강의내용

1)
2)
3)
4)
압출가공 응용 및 기타
Wire coating :, 전선의 특징 및 사용재료,
수학적 해석 등
Fiber spinning : 수학적 해석 및 공정특징
등
Pipe : 수학적 해석 및 특징
Die swell 및 용융파단
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Wire Coating
피복성형 : 금속선 등을 예열하여, 금형에 있는 관통구멍을 통해 외면에 수지
를 피복해가면서 압출하는 성형법(크로스헤드다이)
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Wire & Cable
Power Cable
초고압 케이블
중/저압 케이블
기타(원자력, 제어용, 소방용)
Materials : LDPE with carbon black, Crosslinked PE,
Semi-conductive Polymers, PVC, EPR rubber, NFR PE, etc
Wire & Cable
Telecommunication Cable
광 케이블
통신 케이블
데이터 및 무선 케이블
PMMA, Expandable HDPE, HDPE, LDPE with carbon black,
NFR PE, and etc
폴리에틸렌 제조-촉매
제조
PE 를 생성할 수 있는 촉매에는 라디칼 촉매, 지글러-나타 촉매, 크롬, 메
탈로센 촉매가 있습니다.
¾ 라디칼 촉매를 이용하면 부드럽고 질긴 PE 가 생성되며,
¾ 지글러-나타촉매와 크롬촉매 이용하면 강하고 딱딱한 PE가 생성되며
¾ 메탈로센 촉매를 이용하면 강하고 질긴 PE가 생성.
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폴리에틸렌의 특성 비교
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전력선 구조
전력선 구분
¾ 저전압 : 600V 이하
¾ 중전압(OC) : 22.9kV)
¾ 고전압 : 154kV
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통신선 구조
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Plane Couette Flow : assume 1) R0 − Ri = H , 2) unit width (W ) = 2π R0
VWH WH 3ΔP
Q = QD + QP =
+
, W는 내외경의평균원주값,
2
12μ L
Q = πV [( Ri + h)2 − Ri2 ] = πVh(2Ri + h)
h
6μVL(2h − H )
W = 2π ( Ri + )를 대입하고 두식을 풀면, ΔP =
2
H3
여기서Ri는 전선의지름, H는 코팅전선 두께, h는 코팅된 고분자 두께의값
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Fiber spinning
Fiber spinning : is a process in which fluid is continuously
extruded through an orifice to form an exturdate of, usually,
circular cross section. Somewhere downstream of the orifice the
extrudate is contacted in such a way that filament can be pulled
and conveyed to further processing steps.
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Monofilament
¾
¾
고분자 수지를 압출기를 통해 가는 실(마치 국수제조기에서 국수가닥이
나오는 것과 유사함) 형태로 압출한 후 냉각시키고, 그것을 다시 연신시
켜 뽑아진 실의 강도를 좋게 하는 성형방법
성형장치 : 압출부, 냉각부, 연신부, Annealing 부, 권취부의 다섯 부분
으로 구성되어 있다.
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Monofilament-압출부
모노필라멘트용 다이는 다른 압출성형에 비하여 압출노즐이 대단히 작으며,
노즐에서 압출된 미연신 필라멘트가 Melt Fracture를 일으키지 않게 하기
위해서 압출기 내에서 수지 혼련을 충분히 행하고 압출 성형온도를 높게 하여
수지의 용융점도를 낮게 압출하는 것이 필요
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Multifilament
¾ 정의 : 용융방사에 의해 형성된 섬유로, 여러 가닥으로 된 연속 필
라멘트를 일컫는다.
¾ 성형방법 : 고분자 수지를 Hopper 를 통해 압출기로 공급되고,
공급된 수지는 압출기 내에서 용융되고 혼련되며, 용융된 수지는
Spinnerette 의 Nozzle을 통해서 방사된다. 방사된 필라멘트
는 Isothermal Chamber를 통과하면서 Air에 의해 냉각되고,
냉각된 필라멘트를 연신Roll에서 연신시켜 섬유를 제조하는 성형
방법.
¾ Multifilament 성형장치는 압출부, 냉각부, 연신부, 권취부의
네부분으로 구성되어 있다.
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부직포-Spunbond

Spunbond 부직포 : 필라멘트를 사용하기 때문에 장섬유 부직포라고 한
다.
제조방법 : 압출기에서 방사된 필라멘트는 연산된 후 켄베이어 등에 적층
된다. 적층된 웹은 칼렌더 roll 등으로 접합되며, 이송과정을 거쳐
Winding 된다.
Sounbond 부직포 성형장치 : 방사공정, 연신공정, 개섬, 포집 등의 웹
형성공정과 웹 접착 공정이 있다.
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부직포-Spunbond
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파이프 성형
파이프성형 : 파이프용 다이 (스트레이트 다이, 크로스헤드 다이, 옵셋 다이)로
압출하여, 각종 사이징으로 내, 외경을 제어하여 뽑아내는 성형법
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파이프 성형
압출기 : 파이프의 압출기는 크게 두가지 형태가 있다.
1. 일반 파이프 압출
2. 램 압출(Ram Extrusion)
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파이프 성형
다이 : Pipe용 Die는 일반적으로 Straight-Die, Off-Set-Die가 있음.
Straight-Die는 구조가 간단하고 가격이 싸지만 Spider Mark가 나타나며,
Off-Set-Die는 Spider Mark가 생기지는 않지만 구조가 복잡하고 고가.
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파이프 성형
¾
¾
Sizing 다이 : Pipe 용 Die 에서 Pipe 상에 용융 압출된 수지는
Sizing 다이를 통해 외경 또는 내경이 규제 됨.
냉각수조 : Pipe는 Sizing Die 을 통과한 후 냉각수조에 넣고 냉각
시킴.
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파이프 성형
¾ 인취 : Pipe 를 인취하는 방법에는 Caterpilar 방식과 Roll 방식이
있음. 인취속도가 압출속도에 비해 지나치게 빠를 경우에는 결정이 길이 방향
으로 배향되어 길라 지기 쉬움.
¾
권취 : Pipe를 제품화하는 방법에는 크게 두 가지가 있음.
1) 권취기에 의해서 파이프를 감아 제품화 하는 방법. 이 방법은 성형된 Pipe
의 구경이 100mmΦ 이하의 경우에 사용됨.
2) 일정한 길이에 맞추어 직선형태로 절단을 하여 제품화하는 방법
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Elastic Phenomena

In previous chapter we found that modeling of many
processing flows was carried out using viscous constitutive eq.

Thus one did not need to introduce elasticity in developing
models for these flows

For elastic phenomena do indeed occur in most processes and
can sometimes play the dominant role in determining process
operation

We have already considered the coating, fiber spinning, and
etc where elastic effects are significant.

In this chapter we confine our attention to two elastic
phenomena (die swell and melt fracture) which affect the
extrudate from a die
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Die swell 과 용융체 파단
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Die Swell

The cross-sectional area of the extrudate will exceed
that of the die exit in viscoelastic fluid. This phenomena
is called “die swell”. χ = D j / D0

These seems to be general agreement that die swell is
an elastic stress relaxation phenomena. However, no
single theory of die swell seems to be generally
accepted.

One of them is recoverable shear, SR.
τ −τ
1
S R = 11 22 , χ = (1 + S R2 )1/ 6 by Tanner
2τ 12
2
This ratio of the primary normal stress difference to the
shear stress
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Die Swell

For Newtonian fluid, maximum die swell is 1.12

The lower value of 0.87 can be predict by theory, using a very simple
combination of mass and momentum balances.
R0
Mass balance( M / T ) : 2π ∫ ρ u z (r )rdr = ρU j
0
π D 2j
4
,
U j : velocity field flattened out
R0
Momnetum balance : 2π ∫ ρ u z 2 (r )rdr = ρU j
0
2
π
D
j
2
4
,
Dj
3
r 2
=
= 0.87
u z (r ) = 2U [1 − ( ) ], χ =
2
R0
D0
Power law fluid , χ =

Dj
D0
=(
2n + 1 1/ 2
)
3n + 1
For large Reynolds number, inertial effects dominate, and the theory
is in complete agreement with experience.
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Die Swell-parameter

L/D

Shear rate and thermal history
Isothermal : silicon oil at melt temp.
Frozen : into cold air
Annealed : in a silicon bath at a temp.
above Tm for 15min
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Die Swell-parameter

Temp and shear stress

Summary
1)
die swell increase with shear rate and shear stress
2)
Die swell decrease with L/D and processing temp.
3)
Thermal history affects die swell
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Die Swell-parameter

Molecular weight and MWD

분자량 2.12의 die swell이 가장 크게 나타남, 이것이 모순일까?
steady − state shear compliance J 0 , S R = J 0τ 12 , Molecular theory of Rouse, J 0 ≈ J R =
Experimetal studies of Graessley , J 0 =
2 M w M z M z +1
,
5 ρ RT M w 2
JR
2.2 J R
if M w exceeds several hundred thousand
=
1 + 2.1× 10−5 ρ M w 10−5 ρ M w
M M
2
1 M z M z +1
J 0 ≈ × 105 2
, J 0 increase with z 2z +1 ( MWD)
2
ρ RT M w
Mw
5
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Die Swell-summary

Die swell appears to be an elastic phenomena. Data do not
clearly indicate what elastic parameter is relevant. SR is not
sufficient to completely define die swell.

Experimental measurements of die swell are subject to
uncertainties due to incomplete relaxation of stresses.

Die swell appears to be a strong function of molecular weight
distribution.
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Die Swell-tubular extrusion

Two independent die swells can be defined.
¾
Diameter swell is given by the radius ratio
¾
Weight swell is given by the thickness ratio
RP
diameter swell =
R0
hP
weight swell =
h0
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Melt Fracture

Another extrudate phenomenon of considerable importance,
also believed to be an elastic “event” of some kind, is melt
fracture or, more generally, extrudate distortion.

Ripple(잔물결), bamboo(대나무), screw(helix), and melt fracture

Sharkskin or matte : fine-scale surface roughness
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Melt Fracture

Extrudate distortion is often accompanied by a fluctuation in
pressure in the reservoir (ripple and bamboo). : slip-stick

Slip-stick of HDPE and LDPE
HDPE : sharkskin
LDPE : wavy fracture
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Melt Fracture

Flow patterns of HDPE and LDPE

With branched polymer it is observed that fluid from the
vortices is periodically drawn down into the die, and the
streamlines waver from side to side. : wavy fracture
Linear PP does not show flow discontinuity.
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Melt Fracture

분자량과 임계전단응력과의 관계

Critical shear stress at which melt fracture occurred was
measured
τ cr
Tmesured
τ cr
2.7 ×108
108
linear polymers,
branched PE
= 1717 +
= 1317 +
Mw
Tmesured
Mw
S R at cr =
2.65
M z M z +1 / M w2
for polystyrene
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