KR100371395B1

KR100371395B1 - 가교화폴리에틸렌관압출성형장치

Info

Publication number: KR100371395B1
Application number: KR10-1998-0033611A
Authority: KR
Inventors: 이진복; 이수정; 인주환; 장상필
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 1998-08-19
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 2003-05-09
Also published as: KR20000014273A

Abstract

본 발명은 가교화 수지를 파이프의 형상으로 변환시키기 위한 폴리에틸렌 압출 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 기존의 토피도 스파이더(torpedo spider)의 용융수지 흐름통로를 개선하여 토피도의 최외주에 다수의 얇은 스파이더 렉(spider leg)을 형성함으로써 수지의 정체 부위를 최소화하고 수지의 흐름을 최대한 증가시키며, 토피도의 내경을 증가시켜 수지가 통과되는 단면적을 넓혀 압출량을 증가시킨다. 또한 수지의 용이한 이송을 위하여 어댑터(adaptor)와 어댑터 조인트(adaptor joint)를 일체형으로 고안하며, 다이(die) 내면에 압축부를 신설하여 반용융 상태의 수지에 충분한 압력이 가해지도록 한다. 아울러 본 발명은 원활한 원료의 공급과 투입되는 원료의 이송량 증가를 목적으로 피스톤의 압축 행정 거리를 증가시키고 이에 필요한 라이너 구조도 개선함으로써 생산성을 종래보다 2배 이상 증대시키는 장치를 제공한다.

Description

가교화 폴리에틸렌관 압출 성형 장치

본 발명은 가교화 폴리에틸렌관(cross-linked polyethylene pipe)을 압출 성형하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가교화 폴리에틸렌 파이프를 제조하는 압출 성형기의 피스톤(piston)과 라이너(liner), 어댑터(adaptor)와 어댑터 조인트(adaptor joint) 부분, 토피도(torpedo) 부분 및 다이(die)의 구조를 개선하여 가교화 폴리에틸렌관용 압출 성형기의 생산성을 획기적으로 증대시키는 장치 및 상기 장치를 이용하여 가교화 폴리에틸렌관을 제조하는 방법에 관한 것이다.

가교화 폴리에틸렌 파이프는 난방용 배관재와 냉온수용 급수관 그리고 관개 용수관, 공업용관 등으로 널리 사용되고 있다. 이러한 가교화 폴리에틸렌 파이프는 램압출(ram extrusion) 방식(일명 엥겔프로세스, Engel process)의 압출기를 사용하여 에틸렌과 α-올레핀의 공중합체 및 에틸렌 중합체를 가교 압출시킴으로써 얻어진다. 가교화 폴리에틸렌 파이프를 제조함에 있어서 파이프 압출의 생산성은 원료의 원활한 투입과 수지가 용이하게 압출되도록 해주는 토피도의 구조, 피스톤의 압축 행정 길이, 피스톤과 라이너의 공차, 및 다이 내면의 불소 수지 코팅 상태 등에 좌우되며, 이러한 조건들이 맞지 않을 경우 파이프의 압출이 불가능하거나 파이프 압출이 가능하더라도 생산성이 저하되며 파이프 표면의 긁힘 및 표면의 굴곡이 심해서 품질상의 문제가 발생하므로 만족할 만한 가교화 폴리에틸렌 파이프 제품을 생산할 수 없게 된다.

종래의 가교화 폴리에틸렌 파이프의 생산 장치 및 방법이 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 가교제와 산화방지제를 혼합한 폴리에틸렌 원료 분말이 압출기 호퍼에 채워진 후 원료 이송 스크루(도시하지 않음)를 통하여 바디 상부 (8)와 바디 하부 (9) 사이에 설치된 라이너 (2)로 이송되고 피스톤(11)의 왕복운동애 의한 힘으로 어댑터 (3) 및 어댑터 조인트 (4)로 밀려나오게 된다. 통과된 수지는 토피도 스파이더 입구 부분으로 유입되어 다수의 구멍(통상적으로 직경 5 mm 내외, 구멍수 10개 내외)으로 구성된 토피도의 스파이더(spider)를 경유하여 이송된다. 이 지점까지의 수지의 모양은 아직 내부가 비어있는 파이프의 형상을 갖추지 못하게 된다. 이송된 여러 가닥(통상적으로 10가닥 내외)으로 구성된 반용융 상태의 수지는 원활한 흐름을 위해 불소 수지로 코팅된 다이 (6)와 맨드렐 (7)에서 합쳐져 250℃의 다이내에서 가교가 이루어지고 비로소 내부가 비어있는 파이프 형태로 압출되는 방법이 종래의 기술이다.

이러한 압출 방법에 의한 가교 폴리에틸렌 파이프의 생산 속도는 일반적으로 많이 사용되고 있는 Φ15 mm(KS M 3357) 규격을 기준으로 평균 1.5 m/분 수준에 불과하여 스크루 방식의 일반 파이프 압출과 비교해 볼 때 매우 낮은 생산성을 보이고 있어 큰 문제점으로 대두되어 왔다.

종래의 방법으로 압출한 가교 폴리에틸렌 파이프의 생산성이 낮은 이유는 토피도 스파이더에 설정되어 있는 다수의 구멍을 통해 압출되는 수지의 양이 적을 뿐만 아니라 그 양을 증가시키는 것에도 한계가 있으며, 기존의 피스톤과 라이너, 어댑터와 어댑터 조인트 및 다이의 구조로는 투입되는 원료를 충분히 압출시키지 못하는 데에 그 원인이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하여 가교화 폴리에틸렌 파이프 압출 성형의 생산성을 증대시키는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가교화 폴리에틸렌 파이프 압출 장치를 개략적으로 도시한 횡단면도.

도 2는 본 발명에 따른 바디 상부의 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 라이너 부분이 바리에 설치된 모습의 종단면도.

도 4는 본 발명에 따른 토피도의 횡단면도.

도 5는 본 발명에 따른 토피도의 배면도.

도 6은 본 발명에 따른 어댑터의 횡단면도

도 7은 본 발명에 따른 다이의 횡단면도.

도 8은 종래에 사용중인 비교예의 토피도가 설치된 모습을 개략적으로 도시한 횡단면도.

도 9는 도 8에 도시된 비교예의 라이너 부분이 바디 부분에 설치된 모습의 횡단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 토피도

2 : 라이너

3 : 어댑터

4 : 어댑터 조인트

5 : 토피도 내경

6 : 다이

7 : 맨드렐(mandrel)

8 : 바디 상부

9 : 바디 하부

10 : 토피도의 스파이더 부분에 있는 환형 용융수지 흐름통로

11 : 피스톤

12 : 토피도 부분의 스파이더 렉(spider leg)

13 : 환형 압축부

14 : 환형 압축부 길이

15 : 열매체유 순환통로

16 : 토피도 외경

17 : 일체형 어댑터

18 : 일체형 어댑터 내경

19 : 일체형 어댑터 길이

20 : 피스톤의 압축 행정거리

21 : 라이너 높이

22 : 라이너 외경

23 : 원료 투입부

24 : 피스톤 외경

25 : 라이너 내경

26 : 다이의 길이

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 수지의 흐름을 최대한 증가시키도록 기존 토피도 스파이더에 설정된 다수의 구멍을 도 4와 도 5에 도시한 것과 같이 다수(본 실시예에서는 6개)의 얇은 토피도 스파이더 렉(spider leg)으로 개선하여 렉 부분을 제외한 수지의 모든 정체 부위를 제거하고, 어댑터를 통과한 수지를 파이프의 형상으로 변환시키기 위한 토피도의 내경 (5)을 30 내지 35 mm로 증가시켜 수지가 흐르는 통로의 단면적을 넓혀 압출량을 증가시키며, 또한 수지의 용이한 이송을 위하여 어댑터와 어댑터 조인트를 일체형으로 고안하고, 다이 내면에 압축부를 신설하여 반용융 상태의 수지에 충분한 압력이 가해질 수 있도록 한다. 아울러 원료의 원활한 공급과 투입량을 증가시키기 위해 라이너 중앙 부위로 원료를 투입할 수 있도록 하며, 투입된 원료의 이송량을 증가시킬 목적으로 외경이 16 내지 20 mm인 피스톤의 압축 행정 거리 (20)를 2배 이상 증가시키기 위해 이에 필요한라이너 구조도 도 3에 도시된 것과 같이 높이 (21)를 25 내지 40 mm 높인다. 상술한 본 발명의 새로운 장치와 방법을 이용함으로써 종래보다 100% 이상 증대된 생산성이 달성될 수 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서는 가교화 폴리에틸렌 파이프의 압출 생산성을 향상시키기 위해 투입되는 원료가 바디의 라이너 부분에서의 좁은 유로에 막혀 압출되지 못하고 바디 상부에 정체되는 것을 방지하기 위하여 토피도의 스파이더 수지 흐름 통로를 확대(내경 : 24 내지 38 mm, 외경 : 32 내지 46 mm)하고, 6개의 가는 스파이더 렉(leg)을 제외한 모든 수지의 정체 부위를 제거시킨 장치(도 4 참조)를 사용하며, 또한 원활한 수지 흐름을 위해 불소 수지로 도포하여 사용한다.

또한 본 발명의 토피도를 이용하면 파이프 압출시 기존 피스톤과 라이너가 충분한 원료 투입 및 압출에 필요한 압력을 주지 못하여 압출량을 증가시키지 못하는 종래의 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 충분한 원료 투입을 위하여 바디 상부의 원료 투입 부분 (23)의 구조를 개선(도 2 참조)하여 원료가 충분히 일정하게 투입될 수 있도록 하고 투입된 원료가 라이너 내에서 피스톤에 의해 충분한 압력을 받을 수 있도록 내경 (25)이 16 내지 20 mm인 라이너의 높이 (21)를 25 내지 40 mm로 증가(도 3 참조)시킨다.

이렇게 라이너의 높이를 조절하여 외경이 16 내지 20 mm인 피스톤에 의한 압축 행정 거리를 17 mm에서 25 mm로 2배 이상 증가시켜 수지 이송에 필요한 압력을 충분히 가할 수 있게 하며, 반용융 상태의 수지 이송을 용이하게 하기 위하여 내경(18)이 15 내지 20 mm이고 길이 (19)가 80 내지 150 mm인 어댑터와 어댑터 조인트가 일체형으로 구성되는 새로운 어댑터가 적용된다. 또한 생산성 증대로 인한 가교화 폴리에틸렌 파이프의 외관 및 물성 저하를 방지하기 위하여 가교화에 필요한 체류 시간을 증가시킬 목적으로 다이 길이 (26)를 540 mm에서 600∼800 mm로 연장시킨다. 또한, 다이는 그 내면의 소정 위치에 다이의 중심축 방향으로 1 내지 3 mm 돌출된 환형 돌출부를 가짐으로써 다이와 토피도 사이에 환형 압축부 (13)를 제공하여 반용융 수지가 충분히 압력을 받을 수 있도록 해준다. 또한 대안적으로 상기 돌출부는 다이의 내면 대신 토피도 외주 상에 형성될 수도 있다. 즉, 상기 돌출부가 스파이더 렉의 후방부와 토피도의 후단 엣지 사이의 소정 위치에서 토피도 외주면 상에 형성됨으로써 상기 다이와 토피도 사이에 환형 압축부를 제공할 수도 있다. 수지의 용이한 흐름성을 부여하기 위해, 어댑터 내면, 토피도 내경 부분, 토피도 스파이더의 수지 흐름 통로, 및 다이와 맨드렐을 FEP(copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene) 수지로 초도(初塗) 코팅하고, 내마모성 및 내열성이 우수한 PFA(copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoroalkyl vinyl ether) 불소 수지를 사용하여 상도(上塗) 코팅하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실험에서 사용되는 불소 수지의 소결 온도와 시간은 각각 초도의 경우에 350∼430℃, 5∼25분이고, 상도의 경우에는 380∼450℃, 30∼80분이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 따라 설명한다. 첨부 도면의 실시예가 본 발명의 정신과 범위를 제한하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 가교 폴리에틸렌 파이프 압출 장치를 개략적으로 도시한 횡단면도이다. 가교제와 산화방지제가 혼합된 폴리에틸렌 분말이 직경 18 mm의 바디 하부 (9)를 통과한 후 설정 온도 140∼180℃의 일체형 어댑터 (17)를 경유하여 반용융 상태에서 파이프 형상으로 만들기 위한 토피도(torpedo) 부분을 지나게 되는데 이때 생산량 증대를 위해 본 발명에서 새로 고안된 장치인 토피도 (1)의 스파이더 렉 (12)을 제외한 나머지 환형 용융 수지 흐름 통로 (10)를 통하여 압출되어 다이 (6)와 맨드렐 (7) 사이에서 합쳐져 파이프 형태로 압출되는 것을 도시한 것이다. 이때 본 발명의 실시예에 예시된 길이가 600 내지 800 mm인 맨드렐 (7)은 토피도 내부의 열매체유 순환통로 (15)를 통과하며 순환되는 열매체유(熱媒體油)에 의해 가열되거나 혹은 원활한 작업을 위하여 열매체유의 순환없이 단지 토피도의 외부만을 설정온도 140∼180℃로 하여 압출할 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 바디 상부의 평면도를 도시한 것으로, 원료 투입 부분 (23)이 종래의 장치보다 확장됨으로써 충분한 양의 원료가 공급될 수 있다.

도 3은 바디 상부 (8)에 라이너 (2)가 설치된 것을 도시한 것으로 원료가 라이너를 통하여 투입되고 피스톤이 압력을 가하여 수지를 압출하는 것을 나타낸 것이다. 라이너의 구조를 개선하여 피스톤의 압축 행정 거리(20)를 기존의 장치와 비교하여 50∼80% 이상 증가시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 토피도의 횡단면도를 도시한 것으로 토피도 내경의 크기를 확대하여 수지 흐름 통로 (10)의 단면적을 넓혀 압출되는 수지의 양을 증가시킨 것이다.

도 5는 토피도 (1)의 스파이더 부분에 대한 배면도로서 수지가 압출되는 부분 (10)과 스파이더 렉 (12)이 명확히 구분될 수 있도록 도시한 것이다.

도 6은 어댑터와 어댑터 조인트의 일체형 (17) 구조를 도시한 것으로 반용융 상태의 수지이송을 용이하게 하기 위한 것이다.

도 7은 반용융 상태의 수지가 충분한 압력을 받을 수 있도록 다이 내면에 압축부 (13)를 형성한 것을 도시한다.

본 발명의 여러 가지 실시예가 본 명세서에 상세히 예시 및 도시되었지만 후술하는 특허 청구 범위에서 기술되는 본 발명의 정신과 범위에서 벗어남이 없이 상기 실시예에 대한 변경과 변형을 가할 수 있다는 것을 당업자들은 명백히 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 본 발명은 예시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니며 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 제한된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 제공된 피스톤, 바디 상부 및 라이너, 불소 수지로 코팅된 토피도, 일체형 어댑터, 및 다이를 가교화 파이프 제조용 압출기에 이용하여 가교 파이프를 압출시키면 압출 생산성을 100% 이상 증가시킬 수 있으며, 제조된 파이프의 외관 및 기능도 대폭 향상시킬 수 있다.

본 발명의 개선된 가교화 폴리에틸렌관 제조용 압출기를 하기와 같은 조건하에서 실험한 결과 압출 생산성은 기존의 1.5 m/분에서 3.0 m/분 이상으로 100% 이상 증가하였고, 또한 압출된 가교 파이프를 KS M 3357에 의거평가한 결과 KS 규격(가교도 : 75% 이상, 내압 크리이프 : 새거나 파열 없음, 내열성 : 평균 변화율 3 %이하)을 충족하는 가교 파이프를 얻을 수 있었다.

파이프 규격 : Φ 15 mm (KS M 3357)

Claims

가교화 폴리에틸렌관 압출 장치에 있어서,

a) 어댑터와 어댑터 조인트가 일체형 구조로 형성되어 있고 내경이 15 내지 20 mm이고 길이가 80 내지 150 mm인 일체형 어댑터;

b) 내경이 24 내지 38 mm이고, 외경이 32 내지 46 mm인 환형 용융 수지 흐름 통로를 지지 부재와의 사이에 가지며, 상기 환형 흐름 통로의 다수 부분에는 각각 자신을 지지하는 스파이더 렉(spider leg)을 가지는 토피도;

c) 압축 행정 거리가 17 내지 25 mm이고, 외경이 16 내지 20 mm인 피스톤;

d) 높이가 25 내지 40 mm이고, 내경이 16 내지 20 mm이며, 원료 투입구가 중앙에 형성되는 라이너;

e) 길이가 600 내지 800 mm인 맨드렐; 및

f) 길이가 600 내지 800 mm이며 내경의 소정 위치에 다이의 중심축 방향으로 1 내지 3 mm 돌출된 환형 돌출부를 갖는 다이 - 여기서 돌출부는 상기 다이와 토피도 사이에 환형 압축부를 제공함 -

를 포함하는 가교화 폴리에틸렌관 압출 성형 장치.
제1항에 있어서, 상기 토피도의 내경이 30 내지 35 mm인 가교화 폴리에틸렌관 압출 성형 장치.
제1항에 있어서, 상기 토피도의 표면이 FEP 수지 및 PFA 수지로 도포되는 가교화 폴리에틸렌관 압출 성형 장치.
제1항에 있어서, 상기 토피도 및 맨드렐이, 외부 가열 장치와 연결되는 가열용 열매체유의 순환통로를 내부에 갖는 가교화 폴리에틸렌관 압출 성형 장치.
제1항에 있어서, 상기 돌출부가 스파이더 렉의 후방부와 토피도의 엣지 사이의 소정 위치에 형성되어 상기 다이와 토피도 사이에 환형 압축부를 제공하는 가교화 폴리에틸렌관 압출 성형 장치.
가교화 폴리에틸렌관을 제조하는 방법에 있어서,

a) 어댑터와 어댑터 조인트가 일체형 구조로 형성되어 있고 내경이 15 내지 20 mm이고 길이가 80 내지 150 mm인 일체형 어댑터;

b) 내경이 24 내지 38 mm이고, 외경이 32 내지 46 mm인 환형 용융 수지 흐름통로를 지지 부재와의 사이에 가지며, 상기 환형 흐름 통로의 다수 부분에는 각각 자신을 지지하는 스파이더 렉(spider leg)을 가지는 토피도;

c) 압축 행정 거리가 17 내지 25 mm이고, 외경이 16 내지 20 mm인 피스톤;

d) 높이가 25 내지 40 mm이고, 내경이 16 내지 20 mm이며, 원료 투입구가 중앙에 형성되는 라이너;

e) 길이가 600 내지 800 mm인 맨드렐; 및

f) 길이가 600 내지 800 mm이며 내경의 소정 위치에 다이의 중심축 방향으로 1 내지 3 mm 돌출된 환형 돌출부를 갖는 다이 - 여기서 돌출부는 상기 다이와 토피도 사이에 환형 압축부를 제공함 -

를 포함하는 가교화 폴리에틸렌관 압출 성형 장치를 이용하여 가교화 폴리에틸렌관을 제조하는 방법.