스크류의 형태와 설계는 재료가 얼마나 잘 녹는지, 그리고 단일 스크류 압출기에서 어떤 종류의 제품이 생산되는지에 큰 영향을 미친다. 피치의 크기, 채널의 깊이, 특수한 혼합 부품과 같은 요소들은 모두 폴리머가 가공 중에 어떻게 행동하는지에 영향을 준다. 압축 구역에서 채널이 얕을 경우 더 큰 전단력을 발생시켜 녹는 속도를 빠르게 하는 데 도움이 된다. 공급 구역에서 더 깊은 채널은 고체 재료의 이동을 더 원활하게 한다. 혼합의 경우, 리브 구조나 블리스터 링과 같은 특수한 구조를 가진 구역이 분산 혼합 특성을 크게 향상시킨다. 2023년 포너몬의 일부 산업 연구에 따르면, 이는 열차단 스트립 제조 시 온도 차이를 약 12% 줄일 수 있다. 이러한 계단식 반죽 블록을 가진 스크류는 약 92%의 재료 일관성을 달성하는 반면, 일반적인 구성은 약 78% 정도에 그친다. 이는 완제품 프로파일에서 성가신 열다리 현상을 방지하는 데 실질적인 차이를 만든다.
길이 대 지름(L/D) 비는 재료가 시스템 내에 머무는 시간, 가공 중 용융 안정성, 전반적인 에너지 소비 등 여러 핵심 분야에서 중요한 역할을 한다. 20:1 수준의 시스템과 비교하여 30:1 이상의 L/D 비를 갖는 시스템을 살펴보면 체류 시간이 실제로 약 40% 증가하는 것을 알 수 있다. 이 추가 시간은 PA66과 같이 가공 전 충분한 플라스티케이션(plastication)이 필요한 어려운 재료의 완전한 용융을 가능하게 한다. 그러나 40:1 이상으로 갈 경우 에너지 사용 측면에서 비용이 더 많이 들기 시작하며, 일반적으로 재료 균일성 향상 없이도 소비량이 약 18% 증가한다. 대부분의 산업 전문가들은 열차단 응용 분야의 경우 28:1에서 32:1 사이를 최적의 범위로 보고 있다. 이러한 비율에서는 제조업체가 재료 열화의 위험을 관리하면서도 일반적으로 시간당 120~150킬로그램 범위의 생산 목표를 달성할 수 있다.
실제로 생산량은 스크류 크기의 제곱에 비례하여 증가합니다. 수치를 살펴보면, 120mm 스크류는 한 회전당 90mm 스크류보다 약 2.6배 더 많은 양을 생산할 수 있습니다. 더 큰 스크류는 더 많은 양을 더 빠르게 생산할 수 있게 해줍니다(예: 100mm에서 80mm로 줄일 경우 약 280kg/시간 대비 170kg/시간). 하지만 여기에 함정이 있습니다. 스크류가 클수록 발생하는 전단력은 30%에서 40% 정도 감소하게 됩니다. 이는 혼합 균일성에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 적절한 크기 선택은 다루는 재료의 종류에 크게 좌우됩니다. PVC처럼 점도가 낮은 재료의 경우, 대부분 90~110mm가 적합한 것으로 나타납니다. 반면 점성이 높은 TPU는 충분한 혼합을 위해 일반적으로 60~80mm의 더 작은 크기가 필요합니다.
배럴을 따라 온도 영역을 정확히 설정하는 것은 열차단 스트립 제조 시 폴리머의 흐름을 제어하는 핵심 요소이다. 공급 구역에서는 유리 전이점 이하의 온도를 유지함으로써 재료가 너무 일찍 녹는 것을 방지하면서도 압축되도록 한다. 재료가 압축 구역으로 이동하면, 일반적으로 PA66 기반 소재의 경우 약 170~190도 정도의 제어된 가열을 적용한다. 이를 통해 점도를 낮춰 재료들이 균일하게 혼합될 수 있도록 한다. 다음으로 미터링 구역에서는 전단에 의해 발생하는 열과 추가로 공급되는 열 사이의 균형이 중요하다. 이러한 균형은 흐름을 안정적으로 유지해주며, ±1.5퍼센트 이내의 엄격한 치수 공차를 확보하기 위해 매우 중요하다. 작년에 발표된 일부 연구에 따르면 압출 공정에서 발생하는 문제의 거의 3분의 2가 부적절한 열 기울기(서멀 그라디언트)에서 비롯된다고 한다. 따라서 현재 많은 공장에서 이러한 조건을 실시간으로 모니터링하는 시스템 도입에 투자하고 있는 것이다.
PA66 GF25 열절단 스트립을 작업할 때, 생산성을 극대화하면서도 기계적 특성을 그대로 유지하려면 가공 존 프로파일을 정확히 설정하는 것이 매우 중요합니다. 피드 존은 브리징 현상이 발생하지 않도록 약 160~170도에서 유지되어야 합니다. 압축 존은 다소 까다로운데, 85%의 결정화 변화를 적절히 처리하기 위해 185~200도 사이로 설정해야 합니다. 이후 미터링 존은 약 190~205도에서 안정화되며, 이는 용융 압력을 25~35MPa 범위 내에서 유지하여 다이를 통해 일관된 흐름을 보장합니다. 흥미로운 업계 데이터에 따르면, 압축 존의 온도를 ±2도 이내의 정확도로 유지하는 것과 최종 제품의 R값 일관성 사이에는 상당히 강한 상관관계가 있습니다. 또한 제조업체들이 비용 절감을 고려할 때 주목할 점은, 2024년 초에 발표된 최근 폴리머 가공 연구에 따르면 이러한 수준의 정밀 제어가 기존 압출기 시스템 대비 에너지 소비를 약 18% 줄일 수 있다는 것입니다.
이상적인 온도 범위를 겨우 10~15도 섭씨 정도 초과하는 것만으로도 열분해 재료에 심각한 문제가 발생할 수 있으며, 이는 체인 절단 과정을 가속화하여 ASTM D256-23 기준에 따라 충격 강도를 약 40퍼센트 감소시킨다. 최신 장비들은 전단열 문제에 대해 0.5초 미만의 시간 내에 반응하는 폐루프 냉각 시스템을 채택하고 있다. 전단력이 가장 높은 위치에 전략적으로 배치된 냉각 재킷은 용융 온도가 목표 설정값에서 5도 이상 벗어나지 않도록 유지하는 데 도움을 주며, 할로겐 프리 화합물 작업 시 특히 중요한 난연 특성을 유지하기 위해 매우 중요하다. 현장 테스트 결과 제조업체들이 PID 제어 히팅 방식과 스크류 속도 파라미터 조정을 병행할 경우, 시간당 약 85킬로그램의 생산량을 유지하면서도 열적 열화 비율을 약 2/3 수준으로 감소시킬 수 있음이 입증되었다.
스크류의 속도는 생산량에 직접적인 영향을 미치며, 일반적으로 저속 RPM에서 운영할 경우 출력은 비교적 안정적으로 증가합니다. 그러나 약 70 RPM을 초과한 이후부터는 상황이 달라지기 시작합니다. 예를 들어, 누군가 스크류 속도를 50에서 100 RPM으로 두 배로 높인다고 해도 실제 출력 증가는 약 65% 정도에 그칩니다. 더 큰 문제는 마찰과 내부의 부분 용융로 인해 온도 변동이 매우 커져, 때때로 40도 이상 올라갈 수도 있다는 점입니다. 이러한 작업을 일상적으로 수행하는 사람들에게는 처리 중인 재료의 종류에 따라 적절한 RPM 값을 매칭하는 것이 무엇보다 중요합니다. 예를 들어 HDPE처럼 반결정성 플라스틱의 경우, 비정질인 ABS 같은 소재와 비교해 약 15~20% 더 느린 속도를 유지해야 생산 과정 내내 열적 분해 상태를 일관되게 유지할 수 있습니다.
폴리머가 두께와 신축성 측면에서 어떻게 행동하는지는 가공 중 압력 누적과 전체적인 흐름의 일관성을 유지하는 데 큰 영향을 미칩니다. 아베이쿤(Abeykoon)과 동료들이 2020년에 수행한 연구에 따르면, 응력 하에서 점성이 감소하는 특성을 가진 재료는 일반적인 뉴턴 유체에 비해 에너지 사용량을 약 18퍼센트 줄일 수 있습니다. 고용융탄성(modified PVC)을 다룰 때 다이 스웰(die swell)은 일반적으로 30~40퍼센트 증가하는 경향이 있습니다. 이는 치수 사양을 충족하는 부품을 생산하려면 운영자가 나사 속도(screw speeds)를 정밀하게 조절해야 함을 의미합니다. 벽 전단응력(wall shear stress)이 약 0.25MPa를 초과할 경우 용융 파열(melt fracture)과 같은 흐름 안정성 문제들이 발생하기 쉽습니다. 이러한 문제를 피하고 생산을 원활히 유지하기 위해 제조업체는 장비의 압축 구역(compression zones) 설계에 주의 깊게 주목해야 합니다.
첨가제의 열전도율 차이는 재료를 통해 열이 전달되는 방식에 실제로 큰 영향을 미친다. 유리섬유는 약 0.8~1.2 W/mK의 낮은 열전도율 범위를 가지는 반면, 탄산칼슘은 약 2.6 W/mK로 더 높은 값을 나타낸다. 이 차이로 인해 배럴을 통한 열전달 방식이 약 22~35% 정도 달라진다. 폴리아미드 66의 경우, 상대적으로 낮은 비열인 1.7 kJ/kgK로 인해 가공 중 빠르게 녹지만, 동일한 특성으로 인해 온도가 295도 섭씨를 초과하면 쉽게 열분해되기 때문에 작업자는 ±2도 이내의 정밀한 온도 제어를 유지해야 한다. 실제로 압출 공정에서 발생하는 대부분의 문제는 냉각 속도가 부적절하기 때문인데, 연구에 따르면 결함의 3분의 2 이상이 재료의 결정화 속도와 맞지 않는 냉각에서 비롯되며, 특히 열절단 스트립 응용 분야에서 왜곡 문제가 두드러지게 나타난다.
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