가소화 조건에 따른 배럴 내부 공기 포집의 가시화와 노즐압 측정을 통한 분석

Abstract

본 연구에서는 가소화 과정에서 포집되는 공기의 포집, 병합, 이동 대해 가시화와 정량화를 이용하여 분석하였다. 가소화 과정의 포집 공기에 대한 공정조건의 영향을 파악하기 위해 사출기 배럴 내부에서 가소화 과정 중 용융수지에 기포가 포집되는 과정, 기포의 크기와 분포의 변화를 관찰하였다. 이때 공정조건은 배럴 온도와 스크루 회전속도에 대해 조사하였고, 재료는 투명 GPPS와 MABS를 이용하였다. 관찰 방법은 기소화 과정을 멈추고 사출기 배럴 내부 용융수지를 냉각한 후 스크루를 분해하여 관찰하는 Screw quenching 실험을 이용했다. 관찰 결과, 스크루 공급부에서 수지 pellet 사이의 빈 공간이 Melt film의 형성으로 인해 감싸지며 기포가 형성되어 용융수지로 유입되었다. 또한 액상 상태의 유동 과정에서 용융수지 내에 포집된 작은 기포들은 점차 큰 기포로 합쳐졌다. 공정조건의 영향은 기포의 병합에 주로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 스크루 회전속도가 느린 경우가 빠른 경우에 비해 압축부에서 기포의 병합이 증가하여 계량부에서 큰 기포로 분포했다. 공급부 배럴 온도가 낮은 경우에는 체크링을 넘어 계량된 용융수지 내부에 포집된 기포들이 맞붙어있지만 하나로 합쳐지지는 않은 모습을 관찰할 수 있었다. 즉, 공급부 배럴 온도가 높고, 스크루 회전속도가 느릴수록 큰 기포로 병합되었다. 실험시간을 단축시키고 노즐을 통과하는 기포의 상태를 측정하기 위해 노즐 압력을 측정하여 기포를 분석하는 방법을 이용했다. 이 분석 방법을 검증하기 위해 노즐을 통과하는 기포를 육안으로 실시간 관찰할 수 있도록 투명 배럴과 실리콘 오일을 이용하여 실험하였다. 투명 아크릴 배럴을 이용한 가시화 실험에서 직경이 줄어드는 구간을 통과하는 기포는 흐름방향으로 늘어나고 찢어지며 작은 기포로 노즐을 통과하였다. 노즐을 통과할 때 압력센서에 측정되는 압력강하량으로 기포가 통과함을 확인할 수 있었다. 노즐 압력 변화를 측정한 자료를 분석한 결과, 한 싸이클에서 유입되는 공기의 총량은 변하지 않지만, 기포의 분포는 공정조건에 따라 변하였다. 기포 포집 불량을 일으킬 가능성이 높은 보압 과정에 유입되는 기포가 가장 적게 나타난 공정조건은 공급부 배럴온도가 높고, 스크루 회전속도가 느릴 때였다.