트윈 스크류 압출공정 시뮬레이션 기반 생분해성 복합소재의 스케일업 최적화 및 파일럿 공정 검증
Simulation-Based Scale-Up Optimization and Pilot Validation of Biodegradable Composite Twin-Screw Extrusion Process
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초록
본 연구에서는 생분해성 기반 복합소재(PLA/PHA/PBAT)의 이축 스크류 압출공정 스케일업 과정에서의 물성 변화를 분석하고, 최적화 방안을 제시하였다. LudovicⓇ 시뮬레이션을 통해 32 mm, 48 mm, 58 mm, 75 mm 스크류 직경별 공정 변수(전단속도, SME, 체류시간, 충진율 등)를 도출하고, 파일럿 공정 데이터와 비교 분석하였다. 그 결과, 스크류 직경 증가 시 열 전달 효율 저하, 혼련 성능 감소, 압력 및 온도 분포의 불균일성이 물성 저하의 주요 원인으로 나타났다. 최적화된 공정 조건은 이러한 문제를 효과적으로 개선하고 물성의 스케일 간 균일성 확보에 기여할 수 있음을 시사하였다.
Abstract
This study investigates property variations of biodegradable composite materials (PLA/PHA/PBAT) during the scale-up of the twin-screw extrusion process and proposes optimized processing strategies. Using LudovicⓇ simulations for screw diameters of 32, 48, 58, and 75 mm, key process parameters—including shear rate, specific mechanical energy (SME), residence time, and fill ratio—were derived and compared with pilot-scale experimental data. The results indicated that as screw diameter increased, heat transfer efficiency decreased, mixing performance deteriorated, and pressure and temperature distributions became non-uniform, all of which contributed to property degradation. The proposed optimized process conditions effectively addressed these issues and improved property uniformity across scales, providing valuable guidance for designing robust scale-up strategies for biodegradable composite extrusion.