KR100666740B1 - 마이크로 믹서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 폴리머의 블렌드(blend, 혼합물) 및 컴퍼지트(composite, 합성물)의 혼합을 위한 마이크로 믹서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 보다 단순한 구조를 가짐으로써 조작ㆍ세척ㆍ관리가 용이하며 시료의 손실이 적고 혼합효율이 높은 마이크로 믹서에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 단순한 구조를 가지면서 동시에 혼합효율을 개선할 수 있는 마이크로 믹서를 제공함에 있으며, 따라서 본 발명의 마이크로 믹서는, 마이크로 믹서의 몸체 내부에 형성되는 한 쌍의 시료공, 상기 시료공 내부에 각각 삽입되어 왕복운동하는 한 쌍의 피스톤, 상기 한 쌍의 피스톤을 연결하는 전단채널, 몸체를 감싸는 형태로 된 가열밴드로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 몸체는 탈부착이 가능한 상부몸체와 하부몸체로 분리되는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 전단채널은 상기 상부몸체의 하단면 일측, 상기 하부몸체의 하단면 일측, 상기 상부몸체의 하단면과 상기 하부몸체의 하단면 양측 중에서 선택되는 하나의 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 어떤 경우에서든 상기 전단채널의 단면은 시료공의 단면보다 작은 것을 특징으로 한다.

마이크로 믹서, 마이크로 컴파운더, 혼합, 폴리머, 블렌드, 나노, 컴퍼지트

Description

마이크로 믹서 {Micro Mixer}

도 1은 종래의 믹서 중 한 형태인 CRBM의 개략적인 구성도.

도 2는 종래의 믹서 중 한 형태인 IBM의 개략적인 구성도.

도 3은 종래의 믹서 중 한 형태인 RCTSE의 개략적인 구성도.

도 4는 종래의 믹서 중 한 형태인 EFM의 개략적인 구성도.

도 5는 본 발명에 의한 EBM의 개략적인 구성도.

도 6은 180℃의 EBM에서 혼합된 PS/PE(8/2) 혼합물의 형상 관찰 사진.

도 7은 사이클(cycle)과 도 6으로부터 얻어진 평균 도메인 사이즈의 관계 그래프.

도 8은 사이클과 부피유속(voulmetric flow rate) Q의 관계 그래프.

도 9는 종래 기술에 의한 타 믹서들에 의해 혼합된 폴리머 혼합물들의 각 형상 관찰 사진.

도 10은 종래 기술에 의하여 만들어진 혼합물 형상 관찰 사진과 본 발명에 의하여 만들어진 혼합물 형상 관찰 사진 비교도.

도 11은 사이클 횟수와 혼합효율의 관계를 알아보기 위한 실험에 의해 만들어진 혼합물 단면들의 사진.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: CRBM(Cup and Rotor Batch Mixer)

110: 로터 111: 컵

120: 본체

121: 공동부 122: 가열밴드

200: IBM(Internal Batch Mixer)

210: 램

211: 회전날개 212: 삽입부

220: 본체

221: 공동부 222: 가열부

300: RCTSE(ReCirculating Twin Screw Extruder)

310: 스크류

320: 본체 321: 재순환채널

322: 삽입구 323: 공동부

324: 배출구 325: 배출밸브

400: EFM(Extensional Flow Mixer)

410: 회전날개 420: 본체

421: 삽입구 422: 공동부

423: 병목통로 424: 배출구

500: EBM(Extensional Batch Mixer)

510a: 제1피스톤 510b: 제2피스톤

520a: 상부몸체 520b: 하부몸체

521a: 제1시료공 521b: 제2시료공

522: 전단채널 523: 가열밴드

1000: 시료

본 발명은 고분자 폴리머의 블렌드(blend, 혼합물) 및 컴퍼지트(composite, 합성물)의 혼합을 위한 마이크로 믹서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 보다 단순한 구조를 가짐으로써 조작ㆍ세척ㆍ관리가 용이하며 시료의 손실이 적고 혼합효율이 높은 마이크로 믹서에 관한 것이다.

종래보다 개선된 특성이나 특수 목적에 맞는 특성을 가지는 새로운 물질은 많은 경우 폴리머 블렌드 및 컴퍼지트로 만들어진다. 조성물질과 조성비가 알려져 있는 물질을 대량생산하는 데 있어서는 트윈-스크류 압출기를 사용하는 것이 일반 적이다. 그러나, 새로운 특성을 갖는 물질을 만들기 위해서는 연구와 실험이 필요하며, 다양한 조성물질 및 조성비를 갖는 샘플을 다수 제작하는 과정이 반드시 수반되기 때문에, 제품 개발 단계에서 대량의 물질을 사용한다는 것은 큰 시간적ㆍ경제적 낭비가 아닐 수 없다. 특히, 공학용 플라스틱ㆍ카본나노튜브를 포함한 합성물과 같은 물질은 매우 고가인데, 재료물질의 반복적인 사용이 불가피한 실험 과정에서 이와 같은 고가의 물질이 대량으로 사용된다면 개발비용이 지나치게 높아지게 된다. 뿐만 아니라, 새로운 물질을 합성하는데 있어 중간과정으로서의 재료물질이 필요한 경우, 중간재료물질의 개발이 완료되지 않은 상태에서 최종물질을 개발한다는 것은 불가능하기 때문에 중간재료물질 역시 여러 실험을 통해서 만들어야만 하는데, 이런 경우 사용될 수 있을지의 여부가 불투명한 중간재료물질을 대량으로 만든다는 것은 대단한 낭비가 아닐 수 없다. 따라서 일반적으로 실험실에서는, 특성치를 측정할 수 있을 만큼만의 소량 물질(통상 0.5~10g)을 혼합할 수 있는 혼합기를 필수적으로 갖추어 사용하고 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다양한 형태로 상용화된 실험실용 소형 믹서들이 널리 사용되고 있다. 그 중 일반적으로 많이 사용되는 형태는 컵&로터 배치 믹서(Cup and Rotor Batch Mixer, 이하 CRBM으로 칭함)ㆍ인터널 배치 믹서(Internal Batch Mixer, 이하 IBM으로 칭함)ㆍ재순환 트윈스크류 압출기(ReCirculating Twin Screw Extruder, 이하 RCTSE로 칭함)가 있으며, 최근에는 익스텐셔널 유동 믹서(Extensional Flow Mixer, 이하 EFM)와 같은 제품도 생산되고 있다.

실험실용 소형 믹서는 하기의 조건들을 많이 만족시킬수록, 또한 각 조건에 대한 효율이 좋을수록 좋은 믹서로 평가될 수 있다.

1) 혼합효율이 높을 것(이 조건은 혼합에 걸리는 시간이 짧을 것을 포함함).

2) 혼합 가능한 시료량이 최소화될 것.

3) 혼합된 시료를 믹서에서 분리해내기 쉬울 것(즉, 상기 과정에서 시료의 손실이 적을 것).

4) 혼합에 의한 시료의 변질이 없거나 최소화될 것.

5) 혼합 후 믹서의 세척이 용이할 것(이 조건은, 다양한 실험을 빨리 수행할 수 있도록 하는 목적과 하나의 실험 후 다음 실험에서 이전 실험에서의 혼합물이 섞여 시료가 오염되지 않도록 하는 목적이 내포되어 있음).

그런데, 상기 나열한 상용 믹서들(CRBM, IBM, RCTSE, EFM)은 상기의 조건들을 모두 만족시키지 못하고 있다. CRBM은 그 구조와 운용이 간단한 반면 혼합효율이 매우 낮고, IBM은 CRBM에 비해서는 혼합효율이 좋은 편이나 시료가 변질될 가능성이 높을뿐더러 장비의 운용 및 세척이 어렵고 시료 손실이 많으며, RCTSE도 혼합효율은 좋으나 장비 운용ㆍ세척 및 시료 손실 면에서 열악한 성질을 보일 뿐 아니라 혼합 가능한 시료 최소량이 결정되어 있어 극소량을 혼합하는 것이 불가능하며, 가장 최근에 개발된 EFM은 만족스러운 혼합효율 성능을 보여주며 혼합 가능한 시료 최소량이 고정적으로 결정되지는 않는다는 장점이 있어 RCTSE의 단점을 보완하고는 있으나 RCTSE와 마찬가지로 장비 운용ㆍ세척 및 시료 손실 면에서의 단점은 전혀 보완하지 못하고 있다. 이와 같은 사정 때문에 당업자들 사이에서 상기의 목적들을 모두 만족할 수 있는 실험실용 소형 믹서의 개발이 꾸준히 요구되어 오고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단순한 구조를 가지면서 동시에 혼합효율을 개선할 수 있는 마이크로 믹서를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로 믹서는, 마이크로 믹서의 몸체(520) 내부에 형성되는 한 쌍의 시료공(521aㆍ521b), 상기 시료공(521aㆍ521b) 내부에 각각 삽입되어 왕복운동하는 한 쌍의 피스톤(510aㆍ510b), 상기 한 쌍의 피스톤(510aㆍ510b)을 연결하는 전단채널(522), 몸체(520)를 감싸는 형태로 된 가열밴드(523)로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 몸체(520)는 탈부착이 가능한 상부몸체(520a)와 하부몸체(520b)로 분리되는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 전단채널(522)은 상기 상부몸체(520a)의 하단면 일측, 상기 하부몸체(520b)의 하단면 일측, 상기 상부몸체(520a)의 하단면과 상기 하부몸체(520b)의 하단면 양측 중에서 선택되는 하나의 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 어떤 경우에서든 상기 전단채널(522)의 단면은 시료공(510aㆍ510b)의 단면보다 작은 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 마이크로 믹서를 첨 부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 종래의 믹서 중 한 형태인 CRBM(Cup and Rotor Batch Mixer, 100)의 개략적인 구성도이다. 로터(rotor, 110)가 원통형의 본체(120) 중앙에 난 공동부(121)에 삽입되며, 공동부(121) 하단부에는 시료(1000)가 수용되는 컵(111)이 삽입된다. 먼저, 상기 공동부(121) 하단부의 컵(111)에 시료(1000)를 담고, 본체(120)를 둘러싸는 형태로 구비되어 있는 가열밴드(122)를 사용하여 가열한다. 상기 가열밴드(122)에 의해 시료(1000)가 용융되어 액체 상태가 되면 상기 로터(110)를 도 1에 표시된 바와 같이 회전시키면서 하향이동하는데, 회전하고 있는 상기 로터(110)의 하단면과 시료(1000)가 접촉함으로써 액체 상태의 시료(1000)가 전단 유동(shear flow)을 하게 되어 혼합이 이루어진다.

CRBM(100)은 도시된 바와 같이 매우 간단한 구성으로 되어 있으며, 시료(1000)를 담는 컵(111)이 따로 구비되어 있기 때문에 혼합이 끝나면 로터(110)를 상향이동시킨 후 공동부(121)에서 컵(111)을 꺼내기만 하면 시료(1000)를 쉽게 분리할 수 있으므로, 시료의 분리와 장비의 운용 및 세척이 매우 용이하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 용융된 시료(1000)를 혼합함에 있어 단지 전단 유동만이 사용되기 때문에 시료의 양이 많아질수록 혼합이 잘 이루어지지 않아서, 시료(1000)를 완전히 혼합하기 위해서는 CRBM(100)을 장시간 작동시켜야 하므로 혼합효율이 매우 낮을 뿐만 아니라 장시간의 혼합으로 인하여 시료가 변질될 가능성이 높아진다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 이와 같은 단점을 해소하기 위하여 강체 구슬을 상 기 CRBM(100)에 추가하는 등의 연구가 수행되었으나, 상기와 같은 방법을 사용하여도 역시 충분히 혼합되기 위해서는 장시간의 혼합이 요구되어 상기 단점들(낮은 혼합효율, 시료 변질가능성 존재)을 충분히 해소할 수 없음이 실험적으로 밝혀졌을 뿐만 아니라, 상기와 같은 추가 구성으로 인하여 오히려 시료의 분리 및 장비 세척이 어려워지는 새로운 단점이 발생하였다. 따라서 CRBM(100)을 기반으로 하여 개선된 성능의 장비를 개발한다는 것은 바람직하지 못하다.

도 2는 종래의 믹서 중 한 형태인 IBM(Internal Batch Mixer, 200)의 개략적인 구성도이다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 IBM(200)은 본체(220) 내부에 수평으로 누워 있는 형상으로 된 1쌍의 원통형 공동부(221) 내에서 회전하는 1쌍의 회전날개(211)를 포함하여 구성된다. 삽입부(210)를 이용하여 시료(1000)를 공동부(221)에 삽입하고, 가열부(222)를 사용하여 시료(1000)를 용융시킨다. 시료(1000)가 용융되어 액체 상태가 되면, 램(ram, 210)을 돌려 공동부(221) 내부의 회전날개(211)를 회전시킴으로써 시료(1000)를 혼합한다. 부분사시도에 도시된 바와 같이 회전날개(211)는 매우 복잡한 3차원 형상을 가지고 있기 때문에, 회전날개(211)의 회전에 의해 단순한 형태의 유동이 아니라 콤플렉스 유동(complex flow)이 발생되며, 따라서 시료(1000)의 혼합은 매우 잘 이루어지게 되어 혼합효율이 매우 개선된다. 실제로 현재 현장에서 가장 많이 사용하고 있는 것은 IBM(200)이라는 사실이 잘 알려져 있다.

그러나, 회전날개(211)의 복잡한 3차원 형상은 혼합효율을 개선시키기는 하 지만 당연하게도 장비의 운용ㆍ세척 및 시료의 분리를 매우 어렵게 하는 요인이다. 일반적으로 잘 훈련된 오퍼레이터가 IBM(200)을 사용하여 한 번 시료를 혼합/제거(분리)/세척하는데 30분 정도의 시간이 소요되는 것으로 알려져 있다. 또한, 회전날개(211)로부터 혼합된 시료(1000)를 분리해내는 과정에 있어, 회전날개(211)의 복잡한 형상 때문에 분리하는 데 걸리는 시간 즉 혼합된 시료(1000)가 공기와 직접적으로 접촉하는 시간이 길어짐으로 인하여 산화가 일어나 혼합된 시료(1000)가 손상되는 현상을 막을 수 없다. 뿐만 아니라 현재까지의 연구와 실험에 의하면, IBM(200)은 상기 공동부(221)의 용량의 절반 이하 양의 시료를 혼합하게 될 때 그 혼합효율이 급격하게 떨어진다는 사실이 잘 알려져 있다. 따라서, IBM(200) 공동부(221) 용량에 실험할 시료(1000)의 양을 맞추어야 한다는 불편함이 있다.

도 3은 종래의 믹서 중 한 형태인 RCTSE(ReCirculating Twin Screw Extruder, 300)의 개략적인 구성도이다. RCTSE(300)는 본체(320) 내부에 원뿔형의 공동부(323)가 형성되어 있고, 1쌍의 스크류(310)가 상기 공동부(323)에 삽입된다. 공동부(323)에는 좁은 재순환채널(321)이 구비되어 있다. 본체(320) 상부에 형성된 삽입구(322)로 시료(1000)를 투입하면, 상기 1쌍의 스크류(310)에 의해 콤플렉스 유동이 발생하면서 시료(1000)가 하단으로 이동함에 따라 혼합이 일어나게 되는데, 공동부(323) 맨 하단에 도달한 시료(1000)는 재순환채널(321)을 통해 다시 공동부(323) 상단으로 이동했다가 재순환채널(321)을 빠져나오면 다시 스크류(310)에 의해 하단으로 이동하면서 혼합이 일어난다. 혼합이 끝나면 본체(320) 하단에 구비된 배출밸브(325)가 개방되고, 공동부(323) 내부의 시료(1000)가 배출구(324)를 통하여 배출된다.

RCTSE(300)는 앞서 설명한 CRBM, IBM과 비교하여 혼합효율 측면에 있어서 우수한 성능을 보여주고 있으며, 시료(1000)의 분리와 장비 자체의 세척도 IBM에 비교하여 보다 간단하기 때문에, 종래에 많이 사용되어 왔던 IBM 대신 RCTSE(300)의 사용점유율이 높아져 가고 있다. 그러나 RCTSE(300)의 치명적인 단점은, 상기 재순환채널(321)의 부피용량보다 적은 양의 시료(1000)를 사용하면 혼합효율이 급격히 떨어진다는 데 있다. 현재 생산되고 있는 RCTSE(300)는 재순환채널(321)의 부피용량이 2.0cc와 1.5cc로 되어 있다. 즉, RCTSE(300)를 사용하여 실험을 할 경우 시료의 부피가 최소한 1.5cc를 넘어야만 한다. 이와 같은 사실은 앞서 설명되었던 문제, 즉 특성치를 측정할 수 있을 만큼만의 최소량의 재료물질을 사용할 수 있어야 한다는 조건을 만족시키지 못하므로 RCTSE(300)가 경제적으로 불리한 특성을 가진다는 점을 시사한다.

도 4는 종래의 믹서 중 한 형태인 EFM(Extensional Flow Mixer, 400)의 개략적인 구성도이다. EFM(400)은 가장 최근에 개발된 형태의 믹서로서, RCTSE(300)가 혼합가능한 시료의 최소량 한계가 정해져 있다는 단점을 극복하면서 좋은 혼합효율 성능을 보여준다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 본체(420)의 삽입구(421)를 통해 공동부(422)에 시료(1000)가 투입되면, 1개의 스크류(410)에 의해 시료(1000)가 하향이동하면서 1차로 혼합된 후, 익스텐셔널 유동을 발생시키는 병목통로(423)를 통과하면서 2차로 혼합되어 배출구(424)를 통해 배출된다. 1차 혼합의 효율은 1개의 스크류(410)를 사용하는 만큼 RCTSE보다 떨어지나, 다수 개의 병목통로(423)를 통과함으로써 발생되는 수렴 및 발산 유동(converging and diverging flow)가 혼합효율을 상당히 개선시켜 결과적으로는 RCTSE보다 개선된 혼합효율을 보일 수 있다.

그러나 여전히 장비의 운용ㆍ세척, 시료의 분리 면으로의 근본적인 개선은 전혀 이루어지지 않고 있다.

도 5는 본 발명에 의한 익스텐셔널 배치 믹서(Extensional Batch Mixer, 이하 EBM으로 칭함)의 개략적인 구성도이다. 도시되어 있는 바와 같이, EBM(500)은 매우 단순한 구조를 가지고 있다. 본체는 상부몸체(520a)와 하부몸체(520b)로 나뉘어 있으며, 상부몸체(520a)에는 좁은 전단채널(522)로 연결된 원통형의 제1ㆍ제2시료공(521aㆍ521b)이 형성되어 있어 각각 제1ㆍ제2피스톤(510aㆍ510b)이 삽입될 수 있게 되어 있다. 상기 상부몸체(520a) 및 하부몸체(520b)는 분리가능하게 되어 있는 것이 바람직하다. EBM(500)의 작동원리는 다음과 같다. 먼저 제1시료공(521a)에 시료(1000)가 담겨진 후 가열밴드(523)를 사용하여 시료(1000)가 용융되면, 제1피스톤(510a)이 상기 용융된 액체 상태의 시료(1000)에 일정한 압력을 가하면서 하향이동한다. 그러면 시료(1000)는 전단채널(522)을 통하여 제2시료공(520b)으로 이동하게 되는데, 이 과정에서 익스텐셔널 유동(extensional flow)의 대표적인 형태인 수렴 및 발산 유동(converging and diverging flow)이 발생한다. 제2피스톤(510b)은 전단채널(522)을 통하여 제2시료공(521b)으로 유입되는 액상의 시료(1000)가 발 생시키는 압력으로 인하여 상향이동하게 된다. 제1피스톤(510a)이 제1시료공(521a)의 최하단에 도달하여 하향이동을 멈추면, 이번에는 제2피스톤(510b)이 역시 일정한 압력으로 하향이동하게 되며, 모두 제2시료공(521b)으로 유입되었던 시료(1000)가 다시 전단채널(522)을 통과하여 제1시료공(521a)으로 이동하게 된다. 상기와 같은 과정이 반복적으로 일어나게 되는데, 전단채널(522)을 통과할 때마다 발생하는 강한 익스텐셔널 유동에 의하여 시료(1000)의 혼합효율은 매우 높아진다.

상기 과정을 적절한 횟수만큼 반복한 후에는, 제1ㆍ제2피스톤(510aㆍ510b)의 동작을 멈춘 다음 분리가능하게 형성된 하부몸체(520b)를 분리시키고, 상기 제1ㆍ제2피스톤(510aㆍ510b) 모두를 하향이동시키면, 제1ㆍ제2시료공(521aㆍ521b) 내에 들어있는 시료(1000)가 모두 배출된다.

EBM(500)의 구조는 앞서 설명되었던 CRBM, IBM, RCTSE, EFM 모두에 대하여 완전히 상이하면서도 훨씬 단순하다. 상기 전단채널(522)은 매우 좁게 형성되어 있으나, 상부몸체(520a) 하단면 또는 하부몸체(520b) 상단면 중 일측에만 음각으로 형성되거나 양측에 전단채널(522)의 절반씩이 음각으로 형성되도록 함으로써, 상부몸체(520a)와 하부몸체(520b)가 분리될 때 전단채널(522)의 내부가 완전 노출됨에 따라 전단채널(522) 내부에 남아 있는 시료(1000)도 전혀 손실되지 않는다. 이와 같은 단순한 구조는, 장비의 운용과 세척을 매우 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 시료의 분리를 쉽게 함으로써 손실을 최소화할 수 있게 해 준다.

또한, 혼합을 위해 발생시키는 주 유동으로써 대부분 전단 유동(shear flow)를 사용하는 타 믹서들과 전혀 상이하게, 본 발명에 의한 EBM(500)은 강력한 익스 텐셔널 유동(extensional flow)를 주 유동으로 사용함으로써 혼합효율을 증대시킨다. 뿐만 아니라, 혼합과정에 있어서 상기 제1ㆍ제2시료공(521aㆍ521b) 내에서의 유동이 혼합을 위한 주 유동으로 사용되는 것이 아니라, 시료(1000)가 제1시료공(521a) 또는 제2시료공(521b)으로 이동하면서 전단채널(522)로 유입되거나 배출될 때 발생하는 유동이 혼합을 위한 주 유동으로 사용되기 때문에, 제1ㆍ제2시료공(521aㆍ521b)의 용량 및 시료(1000) 양의 상대적 크기는 혼합효율에 아무런 영향을 주지 못하며, 따라서 시료(1000) 사용량을 최소화할 수 있게 해 준다.

실제 실험 결과를 보면 본 발명에 의한 EBM의 성능이 타 믹서들에 비하여 월등하다는 것을 확인할 수 있다. 본 실험에서 사용된 시료는 다음과 같다.

■폴리스티렌(이하 PS 라고 칭함)

-제조사: Cheil Industries Inc.

-제품명: HF2660

-M_n=120,000g/mol

■폴리에틸렌(이하 PE 라고 칭함)

-제조사: Dow Chemical Company

-제품명: EG8150

-Melt Flow Index=0.5g/10min

■폴리프로필렌(이하 PP 라고 칭함)

-제조사: SK corporation

-제품명: R900Y

도 6은 180℃의 EBM에서 혼합된 PS/PE(8/2) 혼합물의 형상 관찰 사진이며, 도 7 및 도 8은 각각 사이클(cycle)과 상기 마이크로그래프로부터 얻어진 평균 도메인 사이즈의 관계 그래프 및 사이클과 부피유속(voulmetric flow rate) Q의 관계 그래프이다. (Q는 실험과정 중에 촬영한 동영상 분석에 의해 측정되었다.) 여기에서 한 사이클이란 폴리머 용융액이 하나의 시료공으로부터 전단채널을 통과하여 다른 시료공으로 완전히 흘러드는 것을 칭하는 것이며, 즉 두 사이클이 지나면 폴리머 용융액은 최초의 시료공으로 되돌아오게 된다. 먼저 도 7을 보면, 최초에 ㎜ 단위 크기였던 PE 영역은 겨우 24초에 해당하는 16사이클 만에 1㎛ 미만으로 줄어든다. 이후의 실험에서 다시 언급되겠지만, 다른 혼합기들과 비교하여 EBM에 의해 혼합될 때 PE 영역의 감소는 극적으로 빠르게 진행된다. 또한 도 8에 도시된 바와 같이, 유속은 20.3초에 상응하는 10사이클까지 빠르게 증가하고, 이후로는 거의 상수값을 유지한다. 이러한 유속의 증가는 최초의 과도기 영역(transient stage)에서의 폴리머 용융액 온도 변화에 기인한 것이다. 폴리머 용융액이 완전히 용융될 때까지 단지 20.3초밖에 걸리지 않으며, 76초에 해당하는 100사이클 후 형상에의 변화는 더는 없을 만큼 혼합이 완료된다(도 7 참조). 이와 같은 성능 개선 효과는 그래프뿐만이 아니라 도 6에 보인 바와 같이 형상 관찰(morphological observation) 사진만으로도 알 수 있다.

하기의 표는 본 발명에 의한 EBM과 타 믹서들의 혼합효율을 비교하기 위한 실험의 결과를 정리한 것이다. 본 실험에 사용된 실험장비들은 다음과 같으며, 모두 상용 제품들이다. 또한 상기 EBM에서의 실험과 똑같이 PS/PE(8/2)의 혼합을 수행하였다.

■IBM: Brabender Plasticoder

■CRBM: MiniMax™

■RCTSE: Micro Compounder (made by DSM Reseach)

■EBM: 본 발명에 의한 마이크로믹서

믹서	혼합시간(분)	시료량(g)	혼합속도(rpm)	Dn(㎛)	사진번호
CRBM	20	0.5	128	4.4 × 1.80	도 9A
IBM	7	20	50	3.4 × 0.92	도 9B
	7	20	100	2.5 × 0.79	도 9C
RCTSE	7	2	100	2.5 × 0.99	도 9D
	7	3	100	2.2 × 0.88	도 9E
	7	4	100	1.9 × 0.77	도 9F
EBM	1.4	5	-	0.75 × 0.27	도 6의 66 사이클과 유사
	2.8	5	-	0.74 × 0.29	도 6의 130 사이클과 유사

상기 표에서도 알 수 있듯이, 타 믹서들이 7분 내지 20분에 걸쳐 혼합하였을 때 도메인 사이즈가 2㎛ 내지 4㎛ 정도의 크기가 되는 정도의 성능을 보인 것에 반해, 본 발명에 의한 EBM은 타 믹서 최소 혼합시간인 7분의 1/5인 1.4분 만에, 타 믹서 최소 도메인 사이즈인 1.9㎛의 40% 정도인 0.75㎛까지 도메인 사이즈를 줄이는 놀라운 성능 개선 효과를 보이고 있다. 도 9는 상기 실험에 의한 각 형상 관찰(morphological observation) 사진들이다. CRBM은 단지 순수 전단 유동만을 발생시키기 때문에, 도 9A에서 보이는 바와 같이 혼합효율은 매우 낮으며, 본 연구에서 사용한 모든 혼합기들 중에서 평균 영역 사이즈도 4.4㎛로 가장 크다. 또한, 사이즈 분포도 가장 넓게 분포되어 있다는 것은 주목할 만한데, 이것은 CRBM에서 혼합 되는 과정에서 유착 현상이 일어난다는 것을 보여주고 있다.

IBM에서 혼합된 혼합물의 형상(도 9B: 50rpm, 9C: 100rpm)은 CRBM에서의 형상보다는 보다 얇게 나타나며, 분산 영역의 사이즈 분포로 보다 좁게 나타난다. 100rpm으로 혼합한 혼합물의 입자 사이즈 평균은 50rpm으로 혼합했을 때보다 아주 약간 작아지는데, 이런 현상은 일관되게 나타나며(즉 회전 속도를 증가시켜도 혼합 효율이 좋아지는 정도는 별로 크지 않으며) 이에 대하여 U. Sundararaj와 C. W. Macosko에 의해 이미 설명된 바 있다(Macromolecules, 28, 2647 (1995)).

RCTSE에서 혼합된 혼합물의 형상은 IBM에서의 혼합물 형상과 비슷한 양상을 보인다. 1, 2, 3, 4g씩(각각 1.1, 2.2, 3.3, 4.4cc의 부피에 해당) 용량을 달리 해 가면서 4번의 실험을 수행하였는데, 일단 1g의 시료가 수용되는 경우 혼합과정이 아예 불가능하다. 실험에 사용될 재료 물질의 부피가 재순환 채널의 부피보다 작은 경우, 폴리머 용융액의 순환이 일어나지 않는 대신, 물질은 재순환 채널 내부에 박혀버린다. 재료 물질의 부피가 재순환 채널의 부피보다 약간이라도 크면 혼합효율은 도 9D, 도 9E 및 도 9F에서 보이는 바와 같이 좋게 나타난다. 평균 입자 크기는 일단 한 차례 폴리머 용융액의 순환이 일어나면 별로 달라지지 않으며, 시료의 양과도 큰 관계가 없다. RCTSE로 혼합된 혼합물의 평균 입자 사이즈와 사이즈 분포는 재순환이 가능할 경우 IBM에서의 결과와 비슷하다. 이 때, 재순환 채널의 부피는 제작에 따라 달라지는데, 상용화된 두 제품 즉 ThermoHaake 사의 제품과 DSM Research 사의 제품에서의 재순환 채널 부피 용량은 각각 2.0cc와 1.5cc이다. 따라서 RCTSE는 시료의 양이 매우 적은 경우(예를 들어 2cc 미만)에는 사용할 수 없다 는 한계가 있다.

모든 혼합기들과 비교하여 볼 때, EBM은 보다 고운 형상과 보다 좁은 입자 사이즈 분포를 보여주고 있다. (도 6에서 66사이클은 약 50초(0.83분)로 상기 표에서 1.4분일 때와, 또한 도 6에서 130사이클은 약 99초(1.65분)로 상기 표에서 2.8분일 때와 각각 유사한 양상의 형상 사진을 보일 것으로 예측할 수 있다.) 도 6의 사진들은 모두 3000배 확대 사진이며, 도 9의 사진들은 1000배 확대사진으로, 도 9에서 가장 혼합효율이 좋은 도 9F와 도 6에서 130사이클 사진을 비교하였을 때(도 10) 도 6에 보인 EBM의 혼합효율이 더욱 우수하다는 것을 육안으로도 확인할 수 있다. 이것은 EBM이 가장 강한 익스텐션 유동을 발생시켜 주기 때문이다. EBM을 제외한 다른 믹서에서는 모두 전단 유동이 혼합 시 사용되는 주 유동이 되도록 설계되어 있다. 그러나 EBM에서는 익스텐션 유동이 혼합 시 사용되는 주 유동이 되며, 전단 유동은 단지 짧은 전단 채널에서만 주 유동으로 작용한다. 그러므로 다른 믹서에 비해 유착이 발생할 가능성은 훨씬 줄어들면서도 보다 얇고 균일한 형상의 혼합물이 만들어질 수 있음으로써, 타 믹서에 비하여 EBM은 매우 효과적인 혼합기라는 점을 알 수 있다.

EBM의 혼합성능 효과를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다. 먼저, 착색되지 않은 실린더 블록(길이 20mm, 지름 12mm, PP재질, 흰색)을 시료공의 아래쪽에 수용시키고 착색된 실린더 블록(검은색 탄소 0.5wt.%로 착색된 PP)를 그 위에 수용시킨다. 몇 분이 지나면 혼합을 위해 피스톤에 일정한 압력이 가해진다. 미리 설정된 횟수의 사이클이 완료되면, 유압 펌프와 전기 히터가 꺼지며, 그에 따 라 폴리머가 굳어진다. 굳어진 PP 실린더를 시료공으로부터 꺼내어 축방향을 따라 반으로 쪼갠다. 도 11은 상기와 같은 실험방법에 의하여 만들어진 단면들의 사진이며, 표시되어 있는 숫자는 사이클 횟수를 나타낸다. (3, 5, 15사이클에서 보이는 작은 흑백의 점들은 굳는 과정에서 생겨난 공동(기포)으로, 섞이지 않은 PP가 아니다.) 최초에는 분리되어 있었던 흰색과 검은색의 PP가 사이클 횟수가 많아짐에 따라 점점 혼합되어 가는 것을 관찰할 수 있다. 5사이클이 지난 후에 흰색은 거의 보이지 않는다. 흰색 PP는 원래 아래쪽에 수용되어 있었으며 1사이클이 지난 후 검은색 PP가 흰색 PP를 둘러싸는 형태가 되었음은 주목할 만하다. 이것은 시료공 내부에서 일어난 콤플렉스 유동의 영향이다. Sombatsompop et al.(Macromolecules, 28, 2647 (1995))에 의해 관찰된 바와 같이, 시료공의 중심을 따라 하향으로 큰 마찰력이 작용하여 속도 프로파일(velocity profile)이 파라볼릭(parabolic)하게 나타나게 되며, 그 결과 시료공의 중심부에 있는 검은색 PP는 아래쪽으로 스며들어 흰색 PP를 덮치게 되므로 결국 흰색 PP를 둘러싸게 된다. 또한, 단지 두 사이클이 지났을 뿐인데도 흰색과 검은색의 다중 레이어가 만들어진다는 사실에 주목할 만하다. 이 다중 레이어는 피스톤 근처 유동에 의해 접혀지는 영향에 의해 생겨난다. Sombatsompop et al.(Polym. Eng. Sci., 37, 270 (1997))이 관찰한 바에 의하면 피스톤 끝단 표면 근처의 물질은 시료공 벽면 쪽에서 피스톤 단부 표면을 가로지르는 방향으로 쓸려나가서 시료공의 중심 쪽으로 이동하게 된다. EBM의 근본적인 혼합 메카니즘은 이와 같은 수렴 유동에 의한 늘림과 피스톤 끝단 근처의 콤플렉스 유동에 의한 접힘이다. 폴리머 혼합물의 계면 영역 증가에 가장 영향을 끼치는 것 중 하나는 이 계면의 늘림과 접힘인 것이다. 결과적으로, EBM은 배분적(disperse) 및 분산적(distributed) 혼합효율 모두에 있어서 매우 뛰어난 성능을 보여준다는 것을 관찰할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 상기 실험 결과로 증명되듯이 종래의 믹서들과 비교하여 보다 짧은 시간 내에 높은 혼합효율을 보이는 효과가 있다. 또한, 장비의 용량이 혼합 가능한 시료의 양에 전혀 영향을 미치지 않기 때문에 실험자가 원하는 만큼의 최소 시료 분량만을 사용하는 것이 가능하여 근본적인 경제적 이득을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 EBM은 매우 단순한 구조를 취하고 있음으로써 혼합된 시료를 분리하는 작업이 매우 용이하다는 장점을 가지고 있으며, 혼합을 위한 주 유동으로서 익스텐셔널 유동을 사용하기 때문에 짧은 혼합시간으로 충분한 혼합효율을 낸다는 장점을 가지고 있는데, 상기 두 가지 특징으로부터 각각 혼합된 시료를 장비에서 분리해내는 데 걸리는 시간(즉 공기 등과 같은 외부 환경의 직접 접촉 시간) 및 혼합 과정에 걸리는 시간을 줄임으로써 시료의 변질 가 능성을 원천적으로 제거하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, EBM의 단순한 구조는 한 번의 실험 후 다음 실험 시 이전 실험에서의 시료 찌꺼기가 섞이지 않도록 행해지는 장비의 세척 작업을 매우 용이하게 해 주어서, 실험 시 시료의 오염 가능성을 완전히 배제하는 효과를 가지고 있다.

Claims (4)

1. 고분자의 블렌드 및 나노컴퍼지트의 혼합을 위한 마이크로 믹서에 있어서,

   마이크로 믹서의 몸체(520) 내부에 형성되는 한 쌍의 시료공(521aㆍ521b), 상기 시료공(521aㆍ521b) 내부에 각각 삽입되어 왕복운동하는 한 쌍의 피스톤(510aㆍ510b), 상기 한 쌍의 피스톤(510aㆍ510b)을 연결하는 전단채널(522), 몸체(520)를 감싸는 형태로 된 가열밴드(523)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 몸체(520)는 탈부착이 가능한 상부몸체(520a)와 하부몸체(520b)로 분리되는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 전단채널(522)은 상기 상부몸체(520a)의 하단면 일측, 상기 하부몸체(520b)의 하단면 일측, 상기 상부몸체(520a)의 하단면과 상기 하부몸체(520b)의 하단면 양측 중에서 선택되는 하나의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 전단채널(522)의 단면은 시료공(510aㆍ510b)의 단면보다 작은 것을 특징으로 하는 마이크로 믹서.

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