[논문]분쇄방법에 따른 감초 분쇄생성물의 특성 분석

강위수; 최상근

문제 정의

이용한 파괴특성 등을 비교 검토하였다. 더 나아가 한 대의 분쇄기로 입도 제어가 가능할 수 있는 Turbo mill 개발을 위한 기초자료를 제시하는데 궁극적인 목적 이 있다.
본 연구에서는 고섬유질을 다량 함유하고 있는 감초를 이용하여 기존 분쇄공정에서 사용하는 Hammer mill, Pin mill과 시제작한 Turbo mill로 분쇄한 감초분쇄생성물의 분쇄 방법에 따른 분쇄특성을 분석하고자 입도분석기를 이용한 입도 분포, 비표면적, 입자크기분포, 색도, SEM을 이용한 파괴특성 등을 비교 검토하였다. 더 나아가 한 대의 분쇄기로 입도 제어가 가능할 수 있는 Turbo mill 개발을 위한 기초자료를 제시하는데 궁극적인 목적 이 있다.
본 연구에서는 분쇄기 종류에 따른 감초분쇄생성물의 분쇄특성을 분석하기 위해 표 1과 같은 방법으로 실험을 설계하였다.

제안 방법

Hammer mill, Pin mill, Turbo mill에서 분쇄된 분쇄생성물의 파괴 특성을 관찰하기 위하여 분쇄된 공시재료에 gold ion coating 한 후 24시간동안 진공 건조하여 gas를 제거하였고, Scanning Electron Microscope(JSM-5410, JEOL Ltd, Japan)를 사용하여 20kV의 가속전압에서 1000배로 관찰하였다.
K)를 이용하여 <2000㎛ 입도를 분석하였다. 공시재료의 분산제(分散齊IJ)는 증류수를 사용하였고, 분쇄물은 샘플 약 2g를 취하여 분산제에 넣은 후 1분간 분산시킨 후 3회 반복하여 입자를 측정하였다.
본 연구에서는 분쇄생성물의 분쇄영 역별 입자크기에 따른 조분말은 2000/zm 통과(lOmesh), 중간미분말은 420㎛(40mesh), 미분말은 74/zm(200mesh), 초미분말은 1~50㎛를 통과분으로 분류하여 분석하였다.
분쇄영역은 Rotor와 Stator로 분류할 수 있고, 분쇄실에 투입된 분쇄원료는 1차, 2차 Mill-plate를 통과하면서 분쇄가 행해진다. 분쇄된 분쇄물은 배출구에 설치되어 있는 백 필터(bag filter)에 의해 공기와 분쇄입자를 분리하는 방식으로 구성하였다(그림 1).
분쇄생성물의 색도측정은 색도계(CR-2OO, Minolta, Japan)를 사용하여 L, a, b를 측정하였고, 색도차는 1차분쇄생성물의 색도에 대한 분쇄과정별 측정된 색도의 차를 다음의 식에 의해 계산하였다.
라. 입도 분석

분쇄생성물의 입도분포는 Particle Size Analyzer(Mal.,em Ins. Ltd, Mastersizer-2000, U. K)를 이용하여 <2000㎛ 입도를 분석하였다. 공시재료의 분산제(分散齊IJ)는 증류수를 사용하였고, 분쇄물은 샘플 약 2g를 취하여 분산제에 넣은 후 1분간 분산시킨 후 3회 반복하여 입자를 측정하였다.
분쇄원료를 정량으로 공급하기 위하여 vibrator(신창, SMF-01S)를 설치하였고, 진동트랩(Trap)에 의해 이동된 분쇄원료는 중력에 의해 자유 낙하되어 공급호퍼에 분쇄원료와 공기가 동시에 공급될 수 있도록 구성하였다. 분쇄영역은 Rotor와 Stator로 분류할 수 있고, 분쇄실에 투입된 분쇄원료는 1차, 2차 Mill-plate를 통과하면서 분쇄가 행해진다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 공시재료는 2001년 중국산 감초(평균길이 : 55.3mm, 평균폭 : 13.2mm, 평균두께 : 3mm)를 4℃에서 보관하면서 사용하였고, 이때 함수율은 원적외선 건조기(씨릭, CD-H₁)로 105℃의 온도에서 항량(恒量)될 때까지 건조한 결과 함수율은 13.1%로 측정되었다. 재료의 양은 분쇄기 종류마다 3kg의 양을 사용하였다.
분쇄장치는 시제작한 Turbo mill과 분쇄가공공정에서 사용되고 있는 Hammer Mill(대가 기계, DH-200), Pin Mill(경창기계제작소, SCTB)을 이용하여 분쇄하였다.

성능/효과

1. Hammer mill의 경우 血=750㎛로 중간미분쇄의 입도범위를 가지며 비표면적은 0.269m'/g로 분석되었고, Pin mill의 경우 血=60(㎛로 Hammer mill보다 입자크기는 조금 작으나 중간 미분쇄영역의 입도범위를 가지며 비표면적은 0.324nf/g로 분석되었고, Turbo mille &)=250㎛와 비 표면적은 0.370nf/g로 입자의 크기가 가장 작아 다른 분쇄기보다 분쇄능이 가장 우수한 것으로 분석되었다.
2. Hammer mill의 분쇄메커니즘은 대부분 충격, 일부 전단과 마찰에 의해 분쇄가 행해지고, Pin mille 핀 사이에서의 전단, 충격, 마찰에 의해 분쇄된다. 즉 충격과 마찰에 의한 분쇄는 전단력에 의한 분쇄메커니즘보다 분쇄능이나 분쇄효율이 상대적으로 낮은 것을 알 수 있었으며 주로 전단력과 충격, 반발력에 의해 분쇄가 이루어지는 Turbo mill의 분쇄능 및 분쇄효율이 우수함을 알 수 있었다.
0%로 기존의 Hammer mill이나 Pin mill보다 미분쇄능이 우수함이 조사됨으로서 충격력이 주 분쇄메커니즘인 Hammer mill과 Pin mill 보다 전단력이 주 분쇄메커니즘인 Turbo mill이 섬유질을 미분화하는데 우수함을 분석할 수 있었다. <2000㎛인 분쇄생성물을 Particle Sizer Analyzer로 분석한 결과 그림 2-a에서 보듯이 Hammer mille 분쇄처리횟수 1~3차 구간의 <420㎛인 중간미분쇄영역을 통과한 분말양은 42~57%로 분석되었고, 미분쇄영역을 통과한 분말양은 11~12%로 분쇄처리횟수가 증가하여도 분쇄능이 향상되지 않는 Unimodal 경향 인입도 분포 곡선으로 분쇄되는 것으로 분석되었다. 초미분쇄영역 역시 분쇄처리횟수 1~3차 구간의 분말양은 10%로 변화가 거의 없음을 알 수 있었다.
감초입자의 크기가 비교적 큰 Hammer miHe 대략 500㎛로 보이고, Pin mill의 경우 250/zm, Turbo mille 수십 ㎛의 크기로 분쇄된 것으로 관찰할 수 있었다.
보였다. 감초입자의 크기가 작아짐에 따라서 색상이 밝게 나타나는 경향을 보여 입자크기와 밀접한 관계가 있음을 분석할 수 있었고, 터보 분쇄기로 분쇄한 감초분쇄생물의 L값은 Pin mill이나 Hammer mill 보다 상대적으로 밝게 측정되었고 이는 그만큼 입자의 크기가 미세하게 분쇄되었다는 것을 보여주고 있다.
모든 분쇄방법에 있어서 입자의 크기가 미세해질수록 L값과 a값은 증가함을 보였고 b 값은 감소함을 보였다. 감초입자의 크기가 작아짐에 따라서 색상이 밝게 나타나는 경향을 보여 입자크기와 밀접한 관계가 있음을 분석할 수 있었고, 터보 분쇄기로 분쇄한 감초분쇄생물의 L값은 Pin mill이나 Hammer mill 보다 상대적으로 밝게 측정되었고 이는 그만큼 입자의 크기가 미세하게 분쇄되었다는 것을 보여주고 있다.
본 연구에 의해서 감초와 같이 섬유질을 많이 함유하고 있는 원료를 분쇄할 경우 분쇄메커니즘이 전단력인 분쇄기가 가장 적합하고, 분쇄중 소요되는 동력 면에서도 기존 분쇄기보다 우수한 Turbo mill의 분쇄조건을 확립해야 한다고 사료된다.
분쇄기 종류에 따른 감초 분쇄시 >2000㎛인 분쇄생성물은 Hammer mill의 경우 26.2%, Pin mill의 경우 28.6%로 감초의 섬유질을 분쇄할 수 없었으나, Turbo mill의 경우 2.0%로 기존의 Hammer mill이나 Pin mill보다 미분쇄능이 우수함이 조사됨으로서 충격력이 주 분쇄메커니즘인 Hammer mill과 Pin mill 보다 전단력이 주 분쇄메커니즘인 Turbo mill이 섬유질을 미분화하는데 우수함을 분석할 수 있었다. <2000㎛인 분쇄생성물을 Particle Sizer Analyzer로 분석한 결과 그림 2-a에서 보듯이 Hammer mille 분쇄처리횟수 1~3차 구간의 <420㎛인 중간미분쇄영역을 통과한 분말양은 42~57%로 분석되었고, 미분쇄영역을 통과한 분말양은 11~12%로 분쇄처리횟수가 증가하여도 분쇄능이 향상되지 않는 Unimodal 경향 인입도 분포 곡선으로 분쇄되는 것으로 분석되었다.
분쇄영역별로 분석한 결과 Hammer mill의 경우 분쇄처리횟수를 2회 이상 증가하여도 분쇄 능은 향상되지 않는 것으로 분석되었고, 그 이유는 분쇄임계처리횟수에 도달했기 때문으로 사료된다. 그러나 Pin mill의 경우 분쇄처리횟수를 증가함에 따라 초미분말양의 변화는 약간 있을 것으로 예측되지만 분쇄능의 향상에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다.
초미분쇄영역 역시 분쇄처리횟수 1~3차 구간의 분말양은 10%로 변화가 거의 없음을 알 수 있었다. 입자의 분포도를 살펴보면 분쇄처리 횟수가 증가할수록 Hammer mille 2.390~2.712로 좁게 분포됨으로써 중간 미분쇄기임을 분석할 수 있었다(표 2).
Hammer mill의 분쇄메커니즘은 대부분 충격, 일부 전단과 마찰에 의해 분쇄가 행해지고, Pin mille 핀 사이에서의 전단, 충격, 마찰에 의해 분쇄된다. 즉 충격과 마찰에 의한 분쇄는 전단력에 의한 분쇄메커니즘보다 분쇄능이나 분쇄효율이 상대적으로 낮은 것을 알 수 있었으며 주로 전단력과 충격, 반발력에 의해 분쇄가 이루어지는 Turbo mill의 분쇄능 및 분쇄효율이 우수함을 알 수 있었다.

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