KR100460735B1 - 압출 다이 및 용융 고분자 압출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 필름 제조를 위한 압출 다이 및 압출 방법에 관한 것으로서, 다이 양단부로부터 5 내지 300㎜인 단부 토출속도(V0edge)가 중앙부 토출속도 (V0center)에 비해 1.1 내지 6.0배 빠르게 용융 수지를 토출시킴으로써 극박 필름에서 양단부의 떨림 현상이 없는 고분자 필름을 제조하기 위한 압출 다이 및 압출 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 고분자 필름의 제조에 사용되는 압출 다이와 이를 이용한 고분자 수지의 압출 방법에 관한 것이다.
통상적으로 열가소성 수지 쉬트를 제조하는 방법은 아래와 같다.
우선, 중합반응에 의하여 생성된 칩을 건조한 다음, 다이로부터 박막상으로 압출시킨 용융 수지를 냉각수의 순환에 의해 표면 온도가 저온으로 유지되면서 회전하는 캐스팅 드럼 위로 방류시킨다.
캐스팅 드럼의 인입부에는 정전 인가 장치가 설치되어 있으며, 정전 인가 장치에 의해 고전압이 인가되어 정전인가장치 부근의 공기가 이온화됨으로써 캐스팅 드럼 표면을 대전시켜 용융 수지가 드럼에 밀착된 상태에서 냉각되어 시트가 된다.
캐스팅 드럼으로 부터 얻어진 시트는 캐스팅 드럼의 회전에 따라 이동하게되고, 캐스팅 드럼과 함께 이동하다가 드럼으로 부터 떨어진 시트는 필름 박리부로 반송된다.
필름 박리부로 부터 반송된 필름은 박리롤에 의해 필름연신부로 반송되며, 종축연신부와 횡축연신부를 거치면서 종축연신 및 횡축연신이 이루어지므로써 이축연신필름이 얻어지고, 이러한 이축연신필름은 권취부로 반송되어 권취롤에서 권취된다.
필름에 있어서 가장 중요한 특성 가운데 하나는 두께 균일도인데, 이에 대한 조정은 다이에서 이루어지기 때문에, 다이립에서 토출되는 용융 수지의 속도를 전폭에 걸쳐 일정하게 유지하는 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
이에 따라 미합중국 특허 제3,940,221호에서는 열변위식 다이가 제안되었고, 일본국 특허 특공소57-1409호 및 미합중국 특허 제3,761,533호에서는 볼트식 다이가 제안되었으며, 대한민국 실용신안 제2023670호에서는 수지 온도 조정식과의 병용을 제안하였고, 대한민국 특허 제1894029호에서는 양면 조작식 방법이 제안되었으나, 양단부의 떨림 현상이 발생하여 궁극적으로는 단부가 제품으로써의 유용성이 없으며, 특히 박막 필름에서는 단부의 떨림 현상으로 전체 필름 물성이 불균형해지는 문제가 발생하였다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 양단부의 떨림 현상이 없는 고분자 필름을 제조할 수 있는 압출 다이 및 압출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 다이 토출 속도의 개략도
도 2는 본 발명에 따른 다이 히터의 개괄도
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 멜트 드로우(ε)를 높여줌으로써 두께가 낮은 필름을 성형하는 용융 고분자 수지의 압출 방법에 있어서, 압출 다이의 양단부로부터 5 내지 300㎜인 단부 토출속도(V0edge)가 중앙부 토출속도(V0center)에 비해 1.1 내지 6.0배 빠른 것을 특징으로 한다.
도 1은 다이 토출 속도의 개략도로써, 단부 토출속도를 V0edge라고하고 중앙부 토출속도를 V0center라고 할때, 토출속도비(V0edge/V0center)가 1.1 내지 6.0배로 되는 경우, 멜트 드로우(melt draw)가 높게되어 시트 단부에 발생되는 단부 떨림현상을 방지할 수 있게 된다.
다이에서의 용융 수지의 토출 속도를 V0라고 하고, 캐스팅 드럼의 선속도를 V1이라고 할 때, 다이에서 토출되는 용융 수지의 속도와 그 수지를 당기는 속도와의 비인 용융 수지의 멜트 드로우(ε)는 수학식 1과 같이 정의된다.
이때, 멜트 드로우(ε)의 변화 영역이 넓을 수록 공정의 가변성이 개선되게 된다. 예를 들어 다이의 립갭(Lip gap)이 1㎜인 경우 멜트 드로우(ε)가 10이라면, 시트의 두께는 100㎛이 되고, 이를 종방향및 횡방향에 걸쳐 연신비 10으로 연신함으로써 두께가 10㎛인 필름이 생산된다.
이러한 원리를 적용하여 두께가 5㎛인 필름을 생산하는 방법은 3가지로써 요약될 수 있다.
우선, 립갭이 0.5㎜인 다이로 교환하여 멜트 드로우(ε)가 10인 조건에서, 시트의 두께를 50㎛로 하고, 이를 종방향및 횡방향에 걸쳐 연신비 10으로 연신시키면 두께가 5㎛인 필름이 생산된다.
그러나 이러한 방법은 다이를 새로 제작해야하기 때문에 비용이 많이 들고, 다이 교환에 따른 시간적인 손실이 크게 발생한다.
두번째 방법으로는, 연신비를 기존의 2배인 20으로 연신시킴으로써 두께가 5㎛인 필름을 생산하는 것인데, 종래의 설비에 의해 연신비를 최초 설계치보다 50%초과하는 가변은 불가능하기 때문에 새로운 설비의 제작을 필요로 하게 된다.
이에 반해, 멜트 드로우(ε)를 20으로 하여, 시트의 두께를 50㎛로 하고, 이를 종방향및 횡방향에 걸쳐 연신시킴으로써 두께가 5㎛인 필름을 생산하는 방법은, 캐스팅 드럼의 선속도(V1)를 크게하여 멜트 드로우(ε)를 높여주는 것으로써 가장 간단하게 적용할 수 있으나, 시트 양단부에서 떨림 현상이 발생하게 된다.
따라서 본 발명자는 필름의 두께를 낮추기 위해 캐스팅 드럼의 선속도(V1)를 크게하여 멜트 드로우(ε)를 높여줌에 있어서, 단부에서의 속도 프로파일을 변화시켜 폭방향으로 멜트 연신비를 다르게 적용할 수 있는 방법 및 장치를 개발하여 양단부에서의 떨림 현상을 방지할 수 있게 하였다.
속도 프로파일의 변화는 토출속도비(V0edge/V0center)로써 표현되는데, 토출속도비는 1.1 내지 6.0배로 조절하는 것이 적절하며, 2.0 내지 5.0배로 조절하는 것이 더욱 바람직하다.
이때, 토출속도비가 1.1배 미만인 경우에는 떨림 현상 개선효과가 없고, 6.0배를 초과하는 경우에는 점도가 너무 낮아져 토출 속도가 빨라짐으로써 쉬트가 형성되지 않는 문제가 있다.
용융 수지의 점도에 영향을 주는 인자로써는 분자 형태(configuration), 분자량, 농도, 압력, 온도 등이 있으나, 양단부의 히터 온도를 중앙부의 히터 온도보다 2 내지 100℃ 높게 설정하여 용융 수지의 점도를 낮춤으로써, 점도 감소에 의한 토출양의 증가로써 토출속도비(V0edge/V0center)가 조절될 수 있게 된다.
이러한 방법을 구현하기 위한 장치는 용융 수지 토출용 다이의 승온을 위하여 다이를 감싸고 있는 히터를 다이폭 방향으로 여러 방향에 걸쳐 나누어 배치하고 각각의 부분을 독립적으로 제어할 수 있도록 구성함으로써 가능해 진다.
도 2는 본 발명에 따른 다이 히터의 개괄도로서, 전체 폭이 1350㎜인 히터에 총 n개(이때 n은 3보다 큰 정수이다)의 개별 제어 블록으로 구성하는데, 1번째와 n번째 히터는 다이 양단부에 설치되고, 2번째 내지 (n-1)번째 히터는 다이의 앞면, 뒷면 및 윗면을 감싸고 있는 "ㄷ"자 모양의 개별적인 3개의 히터가 1개의 블럭을 형성하여 운전되도록 구성되어 있으며, 각각의 폭은 150㎜로 되어 있다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 자세하게 설명하기로 하나, 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예로 인하여 제한되는 것은 아니다.
<실시예1>
에스테르화 반응에 의하여 생성된 폴리에스테르칩을 건조한 다음, 도 2에서와 같이 다이갭이 0.8㎜이고, 폭이 1350㎜이며, 다이에는 11개의 개별 제어 블록으로 히터가 나뉘어져 있고, 이중 1번과 11번 히터는 다이 양단부 1개의 히터로 구성되어 있으며, 2번 내지 10번 히터는 다이 앞면, 윗면, 뒷면을 감싸고 있는 "ㄷ"자 모양의 3개의 히터가 1개의 블록으로 운전되고 있으며, 각각 히터의 온도는 표1과 같이 1번과 11번 히터의 온도가 290℃, 2번과 10번 히터의 온도가 285℃, 3번 내지 9번 히터의 온도가 280℃가 되도록 하여 다이로 부터 V0edge가 4.2m/min., V0center가 3m/min.로 되어 V0edge/V0center가 1.4인 토출속도비로 압출시킨 용융 수지를 다이로 부터 15㎜ 떨어지고 냉각수의 순환에 의해 표면 온도가 상온으로 유지되면서 회전하는 지름 1500㎜, 폭 길이 1650㎜의 캐스팅 드럼 위로 방류시킨다.
캐스팅 드럼에서 얻어진 시트는, 통상의 방법에 의해 종축연신부와 횡축연신부를 거치면서 종축연신 및 횡축연신이 이루어지므로써 두께가 5㎛인 이축연신필름이 얻어졌으며, 시트 폭과 단부떨림, 필름 두께 변화 및 파단횟수를 측정하여 그 결과를 표2에 나타내었다.
토출속도비 | 히터별 온도 | |||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | ||
실시예1 | 1.4 | 290 | 285 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 285 | 290 |
실시예2 | 2.0 | 300 | 290 | 280 | 270 | 270 | 270 | 270 | 270 | 280 | 290 | 300 |
비교예1 | 1.0 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 |
비교예2 | 7.0 | 350 | 320 | 300 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 320 | 350 |
<실시예2>
실시예1과 동일한 방법과 장치를 사용하되, 표1과 같이 1번과 11번 히터의 온도가 300℃, 2번과 10번 히터의 온도가 290℃, 3번과 9번 히터의 온도가 280℃, 4번 내지 8번 히터의 온도가 270℃가 되도록 하여 다이로 부터 V0edge가 6m/min., V0center가 3m/min.로 되어 V0edge/V0center가 2인 토출속도비로 압출시켜 시트를 얻었으며, 시트 폭과 단부떨림, 필름 두께 변화 및 파단횟수를 측정하여 그 결과를 표2에 나타내었다.
<비교실시예1>
실시예1과 동일한 방법과 장치를 사용하되, 표1과 같이 모든 히터의 온도를 280℃로 하여 다이로 부터 V0edge가 3m/min., V0center가 3m/min.로 되어 V0edge/V0center가 1.0인 토출속도비로 압출시켜 시트를 얻었으며, 시트 폭과 단부떨림, 필름 두께 변화 및 파단횟수를 측정하여 그 결과를 표2에 나타내었다.
<비교실시예2>
실시예1과 동일한 방법과 장치를 사용하되, 표1과 같이 1번과 11번 히터의 온도가 350℃, 2번과 10번 히터의 온도가 320℃, 3번 내지 9번 히터의 온도가 280℃가 되도록 하여 다이로 부터 V0edge가 21m/min., V0center가 3m/min.로 되어V0edge/V0center가 7.0인 토출속도비로 압출시켜 시트를 얻었으며, 시트 폭과 단부떨림, 필름 두께 변화 및 파단횟수를 측정하여 그 결과를 표2에 나타내었다.
시트폭(㎜) | 단부떨림(㎜) | 두께편차(㎛) | 파단횟수 | |
실시예1 | 1270 | 0.4~0.7 | ±0.07 | 1 |
실시예2 | 1290 | 0.3~0.5 | ±0.05 | 0 |
비교예1 | 1250 | 1.0~2.0 | ±0.10 | 5 |
비교예2 | 쉬트 형성이 되지 않아 측정 불가능 |
<평가 방법>
- 시트 폭
쉬트가 캐스팅 드럼에 밀착된 다음, 감마선(γ-ray) 측정기를 사용하여 폭을 측정하였다.
- 단부 떨림
다이와 시트가 캐스팅 드럼에 밀착되기 시작하는 지점의 가운데 부분을 자를 사용하여 육안으로 관측하였다.
- 두께 변화
쉬트 폭 측정방법과 동일하게 감마선(γ-ray) 측정기를 사용하여 두께 변화를 측정하였다.
- 파단횟수
횡연신 공정에서 발생되는 일간(日刊) 파단 횟수로써 평가하였다.
표 2의 결과로 부터 알수 있듯이, 토출속도비가 1.1 내지 6.0인 실시예1 및 실시예2의 경우 토출속도비가 1.0인 비교실시예1에 비해 모든 물성이 우수하였으며, 특히 토출속도비가 2.0 내지 5.0인 실시예2가 실시예1에 비해 더욱 우수하였다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 양단부의 떨림 현상이 없는 고분자 필름을 제조할 수 있는 바람직한 발명인 것이다.
본 발명은 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다.
Claims (3)
- 멜트 드로우(ε)를 높여줌으로써 박막의 필름을 성형하는 용융 고분자의 압출 방법에 있어서, 다이 양단부로부터의 거리가 5 내지 300㎜인 단부에서의 토출속도 (V0edge)가 중앙부에서의 토출속도(V0center)에 비해 1.1 내지 6.0배 빠른 것을 특징으로 하는 용융 고분자의 압출 방법.
- 제1항에 있어서, 단부 토출속도가 중앙부 토출속도에 비해 2.0 내지 5.0배 빠른 것을 특징으로 하는 용융 고분자의 압출 방법.
- 멜트 드로우(ε)를 높여줌으로써 박막의 필름을 성형하는 압출기용 압출 다이에 있어서, 다이가 1350㎜의 폭을 지니고, 독립적으로 제어되는 n개(이때 n은 3보다 큰 정수이다)의 히터 블록으로 이루어 지며, 상기 블록에서 1번째와 n번째 히터는 다이 양단부에 설치되고, 2번째 내지 (n-1)번째 히터는 다이의 앞면, 뒷면 및 윗면을 감싸고 있는 "ㄷ"자 모양의 개별적인 3개의 히터가 1개의 블럭을 형성하여 운전되도록 구성된 것을 특징으로 하는 압출 다이.
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