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제목 유변학 및 유동 시뮬레이션을 사용한 압출가공 문제해결
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/07/05 13:23

유변학 및 유동 시뮬레이션을 사용한 압출가공 문제해결

유변학이 제공하는 풍부한 정보를 실제 생산 현장의 문제 해결에 활용할 수 있는 방법을 살펴보자. 많은 경우 제품가공 업체들은 여전히 유변학을 어려워 한다. 유변학이 제공하는 풍부한 정보를 실제 생산현장의 문제해결에 활용할 수 있는 방법을 살펴보기로 하자.

 

유변학(流變學, rheology)은 물질이 어떻게 유동하는 가에 관한 학문이다. 유변학의 유용성은 대부분 압출기 및 사출기 설계자들이 잘 알고 있다. 예를 들어, 전단속도(shear rate) 및 온도와 함수관계에 있는 점도곡선(viscosity curves)은 압출 다이에서 압력 강하를 계산하고, 궁극적으로는 특정 가공조건 조합에 적합한 유동채널 치수를 알아내는 데 사용할 수 있다. 또한 많은 경우 제품가공 업체들은 여전히 유변학을 어려워한다. 유변학이 제공하는 풍부한 정보를 실제 생산현장의 문제해결에 활용할 수 있는 방법을 여기서 살펴보기로 하자.

전단담화(剪斷淡化: shear thinning) 및 용융온도

폴리머 용융물은 비뉴턴 거동을 지닌 유체다. 따라서 전단속도가 높아지면 점도 감소를 보인다. 이러한 점도 감소를 전단담화라고 하며, 이는 폴리머의 구조 및 분자량 분포(MWD)에 따라 달라진다. 예를 들어, LLDPE와 같은 선형 폴리머는 LDPE와 같은 긴 사슬 분기를 가진 폴리머보다 훨씬 낮은 전단담화를 보이는 경향이 있다.

가공하고자 하는 폴리머 그레이드가 어떤 전단담화 거동을 보이는지 이해하면 압출과 관련된 여러 가지 문제를 이해하는 데 도움이 되므로, 점도곡선을 읽을 줄 알아야 한다. 특히, 전단속도와 함수관계에 있는 점도곡선의 형태는 압출 다이로부터 유동분포, 다이를 통과하는 용융물의 압력, 스크류 끝부분의 용융물 온도 등에 영향을 미친다.

이 중 마지막 항목을 실례를 들어 설명하기 위해, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 사용해 유사한 점도를 지닌 두 종의 폴리머가 싱글 스크류 압출기의 믹싱 섹션에서 용융물 온도 예측값을 계산해 봤다. 하지만 두 폴리머는 크게 다른 전단담화 거동을 보였다. 스크류와 스크류 상의 믹서(그림 1)는 긴 사슬 분기 및 넓은 MWD로 인해 전단담화가 심하게 나타나는 LDPE에 맞게 설계해 최적화시켰다.

그림 2는 LDPE 그레이드에 대한 CFD 계산 결과, 믹서를 통과하는 용융물의 압력과 전단가열로 발생한 용융물의 온도 변화를 보여준다. 이 모델은 믹서의 출구 지점에서 약 6MPa(870 psi) 압력 강하와 약 4°C(7.2°F) 온도 증가를 예측했다. 가공하고자 하는 폴리머가 어떤 전단담화 거동을 보이는지 이해해야 압출과 관련된 여러 가지 문제를 이해하는 데 도움이 되므로, 점도곡선은 꼭 읽을 줄 알아야 한다.

용융 유동 불안정성

같은 스크류 및 믹서를 사용해 LDPE와 상대적으로 유사한 용융 유동지수(MFI)를 지닌 메탈로센 LLDPE(mLLDPE) 그레이드 가공 경험에서 그림 3은 전반적으로 점도가 비슷한 두 그레이드의 점도곡선을 비교해 보여주고 있다. 하지만 두 그레이드는 매우 다른 전단담화 특성을 보인다. mLLDPE의 전단담화 정도는 LDPE보다 덜하기 때문에 높은 전단속도에서 점도가 훨씬 높다. 믹서는 통상의 가공조건에서 높은 전단속도(믹싱 플라이트 언더컷 위로 약 3,000 sec-1)를 생성해 준다. 그림 4는 mLLDPE 폴리머가 믹서에서 매우 다른 유동을 보여, 19MPa(2,755 psi)라는 비현실적인 압력 강하와 약 11°C(19.8°F)의 온도 상승을 초래하게 된다는 것을 보여주고 있다.

이 사례는 압출가공에서 그리고 용융온도 제어 문제를 다룰 때 점도곡선을 제대로 아는 것이 얼마나 중요한지를 보여준다. 전단가열은 점도와 전단속도에 의해 추동된다. 압출기 스크류의 전단유동은 용융물 온도 상승의 가장 큰 원인을 제공하며, 그 밖의 요인으로는 압출기 배럴에서 전달되는 전도성 열도 있다. 유사한 MFI 값과 이 폴리에틸렌 그레이드 같이 동일한 수지군이라 해도 전단담화에서 크게 다른 거동을 지닌 수지로 변경하는 일은 동일한 가공조건에서 용융물 온도 및 압력 그리고 압출기 토크에 상당한 차이를 초래할 수 있다.

이 경우에서는, 알 수 없는 조성의 높은 비율 충전 폴리머 샘플을 가공업체가 지정한 가공 범위가 비교적 얇은 시트를 생산하기 위한 다이 설계를 위해 분석한 것이다. 충전된 컴파운드의 특성 때문에 원료의 물성 조사를 위해 모세관 점도계(capillary rheometer)를 사용했다. 

이 기술을 사용하면 특정 유동속도 조합에서 모세관 다이의 압력 강하를 측정할 수 있다. 모세관 형상을 알면 압력 강하량을 모세관 벽에 가해지는 전단응력으로 변환할 수 있고, 유동속도는 쉽게 알 수 있는 전단 속도로 변환할 수 있다. 점도는 전단속도에 대한 응력비율로 알아낼 수 있다. 이 사례는 높은 전단속도에서 낮은 전단속도까지 여러 지점에서 측정됐다.

그림 5는 여러 시점에 걸쳐 측정한 압력값의 기록이다. 동일한 그래프에 마찬가지로 측정된 분명한 전단속도도 플로팅 했다. 압력 측정값은 다음과 같은 매우 흥미로운 패턴을 보인다.

• 2,000 sec-1~ 200 sec-1까지 보여준 높은 전단속도는 약간의 불안정을 보이며 압력 측정값에서 알 수 있듯 유동이 약간 불규칙하고 불안정하다.


• 100 sec-1에서 80 sec-1까지 보여준 전단속도는 점도계에 기록된 것처럼 큰 폭의 압력 요동 결과로 압출물 스트랜드에 스틱슬립(stick-slip) 현상이 관찰된다.


• 60 sec-1이하에서 보여준 전단속도는 유동과 압력 측정값이 완전히 정상 수준을 보인다.

위의 사례에서 우리는 이 특이한 원료에 대해 안정적 유동과 불안정한 유동이 공존하는 가공상을 세울 수 있었다. 다이의 압력 차이 그리고 산출물과 관련해 실험 의뢰인이 요청사항에 기반해, 우리는 장비 제조에 앞서 필요한 권고사항을 제공할 수 있었다. 그러나 이미 진행 중인 가공에서 유동 불안정이 관찰되는 경우라면, 이러한 유형의 분석을 통해 안정적 유동과 불안정한 유동이 공존하는 가공상황을 세울 수 있다.

열 분해

어떤 원료들은 온도 민감도, 산소 또는 수분 함량 또는 기타 요인 등으로 인해 압출 과정에서 열화(劣化)를 겪기 쉽다. PVC, PVdC, TPU, 일부 나일론 및 폴리에스테르 등은 열로 인한 열화 문제를 보일 수 있는 원료의 예이다. 유변학을 활용하면 특정 원료가 특정 가공과 관련해 열적으로 얼마나 안정적인지 알아낼 수 있다.

또한, 가공에 필요한 자세한 체류시간을 알아내는 데도 도움이 될 수 있다. 그림 6은 세 번째 사례로, 나일론 필름 압출과 관련된 내용이다. 이 공정은 원료의 온도가 약간 지나치게 높아 필름에서 겔이 보였다. 원료 안정성에 대한 온도의 영향을 확인하기 위해 우리는 회전식 점도계에서 45분 동안 250°C, 265°C, 280°C에서 시간경과(time-sweep) 측정을 실시했다.

우리는 이 원료의 점도가 세 가지 온도 모두에서 시간이 지남에 따라 증가한다는 것을 발견했다. 이는 불활성의 질소가스 환경에서도 이 원료가 교차결합하는 경향을 지니고 있음을 알아냈다. 세 가지 온도 모두에 대해 시간 경과에 따른 점도 증가가 감지되지만, 그 성장률이 280°C 지점에서 극적으로 증가한다는 것이 분명했다. 이는 이 온도 또는 그 이상 온도에서 이 원료를 가공하지 않는 것이 좋을 수 있음을 나타낸 것이다.

유변학을 활용하면 특정 원료가 특정 가공과 관련해 열적으로 얼마나 안정적인지 알 수 있다.

유변학은 일반적으로 주어진 원료의 점도곡선과 관련 있다. 그러나 장비 설계자, 제품개발 엔지니어, 제품생산 업체들에게 없어서는 안 되는 훨씬 더 유용한 정보를 제공할 수 있다. 몇 가지 사례를 통해, 전단담화가 압출성과, 특히 용융물의 품질 그리고 주어진 압출기의 설정환경에서 용융물 온도에 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 살펴봤다.

유변학을 사용해 압출 가공상의 문제를 해결할 수 있는 또 다른 영역은 용융파단(melt fracture) 같은 용융물 유동 불안정성을 들 수 있다. 이는 충전재 함량이 높은 컴파운드를 위한 다이 설계 및 제조에 앞서 진행했던 실험의 사례에서 본 바와 같다.

이 같은 유변학적 특성파악 과정이 없었다면 비용이 많이 드는 설계상의 실수를 피하기 어려웠을 것이다. 또한, 유변학을 토대로한 시간경과 실험을 통해 특정 조건(대기, 온도 및 시간) 하에서 원료의 열 안정성을 이해할 수 있다. 여기서 얻은 데이터는 허용가능한 온도 또는 체류시간 범위를 보여주는 압출 가공 노하우를 알아내는 데 도움이 된다. 

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