분산과 분배 (Dispersion and Distribution)

사출은 말할 것도 없고 압출 역시 대부분 단일 화합물로만 구성된 formulation을 대부분 사용하는 단순한 공정이므로 압출기 내에서 분산과 분배에 대해 크게 신경 쓸 것이 없지만 컴파운딩을 할 때는 반드시 신경을 써야 하는 부분입니다. 이 부분이 미흡하면 제품에 편차가 생기게 마련인데요, phase-phase 간의 mixing 측면에서 그렇습니다. 그런데 사실 생각보다 많은 분들이 용어의 개념이 정확하지 않아 의사소통 과정에서 혼선을 불러오는 경우가 많습니다. 특히 해외와 업무를 할 때 더욱 그렇고요. 오늘은 분산과 분배의 개념에 대해서 조금 정리를 해보겠습니다.

 

분산 혼합 (Dispersive mixing)

컴파운딩 레시피 상에서 주레진 외에 보조 레진, 예를 들자면 PC/ABS 제품이라던가 PPE/HIPS 제품 등에서 고무상(rubber phase)을 가지고 있는 ABS나 HIPS와 같은 수지들, 그리고 고체로 된 필러(filler), 그리고 액상으로 투입되는 난연제나 첨가제 등이 주레진인 polymer phase가 major phase 속에 minor phase로 존재하게 됩니다. 이때 이 minor phase를 major phase에 골고루, 그리고 잘게 분산시켜야 하는데요, 여기서 분산 혼합(Dispersive mixing)이란 공간 내에 분배시키는 것을 말하는 것이 아니라 입자의 크기, 상의 크기, 즉 사이즈를 줄이는 것을 뜻합니다. (break-down)

 

분산 혼합 (Dispersive mixing)

 

위에 이미지를 보면 minor phase가 분산 혼합에 의해 크기가 작아졌죠. 하지만, major phase 내에 균일하게 섞여 있는 것은 아닙니다. dispersive mixing이 되었다고 표현할 때 minor phsae의 입자들이 작아졌다는 의미가 있을 뿐 반드시 두 상이 서로 균일하게 잘 섞인 상태를 말하는 것은 아니라는 것입니다.

 

압출기 내에서 분산 혼합을 시키기 위해서는 전단응력(shear stress)이 작용하여야 하는데요, 이 전단응력은 전단율(shear rate)과 점도(viscosity)의 곱입니다. 그렇다면, 컴파운딩 공정에서 전단율과 점도가 중요한 팩터가 되겠죠. 분산을 향상시키기 위해 전단율과 점도를 증가시켜주어야 하는 경우가 생길 테니까요. 여기서 점도, 즉 melt viscosity는 소재에 의해 결정이 되므로 어떠한 MFR을 가지는 어떠한 종류의 수지를 사용하느냐 등 컴파운딩 레시피에 의해 결정이 될 테고요, 배럴(barrel)의 온도와 스크류 스피드(screw speed)를 높이는 방향은 melt viscosity를 낮추는 효과를 볼 수 있습니다. 하지만 스크류 스피드를 높이면 shear rate가 높아지는 효과 역시 있죠. 따라서 사실 비교적 단순한 공정이지만, 스크류 configuration부터 배럴 등 여러 part에 대한 이해가 필요합니다.

 

분배 혼합 (Distributive mixing)

분배 혼합은 균일하게 섞이도록 (homogenization) 만들어주는 것을 말합니다. 입자의 크기가 변하는 것을 의미하는 것은 아닌데요, 기본적으로 상대적인 위치(position)가 변화된 정도로 이해를 할 수 있습니다.

분배 혼합 (Distributive mixing)

 

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우리가 일반적으로 분산이 잘 되었다고 표현하는 것은 분산 혼합과 분배 혼합 두 가지가 모두 잘 되었다는 뜻이라고 이해를 하면 됩니다. 분산된 물질이 균질하게 잘 섞였다(homogenized the dispersed material)라고 하면 좀 더 정확할 수 있겠네요.