때문에 PET보다 50% 더 많은 열을 흡수한다. 따라서 사용하고 있는 스크류가 PET에 맞도록 설계된 디자인이라면 HDPE는 이상적인 용융온도에 미치지 못해 부분적으로만 용융이 진행된다. 반대로 HDPE에 이상적인 디자인이라면 PET는 과열로 열화(degradation)가 발생할 수 있다.

에너지 투입량 균형 개선을 위해 헤드압력을 높여주거나 스크류 속도를 줄임으로써 압출기 작동조건을 조정할 수 있다. 하지만 이 두 가지 조정 모두 산출량 감소라는 바람직하지 않은 결과를 낳을 수 있다. 에너지 투입량 외에도, 두 폴리머의 점도 및 마찰 특성의 차이로 인한 피딩 및 용융속도의 상이함 때문에 플러깅(plugging, 막힘)과 서징(surging, 맥동) 현상이 발생할 수 있다.

더 나은 해결책

 

더 나은 해결책 한 가지는 압출기에서 가능한 오랫동안 동일한 종류의 폴리머를 실행하는 것이다. 대부분의 경우, 동종의 기본 폴리머라면 용융흐름지수(melt flow index) 혹은 용융지수(melt index) 차이가 꽤 큰 경우에도 하나의 스크류에서 효과적으로 가공할 수 있다. 재활용재 혼합을 위해 폴리머의 변경이 필요한 경우라면, 스크류 교체 시간을 최소화시킬 수 있는 구성품들로 압출기를 구성해야 한다.

이를테면 스크류 푸셔(screw pusher), 리프팅 장비(lifting equipment), 빠른 분리가 가능한 어댑터/다이, 펠렛타이저(pelletizer) 같이 쉽게 움직일 수 있는 다운스트림 장비 등을 사용해 스크류를 쉽게 제거할 수 있는 공간을 확보해야 한다. 많은 사람들이 괜한 시간 낭비라 여길 수 있지만, 가공속도 및 용융품질 개선을 통해 쉽게 큰 차이를 만들어 낼 수 있다

배리어 스크류는 기존의 싱글 플라이트 스크류보다 다양한 종류의 재활용 폴리머 가공에 있어 유연함이 덜할 수 있다. 기존의 싱글 플라이트 스크류는 일반적으로 더 넓은 가공 방법을 가지고 있지만, 여전히 그 범위에는 제한이 있다.

간단한 테스트로 귀사에서 가장 자주 가공하는 종류의 재활용 원료를 사용해 그 산출량을 비교해보는 방법이 있다. 특정 폴리머가 가장 높은 산출량을 보일 것이다. 이 때 이 산출량 변화를 스크류 교체에 들어가는 시간과 비교해 보면 된다. 적절한 장비를 사용했을 경우 스크류 교체는 압출기 크기에 따라 1~2시간 내에 마칠 수 있다.

같은 스크류로 다른 종류의 폴리머를 가공하고자 할 때 퍼징 시간이 필요함을 잊어서는 안 된다. 이를 위해 들어간 시간과 사용된 폴리머를 합치면 스크류 변경에 필요한 비용과 맞먹는다. 

kplastic1991@daum.net

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