플라스틱 수지 건조의 기본

플라스틱 수지를 건조시키는 목적은 수지를 성형하는 과정에서 수지에 수분이 너무 많거나 작아서 생기는 문제를 최소화 또는 방지하는 것이다. 사출 성형 또는 압출 성형한 부품 품질에 수분이 미치는 영향은 수지 종류에 따라서 그리고 부품 용도에 따라서 달라진다.

대부분의 플라스틱 성형업체는 수지 예비건조 필요성, 특히 흡습성이 높은 수지는 건조가 필요하다는 것을 알고 있지만 그 기본 이론, 심지어 관련 용어조차 정확하게 이해하지 못하고 있는 경우도 드물지 않다.

사출성형 또는 압출성형한 제품 품질에 수분이 미치는 영향은 수지 종류에 따라서 그리고 부품 용도에 따라서 달라진다. 그러나 원료를 부적절하게 또는 불완전하게 건조시키면 성형 가공 과정에서 또는 부품을 사용하는 과정에서 문제가 발생할 소지가 매우 높으며, 심하면 성형 과정과 사용 시에 모두 문제가 생길 수도 있다.

이 기사에서 소개하는 “건조의 기초”는 플라스틱 원료의 수분을 제거하고 부적절한 건조에 의해 발생하는 외관상 및 성능상 문제를 방지하는 방법을 제공하는 것이 목적이다. 다음의 개념도는 이중 건조제 베드 방식 건조기 구성과 동작 원리를 보여준다. 그림 방식은 구식이며 이미 대부분 건조제 휠 건조기 및 막 건조기로 대체되었다.

건조 관련 매개변수
모든 플라스틱 수지에서 열은 가장 기본적인 건조 매개변수이다. 열은 수지를 건조시키는 기본 동력이다. 펠릿을 가열하지 않으면 그 속에 포함되어 있는 수분을 제거할 수 없다.

흡습성 수지는 수분을 흡수하고 보유하는 성질이 매우 강하며, 물 분자는 수지 내부 중합 사슬에 결합되어 있다. 여기에 열을 가하면 수지 분자가 활발하게 운동하여 물 분자가 중합 사슬에 결합되는 힘을 약하게 한다. 일정 온도 이상이 되면 물 분자와 중합 사슬 사이에 결합력이 감소되어 분자가 자유롭게 운동할 수 있게 되어 수분을 배출하는 것이다.

비흡수성 수지는 펠릿 내부로 수분을 흡수하지 않지만, 펠릿 표면에 수분이 붙어 있을 수 있다. 여기에서도 열을 가하면 표면에 붙어 있는 물 분자를 제거할 수 있게 된다.

대부분 건조공정에서 흡습성 수지를 건조할 때 이슬점이 두 번째로 중요한 매개변수이다. 이슬점은 공기 중에 있는 수분이 응축되기 시작하는 온도를 말한다. 펠릿 주위에 있는 건조공기는 증기압(이슬점)이 낮아서 펠릿 내부에 있는 자유로운 물 분자를 펠릿 표면으로 이동시켜준다.

건조 시간은 세 번째 중요한 건조 매개변수이다. 플라스틱 펠릿은 즉시 건조되지는 않는다. 먼저 가열하여 내부에서 중합 사슬에 결합되어 있는 물 분자가 자유롭게 움직일 수 있도록 해야 한다. 그 다음 물 분자가 펠릿 표면으로 이동해 나오는데 시간이 소요되며 또한 표면 물 분자가 비흡습성 재료 표면에서 증발하는데도 시간이 필요하다.

공기 흐름은 네 번째 중요한 건조 매개변수이다. 공기 흐름은 건조기 호퍼 안에 있는 플라스틱 수지에 열을 가하거나 또는 고온의 건조 공기를 제공하기 위해 필요하다. 비흡습성 수지일 경우 열풍을 펠릿 주위로 불어서 표면의 수분을 제거해야 한다.

흡습성 수지일 경우 이슬점이 낮은 열풍을 펠릿에 공급하면 수지 내부에 결합되어 있는 물 분자를 분리시켜 펠릿 표면으로 이동해 나오도록 하여 열풍에 의해 제거될 수 있도록 해야 한다.

건조 공기 풍량은 건조 호퍼 내부에 적절한 온도를 형성하고 유지하는데 충분한 양이라야 한다. 가령 4시간 건조가 필요하다면 건조 호퍼 내부에 네 시간 동안 건조 온도가 유지되어야 한다. 건조 공기의 풍량이 감소하면 온도 프로파일도 낮아진다.

최신 에너지 절약 기술
건조설비에서 에너지 절약의 중요성을 강조하는 설비 제조업체가 있는가 하면, 에너지 효율을 시험할 수 있는 시설이나 유자격자를 보유하고 있지 않은 업체에서는 에너지 효율이 중요하지 않다고 주장한다.

건조시설 성능은 최소한의 열을 사용하여 펠릿 온도를 적절한 수준으로 가열할 수 있어야 하며, 사출성형기 또는 압출기 투입부에서 일정한 온도를 유지할 수 있어야 한다. 또한 열회수 시스템은 건조제 가열에 투입된 에너지를 최소화할 수 있고 건조 과정에서 건조제가 흡수한 수분을 효율적으로 제거할 수 있어야 한다.

건조 공정의 에너지 절약
건조기 제조업체들이 주장하는 건조시설의 에너지 효율 평가에도 주의가 필요하다. 업체에 따라서는 건조 시스템 온도를 낮추는 것이 에너지를 절약할 수 있는 방법이라고 주장하기도 한다. 건조 시스템에서 건조 온도를 낮춘다는 것은 무슨 의미일까?

이것은 건조기 내부 온도, 따라서 건조기에 투입되는 플라스틱 수지의 온도를 낮추는 것을 말한다. 그 결과, 건조기 이후에 있는 플라스틱 성형기는 수지를 적절한 온도로 가열하기 위해 밴드 히터 등을 통해 필요한 열을 추가로 공급해야 한다. 결국 건조기에서 절약되는 에너지가 성형기에서 소비되므로 에너지 절약효과가 없을 뿐만 아니라 최종 성형품 품질에 문제가 생길 수 있다.

VFD(가변 주파수 구동장치)를 사용하여 송풍기 운전 속도를 제어하면 건조 시스템에서 소비되는 에너지를 절약할 수 있다. 공기 유량과 온도 상승을 최소화하면 건조 공정의 가열 에너지를 수지 가열에 필요한 최소한의 수준으로 낮출 수 있는 것이다.

VFD를 사용하면 송풍량을 최소화하여 건조에 소비되는 에너지를 최소화할 수 있게 된다. 이때 수지 온도는 후속 성형기 투입에 적당한 수준으로 가열되며 건조 호퍼 내부에 남아 있는 모든 에너지와 최소 양의 에너지(열)는 건조 시스템으로 회수된다.

이런 기능을 유지하기 위해서는 수지 온도 및 건조기 호퍼에서 배출될 때 온도를 지속적으로 측정하고 열풍 유량을 조절하여 건조 호퍼에서 건조기로 돌아오는 열풍 온도가 건조기 호퍼에 투입되는 수지 온도보다 약간만 더 높도록 제어한다.

이 과정은 송풍기 속도를 VFD로 제어하여 열풍의 송풍량을 제어함으로써 실현된다. 수지 온도를 유지하면서 송풍량을 최소화하면 건조 공정 열 소비를 최소화할 수 있다. 또한 이 방식은 수지 시간당 투입량, 수지 수분 함량 및 온도등 변화에 대하여 자동으로 투입 에너지를 제어할 수도 있다.

재생 열 손실 감소
총 에너지 소비량에서 재생 공정이 차지하는 에너지 비율은 최고 35%이다. 에너지 절약 효과를 높이려면 건조제 재생(수분 제거)에 소비되는 에너지를 최소화할 필요가 있다.

재생은 건조제가 수지를 건조시키기 위해 흡수했던 수분을 다시 배출할 수 있는 온도로 가열하는 과정을 말한다. 즉 건조제 내부에 있는 수분이 다시 배출될 수 있는 충분한 온도로 가열하는 것이 필요하다.

이 공정에는 각기 다른 목적을 가진 두 구성 부분이 사용된다. 건조제 휠 방식의 건조기를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하겠다.

먼저, 건조제 휠의 회전속도(r.p.m)를 낮추어 시간당 가열되는 건조제 양을 감소시킨다. 건조제를 가열하는 것은 수분을 증발시킨다는 기본 목적에서 벗어나는 것이며 열이 수분 제거라는 기본 목적을 달성하지 못하고 소비되기 때문에 건조제 휠 회전 속도를 낮추는 것은 매우 중요하다.

휠 속도는 VFD를 사용하여 재순환 공기에서 수분을 흡수하는데 필요한 최소 수준으로 낮춘다. 휠 속도를 제어하면 -40°F/C 이하의 일정한 이슬점을 유지하면서 건조제를 최대한으로 이용할 수 있다.

두 번째 부분에서는 재생용 송풍기 속도를 VFD로 제어한다. VFD는 건조제에서 물 분자를 분리할 수 있는 최소한의 풍량으로 송풍기를 제어하여 재생 과정에서 건조제 휠 열손실을 최소화한다.

주위 공기가 가열되어 휠을 통과할 때, 배출되는 공기 온도를 지속적으로 모니터링하여 VFD로 풍량을 최소화함으로써, 건조 공정에서 흡수한 수분을 제거하기 위해 필요한 최소한의 공기만 사용되도록 하는 것이다.

휠 상부에서 배출되는 공기 온도는 건조제에서 수분을 제거하여 배출할 수 있는 최저 온도이며 일정하게 유지된다. 따라서 휠은 수지 수분 함량에 관계없이 수지에서 수분을 전량 제거할 수 있으며, 계절적인 요인이나 신품/재생 원료 등 원료에 따라서 수분 함량에 차이가 있으면 자동적으로 조절된다.

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