3. 에너지 절약 압출기의 구성과 성형 프로세서
  에너지 절약 압출기에 있어 중요한 구성 포인트는 ①홈이 있는 실린더와 에너지 절약에 용이한 스크류 디자인 ②다이렉트 드라이브 모터 및 고효율 모터의 채용 ③기어 펌프 채용 ④단열 등이 있다.
먼저 성형 프로세스에 있어서는 얼마나 자기 발열을 유효하게 이용하고, 어느정도로 제어를 할 수 있느냐가 중요하다.
<사진2>는 에너지 절약 압출기 외관을 나타낸다.
사양은 구경 40㎜, L/D=24, 스크류 최고 회전수 300rpm, 구동 모터 37㎾ 다이렉트 드라이브 모터이다. 이들은 전 항목에서 표시한 불균형을 해결하기 위한 사양이다.
일반적인 단축 압출기는 대부분 수지 펠릿 공급부에서 홈 가공을 하지 않는다. 따라서 공급부의 스크류 형상과 배럴 및 스크류 표면, 그리고 수지의 마찰계수에 의해 압출기 내 공급량이 결정된다.

하지만 공급부에 홈 가공을 시행하게 되면 공급량은 1.5배 이상으로 증가한다. 이는 기존 압출기의 약 1/2의 회전수로 압출이 가능해짐을 의미한다. 즉 회전수 증가에 따른 자기 발열의 제어 효과가 높아지는 것이다.
<그림6-1>과 <그림6-2>는 홈의 유무와 수지의 종류에 따른 압출 능력 곡선과 공급부의 구조를 나타냈다.
홈 형상은 삼각형형, 사각형형이 주로 많이 적용되며 각각의 사양에 따라 최적의 효과를 얻을 수 있는 홈 개수가 정해진다.
이 때 홈 형상이 맞지 않거나 개수가 너무 많게 되면 압출 내부의 압력이 굉장히 높아진다. 압력이 높아지게 되면 그만큼 과부하가 발생해 압출 불능, 이상 발열, 이상 마모 등의 원인이 되기 때문에 각별한 주의가 필요하다.
스크류 디자인을 살펴보면 일반적으로 현장에서 사용되고 있는 압축비에 비해 아주 작은 값을 나타내고 있으며, 스크류 홈 깊이도 얕다. 홈 깊이가 얕을 경우에는 홈 깊이 방향의 온도 분포와 더불어 전단 응력 등의 분포가 예민해지게 되며, 이는 곧 압출의 안정화와도 밀접한 관련이 있다.
혼련에는 주로 메독, Dulmage, 핀믹싱 등이 이용되지만 최근에는 CTM, CRD, VIP 등의 신장 변형형 디자인도 적용되는 추세이다.

<그림7>은 전단 흐름과 신장 흐름에 의한 2액 혼합 비교를 그래프로 나타낸 것이다. 이 그래프의 가로축은 2액의 점도비를, 세로축은 혼련에 필요한 에너지를 표시했다.
흰 원으로 표시한 라인은 전단 흐름을 나타내며 검정 원으로 표시한 라인은 신장 흐름을 보여주고 있다.
그래프를 살펴보면 폭넓은 신장 흐름을 가진 점도성이 있는 유체를 적은 에너지로도 혼련 가능하다는 점을 알 수 있다.

참고로 <그림8>과 <그림9>는 Rauwendaal이 개발한 VIP, CRD 믹싱을 보여준다.
이 시스템의 모터는 고효율 모터나 다이렉트 드라이브 모터의 채용이 필요하다.
대부분의 경우 5~10% 정도의 에너지 절약 효과가 있지만, 세부적인 운전 조건에 따라 다르게 나타난다.
특히 다이렉트 드라이브 모터는 감속이 별도로 필요하므로 감속기에서의 효율 저하나 메인터넌스 삭감 효과도 고려해야 한다. 이 모터의 경우 현재 상황으로는 시장 유통이 적어 값이 비교적 비싼 편이다.
다음으로 기어 펌프 장치를 설치함에 따른 메리트를 고려할 수 있다. 이 장치는 승압과 토출량 저하, 자기 발열 증가 효과가 있지만 에너지 효율의 저하가 일어난다. 이를 개선하기 위해 현장에서는 기어 펌프 장치를 사용하면서 압출기 선단 압력의 Mpa을 저하시켜 문제점을 개선할 수 있다. 이 방법은 토출 정도와 수지 온도 균일성도 향상시킬 수 있기 때문에 압출기의 운전조건을 넓히는 것까지 가능하게 해준다.
물론 이러한 기어 펌프를 사용하지 않고도 에너지 절약하는 방법에는 여러 가지가 있지만  스크류 디자인만으로 현장에서 발생하는 모든 요구 사항을 대응하기는 많은 어려움이 따른다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 스크류 설비의 최적화를 위한 상당한 시간이 필요하다.

<그림10>과 <그림11>은 가와사키중공업과 마그(Maag)의 기어 펌프 구조와 압력 변동의 개선 예를 나타낸다.
단열은 이전부터 꾸준히 시행되었는데, 주로 실린더 커버의 안쪽에 단열재를 설치하는 방식이 많이 적용됐다. 하지만 최근에는 직접 실린더 본체를 단열함으로써 에어로 냉각이 가능한 방식도 늘어나고 있는 상황이다.

4. 성형 예와 적용 효과
  이번에는 <사진2>의 테스트 장치로 실험을 시행한 결과를 살펴보자. 테스트에는 LDPE(MI=2) 수지를 사용했다. <그림12>는 스크류 회전수와 압출량의 관계를 나타내고 있다.

일반적으로 현장에 적용되는 압출기의 경우 100rpm시 압출량이 21㎏/h정도에 불과하지만 <사진2>의 에너지 절약 압출기를 적용하면 70㎏/h가 된다.
100rpm이상에서는 회전수 증가에 따라 Q/N 저하가 발생하는 모습을 볼 수 있다. 이는 L/D=24라는 짧은 실린더를 사용하고 있기 때문에 L/D를 길게 하는 것으로 Q/N의 저하를 억제할 수 있다.
압출량 증대에 의한 혼련 부족에 대해서는 믹싱부를 도입하고 제품에 맞춘 혼련 도합으로 조정이 가능하다.
회전수와 수지 온도의 관계는 <그림13>을 보면 알 수 있다. L/D=24일 경우, 회전수의 증가에 따라 수지 온도는 저하하고 있다.

대체적으로는 자기 발열이 가소화에 유효한 움직임을 나타내고 있지만 실린더의 설정온도가 200℃에 이르면 수지 온도가 낮아지고 혼련이 저하하는 곡선을 그린다. 특히 고속 회전에서 사용할 경우는 대책이 필요하다.
<그림14>는 스크류 회전수와 비(比)에너지의 관계를 표시한 것이다. 그래프를 보면 100rpm 이상에서는 0.2㎾h/㎏으로 이론 에너지에 가까운 값을 나타내고 있다.
이는 종래 압출기와 비교해도 1/2가량 줄어든 값이다.

5. 맺음말
  본문에서는 주로 에너지 절약 압출기의 일례를 나타냈으나 실제 현장에서는 수지의 종류, 용융점도, 최종 제품의 혼련도에 의한 스크류 디자인, L/D, 기어펌프의 유무, 온도 설정 등의 커스터마이즈가 필요하다.
하지만 대부분의 상황에서 에너지 절약에 의한 환경 부하 경감 효과는 높다고 볼 수 있다.
최근 세계적으로 지구 온난화 방지에 관한 이산화탄소 배출 규제가 점점 강화되고 있는 가운데 일본은 에너지 절약에 관련된 보조금 사업, 세제 우대 조치를 취하면서 이에 대응하고 있다. 본지에 소개된 글이 다양한 현장에서 모두에게 도움이 되었으면 한다.

<참고문헌>
(1) Johannes.Wortoberg.SPEANTEC2002 pp.80-84
(2) 田上秀一：ポリマ一混練·分散技術および具體的な不良要因とその對策、第２章、p.8、技術情報協會（2003）
(3) 川崎重工業(카와자키중공업) 카달로그
(4) 마그(maag)社 카달로그

*필자
(주)플라스틱공학연구소 기술개발부장
辰巳昌典 Masanori Tatsumi(타츠미마사노리)