Co-rotating 트윈 스크류 압출기는 계속해서 발전해왔다. 더 깊어진 스크류 볼륨은 트윈 스크류 압출기의 효율성을 높이고 전단속도(Shear Rate)를 낮추었다. 이는 또한 스크류 속도를 높여도 믹싱능력은 그대로 유지되어 압출기의 생산량을 비약적으로 증가 시키는 장점을 불러왔다. 재료의 단위 질량당 점성분산(viscousdissipation)의 감소를 통해 공정 효율성이 향상 되는 것을 확인 할 수 있다. 스크류 깊이와 토크의 향상을 통해 재료를 가공할 수 있는 능력에 도움이 되었다. 스크류의 볼륨이 깊어짐으로 흡입능력(특히 starve feed)과 전단응력 감소로 인한 수지온도의 저하 및 De-Volatilization(탈 휘발) 용량이 커졌다.나아가, 더 깊어진 스크류를 장착한 압출기에서는 특정 전단 및 온도에 민감한 재료를 처리하는 능력이 확장 되었다. 고속에서의 Kneading(니딩) 엘리먼트로 인한 수지에 대한 용융온도가 상승되는 문제는 다양한 TipAngle(팁앵글)을 갖는 Fractional lobed(프렉셔널로브)엘리먼트에 의해 해결되었다. 이러한 Fractional lobed(프렉셔널 로브)엘리먼트는 또한 기존에 사용중인 Standard Kneading Element(표준 니딩 엘리먼트)를 쉽게 대체할 수 있다.40년 전, Mr. Erdmenger는 Fractional Elements의 필요성을 언급했다. Erdmenger는 “기존의 트윈스크류 압출기가 이제까지 지녀온 문제점인 축의 횡 방향이 아닌 축 방향(axial direction)만 다양화 시킬 수 있다는 점이다. 예로서 재료 층의 두께는 종종 열 교환이나 Material(재료) 교환 또는 반응 과정에 중요한 영향을 미치며 이것이 실제로 가장 중요한 변화이다” 라고 말했다.일반적인 트윈 스크류 엘리먼트는 모든 Lobe(스크류 날개)에 대해 동일한tip 각도를 가진다.만약 이러한 형상이Erdmenger의 디자인에 전적으로 기인한다면 일반적인 스크류 엘리먼트가 트윈 스크류 압출기 내에서 사용이 되었다면 많은 제약이 따를 것이다.예를 들어, 삼각모양의 Kneading 엘리먼트에서는 tip의 작은 각도가 높은 마모율을 초래한다. Tip의 각도를 키우면 엘리먼트가 결국 원형의 모양이 되어서 압출기 내에서 자유 용적이 줄어들 것이다. 이를 해소하기 위해 Dr. Babu Padmanabhan는Tip 각도가 다양한 엘리먼트를 발명했다. 이 엘리먼트는 두 개가 한 쌍을 이루며 트윈 스크류 압출기가 필요로 하는 연속적인 움직임을 지속해 나간다. 새로운 엘리먼트 형상은 각각의 엘리먼트 디자인에 유연성을 효과적으로 향상시킨다.그림1은 Fractional element의 마지막 Profile은 One-lobe에서 Four-lobe profile로 변환한 결과로 완성된 것임을 보여준다.이것은 하나에서 다른 하나로 변형되는 과정의 중간 단계의 profile을 뜻한다. 모든 변형 단계의 profile은 맞물리는 톱니바퀴처럼 한 쌍이 정확하게 들어맞아야 하며, 하나의 profile이 반대편의 profile에 완전히 스쳐 지나가야(Wiping) 한다. 그림2는 분류 기준을 명확하게 보여준다. 마지막 두 자리는 one lobe 에서 two-lobe profile로 변형될 때의 위치를 알려준다. Lobe가적은 쪽의 lobe 숫자를 “n”, 그리고 다른 한쪽의 lobe 숫자를 “N”이라고 가정하면, 변형이 완벽하게 이뤄지기 위해 ‘N/n’은 정수 이어야 한다. 그림3은 일반적인 Kneading 블록과 Fractional kneading 블록이 조합 되어 있는 예시이다. 스크류의 속도와 배열은 두 가지 주요한 변수이다. 존(Zone)별 온도는 배럴 부분에 표시되어 있고 두 배열의 Mixing zone에서의 Kneading 길이는 180mm로 고정되고, 두 배열에서 압력이 증가하는 것도 일치한다.이 그림에서 보여지는 Fractionallobe 엘리먼트는 회전하는 도중에 일어나는 횡단면의 변화에 대한 특정 관측을 기반으로 나타난다. 날개가 360도로 완전히 회전하는 동안 발생할 수 있는 고압 정점(Highpressure point)를 피하는 것이 그 목적이다. 그림 1. 그림 2. 그림 3.Fractional-lobed 엘리먼트와 함께 다양한 재료를 가지고 공정에 적용하는 것은 이미 많이 시도 되었다. 카본 블랙, 유기 염료, 유리섬유 등 이런 원료들이 고용량 함유된 폴리머의 공정에 사용되었고, 또한 Fractional 엘리먼트는 PVC 컴파운딩에도 쓰였다. Fractional 엘리먼트를 활용하면 일반 엘리먼트로 작업할 때보다 컴파운딩 과정을 크게 향상시키는데 이는이의 과정을 더욱 정밀하게 제어할 수 있게 해주기 때문이다.
강민정
2016-12-07
