압출물의 결함과 시트 제조방법, 슬릿을 통한 압출에 대한 설명

압출물의 결함

여러 종류의 결함이 압출 제품에 손상을 입힌다. 최악의 결함 중 하나인 용융체 파괴(melt fracture)는 용융체가 다이로 흘러 들어갈 때 용융체에 가해지는 응력이 너무 높아 파괴되는 결함을 말하며 이는 압출 제품이 매우 비정형적인 형상일 경우에 특히 심하다. 다음 설명과 같이 용융체 파괴는 다이 입구가 급격하게 좁아짐에 따라 용융체를 파괴하는 난류가 발생할 때 일어난다. 이는 점진적으로 좁아지는 다이에서 볼 수 있는 층류와 대비된다.

압출에서 더 흔하게 볼 수 있는 결함인 상어가죽(sharkskin)은 제품의 표면이 다이를 빠져나가면서 거칠어지게 되는 것을 말한다. 용융체 흐름이 다이 구멍을 통과할 때 경계에서 생기는 마찰은 다음과 같은 속도 분포를 갖는다. 빠르게 이동하는 중심 부분 때문에 재료가 당겨짐에 따라 표면에는 인장응력이 발생한다. 이러한 응력은 표면을 거칠게 만드는 미세한 파손을 만든다. 속도 구배가 더 커지며 ㄴ표면에 명확한 무늬가 생기며 대나무와 같은 모양이 된다. 이러한 심각한 결함 상태를 대나무 마디(bambooing)라 한다. 

 

시트 및 필름 제조

열가소성 시트와  필름은 여러 가지 공정으로 생산되며 그중에서 가장 중요한 방법 2가지는 압출에 기반한 것이다. 시트는 두께 0.5~12.5mm 사이의 제품을 지칭하며 창문재나 열성형을 위한 소재 등으로 사용된다. 필름은 두께가 0.5mm 이하인 제품을 말한다. 얇은 필름은 제품 포장재, 식료품 비닐, 쓰레기봉투 등으로 사용되며 이보다 조금 더 두꺼운 필름은 커버나 라이너로 사용된다.(풀장 커버나 용수로의 라이너)

이 포스팅에서 설명하고자 하는 모든 공정은 연속 대량생산 공정이다. 오늘날 생산되는 필름의 절반 이상의 폴리에틸렌(PE)이며 그중 대부분이 저밀도 폴리에틸렌이다. 그 밖의 주요 재료는 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 재생 셀룰로오스(셀로판)이다. 이는 모두 열가소성 중합체다.

슬릿 다이 압출

다양한 두께의 시트와 필름은 좁은 슬릿을 다이 구멍으로 사용하는 전통적 압출공정으로 생산된다. 슬릿은 3m까지의 폭을 가질 수 있으며 크기는 0.4mm 정도로 좁다. 다이 구성의 한 예를 살펴보면 다음과 같다. 다이에는 용융중합체가 슬릿(다이 오리피스)을 빠져나가기 전에 용융중합체를 펼치기 위한 분기관(manifold)이 있다. 이러한 압출 방법에서 가장 어려운 문제 중 하나는 전체 폭의 두께를 균일하게 해야 한다는 점이다. 이는 용융중합체가 다이를 통해 흐를 때 큰 형상 변화가 생기고, 다이 내 온도, 압력의 변동성이 크기 때문이다. 일반적으로 필름의 가장자리는 두께가 두꺼워지기 때문에 이 부분을 자르게 된다.

높은 생산성을 달성하기 위해서는 필름을 냉각시키고 감는 효과적인 방법이 압출 공정과 결합되어야 한다. 보통은 다음과 같이 압출물을 급랭 수조 안으로 통과시키거나 냉각롤을 지나가게 하는 방법이 이용된다. 상업적으로는 냉각롤을 통과시키는 것이 더 중요하다. 냉각롤과의 접촉은 압출물을 빠르게 냉각하고 응고시킨다. 사실상 압출기는 필름을 실제로 만드는 냉각롤의 공급 장치 역할을 하는 것이다. 이 공정은 5m/s의 매우 빠른 생산속도로 가동된다. 또한 필름의 두께에서 매우 작은 공차를 얻을 수도 있다. 슬릿 다이 압출은 이러한 냉각 방법 때문에 냉각롤 압출(chill-roll extrusion)이라고도 한다.