스크류 형상이 용융속도에 미치는 영향

스크류 형상과 용융속도 이 두 가지는 대부분의 사람들이 생각하는 것처럼 밀접하게 연결되어 있지 않다. 일반적인 스크류에서 전단속도(용융속도)는 배럴 벽에서 가장 높고 유동채널 바닥 지점에서는 제로가 된다. 그 까닭을 살펴본다. 

폴리머 가공용 스크류는 오랫동안 널리 사용돼 왔지만, 그 성능은 매일 사용하는 사람들에게도 여전히 다소 수수께끼 같은 면이 있다. 우선, 스크류의 용융속도는 많은 사람들이 생각하는 것만큼 스크류 형상과는 밀접한 관계가 없다. 오히려 스크류의 원주속도(peripheral velocity), 배럴 온도, 폴리머의 열, 점도 특성과 더욱 밀접한 관련이 있다.

1950년대에 Tadmore, Klein 등은 스크류의 채널방향(down-channel) 유동거리 단위 당 용융속도를 설명하기 위해 무차원 관계식을 개발했다. 이 등식에서는 F 값이 클수록 용융속도가 높아진다.

F={Vbxrm[Km(Tb-Tm)+( μ÷2 Vj2)] / 2[Cs(Tm-Ts)+l] }0.5

간단히 말해, 이 등식은 용용에 필요한 열의 제곱근을 스크류 회전에 의해 공급되는 열로 나눈 값이다. 이 등식에는 스크류 형상을 나타내는 항이 없다. 대부분의 항들이 폴리머의 물성 또는 배럴 온도와 관련이 있음을 알 수 있다. 유일한 미지항은 스크류 상의 위치에 따라 변하는 점도(μ)다. 따라서 용융수지의 평균 점도를 가정해야 하는데, 이는 많은 경험과 데이터 없이는 정량화하기 어려운 변수를 도입하는 것이다.

더 상세히 설명하자면, 스크류의 용융속도는 스크류에 대한 배럴속도의 1/2에 배럴 점도의 1/4을 배럴에서 융융된 수지 막으로 전달된 열과 용융수지 막에서 고형수지로 전달된 열의 비율로 나눈 값을 더한 것의 제곱근에 비례한다. 배럴에서 융융된 수지 막으로 전달된 열과 용융수지 막에서 고형수지로 전달된 열은 일반적으로 폴리머의 열전도율이 떨어지기 때문에 매우 낮다.

이는 용융속도(F)가 전단을 일으키는 믹싱구간 또는 배리어형 플라이트가 장착되지 않은 ‘보통’ 스크류의 형상과는 크게 상관이 없음을 의미한다. 이런 장치들은 용융되지 않은 고형원료를 배럴에 보다 효과적으로 근접시킬 수 있도록 단지 유동채널 내의 폴리머를 재분배시킴으로써 용융을 향상시키도록 고안된 것이다. 

본질적으로 이것이 배리어 장치의 작동 원리다. 배리어는 유동채널에서 용융원료의 위치를 바꾸어 줌으로써 지속적으로 부피가 줄어드는 고형원료 채널에 갇힌 고형 상태의 원료 전단 가열을 향상시키기 위해 배럴 벽쪽으로 최대한 가까이 가져다 놓는다. 

특유의 스크류 형상에 의해 고형원료가 배럴 벽에 가까운 위치에 강제로 보내지는 다양한 형태의 매독(Maddock) 스타일 믹서와 같은 ‘전단형 믹서’ 또한 마찬가지다. 다시 한 번 말하자면, 용융되지 않은 폴리머를 배럴 벽에 최대한 가깝게 가져다 놓을수록 용융속도가 올라간다. 전단속도(용융속도)는 배럴 벽에서 최대이고 채널 하단에서는 제로다(그림 참조).

폴리머는 낮은 열전도율로 인해 배럴과 주고받는 열의 양이 크게 줄어든다. 또한, 배럴 벽의 용융수지 막의 온도는 일반적으로 배럴 온도와 비슷하기 때문에 열 전달 양을 크게 만들기 위해 필요한 온도의 격차가 존재하지 않게 된다. 이는 용융수지 막으로 유입되는 열의 대부분이 스크류 회전으로 유동채널에 발생한 전단으로부터 나온다는 것을 의미한다.

만일 그렇지 않다면, 배럴 가열장치 전원을 넣자 마자 압출기 가동을 시작할 수 있을 것이다. 하지만, 알다시피 압출기의 가동을 시작할 수 있는 용융 상태에 도달하는 데는 최대 수 시간이 걸릴 수 있다. 이는 단순한 기본 형태의 플라이를 지닌 스크류에서는 용융속도를 높이기 위해 스크류 회전속도를 높이거나 스크류 용융 섹션을 더 길게 해줘야 한다는 뜻이다. 

다행히 1950년대에 이루어진 용융수지와 용융되지 않은 고형 상태의 수지를 분리시켜 미용융 상태의 원료에만 선택적으로 전단을 가할 수 있는 다양한 배리어 설계와 전단형 믹서 분야의 개선 덕분에 스크류의 속도나 L/D 비율 증가 없이도 용융속도의 향상이 가능하다. 이러한 장치들을 꼼꼼히 살펴보면 이 모두가 기본적으로 용융되지 않은 폴리머를 배럴 벽에 더 가까이 가져다 놓음으로써 용융속도를 향상시키는 원리를 바탕으로 하고 있음을 알 수 있다.