분쇄에 대한 정리

제조업은 원료를 제품으로 만들 때 다양한 공정을 사용한다. 원유와 같은 액체를 가공하는 기업은 증류, 추출 등의 공학적인 기술들이 사용되고, 석탄과 같이 고체를 가공하는 기업은 분쇄, 건조, 분급 등의 공학기술이 사용된다. 이번 글은 실제로 사용되는 여러 공정 중, 분쇄에 대해 정리했다. 

분쇄는 단순히 물질을 부수는 것이 전부가 아니다. 분쇄의 종류도 여러 가지가 있고, 얼마나 작게 분쇄하는지, 분급도 함께 진행되는지, 건식/습식분쇄인지 등에 따라 많은 종류로 나뉜다. 

 

분쇄란?

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분쇄란 고체 입자에 힘을 가해 작게 부수어 작은 입자로 만드는 입도 감소를 의미한다. 분쇄는 입자의 크기에 따라 조쇄, 중쇄, 미분쇄 등으로 구별되고, 1µm 이하로 분쇄할 때 초미분쇄라 한다.

고체를 잘게 부수는 목적으로는 다음과 같은 이유가 있다.

• 고체의 표면적 증가
• 건조, 추출 속도 증가
• 입도를 작게 함으로써 고체의 혼합을 쉽게 하기 위함
• 분체의 색상을 개선 등

분쇄는 네 가지의 원리로 인해 진행된다. 압축, 마모, 절단, 충격이다. 

 

분쇄의 종류

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1. 습식 분쇄

제품의 손실을 줄이면서 분쇄하는 경우, 분진을 많이 발생시키는 원료, 발화 가능성이 있는 원료 등에 사용된다.

습식 분쇄기의 종류로는 Ring mill, Rotate mill, Batch mill 등이 있으며, 모두 나노미터 단위로 분쇄가 가능하다.

Ring mill: 습식 가공에서 가장 많이 사용되는 장비로, 가공 원료가 통 안으로 유입되고,내부에 충진 되어있는 비드와 충돌하면서 분쇄된 후, 통 외부의 스크린을 통과하는 것을 반복하면서 나노미터 크기로 분쇄 가공이 이루어지는 방식이다

 

2. 건식 분쇄

물이나 액체 따위를 쓰지 않고 물질을 분쇄하는 것으로, 건식 분쇄는 습식 분쇄에 비해 입자 크기의 균일성이 낮고, 많은 제조시간이 소요된다는 특징이 있다.

종류는 기계식 분쇄와 기류식 분쇄로 나뉜다. 

• 기류식 분쇄: 공기에 의해 제품이 기류를 형성하면서 서로 부딪혀 분쇄하는 방식.
  • Air jet mill이 이 기류식 분쇄에 해당한다. 
  • 분쇄의 메커니즘 중 주로 충격에 의한 분쇄가 이루어진다.
  • 분쇄 시간, RPM 조절 등으로 입도 조절이 가능하다.
• 기계식 분쇄: 회전하는 설비와 제품이 부딪혀 제품이 분쇄되는 방식
  • 동결 분쇄기: 기계식으로는 불가능한 초저온 상태에서 자기장 유도 코일 방식으로 분쇄하는 장비. 열에 민감한 재료에 사용함
  • rotary 분쇄기, hammer 분쇄기, extruder 분쇄기, 유압식 파쇄기 등이 존재한다.

 

입도 분석이란? (d10, d50, d90, dmean, dmax)

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입도 분석기(Particle size analyzer)는 최소&최대 크기, 평균값을 측정하여 그 입자의 분포를 측정하는 분석 장비다.

이때 누적 분포라는 개념이 사용된다. 최고 큰 값에 대하여 10%, 50%, 90%에 해당하는 크기 값을 각각 d10, d50, d90 이라 하고, 평균값을 dmean, 최댓값을 dmax라 한다.

예를 들어 가루형태의 샘플에 바람을 살짝 불어 가벼운 부분이 날아간다면, 분포가 전체적으로 오른쪽으로 이동해 d50이 커지게 된다.

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분쇄가 사용되는 분야

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화학 산업(chemical industry)

화학 산업에서 분쇄의 가장 큰 효과는 개인적으로 고체의 표면적 증가라 생각한다. 반응이 원활하게 일어나기 위해선 표면적이 넓어야하기 때문이다. 크기가 작아져서 표면적이 넓어지면 자연스레 건조나, 추출하기 용이해진다. 

식품 산업(food industry)

수분을 함유하고 있는 음식물은 세균이 번식하기 쉽기 때문에 유통기한이 짧다. 수분을 제거하기 위해 건조 공정이 존재하는데, 이 건조의 효율을 높이기 위해 분쇄가 사용되기도 한다.  

이외에 분쇄는 광물 산업(minerals&minings), 제약 산업(pharma&cosmetics) 등 여러 분야에 사용된다.  

 

업체

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Netzsch, Retsch, Fritsch 등 독일 기업들이 많으며, 호소카와미크론, 닛신 엔지니어링 등과 같이 일본 업체도 많다.