에폭시 수지 제조 공정에서의 인라인 점도 모니터링

1.2 배치 생산 공정과 연속 생산 공정의 비교

에폭시 수지 제조에서 배치 생산 방식과 연속 생산 방식은 각각 뚜렷한 장단점을 가지고 있으며, 이는 점도 제어 요구 사항에 근본적인 차이를 가져옵니다. 배치 생산 방식은 원료를 반응기에 일정한 배치 단위로 투입하여 일련의 화학 반응과 열 교환을 거치게 하는 방식입니다. 이 방식은 소규모 생산, 맞춤형 배합 또는 다양한 제품을 생산하는 데 적합하며, 특정 특성을 가진 특수 수지를 유연하게 생산할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 배치 생산 방식은 수작업, 원료의 변동성, 공정 변동 등으로 인해 생산 주기가 길고 제품 품질이 일정하지 않다는 단점이 있습니다. 바로 이러한 이유로 생산 및 공정 엔지니어들은 "배치 간 품질 불일치"를 핵심적인 과제로 자주 지적합니다.

반대로, 연속 생산 방식은 상호 연결된 반응기, 펌프 및 열교환기를 통해 재료와 제품이 일정한 흐름으로 공급되는 방식으로 운영됩니다. 이 모델은 대규모 제조 및 수요가 높은 표준화된 제품에 적합하며, 공정 변동을 최소화하는 자동 제어 시스템 덕분에 생산 효율성이 높고 제품 일관성이 뛰어납니다. 그러나 연속 공정은 초기 투자 비용이 더 높고 안정성을 유지하기 위해 더욱 정교한 제어 시스템이 필요합니다.

이 두 가지 방식 간의 근본적인 차이점은 가치에 직접적인 영향을 미칩니다.인라인 점도 모니터링배치 생산의 경우, 수동 개입 및 공정 변동으로 인한 불일치를 보정하기 위해서는 실시간 점도 데이터가 필수적이며, 이를 통해 작업자는 경험에만 의존하는 것이 아니라 데이터에 기반한 조정을 할 수 있습니다.In-라인 점도 모니터링은 근본적으로 생산 후 사후에 이루어지는 반응형 품질 검사를 사전 예방적인 실시간 최적화 프로세스로 전환합니다.

1.3 점도의 중요한 역할

점도는 유체의 흐름에 대한 저항, 즉 내부 마찰을 나타내는 척도로 정의됩니다. 액체 에폭시 수지의 경우, 점도는 독립적인 물리적 매개변수가 아니라 중합 반응의 진행, 분자량, 가교 정도 및 최종 제품 성능과 직접적으로 연관된 핵심 지표입니다.

합성 반응 동안 변화가 일어납니다.에폭시 수지의 점도점도는 분자 사슬의 성장과 가교 결합 과정을 직접적으로 반영합니다. 초기에는 온도가 상승함에 따라 분자 운동 에너지가 증가하여 에폭시 수지의 점도가 감소합니다. 그러나 중합 반응이 시작되고 3차원 가교 네트워크가 형성됨에 따라 점도는 재료가 완전히 경화될 때까지 급격히 증가합니다. 점도를 지속적으로 모니터링함으로써 엔지니어는 반응 진행 상황을 효과적으로 추적하고 반응 종료 시점을 정확하게 판단할 수 있습니다. 이는 반응기 내부에서 재료가 굳어버리는 것을 방지하여 비용과 시간이 많이 소요되는 수동 제거 작업을 피할 뿐만 아니라 최종 제품이 목표 분자량 및 성능 사양을 충족하도록 보장합니다.

또한 점도는 후속 공정 및 가공성에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어 코팅, 접착 및 포팅 응용 분야에서 점도는 수지의 유동학적 특성, 퍼짐성 및 갇힌 기포를 제거하는 능력을 결정합니다. 저점도 수지는 기포 제거가 용이하고 미세한 틈을 채울 수 있어 깊은 주입이 필요한 응용 분야에 적합합니다. 반면 고점도 수지는 흘러내리거나 처지지 않는 특성을 가지므로 수직 표면이나 밀봉 응용 분야에 이상적입니다.

따라서 점도 측정은 에폭시 수지 제조 공정 전반에 대한 근본적인 통찰력을 제공합니다. 실시간으로 정확한 점도 모니터링을 구현함으로써 전체 생산 공정을 실시간으로 진단하고 최적화할 수 있습니다.

2. 점도 모니터링 기술: 비교 분석

2.1 인라인 점도계의 작동 원리

2.1.1 진동식 점도계

진동식 점도계견고한 설계와 작동 원리 덕분에 인라인 공정 모니터링에 널리 사용되고 있습니다. 이 기술의 핵심은 유체 속에서 진동하는 고체 센서 소자입니다. 센서가 유체를 통과하면서 유체의 점성 저항으로 인해 에너지를 손실합니다. 시스템은 이 에너지 손실을 정밀하게 측정하여 유체의 점도와 상관관계를 분석합니다.

진동식 점도계의 주요 장점은 고전단 작동 방식입니다. 이 방식 덕분에 측정값이 일반적으로 파이프 크기, 유량 또는 외부 진동에 둔감하여 반복성과 신뢰성이 매우 높은 측정값을 얻을 수 있습니다. 그러나 에폭시 수지와 같은 비뉴턴 유체의 경우 점도가 전단 속도에 따라 변한다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 진동식 점도계의 고전단 작동 방식은 회전식 점도계나 유량 컵과 같은 저전단 실험실 점도계로 측정한 값과 다른 점도를 나타낼 수 있습니다. 이러한 차이는 측정값의 부정확성을 의미하는 것이 아니라, 서로 다른 조건에서 유체의 실제 유변학적 거동을 반영하는 것입니다. 인라인 점도계의 가장 큰 장점은 유체의 전단 속도 변화를 추적할 수 있다는 점입니다.상대적 변화점도를 측정하는 것이지, 단순히 실험실 테스트에서 얻은 절대값과 일치시키려는 것이 아닙니다.

2.1.2 회전식 점도계

회전식 점도계는 유체 내에서 스핀들 또는 추를 회전시키는 데 필요한 토크를 측정하여 점도를 측정합니다. 이 기술은 실험실 및 산업 현장 모두에서 널리 사용됩니다. 회전식 점도계의 고유한 장점은 회전 속도를 조절하여 다양한 전단율에서 점도를 측정할 수 있다는 점입니다. 이는 점도가 일정하지 않고 가해지는 전단 응력에 따라 변할 수 있는 많은 에폭시 제형과 같은 비뉴턴 유체에 특히 중요합니다.

2.1.3 모세관 점도계

모세관 점도계는 중력이나 외부 압력의 영향을 받아 알려진 직경의 관을 유체가 통과하는 데 걸리는 시간을 측정하여 점도를 측정합니다. 이 방법은 매우 정밀하고 국제 표준에 따라 추적 가능하므로 품질 관리 실험실, 특히 투명한 뉴턴 유체 측정에 널리 사용됩니다. 그러나 이 기술은 엄격한 온도 제어와 잦은 세척이 필요하여 다소 번거롭습니다. 또한 오프라인 방식으로 작동하기 때문에 생산 환경에서 실시간으로 연속적인 공정 모니터링에는 적합하지 않습니다.

2.1.4 신흥 기술

주류 기술 외에도 특수 응용 분야를 위한 다양한 기술들이 연구되고 있습니다. 예를 들어, 초음파 센서는 고온에서 고분자 점도를 실시간으로 모니터링하는 데 사용되어 왔습니다. 또한, 압저항 센서는 에폭시 수지의 가교 및 경화 과정을 비침습적으로 현장에서 모니터링하기 위한 연구 대상으로 주목받고 있습니다.

2.2 점도계 기술 비교

아래 표는 에폭시 수지 제조 공정에서 엔지니어가 특정 요구 사항에 따라 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있도록 주요 인라인 점도계 기술에 대한 비교 분석을 제공합니다.

표 1: 인라인 점도계 기술 비교