복잡 유로 내에서의 고분자 용융체 및 배터리 슬러리의 유변 거동과 유동 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

현대의 화학 공정은 원료를 고부가가치 제품으로 전환하는 연속 공정을 기반으로 하며, 이 과정에서 유체의 유동 특성은 공정 효율과 제품 품질에 직접적인 영향을 미친다. 파이프, 믹서, 압출기와 같은 복잡한 유로에서 흐름을 정밀하게 제어하기 위해서는, 특히 고전단 영역에서의 점도 변화 등 비뉴턴 유동 특성을 포함한 유변학적 거동에 대한 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 비뉴턴 유체의 대표 사례인 고분자 용융체와 배터리 슬러리를 대상으로, 복잡 유로에서의 유변학적 거동을 규명하고 이를 공정 분석 및 품질 관리에 활용하기 위한 통합 연구를 수행하였다. 고분자 용융체는 전단박화(shear-thinning)와 강한 온도 의존성을 동시에 갖고 있으며, 압출 공정에서는 히터에 의한 열전달과 스크루 회전에 의한 점성 소산이 함께 발생하여 유동 예측이 어렵다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 전단 속도와 온도 의존성을 모두 반영한 데이터 기반 다변량 조각 보간(multivariate piecewise interpolation) 점도 모델을 개발하고, 유한요소법(finite element method, FEM) 기반 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)에 적용하였다. 2차원 채널 유동 해석 결과, 제안된 모델은 기존 점도 모델과 비교하였을 때 압력 강하 예측에서 10% 이상, 열경계층 두께 예측에서 약 4%의 차이를 보이며 비등온 조건에서 더 높은 예측 정확도를 나타냈다. 또한 전단 속도 분포가 넓은 3차원 단일 압출 유동 해석을 통해 점도 모델의 정확도가 평균 온도, 토출량, 속도 분포 등 공정 핵심 지표에 직접적인 영향을 미침을 확인하였다. 배터리 슬러리에 대해서는 실시간 유동 특성을 평가하기 위한 폐루프형 파이프 순환 시스템을 구축하였다. 유량과 압력 강하를 연속 측정함으로써 슬러리의 안정성과 내부 구조 변화를 인라인(in-line)으로 평가할 수 있도록 하였으며, 정적 믹서(static mixer)를 도입하여 분산 및 분포 혼합 성능을 향상시켰다. 구축된 시스템은 carboxymethyl cellulose (CMC) 고분자 용액의 구조 변화를 점도와 모듈러스 변화로 민감하게 감지할 수 있었고, 정적 믹서 도입 시 희석 시간이 약 28.6% 단축되는 것을 확인하였다. 또한 장시간 순환 조건에서도 입자 재분산이 유지되고 점도 변화가 억제되어 슬러리의 장기 안정성이 향상됨을 검증하였다. 본 연구는 복잡 유로 내 비뉴턴 유체의 거시적 흐름을 결정짓는 미세 구조 변화를 정량적으로 분석하기 위한 통합 분석 체계를 제시하였다. 특히 전산 모델 개발과 실시간 계측을 결합한 실시간 연속 공정(real-time continuous process) 기반 접근법은 고분자 및 배터리 산업에서 공정 최적화, 제품 품질의 균일성 확보, 공정 안정성 향상에 기여할 수 있는 지침을 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1 General introduction 1
• 1.2 Objective and outline of the thesis 4
• Ⅱ. Non-isothermal polymer melt flow using a multivariate piecewise interpolation model 5
• 2.1 Introduction 5
• 2.2 Problem statement 9
• 2.2.1 Viscosity models of polymer melt 9
• 2.2.2 Governing equations 14
• 2.2.3 Simulation set-up 17
• 2.3 Model validation and grid independence test 22
• 2.4 Results and discussion 25
• 2.4.1 Channel flow under the insulated wall boundary conditions 25
• 2.4.2 Channel flow under the heated wall boundary conditions 32
• 2.4.3 Application to single-screw extrusion 41
• 2.5 Conclusions 57
• Ⅲ. Real-time monitoring of anode slurry behavior in a closed-loop pipe system with static mixers 59
• 3.1 Introduction 59
• 3.2 Materials and methods 63
• 3.2.1 Sample preparation 63
• 3.2.2 Flow system setup 64
• 3.2.3 Rheological characterization 66
• 3.2.4 Microstructure observation 67
• 3.3 Results and discussion 68
• 3.3.1 System validation using a Newtonian fluid 68
• 3.3.2 Real-time monitoring of the CMC solution dilution process 74
• 3.3.3 Application to long-term stability of anode slurry 86
• 3.4 Conclusions 93
• Ⅳ. Concluding remarks 95
• Bibliography 97
• Abstract 107