모든 화합물은 혼합의 형태로 이루어져 있습니다. 혼합이란 말 그대로 두 가지 이상의 물질이 서로 섞인 상태를 말합니다. 화학 결합이 아닌 물리적으로 섞인 형태로 상태 변화나 물리적인 방법을 통해 쉽게 분리할 수 있는 형태입니다. 혼합물에 섞인 물질을 분리해도 각 물질의 성질은 변하지 않고 고유의 성질을 그대로 가지고 있습니다.
화학에서 다루는 대부분의 연구는 하나의 화합물을 다른 화합물로 전환하는 것입니다. 따라서 분자의 모양, 분자 간의 작용, 분자의 물리화학적 성질 등에 대한 연구가 화학 연구의 주류를 이루며 ‘혼합’은 이에 속해는 중요한 연구과제입니다.
산업적인 측면에서도 혼합은 중요합니다. 2가지 이상의 요소로 구성된 펠렛(Pellet), 파우더(Powder) 등이 균일한 혼합 상태로 이루어지지 않을 경우 최종 제품의 품질에 큰 영향을 끼치기 때문입니다. 혼합의 목적은 여러 종의 혼합물을 균일하게 섞는 데 있으며, 혼합의 정도를 판단하기 위한 평가 기준이 필요한 이유도 여기에 있습니다.
혼합은 어떻게 이루어질까요? 혼합의 메커니즘은 대류, 확산, 전단으로 구분해 정의할 수 있습니다.
대류는 혼합기 또는 혼합기 안에 장착된 교반기(2종 이상의 물질을 혼합 상태로 만드는 기계)에 의해 낱알들을 한 위치에서 다른 위치로 이동시키는 원리를 말합니다. 확산은 외부의 힘에 의해 낱알들이 서로 운동을 하며 섞이게 하는 혼합의 형태입니다. 전단은 주로 교반기로 사용되는 날개 끝, 날개 끝에 닿는 벽면에서 주로 일어나는 현상으로 낱알들을 분리해 섞이게 하는 원리입니다. 현재 산업 현장에서 사용하고 있는 혼합기의 종류는 다양하며 각 혼합기마다 각 혼합 메커니즘의 기여도가 다릅니다.
혼합기를 통해 낱알들을 혼합하게 되면 크기, 밀도, 형상, 거칠기, 탄성, 흐름성에 따라 필연적으로 ‘분리 현상’이 발생합니다. 분리 현상의 가장 주된 원인은 크기이며, 균일한 혼합물을 생산하기 위해 인위적인 진동을 통해 분리를 유도하기도 합니다.
크기에 의해 발생하는 분리 현상 중 ‘브라질너트 효과’라는 게 있습니다. 여러 종류의 견과류가 들어 있는 통을 열 때마다 다른 것보다 굵은 브라질 너트가 위에 보이는 현상에서 기인한 표현입니다. 다양한 알갱이들이 흔들릴 때, 큰 입자가 위로 올라오고 작은 입자는 틈새로 내려가 발생하는 ‘분리 현상’ 중 하나입니다. 보리밥을 짓기 전에 쌀과 보리를 섞어 저으면 보리가 위로 떠오르듯, 입자 간 크기 차이가 큰 혼합물들은 거의 이런 현상을 띠게 됩니다.
공간에 크기가 다른 2개의 입자를 중력에 의해 입자의 자유낙하를 유도(위의 그림 A 참고)하면 혼합물이 아래로 쏠립니다(위의 그림 B 참고). 이 상태에서 진동을 가하면 최종적으로 위에 크기가 큰 입자가 향하게 됩니다(위의 그림 C 참고). 이렇게 ‘브라질너트 현상’을 이용해 ‘분리된 혼합물’을 얻을 수 있습니다.
두 가지 이상의 물질을 섞는 혼합기에는 다양한 종류가 있습니다. 따라서 적합한 혼합기를 선택하는 것은 매우 어려운 일입니다.
보통 혼합기를 선택할 때는 과학적 근거와 공학자의 경험에 의존하게 되는데요. 혼합기는 크게 운용 방법, 용기 자유도에 따라 고정, 회전 용기로 나눌 수 있습니다. 고정 용기는 고정된 용기 내에 교반기 혼합이 이루어지고, 회전 용기는 용기 자체가 회전하며 혼합이 이루어집니다.
혼합 메커니즘에 따라 텀블링(Tumbling) 혼합기, 리본(Ribbon) 혼합기, 유동 층 혼합기, 고 전단 혼합기로 분류할 수 있는데요.
텀블링 혼합기는 V형, 이중원뿔, 육면체 등의 용기를 회전시켜 서로 다른 입자를 혼합하며, 리본 혼합기는 고정된 용기 안 회전하는 날개 또는 노(저을 때 스는 도구)에 의한 순환 패턴을 이용하는 혼합기입니다. 유동 층 혼합기는 유동 층에서 버블 운동에 의한 혼합기이며, 고 전단 혼합기는 빠른 회전속도와 고 전단 응력(내력, 변형력)을 발생시켜 섞는 혼합기입니다.
혼합물의 혼합 상태를 나타내는 혼합 지표를 도출하기 위한 평가 방법에는 실험과 해석을 통해 분석하는 방법이 있습니다. 실험적 방법 중 주변 혼합물에 영향을 주는지에 대한 차이를 통해 칩임 기술과 비 침입 기술로 나눌 수 있으며, 내부에 대한 분석이 가능하다는 장점이 있습니다. 해석적 방법은 실험적 방법과 다르게 여러 경우에 대한 연구와 다양한 방면으로 분석이 가능하다는 장점이 있습니다.
‘혼합’은 산업적 중요성뿐 아니라 환경을 지키는 기술로 의미를 더하고 있습니다. 폐플라스틱과 다른 재료와의 ‘혼합’으로 새로운 소재를 개발하고 있는 게 그 예입니다. 실제로 폐비닐 등을 잘게 분쇄해 목재 등과 섞은 후 그 혼합물을 작은 알갱이 형태로 압축해 연료용으로 가공하거나, 무연탄과 폐플라스틱 혼합으로 깨끗한 가스를 만들고, 아스팔트와 폐플라스틱이 혼합기술을 통한 플라스틱 혼합 아스팔트가 각광받고 있습니다.
내용 출처: LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2019 봄호 P.14 혼합(Mixing)의 원리 및 평가
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