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제목 리사이클링을 위한 트윈스크류 압출기의 활용
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/11/02 17:46

리사이클링을 위한 트윈스크류 압출기의 활용

 

동방향(corotating) 교합형(intermeshing) 트윈스크류 압출기를 제대로 활용하면 재활용을 위한 폐수집품을 원료를 부가가치 높은 제품 및 부품으로 바꾸어 낼 수 있다. 본 기사에서는 이를 위해 알아야 할 사항 그리고 산업 현장 스크랩 및 생활계 폐기물의 리사이클링을 위해 실제 현장에서 사용하고 있는 기술 사례들을 소개한다.

플라스틱은 건강과 웰빙에서 영양, 주택 및 교통, 안전, 보안, 통신, 스포츠 및 레저 활동에 이르기까지 현대 생활의 모든 면에서 빠질 수 없는 역할을 하고 있다. 이런 부품들 제조에 사용되는 플라스틱 컴파운드는 거의 대부분 동방향(corotating) 교합형(intermeshing) 트윈스크류 압출기(TSE)를 사용해 가공한다.

이 장치는 포장재 필름, 카펫 섬유, 자동차 인테리어 및 앞 유리, 데크 구조물, 전도성 부품 및 합성 와인 코르크 등 다양한 제품들이 요구하는 특성 구현과 필요한 원재료 혼합을 위해 사용된다.

이러한 제품들을 사용하고 난 후 리사이클링을 어떻게 해야 할까? 산업 현장 스크랩 재활용(PIR-Post Industryal Recycling)과 생활계 폐기물 재활용(PCR-Post Consumer Recycling) 간의 차이점은 무엇일까? 현재 리사이클링에 사용하고 있는 트윈스크류 압출기는 그리 많지 않다. 그 까닭은 무엇일까? 그리고 TSE 기술의 확장을 위한 기회는 어디서 포착할 수 있을까?

트윈스크류 컴파운딩 기술은 PIR 및 PCR 양쪽 분야에서 독특한 기회를 제공한다고 말할 수 있다. 그러나 재활용 분야에서 TSE 기술이 가진 이점을 정확히 인식하는 것 말고도, 산업적으로 입증되고 엄청난 현장경험을 통해 벼려진 이 기술의 적절한 사용법을 결정하기 위해서는 이 기술이 안고 있는 고유의 한계에 대해서도 주의를 기울이는 것이 중요하다.

동방향 교합형 트윈스크류 압출기는 현재 세계에서 가장 널리 사용되고 있는 컴파운딩 시스템으로 폴리머를 필러(충전재), 섬유 및 첨가제와 혼합해준다. TSE는 스크류와 배럴의 기하학적 공차가 엄격한 고속 믹서다. 고속 회전 스크류(100~1000+ rpm)와 믹싱 엘리먼트는 원료에 전단과 에너지를 부여한다.

두 스크류 사이에서 이루어지는 강력한 믹싱과 짧은 물질 전달 거리(플라이트 깊이)는 TSE를 매우 효율적이고, 재현성이 높은 다기능성 연속 컴파운딩 장치로 만들어 준다. 예를 들어, 140mm 스크류 지름의 Leistritz ZSE-140 Maxx 플라이트 깊이는 약 28mm다. 믹싱 엘리먼트는 분산 기능 또는 분배 기능에 맞는 것을 지정하거나, 이 두 가지를 균형에 맞게 수행하도록 지정할 수도 있다.

1)베일(더미) 형태의 산업 현장 스크랩에서 얻은 나일론 재생원료의 가공에서는 크래머 피더(crammer feeder)를 동방향 트윈스크류 압출기와 결합해 사용한다.

피드 시스템, 즉 원료공급 시스템은 펠렛, 분말, 분쇄재, 액체, 섬유, 심지어 보풀 형태의 원재료에 따라 공급 속도 및 조성 비율을 TSE에 정해준다. TSE는 원료가 처리되는 속도에 맞추어 공급하는 이른바 “스타브 피드(starve feed)” 방식이며, 스크류 rpm은 피딩 속도와 상관없이 유지된다.

플라이트가 달린(부분적으로 원료로 채워진) 스크류 엘리먼트는 피드 및 다운스트림 벤트/피드 아래에 배치돼 공적 전략에 따른 순차적 원료 공급을 돕고 벤트로 수지의 넘침을 막아주는 역할을 한다. 크래머 피더는 불활성 필러 및 낮은 저 밀도 원료에 사용된다. 원료 내에 포집된 공기, 습기 및 휘발성 물질 등은 벤트를 통해 제거된다. TSE의 스크류 설계, rpm, 처리속도, 온도 등은 가공내용에 따라 최적화를 위해 함께 결정해야 한다.

스타브 피드 방식의 TSE 가공은 믹싱 및 탈휘발화(devolatilization)를 촉진하지만, 높은 압력 조건 하에서는 적합하지 않다. TSE는 일반적으로 1,500psi 미만의 조건에서 가동된다. 또 다른 현실적 고려 사항은 원료 공급 스트림의 오염 물질이나 이물질(예를 들어, 스크류 볼트 따위)로 인해 스크류가 손상되면 장비 가동을 중단은 물론 매우 값비싼 수리가 필요할 수 있다.

TSE 기술은 다양한 종류의 신제품 제조에서 기존방식과 다른 리사이클링 가공에 활용되고 있다.

이에 비해 싱글스크류 압출기(SSE)는 높은 압력(3000+ psi)을 생성해 안정화시킬 수 있도록 설계된 저속, 고압 장치지만, 강력한 믹싱에는 적합하지 않다. 그럼에도 고압 펌프 작용 덕분에 SSE는 재활용 가공에 많이 사용되고 있다. 또한 가공 스트림에서 오염물질 허용 수준이 상대적으로 높다. 이러한 까닭에서 SSE는 특히 PCR의 경우 재생원료 생산시스템에서 선호하는 압출기 유형이다.

그러나 항상 그러한 것은 아니다. TSE 기술은 다양한 종류의 신제품 제조에서 기존 방식과 다른 리사이클링 가공에 활용되고 있다. 위에서 다루었던 바에 비추어, 리사이클링을 위한 동방향 교합형 TSE와 관련해다음과 같은 설명이 적용될 수 있을 것이다.

• TSE는 리사이클링 분야에서는, 특히 PCR 용도로는 오염된 폐기물의 가공과 관련한 난점 및 한계로 인해 널리 사용하고 있지 않았다.

• TSE는 PIR 용도로 더 많이 사용된다. 예를 들어, 필름 및 시트 압출 가공상에서 발생된 엣지 트림을 동일한 시스템으로 다시 공급하는 데 자주 쓰인다.

• 산업 현장 스크랩 재활용 자재는 부가가치를 높이기 위해 첨가제, 필러 및 섬유 등과 함께 컴파운딩 하는 경우가 많다.

• 스타브 피드 방식 TSE는 펌프 기능 보다는 믹싱 효과가 뛰어나며, 싱글스크류 압출기(SSE)는 믹서 기능보다 펌프로서의 기능이 더 우수하다.

• TSE는 SSE에 비해 저압 장비로, 3500 psi 미만에서 작동하도록 설계되어 있으며, 1500 psi 이상으로 운전하는 경우는 거의 없다.

• TSE는 일반적으로 SSE보다 훨씬 더 높은 스크류 속도(400, 600 또는 1000+ rpm)에서 운전된다.

• 거의 모든 TSE는 벤팅 즉 가스 빼기 및 탈휘발화 과정이 공정에 통합되어 다단계 벤팅을 수행하는 경우가 일반적이다.

• TSE는 허용치수 오차보다 믹싱이 잘 된 펠렛을 얻는 것을 우선해 사용하는 경우가 많다.

• 필터링 즉 여과 문제는 이 기사에서 다루기에는 너무 복잡하지만, 시스템 디자인을 결정할 정도로 중요한 문제여서 효과적 필터링에는 높은 압력이 필요하다는 것만 밝혀 둔다. 필터링과 관련된 주요 요소로는 여과 수준(마이크론 또는 메쉬 등급), 여과 면적, 연속 작동 대 불연속 작동, 적합한 압력, 오염 수준 및 유형, 원료의 조성, 원료를 사용해 만들어질 최종 제품 등을 들 수 있다.

• 높은 압력에서는 TSE(더 높은 rpm에서)의 온도 상승이 낮은 rpm으로 작동하는 SSE보다 훨씬 높다.

• 따라서 일반적으로 SSE가 리사이클링 시스템의 핵심 구성 요소인 필터링 집중 공정에 더 적합하다.

• 복잡한 하위 시스템을 갖춘 분산 가공에서는 전체 시스템에 통합할 다양한 장비 하위시스템(장치 작동), 통신 프로토콜, 여러 가지 상이한 시스템의 통합 경험 유무 등과 같은 문제들이 제기된다.

다음은 TSE를 성공적으로 활용한 PIR 및 PCR 공정의 사례들이다.

 

실제 활용하고 있는 스크랩 재활용 시스템

PET & PLA 자투리를 회수해 시트로 바로 가공하는 시스템

 이 시스템은 1990년대부터 활용되면서 전 세계 많은 생산 시스템에서 그 효율성을 입증해왔다. 여기서는 TSE를 사용해 PET 및 PLA 자투리(그리고 때로는 PET PCR)의 건조 단계를 생략해(그에 따른 관련 비용절감) 가수분해 과정에서 발생하는 고유점도(IV) 손실을 최소화하기 위해 공장 내에서 발생하는 자투리에서 수분을 탈휘발화한다.

이 공정의 큰 이점은 시트 생산 후 트리밍 공정에서 발생한 자투리를 높은 비율로 시트 생산에 다시 사용할 수 있다는 것이다(이는 일반적으로 폴리머의 종류 및 조성에 관계없이 일반적으로 그러하다). 이 시스템은 대부분 아래와 같이 구성돼 있다.

 

1. ‌시트의 자투리 재생원료, 신생원료 펠렛 및 첨가제/마스터배치 중량측정식 블렌딩 시스템

2. 압출기 피드스롯의 금속 검출 장치

3. 다단계 벤팅을 위해 설계된 동방향 TSE 가공 섹션

4. 고진공(deep vacuum) 및 유지보수 및 청소를 위한 가공 영역 내(in-process) 엘리먼트를 위해 설계된 진공 탈기 시스템

5. 거친 여과를 위한 유압식 스크린 체인저(일부 PCR 원료를 처리하는 경우에만 해당)

6. 압력 생성을 위한 기어 펌프

7. 미세 여과를 위한 연속식 스크린 체인저

8. SSE 사용 시 연결하는 것과 동일한 시트 및 다운스트림 시스템

 

2)탠덤으로 설치한 동방향 트윈스크류 압출기는 자동차 앞 유리 생산 현장에서 나온 폴리비닐부티랄(PVB)을 재처리하는 데 사용된다.

더미 형태의 Nylon Fibers 재생 시스템

 이 시스템은 컴파운딩된 펠렛과 생산된 Fiber 모두를 위해 TSE 기술을 활용한다. 이 공정에는 더미 형태의 Fiber를 TSE로 계량해 투입할 수 있도록 파쇄하는 작업, 가공 과정에서 섬유 더미를 묶었던 금속 스트래핑 잔류물 제거, 분쇄된 보풀을 정확하게 계량해 TSE로 투입하기, 섬유의 스핀 마감(spin finish)으로 인해 발생하는 잔류 수분 및 휘발성 물질의 진공 탈기 등을 비롯해 여러 가지 까다로운 작업이 요구된다. 이 시스템은 다음과 같이 구성될 수 있다.

1. Fiber더미 를 짧게 잘라주는 대용량 파쇄 시스템

2. 철 및 비철 금속 모두를 찾아낼 수 있는 전자기식 장치를 포함하는 다단계 금속성 오염물질 검출 스테이션

3. 중량 측정 벨트 컨베이어로 연결되는 이송 시스템

4. Fiber를 TSE 피드스롯으로 밀어 넣어주는 고속 크램머 보조 피딩 장치

5. 필러 또는 Fiber 컴파운딩을 수행하는 경우라면 다단계 벤팅 및 확정된 L/D 비율을 지닌 TSE 가공 섹션 필요

6. 스크린 체인저(원료 포뮬레이션에 유리섬유 또는 그와 유사한 원재료가 포함된 경우에는 시스루 링[see-through ring] 사용)

7. 다운스트림 시스템:

  • ‌셀프 스트랜딩(self-stranding) 펠렛타이징 시스템: 스트랜드 다이, 워터 슬라이드, 펠렛타이저 및 분류기(classifier)

  • ‌Fiber 시스템: 부스터 기어 펌프, 연속식 스크린 체인저, 다중 스피너렛(spinnerette) 용융 펌프, 다운스트림 섬유 시스템 및 와인딩 시스템

 

HDPE의 의도적인 열화(degradation)

 거의 모든 공정에서 TSE의 목표는 원료 열화를 최소화하고 그 기계적 물성을 유지하면서 원료를 믹싱하는 것이다. 그러나 이 과정에서 TSE를 사용해 의도적으로 폴리머에 “타격을 가해” 후속 공정을 위해 MFI(용융흐름 지수) 및 유동 특성을 높인다. 부분 용융된 HDPE 스크랩 원료를 입자로 만들어 매우 빠른 속도(1000 + rpm)와 높은 온도 설정값(정상보다 100°C 높은 온도로)에서 작동하는 TSE로 계량해 투입한다. 스크류 설계에 고에너지 엘리먼트, 에너지 투입 중립(input-neutral) 엘리먼트, 리버스 니딩(reverse-kneading) 엘리먼트 등을 포함시켜 극한 수준의 전단과 에너지를 원료에 부여해 용융온도를 높이고 폴리머를 열화시켜야 한다(일반적으로는 피해야 함).

3)방향 트윈스크류 압출기를 사용하는 PCR 가공의 사례로 사용 후 폐 타이어를 분쇄해 고무 입자로 바꾸는 가공을 들 수 있다. 사진은 이 가공을 위한 두 개의 사이드 스터퍼를 포함한 장비 구성을 보여준다.

TSE 고유의 기하학적 공차를 무시하고 지나치게 밀접하게 맞물리도록 설계하면 오염도가 높은 재활용 원재료의 처리에 적합하지 않은 경우가 많다.

이러한 방식으로 TSE를 이용해 부분 용융된 HDPE 스크랩을 성형 그레이드로 개질시킨 원료를 성형 공정에서 재사용될 수 있도록 함으로써, 리사이클링 시설에 받아들여진 원료를 100% 가까이 활용할 수 있게 된다. 시스템 구성 내용은 다음과 같다.

1. ‌재생원료를 위한 사양의 스크류와 오거를 갖춘 감량식 계량 피더

2. ‌전단력을 극대화한 스크류 설계 및 고온 배럴/히터를 갖춘 고속 동방향 TSE

3. 스크린 체인저 및 용융흐름 전환장치

4. 워터 링 또는 수중 펠렛타이징 시스템

 

실제 활용되고 있는 폐플라스틱 재활용 시스템

수준 높은 충전재를 사용한 PCR 컴파운딩

 TSE에서도 생활계 재활용품 HDPE, PE, PP 가공은 가능하지만 까다로움이 따른다. 우선 수집된 재활용품을 철저히 세척하고 건조시켜야 한다. 필터링은 좋은 제품을 만드는 데 핵심적 역할을 하기 때문에, 믹싱 또는 탈휘발화가 필요하지 않는 한 싱글스크류 압출기를 선택하는 경우가 많다. 믹싱 또는 탈휘발화가 필요한 경우라면 TSE가 더 효과적일 수 있다.

또한 TSE를 사용하면 PCR 피드 스트림에 내재된 잔류 폴리머(예: PVC, PET 등)의 미량 성분을 분산시키는 동시에 제품 특성을 개선하기 위한 필러(최대 80%) 및 첨가제를 믹싱시켜 준다. 또 다른 이점은 TSE가 세척 단계에서 남은 잔류 수분을 제거할 수 있다는 것이다.

이런 용도를 위한 TSE 시스템은 다음과 같이 구성될 수 있다.

1. 재생원료, 필러 및 첨가제 각각을 위한 감량식 피더

2. TSE 피드스로트에 장착된 금속 오염물질 배출 시스템

3. 확장된 L/D 비율과 사이드 스터퍼를 통한 초기 단계 벤팅 및 다운스트림 필러 공급에 적합한 사양을 갖춘 TSE

4. 수준 높은 수분 제거 효율을 지닌 특수 진공 탈기 시스템

5. 대형 스크린 체인저 및 용융 흐름 전환장치

6. 분류기를 지닌 수중 펠렛타이징 시스템

 

4)두 스크류 사이에서 이루어지는 강력한 믹싱과 짧은 물질 전달 거리(플라이트 깊이)는 TSE를 매우 효율적이고, 재현성이 높은 다기능성 연속 컴파운딩 장치로 만들어 준다.

폐타이어 고무 분쇄 가공

폐타이어를 분쇄후 고무 입자로 바꾸는 기술은 널리 알려져 있으며, 이를 위해 사용할 수 있는 원료의 응용 또한 무궁무진하다. 분쇄한 타이어 입자는 필러로 사용할 수 있으며(최대 80%까지) EVA 폴리머와 혼합시켜 바닥 및 프로파일 또는 사출성형품을 만들 수 있다.

EVA(에틸렌 비닐아세테이트)를 계량을 통해 TSE로 공급해, 타이어 분쇄품(마찬가지로 감량식 피더에 의해 계량됨)을 트윈 스크류 오거가 장착된 측면 스터퍼에 의해 가공 섹션으로 밀려 들어오기 전에 용융시키고, 기어 펌프는 압력을 올려 안정화시켜 특수 다이를 통해 압출되도록 하는 이 시스템은 다음과 같이 구성된다.

1. ‌재생원료, 필러 및 첨가제 각각을 위한 감량식 피더

2. 여러 단계의 금속 검출 장치

3. ‌측면 스터퍼와 감량식 피더를 통해 타이어 고무를 다운스트림에 투입하는 TSE

4. 기어펌프 프런트 엔드 부착

5. 시트 압출용 특수 다이

6. 인라인 압력식 절단기를 지닌 3롤 스택 또는 프로파일 다운스트림 시스템

 

폐타이어를 재활용한 고무 입자를 활용하는 또 하나의 TSE 가공 사례로는 타이로머(Tyromer- tyromer.com) 기업이 개발해 특허를 획득한 특수 탈황공정을 들 수 있다. 이 시스템에서는 타이어 고무 입자를 계량해 TSE로 공급한 뒤, 초임계 상태의 CO2 주입 및 회전하는 스크류가 발생시키는 높은 전단을 통해 가공하는 탈황 과정을 거친다. 그 결과로 얻어진 탈황 고무는 다른 원료와 함께 재가공되거나 컴파운딩할 수 있다.

TSE를 사용하면 PCR 원료 피드 스트림에 내재된 잔류 폴리머의 미량 성분을 분산시키는 동시에 제품 특성을 개선하기 위한 필러 및 첨가제를 믹싱시켜 준다.

 

안전 유리(자동차 앞 유리) 리사이클링

 자동차의 안전 유리는 두 장의 유리 사이에 PVB 필름이 삽입되어 있는 샌드위치 구조를 지니고 있다. 위에서 본 타이어와 마찬가지로 폐 자동차 안전유리 공급량은 엄청나게 많다. 유리와 필름을 세척하고 분리해내기 위한 여러 가지 방법이 확립되어 있다. 특수 탠덤 TSE 공정을 사용하면 여기서 얻어진 재활용 PVB를 부가가치 높은 제품으로 만들어 낼 수 있다. 이 용도를 위한 시스템은 다음과 같은 요소로 구성된다.

1. 세척/분쇄/분리기 시스템

2. ‌금속 오염물질 검출을 갖춘 TSE로 원료 계량공급 시스템

3. 수분 제거를 위한 탈휘발화 및 잔류 유리 및 경미한 수준의 폴리머 분산을 위한 고전단의 믹싱 장치를 갖춘 트윈스크류 압출기

4. 여과를 위한 스크린 체인저

5. Side feeder로 원료 공급속도를 설정해주는 기어펌프

6. 필러, 섬유 및 첨가제의 추가/믹싱을 위한 계량 피더가 장착된 용융 공급 트윈스크류 압출기

7. 진공 탈기 시스템

8. 수중 펠렛타이징 시스템

 

트윈스크류 압출은 컴파운딩 및 탈휘발화를 위해 가장 널리 활용되고 있는 제조 공정으로, 반세기 이상의 세월 동안 하루 24시간 가동해야 하는 산업 환경을 통해 그 유효성이 검증됐다. 동방향 교합형 TSE는 특유의 뛰어난 믹싱 특성 덕분에 다성분 포뮬레이션 원료를 효과적으로 제어된 반복가능 믹싱에서 다른 장비들에 비해 뛰어난 결과를 얻을 수 있다.

TSE 고유의 기하학적 공차를 무시하고 지나치게 밀접하게 맞물리도록 설계하면 오염도가 높은 재활용 원재료의 처리에 적합하지 않은 경우가 많다. 이 같은 점을 TSE 기술을 재활용 시스템의 일환으로 적용하기 전에 이해해야 한다.

이상의 내용을 염두에 두고, 동방향 교합형 트윈스크류 압출기를 제대로 활용하면 재활용 원료를 부가가치 높은 제품 및 부품으로 바꾸어 낼 수 있다. 재활용 시스템의 일환으로 TSE 기술의 지속적 확장을 통해 이전까지는 만들어 낼 수 없었던 새로운 부가가치가 들어간 제품을 얻을 수 있다.

동시에 TSE를 활용한 재생원료 처리기술 특유의 컴파운딩 및 배출 효율성으로부터 이점을 얻을 수 있는 신규 및 기존 재활용 가공 효율성 개선에 도움이 될 수 있다. 이를 위해서는 TSE 기술의 장점과 한계에 대한 정확한 이해가 그 출발점이 될 것이다.

 

 

 

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19803   플라스틱 오염 제로를 위한 시나리오 평가 플라스틱코리아