3. 2축 스크류 압출기 관련기술의 발전
필름·시트 압출성형의 기본 장치인 스크류 압출기는 지금까지 단축 스크류 방식이 활용되어 왔지만, 최근 2축 스크류 방식의 적용이 급속하게 증가하고 있다. 사진5는 필름·시트 압출 성형에 사용되는 2축 스크류 방식과 단축 스크류 방식을 비교한 Coperion의 데이터이다. 2축 스크류 방식의 이점으로 에너지 절약과 설치 면적 축소화 등을 꼽을 수 있지만 2축 스크류 방식의 적용에는 혼련 품질을 향상시킨다는 기반적 기술 활용이 배경에 있다.
2축 스크류 압출기는 스크류와 실린더가 모듈화 되어, 폴리머 재료 및 부자재, 용도 등에 따라서 유연하게 대응할 수 있는 구조로 되어있다.
사진6은 스크류 믹싱 엘리먼트의 종류이며, 압출성형 특성에 있어서 단축 스크류 압출기와 2축 스크류 압출기의 차이를 표2와 표3에 정리했다.

<2축 스크류 압출 해석 기술의 발전>
(1) 용해영역의 해석
2축 스크류 압출기의 용융영역이 콤파운딩 조작에 있어 혼련이나 반응의 중요한 역할을 하는 것에 대해서는 이전부터 보고되고 있다. 최근에 와서야 이 영역에서의 용융을 이론적으로 시뮬레이션하려는 연구가 이루어지게 되었다.(13)~(15) 그러나 2축 스크류 압출기의 혼련에 미치는 용융영역의 역할을 용융기구부터 엄밀히 해석한 연구는 많지 않으며, 향후 한층 더 진전된 연구가 요망된다.
(2) 용융 광택의 유동 해석과 실험 검증
최근 2축 스크류 압출기에 대한 비교적 단순한 이론 해석의 방법으로 시중에서 판매중인 해석용 소프트웨어의 사용이 늘고 있으며, 복잡한 2축 스크류 믹싱 엘리먼트에 대한 용융폴리머 유동해석기술도 급속하게 발전하여 국내외에서 많은 연구 성과가 발표되고 있다.(16) 또한 이론 해석 결과를 실험적으로 검증하는 연구 성과도 보고되기 시작했다. Bigio는 일정한 응력으로 파괴하는 유리구슬을 응력 트레이서로 사용하여 2축 스크류의 믹싱 엘리먼트에 발생하는 응력분포를 실측하고 있다.(17) 그 결과 지금까지 경험적으로 알려진 지식, 예를 들어 광폭 니딩 디스크가 좁은 폭의 디스크보다 큰 전단 응력을 발생시킨다는 것과, 스크류 회전수가 커질수록, 혹은 처리량이 커질수록 발생하는 전단 응력도 커진다는 것이 실증되고 있다.

4. 압출기와 기어 펌프를 조합한 압출 성형 프로세스
기어펌프는 통상 스크류 압출기와 조합해서 필름 시트의 압출 프로세스에 사용하여 압출량 증가, 프로세스 안전성 확보, 압출 압력의 저감, 수지 온도 저하 등으로 활용되나, 이 압출 특성에 대해서는 거의 보고되지 않았다. 하지만 최근 이 분야에서도 몇 가지 연구 성과가 발표되고 있다.
그림6~7은 필름/시트 압출성형 시, 기어 펌프를 사용하지 않은 경우와 기어 펌프를 병용한 경우의 압출 특성의 차이를 나타낸 예이다.(18) 기어 펌프를 병용한 압출 프로세스에서는 그 동적 특성이 변화하므로 종전 프로세스의 제어 알고리즘과는 다른 생각이 요구되며 각각의 압출성형특성에 부합하게 대응할 필요가 제시되고 있다.

5. 정리
단축 스크류 압출기 및 2축 스크류 압출기와 관련된 최근의 기술적 발전이나 화제를 필름 시트 압출성형의 중점에서 서술했다. 단축스크류 압출기의 측면에서는 고성능의 믹싱 엘리먼트를 개발하여 다양화하는 재료나 용도에 대응하는 방향을 제시하였으며, 2축 스크류 압출기의 측면에서는 필름 시트성형 등 단축 스크류 압출기가 이용되어 온 분야에 2축 스크류 압출기를 적용하여, 에너지절감 및 고기능화를 도모하는 방향을 제시했다.

- 필자소개
사카이 타다모토

시즈오카대학 동경사무소객원교수 일본제강소사우