간단히 말해, 고무 밀링 공정은 거칠고 단단한 천연 또는 합성 생고무를 부드럽고 유연하며 균일한 화합물로 변환하여 제조에 사용할 수 있도록 하는 기계적 방법입니다. 이는 고무를 강력한 롤러 세트에 반복적으로 통과시켜 먼저 분해한 다음 다양한 첨가제와 혼합함으로써 이루어집니다.
고무 밀링은 단순히 고무를 분쇄하는 것이 아닙니다. 이는 먼저 기계적 작업(매스티케이션)을 통해 고무의 자연적인 탄성을 감소시킨 다음, 첨가제(컴파운딩)를 철저히 혼합하여 최종 제품에 필요한 특정 속성을 가진 균질한 재료를 만들기 위해 설계된 정밀한 엔지니어링 공정입니다.
목표: 생고무 덩어리에서 가공 가능한 화합물로
고무 제품의 여정은 종종 크고 단단하며 탄성이 매우 높은 덩어리 형태의 원료 폴리머에서 시작됩니다. 이 재료는 자연 상태에서는 사용할 수 없습니다.
밀링의 주요 목표는 이 원료 덩어리를 일관되고 예측 가능한 화합물로 변환하여 몰딩이나 압출과 같은 공정을 통해 최종 제품으로 쉽게 성형할 수 있도록 하는 것입니다.
1단계: 매스티케이션 – 폴리머 길들이기
밀링의 첫 번째이자 가장 중요한 단계는 매스티케이션(mastication)입니다. 여기에는 생고무를 2롤 밀에 통과시키는 과정이 포함됩니다.
롤러의 기계적인 전단 및 찢는 작용은 생고무에 높은 탄성과 강도를 부여하는 길고 얽힌 폴리머 사슬을 파괴합니다.
매우 단단한 반죽을 치대는 것과 같다고 생각해보세요. 많이 작업할수록 더 부드럽고 유연해집니다. 매스티케이션은 고무의 점도와 "신경"(원래 상태로 되돌아가려는 경향)을 감소시켜 첨가제를 잘 받아들이도록 만듭니다.
2단계: 혼합 – 최종 속성 설계
고무가 충분히 매스티케이션되면 혼합(mixing) 또는 컴파운딩(compounding) 단계가 시작됩니다. 여기서는 정확한 성분 배합이 밀에 직접 추가됩니다.
롤링 작용은 계속되어 첨가제를 고무 덩어리에 접어 넣고 혼합하여 완전히 균질한 혼합물이 될 때까지 진행됩니다.
일반적인 첨가제는 다음과 같습니다:
- 충전제: 카본 블랙이나 실리카와 같은 재료는 고무를 보강하여 강도, 내구성 및 내마모성을 증가시키는 데 사용됩니다.
- 가황제: 황이 가장 일반적인 가황제입니다. 이는 최종 경화 단계(밀링 후) 동안 폴리머 사슬 사이에 가교를 형성하여 고무에 최종적인 안정된 형태를 부여합니다.
- 촉진제 및 활성제: 이러한 화학 물질은 후속 경화 공정의 속도와 온도를 제어합니다.
- 가공 보조제: 이는 화합물이 금형에서 흐르고 분리되는 것을 개선합니다.
- 산화 방지제 및 오존 방지제: 이는 열, 산소 및 오존으로 인한 최종 제품의 열화를 방지합니다.
중심 도구: 2롤 밀
고무 밀링의 핵심 장비는 2롤 밀입니다. 그 기능을 이해하는 것이 공정을 이해하는 데 중요합니다.
작동 방식
2롤 밀은 나란히 배치된 두 개의 크고 수평인 경화 강철 롤러로 구성됩니다. 이 롤러들은 서로 다른 속도로 서로를 향해 회전합니다.
이 속도 차이는 롤러 사이의 작은 간격인 닙(nip)에서 강렬한 전단력(shear forces)을 생성합니다. 이 전단 작용이 매스티케이션 중 폴리머 사슬을 파괴하고 혼합 중 첨가제를 분산시킵니다.
공정 제어의 중요성
밀링은 고도로 숙련된 작업입니다. 작업자는 양질의 화합물을 보장하기 위해 여러 요소를 지속적으로 관리해야 합니다.
주요 변수에는 닙 간격, 롤러 온도(냉각을 위해 코어링됨), 혼합 시간, 첨가제를 도입하는 순서 등이 포함됩니다.
중요한 공정 요소 및 절충점
완벽한 고무 화합물을 얻으려면 여러 상충되는 요소를 균형 있게 조절해야 합니다. 밀링 단계에서의 잘못된 관리는 전체 배치를 망칠 수 있습니다.
열 축적 및 스코치
밀링으로 인한 마찰은 상당한 열을 발생시킵니다. 온도가 너무 높아지면 가황제가 조기에 활성화될 수 있습니다.
스코치(scorch)라고 알려진 이 현상은 고무가 밀 위에서 경화되기 시작하게 합니다. 스코치된 배치는 사용할 수 없으며 폐기해야 합니다.
분산 대 분포
좋은 혼합은 단순히 첨가제를 고르게 분포시키는 것 이상입니다. 이는 충전제(카본 블랙과 같은)의 응집체를 미세 입자로 분해하는 탁월한 분산(dispersion)을 필요로 합니다.
불량한 분산은 약점이 있는 비균질 화합물을 초래하여 최종 제품의 일관성 없는 성능과 조기 고장을 유발합니다.
매스티케이션 균형
매스티케이션의 정도는 중요한 절충점입니다. 불충분한 매스티케이션은 너무 점성이 높고 가공하기 어려운 화합물을 초래합니다.
반대로, 과도한 매스티케이션은 폴리머 사슬을 너무 많이 파괴하여 고무가 강도와 탄성을 잃게 만들 수 있으며, 이는 경화 중 완전히 회복될 수 없습니다.
목표에 맞는 올바른 선택
밀링 공정의 세부 사항은 최종 고무 제품의 원하는 결과에 맞춰 조정됩니다.
- 고성능 및 내구성에 중점을 둔다면: 카본 블랙 및 실리카와 같은 보강 충전제의 우수한 분산에 우선순위를 두어야 합니다.
- 효율적인 제조에 중점을 둔다면: 제어된 매스티케이션을 통해 목표 점도를 달성하여 화합물이 몰딩 또는 압출 중에 원활하게 흐르도록 하는 것이 중요합니다.
- 비용 절감에 중점을 둔다면: 배합에 저렴한 비보강 충전제를 더 많이 포함할 수 있지만, 밀링은 물리적 특성의 치명적인 저하를 피하기 위해 여전히 적절한 분산을 보장해야 합니다.
궁극적으로 밀링 공정을 마스터하는 것은 정확한 성능 사양을 충족하는 고무 화합물을 엔지니어링하는 데 필수적입니다.
요약표:
| 공정 단계 | 주요 작업 | 주요 목표 |
|---|---|---|
| 매스티케이션 | 고무를 롤러에 통과시키기 | 폴리머 사슬 분해, 탄성 감소 |
| 혼합/컴파운딩 | 첨가제 추가 및 혼합 | 충전제, 가황제 등 혼합 |
| 최종 결과물 | 균질한 화합물 | 몰딩 또는 압출 준비 완료 |
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