일관된 수지 건조를 위한 7가지 팁

공정이 요구하는 최고 수준에 맞는 크기의 건조기를 사용해야 한다. 최소 처리량이 최고 수준의 50% 미만이면 안된다. 또한 권장 온도보다 높은 온도를 사용해 건조속도를 높이려고 시도하는 것도 원료의 과건조나 열적 손상의 위험이 있어 문제가 된다.

좋은 장비와 조언도 도움이 되지만, 궁극적으로는 제대로 된 관리가 건조 품질을 결정한다. 잘 유지되고 관리된 고품질 수지 건조 시스템은 다음과 같은 네 가지 변수를 정밀하게 제어할 수 있다. 

온도(temperature)
온도는 수분을 이동시키는 역할을 한다. 때문에 특정 수지의 건조를 위해서는 그에 맞는 이상적 온도의 선택이 매우 중요하다. 이상적인 건조온도에 대해서는, 수지 제조업체들이 거의 모든 원료에 대한 원료별 가공 가이드를 온라인 상으로 제공하고 있어 손쉽게 참고할 수 있다. 

시간(time)
시간은 건조호퍼의 크기에 따라 결정된다. 건조호퍼는 원료의 전체 유동(mass flow) 또는 선입선출(first-in-first-out) 이동이 가능하도록 특별히 설계된다. ‘체류시간(residence time)’이라는 용어는 일정량의 수지(단일 뱃치 또는 연속 유동의 각 부분)가 적정 건조조건에 노출되는 시간의 길이를 말한다. 다른 모든 요소들에 대한 조절이 잘 이루어지고 있다면, 체류시간을 일정하게 유지하면 일관된 건조 품질의 수지를 얻을 수 있다.

공기흐름(airflow)
공기흐름은 건조기가 펠렛으로 열을 전달하고 수지의 수분을 빼앗기 위해 필요하다. 건조를 위해 필요한 공기흐름의 권장량은 건조기 제조업체마다 다를 수 있다. 건조기 전문 제조기업 Conair(콘에어)는 일반적으로 폐쇄형 건조 시스템의 ‘배압(backpressure)’을 나타내는 ‘끊기지 않는(connected)’ 공기흐름의 속도가 원료 1 파운드 당 최소한 1/2 cfm/lb(분 당 세제곱피트)가 돼야 한다고 권장한다. 물론, 펠렛과 재분쇄한 원료 간의 벌크 밀도 차이, 건조기 호퍼의 체적, 필터의 청결도 등 여러 요인이 공기흐름에 영향을 미칠 수 있다.

이슬점(dewpoint)
이슬점은 공기 중의 수분 포화도를 온도로 측정한 것이다. 화씨 -20, -40, -60°F와 같이 이슬점이 매우 낮은 공기는 수분 포화점이 매우 낮기 때문에 대단히 건조하다. 하지만 이런 낮은 이슬점의 공기는 건조 과정에서 수백 도까지 가열되면 수분을 포집하고 빼앗아 운반할 수 있는 능력이 엄청난 수퍼드라이(super-dry, 초건조) 공기흐름을 만들어낸다. 

따라서 이슬점을 일관되게 낮은 수준으로 유지할 수 있는 건조기는 날씨나 온도 또는 습도 변화에 영향을 받지 않는 환경을 조성할 수 있으며, 이는 건조작업의 일관성 유지에 큰 역할을 한다. 

그러나 모든 가공업체의 관리자나 작업자들이 잘 알고 있듯, 이 4가지 요소의 정확한 제어는 시작에 불과하다. 수지 건조작업의 품질과 일관성을 최종적으로 결정하는 건조 공정 내부와 외부의 여러가지 변수를 포함해 제어가 필요한 훨씬 많은 변수들이 존재한다. 아래의 팁들은 우리가 상대적으로 잘 알지 못하는 이 같은 다양한 변수들을 효과적으로 확인해 보다 일관되게 관리함으로써 건조 결과를 향상시키는 데 도움이 될 것이다. 

팁 1 : 건조 이전 상태 수지의 초기 습도 관리
앞서 언급한 바와 같이, 수지 제조업체가 제공하는 수지 가공 가이드는 건조 공정이 ‘도달해야 하는 지점’, 즉 가공 준비가 완료된 수지의 이상적인 온도와 수분 함량에 대한 정보를 제공한다. 하지만 여기서 건조 공정의 출발지점은 우리가 정할 수 있다. 그 출발지점은 원료의 종류, 노출 시간, 주변 조건의 세 가지 요소에 의해 결정된다. 

나일론 수지의 사례를 나타내고 있는 위 그래프는 습윤 환경에 노출됐을 때 흡습성 원료의 수분 흡수가 얼마나 빠르게 이루어지는 지를 보여주고 있다. 상대습도(RH) 75% 조건에서 이 같은 나일론 원료는 작업자 한 교대조의 작업시간만 흘러도 습도가 2000ppm에서 7500ppm까지 증가할 수 있다(그림 1 참조). 이는 건조 필요량에 있어 엄청난 변화다. 

물론, PC나 ABS를 원료로 사용한다면 주변 습도 노출 관용도가 훨씬 높을 것이다. 하지만 중요한 점은 변함이 없다. 즉, 주변 조건에 노출을 최소화하고, 보다 일정한 온도가 유지되도록 수지를 보관하는 것이 좋다는 것이다. 건조 공정 투입에 앞서 수지의 초기 습도를 낮게 유지할 수 있는 방법은 다음과 같은 몇 가지가 있다.
. 수지는 공장의 도크 도어에서 멀리 떨어진 위치에 보관해 온도와 습도의 변화를 최소화 해야 한다. 원료를 변화시키는 외부 조건 영향을 최대한 줄여 공장 환경에 적응하도록 해야 한다.
. 사용하고자 하는 수지만 한 번에 한봉지 또는 용기 하나씩만 개봉한다. 
. 사용하지 않는 원료는 봉지나 상자에 넣어 밀봉한다.
. 사용하고 남는 양이 많을 경우, 호일 라이닝 돼있는 습기 차단 상자를 사용하는 것이 좋다. 
사용하는 모든 수지에서 일관된 수분 함량을 유지하면 건조시간이나 조건 상의 큰 변동을 최소화함으로써 수지 가공의 일관성과 최종 제품의 품질을 높일 수 있다. 그러나 이를 통해 건조기 시설, 장비와 에너지 사용 규모를 높여 부적절한 수지 보관이나 취급으로 지나치게 높은 초기 습도 문제를 해결하려는 시도는, 함정에 빠질 수 있다.

팁 2 : 적정 크기의 건조기 사용
물론 공정이 요구하는 최고 수준에 맞는 크기의 건조기를 사용해야 하지만, 최소 처리량(스루풋)이 최고 수준의 50% 미만이어서는 안 된다. 최대 성능의 50% 아래로 내려가면 공기흐름, 온도 프로파일, 원료의 전체 유동 등이 영향을 받을 수 있다. 다시 말해, 너무 큰 호퍼를 사용하거나 지나치게 적은 양의 수지를 건조하면 전부하(full-load) 즉 최대치의 열과 공기흐름에 최대치에 못 미치는 양의 수지가 노출되면서 결과적으로 체류시간이 늘어나는 것과 동일한 효과가 난다. 그 결과 과건조 또는 열 손상의 위험이 훨씬 더 높아진다(그림 2 참조).

가공업체들의 재분쇄 원료 사용이 늘고 있고 이는 건조 성능에 영향을 미칠 수 있다. 특히 재분쇄 원료의 벌크 밀도가 상대적으로 낮기 때문에, 일반적으로 크기는 더 작고, 밀도는 더 높은 수지 펠렛에 비해 동일한 건조 처리량 유지를 위해 더 큰 호퍼를 사용해야 한다. 예를 들어, 시간 당 1000파운드 펠렛을 처리할 수 있는 크기의 호퍼를 가진 건조기로는 동일한 처리량의 재분쇄원료를 처리할 수 없다. 또한 원료 전체에서 재분쇄 원료가 차지하는 비율이 높아질수록 원료의 총 중량이 가벼워지므로 건조기 체류시간을 단축해야 한다.

깃털(리그라인드)과 조약돌(펠렛)의 차이를 떠올려 보라. 조약돌이나 돌과 동일한 무게의 깃털을 담으려면 훨씬 큰 용기가 필요하다. 또한, 재분쇄 원료를 처리할 때, 건조 공기흐름이나 습기 제거 거동은 플레이크의 불규칙한 형태에 따라 달라진다. 그러므로 재분쇄원료의 건조작업에 어려움을 겪거나, 습기로 인한 가공 상의 문제가 있는 경우 건조 장비 공급업체에 문의해 해당 용도에 사용할 적절한 건조기나 호퍼 크기의 결정에 도움을 청하는 것이 좋다.

또 한가지 신경을 써야 할 사항은 건조기와 호퍼의 적절한 조합이다. 20~40 ft/min(분 당 피트)의 속도로 최소 1/2 cfm/lb(분 당 세제곱피트)의 원료를 처리할 수 있는 건조기/호퍼의 조합을 권장한다. 다시 말하지만, 이 숫자들은 ‘끊기지 않는(connected)’ 시스템을 말하는 것이다. 장비 공급업체에 따라 시스템 성능평가 방식이 다를 수 있기 때문에 주의가 필요하다.

한 가지 더 있다. 서로 딱 맞지는 않지만 예비로 보유하고 있는 스페어 건조기와 스페어 호퍼를 조합하는 식으로 기존 장비를 활용해도 괜찮지 않을까 하는 유혹이 들 수 있다. 1000 lb/hr(시간 당 파운드) 처리 용량의 건조기가 있고, 처리량이 200 lb/hr 밖에 되지 않는 호퍼가 있다고 가정해보자. 건조기의 용량은 충분하지만, 이 건조기와 호퍼를 조합하면 문제가 발생하게 된다.

예를 들어, 이 건조기는 건조기 용량에 어울리는 적절한 크기의(즉, 20~40 ft/min 속도에서 1/2 cfm/lb의 처리량을 지닌) 대형 호퍼에 적합한 양의 공기(열)를 방출한다. 여기서 공기흐름에 지름이 작은 호퍼를 통과해 밀려 나가게 되면, 공기의 속도가 크게 증가한다. 과도한 양의 공기흐름으로 인해 원료 유동화가 시작되면, 원료가 호퍼 출구를 통해 공기흐름과 함께 빠져나갈 수 있어 호퍼 내의 원료 적재량을 적당하게 유지하기가 매우 어렵다. 이와 반대로, 소형 건조기와 그보다 큰 사이즈의 호퍼를 조합해도 역시 적절한 공기흐름과 건조 에너지 부족으로 인해 좋은 결과 얻을 수 없다.

팁 3 : 올바른 건조 온도
모든 원료에는 수지 제조업체가 지정한 이상적 건조 온도가 있다. 낮은 온도에서 더 긴 체류 시간을 견딜 수 있는 원료(예: RPET)도 있지만, 어떤 원료(예: 나일론)는 지정된 건조온도에 노출시키지 않고는 목표 습도 수준에 이를 수 없다. 마찬가지로 권장 온도보다 높은 온도를 사용함으로써 건조속도를 높이려고 시도하는 것도 원료의 과건조나 열적 손상의 위험이 있어 문제가 된다. 

나일론을 예로 들어보자. 나일론의 습도는 최대 8~9% 수준으로 매우 높은 경우가 있기 때문에 건조시간의 단축을 위해 건조온도를 높여도 괜찮을 것으로 여길 수도 있다. 그러나 가해지는 열이 증가하면 열 손상(부스러짐, 황변 또는 기타 변색)이 발생할 수 있다(그림 3 참조). 

앞서 팁1에서 언급했듯, 원료의 적절한 보관이나 취급을 통해 건조 전의 원료 수분 함량을 낮게 유지하는 편이 훨씬 더 나은 방법이다. 이렇게 하는 것이 수지를 제조사의 권장 범위를 벗어나는 온도로 건조하는 위험을 감수하지 않고도 일관된 품질로 건조할 수 있는 최상의 방법이다.

팁 4 : 호퍼에 원료를 가득 채운 상태를 유지할 것
연속 건조 공정에서 처리하는 모든 원료가 일관된 체류시간을 갖도록 하기 위해서는 호퍼 내의 원료 적재 수준을 균일하게 하는 동시에 원료의 연속적인 흐름을 유지해야 한다. 즉, 건조가 끝난 원료 양이 새로 투입되는 원료 양과 동일해야 한다. 호퍼 내 원료의 적재량 수준은 체류시간과 직결돼 원료의 적재 수준이 낮아지면 체류시간이 짧아지고 일관된 건조가 이루어지지 않는다. 따라서, 체류시간을 줄이기 위해 호퍼 내 원료 수준을 의도적으로 줄이는 경우가 아니라면, 이는 문제가 될 수 있다.

다른 방식으로 말하자면, 연속 작동하는 시스템에 원료를 한꺼번에 일괄 적재해서는 안된다. 원료를 건조시키는 데 4시간이 걸리는 호퍼에 원료가 반쯤 내려갔을 때 그 위에 새로운 원료가 한꺼번에 보충되면, 새로 투입한 원료의 앞쪽 부문의 체류시간은 2시간밖에 되지 않는 상황이 생긴다. 이로 인해 건조가 덜 된 원료가 생산에 문제를 일으킬 수 있다.

연속적인 원료 흐름과 일관된 체류시간을 얻으려면 통합형 전동식 호퍼 적재장치 또는 중앙 원료 이송시스템을 사용하는 것이 좋다. 수동 적재식 소형 시스템이 손쉬운 해결책처럼 보이지만, 이는 일관성이 크게 떨어질 뿐 아니라 끊임없는 모니터링이 요구된다. 또 새로운 기술을 활용한 또 하나의 좋은 방법은 최신 건조기의 모니터링과 제어기능을 이용하는 것이다.
. 원료 레벨 센서를 사용하면 원료를 지속적으로 보충하고 제대로 채워지도록 할 수 있다.
. 앞서 말한 Conair사의 Conair Drying Monitor와 같은 호퍼 온도 측정용 프로브를 활용하면 균일한 공기흐름 그리고 호퍼 바닥에서 위까지의 원활한 원료 유입을 통해 건조온도의 균일한 분산을 꾀할 수 있다. 작업자가 실수로 다량의 차가운 원료를 한꺼번에 일괄 적재했을 경우, 이 모니터링 센서가 온도 변화를 감지해 ‘저온’ 경보를 울려 건조가 덜 이루어지는 것을 방지하도록 한다.
. 리턴 에어 즉 건조기로 되돌아 유입되는 공기의 온도 상승을 감지해 건조기 온도를 자동으로 낮추어 대기 레벨로 유지시켜 건조속도를 늦추거나 과건조를 방지하는 온도 제한 기술을 사용할 수도 있다.

팁 5 : 가공 장비에 원료를 보관하는 일을 피할 것
건조 처리를 위해 건조기 바깥에서 보관하는 원료의 양은 15~20분 내에 사용할 수준으로 제한한다. 예를 들어 원료를 건조시킨 다음 건조되지 않은 상태의 가공 장비 호퍼에 적재해 1~2시간씩 보관해 두는 것은 좋은 관행이 아니다. 이렇게 하면 원료에 온도 손실이 발생하고 습기가 다시 스며들어 생산 품질의 변화가 발생할 수 있기 때문이다.
원료의 종류나 작업장 환경에 따라 이 규칙은 융통성 있게 적용할 수 있겠지만, 전반적으로 가공 장비에 원료를 제한하는 것은 공정 일관성을 유지하는 데 매우 좋은 방법이다.

팁 6 : 공기흐름을 깨끗하고 일정하게 유지할 것
흡착제(desiccant)를 사용하는 건조기에는 공정용 공기 필터, 애프터쿨러(aftercooler) 필터, 재생(regeneration) 필터 등 세 가지 필수적인 필터가 들어간다(그림 4 참조). 세 가지 필터 모두 정기적으로 모니터링하고 청소해줘야 건조 공기흐름의 원활한 순환과 시스템이나 흡착제의 오염물질 제거, 과열 방지 효과를 확실히 할 수 있다. 그와 동시에 건조기 호스의 연결부에 꼬임이나 파손 또는 박리 등이 없는지 정기적으로 점검해야 공정 중 누출이나 에너지 손실, 건조 불량을 방지할 수 있다.

팁 7 : 수분 분석장치에 투자하라
수분 분석장치를 갖추려면 비용이 만만치 않게 든다. 그러나 공정 또는 품질 상의 문제 원인 파악을 위해 애를 쓸 때 막연한 추측이나 공허한 노력 또는 생산 상의 손실에도 큰 비용이 들어간다. 그럼에도 불구하고 여전히 정확한 해답을 알 수 없다. 문제의 원인이 원료 공급에서 오는 것인지, 건조 문제인지, 또는 가공장비 또는 금형과 관련한 어떤 요인 때문인지 도무지 알 수가 없다. 하지만 수분 분석기를 갖추면 수분으로 인한 문제에 대한 빠르고 신뢰할 수 있는 해답을 얻을 수 있기 때문에 투자에 대한 충분한 보상을 받을 수 있다.

분석기를 사용한 검사를 통해 가공장비에서 원료의 수분 문제가 발견됐다면 건조공정에 들어가기에 앞서 원료의 초기 수분 수준을 다시 테스트해 볼 수 있다. 건조 전 원료의 초기 수준이 비정상적으로 높을 경우 문제의 원인이 될 만한 물질을 차단하고 원료 보관 방식을 바꿀 수도 있다. 건조 전 원료의 습도가 정상 수준이라면 건조장비에 무언가 문제 원인이 있을 수 있음을 파악해 그 문제를 해결할 수 있다. 분석장치의 정밀도를 최대화하기 위해 다음과 같은 방식으로 일관된 샘플링 기법을 사용해야 한다.
. 밀봉할 수 있는 동일한 용기(즉, 뚜껑이 있는 유리병)를 사용한다.
. 공기가 존재할 공간을 남겨두지 말고 샘플 용기를 완전히 채운다.
. 변동성을 줄이기 위해 모든 원료는 두 개의 샘플을 준비해 테스트한다.

성공적인 수지건조나 플라스틱 가공의 모든 것은 일관성 있는 유지관리에 달려있다. 위의 7가지 팁들은 흔히 발생할 수 있는 실수를 피하고 보다 효율적이고 일관적이며 생산성 높은 수지건조 작업을 수행할 수 있는 검증된 실행가능한 방법이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 건조작업의 성공에는 사용하는 건조장비의 품질이나 기능, 이슬점 또는 경보 설정 이상의 것이 필요하다. 

원료 물성을 정확히 인식 및 관리하고, 주변 환경의 영향을 최소화하는 한 편, 자동화 작업 보조 장치에 투자함으로써 변수를 최대한 제거하고 보다 많은 정보에 입각한 의사결정을 내리는 것도 매우 중요하다. 좋은 장비 그리고 적시에 공급업체부터 얻을 수 있는 조언이 성공적 건조작업에 매우 중요하다는 것은 의심할 여지가 없다. 하지만 결국은 철저한 관리가 큰 차이를 만들어 낸다.  

저자: Anthony “A.J.” Zambanini는 Conair의 건조기 제품 라인과 관련된 지속적인 개발과 혁신을 이끌며 Conair Group의 건조관리를 책임지고 있다. 그는 2010년 펜실베이니아 주립대에서 기계 공학 학위와 기술 영업을 부전공 했다.