플라스틱 압출 공정에서 균일한 혼합은 제품 품질을 결정하는 중추적인 요소입니다. 이는 재료의 축방향 역류 혼합인 역혼합이 필수적인 역할을 하는 낮은 비율의 컬러 마스터배치를 통합할 때 특히 중요합니다. 이 공정에서는 마스터배치 입자가 압출기 내에서 밀리미터에서 마이크로미터 규모로 극적인 크기 감소를 거쳐야 하므로 혼합 문제가 매우 까다롭습니다.
압출 혼합은 구성 요소의 균일한 분포를 달성하여 색상 및 기계적 특성과 같은 일관된 제품 특성을 보장하는 것을 목표로 합니다. 저농도 마스터배치를 추가하는 경우 초기 입자 분리가 100mm를 초과할 수 있습니다. 균일한 착색을 얻으려면 최종 줄무늬 두께가 마이크로미터 규모에 도달해야 합니다. 이는 뛰어난 혼합 기능이 요구되는 5자리 크기의 감소입니다.
전통적인 분석은 Couette 전단율에 따라 단면 혼합(스크류 채널 단면 내)에 중점을 둡니다.
γ = πDN/H
여기서 D = 배럴 직경, N = 스크류 속도, H = 채널 깊이. 20초의 체류 시간과 결합된 일반적인 전단 속도(50-100s⁻1)는 총 1,000-2,000 전단 변형률 단위를 생성합니다. 이는 3차 줄무늬 감소에 충분하지만 시각적 균일성에 대해서는 종종 부적합합니다.
반대로 축 혼합(역혼합)은 압출기 축을 따른 압력 구동 흐름입니다. 나사 설계를 최적화하려면 이 메커니즘을 이해하는 것이 중요합니다.
거듭제곱 법칙 유체(τ = m(γ')ⁿ)의 경우 무차원 속도 ψ=v/vmax는 다음과 같이 무차원 좌표 ξ=2y/H와 관련됩니다.
Φ = 1 - |ξ|^((n+1)/n)
뉴턴 유체(n=1)는 중심선에서 전단력이 0인 포물선 속도 프로파일을 나타내며 혼합 불감대를 생성합니다. n이 감소하면(전단 박화 거동) 프로파일이 플러그 흐름에 접근하여 저전단 영역이 확장되고 역혼합이 복잡해집니다.
RTD 분석을 통해 압출기 내에서 재료 체류 시간이 어떻게 달라지는지 알 수 있습니다. 평행판 사이의 거듭제곱 압력 흐름의 경우:
v(y) = v_max * [1 - (2|y|/H)^((n+1)/n)]
외부 RTD 함수 f(t)dt는 속도 분포에서 파생되며, 증가된 전단 박화(낮은 n)로 인해 RTD가 좁아져 역혼합 효율이 감소한다는 것을 보여줍니다. 뉴턴 유체에 대한 Pinto-Tadmor의 단일 나사 RTD 모델:
F(θ) = 1 - (1 - θ)²(1 + 0.35θ + 0.135θ²)
나사 형상이 역혼합 문제를 강조하면서 평행판 시나리오에 비해 RTD를 더욱 제한하는 방법을 보여줍니다.
주요 문제는 스크류 채널 중심의 거의 0에 가까운 축 전단에서 발생합니다. 효과적인 솔루션은 다음과 같습니다.
역혼합은 특히 채널 중심과 전단 박화 재료에서 본질적으로 낮은 축 전단으로 인해 압출에서 가장 까다로운 혼합 작업으로 남아 있습니다. 5차 줄무늬 감소를 달성하려면 고급 혼합 장치(예: 내부 또는 CRD 믹서) 또는 공급원료 수정을 통해 초기 줄무늬 감소가 필요합니다. 미래의 혁신은 이러한 지속적인 문제를 극복하기 위해 기하학적 최적화와 고급 자재 취급 기술을 결합할 수 있습니다.
