폴리에틸렌발포용 코트-행어 다이 (Coat-hanger Die)의 최적 설계

양장수 □ 최장우·이민옥·김은진·권무현*·김극태

한남대학교 화학공학과

Optimal Design of Coat-hanger Die for PE Expansion Processes

Chang-Soo Yang, Jang-Woo Choi, Min-Ok Lee, Youn-Gin Kim,

Moo Hyun Kwon*, Geug-Tae Kim

Dept. of Chem. Eng., Hannam  University, Taejon 306-791, Korea

*Dept. of Chem. Eng., KASIT, Taejon 305-701, Korea

Ⅰ. 서 론

발포제품은 완충재, 단열재, 구조대, 방음재, 부양재 등으로 널리 사용되고 있으며, 특히 국내 전자산업의 지속적인 성장에 따른 전자부품의 완충재로써 수요가 급신장하고 있는 추세이다.  일반적으로 사용되는 수지의 종류에 따라 크게 열가소성과 열경화성 발포제품으로 분류하며, 열가소성 제품에는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드 등이 있으며, 열경화성 제품의 경우에는 에폭시, 요소, 멜라폼, 페놀 등이 있다.  폴리에틸렌 발포제품은 압출과 사출 등으로 제조 가능하나, 용도의 다양성 때문에 주로 압출에 의하여 생산된다. 1942년 최초로Johnston에 의하여 질소와 암모늄이중카보네이트 발포제를 이용하여 폴리에틸렌 발포제품이 개발된 이후로 케이블과 와이어제품 등에 광범위하게 현재 응용되고 있다.

다이에는 튜브나 시트를 만드는 원형다이와 플랭크를 만드는 평판다이로 구분한다.  평판다이는 다기관의 모양에 따라 T-다이, 피쉬-테일 다이, 코트-헹어 다이로 구분하고, 발포제품을 제조하기 위하여 다이 전체에 걸쳐 일반적으로 균일한 압력감소가 필요하다.  다이 립에서 균일한 흐름과 동등한 압력감소를 위해 종종 초커 바를 사용하여 다기관에서 발생하는 불균일한 압력분포를 제거하고, 균일한 흐름을 갖게 한다.  기존의 폴리올레핀 폼 제품은 원형다이로 생산하는 것이 경제적이고 균일한 폼 제조 공정으로 알려져 있다.  원형다이는 다이  립이 원형으로 되어 있고, 립을 통해 나온 발포제품은 절단되어 평평하게 된다.  이 원형다이로 폴리에틸렌 발포제품을 생산하였을 때 두께를 증가시켰을 때 두께가 불균일하여 5mm이상의 제품이 어렵고, 발포 조건이 불안정한 문제점이 있다.  이를 보완하기 위해 잘 설계된 코트-헹어 다이를 필요로 한다.  코트-헹어 다이는 다기관과 초커바를 사용하여 다이 립에서 균일한 흐름과 적당한 두께의 폴리에틸렌 발포제품을 생산할 수 있다.  이를 위해 다이에서 용융 고분자의 흐름과 압력분포 및 온도에 대한 영향을 파악하고 FIDAP 소프트웨어로 모사를 통하여 다이 립에서 균일한 흐름과 동등한 압력분포를 갖는 다이를 설계할 수 있다.  폴리에틸렌 발포제품을 생산하기 위해서는 발포제품에 알맞는 다이가 필요로 한다.

따라서 본 연구에서는 코트-헹어 다이를 설계하기 위해서 코트-헹어 다이의 변수를 규명하고, FIDAP 소프트웨어로 모사하여 다이 립에서 균일한 흐름, 합력, 온도, 두께 등의 결과로 최상의 다이를 설계하는데 있다.

Ⅱ. 실험

가. 실험장치 및 발포실험

실험장치는 (주)세화의 압출기를 사용하였고, 그림 1은 압출다이 공정도이다. 압출기는 크게 압출, 혼합, 냉각, 팽창, 숙성 부분으로 나뉜다.  압출단계에서 고분자가 첨가되어 170∼180℃에서 용융되고, 혼합단계에서 발포제(프로판)와 기핵재(초 분말가루)가  용융고분자와 혼합되고, 냉각부분에서 170∼180℃의 고분자가 110℃로 떨어진후 팽창단계에서 냉각된 고분자는 다이의 압력 감소에 의해 발포되었다.  숙성단계에서 발포제품의 고유특성을 갖기 위해 숙성시켰다.

나. 코트-헹어 다이 다기관의 최적화

코트-헹어 다이 다기관의 최적화를 위해 이론적인 해석이 필요하다.  코트-행어 다이를 최적으로 설계하면 다이 출구에서 균일한 흐름을 나타낸다.  다기관에서의 흐름은 다이의 형태와 온도, 전단력, 점탄성, 압력 등의 영향으로 불균일하다.  이과 같은 문제로 인해 다이에서 균일한 흐름을 갖는 다기관을 설계하기는 어렵다.  기존의 다이 설계는 경험을 바탕으로 다이를 설계하였다.  반복적인 다이설계에 있어서 기존의 다이 설계는 시간적인 낭비와 다이를 수정하면서 생기는 경제적인 소모가 필연적이었다.  반면에 컴퓨터 모사를 통한 다이설계는 최적의 다기관 형태를 갖기 위해 반복적인 수정이 가능하다. 이상적인 다기관 설계를 위해 C. Chen의 식(1)으로부터 다기관의 라디우스를 계산하였다.

[eqn: R(x)= LEFT [ {(3n+1)(W-x)} over { pi (4n+2)}RIGHT ]^{{n} over {(3n+!)}} LEFT [ {H^2n+1} over{cos theta } RIGHT ] ^{{1}over{(3n+1)} }]..................................(1)

여기서 R(mm)은 다기관 라디우스이고, n은 지수법칙 상수, W(mm)는 다이폭, x는 다이 중앙에서부터의 거리, H(mm)는 다이 립 두께, □는 다기관 각도이다. 위의 식에서 각 변수에 따른 코트-헹어 다이 다기관에서의 압력변화를 예측할 수 있다.

폼의 종류와 모양, 크기에 따라 다이의 내부 형태는 바뀐다. 폴리올레핀 폼을 위한 최상의 다이 설계를 위해 다이의 변수를 파악한다.  발포제품의 종류와 두께에 따라 다이의 내부 형태는 바뀐다. 폴리올레핀 폼을 위한 최상의 다이 설계를 위해 변수를 파악한다.

Ⅲ. 실험결과 및 고찰

가. 실험장치 및 발포실험

그림 2는 압출량에 따른 발포도로 압출량이 160∼270(bar)으로 증가할수록 발포도가 증가하였다.  그림 3을 통해  다이 압력이 증가할수록 압출량은 감소하였다.

나. 코트-헹어 다이 다기관의 최적화

여섯 가지 다른 다이립 두께에 따른 영향은 그림 4에서와 같다.  여기서 n= 0.4, W= 275(mm), □= 85¸이다.  다이 립이 H= 1∼6mm로 증가할수록 다이 라디우스도 증가했다.  그림 5는 n= 0.4, W= 275(mm), □= 85¸이고, 다이 폭이 W= 100∼600(mm)으로 증가할수록 다기관의 라디우스도 증가하였다.  그림 6은 H= 4(mm), W= 275(mm), □= 85°이고, n= 0.2∼0.6을 측정하였다.  지수가 증가할수록 다기관의 라디우스는 감소하였다.  그리고 다기관의 라디우스는 입구 근처에서 천천히 감소하고 다기관 끝에서 빠르게 감소한다.  그림 7은 다기관 각도에 따른 영향을 계산하였다.  여기서  n= 0.4, W= 275(mm), H= 4(mm)이고, 그림에서 보듯이 다기관의 각도가 증가할수록 다기관의 라디우스도 증가하였다.

위의 결과를 보듯이 최적의 다기관을 설계하기위해서  다이립, 다이폭, 다기관의 각도,  원료, 공정 변수를 고려해야 한다. 위의 결과는 다이폭과 립, 다기관의 각도가 증가할수록 다기관의 라디우스는 증가하였다.  반면에 지수 n이 증가할수록 다기관의 라디우스는 감소하였다.

그림 1. 압출다이 공정도

그림 2. 압출량에 대한 발포도

그림 3. 다이압력 대한 압출량

그림 5. 다이 폭에 따른 다기관의 라디우스

그림 4. 다이 두께에 따른 다기관 라디우스(radius)

그림 6. 지수법칙에 따른 다기관               반지름 변화

그림 7. 다이 중앙으로부터 다기관 라디우스

Ⅳ. 결론

위의 결과를 보듯이 최적의 다기관을 설계하기위해서  다이립, 다이폭, 다기관의 각도,  원료, 공정 변수를 고려해야 한다. 위의 결과는 다이폭과 립, 다기관의 각도가 증가할수록 다기관의 라디우스는 증가하였다.  반면에 지수 n이 증가할수록 다기관의 라디우스는 감소하였다.

감사의 글

본 연구는 산업부의 공업기반기술사업 (공고번호 982-75-03)의 연구비 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1]. C. Chen, P. Jen and F. S. Lai, Polym. Eng. & Sci., 37, 188 (1997).

[2}. Yutaka Mattsubara, Polym. Eng. & Sci., 20, 212 (1980).

[3}. Walter Michaeli, Extrusion Dies for Plastics & Rubber, (1992).

[4}. Daniel Klempner & Kurt C. Frisch, Handbook of Polymeric Foams &         Foam Technology.