고분자의 휘발분제거공정에서 기포성장에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 거품형성메커니즘에 의하여 고분자용융체로부터 휘발분을 제거하는 공정에서 기포가 성장하는 현상을 이론적으로 해석하였다. 휘발분제거공정에서의 기포성장을 이해하기 위하여 용매의 중기압, 확산, 기포핵형성, 기포성장이론에 관하여 이론적으로 검토하였다. 대상이 된 계를 polystyrene-styrene 계로 정하고 기포성장해석을 위하여 필요한 유변학적인 물성에 관하여 검토하였다. 기포성장문제를 구성하고, 지배방정식을 설정하였고, 이를 해석하기 위하여 지배방정식을 Lagrangian 좌표계에서의 식으로 변환하였다. 지배방정식을 무차원화 하는 과정에서 기존의 문헌에서 사용한 확산의 기준시간을 사용하지 않고 기준시간으로서 계에서 가장 짧은 Rayleigh 기준시간을 사용하여 관성과 점탄성의 역할이 용이하도록 하였다. Galerkin 유한요소법을 이용한 수치해법식을 이용하여 지배방정식의 해를 구하였다.
본 연구에서는 먼저 기포성장과정을 기포반경, 기포면의 속도, 기포압력, 기포면에서의 응력과 응력차를 통하여 검토하여 각 변수들이 시간에 따라 변하는 과정을 추적하여 물리적인 해석을 하였다. 기준변수 set을 정하고, 이를 중심으로 각 파라메터를 변화시키면서 관성, 탄성, 확산계수, 중기압, 표면장력, 초기조건 및 cell 크기의 역할을 파라메터연구를 통하여 검토하였다. 본 연구의 결과 기포성장의 초기에는 관성과 점탄성이 모두 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. 또한 유체의 탄성은 기포성장을 가속화시키는 것으로 나타났으며, 이는 Deborah 수가 클수록 점탄성응력의 성장이 지연되어 hoop stress로서의 작용이 작게 되기 때문으로 나타났다. 이러한 설명은 기포수축에서 탄성에 의하여 기포수축이 가속화되는 것과 같은 원리이었다. 한편 기포성장시 물질전달 저항이 크고, 유체의 탄성이 큰 경우 기포가 진동하면서 성장하는 것을 볼 수 있었다. 그러나 이러한 진동은 기포수축시 관성과 유체의 탄성에 의하여 생기는 진동과는 달리 물질전달저항과 유체의 탄성에 의하여 생기는 것으로 밝혀졌다.
실제 휘발분제거공정과 관련된 변수들을 사용하여도 기포성장을 연구하였다. 실제 조건에서는 변수들이 상당히 넓은 범위의 값을 갖는 것을 볼 수 있었으며, 실제 기포성장과정도 변수값들에 따라 정성적으로 다른 것을 볼 수 있었다. 특히 휘발분 농도가 작은 경우에는 물질전달저항이 초기 기포성장을 억제하는 가장 주된 요인이며, 휘발분 농도가 큰 경우에는 유체의 유변학적 특성이 초기 기포성장을 억제하는 가장 큰 요인임을 알 수 있었다.
휘발분제거공정은 산업적으로 대단히 중요한 공정이다. 기포성장에 관한 해석은 거품식 휘발분제거공정의 속도식(kinetics)에 해당하며 따라서 기기설계에 직접적으로 응용될 수 있다. 기포의 성장은 기본적으로 biaxial elongational flow이다. 현재 shear flow 또는 uniaxial elongational flow에 대한 자료에 비교하여 볼 때 biaxial elongational flow에 대한 자료는 거의 없는 실정이므로 본 연구의 결과는 polymer rheology에 대한 기본연구에서 constitutive equation의 검증을 위한 자료로도 사용될 수 있을 것으로도 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 요 약
• 1. 서 론
• 2. 휘발분제공정
• 3. 문제의 구성
• 4. Galerkin 유한요소법
• 5. 결과 및 토론
• 6. 연구결과 종합
• 7. 참고문헌