고분자가공실험 - 압출성형의 공정 최적화

본 내용은 " A+ 고분자가공실험 압출성형의 최적화 실험보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.02.15

문서 내 토픽

• 1. 압출성형

  압출성형은 성형재료를 녹여서 다이에 따라 형태가 다른 제품을 만들고 냉각하여 고화시킨 뒤 제품을 만들어내는 성형법이다. 원료를 압출성형기에 공급하고 다이에서 밀어내어 일정한 모양의 단면을 가진 연속체로 변환시킨다. 압출성형으로 만들어진 제품들은 다이를 통해 나온 물질을 자르면 단면적이 일정하다는 특징이 있다.

• 2. 압출기 구조

  압출기는 배럴 안에 스크류가 한 개만 있는 단축 압출기와 두 개 이상 있는 다축 압출기로 크게 나누어진다. 압출성형기에서는 토출량이 일정한 단축 압출기가 쓰이며 스크류 끝에 기어펌프 등을 부착하여 다이 쪽으로 나가는 용융 수지의 토출량을 더욱 일정하게 하고 있다. 다축 압출기는 이축 압출기가 많이 쓰이는데 이축 압출기는 고분자 재료의 믹싱과 컴파운딩에 주로 쓰인다.

• 3. 압출성형 공정

  압출성형 공정은 다음과 같다. 1) 고분자 재료를 호퍼를 통해 넣어 압출기로 흐르게 한다. 2) 비즈는 호퍼에서 공급구를 통해 아래로 흘러가고 수평의 배럴로 작동하는 큰 회전 스크류에 분배된다. 3) 비즈는 플라스틱의 특정 융해 온도까지 가열되는 동안 스크류의 배럴을 통과한다. 4) 스크류 끝에서 플라스틱이 스크린과 브레이커 플레이트를 가로질러 흐른다. 5) 다이는 단순히 도려낸 형태가 아닌 원통 형상에서 최종 형상으로 플라스틱이 매끄럽고 균일하게 흐르도록 한다.

• 4. 압출성형 결과 분석

  압출성형 결과, 제품에서 기포 현상과 압출량이 일정하지 않고 흔들리는 현상인 Surging 현상이 발생했다. 기포 현상은 압출기 내 공기 유입, 수지 내 오염 물질, 빠른 냉각속도, 수분 등이 원인일 수 있다. Surging 현상은 배럴온도가 너무 낮아 용융되지 않은 수지들이 스크류 계량부로 이동했기 때문일 수 있다. 또한 부적절한 Screen pack, 불규칙적인 수지 투입, 고분자의 낮은 물성 등도 원인이 될 수 있다.

• 5. 압출성형 최적화

  고품질의 압출물을 얻기 위해서는 균일한 온도, 압력을 유지하고 열분해를 최소화해야 한다. 단축 압출기는 기능이 단순하고 가격이 저렴해 점도가 낮고 열적 안정성이 높은 수지 압출에 적합하다. 이축 압출기는 고점도 수지의 저온압출, 재료 믹싱 및 컴파운딩에 적합하다. 스크린 팩과 브레이커 플레이트를 사용하여 불순물을 걸러내고 수지의 회전 영향을 제거할 수 있다. 다이 설계 시 재료의 탄성 특성을 고려해야 한다.

• 6. XLPE 압출성형

  XLPE는 폴리에틸렌에 유기가황제를 혼합하여 가교시킨 재료로, 고전압 절연재료에 많이 사용된다. XLPE 압출성형 시 온도를 120°C 이하로 낮게 설정해야 하는데, 이는 Scorch(불에 그을림) 문제 때문이다. 따라서 XLPE 압출성형에는 단축 압출기가 적합할 것으로 보인다.

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• 1. 압출성형

  압출성형은 고분자 가공 기술 중 하나로, 열가소성 수지를 압출기를 통해 연속적으로 압출하여 다양한 형태의 제품을 생산하는 공정입니다. 압출성형은 생산성이 높고 균일한 제품 품질을 얻을 수 있어 플라스틱, 고무, 금속 등 다양한 소재에 적용되고 있습니다. 압출성형 공정에서는 원료의 투입, 가열, 압출, 냉각, 절단 등의 단계를 거치며, 각 단계에서 공정 변수를 최적화하여 제품의 물성과 품질을 향상시킬 수 있습니다. 압출성형은 자동차, 전자, 건축, 포장 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있으며, 지속적인 기술 개발을 통해 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.

• 2. 압출기 구조

  압출기는 압출성형 공정의 핵심 장비로, 원료를 용융, 혼련, 압출하는 역할을 합니다. 압출기의 주요 구성 요소로는 실린더, 스크류, 다이, 호퍼 등이 있습니다. 실린더는 원료를 가열하고 압축하는 역할을 하며, 스크류는 원료를 이송하고 용융, 혼련하는 역할을 합니다. 다이는 용융된 수지를 원하는 형상으로 성형하는 부품이며, 호퍼는 원료를 압출기로 공급하는 역할을 합니다. 압출기의 구조와 각 부품의 설계 및 운전 조건에 따라 압출성형 제품의 물성과 품질이 크게 달라질 수 있습니다. 따라서 압출기 구조에 대한 이해와 최적화가 중요합니다.

• 3. 압출성형 공정

  압출성형 공정은 크게 원료 투입, 가열 및 용융, 압출, 냉각, 절단 등의 단계로 구성됩니다. 원료 투입 단계에서는 호퍼를 통해 원료가 압출기로 공급되며, 가열 및 용융 단계에서는 실린더 내부의 열과 스크류 회전에 의해 원료가 용융됩니다. 압출 단계에서는 용융된 수지가 다이를 통과하면서 원하는 형상으로 성형되며, 냉각 단계에서는 제품의 형상을 유지하기 위해 냉각이 이루어집니다. 마지막으로 절단 단계에서는 연속적으로 압출된 제품이 원하는 길이로 절단됩니다. 각 단계에서 공정 변수를 최적화하여 제품의 물성과 품질을 향상시킬 수 있습니다. 압출성형 공정에 대한 이해와 제어 기술 개발이 중요합니다.

• 4. 압출성형 결과 분석

  압출성형 공정의 결과를 분석하는 것은 제품 품질 향상과 공정 최적화를 위해 매우 중요합니다. 압출성형 제품의 물성 분석을 통해 강도, 경도, 열적 특성, 표면 상태 등을 평가할 수 있습니다. 또한 압출 공정 중 발생할 수 있는 결함, 예를 들어 기포, 균열, 변형 등을 분석하여 공정 변수를 개선할 수 있습니다. 압출성형 결과 분석에는 다양한 분석 기법이 활용되며, 이를 통해 원료 특성, 압출기 설계, 공정 조건 등 각 요인이 제품 품질에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다. 압출성형 결과 분석은 지속적인 공정 개선과 혁신을 위한 핵심 기술이라고 할 수 있습니다.

• 5. 압출성형 최적화

  압출성형 공정의 최적화는 제품 품질 향상과 생산성 향상을 위해 매우 중요합니다. 압출성형 공정 최적화를 위해서는 원료 특성, 압출기 설계, 공정 조건 등 다양한 요인을 고려해야 합니다. 원료 특성에 따른 최적의 압출 조건을 찾아야 하며, 압출기 설계 시 스크류, 실린더, 다이 등의 구조와 치수를 최적화해야 합니다. 또한 압출 온도, 압력, 속도 등의 공정 변수를 조절하여 제품 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이를 위해 실험 계획법, 통계적 분석, 시뮬레이션 등의 기법을 활용할 수 있습니다. 압출성형 공정 최적화는 지속적인 연구 개발을 통해 이루어져야 하며, 이를 통해 제품 품질과 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

• 6. XLPE 압출성형

  XLPE(가교 폴리에틸렌)은 우수한 내열성, 내화학성, 내전압 특성을 가지고 있어 전력 케이블, 전선, 파이프 등 다양한 분야에 활용되고 있습니다. XLPE 압출성형은 일반 폴리에틸렌 압출성형과 달리 가교 공정이 추가되어 진행됩니다. XLPE 압출성형에서는 폴리에틸렌 수지에 가교제를 혼합하고, 압출 후 가교 반응을 통해 3차원 망상 구조를 형성하게 됩니다. 이를 통해 XLPE는 우수한 기계적, 열적 특성을 발현할 수 있습니다. XLPE 압출성형 공정에서는 가교제 선정, 가교 조건 최적화, 압출 공정 변수 제어 등이 중요하며, 이를 통해 고품질의 XLPE 제품을 생산할 수 있습니다.