1. 서론
최근 압출성형분야에서는 높은 생산성을 향한 도전과, 한편으로 광학부품 및 의료관련부품 등의 고부가 가치 제품에 대한 전개가 급속하게 진행되고 있다. 뒷받침되는 형태로 최근 장치분야, 특히 압출기 기본 요소의 해석이나 시뮬레이션 방법에 큰 발전이 보인다.⁽¹⁾
그림1은 압출성형의 고효율화에 필요한 각종 요소를 정리한 것이다.⁽²⁾ 이 중에서 가장 기본적인 장치인 단축 스크류 압출기 및 2축 스크류 압출기를 중심으로 최근의 기술 발전에 대해 기술한다.⁽³⁾

2. 단축 스크류 압출기 관련기술의 발전
2-1 신규 단축 스크류 압출 이론의 전개
단축 스크류 압출기에 대한 이론적인 해석으로 1950년대 이후, 스크류는 정지되어 있고, 실린더가 회전하는 모델이 사용되어 왔으나, 이것을 본래의 형태, 즉 스크류가 회전하고 실린더가 정지되어 있는 모델로 전환하는 새로운 이론이 전개되어 왔다. G. A. Campbell과 M. A. Spalding의 공저 ‘Analyzing and Troubleshooting Single-Screw Extruders’에 단축 스크류 압출기의 압출량과 수지 온도에 가장 밀접한 관련이 있는 메터링 영역에 관한 새로운 압출 이론이 소개되고 있다.⁽⁴⁾
스크류 회전 모델을 사용할 때는 관측자가 스크류 유로 내에 서있는 경계 조건으로 변환한다. 이렇게 하면 기준 좌표가 스크류 유로 밑에 존재하게 되어, 관측자로부터 보면 실린더가 일정 속도로 이동하는 것처럼 보인다.
그림2는 이 이론을 이용하여 산출한 용해 폴리머의 온도(수지 온도)와 실린더가 이동하는 모델로 산출한 수지 온도를 비교한 것이다. 실린더가 회전하는 모델과 비교하여, 스크류가 회전하는 단축 스크류 압출기 모델이 수지온도가 낮고 실험치와도 일치한다.⁽⁴⁾ 이 그림에서 제시된 실측값은 스크류와 실린더가 각각 독립적으로 회전할 수 있도록 구성한 특수 압출성형 실험기(사진1)를 이용하여 측정한 것이다.

2-2 단축 스크류 압출성형과 열열화 발생의 관계
폴리올레핀의 필름이나 시트 압출 성형의 큰 문제는 겔의 발생이며, 최근 이 문제에 대한 대응책이 명확해지고 있다. 성형품에 발생되는 겔에는 다음의 종류가 있다.⁽¹⁾
① 폴리머가 격렬하게 산화열화하여 생성된 겔, 통상 흑점의 겔
② 폴리머가 산화열화하는 과정에서 생긴 가교 겔
③ 고도로 얽힌 고분자량 폴리머, 미가교로 혼련이 부족한 겔
④ 미용융 폴리머의 겔
⑤ 마스터배치에 포함된 필러가 응집한 겔
⑥ 금속조각, 톱밥, 섬유, 쓰레기 등의 이물질에 의한 겔
단축 스크류 압출기의 경우, 겔 발생 중 대다수가 스크류 메터링 영역에 체류하며 열화를 일으키는 경우이다. 그림3은 메터링 영역에서 열화의 발생 상황을 보여준다. 스크류 밑부분의 곡률과 그 영역 홈 깊이와의 비율이 최적화되지 않으면 소용돌이가 발생하여 체류가 일어난다.⁽⁶⁾
한편, 스크류 회전 모델에서는 고체상의 파괴와 관련하여 일어나는 용융폴리머의 스크류 내 체류 열화현상을 고찰할 수 있다. 통상 압출성형이나 사출성형은 특히, 스크류를 고속 회전하면 압출기의 용융영역에서 그림4와 같이 고체상이 파괴되는 현상이 자주 관찰된다. 고체상의 파괴는 압출변동이나 혼련 불균일성 등의 불량현상 요인이 된다는 것은 잘 알려져 있다.
이와 같이 고체상의 파괴나 체류에 의한 스크류 유로 내 열열화를 기존의 실린더 회전 모델로 설명하는 것은 어렵지만, 스크류 회전 모델을 사용하는 법이 더 타당하다는 설명은 가능하다. 즉, 용융 영역의 종단에서 고체상(A) 내의 결합 강도가 저하되면 고체상과 스크류 표면 사이에 생성하는 필름층(D)(사진2)의 견인이 고체상에 균열을 만들고, 이어서 고체상의 파괴를 일으킨다는 것은 스크류 회전 모델에서 추측할 수 있다. 이 때 파괴된 고체상과 용융 풀(B) 사이에는 사진2, 그림4와 같이 유속이 느린 체류영역이 생성되고, 대상이 되는 폴리머재료에 의해 열열화를 일으키는 요인이 된다.

2-3 단축 스크류 믹싱 엘리먼트의 발전
단축 스크류에 특수한 믹싱 엘리먼트를 적용하여 용융 폴리머의 신장 유동을 촉진하고, 저온 혼련 성능을 향상시키려는 기술이 발전되고 있다.^(7)~(9)
사진3 및 그림4는 신장 혼합형 스크류의 형상과 그 스크류를 의료용 폴리 유산의 압출 성형에 적용한 예를 보여준다.⁽⁷⁾ 종래의 믹싱 엘리먼트와 비교하여 신장 혼합형 믹싱 엘리먼트는 큰 전단력이 작용하지 않기 때문에 저온에서 혼련이 진행되고 열열화를 억제하여 폴리 유산의 분자량 변화를 방지할 수 있다. 그림5는 이 배치 개념을 보다 진화시킨 믹싱 엘리먼트 개발 사례이다. 이 스크류는 종래의 신장 혼합형 스크류와 비교하여 적분 혼합률의 분포가 좁고, 보다 균질의 혼련이 가능함을 시사하고 있다.⁽⁸⁾
단축 스크류 압출 분야 중 최근 급속히 늘어나고 있는 의료 및 의약 분야의 압출 제품에 대해서는 신장 혼합기구를 적용한 스크류의 개발이 중요하다. 그것은 고 전단력에 의한 기재 폴리머나 약제의 열화를 방지하며, 양호한 분산을 얻을 수 있기 때문이다.
한편 범용 필름 / 시트 분야를 중심으로 스크류 회전수를 고속화하여 전단력을 빠르게 작용시켜 압출량을 향상시키는 이른바 초고속 회전형 단축 스크류 압출기의 발전이 있다. 이 형식의 단축 스크류 압출기는 같은 스크류 지름의 기존 단축 스크류 압출기에 비해서 높은 압출량을 얻을 수 있고 감속기를 부속시키지 않아도 좋을 만큼 구조상의 특징을 갖추고 있다. 사진4는 초고속형 단축 스크류 압출기이며, 표1에 그 이점과 단점을 정리했다.

- 필자소개
사카이 타다모토

시즈오카대학 동경사무소객원교수 일본제강소사우