시간의 고착
시간 경화란 재료가 정지된 상태로 보관되는 과정에서 내부 강도가 증가하는 현상을 말합니다. 이러한 효과는 추가적인 외부 기계적 하중 없이도, 예를 들어 자체 중량이나 환경 조건에 의해서만 발생할 수 있습니다. 그 원인은 재료 내에서 시간에 따라 일어나는 물리적 또는 화학적 구조 변화 때문입니다.
공정 공학 분야에서 시간 경화는 특히 미세 입자 분말 및 벌크 재료, 반죽 상태나 점성이 높은 물질에서 중요한 의미를 갖습니다. 예를 들면 수분에 민감한 분말이나 갓 분쇄한 설탕, 반죽, 페이스트 형태의 혼합물, 그리고 전분, 셀룰로오스 유도체 또는 증점제가 포함된 제품 등이 있습니다. 벌크 재료는 사일로나 IBC 컨테이너에 저장되는 과정에서 밀집되거나 다리 현상이 발생하거나 굳어지면서 유동성을 잃을 수 있습니다.
시간 경화의 원인은 다양합니다. 여기에는 입자와 분자의 배열, 입계에서의 접촉 경화, 액체 다리의 형성, 결정화 과정 또는 물리적 가교 메커니즘 등이 포함됩니다. 시간 경화는 종종 겉보기 점도의 증가, 유동 한계치의 상승 또는 전단 저항의 증가와 동반됩니다.
σc= f(σ1)
- σ1은 주 응력입니다. 이는 해당 흩어진 재료가 이전에 받았던 최대 압축 응력입니다.
- σc는 단축 압축 강도입니다. 이는 재료가 한 방향으로만 하중을 받았을 때 ‘파단’되기 전까지 견딜 수 있는 최대 압축 응력을 말합니다.
- ffc는 유동성 지수입니다
흔히 사용되는 지표로는 유동성 지수(Flowability Index, ffc)가 있습니다. ffc 값이 클수록 유동성이 더 우수합니다.
ffc = σ1 / σc
실무에서는 경험적 설명을 ‘적합 모델’로 활용하여 강도 증가율 σc(t)를 구할 수 있다.
σc(t) ≈ σc(t0) · (t/t0)n
- t0: 강도 σc(t0)이 알려진 시작 시간으로, 예를 들어 1시간 후
- n은 강도가 시간에 따라 얼마나 빠르게 증가하는지를 나타내는 무차원 지수이며, 측정 데이터를 바탕으로 추정되며 재료 및 조건에 따라 달라집니다.
시간 경화는 혼합, 이송, 저장 및 계량 과정에 영향을 미칩니다. 정지 후 경화되는 제품은 재가동 시 더 높은 토크, 더 강력한 구동 장치 또는 특수한 배출 보조 장치가 필요합니다. 혼합기, 반응기 및 저장 탱크의 경우, 설계, 공정 제어 및 배출 장치 선정 시 이러한 현상을 고려해야 합니다. 느리고 사각지대가 없는 운동을 통해 시간 경화 현상을 완전히 방지할 수 있습니다. 이를 위한 탁월한 기술적 솔루션은 amixon®의 Gyraton® 사일로 혼합기입니다.