[논문]폴리우레탄 발포 노즐 형상이 혼합 성능에 미치는 영향

김도연; 이태경; 정해도; 김형재

doi:10.7736/kspe.2016.33.1.31

[국내논문] 폴리우레탄 발포 노즐 형상이 혼합 성능에 미치는 영향
Influences of Polyurethane Nozzle Shape on Mixing Efficiency 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.1, 2016년, pp.31 - 35

김도연 (한국생산기술연구원 정밀가공제어그룹) , 이태경 (한국생산기술연구원 정밀가공제어그룹) , 정해도 (부산대학교 기계공학부) , 김형재 (한국생산기술연구원 정밀가공제어그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

For reaction injection molding (RIM) polyurethane was mixed in the mixing head by impingement mixing, injected into the mold, and cured quickly, as soon as the mold is filled. The shape of the nozzle in the mixing head is critical to improve the quality of polyurethane. To achieve homogeneous mixing, an intensive turbulence energy in the mixing nozzle is essential. In this study, a mixing nozzle for RIM was designed, and mixing efficiency was investigated based on experiment. Experiments were conducted with different combinations of nozzle tips and exit diameter to measure the mixing efficiency by measuring jet force and investigating mixing image with high speed camera. Jet force increased gradually and reaches steady state conditions. The jet force depended on shape of nozzle tip and outlet sizes. These results suggest that optimized nozzle configurations are necessary for high efficiency mixing with RIM.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 반응사출성형에서 사용되는 노즐의 혼합성능 향상을 위한 분사 노즐 형상을 설계하였다. 또한 설계 된 노즐 형상의 혼합 성능을 가시화 실험을 통해 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 반응사출성형에서 사용되는 노즐의 혼합성능 향상을 위한 분사 노즐 형상을 설계하였다. 또한 설계 된 노즐 형상의 혼합 성능을 가시화 실험을 통해 분석하였다.
¹³ 레이놀즈 수가 낮을 경우 난류가 형성 되지 않아 유체의 혼합이 제대로 이루어 지지 않는다.¹⁴ 이 때 레이놀즈 수는 유체 속도에 비례하며 실험에서는 노즐 형상에 따른 분사 속도를 상대 비교하기 위해 분사력을 측정하였다. Fig.

대상 데이터

또한 실험에 사용한 노즐의 형상 및 다른 실험조건은 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용한 유체는 실제 공정에서 사용되는 유체와 유사한 점도를 가진 유체를 사용하였다.

데이터처리

혼합 챔버 내 혼합 균일도를 분석하기 위해 포토샵(Photoshop)을 이용하여 혼합영역 부분 측정 이미지의 그레이 스케일 히스토그램(Histogram)을 분석하여 표준편차를 계산하였다.

성능/효과

노즐의 니들 팁 직경과 출구 직경이 커질수록 분사력은 증가하였으나, 노즐 출구 직경이 3mm 이상에서는 증가폭이 급격히 작아지면서 이후 일정한 분사력과 유량 결과를 보였다. 이러한 결과는 믹싱 헤드의 혼합 효율이 레이놀즈 수에 비례하는 선행 연구 결과에서와 같이 분사력 증가로 인해 점차 혼합 효율이 좋아지지만 노즐 출구 직경이 3mm 이후부터는 큰 편차가 없다는 것을 알 수 있다.
설계된 노즐의 혼합 효율 가시화 실험에서는 분 사력이 가장 큰 노즐 니들 팁 직경 2mm에서 혼합 효율이 좋은 것으로 관찰되었다. 두 유체가 혼합 챔버 내에서 충돌 혼합하는 과정에서 높은 분사력에 의한 충돌로 넓은 영역으로 혼합 과정이 이루어지면 균일 혼합이 이루어지는 것으로 판단된다.
설계된 노즐의 혼합 효율 가시화 실험에서는 분 사력이 가장 큰 노즐 니들 팁 직경 2mm에서 혼합 효율이 좋은 것으로 관찰되었다. 두 유체가 혼합 챔버 내에서 충돌 혼합하는 과정에서 높은 분사력에 의한 충돌로 넓은 영역으로 혼합 과정이 이루어지면 균일 혼합이 이루어지는 것으로 판단된다.

후속연구

하지만, 분사력과 유량 증가는 특정 노즐 형상 크기에서 변화폭이 작아지기 때문에 형상 변화에 의한 혼합 효율 증가는 한계성을 가지는 것으로 판단된다. 따라서 혼합 효율을 증가 시키기 위해서는 노즐 성능뿐만 아니라 공정 조건의 최적화도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반응사출성형은 무엇인가?	반응사출성형(Reaction Injection Molding, RIM)은 반응물 또는 폴리머를 챔버(Chamber) 내에서 고속 충돌시켜 짧은 시간 내에 혼합 반응시키는 공정으로 대표적 적용 분야는 폴리우레탄 발포이다. 폴리우레탄은 폴리올(Polyol)과 이소시아네이트(Isocyanate) 를 서로 다른 노즐에서 고속으로 분사하여 혼합용기 내에서 충돌 혼합 후 발포하여 경화과정을 통해 성형된다.
	폴리우레탄 발포 시 노즐부의 성능을 결정하는 요인은?	1과 같은 구조로 폴리올과 이소시아네이트를 분사할 수 있는두 개의 노즐부와 충돌 혼합 공정이 발생되는 혼합 챔버(Mixing chamber), 그리고 혼합물이 발포되는 출구부로 구성되어 있다. 노즐부의 성능을 결정하는 인자는 노즐 홀더(Nozzle holder) 형상, 노즐 니들 팁(Nozzle needle tip) 직경, 노즐 콘(Nozzle cone) 출구 직경 등을 들 수 있다.4
	폴리우레탄은 어떤 과정으로 성형되는가?	반응사출성형(Reaction Injection Molding, RIM)은 반응물 또는 폴리머를 챔버(Chamber) 내에서 고속 충돌시켜 짧은 시간 내에 혼합 반응시키는 공정으로 대표적 적용 분야는 폴리우레탄 발포이다. 폴리우레탄은 폴리올(Polyol)과 이소시아네이트(Isocyanate) 를 서로 다른 노즐에서 고속으로 분사하여 혼합용기 내에서 충돌 혼합 후 발포하여 경화과정을 통해 성형된다.1 폴리우레탄 성형을 위한 반응사출성형은 수 분 이내의 짧은 혼합과정을 걸쳐 금형 내부로 발포 하기 때문에 혼합성능 및 발포 성능이 중요하다.

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Nguyen, L. T. and Suh, N. P., "Processing of Polyurethane/Polyester Interpenetrating Polymer Networks by Reaction Injection Molding. Part III: Flow Reorientation through Multiple Impingement," Polymer Engineering & Science, Vol. 26, No. 12, pp. 843-853, 1986.

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