[논문]고분자압출의 공정변수가 통기성필름강도에 미치는 영향

최만성

doi:10.7735/ksmte.2012.21.4.625

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Optimization of process parameters in polymer extrusion is an important task to reduce manufacturing cost. To determine the optimum values of the process parameters, it is essential to find their influence on the strength of polymer breathable thin film. The significance of six important process par...

Optimization of process parameters in polymer extrusion is an important task to reduce manufacturing cost. To determine the optimum values of the process parameters, it is essential to find their influence on the strength of polymer breathable thin film. The significance of six important process parameters namely, extruder cylinder temperature, extruder speed, extruder dies temperature, cooling roll temperature, stretching ratio, stretching roll temperature on breathable film strength of polymer extrusion was determined. Moreover, this paper presents the application of Taguchi method and analysis of variance (ANOVA) for maximization of the breathable film strength influenced by extrusion parameters. The optimum parameter combination of extrusion process was obtained by using the analysis of signal-to-noise ratio. The conclusion revealed that extruder speed and stretching ratio were the most influential factor on the film strength, respectively. The best results of film strength were obtained at higher extruder speed and stretching ratio.

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문제 정의

따라서 압출공정변수의 간단한 실험으로 특성치인 필름강도의 품질 요구조건을 찾아내는 것이 합리적인방법으로 여겨지나, 이에 관련된 연구는 국내외적으로 매우 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실험용 압출기를 개발하고, 고분자 압출 실험을 통하여 통기성 필름강도의 요구물성을 만족할 수 있는 압출기의 최적공정조건을 구하였다.
본 연구는 고분자압출가공에 있어서 압출공정변수가 통기성 필름의 강도에 미치는 영향을 Taguchi 방법에 의한 실험을 통하여 조사한 것으로 아래와 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

6과 같이 점보 롤 쪽의 샘플(sample)을 MD 방향으로 반을 접고(그림에서 ①), 점보 롤 쪽을 3등분하여 다시 접는다(그림에서 ②③). 다음에 시편 체취 도구를 사용하여 MD와 CD방향으로 시편을 절단한다. 시편규격 및 수량은 MD방향으로 1인치x4인치x9장이고 CD방향으로는 4인치x1인치x9장이다.
000으로 나타나 유의수준 α=5%에서 이 공정변수들은 매우 유의함을 알 수 있다. 다음에 주어진 압출공정변수 사이에 선형결합관계를 알아보기 위해 다중공선성(multi-collinearity)을 살펴보았다.
따라서 이러한 무기 필러를 효과적으로 분산 시킬 수 있는 가공성과 물성 균형을 가진 원료의 선택과 또한 폴리에틸렌 베이스 원료와 탄산칼슘 무기필러의 분산효과를 향상시키기 위한 폴리머 상용화제와 고속 생산 가공 시 용융 압력 및 열에 의한 산화를 최소화하기위한 산화 방지 첨가제의 선택도 매우 중요한 부분으로 검토 되어야 한다. 본 실험에 사용된 고속･통기성필름의 기저재료는 LLDPE(linear low density polyethylene)로서 여기에 상용화제, 첨가제, 충진제 등을 혼련하여 MI(melting index), 밀도, 수분 등의 물성측정을 실시한 후 통기성필름에 적절한 컴파운드 원료를 개발하였다. LLDPE는 기계적 성질이 우수하여 산업체에서 많이 사용되나, 유동성질이나 가공성은 분자질량분포에 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있다^(11,12).
11은 압출실험을 통하여 DC 모터의 회전수와 다이를 통하여 흘러나오는 압출필름의 압출속도와의 관계를 도시한 것이다. 압출속도는 고속카메라를 이용하여 속도를 측정하였다. Fig.
이다. 측정방법으로서는 인장시험기의 주 화면으로 이동한 후 시험하고자 하는 내용을 입력한 후 인장시험을 한다.
Taguchi 방법은 직교배열표 상에 제어인자와 잡음인자를 동시에 고려하여 S/N비(signal to noise ratio)를 최대화하는 제어인자의 조건 즉, 잡음 하에서도 성능특성치의 분산이 작고 평균이 목표치에 근접하는 제어인자의 조건을 찾는 것이다. 평가특성치는 신호와 잡음비로 나타내는데 통기성필름의 인장강도는 업체에서 주로 규격하한을 적용하므로 특성치가 크면 클수록 좋은 망대특성(higher is the best)을 적용하였다. 망대특성의 S/N비는 다음 식으로 구할 수 있다.

대상 데이터

다음에 시편 체취 도구를 사용하여 MD와 CD방향으로 시편을 절단한다. 시편규격 및 수량은 MD방향으로 1인치x4인치x9장이고 CD방향으로는 4인치x1인치x9장이다.
실험에 사용된 고분자압출기의 모델명은 BNP PE-50로 고속･통기성필름개발을 위해 Fig. 4와 같이 별도로 제작된 장비이다. 이 장비의 압출기 형식은 단축 스크루식이며, 주요 규격으로는 스크루길이가 1,280mm, 스크루직경이 50mm로 L/D=26이다.
4와 같이 별도로 제작된 장비이다. 이 장비의 압출기 형식은 단축 스크루식이며, 주요 규격으로는 스크루길이가 1,280mm, 스크루직경이 50mm로 L/D=26이다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 통기성 필름은 앞서 기술한 바와 같이 20 ~30μm 두께의 필름을 100m/min 수준의 속도로 생산되어지고 있는데, 이러한 가장 큰 이유는 통기성을 부여하기위하여 50%이상의 많은 탄산칼슘 무기필러를 충진시켜 컴파운딩해야 하기 때문이다.

데이터처리

압출공정변수의 유의성 검정을 위해 식 (2)에서 식 (6)까지를 이용하여 S/N비에 대한 분산분석을 하였다. Table 4와 Table 5는 반응변수로 S/N비를 지정하고, 모형에 포함될 인자를 지정한 다음 관련 데이터를 작성한 것이다.
다중회귀분석(multiple regression analysis)이란 2개 이상의 예측변수와 1개의 반응변수와의 관계를 선형, 즉 직선으로 가정하는 회귀분석을 말한다. 회귀함수가 얼마나 유효한가는 분산분석표를 작성하여 t-검정을 실시하거나, 실험에서 얻어지는 총 편차의 제곱 합과 회귀제곱 합으로부터 구해지는 결정계수(coeffficient of determination, R²)를 이용하여 평가한다. 각 인자들로부터 MD 인장강도를 예측하기 위한 방법으로 Table 4와 Table 5의 자료 중 유의하지 않은 압출기 다이 온도, 냉각롤 온도, 연신 롤의 온도를 오차 항에 합하여 아래의 식 (7)과 식 (8)의 다중회귀식(multiple regression equation)을 얻었다.

성능/효과

(1) 실험에서 얻어진 각각의 인장강도는 정규성 검정을 통해 정규분포를 따랐으며, 압출기의 공정변수는 교호작용이 거의 나타나지 않았다.
(2) 압출공정변수 사이에 선형결합관계가 존재하는가를 알아보기 위해 분산팽창인수를 계산한 결과 다중공선성이 존재하였다.
(3) 압출기의 실험에서 얻은 시편을 인장강도 시험을 통하여 MD 인장강도와 CD 인장강도에 큰 영향을 미치는 압출공정변수는 압출속도, 연신비, 압출기의 실린더온도 순으로 나타났다. 이외의 압출공정변수인 다이온도, 냉각 롤 온도, 연신 롤 온도 등은 각 인장강도에 미치는 영향이 적었다.
(4) MD 인장강도와 CD 인장강도는 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
다중회귀분석을 한 결과 압출기속도 B와 연신비 E의 p-값은 모두 0.000으로 나타나 유의수준 α=5%에서 이 공정변수들은 매우 유의함을 알 수 있다.
그러나 연신비 E는 MD 인장강도와 양의 상관관계가 있고, CD 인장강도는 음의 상관관계가 있다. 아울러 회귀분석결과 MD 인장강도의 결정계수 R²(수정)의 값은 84.7%, CD 인장강도의 결정계수 R²(수정)의 값은 95.4%로 나타났는데 전체변동 중 회귀식에 의해 설명되는 변동이 높은 편이다. Table 8은 모든 압출공정변수에 대한 회귀식의 t-검정 값을 나타낸 것으로 회귀식의 t-검정 값이 높은 변수일수록 추정식 #를 설명하는데 공헌도가 크다.
그림에서 S/N비의 경사가 급한 요인이 수준 간에 차이가 있는 즉, 유의한 요인임을 나타낸다. 여기에서 MD 와 CD 인장강도 모두 압출속도, 연신비, 압출기 실린더 온도 순으로 유의한 공정변수임을 알 수 있다. 또한 Taguchi 법에서는 S/N비가 크면 품질특성이 우수하므로 이에 대한 최적의 압출공정조건을 구할 수 있다.

후속연구

현재 일반적으로 사용되고 있는 통기성 필름은 앞서 기술한 바와 같이 20 ~30μm 두께의 필름을 100m/min 수준의 속도로 생산되어지고 있는데, 이러한 가장 큰 이유는 통기성을 부여하기위하여 50%이상의 많은 탄산칼슘 무기필러를 충진시켜 컴파운딩해야 하기 때문이다. 따라서 이러한 무기 필러를 효과적으로 분산 시킬 수 있는 가공성과 물성 균형을 가진 원료의 선택과 또한 폴리에틸렌 베이스 원료와 탄산칼슘 무기필러의 분산효과를 향상시키기 위한 폴리머 상용화제와 고속 생산 가공 시 용융 압력 및 열에 의한 산화를 최소화하기위한 산화 방지 첨가제의 선택도 매우 중요한 부분으로 검토 되어야 한다. 본 실험에 사용된 고속･통기성필름의 기저재료는 LLDPE(linear low density polyethylene)로서 여기에 상용화제, 첨가제, 충진제 등을 혼련하여 MI(melting index), 밀도, 수분 등의 물성측정을 실시한 후 통기성필름에 적절한 컴파운드 원료를 개발하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자압출 설비의 주요요소인 압출기, 다이 및 연신장치의 역할은 무엇인가?	압출기는 성형재료를 가열하여 균일한 용융체 상태로 만들면서 이것을 가압하여 연속적으로 송출하는 펌프의 역할을 하며, 다이는 소정의 형태를 만들고, 연신장치는 다이로부터 압출된 성형품의 형상이나 치수를 규제하면서 냉각하여 연신하는 작용을 한다. 고분자 가공에서의 압출 공정은, 호퍼(hopper)를 통하여 펠렛(pellet) 또는 분말상의 고형 수지가 가열된 배럴(barrel)과 그 내부의 회전 스크루(screw)와의 상대 속도 차에 의해 연속적으로 이송, 압축, 용융되면서 일정 형태의 다이를 통과한 후 냉각되어 필름, 시트(sheet), 파이프(pipe), 이형 압출물(profile) 등으로 제조되는 공정으로 구성된다.
	현재 통기성 필름은 어떻게 제조되고 있는가?	특히 최근에는 세계적인 글로벌 제조업체들이 고품질의 제품으로 원가절감을 통한 생산성 향상을 위해서 기본적인 요구물성을 유지하되, 향상된 20μm이하의 초박막의 얇은 필름을 요구하고 있는 실정이다. 현재 통기성 필름은 공기통풍성을 유지하기 위해 폴리에틸렌에 다량의 무기물(탄산칼슘)을 혼합하여 T-다이(die)형 압출기를 통해 20~30μm의 필름을 제조하고 있으며, 이때 균일한 두께 유지와 강성이 필수적이다. 따라서 고속에서의 고분자의 용융 유동이 일정하게 유지되어야 하는 어려움이 있다.
	고분자필름의 강도에 영향을 미치는 주요인자는 무엇인가?	종래의 고분자압출을 할 경우 일반적으로 필름의 두께가 25μm이상인 제품을 생산속도가 100m/min 이하에서 생산하여 왔으나, 13μm의 초박막 필름으로 기계적강도, 내열성, 두께균일성 및 가공성이 향상된 최고 300m/min의 고속생산이 가능한 초박막 통기성 필름의 양산 기술을 개발하는 추세이다. 고분자압출에 있어서 필름강도의 요구특성은 고강성의 초기 및 파단강도가 제품을 사용하는 업체에서 요구하는 규격하한(lower specification limit, LSL) 이상이어야 하며, 고분자필름강도에 영향을 미치는 주요인자는 수지의 분자량(3,4), 결정화도(crystallinity)(5~6), 수지의 분자량분포, 용융지수(MI)(7), 밀도(8) 등으로 알려져 있다. 이러한 방법은 고분자 용융체(melt)의 특성을 규명해야 하므로 그 분석이 매우 까다롭고 번잡하다.

참고문헌 (12)

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