KR100463566B1 - 고밀도의 표층을 갖는 발포 성형물의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복잡한 형상을 가지면서도 균일하고 고밀도의 단단한 표층을 표면에 가지며, 수축이 거의 없고 또한 외관이 양호한 발포 성형물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

고밀도의 표층을 갖는 발포 성형물의 제조 방법

본 발명은 고밀도의 표층을 갖는 발포 성형물의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 균일하고 고밀도의 단단한 표층을 표면에 가지며, 제조 과정에서 거의 수축이 없는 발포 성형물의 제조 방법에 관한 것이다.

각각이 하나 이상의 증기실을 갖는 오목 주형과 볼록 주형으로 구성된 주형안에 발포 수지 입자(이후 "발포 입자"로 칭함)를 융착시켜 제조한 발포 성형물은 독립-기포 구조를 갖고, 우수한 단열성 및 완충성을 가지며 또한 중량이 가벼워서 완충재, 단열재, 단열 용기 및 기타 기능재로서 널리 사용된다.

그러나, 이들 성형물은 성형물 표면에 남아있는 입자 사이의 작은 공간이 분진 및 기타 오염 물질을 끌어들여 성형물 외관을 손상시키며 또한 특히 용기로서 반복 사용될 경우 성형물을 파손시키기 쉽고, 또 부드러운 표면 조직 때문에 성형물 표면에 흠집이 생길 수 있는 문제가 있다. 따라서, 이들 성형물을 기존의 방법으로 제조할 경우, 용기와 같은 성형물의 내면을 피복하거나 또는 수지 쉬트 등으로 일체 성형하는 것이 필수적이었다. 그 결과, 성형물의 제조 비용이 증가하였다.

이들 문제를 해결하기 위하여, 일본국 특개평 48-28060호 및 52-47866호에서는 주형 내의 발포 입자를 융착시킴으로써 성형물 표면에 표층을 형성시키는 방법을 제안하고 있다. 이들 방법에서 각각이 증기실을 가지고 있는 오목 주형과 볼록 주형으로 구성된 특수 주형이 사용되며, 오목 주형과 접하는 각 증기실의 벽면에 다수의 증기 구멍이 형성되어 있다. 주형을 발포 입자로 충전시킨 후, 이들 입자의 용융점 이하 온도의 증기를 각 증기실에 주입하여 이들 입자를 열 융착시키고 나서, 이들 입자의 용융점 이상 온도의 증기를 각 증기실에 주입하여 성형물의 표면을 융착시키고, 이어 이들을 경화시켜, 성형물 표면에 표층을 형성시킨다.

그러나, 상기 방법에 있어서, 증기관 근처에 있는 입자가 심하게 융착되기 때문에, 증기관 근처의 부위와 기타 부위 사이에 표층의 두께 차이가 생기고, 전반적으로 불균일 표층이 형성된다. 또한, 발포 입자의 융착이 먼저 일어나기 때문에, 개개의 입자가 결합하고 이들의 자유로운 발포가 저해되어, 공극을 충분히 충전시킬 수 없도록 만든다. 또한, 이들 성형물은 표층의 두께가 증가할수록 공극이 부분적으로 생성되는 문제가 있다. 따라서, 상기의 종래 방법으로는 공극이 거의 없고 균일한 표층을 갖는 성형물을 얻을 수 없다.

일본국 특개평 5-124126호에서는 수지 입자를 이들의 용융점 이상의 온도로 가열된 주형 표면과 접촉시켜 융착된 수지층을 형성시키고, 이들 융착 수지층을 경화시켜 연속적인 표면 경화층을 형성시킴으로써 제조된 발포 수지 성형물을 제안하고 있다.

그러나, 상기의 일본국 공보에 개시된 방법이 과도한 크래킹 충전으로 표층을 형성시키기 때문에, 복잡한 형상의 성형물에는 적용할 수 없다. 또한 박스 형태의 융기부에서는 입자 충전율이 낮아서 성형물을 수축시킨다.

상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명자의 열정적인 연구의 결과, 각각이 증기실을 가지고 있는 오목 주형과 볼록 주형으로 구성된 주형에 발포 수지 입자를 압축-충전에 의해 충전시키고, 증기 구멍이 설치된 오목 주형 또는 볼록 주형의 증기실에 증기를 주입하여 수지 입자의 용융점 이상의 온도로 주형을 가열하여 주형과 접촉하는 발포 수지 입자를 융착시켜 성형물 표면에 표층을 형성시키고, 주형에 충전된 입자의 압력이 0.01 내지 1.5 kg/㎠G의 범위에 있을 때, 주형 내에 잔존하는 입자 사이의(입자 공극) 공기를 배출시키고 또, 다른 증기실로부터 증기 구멍을 통하여 상기 입자 사이의 공간으로 수지 입자의 용융점 이하 온도의 증기를 주입하여 이들을 열 융착시키는 것을 포함하는 방법으로부터, 균일하고 고밀도의 단단한 표층을 표면에 갖고, 수축이 거의 없으며 외관이 양호한 성형물을 수득할 수 있음을 밝혔다. 본 발명은 이러한 발견을 바탕으로 이루어졌다.

본 발명의 목적은, 복잡한 형상을 가지면서도 균일하고 고밀도의 단단한 표층을 표면에 가지며, 수축이 거의 없고 또한 외관이 양호한 성형물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하나 이상의 증기실을 각각 가지고 있는 오목 주형과 볼록 주형으로 구성된 주형 안에 발포 수지 입자를 충전 및 융착시켜 고밀도의 표층을 갖는 발포 성형물을 제조하는 방법에 있어서,

오목 주형과 볼록 주형 사이에 형성된 공동 안에 발포 수지 입자를 압축-충전시키고,

증기 구멍이 없는 오목 주형 또는 볼록 주형의 증기실에 증기를 주입하여 상기 발포 수지 입자의 용융점 이상의 온도로 주형을 가열하면서 주형과 접촉하는 발포 수지 입자를 융착시켜 성형물 표면에 표층을 형성시키고,

주형에 충전된 발포 수지 입자의 표면 압력을 측정하고,

상기 입자의 표면 압력이 0.01 내지 1.5 kg/㎠G의 범위에 있을 때, 주형 내에 잔존하는 입자 공극의 공기를 배출시키고, 또

증기 구멍을 통하여 입자 사이의 공간으로 상기 수지 입자의 용융점 이하 온도의 증기를 주입하여 이들 입자를 함께 가열 융착시키는 것을 특징으로 하는 발포 성형물의 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 아래에 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 방법에서 사용한 주형의 개략적인 단면도이다. 본 발명에서 사용된 주형은 오목 주형과 볼록 주형으로 구성되며 각각은 하나 이상의 증기실을 갖는다.

도 1에 표시한 주형은 오목상 단면을 갖는 오목 주형 (1)과 이에 대응하는 볼록상 단면을 갖는 볼록 주형 (2)으로 구성되어 있으며, 박스형 단면의 공동 (3)을 갖는다. 발포 입자 저장 탱크 (4)로부터 출발한 충전 노즐 (5)의 한쪽 끝은 오목 주형 (1)을 관통하여 공동 (3)에 연결되어 있다.

오목 주형 (1)의 내부에 증기실 (1a)이 있으며, 공동 (3)과 접하는 증기실 (1a)의 벽면에 다수의 증기 구멍 (1b)이 설치되어 있다. 증기실 (1a)에는 증기관(6), 진공관 (7), 냉각수관 (8) 및 배수관 (9)이 연결되어 있으며, 각각은 개폐 밸브를 가지고 있다.

볼록 주형 (2)은 제 1증기실 (2a)과 제 2증기실 (2b)로 구성되어 있다. 제 1증기실 (2a)은 볼록 주형의 공동 쪽에 있으며 제 2증기실 (2b)은 제 1증기실 (2a)의 바깥쪽에 위치한다. 이들 증기실은 서로 연결되어 있지 않고 완전히 독립적인 구조를 갖는다. 제 1중기실 (2a)에는 증기관 (10), 냉각수관 (11) 및 배수관 (12)이 연결되어 있으며, 각각은 개폐 밸브를 가지고 있다. 제 2증기실 (2b)에는 증기관 (13), 냉각수관 (14) 및 배수관 (15)이 연결되어 있으며, 각각은 개폐 밸브를 가지고 있다.

바람11직한 예로서 도 1에 표시한 주형에서, 발포 입자의 용융점 이하 온도의 증기를 주입하여 발포 입자를 융착시켜 각 입자를 열-융착시켜 성형물의 표면부에 표층이 형성되도록 하는 증기 구멍 (1b)이 공동 (3)과 접하는 증기실 (1a)의 벽면에 설치되어 있기 때문에, 증기 구멍이 없는 볼록 주형 (2)의 제 1증기실 (2a) 및 제 2증기실 (2b) 내로 표층을 형성시키는 증기를 주입한다. 이와 반대로, 발포 입자를 서로 열-융착시키기 위하여 사용되는 증기를 주입하는 구멍이 반대쪽 면, 즉 공동 (3)과 접하는 증기실 (2a)의 벽면에 있는 경우에는, 증기 구멍이 없는 오목 주형 (1)의 증기실 (1a)에 표층 형성용 증기를 주입한다. 본 발명에서, 언급한 주형은 상기 양 경우에 있어서 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용할 수 있는 발포 수지 입자는 폴리스티렌 수지 입자, 폴리에틸렌 수지 입자 및 폴리프로필렌 수지 입자 등이다. 이들 수지 입자는 압축 공기를 사용하여 탱크 (4)에 압축-충전시킨 후 공동 (3)에 균일하게 충전시킨다.

우선, 발포 입자를 압축 충전으로 주형의 공동 (3)에 충전시키고, 증기를 상기 언급한 증기실 중 어느 한곳에 주입하여 상기 입자의 용융점 이상의 온도로 증기실을 가열하고, 가열된 주형과 접촉하는 입자가 용융되어 성형물 표면부에 표층이 형성되도록 한다.

더욱 상세한 구체예로는, 우선 증기관 (10, 13) 및 배수관 (12, 15)의 밸브를 열어서 고온 증기를 제 1증기실 (2a) 및 제 2증기실 (2b)에 주입하여 볼록 주형을 예열한 후, 볼록 주형과 오목 주형을 결합시켜 주형을 닫는다. 이어 탱크 (4)에 저장된 발포 입자를 압축 충전에 의해 충전 노즐 (5)을 통하여 공동 (3)에 충전시킨다. 입자의 충전율은 입자의 압축도로부터 결정된다.

제 1증기실 (2a)과 제 2증기실 (2b)로 구성된 볼록 주형의 온도가 특정 수준에 도달하면, 배수관 (12, 15)의 밸브를 닫는다. 공동 (3)의 수지 입자와 접하는 제 1증기실 (2a) 측의 볼록 주형은 주형 내의 고온 증기에 의해 입자의 용융점 이상의 온도로 가열된다.

본 발명에서는, 원하는 성형물의 강도 및 품질을 얻기 위하여, 표층의 두께, 표층의 밀도 및 표층 이외 부위의 성형물의 밀도는 사전에 설정하여, 하기 식 (Ⅰ)로 구한 입자의 압축율을 사용한다:

상기 식에서, C : 압축율 (％)

ρ ₁ : 충전 전 발포 수지 입자의 밀도 (kg/㎥)

ρ ₂ : 표층의 밀도 (kg/㎥)

ρ ₃ : 표층 이외 부위의 밀도 (kg/㎥)

t₁ : 성형물의 두께 (mm)

t₂ : 표층의 두께 (mm)

t₃ : 표층 이외 부위의 두께 (mm)

발포 입자의 고상 밀도를 표층의 밀도로 사용한다. 예컨대, 폴리스티렌 발포 입자의 고상 밀도는 950 내지 1,000 kg/㎥이며, 폴리프로필렌 발포 입자의 고상 밀도는 850 내지 900 kg/㎥이다.

본 발명에서, 발포 입자의 압축율은 3 내지 70 ％, 바람직하게는 10 내지 65％로 설정한다. 압축율이 3 ％ 미만이면, 충전 입자가 표층을 형성하기에는 불충분하고, 성형물이 수축될 수 있다. 압축율이 70 ％ 이상이면, 표층의 두께를 증가시킬 수는 있지만, 용융 시간이 길어지고 충전에 필요한 압축 공기의 양이 증가되어 제조비용을 증가시킨다.

주형에 충전된 발포 입자는 대기압보다 높은 표면 압력을 갖지만, 표층이 형성됨에 따라 입자의 부피가 감소하기 때문에, 표층이 형성되면서 대기압보다 높았던 입자의 표면 압력은 낮아진다.

본 발명에서는, 공동 (3)에 있는 입자의 표면 압력을 측정한다. 표층이 형성된 후 내부 입자가 잘 융착되는 성형물을 수득하기 위하여, 표면 압력이 0.01 내지 1.5 kg/㎠G(Gauge), 바람직하게는 0.1 내지 1.0 kg/㎠G의 범위일 때, 주형 내의 입자 공극에 남아있는 공기를 배출시키고 나서 일반적으로 용융점 이하, 바람직하게는 용융점과 발포 온도 사이의 증기를 입자 공극에 직접 주입하여 입자를 융착시킨다.

더욱 상세한 구체예로는, 표층이 형성되면서 공동 (3)에 충전된 입자의 표면 압력이 주어진 값으로부터 감소하여 상기 특정값에 도달할 때, 배수관 (9)의 밸브는 닫은 상태에서 진공관 (7)의 밸브를 열고, 증기실 (1a) 및 공동 (3)을 진공 배기시킨 후, 진공관 (7)의 밸브를 닫고 주형 내의 입자를 융착시키는데 필요한 온도의 증기를 증기관 (6)으로부터 주입하여 입자를 가열한다. 증기는 증기관 (6), 증기실 (1a) 및 증기 구멍 (1b)을 통과하여 공동 (3)에 주입되어 이곳의 입자를 가열한다. 증기는 또한 주형의 가열 수단으로서 작용할 수 있다. 이로써, 증기 가열은 큰 열용량을 이용함으로써 균일한 온도에서 단시간에 효율적으로 가열시킬 수 있다.

표면 압력이 0.01 kg/㎠G 미만인 경우, 증기로 발포 입자를 가열 용융시킬 때, 충전 밀도를 낮출 정도로 입자가 심하게 팽창되고, 팽창력을 감소시켜 부적합한 융착, 성형물의 수축 및 성형물 본체로부터 표층의 분리를 야기하여 양호한 성형물을 수득할 수 없다. 표면 압력이 1.5 kg/㎠G 이상인 경우, 발포 입자를 용융시키기 위하여 주입된 증기가 입자의 내부로 침투할 수 없기 때문에, 입자는 불충분한 가열로 인해 적합하게 융착되지 않아서, 이 경우에도 또한, 우수한 성형물을 수득할 수 없다.

그리고 나서, 배수관 (9, 12, 15)의 밸브가 열린 상태에서 증기관 (6, 10, 13)의 밸브는 닫는다. 냉각수관 (8, 11, 14)의 밸브도 또한 열어서 냉각수를 증기실 (1a), 제 1증기실 (2a) 및 제 2증기실 (2b)에 주입하여 주형을 냉각시킨 후, 성형물을 주형으로부터 회수한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 방법에 있어서는, 균일하고 고밀도의 단단한 표층을 표면에 가지며, 수축이 매우 제한적이거나 거의 없는 성형물을 수득할 수 있으며, 수지 쉬트를 사용하여 일체 성형할 필요없이 낮은 비용으로 이들 성형물을 제조할 수 있다.

실시예

하기 실시예가 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 이들 실시예는 단지 예를 들고자 한 것이며 본 발명의 범주를 제한시키는 것으로 해석되어서는 안된다. 하기 실시예에서는, 도 1에 나타낸 성형 장치를 사용하고, 200 mm × 400 mm × 250mm의 박스형 성형물을 만들 수 있고 두께가 20 mm인 주형을 사용하였다. 실시예에서 성형물의 압축율, 융착도 및 수축은 하기 방법으로 측정하였다.

＜압축율＞

압축율은 하기 일반식으로 계산하였다:

( 1 - 발포 입자 밀도/성형물 밀도 ) × 100 ％

＜융착도＞

융착도는 성형물을 파쇄시켜 파쇄된 전체 면적에 대한 입자의 계면 이외의 부위에서 파쇄된 면적의 비율(％)을 측정하여 평가하였다. 본 발명에서는 30 ％ 이상의 융착도가 필수적이다.

＜수축＞

성형물의 용적이 5/100 이상 감소될 때, "수축됨"으로 표시하고, 성형물의 용적 감소가 5/100 미만인 경우는 "수축 없음"으로 기재하였다. 본 발명에 따라 제조된 성형물은 "수축 없음"이라는 범주에 속해야 한다.

＜외관＞

본 발명의 성형물에서, 뒤틀림, 변형 및 성형물로부터 표층의 분리 현상을 맨눈으로 검사하였다. 뒤틀림, 변형 또는 분리 현상 중 어느 하나라도 생기면, 외관을 "불량"으로 평가하였다. 뒤틀림, 변형 또는 분리 현상이 하나도 없을 때, 외관을 "양호"로 평가하였다. 본 발명에 따른 성형물은 "양호"한 외관을 가져야 한다.

실시예 1

표층의 두께가 0.5 mm, 표층의 밀도가 850 kg/㎥, 표층 이외 부위의 밀도가 50 kg/㎥ 및 전체의 두께가 20 mm인 성형물을 제조하기 위하여, 압축율을 상기 식 (Ⅰ)로부터 약 54 ％로 결정하였다.

밀도가 32 kg/㎥인 폴리프로필렌 발포 입자를 탱크 (4)에 충전시키고 증기관(10, 13)의 밸브 및 배수관 (12, 15)의 밸브를 열어 제 1증기실 (2a)에는 175 ℃의 증기, 제 2증기실 (2b)에는 150 ℃의 증기를 주입하여 주형을 예열하고, 이 상태에서 주형을 밀폐시켰다.

탱크 (4)의 발포 입자는 노즐 (5)을 통하여 공동 (3)에 충전시켰다. 제 1증기실 (2a)과 제 2증기실 (2b)의 주형 온도가 100 ℃ 이상에 도달하면, 배수관 (12, 15)의 밸브를 닫았다. 볼록 주형 내에 잔존하는 증기로 제 1증기실 (2a)과 제 2증기실(2b)로 구성된 볼록 주형 (2)을 더 가열하였다. 공동 (3)의 발포 입자와 접하는 제 1증기실 (2a) 측의 주형 온도가 170 ℃ 까지 급속히 상승되었고, 이 온도에서 안정화시켰다.

이 때, 공동 (3)에 충전된 입자의 표면 압력이 1.6 kg/㎠G였다. 그리고 나서 이 표면 압력은 도 2에 나타낸 바와 같이 감소하였다. 표면 압력이 0.5 kg/㎠G에 도달할 때, 배수관 (9)의 밸브가 닫힌 상태에서 진공관 (7)의 밸브를 열어서 증기실 (1a) 및 공동 (3)을 진공 배기시킨 후, 진공관 (7)의 밸브를 닫고 입자의 용융점 이하 온도의 증기를 증기관 (6)을 통하여 주입하였다. 입자는 증기관 (6), 증기실 (1a) 및 증기 구멍 (1b)을 통과하여 공동 (3)에 유입된 증기에 의해 가열되었다. 증기 온도는 150 ℃, 유지 시간은 20초로 하였다.

배수관 (9, 12, 15)의 밸브와 냉각수관 (8, 11, 14)의 밸브는 열어둔 채로 증기관 (6, 10, 13)의 밸브를 닫아서 증기실 (1a), 제 1증기실 (2a) 및 제 2증기실 (2b)에 냉각수를 주입하여 주형을 40 ℃로 냉각시켰다. 그리고 나서 성형물을 주형으로부터 회수하였다. 결과는 표 1에 명시하였다.

실시예 2

표 1에 나타낸 조건으로, 공동 (3)에 밀도가 48 kg/㎥인 폴리프로필렌 발포 입자를 충전시키고, 입자의 표면 압력이 도 2에 나타낸 바와 같이 0.4 kg/㎠G에 도달할 때 공동을 진공 배기시키는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 성형 방법을 실시하였다. 결과는 표 1에 명시하였다.

비교예 1

입자의 표면 압력이 0 kg/㎠G로 감소될 때 공동을 진공 배기시키는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건하에서 성형을 실시하였다. 결과는 표 1에 명시하였다.

비교예 2

입자의 표면 압력이 1.6 kg/㎠G가 될 때 진공 배기시키는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건하에서 성형을 실시하였다. 결과는 표 1에 명시하였다.

비교예 3

상기 주형 대신에 20-mm 크래킹 충전을 사용하고, 박스형 성형물의 기저부에 해당하는 부위의 압축율이 50 ％, 측면 융기부의 평균 압축율이 7.4 ％가 되도록 하는 성형 조건을 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 성형 방법을 사용하였다. 결과는 표 1에 명시하였다.

[표 1]

비교예 3의 좌측란 : 박스형 성형물의 기저부

비교예 3의 우측란 : 박스형 성형물의 기저부 이외의 융기부

- : 측정불가

실시예 1 및 2에서 수득한 성형물은 균일한 표면과 양호한 외관을 지니며 수축 현상도 없었다. 비교예 1 내지 3에서 수득한 성형물은 융착이 만족스럽지 못하고 외관도 양호하지 않았다.

도 1은 본 발명에 따른 성형물을 제조할 때 사용한 주형의 개략적인 단면도.

도 2는 실시예 1과 2에서의 가열 시간과 표면 압력 사이의 관계를 나타내는 그래프.

Claims (3)

1. 하나 이상의 증기실을 각각 가지고 있는 오목 주형과 볼록 주형으로 구성된 주형안에 발포 수지 입자를 충전 및 융착시켜 고밀도의 표층을 갖는 발포 성형물을 제조하는 방법에 있어서,

   오목 주형과 볼록 주형 사이에 형성된 공동에 발포 수지 입자를 압축-충전시키고,

   오목 주형 또는 볼록 주형의 증기실에 증기를 주입하여 상기 발포 수지 입자의 용융점 이상의 온도로 주형을 가열하면서 주형과 접촉하는 발포 수지 입자를 용융시켜 성형물 표면에 표층을 형성시키고,

   주형에 충전된 발포 수지 입자의 표면 압력을 측정하고,

   상기 입자의 표면 압력이 0.01 내지 1.5 kg/㎠G의 범위에 있을 때, 주형 내에 잔존하는 입자 공극의 공기를 배출시키고, 또

   입자 사이의 공간으로 상기 수지 입자의 용융점 이하 온도의 증기를 주입하여 이들 입자를 함께 가열 융착시키는 것을 특징으로 하는 발포 성형물의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   하기 식 (Ⅰ)로 구한 입자의 압축율이 3 내지 70 ％의 범위에 속하도록 발포 수지 입자를 충전시키는 방법:

   상기 식에서, C : 압축율 (％)

   ρ ₁ : 충전 전 발포 수지 입자의 밀도 (kg/㎥)

   ρ ₂ : 표층의 밀도 (kg/㎥)

   ρ ₃ : 표층 이외 부위의 밀도 (kg/㎥)

   t₁ : 성형물의 두께 (mm)

   t₂ : 표층의 두께 (mm)

   t₃ : 표층 이외 부위의 두께 (mm)
3. 제 1항에 있어서,

   발포 수지 입자가 폴리스티렌 수지 입자, 폴리에틸렌 수지 입자 및 폴리프로필렌 수지 입자로 구성된 군으로부터 선택된 한 종류 이상의 입자인 방법.

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