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제목 최소 비용의 압출기 퍼징 방법
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/07/01 10:27

최소 비용의 압출기 퍼징 방법

압출에서 퍼징에 소요되는 시간을 줄이기 위해 점도가 낮은 원료에서 높은 원료 순으로 가공 작업 계획을 잡아 퍼징 소요 시간을 줄이고 비용을 절감할 수 있다.  그러나 그에 앞서 폴리머의 전단속도/점도 곡선을 먼저 확보해야 한다.

퍼징은 다양한 생산 공정을 위해 폴리머를 변경해야 하는 압출 가공에서 피할 수 없는 작업이다. 퍼징 방법에는 여러 가지가 있지만, 어떤 방법은 다른 방법보다 우수한 경우도 있다. 다양한 원료를 가공해야 하는 압출 가공업체의 경우, 시간과 폴리머 절감을 가장 효과적으로 할 수 있는 마법 같은 퍼징 기법이나 퍼징 컴파운드가 있는 것은 아니다. 하지만 현명한 생산 계획 과정은 있을 수 있다.

이상적으로 말하자면, 퍼징 시간과 비용을 줄이는 가장 좋은 방법은 정상적 가공온도 범위에 기반해 점도가 낮은 것부터 높은 원료 순으로 각 가공 작업을 실행하는 방법도 있다. 물론, 생산 공정은 고객으로부터 주문을 받거나 또는 요청에 따라 작업일정이 잡히는 경우가 대부분이기 때문에 현실적으로 어려울 수도 있다. 그럼에도 이러한 방식으로 퍼징을 할 수 있다면, 한 폴리머를 다른 폴리머를 사용해 퍼징함으로써 낭비를 크게 줄일 수 있다.

제품이 요구하는 바에 따라서, 이전 가공 과정에서 남은 소량의 잔류 폴리머가 반드시 다음 가공에 부정적 영향을 미치지는 않기 때문에 완벽한 퍼징이 항상 절대적으로 필요한 것은 아니다. 이 부분에 대해서는 명확하게, 공표돼 있는 정보가 없기 때문에 잔류 폴리머가 후속 공정에서 얼마나 허용될 수 있는가를 정확히 확인하는 데는 약간의 시험이 필요하다.

예를 들어 단순히 색상만을 변경하는 경우라면 이전 생산 과정에서 소량 남은 잔류 폴리머의 허용가능 여부에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 퍼징 컴파운드에 오염된 폴리머를 사용해도 되는 경우는 거의 없다. 따라서 교차 오염 허용 수준은 확인해 볼 만한 가치가 있다.

점도가 낮은 폴리머를 점도가 더 높은 폴리머로 퍼징하는 것이 그 반대의 경우보다 쉽다. 동일한 폴리머의 서로 다른 2가지 그레이드를 가공하는 경우에는 용융 유동 속도를 고려해야 한다. 그리고 용융 흐름이 낮은 그레이드로 용융 흐름이 높은 그레이드를 퍼징하는 것이 그 반대의 경우보다 효과적이다.

그림 1에서 보듯, 22-MFR PP와 4-MFR PP는 동일한 온도에서 용융이 이루어지지만 점도가 크게 차이나기 때문에, 22-MFR PP로는 4-MFR PP를 효과적으로 퍼징할 수 없다. 이 그래프들은 로그(log)/로그 플롯(log plot)으로 전단속도가 100 sec-1 일때 4MFR와 22MFR의 점도 차이가 거의 2:1 비율에 이른다는 점에 유의해야 한다.

 

점도가 낮은 폴리머를 점도가 더 높은 폴리머로 퍼징하는 것이 쉽다.

폴리머 점도가 낮은 것부터 가공해 이를 높은 폴리머로 퍼징해 나가는 관행을 따르는 것 말고도, 결정성 폴리머의 경우에는 용용점이 낮은 것부터 높은 순으로 가공 계획을 세우는 것이 좋다. 비정질 폴리머의 경우에는 가공 온도보다 훨씬 낮은 유리 전이 온도에서 부드러워지고, 그 때부터는 온도 상승에 따라 갈수록 더욱 부드러워지기 때문에 이렇게 하는 것은 어렵다.

이를 바탕으로 하는 선택적 온도 퍼징은 가공온도보다 훨씬 낮은 전단속도/점도곡선이 필요한데, 일반적으로 이는 구현이 불가능하다. 따라서 퍼징 효과를 평가할 때 모든 폴리머에 대해 통상적인 가공온도에서 전단속도/점도곡선으로 작업하는 것이 덜 복잡하다.

가공 작업 순서를 계획하는 데 있어 가장 효과적인 결정을 내리기 위해서는 전단속도/점도곡선을 확보하는 것이 절대적으로 필요하다. 폴리머 종류가 같은 경우는 용융 유동속도(MFR) 만으로도 충분하지만(그림1), 종류가 다른 폴리머의 경우 각각 폴리머 용융 유동 테스트가 제각기 다른 시험 조건에서 이루어지기 때문에 이 값만을 가지고 쉽게 비교할 수 없다. 각 폴리머의 전단속도/점도곡선은 일반적으로 통상적인 가공 범위 안에서 표시되므로, 이 곡선을 비교하면 점도가 가장 높은 곡선을 쉽게 확인할 수 있다.

대부분 폴리머 점도는 정상 가공 범위에서는 전단속도가 영향을 미치는 만큼 온도에 의해 영향을 받지않기 때문에, 전단속도/점도곡선 테스트가 이루어진 온도의 사소한 차이는 일반적으로 그림 2에 나타난 바와 같이 무시할 수 있다. 100sec-1의 통상적 가공 범위에서 점도는 35°C(95°F) 온도대에서는 매우 유사하다.

필자는 보통 100 sec-1 퍼징을 고려하기 좋은 전단속도 범위라고 여긴다. 중속 및 고속의 압출기 속도에 전형적인 전단속도이기 때문이다. 그림 3은 ABS 또는 나일론 6가 SB(부타이엔 고무 개질 폴리스티렌, 즉 내충격성 폴리스티렌)를 퍼징하는 데 적합함을 보여준다.

그러나 PP와 LDPE의 점도 곡선은 약 100 sec-1 전단속도 지점에서 서로 교차하므로, 낮은 속도에서는 PP로 LDPE를 퍼징할 수 있지만, 빠른 속도에서는 상황이 역전된다. PP와 LDPE는 모든 전단속도 범위에 걸쳐, 점도가 실제로 많이 변하지 않기 때문에, 이 둘은 일반적으로 서로를 퍼징하는 데 별로 적합하지 않다.

이 모든 폴리머는 비교적 좁은 온도 범위에서 가공이 이루어진다. 때문에 퍼징 소재 중 가장 높은 용융점을 가진 하나를 선택한다 해도 별 이점이 없다. 그래프에서 볼 수 있듯, 점도 곡선 없이는 어떤 폴리머가 용융점이 높은지를 명확히 판단하기 어렵다.

스크류를 스팀 청소하기 위해 물 한 컵을 부어준다든지 하는 식으로 효과적 퍼징을 위한 “자기만의 노하우”라 부르는 것이 다양하게 있지만, 일반적으로 스크류 속도가 높을수록 전단력이 스크류와 툴링을 청소하는 데 더 큰 효과를 발휘할 수 있다. 그러나, 어떤 경우에는 툴링 경로가 덜 매끄러운 영역에서 와류(渦電流)가 생길 수 있으므로, 스크류 속도를 저속과 고속을 오가며 바꾸어 주는 것이 효과적이다. 산출량의 변화는 유동량 뿐만 아니라 점도 변화를 초래한다. 전단속도/점도곡선에서 볼 수 있듯, 점도는 전단속도가 매우 낮을 때 훨씬 높아지며, 이것이 퍼징에 효과적일 수 있다.

이는 듀폰(Dupont)이 개발한 것으로 “디스코 기법(disco method)”이라고 표현한다. 이 방법의 효과를 높이기 위해 배럴온도 및 툴링온도 또한 저온과 고온을 오가도록 할 수도 있다. 예를 들어, 일시적으로 툴링온도를 높여도 배럴 벽에 바로 인접한 폴리머를 제외하고 폴리머 전체 온도 및 점도에 미치는 영향이 크지 않기 때문에 퍼징 효율을 향상시키는 데 도움이 된다. 당연히 배럴 벽에 인접한 폴리머가 연소되거나 열화되지 않도록 툴링온도를 너무 올리지 않도록 주의해야 한다.

 

산출량의 변화는 유동량과 점도의 변화를 초래한다

어떤 방법을 사용하는지와 관계 없이 서로 다른 폴리머의 가공 순서와 조건을 조절해 퍼징 효과를 높여주면 시간과 폴리머 및 퍼징 컴파운드를 엄청나게 절약할 수 있다. 그러나 이를 효과적으로 수행하기 위해서는 그에 앞서 폴리머의 전단속도/점도곡선을 확보해야 한다. 전단속도/점도곡선은 일반적으로 폴리머 공급업체, 인터넷 또는 간단한 샘플을 테스트 실험실로 보내면 얻을 수 있다.

그런 다음, 각 폴리머별 공정에 걸리는 시간 및 스크랩 발생 정도를 평가해 최상의 퍼징 순서를 정하는 작업을 시작하라. 이런 노력만으로 적지 않은 비용 절감을 보상으로 받을 수 있다.

 

 

퍼징(특정 업체 홍보용 아님)

https://youtu.be/NX7D96ZDk3s

 

드라이 아이스 블라스팅 기계

https://youtu.be/ULdhFWETiFw

 

트윈 스크류 요소의 스크류 엘리먼트 청소를 위한 적절한 도구 사용

https://youtu.be/PcoCAp6o3K0

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