EP 압출 공정 중 용융 파단을 방지하는 방법

서론

용융 파단은 압출 성형 과정에서 전단 속도가 임계값을 초과할 때 고분자 용융물이 표면 불안정성을 보이는 현상을 말합니다. 이로 인해 압출된 재료의 표면이 거칠어지며, 상어 가죽 무늬, 요철, 대나무 무늬 또는 나선형 왜곡과 같은 변형이 나타납니다. 용융 파단은 제품 품질과 생산 효율에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

classic 의 유변학 시험 장비인 모세관 유변계는 다양한 재료에 대해 광범위한 전단 속도와 온도 범위에서 용융 파단 현상을 조사할 수 있게 해줍니다.

따라서 본 연구에서는 NETZSCH 의 Rosand RH10 모세관 레오미터(그림 1)를 사용하여 폴리에틸렌(PE) 소재의 용융 파단에 대한 온도 영향, 다이 입구 각도 및 다이의 길이 대 직경 비율을 체계적으로 조사했습니다. 본 연구는 실제 생산 현장에서 PE 가공 기술을 안내하고, 용융 파단 발생을 방지함으로써 PE 제품의 생산 효율과 품질을 향상시키는 것을 목표로 한다.

측정 조건 및 시험 방법

측정 조건은 표 1에 정리되어 있다.

표 1: 측정 조건

왼쪽 배럴 아래에 다이를 설치하고 온도가 안정될 때까지 기다린 후, PE 펠릿을 배럴에 서서히 투입하고 1 MPa까지 사전 가압한 다음, 일정 온도에서 5분 동안 예열했습니다. 그 후, 장비는 설정된 전단 속도 표에 따라 자동으로 시험을 수행하고 용융 압력, 전단 점도 및 온도 정보를 기록했습니다.

시험 결과 및 고찰

가공 온도가 PE의 용융 파단 현상에 미치는 영향

그림 2는 다양한 온도 조건에서 PE 시료의 겉보기 전단^점도¹와 겉보기 전단^속도²의 관계를 나타낸 그래프이다. 그림에서 볼 수 있듯이, 모든 온도 조건에서 PE 시료의 겉보기 전단 점도는 전단 속도가 증가함에 따라 점차 감소하며, 전형적인 전단 희석 거동을 보인다. 이는 모세관 다이 내부의 전단력이 PE 분자 사슬 간의 얽힘을 풀어주어 분자간 상호작용을 감소시키고, 결과적으로 겉보기 전단 점도가 감소하기 때문이다. 또한, 온도가 상승함에 따라 PE 용융물의 자유 부피가 팽창하여 사슬 단편의 이동성이 향상되고 분자간 힘이 약화된다. 그 결과, PE 용융물의 유동성이 증가한다. 따라서 동일한 겉보기 전단 속도에서 PE 시료의 겉보기 전단 점도는 온도가 상승함에 따라 감소한다.

^1겉보기 전단^점도는유동장이나 입구 효과에 대한 보정을 거치지 않고 직접 계산된 전단 점도이다.

^2겉보기전단^속도는유동장에 대한 보정을 거치지 않고 직접 계산된 전단 속도이다.

그림 3은 서로 다른 온도와 전단 속도에서 모세관 다이를 통해 압출된 PE 용융물의 표면 형태를 보여주는 사진이다. 그림에서 볼 수 있듯이, 비교적 낮은 전단 속도(300 s⁻¹ 이하)에서는 PE 압출물의 표면이 비교적 매끄럽게 유지된다. 그러나 전단 속도가 증가함에 따라 압출물의 표면에 불규칙한 요동이 나타나기 시작한다. 특히 200°C에서 전단 속도 300 s⁻¹일 때 PE 압출물에서 용융 파단이 발생한다. 온도를 220°C로 높이면 용융 파단이 시작되는 임계 겉보기 전단 속도는 500 s⁻¹로 상승한다. 온도를 250°C로 더 높이면 겉보기 전단 속도가 800 s⁻¹에 도달할 때까지 용융 파단이 지연된다.

이러한 현상은 고온에서 분자 사슬의 열 운동이 강화되어, 외부 전단력에 의해 유발되는 배향 및 엉킴 해소 효과를 상쇄하기 때문으로 볼 수 있다. 온도가 상승함에 따라 분자 사슬의 운동이 활발해지면서 용융 파단이 발생하기 위해 필요한 임계 전단 속도가 높아진다. 따라서 충분한 용융 강도가 유지된다면, 압출 공정 중 가공 온도를 높이는 것이 PE 제품의 표면 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

PE 제품의 용융 파단 현상에 미치는 다이 입구 각도의 영향

그림 4는 220°C에서 다양한 전단 속도를 적용하여 입구 각도가 다른 모세관 다이를 통해 압출된 PE 용융물의 표면 형태를 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 낮은 겉보기 전단 속도(500 ^s⁻¹ 이하)에서는 압출물의 표면이 비교적 매끄럽게 유지된다. 그러나 전단 속도가 증가함에 따라 표면에 불규칙한 요동이 나타나기 시작한다. 구체적으로, 다이 입구 각도가 180°일 때, 겉보기 전단 속도 500 ^s⁻¹에서 용융물 파단이 발생한다.

반면, 입구 각도가 90°인 다이(die)를 사용할 경우, 용융 파단이 시작되는 임계 겉보기 전단 속도는 800 s⁻¹로 증가합니다. 이러한 현상은 폴리머가 배럴에서 입구 각도가 더 작은 다이로 유입될 때 용융 유선들이 급격히 수축하여 상당한 신장 유동 성분이 도입되기 때문으로 볼 수 있습니다. 고속 신장 하에서 PE 분자 사슬은 고도로 배향되어 다이 출구 이후 탄성 회복이 강화됩니다. 이로 인해 다이 팽창이 증가합니다. 동시에 인장 응력의 집중으로 인해 용융 파단이 쉽게 유발될 수 있다. 따라서 다이 입구 각도를 줄이면 더 매끄러운 PE 제품을 얻을 수 있다.

PE 용융 파단 현상에 미치는 다이 길이 대 직경 비율의 영향: 더 매끄러운 PE 제품 생산에 기여

그림 5는 서로 다른 길이 대 직경(L/D) 비율을 가진 모세관 다이를 통해 다양한 겉보기 전단 속도에서 압출된 PE 용융물의 표면 형태를 보여주는 사진이다. 볼 수 있듯이, 비교적 낮은 겉보기 전단 속도(300 ^s-1 이하)에서는 PE 압출물의 표면이 매끄럽게 유지된다. 그러나 전단 속도가 증가함에 따라 불규칙한 변동이 나타나기 시작한다. 구체적으로, L/D 비율이 8:1일 때, ^{300 s-1의} 겉보기 전단 속도에서 용융 파단이 발생합니다. 반면, L/D 비율이 16:1 또는 32:1인 경우, 용융 파단이 시작되는 임계 전단 속도는 ^{500 s-1로} 증가합니다.

그러나 전단 속도 ^{500 s-1에서} 압출물의 형태를 확대하여 관찰해 보면, L/D 비율이 32:1인 경우의 압출물 표면이 16:1인 경우보다 더 매끄러운 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 다이 L/D 비율이 작을수록 모세관 내 PE 분자 사슬의 이완 시간이 짧아지기 때문으로 분석됩니다. 그 결과, 유동 중에 축적된 탄성 에너지가 완전히 방출되지 못해 용융물이 파단되기 쉬워집니다. 따라서 다이 L/D 비율을 조정하는 것도 PE 제품의 표면 품질을 개선하는 효과적인 방법이 될 수 있습니다.

결론

본 연구에서는 로산드(Rosand) RH10 모세관 레오미터( NETZSCH )를 사용하여, 다양한 온도, 다이 입구 각도 및 다이 길이 대 직경 비율 조건에서 서로 다른 전단 속도를 적용했을 때 폴리에틸렌(PE) 압출물의 형태학적 변화를 조사하였다. 특정 임계 전단 속도 이하에서는 압출물의 표면이 매끄러웠다. 전단 속도가 이 임계값을 초과하면 PE 압출물의 표면이 거칠어지고 용융 파단이 발생했다. 가공 온도를 높이고, 다이 입구 각도를 줄이며, 다이 길이 대 직경 비율을 크게 하는 것이 모두 용융 파단 현상을 억제하는 데 기여하는 것으로 관찰되었다. 또한, PE 압출물의 표면 형태는 이산적인 전단 속도 값으로만 조사되었으므로, 용융 파단 발생의 임계 전단 속도를 정확하게 파악하기 위해서는 용융 파단 시험 모드를 이용한 보다 상세한 조사가 권장됩니다.