KR100465686B1 - 초미세 발포 플라스틱 성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 초미세 발포 플라스틱 성형장치는 발포제를 공급하는 발포제 공급기와; 상기 발포제 공급기에서 공급된 발포제를 단일상으로 유지시키는 등온장치와; 상기 등온장치 내의 발포제를 펌핑하는 펌프와; 상기 펌프에서 펌핑된 발포제와 고분자 물질을 실린더 내부의 스크류를 회전시키면서 히터에 의해 용융하여 사출하는 성형기와; 상기 성형기에서 사출된 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 채움되는 캐비티가 형성된 금형과; 상기 캐비티로 가스를 공급하는 가스 공급기와; 상기 캐비티의 압력을 소정치 이하로 조절하는 압력조절수단을 포함하여 구성되어, 정량의 발포제 공급이 가능하고 초미세 플라스틱 완성품의 표면을 미려하게 하면서 성형기의 사출압력이 필요 이상으로 높게 되지 않도록 하는 효과가 있다.

Description

초미세 발포 플라스틱 성형장치{Plastic maker including gas}

본 발명은 초미세 발포 플라스틱을 성형하는 성형장치에 관한 것으로서, 특히 발포제를 상변화없이 단일상으로 성형기에 공급하여 정량의 발포제 공급이 가능하고 금형 캐비티의 압력을 조절할 수 있는 초미세 발포 플라스틱 성형장치에 관한 것이다.

일반적인 플라스틱 성형기술은 대부분 화학공장에서 만들어진 플라스틱 알갱이, 즉 펠릿(pellet)들을 전기열과 기계적 마찰을 이용하여 녹인 후 힘을 가하여 원하는 형상으로 만들어진 금형 내로 밀어냄으로써 여러 가지 플라스틱 제품을 제조하는 것으로서, 제품 제조 비용 중에서 재료가 차지하는 비율이 매우 높기 때문에 재료비의 절감과 더불어 플라스틱 제품의 무게를 더욱 줄일 수 있도록 하는 노력에 의해 발포기술이 개발되고 있다.

상기한 발포기술이란 플라스틱 제품 안에 미세한 크기를 갖는 많은 기포들이 생기도록 하는 기술로서, 화학적 또는 물리적 발포제을 펠릿과 함께 잘 섞은 후 외부에서 열을 가하여 발포 물질들이 기화되도록 함으로써 제품 내부에 기포가 형성되도록 한다. 기포가 형성되면 제품의 많은 부분들을 기포가 차지하므로 재료비를 대폭 절감할 수 있고 제품의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기포로 인한 단열성능을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 발포 물질들이 플라스틱에 균일하게 섞이지 않음으로 인해 나타나는 부분적인 취약현상과, 적은 수의 큰 기포들로 인해 충격강도 및 인성과 같은 기계적 강도의 저하를 야기하여 기계적 강도를 요구하는 구조물에는 사용할 수 없는 단점을 가지고 있다.

또한, 발포를 위해 사용하는 펜탄, 프레온과 같은 발포 물질은 환경에 유해하여 발포 물질의 사용이 제한되고 있는 추세여서, 이러한 단점을 극복하기 위하여 가스를 이용하는 초미세 발포기술이 개발되었다.

상기한 초미세 발포기술은 용융 플라스틱에 일정량의 가스를 공급하고 실린더 내부에 있는 스크루를 회전시켜 플라스틱/가스 용액을 밀어내어 압력차를 유발시킴으로써 플라스틱/가스 용액 내부에서 가스가 압력차에 의해 발포되도록 하는 것이다.

이와 같은 초미세 발포기술의 경우, 발포시킨 제품 전체에 기포가 균일하게 분포되고, 기포의 직경이 수십 마이크로미터 정도이며, 개수가 단위 체적(1㎤)당 10⁹개 이상이 되어, 발포기술의 한계로 지적되는 기계적 강도의 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 초미세 발포 플라스틱 성형장치의 개략도이다.

종래 기술에 따른 초미세 발포 플라스틱 성형장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더(4)의 내부에 설치된 스크류(6)와, 상기 실린더(4)의 내부로 고분자 물질을 공급하기 위한 호퍼(8)와, 상기 실린더(4)의 주위에 설치되어 실린더(4) 내부의 고분자물질을 용융시키는 히터(미도시)로 구성된 성형기(2)와; 상기 실린더(4)내부로 고압의 발포용 가스를 공급하는 가스 공급기(10)와; 상기 성형기(2)에서 사출되는 가스가 포함된 고분자 물질이 채움되는 캐비티(22)가 형성된 금형(20)으로 구성된다.

그러나, 종래의 초미세 발포 플라스틱 성형장치는 발포용 가스를 포함하는 용융 고분자 물질이 상기 캐비티(22)로 사출될 때 발포용 가스가 용융 고분자 물질에서 분리되고, 플라스틱 완성품의 표면에 유동 흔적이 남게 되어 플라스틱 완성품의 미관을 손상시키는 문제점이 있다.

한편, 플라스틱 완성품 표면의 가스 유동 흔적을 없애기 위해 발포용 가스가 포함된 용융 고분자 물질이 상기 캐비티(22)로 사출되기 전에 상기 캐비티(22)에 별도의 가스를 공급하고, 발포용 가스가 포함된 용융 고분자 물질의 사출이 종료된 후에 상기 캐비티(22) 내로 공급되었던 가스를 배출토록 하는 것도 가능하나, 이 경우 금형 내부의 가스 압력이 너무 높아 사출 성형에 매우 큰 압력이 필요하게 되므로 장비의 비용이 증가하게 될 뿐만 아니라 고압으로 인해 위험성이 커지게 되는 문제점이 있다.

그리고, 일본국 특허 2000-0084968에는 액체 상태의 이산화탄소를 펌프로 일정량 압축한 후 온도를 높여 초임계상태로 만들어주는 방법을 이용하여 정량의 초임계 유체를 성형기 내부로 공급하였으나, 임계온도 이상으로 열을 가하기 위한 저장고 및 전열기구 등이 추가로 필요하고, 초임계유체가 압축되는 경향이 있기 때문에 액체로 정확히 계량하였다 할지라도 성형기 내로 주입되는 초임계유체의 양은 부정확하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 정량의 발포제 공급이 가능하고 플라스틱 완성품의 표면을 미려하게 하면서 성형기의 사출 압력을 높게 하지 않는 초미세 발포 플라스틱 성형장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 초미세 발포 플라스틱 성형장치의 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 초미세 발포 플라스틱 성형장치의 주요부 구성이 도시된 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

50: 발포제 공급기 52: 등온장치

54: 펌프 60: 성형기

62: 실린더 64: 스크류

66: 호퍼 68: 노즐

60: 발포제 공급기 74: 발포제 공급관

76: 발포제 공급밸브 80: 금형

82: 캐비티 88: 압력계

90: 가스 공급기 92: 가스 공급로

94: 레귤레이터 96: 조절밸브

98: 체크 밸브 102: 배출밸브

104; 안전밸브 110: 제어부

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 초미세발포 플라스틱 성형장치는 고분자 물질을 실린더 내부의 스크류를 회전시키면서 히터에 의해 용융하여 사출하는 성형기와; 상기 성형기의 내부로 발포제를 공급하기 위한 발포제 공급기와; 발포재가 포함된 용융 고분자 물질이 채움되는 캐비티가 형성된 금형을 포함하는 초미세 발포 플라스틱 성형 장치에 있어서, 상기 발포제 공급기에서 공급된 발포제를 단일상으로 유지시키는 등온장치와; 상기 등온장치 내의 발포제를 상기 성형기로 펌핑시키는 펌프와; 상기 성형기 내부의 발포제가 포함된 용융 플라스틱이 상기 금형의 내부로 사출되기 전에 상기 캐비티로 가스를 공급하는 가스 공급 수단과; 상기 캐비티로 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 사출된 직후 또는 사출 도중에 상기 캐비티의 가스를 외부로 배출하는 가스 배출 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 초미세 발포 플라스틱 성형장치의 주요부 구성이 도시된 개략도이다.

본 발명에 의한 초미세 발포 플라스틱 성형장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 발포제(미도시)를 공급하는 발포제 공급기(50)와; 상기 발포제 공급기(50)에서 공급된 발포제를 단일상으로 유지시키는 등온장치(52)와; 상기 등온장치(52) 내의 발포제를 펌핑하는 펌프(54)와; 상기 펌프(54)에서 펌핑된 발포제와 고분자 물질(미도시)을 실린더(62) 내부의 스크류(64)를 회전시키면서 히터(미도시)에 의해 용융하여 사출하는 성형기(60)와; 상기 성형기(60)에서 사출된 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 채움되는 캐비티(82)가 형성된 금형(80)과; 상기 캐비티(82)로 가스를 공급하는 가스 공급기(90)와, 상기 캐비티(72)의 압력을 소정치 이하로 조절하는 압력조절수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 발포제 공급기(50)에서 공급되는 가스는 이산화탄소와 질소 등의 환경에 무해한 가스로서, 이산화탄소의 경우 임계압력이 72이고, 질소는 임계압력이 33.5이다.

상기 펌프(54)는 상기 실린더(62) 내부의 압력과 동일하거나 높은 압력으로 발포제를 펌핑하고, 상기 펌프(54)와 실린더(62)의 사이에는 실린더(62) 내부로 발포제를 주입하는 발포제 공급관(74)이 배치되며, 상기 발포제 공급관(74)의 일측에는 주입되는 발포제의 상변화를 막음과 아울러 발포제의 공급을 단속하는 발포제 공급밸브(76)가 설치된다.

여기서, 상기 발포제 공급관(74)을 통하는 발포제는 단일상의 형태로 실린더(62) 내부로 공급되므로 상변화에 의한 압축작용이 일어나지 않고, 발포제 공급밸브(76)에 의해 조절되는 정량의 발포제가 실린더(62) 내부로 공급된다.

상기 성형기(60)는 실린더(62)의 일측에 설치된 호퍼(66)를 통해 고분자 물질을 공급받고, 상기 실린더(62)의 내부는 상기 펌프(54)에 의해 펌핑되는 발포제의 임계압력과 임계온도보다 높도록 이루어져 상기 펌프(54)에 의해 펌핑되는 발포제를 매우 짧은 시간 내에 초임계유체 상태로 변화시키며, 타측에 설치된 노즐(68)을 통해 발포제가 포함된 용융 고분자물질을 캐비티(82) 내로 사출한다.

상기 금형(80)에는 캐비티(82) 압력을 감지하여 표시하는 압력계(88)가 설치된다.

상기 가스 공급기(90)는 발포제가 포함된 용융 고분자물질이 상기 캐비티(82)로 사출되기 전에 상기 캐비티(82)에 임계압력 이하의 이산화탄소 또는 질소 등을 공급하여 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 노즐(68)을 통과하는 순간에 발포가 이루어지지 않도록 하는 것으로, 상기 가스 공급기(90)와 금형(80) 사이에는 가스 공급로(92)가 설치되고, 상기 가스 공급로(92)에는 가스 공급기(90)로부터 공급되는 가스의 압력을 조절하는 레귤레이터(94)와, 상기 캐비티(82)로의 가스 유입을 단속하는 조절밸브(96)와, 상기 가스 공급기(90)로 가스가 역류되는 것을 막는 체크 밸브(98)가 설치된다.

상기 압력조절수단은 상기 캐비티(82)로 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 사출된 직후 또는 사출 도중에 상기 가스 공급기(90)에 의해 유입된 가스를 외부로 배출하는 배출밸브(102)와, 상기 캐비티(82)에 소정치 이상의 압력이 가해지면 캐비티(82)의 가스를 외부로 배출하는 안전밸브(104)로 구성된다.

여기서, 상기 배출밸브(102)는 상기 가스 공급기(90)에서 공급된 가스가 사출 직후 또는 사출 도중에 외부로 배출되지 않게 되면 발포제가 포함된 용융 고분자 물질에 의해 압축되는 가스의 압력에 의해 성형기의 사출 압력을 높여야 하므로, 성형기(50)의 사출 압력을 필요 이상으로 높게 하지 않게 하기 위해, 사출된 직후 또는 사출 도중에 공급된 가스를 외부로 배출한다.

그리고, 상기 안전밸브(104)는 상기 캐비티(82)의 내로 공급된 가스가 발포제를 포함한 용융 고분자물질에 의해 일정 압력 이상으로 높아지면 자동적으로 개방되어 가스 압축에 의한 위험을 줄인다.

상기 초미세 발포 성형장치는 상기 스크류(64)의 회전과 상기 발포제 공급기(50), 등온장치(52), 펌프(54)의 구동과 발포제 공급밸브(76)의 개폐와 상기 가스 공급기(90)의 구동과 상기 조절밸브(96)와 배출밸브(102)의 개폐를 제어하는 제어부(110)를 더 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 발포제 공급기(50)에서는 발포제가 공급되어 상기 등온장치(52)에 의해 단일상 형태로 유지되고, 상기 펌프(54)는 상기 등온장치(52) 내부의 단일상 발포제를 상기 발포제 공급관(74)과 발포제 공급밸브(76)를 통해 실린더(62) 내로 공급한다. 상기 성형기(60)는 공급된 발포제와 고분자 물질을 스크류(64)로 회전시키면서 히터로 가열하여 발포제가 포함된 용융 고분자 물질을 만든다.

이때, 상기 가스 공급기(90)에서 공급되고 상기 레귤레이터(94)에 의해 적당한 압력으로 설정된 가스를 조절밸브(96)를 열어 상기 금형(80)의 캐비티(82)로 공급한다.

그리고, 상기 캐비티(82)의 내부로 가스가 공급된 직 후에 상기 성형기(60)의 사출이 진행되어 발포제가 포함된 용융 고분자물질이 캐비티(82)로 들어오면서 캐비티(82)에 존재하던 가스를 압축한다.

이때, 상기 안전밸브(104)는 설정값 이상으로 가스가 압축되면 캐비티(82) 내부의 가스를 외부로 토출시켜 금형(80) 내부를 일정한 압력으로 유지시키고, 상기 배출밸브(102)는 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 캐비티(82) 내로 사출된 직후 또는 사출되는 동안에 금형(80) 내부의 가스를 외부로 배출한다.

상기 캐비티(82)로 사출된 발포제가 포함된 용융 고분자물질은 상기 금형 내에 일정량 채워 진 후, 응고되어 표면이 미려한 초미세 발포 플라스틱 성형품으로 완성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 초미세 발포 플라스틱 성형장치는 발포제 공급기에서 공급된 발포제를 단일상으로 유지시켜 발포제의 상변화가 일어나지 않도록 하고 펌프를 이용하여 성형기의 내부로 주입시키므로 정량의 발포제 공급이 가능하고, 성형기 내부의 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 캐비티로 사출하기 전에 캐비티에 별도의 가스를 공급하여 플라스틱 표면을 미려하게 하며, 발포제가 포함된 용융 고분자물질이 캐비티의 내부에 사출된 직후 또는 사출되는 동안에 공급되었던 가스를 외부로 배출하여 성형기의 사출 압력이 필요이상으로 높게 되지않도록 하는 이점이 있다.

또, 펌프와 성형기를 연결하는 발포제 공급관에는 발포제 공급밸브가 설치되어 발포제의 상변화를 막음과 아울러 발포제의 공급을 단속할 수 있는 이점이 있다.

또, 금형의 캐비티 압력을 감지하여 표시하는 압력계가 설치되어 성형장치에 적용된 각종 밸브의 고장유무를 쉽게 식별할 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

1. 고분자 물질을 실린더 내부의 스크류를 회전시키면서 히터에 의해 용융하여 사출하는 성형기와; 상기 성형기의 내부로 발포제를 공급하기 위한 발포제 공급기와; 발포재가 포함된 용융 고분자 물질이 채움되는 캐비티가 형성된 금형을 포함하는 초미세 발포 플라스틱 성형 장치에 있어서,

   상기 발포제 공급기에서 공급된 발포제를 단일상으로 유지시키는 등온장치와;

   상기 등온장치 내의 발포제를 상기 성형기로 펌핑시키는 펌프와;

   상기 성형기 내부의 발포제가 포함된 용융 플라스틱이 상기 금형의 내부로 사출되기 전에 상기 캐비티로 가스를 공급하는 가스 공급 수단과;

   상기 캐비티로 발포제가 포함된 용융 고분자 물질이 사출된 직후 또는 사출 도중에 상기 캐비티의 가스를 외부로 배출하는 가스 배출 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초미세 발포 플라스틱 성형 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌프와 실린더를 연결하는 발포제 공급관에는 발포제의 상변화를 막음과 동시에 발포제의 공급을 단속하는 발포제 공급밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 초미세 발포 플라스틱 성형장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌프는 상기 실린더 내부의 압력과 동등하거나 높은 압력으로 발포제를 펌핑하는 것을 특징으로 하는 초미세 발포 플라스틱 성형장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 초미세 발포 플라스틱 성형장치는 상기 캐비티가 설정 압력 이상이면, 상기 캐비티로 공급된 가스를 외부로 배출하는 안전밸브를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초미세 발포 플라스틱 성형장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스 공급 수단은 가스를 공급하는 가스 공급기와, 상기 가스 공급기와 금형 사이에 설치된 가스 공급로와, 상기 가스 공급로에 설치되어 가스 공급기로부터 공급되는 가스의 압력을 조절하는 레귤레이터와, 상기 가스 공급로에 설치되어 상기 가스 공급기로 가스가 역류되는 것을 막는 체크 밸브와, 상기 가스 공급로에 설치되어 상기 캐비티로의 가스 유입을 단속하는 조절밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초미세 발포 플라스틱 성형장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 초미세 발포 플라스틱 성형장치는 상기 캐비티 압력을 감지하여 표시하는 압력계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초미세 발포 플라스틱 성형장치.