수력직경에 따른 첨가제 정렬 분석

금형 내부 channel에서 액상 고분자 matrix와 같이 유동하는 첨가제는 유동장의 속도구배 때문에 생기는 shear rate에 영향을 받기 때문에 정렬의 변화가 발생하는 것으로 알려지고 있다. 본 실험에서는 channel 두께에 따른 shear thinning 현상을 유 동가시화 실험을 통하여 확인하였다. Fig. 2-11 channel 1-1 ~ 1-3의 금형에서 channel을 두께 방향으로 3등분으로 하여 중앙, 중앙-벽면 사이, 벽면 영역에서 유 동하는 3개의 첨가제를 추적해서 각도를 분석한 이미지이다. Fig. 2-11 왼쪽은 channel 두께에 따라 유동가시화 이미지이고, 오른쪽은 channel 내부에 각각 빨간, 초록 및 파란 점선으로 표시된 첨가제들을 추적하고 길이에 따른 정렬 변화를 표 시하였다. Channel 두께가 각각 2, 1.3 mm인 channel 1-1, 1-2의 경우, channel 중심 에서는 첨가제들이 유동의 수직방향으로 정렬되는 현상을 관찰할 수 있다. 하지만 벽면 쪽으로 갈수록 첨가제들이 유동방향에 평행하게 이동하는 것을 확인할 수 있 다. channel 두께가 0.5 mm인 channel 1-3의 경우, 중앙의 일부 첨가제를 제외하면 대부분의 첨가제는 유동방향에 평행하게 정렬되는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 Fig. 2-11 통해 오른쪽에 표시된 첨가제를 추적한 이미지를 확인할 수 있다. Chann el 중심영역에서의 첨가제는 orifice gate에서 통과하자 (x < 0.7 mm) 급격하게 각도 가 증가하여 60 °이상으로 증가하지만 다시 유동방향으로 정렬되는 것을 확인할 수 있었다.

Figure 2-11. Images of the flow visualization experiment for three channel.

thicknesses and angle calculations for fibers in the center, between the center and the wall, and near the wall.

Orifice gate를 지나면 유동과 수직방향 속도 성분(v)인 extension rate( 

 )이 급 격하게 증가하고 첨가제들은 extension rate와 첨가제 정렬과 관계에 대한 연구가 있 다. [23] 본 연구에서 수행한 유동가시화 실험에서도 앞에서 언급한 연구와 동일한 현상을 관찰할 수 있었다. Orifice gate와 같이 급격하게 channel이 확장되면 유동 수 직방향의 속도 성분이 증가하게 된다. 그렇기에 x < 0.7 mm 구간에서 첨가제들의 각도가 급격하게 수직으로 정렬하는 것을 관찰할 수 있다. 반면, x > 0.7 mm 구간 에서는 유동 수직방향의 속도 성분이 감소하고 유동방향 속도 성분 (u)만 존재하게 된다. 이 구간에서의 유동장은 Poiseuille flow로 첨가제에 작용하는 전단응력은 x 방향(u) 성분만이 존재하게 된다. 그렇기에 첨가제는 유동방향에 평행하게 정렬되 는 현상을 확인할 수 있다.

Fig. 2-12 (a) - (d)는 channel 1-1 ~ 1-3에서 channel의 두께를 11 등분하고 벽면에 서부터 2/11, 2/11, 3/11의 비율로 영역을 나누고 영역 내부의 첨가제의 각도를 분석 한 결과이다. y위치에 따른 첨가제의 정렬을 평균하고 있다. Fig. 2-12 (a)의 경우 평균 각도가 x < 2 mm까지 증가하지만 유동에 따라 감소하는 경향을 보여주고 있 다. Channel. 1-2, 1-3의 경우에는 channel. 1-1와 비슷하지만 channel 두께가 작아질 수록 첨가제 정렬도 작아지는 것을 볼 수 있었다. Fig. 2-12 (b)는 channel 벽면 영 역의 첨가제 정렬을 평균한 결과를 보여주고 있다. Channel 두께와 상관없이 첨가 제 정렬은 유사한 경향을 보여주고 있다. 이는 벽면 영역은 channel 전반에 가장 큰 유동방향 전단응력이 나타나는 영역으로 대부분의 첨가제는 유동방향에 평행하게 정렬하는 것을 볼 수 있다.

Channel의 중앙부로 갈수록 channel 두께별로 평균 첨가제 정렬이 차이를 보여주 고 있다. channel 중앙과 벽면 사이 영역과 벽면 영역에서 각각의 섬유 각도를 표시 한 Fig. 2-10에서는 channel 두께 별로 뚜렷한 차이를 확인할 수 있다. Channel 두께 가 클수록, 첨가제 정렬은 높았다. 이는 orifice gate의 두께는 일정하지만 channel의 두께가 다르기 때문에 shear rate차이가 발생하는 것으로 생각할 수 있다. 본 실험에 서는 Re수가 0.001로 고정되어있기 때문에 channel 두께가 작아질수록 평균 유동 속도는 반비례하여 증가한다. 유동 속도의 증가는 유동장의 속도구배 증가로 이어 지고 결과적으로 평균 shear rate 증가로 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 즉,

channel두께가 가장 작은 channel 1-3 내부에서 첨가제들은 channel 1-1의 첨가제대 비 비교하여 평균 4배 크기의 shear rate에 노출되기 때문에 유동방향으로 정렬하 는 것으로 판단할 수 있다.

Figure 2-12. Variation of the angle of fibers depending on the direction of flow.

(1) Average angle of fibers in the overall channel thickness direction; (2) average angle of fibers near the channel wall (2/11 area of the channel thickness); (3) average angle of fibers between the channel wall and the center (2/11 area of the channel thickness); (4) average angle of fibers in the channel center (3/11 area of the channel thickness). channels with various hydraulic diameters.

Magnified image of the orifice channel.