1. 서론

일본 경제는 글로벌화와 신흥국으로의 생산기지 이동 등으로 인해 어려운 시기를 맞이하고 있다. 에너지 분야의 경우 태양광·지열·풍력발전, 셰일가스·오일, 메탄 하이드레이트 등의 새로운 에너지 재료가 점차 차세대 에너지로서의 존재감이 커지면서 에너지 밸런스의 변혁을 예고하고 있지만, 아직은 종래 기술인 화력·원자력발전이 여전히 주축 에너지원으로 자리하고 있는 상황이다.

이러한 환경에서 우리는 항상 새로운 제품을 통해 새 시장을 만들어 나갈 필요가 있다. 단순한 가격 경쟁이 아닌, 고객 니즈에 부합하는 코스트 퍼포먼스가 중요하다.

현재 시장은 상품 수명이 짧아지고 비즈니스 스피드가 빨라졌으며, 매크로에서 미크로와 나노 단위로 변화하고 있다. 또한 하드와 소프트, 리얼과 버추얼, 단체와 솔루션, 원료와 최종 서비스의 일관된 공업(共業)이 요구되는 상황이다.

그린 테크놀로지, 나노 테크놀로지의 선단 기술 성장률이 눈에 띄게 높아진 점도 특징이다. 제품 개발에 있어서는 범용 재료의 구조제어에 의한 고기능화, 에너지 효율 향상, 재생가능 에너지의 활용, 리사이클, 순환형 저탄소 사회 지향, 고정도, 고속화, 환경부하경감(에너지절약)을 추구하는 혁신적 성형 프로세스에 대한 요구가 높아졌다. 원료배합, 성형 설비, 성형기술을 일체화한 커스터마이즈 역시 중요한 화두로 떠오르고 있다.

한편 이산화탄소 농도 증가에 따른 지구 온난화를 방지하기 위한 대책이 시급해진 가운데 압출성형은 현재 대량의 에너지를 소비하며 제품을 생산하는 대표적인 현장으로 손꼽히고 있다. 일본 내 플라스틱 제품의 생산량은 약 1,100만 톤이며, 수지 1kg을 성형하기 위해서는 평균적으로 0.3~0.4㎾/㎏이 필요하다. 기존의 에너지절약 대책으로 인해 단열, 고효율 기기 적용 등이 꽤 진행되고 있는 상황이지만 개선이 한 층 더 요구된다.

2. 장치의 개요와 특징

압출성형에서 가장 에너지를 많이 소비하는 설비는 압출기 본체이다. 압출기는 고체의 수지를 가소화 용융시키기 위해 히터와 모터 등 대형전기기기를 포함하고 있기 때문이다.

본문에서는 압출기의 절반 이상을 차지하고 있는 단축 압출기를 중심으로 에너지 절약 압출기술에 대해 설명하고자 한다.

우선 일반적인 단축 압출기에 요구되는 성능으로는 ①압출량·압력·온도 변동이 작을 것 ②자기 발열에 의한 수지온도 상승이 적절할 것 ③적정한 혼련에 의해 미용융이나 겔(Gel)없이 각종 복합 재료가 균질 분산될 것 ④압출용융수지 내에 기포(공기, 저휘발성분 등)가 없을 것 ⑤에너지 절감에 기여할 것 등이 있다. 따라서 배합 조건(수지의 등급, MI(용융점도), 첨가제 배합 등), 스크류 디자인(풀 플라이트 스크류(Full Flight Screw), 믹싱 스크류, 벤트 스크류), 성형조건(온도, 압력, 회전수) 등을 적절히 매칭하는 것이 중요하다. 특히 엔지니어링 수지와 슈퍼 엔지니어링 수지는 흡습성이 높고 열·전단 및 체류에 의해 소화(분해, 겔화, 물듦)가 쉬워 성형재료에 대한 대책이 충분히 이루어지지 않으면 안 된다. 산화, 소화 등을 일으키기 쉬운 재료의 경우에는 진공 호퍼를 사용하기도 하며, 스크류는 풀 플라이트 스크류가 가장 심플한 형상으로, 가장 기본적으로 이용되는 디자인이다.

하지만 혼련 및 탈기가 필요한 경우에는 그에 대한 대책이 별도로 요구된다. 혼련을 시행할 경우 Dulmage 믹싱, 메독·유니멜트 믹싱 등으로 대표되는 믹싱 섹션을 스크류 일부에 추가하기도 한다.

이 믹싱은 대부분 스크류 메탈링부에 포함되는데, 이는 배압류에 의한 상승 효과를 기대할 수 있기 때문이다. 일반적으로 배압류는 압출기 선단 압력이 높을수록 커지게 된다.

또한 가소화 용융의 안정성 및 압력 변동 방지를 위해서는 더블플라이트 섹션이 단독 또는 믹싱 섹션과 병용하여 사용되며, 탈기가 필요한 경우에는 벤트식 스크류가 채용된다. 이 때 탈기가 불충분하게 되면 수지 내부에 남아있는 휘발성분이 필름 표면에 결함을 발생시키는 원인이 되기도 한다.

<그림1>은 기본적인 스크류 디자인을, <사진1>은 각종 스크류의 외관사진을 나타냈다.

기본 디자인은 크게 세 종류로 구별된다. ①은 가장 기본적인 타입으로, 풀 플라이트 스크류라고 불린다. 이 스크류는 혼련이 많이 필요하지 않으며, 주로 수지의 가소화 용융 및 승압(펌프 기능)을 위해 이용된다. ②는 믹싱 스크류로, 안료나 첨가제 및 필러 등의 분배, 분산, 수지 겔의 미세화나 수지 온도의 균일화에 사용된다. ③은 ②의 기능에 더해 압출기 내부에서 발생하는 불필요한 저휘발성 성분을 제거하는 기능까지 갖춘 벤트식 믹싱 스크류이다.

믹싱섹션은 혼련방식의 차이에 따라 위치 교환 방식, 베리어·슬릿 방식, 신장 변형 방식 등 세 가지로 분류된다. 위치 교환 방식은 전단의 약한 파괴를 통한 분배 혼련으로 온도와 색의 불균일 등을 해결하기 위해 가장 많이 사용되는 방식이다. 베리어·슬릿 방식은 전단의 강한 파괴를 이용한 분산 혼련으로 폴리머 블랜드, 첨가제 블랜드, 필러 블랜드 등의 용도로 사용된다. 신장 변형 방식은 수지의 흐름 방향에 따라 공간의 확대와 축소를 제어함으로

써 신장을 변형시켜 분산 혼련을 시행하게 된다.

여기서 중요한 것은 성형 프로세스에 관한 최종 제품을 생산할 때 최적의 프로세스를 적용해야 한다는 점이다. 특히, 에너지 효율 향상을 목적으로 하는 스크류 디자인의 최적화를 위해서는 고려해야할 사항이 많다.

일반적으로는 수지를 가소화 용융하는 이론 에너지에 비해 2배 이상의 에너지가 사용되는 경우가 많으며, 자기발열에 의해 상승된 수지 온도가 실린더부에 있는 냉각 장치에 의해 다시 냉각되는 등 에너지 효율의 악순환도 자주 발생하게 된다. 자기 발열은 스크류 회전수의 증가에 따라 높아지게 되는데, 적절한 자기 발열은 수지 혼련을 돕고 품질향상에도 플러스 요인이 되지만 과도한 자기 발열은 착색, 수지 열화 등의 결함을 일으키고 불필요한 에너지

를 소비하게 만들기도 한다.

식<1>은 자기 발열량의 기본식이다. 발열은 스크류 채널 및 스크류 플라이트부의 선단 속도의 제곱 또는 겉보기 점성도, 채류 시간에 비례해 증대한다.

식<2>는 점성유체를 회전시키기 위해 필요한 토크를 표시했다. 각 기호는 T : 토크(N-㎝), D : 실린더 내경(㎝), H : 채널 깊이(㎝), L : 길이(㎝), τ : 전단응력(kPa)를 나타낸다.

다음으로 상온 상압의 고체 수지를 가소화 용융하기 위해 필요한 에너지 Q는 식<3>에 나타냈다. Q1, Q2, Q3은 각각 고체 상태, 융점, 용융상태의 승온에 관한 에너지량을 나타낸다.

식<4>~식<6>은 각 에너지를 표시했다. 식 내의 기호는 Cs : 고체의 비열(cal/㎏), Cm : 용융체의 비열(cal/㎏), M : 압출량(㎏/h), Tm : 융점(℃), Ts : 초기고체의 온도(℃), Te : 가열융점 후의 온도(℃), λ : 융해열(kcal/㎏)이다.

수지의 엔탈피(Kcal/㎏)가 나뉘어져있는 경우는 소정의 용융온도·압력에서의 엔탈피와 상온 상압에서의 엔탈피의 차와 압출량이 요구된다. 이는 일반적인 압출성형에서 소비 에너지의 실측치(實測値)와 계산치의 차이를 설명한다.

실험에 사용한 단축 압출기는 구경40㎜, L/D=32, 풀 플라이트 스크류를 적용했다.

사용한 수지는 LDPE이며, 멜트 인덱스는 2.0이다. 성형 온도는 180℃으로 설정해 스크류 회전수와 선단 압력을 변화시키면서 소비 에너지를 측정했다.

한편 이번 실험에서는 수지 온도의 영향도 함께 확인할 수 있었다. 선단 압력을 10Mpa으로 설정할 경우, 회전수와 수지 온도의 관계는 20rpm 설정 온도에 대해 +3℃, 60rpm시 +7℃, 100rpm시 +10℃, 140rpm시 +19℃가 되며 1회전 당 0.14℃의 수지 온도가 상승했다.

또한 회전수를 140rpm으로 고정하고 선단 압력을 변화시킨 실험에서는 수지 온도가 0Mpa의 경우 +34℃로 선단 압력 상승에 따른 자기발열이 높아졌다.

<그림2>와 <그림3>은 선단 압력 10Mpa에서의 스크류 회전수 및 압출 선단 압력과 자기 발열의 관계이다.

이 실험에서 개방과 선단 압력 30Mpa에 대한 압출량 저하율은 17%로 나타났다. 모터와 히터에 각각 전력계를 준비해 측정한 결과를 <그림4>에 표시했다.

결과를 살펴보면 모터 에너지는 회전수에 따라 증가하고 있다. 모터 에너지와 압출량의 관계인 전력 비에너지는 20rpm시 0.09㎾h/㎏, 60rpm시 0.13㎾h/㎏, 100rpm시 0.16㎾h/㎏으로 상승했다.

반대로 히터 에너지와 압출량의 관계에서 가열비에너지는 20rpm시 0.85㎾h/㎏, 60rpm시 0.33㎾h/㎏, 100rpm시 0.18㎾h/㎏으로 감소했는데, 이는 스크류 회전에 따른 자기 발열에 의한 것으로 보인다.

모터와 히터를 맞춘 비에너지는 20rpm시 0.94㎾h/㎏, 60rpm시 0.46㎾h/㎏, 100rpm시 0.34㎾h/㎏으로, 회전수가 빨라질수록 1kg의 수지를 용융하기 위한 에너지는 줄어들었다. 하지만 수지 온도가 높아지게 되어 성형에 적합한 방법이라고는 볼 수 없다.

한편 60rpm, 10Mpa시의 운전 조건에서 이 수지를 가소화 용융하기 위한 이론치는 0.145㎾h/㎏로 나타났다.

일반적인 LDPE 엔탈피 곡선에서 20℃와 0MPa시의 엔탈피는 9.72kcal/㎏, 210℃와 10MPa시의 엔탈피는 134.8kcal/㎏을 보였다. 이들을 비교해보면 이론치에 비해 약 2.3배의 에너지를 소비하고 있다는 점을 알 수 있다. 즉, 가소화효율의 개선이 필요하다는 것이다.

<그림5>는 압출기 내부에서의 MD방향 압력 분포를 나타낸다. 내부 압력 분포는 스크류 디자인(압축비, 운전 조건(성형온도, 회전수, 수지점도))에 따라 크게 좌우됨을 볼 수 있다. 즉, 적절한 내압은 압출 안정성과 혼련에 좋은 영향을 주지만 과잉된 압력은 마찰 발열에 따른 수지 온도 상승 및 마모, 압출 변형 등의 불균형 현상을 야기하고 불필요한 에너지를 소비하게 되는 것이다.

*필자

(주)플라스틱공학연구소 기술개발부장

辰巳昌典 Masanori Tatsumi(타츠미마사노리)