바이오매스 소재 적용 용융 방사 노즐의 설계 분석 = Design Analysis of Melt Spinning Nozzles for Biomass Polymer Materials

국문 초록 (Abstract)

기후 위기에 대한 국제적 대응과 탄소중립 사회로의 전환 요구가 전 산업군에 걸쳐 빠르게 확산되고 있다. 섬유 산업은 에너지 소비가 많으며 석유 기반의 고분자 소재의 사용 비율이 매우 높아 탄소 배출의 요인으로 환경오염 측면에서 개선이 시급한 분야로 환경 영향을 줄일 수 있는 대안으로 재활용, 생분해성, 바이오매스 기반 친환경 소재의 적용이 필요하며 산업계와 학계에서 활발한 연구가 선행되고 있다. 특히 바이오매스 기반 소재의 경우 기존 석유계 소재에 비해 화학적 조성과 물성이 약하기 때문에 단순한 소재 변경으로 동일한 품질과 생산성을 확보하기 어렵다는 한계점이 있다. 특히 섬유 생산의 핵심 공정인 용융방사(melt spinning) 공정에서 원료의 점도, 유동성, 열적 특성 등으로 압출, 냉각, 연신, 권취 등 모든 공정에서 조건에 따라 물성 변화가 다양하게 변화되어 최적화 연구가 필요하다. 용융방사 공정 중 스핀팩의 마지막에 위치한 노즐(spinneret)의 경우 원사의 단면 형태, 굵기, 균일성 등을 결정짓는 핵심 요소로 바이오매스 소재의 변화에 직접적으로 영향을 받는 구조이다. 본 연구는 SK케미칼의 석유계 열가소성 폴리에스터 엘라스토머(TPEE)인 G155DW를 사용하던 기존 용융 방사 공정을 바이오매스 기반 대체 소재 ECO155D로 전환하는 과정에서 노즐 설계 변경이 공정 안정성 확보에 어떤 영향을 미치는지를 실험적으로 분석하였다. 특히 ECO155D는 낮은 MFR(Melt Flow Rate, 용융흐름지수)과 높은 점도를 가지며 이는 석유계 소재보다 흐름성이 떨어지고 압출 압력 조건의 민감도를 증가시킨다. 따라서 기존 G155DW용 12홀 노즐 구조를 ECO155D 특성에 맞게 6홀 구조로 변경하고 유로 설계, 길이/지름비(L/D), 열분포 등의 요소를 조정하여 방사 품질에 어떤 변화가 나타나는지를 평가하였다. CAE(Computer Aided Engineering) 시뮬레이션과 실제 방사 실험 결과를 통해 6홀 노즐은 다음과 같은 효과를 보였다. 첫째 열 분포의 균일성이 향상되어 노즐 전체의 압출 안정성이 높아졌으며 둘째 방사 시 원사의 표면 품질이 개선되고 기포 형성이 줄어드는 경향이 관찰되었다. SEM 분석으로 바이오 소재의 원사 단면 조직의 균제도가 우수한 점을 확인하고 UTM 실험으로 인장 시험으로 원사의 신율 및 강도를 확보할 수 있었다. 이는 점도가 높은 바이오 소재를 용융방사 공정의 경우에 공정 조건을 적절히 반영하고 핵심 부품을 최적화로 기존 석유계 소재와 유사한 수준의 용융방사 품질을 확보할 수 있다는 실증적 결과로 분석된다.
결론적으로 본 연구는 단순한 바이오 기반 소재 적용을 넘어서 스핀팩의 노즐 설계 기반이 공정 최적화를 위한 단순한 조치로 평가 될 수 있으나 친환경 섬유 제조 변화에 있어 필요한 공정 설계 지침으로 확인된다. 특히 석유계 소재와 유사한 물성을 가지면서도 환경 영향을 줄일 수 있는 바이오 소재 기반을 실제 양산 공정에 적용하려는 산학연의 유용한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한 본 연구 결과는 향후 멀티필라멘트 용융 방사 공정의 대규모 양산 공정 확장에 있어 참고 가능한 기반 데이터를 제공하며 “2030 친환경 소재 전환”을 목표로 하는 섬유 분야의 수요처의 대응 및 탄소 저감형 섬유 산업 전환이 가능하게 한다는 점에서 크게 기여되는 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 기존 소재와 바이오 소재의 특성 비교 3
• 1.3 용융 방사 공정에서의 노즐 설계의 중요성 6
• 1.4 연구의 목적과 구성 10
• 제 2 장 이론적 배경 및 선행연구 12
• 2.1 용융 방사 공정 개요 및 장비 구성 12
• 2.2 스피너릿(노즐) 설계 변수와 유동 특성 15
• 2.3 TPEE 물성 및 유변학 18
• 2.4 SKYPEL G155DW와 ECO155D 개요 및 환경적 의의 21
• 2.5 섬유 방사용 노즐의 CAD/CAE 선행연구 검토 23
• 2.6 연구의 차별성 및 기여 25
• 제 3 장 재료 및 방법 27
• 3.1 재료 개요 27
• 3.1.1 SKYPEL G155DW (석유계) 27
• 3.1.2 SKYPEL ECO155D (바이오 기반) 28
• 3.2 실험/해석 장비 및 조건 29
• 3.2.1 용융 방사 공정 장치 29
• 3.2.2 방사 노즐 설계 및 해석 31
• 3.3 실험 설계 33
• 3.3.1 공정변수(온도, 유량, 권취속도, 냉각) 33
• 3.3.2 응답변수(섬유 직경, 편차, 인장물성 등) 35
• 3.3.3 통계 분석 방법 36
• 3.4 분석 및 측정 방법 37
• 3.4.1 주사전자현미경(SEM) 관찰 37
• 3.4.2 인장 특성 평가 (UTM) 38
• 제 4 장 결 과 39
• 4.1 TDS 기반 물성 비교 결과 (G155DW vs ECO155D) 39
• 4.2 노즐 구조해석(12홀 vs 6홀) 비교 결과 41
• 4.3 용융방사 비교 실험 결과 49
• 4.4 섬유 물성 및 미세구조 분석 결과 52
• 제 5 장 결론 및 향후 연구 58
• 5.1 결론 요약 58
• 5.2 설계 지침(권장 사양 및 조건) 59
• 5.3 후속 연구 제안(스핀블록) 59