KR100400274B1 - 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법 및 그 성형품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)의 성형방법 및 그러한 방법에 의해 생산되는 성형물에 관한 것이다. 이를 위해, 분말상태의 PCTFE를 120 ∼ 180℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 건조하여 수분과 불용가스를 제거하는 준비단계(S10a); 소정형상의 금형(20, 30, 40)을 350 ∼ 380℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 예열하는 준비단계(S10b); 상기 PCTFE 분말을 예열된 상기 금형(20, 30, 40)에 충분히 담은 후 개방상태에서 250 ∼ 280℃의 온도를 4시간 ∼ 6시간정도 유지시켜 원료를 용융시키는 단계(S20); 상기 금형(20, 30, 40)을 닫은 폐쇄상태에서 100 ∼ 200톤의 압력으로 20 ∼ 40분동안 가압하는 단계(S30); 상기 금형(20, 30, 40)에 100톤 미만의 압력을 20 ∼ 40분동안 가하여 고형화하는 단계(S40); 상기 금형(20, 30, 40)을 제거한 뒤, 고형화된 PCTFE를 180 ∼ 230℃의 온도에서 4 ∼ 6시간 정도 후열처리하는 단계(S50); 및 고형화된 상기 PCTFE를 상온까지 자연냉각시키는 서냉단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법 및 그 성형품{Forming Method Of Polychlorotrifluoro Ethylene And Forming Product Thereof}

본 발명은 폴리클로로트리플루오로에틸렌에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법 및 그러한 방법에 의해 생산되는 성형물에 관한 것이다.

일반적으로 폴리클로로트리플루오로에틸렌(Polychlorotrifluoro Ethylene, , 3불화수지, 이하 PCTFE 라함)은 212 ∼ 217℃의 융점을 갖는 열가소성수지이다. 그러나 종래의 플라스틱에 비해 성형원료분말의 체적밀도가 상당히 작고, 열전도도가 작으며, 용융온도 및 점도가 높으므로 가공온도 및 가공압력이 높고, 성형온도범위가 좁은 특성(융점, 212 ∼ 217℃)이 있다. 또한, 가공후 냉각하거나 서냉하는데 따라서 결정화를 제어할 수 있으므로 성질이 다른 제품을 얻을 수 있다.

따라서, 4불화수지인 종래의 PTFE, PFA(Perfluoroalkoxy Fluororesins) 등에는 없는 고유의 특성을 가지고 있으며, 특히 저온환경에서 밸브, 시트(seat) 등과 같은 부품에서 더욱 우수한 기계적 특성을 갖고 있고 있다. 특히 경도가 강하고 가공성이 양호하여 PTFE를 쓸 수 없는 가공제품(예를 들어, 볼트, 너트, 와셔, 엘보우, 반도체 장비부품 등)에 적합하다. 특히 내화학성이 높아 반도체 장비생산에 사용되는 독극물, 강화합물을 처리하는 파이프, 밸브, 관이음, 노즐 등에 매우 적합하다.

종래에는 테프론 소재인 PTFE를 이용하여 관이나 판재형상으로 성형한 뒤, 밀링 또는 선반가공 등의 기계가공을 통해 설계형상을 제작하여 사용하였다. 그러나 PTFE 소재는 경도가 떨어지는 단점이 있다. 또한 PTFE 소재는 일반적으로 압축후 열처리하는 과정을 거치는데 이 과정에서 기포가 발생하여 포함되면 불량판정이 나기 때문에 문제점으로 지적되고 있었다. 또한 PTFE의 결정을 현미경으로 살펴보면 미세한 구멍이 다수 형성되어 있는 것을 알 수 있는데, 이러한 미세한 구멍에 미생물이 번식함으로써 청결이나 위생이 문제시 되었다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 종래의 PTFE 소재를 PCTFE 소재로 대체하고자 하는 시도가 있다. 그러나, PTFE 소재를 단지 PCTFE 소재로 대체할 경우 온도범위가 달라 고형화가 이루어지지 않으므로 단순히 소재만을 대체할 수 없었다. 특히, PCTFE 소재는 1g당 300원을 호가하는 고가의 소재이므로 성형과정에서 기포가 포함되어 불량으로 판정날 경우 재생이 불가능하기 때문에 경제적 손실도 매우 크다는 어려움이 있다.

PCTFE 소재는 사출이 가능한 반면, 용융상태에서 점도가 매우 높기 때문에 사출시 사출속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 따라서, 경제성이 떨어지고 대량생산이 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 원하는 기계적 특성을 유지하면서도 신뢰성 있는 PCTFE 소재의 새로운 성형방법이 요구되어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1 목적은 기계 가공의 대상이 되는 봉재, 관재, 판재를 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)으로 성형하는 방법 및 그 성형물을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 PCTFE의 성형과정에서 기포의 발생을 없애고, 불용가스를 제거하여 불량이 없는 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법 및 그 성형품을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은 성형된 폴리클로로트리플루오로에틸렌에 후열처리 공정을 추가함으로써 성형품의 경도를 높을 수 있는 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법 및 그 성형품을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 분말상태의 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 120 ∼ 180℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 건조하여 수분과 불용가스를 제거하는 준비단계(S10a);

소정형상의 금형(20)을 350 ∼ 380℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 예열하는 준비단계(S10b);

상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌(26) 분말을 예열된 상기 금형(20)에 충분히 담은 후 개방상태에서 250 ∼ 280℃의 온도를 4시간 ∼ 6시간정도 유지시켜 원료를 용융시키는 단계(S20);

상기 금형(20)을 닫은 폐쇄상태에서 100 ∼ 200톤의 압력으로 20 ∼ 40분동안 가압하는 단계(S30);

상기 금형(20)에 100톤 미만의 압력을 20 ∼ 40분동안 가하여 고형화하는 단계(S40);

상기 금형(20)을 제거한 뒤, 고형화된 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 180 ∼ 230℃의 온도에서 4 ∼ 6시간 정도 후열처리하는 단계(S50); 및

고형화된 상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 상온까지 자연냉각시키는 서냉단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법에 의하여 달성된다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은 앞서 기재된 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법에 의해 성형된 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형품에 의해서도 달성될 수 있다.

그리고, 상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 형상은 판재, 봉재, 관재중 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 다양한 성형품의 사시도,

도 2는 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 관형으로 성형하기 위한 관형금형의 분해 사시도,

도 3은 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 봉형으로 성형하기 위한 봉형금형의 분해 사시도,

도 4는 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 판재형으로 성형하기 위한 판재형금형의 분해 사시도,

도 5는 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌이 채워진 금형을 프레스에 설치하여 가압하는 과정을 개략적으로 나타낸 정면도,

도 6은 본 발명에 따른 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법의 흐름도이다.

<주요 도면 부호에 대한 간단한 설명>

10 : 판재형 PCTFE, 12 : 관형 PCTFE,

13, 14 : 봉형 PCTFE, 20 : 관형 금형,

21, 31, 41 : 바디금형, 23, 33, 43 : 뚜껑금형,

25, 35, 45 : 바닥금형, 26 : PCTFE 분말,

27 : 코어금형, 50 : 프레스.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)의 다양한 성형품의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, PCTFE는 판재(10), 관재(12),봉재(13, 14) 형상으로 성형된다. 이렇게 성형된 성형품은 밀링가공, 선반가공 등의 기계가공을 통해 볼트, 너트, 밸브, 관이음, 노즐 등의 부품으로 거듭나게 된다.

그리고, 이러한 PCTFE 성형품은 반투명의 우유빛을 띄고 있으며, 기계가공이 가능할 만큼의 충분한 경도와 강도를 갖고 있다. 또한 추후 설명될 금형의 다양한 형상에 따라 다양한 성형품의 성형이 가능하다.

도 2는 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 관형으로 성형하기 위한 관형금형(20)의 분해 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 관(Pipe)재 성형품(12)을 제작하기 위해서는 희망하는 직경, 내경, 길이를 갖는 바디금형(21)와 상기 바디금형(21) 속에 끼워지는 코어금형(27)을 준비한다. 그리고, 하부에 바닥금형(25)을 끼운 후, PCTFE 분말(26)을 바디금형(21) 내부로 채워넣는다. 실제로 원료상태인 PCTFE 분말(26)은 소금과 같은 결정크기를 갖고 있으므로 도 2에 도시된 바와 같이, 바디금형(21)의 윗부분까지 수북하게 쌓는다. 바닥금형(25)과 뚜껑금형(23)은 추후 설명될 가압공정(S30)에서 축선방향 가압에 의해 바디금형(21)의 내부로 삽입된다.

도 3은 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 봉형으로 성형하기 위한 봉형금형(30)의 분해 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 봉형금형(30)은 바디금형(31)과 뚜껑금형(33) 및 바닥금형(35)으로 이루어져 있다. 그리고, 뚜껑금형(33)과 바닥금형(35)은 바디금형(31)의 내경에 끼워져 가압에 의해 밀려 들어갈 수 있다. PCTFE 분말(26)을 채워 넣는 방법은 도 2에서 설명한 것과 동일하다.

도 4는 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 판재형으로 성형하기 위한 판재형금형(40)의 분해 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 판재형금형(40)은 바디금형(41)과 뚜껑금형(43) 및 바닥금형(45)으로 이루어져 있다. 그리고, 뚜껑금형(43)과 바닥금형(45)은 바디금형(41)의 내경에 끼워져 가압에 의해 밀려 들어갈 수 있다. PCTFE 분말(26)을 채워 넣는 방법은 도 2 및 도 3에서 설명한 것과 동일하다.

도 5는 본 발명에 따라 폴리클로로트리플루오로에틸렌이 채워진 금형을 프레스에 설치하여 가압하는 과정을 개략적으로 나타낸 정면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 프레스(50)의 내부에 금형(20)이 수직압축을 받을 수 있도록 설치된다. 그리고, 프레스(50)는 최대 200톤 이상의 용량을 갖는 것이 바람직하고, 성형조건에 따라 압축력을 적절히 조절할 수 있어야 한다.

도 6은 본 발명에 따른 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법의 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 성형방법은 크게 준비단계(S10a, S10b), 용융공정(S20), 가압공정(S30), 고형화공정(S40), 금형제거 및 후열처리공정(S50), 서냉공정(S60)으로 대별된다.

우선, 준비단계에서, 소금과 같이 퍼석퍼석한 분말상태의 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 120 ∼ 180℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 건조한다(S10a). 이와 같은 건조를 통해 분말내에 포함된 수분 및 분말에서 자체적으로 발생하는 불용가스(또는 유해가스)를 제거한다. 이러한 수분과 불용가스는 후공정에서 기포의 발생 가능성을 줄이는 역활을 하기 때문이다. 특히 예열온도가 너무 낮을 경우 예열의 효과가 떨어지고, 예열온도가 높을 경우 PCTFE 분말이 국부적으로 용융되는 현상이 발생한다.

그리고, 또 다른 준비단계로서 봉재, 관재 또는 판재 형상의 금형(20, 30, 40)을 350 ∼ 380℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 예열한다(S10b). 이와 같은 예열공정이 없을 경우 PCTFE 분말의 용융시간이 늘어나고, 가열시 국부적인 용융이 발생하여 성형품의 품질이 불균일해지는 단점이 있다. 따라서, 균일한 용융이 신속히 일어나기 위해서는 일정한 온도의 유지가 필수적이다. 예열시간을 2시간 ∼ 4시간으로 유지하는 것은 금형 전체에 열분포를 균일해지록 하기 위한 것으로써, 금형의 체적, 재질 등에 따라 예열시간을 적절히 조절한다.

그 다음, PCTFE 분말(26)을 예열된 상기 금형(20, 30, 40)에 충분히 담은 후 개방상태에서 250 ∼ 280℃의 온도를 4시간 ∼ 6시간정도 유지시켜 원료를 용융시킨다. 이 때, PCTFE 분말(26)은 바디금형(21)의 윗부분까지 수북히 쌓이도록 충분히 담는다. 이는 분말(26) 사이의 공극으로 인해 용융시 체적이 줄어들기 때문이다. 용융된 PCTFE 소재는 점성이 높은 진득진득한 액체로 변하여 4시간 ∼ 6시간을 유지하게 된다. 용융온도 범위는 용융시간을 결정하게 되고, 성형품의 색상을 결정하게 된다. 앞서 기술한 바와 같이 PCTFE 소재는 성형온도범위가 좁은 특성이 있기 때문에 250 ∼ 280℃의 온도를 유지하는 것이 중요하다.

그 다음, 상기 금형(20, 30, 40)을 뚜껑금형(23, 33, 43)으로 닫은 폐쇄상태에서 100 ∼ 200톤의 압력으로 20 ∼ 40분동안 가압한다(S30). 이는 PCTFE 소재는 용융상태에서 점도가 높기 때문에 고압을 가해 조직을 치밀하게 하고, 기포를 제거하기 위함이다.

그 다음, 금형(20, 30, 40)에 100톤 미만의 압력을 20 ∼ 40분동안 가하여 고형화한다(S40). 이 단계에서는 별도의 가열이 이루어지지 않으므로 실제로는 냉각되면서 PCTFE 소재의 고형화가 이루어진다. 고형화단계에서도 압력을 가하는 이유는 PCTFE 소재의 조직을 치밀하게 하고, 기포를 제거하기 위함이다. 또한, PCTFE 소재의 물성중 하나는 가공후 냉각하거나 서냉하는데 따라서 결정화를 제어할 수 있다는 것이므로, 상기와 같은 고형화공정을 통해 기계부품으로 사용이 적합한 성형품을 얻을 수 있는 것이다.

그 다음, 금형(20, 30, 40)을 제거한 뒤, 고형화된 PCTFE를 180 ∼ 230℃의 온도에서 4 ∼ 6시간 정도 후열처리한다(S50). 이러한 후열처리후 공정은 성형품의 경도를 상승시키기 위한 것으로, PCTFE 소재 자체의 물성을 이용한 것이다.

그 다음, 고형화된 상기 PCTFE를 상온까지 자연냉각시켜 성형을 완성한다(S60). 실제 제작공정에서는 오븐(미도시)의 전원을 차단하여 대기중에서 서시히 냉각되도록 한다.

이렇게 완성된 성형품은 밀링가공, 선반가공 등을 통해 정확한 치수의 볼트, 너트, 밸브, 관이음, 노즐, 파이프 등의 부품으로 완성되게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법 및 그 성형품의 구체적인 실시에에 대해 설명하기로 한다.

[실시예]

준비공정에서, 소금과 같이 퍼석퍼석한 상태의 PCTFE 분말을 오븐에서 150℃, 3시간 동안 건조하여 수분과 불용가스를 제거하였다. 그리고, 금형(20, 30, 40)을 365℃에서 약 3시간 정도 예열하였다.

성형품의 크기는 판재의 경우 500 x 500mm, 봉재의 경우 직경 50mm, 길이 400mm, 관재의 경우 외경 900mm이다.

원료용융공정에서, 바디금형(21)을 바닥금형(25)으로 막은 후, 건조된 PCTFE 분말(26)을 윗부분까지 수북히 채웠다. 이러한 금형 개방상태에서 265℃, 5시간을 유지하였다. PCTFE 분말(26)은 용융되면서 기포를 배출하고, 고점성의 액상으로 변화하였다.

가압공정에서, 오븐(미도시)에서 금형을 꺼내 뚜껑금형(23, 33, 43)을 닫은 후, 프레스(50)에 넣어 150톤의 하중으로 30분 동안 가압하였다.

고형화공정에서, 하중을 수십톤 정도로 낮추고 약 30분 동안 유지하여 냉각과 함께 고형화가 완료되게 하였다.

금형제거 및 후열처리공정에서, 금형으로부터 성형품을 뽑아낸 다음, 200℃에서 5시간 동안 유지시켜 후열처리를 하였다. 이러한 후열처리공정을 통해 성형품의 경도는 9.0에서 9.5 정도로 상승하였다.

서냉공정에서는 후열처리를 끝낸 성형품을 자연냉각시켜 상온에 이르게 함으로써 완성하였다.

상기와 같은 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법 및 그 성형품에 의하면, 우수한 기계적 특성을 갖는 PCTFE 성형품이 완성된다.

또한 성형과정에서 기포의 발생을 없애고, 불용가스를 제거하여 불량이 없는 PCTFE를 얻을 수 있다. PCTFE 소재의 원료값이 매우 고가이고, 성형된 성형품은 다시 녹여서 사용할 수 없다는 점을 감안하면 본 발명은 경제적인 잇점이 매우 높다고 할 수 있다.

또한, 후열처리 공정을 추가함으로써 성형품의 경도가 높아진다. 이로써, 최종 생산품인 볼트, 너트, 밸브, 노즐 등의 기계적 특성 및 가공성도 함께 향상된는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (3)

1. 분말상태의 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 120 ∼ 180℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 건조하여 수분과 불용가스를 제거하는 준비단계(S10a);

   소정형상의 금형(20, 30, 40)을 350 ∼ 380℃의 온도에서 2시간 ∼ 4시간정도 예열하는 준비단계(S10b);

   상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌(26) 분말을 예열된 상기 금형(20, 30, 40)에 충분히 담은 후 개방상태에서 250 ∼ 280℃의 온도를 4시간 ∼ 6시간정도 유지시켜 원료를 용융시키는 단계(S20);

   상기 금형(20, 30, 40)을 닫은 폐쇄상태에서 100 ∼ 200톤의 압력으로 20 ∼ 40분동안 가압하는 단계(S30);

   상기 금형(20, 30, 40)에 100톤 미만의 압력을 20 ∼ 40분동안 가하여 고형화하는 단계(S40);

   상기 금형(20, 30, 40)을 제거한 뒤, 고형화된 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 180 ∼ 230℃의 온도에서 4 ∼ 6시간 정도 후열처리하는 단계(S50); 및

   고형화된 상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌을 상온까지 자연냉각시키는 서냉단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법.
2. 제 1 항에 기재된 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형방법에 의해 성형된폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형품.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 형상은 판재, 봉재, 관재중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폴리클로로트리플루오로에틸렌의 성형품.