압출 공정의 개요 및 장비에 대한 설명

압출

압출(extrusion)은 금속과 세라믹뿐만 아니라 중합체에서도 기본적인 성형 방법 중 하나다. 압출은 길고 연속적인 제품을 만들기 위해 재료에 압력을 가해 다이 오리피스를 통과하게 하는 압축 공정이며 제품의 단면적은 오리피스의 모양에 따라 결정된다. 중합체 성형공정으로서의 압출은 튜브, 관, 호스, 구조재(창문과 문과 같은), 시트, 필름, 연속 필라멘트, 피복된 전선, 케이블 등과 같은 제품을 대량으로 생산하기 위해 열가소성 재료, 탄성 중합체(elastomer)에 광범위하게 사용되며 열경화성 재료에는 잘 사용되지 않는다. 이러한 제품들에 대해 압출은 연속적인 공정으로 수행되고, 그 후 압축물(extrudate)은 요구되는 길이로 잘라진다. 이 포스팅에서는 기본적인 압출공정을 설명하고, 다음 포스팅에서는 압출에 기반을 둔 공정들에 대해 학습한다.

 

압출 공정 및 장비

중합체의 압출은 그림에서 볼 수 있듯이 펠릿(pellet) 또는 분말로 된 원재료 압출 배럴에 넣어 가열해 녹인 후 회전 스크루를 이용해 다이 구멍으로 밀어내는 공정이다. 압출기의 주요 부품 2가지는 압축 배럴과 스크루다. 다이는 압출기의 부품이 아니라 생산할 제품 형상에 적합하게 제작되어야 하는 공구다.

일반적으로 압출기 배럴의 내경은 25~150mm 사이다. 배럴의 길이는 직경에 비해 길고, 일반적인 L/D비는 일반적으로 10~30 사이다. 편의상 L/D비를 줄여 표현한 것이다. 열가소성 재료용 배럴은 L/D비가 높은 편인 반면 탄성 중합체용 배럴은 L/D비가 더 낮다. 원재료를 공급하는 호퍼(hopper)는 다이 반대편의 배럴 끝 부분에 위치한다. 펠릿은 중력에 의한 회전 스크루에 공급되며 스크루의 회전을 통해 배럴을 따라 이동한다. 처음에는 고체 상태인 펠릿을 녹이기 위해 전기히터가 사용되고, 이후에는 재료의 혼합과 기계적인 동작으로 발생되는 추가적인 열이 녹은 상태를 유지한다. 어떤 경우에는 혼합과 전단 작용으로 인해 충분한 열이 발생해 외부의 가열이 필요하지 않을 수 있다.ㅏ 실제로 중합체의 과열을 막기 위해 배럴 외부를 냉각시켜야 하는 경우도 있다. 원재료는 약 60 rev/min의 속도로 회전하는 압출 스크루에 의해 배럴을 통해 다이 구멍으로 이동된다. 스크루는 여러 기능을 수행하며 기능에 따라 여러 부분으로 나눠진다. 각 부분의 기능은 다음과 같다.

1. 이송부(feed section): 원재료가 호퍼로부터 이동해 예열된다.
2. 압축부(compression section): 중합체가 액상으로 변하고, 펠릿에 포함된 공기가 중합체로부터 제거되며 압축된다.
3. 계량부(metering section): 용융체(melt)가 균질해지고 다이 구멍으로 용융체를 밀어내기에 충분한 압력이 만들어진다.

스크루의 작동은 형상과 회전 속도로 결정된다. 전형적인 압출기 스크루의 형상을 나타내면 다음과 같다. 스크루는 나선형의 플라이트(flight)로 구성되어 있으며 그 사이의 채널로 용융중합체가 이송된다. 스크루가 회전함에 따라 플라이트는 재료가 호퍼로부터 다이 쪽으로의 채널을 통과하도록 밀어낸다. 플라이트의 직경은 배럴의 직경보다 대략 0.05mm의 극소한 차이로 더 작다. 이는 용융체가 채널 뒤쪽으로 새는 것을 막는 기능을 한다.