KR100522184B1 - 저 융점의 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치 - Google Patents
저 융점의 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치에 관한 것이다. 본 발명의 제조장치에 의하여 제조된 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체는 융점이 낮고 폐쇄 셀의 함량이 80% 이상이기 때문에 이러한 발포체를 이용하여 매우 용이하게 성형할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치에 관한 것이다.
폴리프로필렌 수지 발포체는 기계적 강도 (mechanical strength) 및 쿠션 특성 (cushioning properties)이 우수하기 때문에 포장재, 건축재, 단열재 등으로 널리 사용된다. 그러나, 폴리프로필렌은 고 결정도 (high crystallinity) 및 저 용융 점도 (low melt viscosity)를 나타내고 가교가 어렵기 때문에, 폴리프로필렌으로부터 고도의 발화물 (highly expanded product)을 수득하는 것은 극히 어렵다.
미국특허 제5,527,573호 (1996년 6월 18일)에는 폐쇄 셀을 갖는 압출된 폴리프로필렌 수지 발포체 및 이를 제조하는 수가지 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 미국특허에서 개시된 방법에 의해 제조된 발포체는 최소 단면적이 약 5 x 2.54 cm2이고 최소 두께가 12.7 mm의 판자 형태 (plank form)이며, 밀도가 약 5 파운드/ft3이다. 따라서, 이러한 형태의 발포체는 원하는 형태로 성형하기가 어렵다. 성형의 용이성을 위해 미국특허 제6,051,617호에는 발포된 폴리프로필렌 수지 입자 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 미국특허에 개시된 폴리프로필렌 발포제 입자는 폴리프로필렌 수지에 비닐 공단량체를 그래프팅 (grafting)하고 이에 따라 형성된 변형된 공중합체 수지를 발포시켜 제조한 것이다. 미국특허 제6,077,875호 (2000년 6월 20일)에는 비가교된 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체로부터 제조된 폴리프로필렌 수지의 발포 및 발화된 비드가 개시되어 있다. 이 미국특허에서 제조된 발포체 비드는 오픈 셀 (open cell) 함량이 40%에서부터 가장 바람직하게는 25%이고 융점이 141℃ 이상이다.
비가교된 폴리프로필렌 수지는 재생될 수 있고 이로부터 제조된 펠릿형 발포체는 성형이 용이하다는 점에서 유리하나 이를 압출시켜 펠릿형 발포체를 제조하는 과정에서 발포체의 셀이 대부분 오픈 셀로 되어 실용성이 없게 된다. 발포체가 실용적이기 위해서는 상당한 비율로 폐쇄 셀(closed dell)을 포함함으로써 기계적 강도를 지녀야 한다. 실제로 비가교된 폴리프로필렌 수지로부터 펠릿형 발포체를 성공적으로 제조하고 상업화하고 있는 업체는 전세계적으로 유일하게 일본의 JSP Corporation에 불과하다. 그러나, 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체는 융점이 낮을수록 성형이 용이하고 재생성이 우수하여 그 가치는 매우 높음에도 현재까지 융점이 140℃ 이하의 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체가 성공적으로 제조되었다고 보고된 사례는 없다.
이에 본 발명의 목적은 비가교된 폴리프로필렌 수지로부터 제조하여 재생성을 보장하고, 고 함량의 폐쇄 셀을 형성하여 만족할 만한 기계적 강도를 부여하며, 각종 형태의 포장재 등으로 용이하게 성형할 수 있도록 융점이 140℃ 이하인 펠릿형 폴리프로필렌 수지 발포체 및 이를 제조하는 방법을 제공하는데 있다. 본 발명자들은 텐덤 압출기에 특정적으로 변화되는 다수의 온도 존 (zone)을 설정하여 그 온도 존을 따라 융점이 138℃ 내지 140℃인 비가교된 폴리프로필렌 수지 용융물을 유동시키고, 이러한 온도 존을 통과한 폴리프로필렌 수지 용융물을 120℃ 내지 130℃의 저온하에서 기계적으로 균질화하며, 이에 따라 형성된 용용 균질화물을 가압하에 다이스에 설정된 복수의 홀을 통해 발화시키며, 다이스의 홀을 통해 발화되어 형성된 발포체를 절단함으로써 약 80% 이상의 폐쇄 셀을 갖고 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 성공적으로 제조하였다.
한 가지 관점으로서, 본 발명은 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제공한다.
다른 관점으로서, 본 발명은 (a) 1차 압출기에 147℃ 내지 153℃의 제1 온도 존, 167℃ 내지 172℃의 제2 온도 존, 168℃ 내지 172℃의 제3 온도 존, 218℃ 내지 225℃의 제4 온도 존, 197℃ 내지 203℃의 제5 온도 존 및 188℃ 내지 193℃의 제6 온도 존을 설정하고 2차 압출기에 167℃ 내지 173℃의 제1 온도 존, 147℃ 내지 152℃의 제2 온도 존, 142℃ 내지 147℃의 제3 온도 존, 137℃ 내지 141℃의 제4 온도 존, 137℃ 내지 142℃의 제5 온도 존 및 132℃ 내지 137℃의 제6 온도 존을 설정하며 1차 압출기와 2차 압출기를 연결하는 가이드에 248℃ 내지 255℃의 온도를 설정한 텐덤 압출기에 융점이 138℃ 내지 140℃인 비가교된 프로필렌 랜덤 공중합체를 압출시키고, (b) 형성된 압출물을 125℃ 내지 140℃의 온도하에 펌핑에 의해 강제적으로 유동시키며, (c) 압출물을 120℃ 내지 130℃의 온도하에 균질화하고, (d) 균질화물을 다이스를 통해 발화시키며, (e) 발화물을 절단하여 펠릿형 발포체를 수득하는 단계를 포함함을 특징으로 하여, 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하는 방법을 제공한다.
또 다른 관점으로서, 본 발명은 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하기 위한 장치를 제공한다.
또 다른 관점으로서, 본 발명은 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체로부터 성형된 발포체를 제공한다.
본 발명 이전에는 융점이 140℃ 이하인 펠릿형 발포체를 제조하는 것은 불가능한 것이었다. 융점이 138℃인 순수 폴리프로필렌은 그 이하의 온도에서 급속히 경화되기 때문에 138℃ 이하의 온도에서 가공하는 것은 불가능하며 이에 따라 140℃ 이하의 융점을 갖는 비가교된 폴리프로필렌 펠릿형 발포체를 제조하는 것은 당연히 불가능한 것으로 여겨져 왔다.
그러나, 본 발명에 이르러 140℃ 이하의 저 융점의 온도를 갖고 오픈 셀 함량이 약 20% 이하인 비가교된 폴리프로필렌 펠릿형 발포체가 개발되었다. 이러한 개발은 수 가지의 발견을 조합하여 응용함으로써 가능하게 되었다. 예를 들면, 본 발명자들은 텐덤식 압출 방식을 기본으로 하고 1차 압출과 2차 압출시에 온도 조건을 특정적으로 설정하고 압출기로부터 생성된 용융물을 125 내지 130℃의 저온하에서 특이적으로 균질화시킴으로써 발포체의 오픈 셀 함량이 현저히 감소한다는 사실을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 융점이 138℃ 내지 140℃인 비가교된 폴리프로필렌 수지를 압출하고 그후 발화시킬 때까지 특정한 온도 범위내에서만 약 80% 이상의 폐쇄 셀이 형성된다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 융점이 138℃ 내지 140℃인 비가교된 폴리프로필렌 수지로부터 본 발명의 특정한 가공 조건에 따라 제조된 발포체의 융점이 138℃ 이하로 낮아질 수 있음을 발견하였다.
이하, 본 발명의 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하는 방법을 공정별로 상세히 설명한다. 본 발명의 제조 방법은 압출, 펌핑, 균질화, 발화 및 펠릿화 공정으로 이루어진다.
(1) 압출
본 발명에 따른 압출 공정은 본 분야에서 발포체를 제조하기 위해 사용 또는 공지되어 있는 텐덤 압출기 (tandem extruder)를 기본으로 하여 이를 변형시켜 실시할 수 있다. 본 발명에 따라 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하기 위해 사용되는 물질은 융점이 138℃ 내지 140℃인 비가교된 프로필렌 랜덤 공중합체, 핵형성제, 발포제 및, 필요한 경우, 기타 첨가제이다.
본 발명에서 사용되는 기본 수지는 138℃ 내지 140℃의 융점을 갖는 비가교된 프로필렌 랜덤 공중합체이다. 프로필렌과 공중합화된 다른 공단량체의 예로는 에틸렌, 1-부텐, 1-펜텐 및 1-헥센이 포함된다. 프로필렌 랜덤 공중합체는 프로필렌-에틸렌 랜덤 공중합체 또는 프로필렌-부텐 랜덤 공중합체와 같은 이중합체 (bipolymer) 또는 프로필렌-에틸렌-부텐 공중합체와 같은 삼중합체 (terpolymer)일수 있다. 공중합체에서 프로필렌외에 다른 공단량체 성분의 비율은 바람직하게는 0.05 내지 10 중량%이다.
핵형성제는 발포제를 분산시키고 발포체의 셀 크기를 조절하는 작용을 한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 핵형성제로는 이들로 한정되는 것은 아니지만 중탄산나트륨, 탄산나트륨, 중탄산칼륨, 탄산칼륨, 중탄산암모늄 또는 탄산암모늄이 포함된다. 바람직한 것은 중탄산나트륨이다. 핵형성제의 사용량이 많을 수록 발포체의 셀이 작아지고 반대로 사용량이 적을수록 발포체의 셀은 커진다. 본 발명에서는 수지의 중량을 기준으로 하여 일반적으로 0.1% 내지 0.4%를 사용한다. 양이 0.4%를 초과하는 경우 불충분한 분산 또는 응집 (agglomeration)이 발생할 수 있고 그 결과로 셀이 목적하는 크기 이상으로 커진다. 반대로, 양이 0.1%보다 적게 사용되는 경우 핵형성 작용이 지나치게 약해서 셀의 직경을 감소시킬 수 없다.
본 발명에서 사용가능한 발포제 (foaming agent)는 일반적으로 유기 발포제 또는 무기 발포제가 있다. 유기 발포제의 예로는 프로판, 부탄, 헥산 및 헵탄과 같은 지방족 탄화수소, 사이클로부탄 및 사이클로펜탄과 같은 지환족 탄화수소 및 클로로플루오로메탄, 트리플루오로메탄, 1,1-디플루오로에탄, 1,2,2,2-테트라플루오로에탄, 메틸 클로라이드, 에틸 클로라이드 및 메틸렌 클로라이드와 같은 할로겐화 탄화수소를 들 수 있다. 또한, 사용될 수 있는 유기 발포제로는 디클로로테트라플루오로에탄, 트리클로로트리플루오로에탄, 트리클로로모노플루오로메탄, 디클로로디플루오로메탄, 디클로로모노플루오로메탄, 디브로모테트라플루오로에탄 등이 포함된다. 발포 작업성 (foaming workability), 무독성 및 난연성 (flame retardancy)을 고려하면 이들 플루오로-염소화된 탄화수소가 바람직하다. 이들 유기 발포체는 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 무기 발포제의 예로는 질소, 이산화탄소, 아르곤 및 공기가 포함된다. 이들 무기 발포제 또한 단독으로 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기한 유기 발포제와 무기 발포제는 무작위로 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기한 발포제 가운데 바람직한 것은 무기 발포제인데 그 이유는 이들은 오존층 (ozonosphere)을 파괴하지 않으며 값이 싸기 때문이다. 발포제의 사용량은 얻고자 하는 발포 펠릿의 발화 비율 (expansion ration), 사용된 수지 및 발포제의 종류에 따라 결정된다. 본 발명에서 사용되는 발포제의 양은 수지의 중량을 기준으로 하여 20% 내지 30%이다.
기타 여러 종류의 첨가제가 사용될 수 있다. 이러한 첨가제의 예로는 산화방지제, 자외선흡수제, 난연제, 색소, 염료, 금속불활성제 (metal deactivator) 등이 포함된다. 이들 첨가제는 공중합체 수지의 중량을 기준으로 하여 0.1% 내지 0.3%로 사용할 수 있다. 본 발명의 한 가지 바람직한 양태로서 파라핀왁스를 사용한다. 이는 공중합체 수지의 흐름을 도와주며 또한 공중합체 수지의 정전기를 소멸시키는 대전방지제 (antistatic agent) 작용을 한다. 파라핀왁스의 사용량은 약 0.1 중량%이다.
본 발명에서 사용되는 상기 원료는 본 발명의 특징적인 물리적 조건이 설정된 텐덤식 압출기를 통해 압출되는데 그 과정을 설명하면 다음과 같다. 텐덤식 압출기는 1차 압출기와 2차 압출기 그리고 이들을 연결하는 가이드로 구성된다. 스크류 (screw) 압축비는 통상 3:1이다. 1차 압출기 실린더의 내부 직경은 통상 약 60 내지 70 mm이다. 2차 압출기 실린더의 내부 직경은 통상 약 90 내지 95 mm이다.
1차 압출기는 온도에 따라 6개의 존으로 구분되며 각 존은 약 300 내지 400 LD에 해당한다. 6개 존은 148℃ 내지 153℃의 제1 온도 존, 167℃ 내지 172℃의 제2 온도 존, 167℃ 내지 172℃의 제3 온도 존, 218℃ 내지 223℃의 제4 온도 존, 197℃ 내지 203℃의 제5 온도 존 및 188℃ 내지 193℃의 제6 온도 존이다.
비가교된 프로필렌 랜덤 공중합체 수지와 핵형성제가 호퍼 (hopper)를 통해 미리 148℃ 내지 153℃의 온도로 설정해 둔 제1 존으로 일정한 속도로 유입되어 용융된다. 유입 속도는 스크류의 회전 속도로 조절할 수 있으며 일반적으로 약 20 내지 30 rpm이며, 이러한 스크류의 회전 속도는 원료의 유입 속도 및 용융물의 유동 속도를 결정한다. 이 경우 수지의 유입속도는 보통 약 25 kg/h에 해당한다. 공중합체 수지와 핵형성제는 한 개의 호퍼를 통해 동시에 투입될 수 있으나 바람직하게는 별도의 호퍼를 통해 각각 독립적으로 투입된다. 제2 및 제3 온도 존은 167℃ 내지 172℃의 온도로 유지되고 제3 온도 존의 출발 지점에 파라핀왁스과 같은 기타 첨가제가 유입된다. 파라핀왁스의 경우는 투입하기 전에 미리 용융시킨 후 펌핑시킨다. 또한 제4 온도 존은 218℃ 내지 223℃로 설정되는데 이의 출발 지점에 발포제가 펌핑에 의해 유입된다. 제4 온도 존을 통과한 용융물은 218℃ 내지 223℃의 온도로 설정된 제5 온도 존을 지나 188℃ 내지 193℃의 온도로 각각 설정된 제6 온도 존으로 유동한다.
1차 압출기의 제6 온도 존을 통과한 용융물은 1차 압출기와 2차 압출기를 연결하는 가이드를 통해 2차 압출기로 유입된다. 이때 가이드는 248℃ 내지 153℃의 온도로 설정되고 LD는 300 내지 400 mm이다.
2차 압출기 또한 특정적으로 설정된 온도에 따라 6개 존으로 구분되며 각 존은 470 내지 520 mm에 해당한다. 6개 존은 168℃ 내지 173℃의 제1 온도 존, 147℃ 내지 152℃의 제2 온도 존, 143℃ 내지 147℃의 제3 온도 존, 137℃ 내지 142℃의 제4 온도 존, 137℃ 내지 142℃의 제5 온도 존 및 132℃ 내지 137℃의 제6 온도 존이다. 2차 압출기의 스크류 속도는 일반적으로 8 내지 12 rpm이다.
1차 압출기 및 2차 압출기에 설정되는 각 존은 공지된 수냉식, 유냉식 또는 공랭식중 어떠한 방식에 의해서도 설정된 특정 온도를 유지할 수 있다. 이 중에서 물의 압력으로 온도를 조절하는 수냉식이 바람직하다. 예를 들면 압출기의 실린더 주면에 설치되는 냉각수 몸체를 실린더에 끼우는 중공형으로 형성함과 동시에 그 내부에는 내면으로 개방되는 냉각수 통로를 일체로 형성하여 냉각수가 실린더의 표면과 직접 접촉하도록 한 수냉식을 이용할 수 있다.
(2) 펌프
2차 압출기의 제6 온도 존은 본 발명의 방법에 따른 용융물의 분쇄 수단과의 연결을 위한 플렌지 (Flange)에 해당할 수 있으며 이러한 플렌지는 본 발명에 의해 특정적으로 132℃ 내지 137℃로 유지되기 때문에 이 온도는 폴리프로필렌 수지의 융점 138℃ 보다 낮은 온도이므로 용융물의 유동 속도는 상당히 저하될 수 있다. 이에 용융물의 유동을 원활히 하기 위해 강제적으로 유동시킬 필요가 있다. 이러한 강제적 유동은 기어 펌프 (gear pump)에 의해 달성될 수 있다. 이때의 온도는 수냉식에 의해 125℃ 내지 140℃의 온도로 유지한다.
(3) 균질화
본 발명에 따라 125℃ 내지 140℃의 온도하에 펌핑에 의해 압출기로부터 이송되는 용융물은 120℃ 내지 130℃의 온도하에서 균질화된다. 여기서 균질화라 함은 멧돌과 같은 양상으로 용융물을 갈면서 동시에 절삭함을 일컫는다. 또한, 이러한 균질화에 의해 용융물은 내부와 외부의 온도가 전체적으로 일정하게 된다. 균질화 과정에서 120℃ 내지 130℃로 온도를 유지하는 것은 수냉식 또는 유냉식으로 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 유냉식이다. 이때 실린더 내부의 압력은 약 120kgf/cm2
정도에 이른다.
(4) 발화
균질화된 용용물은 다이스를 통해 발화된다. 상기된 바와 같이 용융물의 균질화가 이루어지는 실린더 내부의 압력은 120kgf/cm2에 달하기 때문에, 가압 장치를 다이스에 설치하여 압력을 0.3 내지 0.7kgf/cm2으로 유지되도록 한다. 다이스의 호울 (hole)을 통해 폴리프로필렌 수지가 발화되며 이때 호울의 직경은 보통 0.5 mm 내지 1 mm이며 발포 배율은 보통 미세구 직경의 5배에 이른다.
(5) 펠릿화
다이스의 호울로부터 발화되어 형성된 발포체는 호울로부터 유출됨과 동시에 절단기에 의해 절단되어 펠릿 형태의 발포체를 생성한다.
본 발명에 따른 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하기 위한 본 발명의 장치 1차 압출기, 1차 압출기에 연결된 2차 압출기, 2차 압출기와 연결된 펌핑부, 펌핑부와 연결된 균질화부 및 균질화부에 연결된 다이스부를 포함한다.
1차 압출기는 회전 가능한 이송 스크류가 내장된 원통형 실린더, 실린더 일단에 설치되어 이송 스크류를 회전시키는 구동부 및 실린더 외주면에 장착된 다수의 냉각 수단과 가열 수단을 포함하며, 구동부와 대응하는 실린더의 일단부에는 폴리프로필렌과 핵형성제를 실린더 내에 각각 투입하기 위한 투입구가 형성되어 있고, 또 다른 일단부에는 배출구가 형성되어 있고, 실린더의 적절한 중간 지점에 대전방지제와 같은 첨가제 및 발포제를 투입하기 위한 투입구가 형성되어 있다. 투입구를 통하여 실린더 내부로 투입된 폴리프로필렌과 핵형성제는 용융되어 구동부에 의하여 회전하는 이송 스크류에 의하여 배출부로 강제 이송되다.
가이드에 의하여 1차 압출기와 연결된 2차 압출기는 1차 압출기의 실린더에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 가이드를 통하여 유입되는 실린더 및 상기 실린더 외주면에 장착되어 실린더 내부의 용융물 온도를 조절하는 다수의 냉각 수단과 가열 수단을 포함한다.
2차 압출기에서 배출된 폴리프로필렌 용융물을 다음 공정으로 강제 이송하기 위한 펌핑부는 2차 압출기의 실린더에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 유입되는 내부 공간이 형성된 케이싱, 케이싱 내부 공간에서 서로 맞물린 상태로 회전 가능하게 설치된 2개의 기어 및 기어를 회전시키기 위한 구동부로 이루어진다.
균질화부는 펌핑부의 실린더로부터 유입된 폴리프로필렌 용융물이 유입되는 회전 가능하게 설치된 원통형의 제 1 하우징, 제 1 하우징을 회전시키는 구동부, 제 1 하우징의 배출단에 연결된 스크류, 스크류의 외주부에 위치하는 제 2 하우징, 제 2 하우징과의 사이에 밀폐 공간을 갖도록 장착된 프레임을 포함한다. 스크류와 제 2 하우징 사이에는 나선 형상의 공간부가 스크류의 전 길이에 걸쳐 형성되어 제 1 하우징에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 스크류와 제 2 하우징 사이의 공간부를 따라 이동하여 부로 배출되며, 제 2 하우징과 프레임 사이에 형성된 공간에는 열매체유가 유입, 유동하여 제 2 하우징 내부를 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도를 조절한다.
균질화부는 폴리프로필렌의 용융물을 균질하게 파쇄하는 균질화 수단을 포함함을 특징으로 한다. 균질화 수단은 회전 가능하게 설치된 회전 플레이트와 회전 플레이트와 밀착된 상태로 설치된 고정 플레이트로 이루어지며, 회전 플레이트에는 방사상으로 배치된 다수의 절개부가 구성되어 있으며, 고정 플레이트에는 다수의 원형 개구가 형성되어 있다. 유입된 폴리프로필렌 용융물이 회전하는 회전 플레이트에 도달하여 회전 플레이트에 형성된 각 절개부를 통과하는 과정에서 각 절개부의 에지(edge)에 의해 절단된 후, 회전 플레이트와 고정 플레이트 사이에서 회전하는 회전 플레이트에 의하여 갈린다.
다이스부는 균질화부에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 유입되며, 토출부, 절단부 및 구동부로 이루어져 발화된 발포체를 소정의 규격으로 절단한다.
본 발명에서, 1차 압출기 및 2차 압출기의 실린더에 장착된 각 냉각 수단은 외부에서 공급된 냉각수가 내부의 공간에서 유동하는 밀폐된 케이싱으로서, 케이싱 내로 공급된 냉각수는 케이싱을 따라서 실린더의 표면에 접촉한 상태로 유동하여 실린더의 내부를 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도를 낮추게 되며, 2개의 케이싱 사이에 장착된 각 가열 수단은 열선이 내장된 히터를 이용한다.
1차 압출기의 실린더는 내부에 투입된 폴리프로필렌 용융물이 가져야할 온도 조건에 따라 6개의 온도 존으로 구분되며, 각 온도 존은 실린더의 외주면에 장착된 냉각 수단과 가열 수단에 의하여 조절되고, 폴리프로필렌 용융물의 온도는 제1 온도 존에서 147 내지 153℃, 제2 온도 존에서는 167℃ 내지 172℃, 제3 온도 존에서는 168℃ 내지 172℃, 제4 온도 존에서는 218℃ 내지 225℃, 제5 온도 존에서는 197℃ 내지 203℃, 제6 온도 존에서는 188℃ 내지 193℃를 유지한다.
2차 압출기의 실린더 역시 내부에서 유동하는 폴리프로필렌 용융물이 가져야할 온도 조건에 따라 6개의 온도 존으로 구분되며, 각 온도 존은 실린더의 외주면에 장착된 냉각 수단과 가열 수단에 의하여 조절되고, 폴리프로필렌 용융물의 온도는 제 1 온도 존에서 167℃ 내지 173℃, 제2 온도 존에서 147℃ 내지 152℃, 제3 온도 존에서 142℃ 내지 147℃, 제4 온도 존에서 137℃ 내지 141℃, 제5 온도 존에서 137℃ 내지 142℃, 제6 온도 존에서 132℃ 내지 137℃를 유지한다.
1차 압출기와 2차 압출기를 연결하는 가이드의 내부는 248℃ 내지 255℃의 온도를 유지한다.
펌핑부의 케이싱 내부 공간에 장착된 2개의 기어는 내부 공간의 중심을 향하여 서로 반대 방향으로 회전하여 폴리프로필렌 용융물을 다음 공정 위치로 강제 이송시킨다. 또한, 균질화부의 제 1 하우징은 다수의 베어링 블록을 통하여 지지 플레이트에 회전 가능하게 지지되며, 구동부의 구동 스프라켓이 제 1 하우징의 외주면에 고정된 종동 스프라켓과 연결되어 있어 구동부의 작동에 따라 제 1 하우징이 회전한다.
다이스부의 토출부는 중공의 안내바 및 안내바 외부에 위치한 실린더로 이루어지며, 안내바의 외주부에는 다수의 캐비티가 안내바의 길이 방향으로 형성되어 있어 각 캐비티에는 균질화부에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 유입, 유동하고, 각 캐비티와 대응하는 실린더의 부분에는 다수의 관통공이 형성되어 있다.
절단부는 토출부의 후방에 위치하는 지지판 및 지지판에 고정된 상태에서 실린더 외부에 이동 가능한 상태로 위치하는 절단 부재를 포함하되, 절단 부재에는 실린더의 각 관통공에 대응하는 위치에 다수의 관통공이 형성되어 있으며, 구동부는 모터에 의하여 회전하는 편심 캠, 편심 캠에 접촉하여 회전하는 크랭크, 크랭크에 연결되어 크랭크의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시킨 후 절단 부재가 고정된 지지판에 전달하는 동력 절환 전달 수단을 포함하여, 상기 구동부의 작동에 따라 절단 부재가 실린더의 외주면을 따라 왕복 운동함으로서 실린더의 각 관통 구멍을 통하여 발화되는 발포체를 절단 부재의 관통공에 의하여 절단된다.
한편, 실린더의 일정 위치에는 그 길이 방향으로 다수의 홈이 형성되어 있으며, 각 홈 내에는 홈을 따라 이송할 수 있고 일단이 지지판에 고정된 왕복 로드가 각각 위치하며, 절단 부재는 고정 수단에 의하여 각 왕복 로드에 고정되어 있어 실린더의 각 홈을 따라 왕복 운동하는 왕복 로드에 의하여 절단 부재는 실린더 외주면 상에서 왕복 이동하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 펠릿형 발포체 제조 장치의 세부 구성 및 동작을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 펠릿형 발포체 제조 장치의 전체적인 구성도로서, 본 발명에 따른 발포체 제조 장치는 크게 1차 압출기(100), 가이드(150)에 의하여 1차 압출기(100)와 연결된 2차 압출기(200), 2차 압출기(200)와 연결된 펌핑부(300), 펌핑부(300)와 연결된 균질화부(400) 및 균질화부(400)로부터 배출된 발포체 혼합물을 펠릿형 발포체로 형성하기 위한 다이스부(500)로 구성된다.
이하에서는 상술한 각 부분을 구분하여 설명한다.
A. 1차 압출기(100)
도 2는 도 1에 도시된 1차 압출기(100)의 실린더를 도시한 평면도, 도 3은 도 2의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도로서, 1차 압출기(100)의 구성을 도시한다. 1차 압출기(100)는 일정 길이의 원통형 실린더(101), 실린더(101) 일단에 설치된 구동부(102), 실린더(101)에 내장된 상태로 구동부(102)에 의하여 회전하는 이송 스크류(103) 및 실린더(101) 외주면에 장착된 냉각 수단(104)과 가열 수단(105)을 포함한다.
구동부(102)와 대응하는 실린더(101)의 일단부에는 원료 폴리프로필렌과 핵형성제(예, 중탄산나트륨)을 실린더(101) 내에 각각 투입하기 위한 투입구(101a, 101b; 단면도인 도 3에는 하나의 투입구(101a)만이 도시됨)가 형성되어 있으며, 또 다른 일단부에는 배출구(101c)가 형성되어 있다. 또한, 실린더(101)의 중앙부에는 대전방지제(예, 파라핀왁스) 투입구(101d)와 발포제(예, LPG 또는 CO2) 투입구(101e)가 각각 형성되어 있다.
한편, 실린더(101)는 내부에 투입된 폴리프로필렌 용융물이 가져야할 온도 조건에 따라 6개의 온도 존으로 구분되며, 각 존에 대응하는 실린더(101)의 외주면에는 폴리프로필렌 용융물의 온도 조절을 위한 냉각 수단(104)과 가열 수단(105)이 장착되어 있다.
도 2는 도 1에 도시된 1차 압출기(100)의 실린더(101) 외주면에 장착된 냉각 수단(104)과 가열 수단(105)을 도시한 평면도로서, 이를 도 3과 함께 설명한다.
상술한 각 영역에 대응하는 실린더(101)의 외주면 둘레에 장착된 냉각 수단(104)은 외부에서 공급된 냉각수가 유동하는 밀폐된 케이싱으로서, 그 단면은 도넛 형태이다. 이 케이싱(104)내로 공급된 냉각수는 케이싱(104)을 따라서 실린더(101)의 표면에 접촉한 상태로 유동하게 되며, 결국 실린더(101)의 내부, 즉 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도를 낮추게 된다.
2개의 케이싱(104) 사이에 장착된 가열 수단(105)은 열선이 내장된 히터로서, 냉각 수단(104)에 의하여 온도가 낮아진 폴리프로필렌 용융물의 온도를 설정된 온도까지 상승시킨다.
이상과 같은 구성을 갖는 1차 압출기(100)의 기능을 각 도면을 참고하여 설명한다. 구동부(102)를 작동시킨 후, 투입구(101a, 101b)를 통하여 폴리프로필렌과 핵형성제를 실린더(101) 내에 각각 투입한다. 구동부(102)의 작동에 따라 이송 스크류(103)는 실린더(101) 내에서 회전(물론, 감속기에 의하여 그 회전 속도는 구동부의 회전 속도에 비하여 현저하게 낮아진 상태임)함으로서 실린더(101) 내로 투입된 폴리프로필렌과 핵형성제는 용융 혼합함과 동시에 실린더(101)의 또 다른 종단을 향하여 강제적으로 이송된다.
이러한 과정에서 실린더(101) 중앙부분에 형성된 또 다른 투입구들(101d, 101e)을 통하여 대전방지제와 발포제가 각각 실린더(101) 내로 투입되어 폴리프로필렌의 용융물과 혼합된다.
전술한 바와 같이, 1차 압출기(100)의 실린더(101)는 그 내부를 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도 조건에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 6개의 온도 존(Z1 내지 Z6)으로 구분되며, 각 온도 존(Z1 내지 Z6)의 길이는 약 300 내지 400mm이다. 바람직한 양태로서, 실린더(101)의 내경은 65mm이고 따라서 LD는 약 358mm이며 실린더 내의 각 영역(Z1 내지 Z6)에 따른 폴리프로필렌 용융물의 온도 조건 및 기타 조건은 다음과 같다.
1) 제1 온도 존(Z1): 폴리프로필렌과 핵형성제가 투입되는 존으로서, 그 온도는 150℃이며, 이 온도가 유지되는 길이, 즉 제1 온도 존(Z1)의 길이는 360mm이다.
2) 제2 온도 존(Z2): 제2 온도 존(Z2)을 이동하는 폴리프로필렌 용융물은 170℃의 온도를 유지한다.
3) 제3 온도 존(Z3): 제3 온도 존(Z3)을 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도는 제2 온도 존(Z2)과 동일한 170℃의 온도를 유지하며, 제3 온도 존(Z2)에 대전방지제인 파라핀 왁스가 투입된다.
4) 제4 온도 존(Z4): 폴리프로필렌 용융물은 제4 온도 존(Z4)에서 약 220℃의 온도를 유지하며, 발포제인 CO2 또는 LPG가 제4 온도 존(Z4)에서 실린더(101) 내로 투입된다.
5) 제5 온도 존(Z5)에서의 폴리프로필렌 용융물의 온도는 200℃를, 제6 온도 존(Z6)에서는 폴리프로필렌 용융물의 온도를 190℃로 각각 유지한다.
이상과 같은 각 온도 존(Z1 내지 Z6)에서의 폴리프로필렌의 용융물의 온도를 맞추기 위하여 각 온도 존에 장착된 냉각 수단(104)과 가열 수단(105)을 적절하게 작동시킨다. 즉, 냉각 수단(104)인 케이싱 내로 공급되는 냉각수의 양 및 온도, 가열 수단(105)을 구성하는 열선에 인가되는 전류와 인가 시간을 조절함으로서 각 영역(Z1 내지 Z6)에서의 폴리프로필렌 용융물의 온도는 상기 조건에 맞추어 조절된다.
한편, 1차 압출기(100)의 실린더(101)로 투입되는 발포제로서 CO2를 이용하는 경우에는 CO2 공급 장치를 이용하게 되며, 본 발명에서 이용된 CO2공급 장치는 다음과 같다.
도 4는 CO2 공급 장치의 구성을 도시한 개략적인 도면으로서, CO2 공급 장치(110)는 CO2 저장 탱크(110A), 기화 및 냉동화 유니트(110B), CO2 공급 유니트(110C), CO2 안정화 유니트(110D) 및 저장 유니트(110E)로 구성된다. CO2 저장 탱크(110A)에 저장된 CO2는 기화 및 냉동화 유니트(110B)로 공급되어 증기 형태로 변환된다. 즉, CO2는 기화 및 냉동화 유니트(110B) 내의 냉동기를 통과하는 과정에서 기화되어 증기화되며, 이후 CO2 공급 유니트(110C)인 펌프에 의하여 CO2 안정화 유니트(110D)로 공급된다. CO2 안정화 유니트(110D)에서 증기 형태의 CO2는 가스 형태로 변환되며, 가스 형태의 CO2는 저장 유니트(110E) 내에 저장된다. 저장 유니트(110E)
내에 저장된 CO2는 공정이 시작되면, 상술한 1차 압출기(100)의 제 1 실린더(101) 내로 공급된다.
이와 같은 각 온도 존(Z1 내지 Z6)에서의 조건에 맞추어 실린더(101)의 종단부로 이송(이송 스크류(103)에 의한 이동)된 폴리프로필렌 용융물은 가이드(150)를 통하여 2차 압출기(200)로 유입된다. 가이드(150) 내부를 통과하는 폴리프로필렌 용융물은 250℃의 온도를 유지한다.
B. 2차 압출기(200)
가이드(150)를 통하여 폴리프로필렌 용융물이 유입되는 2차 압출기(200)의 구성은 상술한 1차 압출기(100)의 구성과 동일하다. 즉, 2차 압출기(200)를 구성하는 실린더(201) 역시 그 내부를 유동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도 조건에 따라 6개의 온도 존으로 구분되며, 각 존에 대응하는 실린더(201)의 외주면에는 폴리프로필렌 용융물의 온도 조절을 위한 냉각 수단과 가열 수단이 장착되어 있다. 냉각 수단과 가열 수단의 구성은 도 3에 도시된 1차 압출기(100)의 실린더(101) 외주면에 장착된 냉각 수단(104)과 가열 수단(105)과 동일하며, 따라서 그 설명은 생략하기로 한다.
2차 압출기(200)의 실린더(201)는 그 내부를 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도 조건에 따라 6개의 온도 존으로 구분되며, 각 존의 길이는 약 470 내지 520mm이다. 바람직한 양태로서, 실린더(101)의 내경은 90mm이고 따라서 LD는 495mm이며 실린더(201)내의 각 온도 존에 따른 폴리프로필렌 용융물의 온도 조건은 아래와 같다.
1) 제1 온도 존(유입부): 170℃
2) 제2 온도 존: 150℃
3) 제3 온도 존: 145℃
4) 제4 및 제5 온도 존: 140℃
5) 제6 온도 존(배출부): 135℃
C. 펌핑부(300)
2차 압출기(200)에서 135℃의 온도로 배출된 폴리프로필렌 용융물은 펌핑부(300)로 유입된다. 폴리프로필렌의 융점은 138℃이며, 따라서 2차 압출기(200)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 그 유동 속도가 상당히 떨어진 상태이다. 이후의 공정 단계로 이러한 폴리프로필렌 용융물을 강제로 이송시키기 위하여 본 발명에서는 펌핑부(300)를 이용한다.
도 5는 도 1에 도시된 펌핑부(300)와 균질화부(400)의 내부 구조를 도시한 단면도로서, 좌측부는 펌핑부(300)의 내부 구조를, 우측부는 균질화부(400)의 내부 구조를 각각 도시한다.
2차 압출기(200)의 실린더(201)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 유입되는 펌핑부(300)는 내부에 공간이 형성된 케이싱(301), 케이싱(301) 내부 공간에서 서로 맞물린 상태로 회전 가능하게 설치된 2개의 기어(302A, 302B) 및 기어(302A, 302B)를 회전시키기 위한 구동부(303)를 포함한다. 케이싱(301)의 유입부는 2차 압출기(200)의 실린더(201)와 플랜지(304)로 연결된다.
2차 압출기(200)의 실린더(201)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 케이싱(301)의 유입부를 통하여 내부 공간으로 유입된 후, 공간부의 중심을 향하여 서로 반대 방향으로 회전하는 2개의 기어(302A, 302B)에 의하여 배출부로 강제 배출된다. 즉, 2차 압출기(200)의 실린더(201)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 그 온도가 135℃로서, 혼합물의 유동성은 현저하게 떨어진다. 따라서 펌핑부(300)는 폴리프로필렌 용융물을 다음 공정 위치로 강제적으로 유동시키는 역할을 수행한다.
D. 균질화부(400)
펌핑부(300)의 케이싱(301)의 배출부에 연결된 균질화부(400)는 회전부(400A) 및 파쇄부(400B)로 구분된다. 회전부(400A)는 중공 원통형의 제 1 하우징(401), 제 1 하우징(401)의 외주면에 고정된 종동 스프라켓(402), 구동 스프라켓(403)이 고정된 구동부(404)로 이루어진다.
제 1 하우징(401)은 다수의 베어링 블록(405, 406)을 통하여 지지 플레이트(407 및 408)에 회전 가능하게 지지된다. 구동부(404)의 구동 스프라켓(403)은 제 1 하우징(401)의 외주면에 고정된 종동 스프라켓(402)과 연결되어 있으며, 따라서 구동부(404)의 작동에 따라 제 1 하우징(401)은 회전하게 된다. 제 1 하우징(401)의 일단은 펌핑부(300)의 케이싱(301)의 배출단에 대응하며, 따라서 펌핑부(300)로부터 유입된 폴리프로필렌 용융물은 제 1 하우징(401) 내로 유입된다. 제 1 하우징(401) 내에서 폴리프로필렌 용융물은 위치(즉, 제 1 하우징 내부 공간의 중심부와 외곽부)에 따라 그 온도가 다르게 나타나며, 따라서 제 1 하우징(401)이 회전함에 따라 폴리프로필렌 용융물이 혼합되어 전체적으로 그 온도는 일정하게 유지된다. 이 때, 펌핑부(300)에 의하여 새로운 폴리프로필렌 용융물이 계속적으로 강제 유입되므로 폴리프로필렌 용융물은 회전과 동시에 이송된다.
파쇄부(400B)는 회전부(400A)의 제 1 하우징(401)의 배출단에 연결된 스크류(410), 스크류(410)의 외주부에 위치하는 제 2 하우징(411), 제 2 하우징(411)과의 사이에 소정의 밀폐 공간을 갖도록 장착된 프레임(412)으로 이루어진다. 스크류(410)는 원통형 부재의 외주면에 소정 깊이의 나선이 형성된 구성으로서, 스크류(410)와 제 2 하우징(411) 사이에는 나선 형상의 공간부가 스크류(410)의 전 길이에 걸쳐 형성된다. 따라서, 회전부(400A)의 고압 제 1 하우징(401)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 스크류(410)와 제 2 하우징(411) 사이의 나선형 공간부를 따라 이동하여 파쇄부(400B) 외부로 배출된다.
한편, 제 2 하우징(411)과 프레임(412) 사이에 형성된 공간에는 열매체유가 유동한다. 즉, 프레임(412)의 일측에는 열매체유가 유입되는 유입 포트(412A)가, 또 다른 일측에는 열매체유가 배출되는 배출 포트(412B)가 형성되어 있다. 유입 포트(412A)를 통하여 제 2 하우징(411)과의 프레임(412) 사이의 공간으로 유입된 열매체유는 제 2 하우징(411) 표면과 직접 접촉하여 그 내부를 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도를 조절한다. 제 2 하우징(411)과 프레임(412) 사이의 공간으로 유입되어 폴리프로필렌 용융물의 온도 조절 역할을 수행한 열매체유는 배출 포트(412B)를 통하여 외부로 배출된다. 유입, 온도 조절 및 배출은 계속적으로 진행되며, 따라서 제 2 하우징(411)과 스크류(410) 사이의 나선 공간을 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도는 설정된 온도로 조절된다.
균질화부(400)의 후단, 즉 제 2 하우징(411)의 배출부에는 배출된 폴리프로필렌과 핵형성제의 혼합물을 파쇄하여 균질화시키기 위한 균질화 수단(450)이 장착되어 있다.
도 6a 및 도 6b는 균질화 수단(450)을 구성하는 회전 플레이트(451) 및 고정 플레이트(452)의 정면도이다. 회전 플레이트(451) 및 고정 플레이트(452)는 동일한 형태로서, 서로 밀착된 상태로 장착되나, 회전 플레이트(451)는 회전 가능하게 장착된다.
회전 플레이트(451)에는 방사상으로 배치된 다수의 절개부(451A)가 구성되어 있으며, 각 절개부451A)는 회전 플레이트(451)의 중심에 대하여 경사지게 구성된다. 또한 고정 플레이트(452)에는 다수의 원형 개구(452A)가 형성되어 있다.
제 2 실린더(411)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 회전하는 회전 플레이트(451A)에 도달하여 회전 플레이트(451A)에 형성된 각 절개부(451A)를 통과하는 과정에서 각 절개부(451A)의 에지(edge)에 의해 절단되며, 따라서 모든 폴리프로필렌 용융물은 균질하게 파쇄된다. 파쇄된 폴리프로필렌 용융물은 회전 플레이트(451)와 고정 플레이트(452)의 사이에서 회전하는 회전 플레이트(451)에 의하여 갈린 후 고정 플레이트(452)의 개구(452A)를 통하여 배출된다.
E. 다이스부(500)
이와 같이 온도가 조절된 상태로 균질화부(400)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 다이스부(500)로 유입되어 펠릿형 발포체로 제조된다.
도 7은 도 1에 도시된 다이스부(500)의 구조를 도시한 평면도, 도 8은 도 7의 선 B-B를 따라 절취한 상태의 단면도, 도 9는 도 8의 선 C-C를 따라 절취한 상태의 단면도로서, 다이스부(500)는 크게 토출부(500A), 절단부(500B) 및 구동부(500C)로 구분된다.
토출부(500A)는 중공(中空) 원통형 안내바(501) 및 안내바(501) 외부에 위치한 실린더(502)로 이루어진다. 안내바(501)의 외주부에는 다수의 캐비티(501A)가 안내바(501)의 길이 방향으로 형성되어 있으며, 각 캐비티(501A)에는 균질화부(400)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 유입, 유동한다. 각 캐비티(501A)와 대응하는 실린더(502)의 부분에는 다수의 관통공(502A)이 형성되어 있다.
절단부(500B)는 토출부(500A)의 후방에 위치하는 지지판(506) 및 지지판(506)에 고정된 절단 부재(503)로 이루어진다. 절단 부재(503)는 실린더(502) 외부에 이동 가능한 상태로 위치하며, 도 9에 도시된 바와 같이 실린더(502)의 각 관통공(502A)에 대응하는 위치에 다수의 관통공(503A)이 형성되어 있다. 각 도면에 도시된 바와 같이, 실린더(502)에 형성된 관통공(502A)의 직경은 절단 부재(503)에 형성된 관통공(503A)의 직경보다 작게 이루어져 있다. 초기 위치에서, 절단 부재(503)에 형성된 관통공(503A) 중심부에 대응하는 실린더(502)의 관통공(502A)이 위치한다.
한편, 실린더(502)의 일정 위치에는 그 길이방향으로 다수의 홈(502B)이 형성되어 있으며, 각 홈(502B) 내에 왕복 로드(505)가 각각 위치한다. 절단 부재(503)는 볼트와 같은 고정 수단을 에 의하여 각 왕복 로드(505)에 고정되며, 따라서 실린더(502)의 각 홈(502B)을 따라 왕복 운동하는 왕복 로드(505)에 의하여 절단 부재(503)는 실린더(502) 외주면 상에서 왕복 이동하게 된다.
다이스부(500)의 구동부(500C)는 모터(510)에 의하여 회전하는 편심 캠(511), 편심 캠(511)에 접촉하여 회전하는 크랭크(512), 크랭크(512)에 연결되어 크랭크(512)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시킨 후 지지판(506)에 전달하는 동력 절환 전달 수단(513)으로 이루어진다.
모터(510)의 작동에 따라 편심 캠(511)이 회전하면, 크랭크(512)의 회전운동은 동력 절환 전달 수단(513)에 의하여 직선 운동으로 변환된 후 다수의 왕복 로드(505)의 일단이 고정된 지지판(506)으로 전달된다. 따라서 절단 부재(503)는 실린더(502)의 외주면을 따라 왕복운동을 하게 된다.
한편, 균질화부(400)에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 안내바(501)에 구성된 다수의 캐비티(501A)로 압입된 후 실린더(502)의 각 관통공(502A)을 통하여 발화된다. 이때, 구동부(510)의 작동에 따른 절단 부재(503)의 왕복 운동에 따라 실린더(502)의 각 관통공(502A)과 절단 부재(503)의 관통공(503A)이 대응될 때, 폴리프로필렌 용융물은 각 관통공(502A 및 503A)을 통과하여 절단 부재(503) 외부로 일정 길이 발화되며, 이후 절단 부재(503)의 이송에 따라 실린더(502)의 각 관통공(502A)과 절단 부재(503)의 각 관통공(503A)의 대응 상태가 해제되는 순간에 발포체는 절단 부재(503)의 각 관통공(503A)의 엣지(edge)에 의하여 절단된다. 여기서, 절단된 발포체의 크기는 절단 부재(503)의 이동 속도에 따라 결정됨은 물론이다.
이와 같이 실린더(502)의 관통공(502A)을 통하여 폴리프로필렌이 발화되어 압출된 후 절단 부재(503)에 의하여 절단됨으로서 펠릿형 발포체가 형성된다. 실린더(502)의 각 관통공(502A)의 직경은 0.7mm이며, 발포 비율은 관통공 직경의 약 5배이다. 또한, 절단 부재(503)는 분당 약 600회 왕복 운동한다.
파쇄부(400B)로부터 이송되어오는 폴리프로필렌 용융물은 다이스부 내에서 120kgf/cm2의 압력 하에서 있다. 만일 다이스내의 폴리프로필렌 용융물이 곧바로 대기압에 노출되면 형성되는 발포체의 셀은 대부분 오픈 셀(open cell)로 된다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 다이스 외부로 감압 수단을 설치한다.
도 7에는 다이스부에 설치된 감압 수단의 한 예를 도시하고 있다. 감압 수단(600)은 다이스부(500)의 토출부(500A) 및 절단부(500B)를 외부(대기)로부터 밀폐시키는 케이싱(601)이다. 케이싱(601)의 형태는 한정되지 않으며, 일측에는 외부의 공기가 유입되는 유입구(602)가, 또 다른 일측에는 외부로 공기가 배출되는 배출구(603)가 각각 형성되어 있다.
케이싱(601) 내로 공급되는 외부의 공기의 온도는 상온 이하이며, 이는 냉각 장치(도시되지 않음)를 통하여 쉽게 유지할 수 있다. 또한, 케이싱 (601) 내의 압력이 적절한 정도(예를 들어, 0.8Kgf/cm2)를 유지할 수 있도록 펌프(도시되지 않음)를 이용하여 유입되는 공기의 양을 조절할 수 있음은 물론이다. 한편, 배출구(603)는 배출되는 공기와 함께 제조된 펠릿형 발포체를 저장하기 위한 보관 수단과 연결될 수 있다.
한편, 다이스부(500)를 구성하는 실린더(502) 내부는 매우 고온이며, 따라서 실린더(502)를 적절한 온도로 유지하여야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 다이스부에 열 매체유를 이용한 냉각 장치(700)를 장착한다.
도 10a는 냉각 장치가 장착된 다이스부의 실린더를 도시한 측면도, 도 10b는 도 10a의 정면도로서, 편의상 도 7에 도시된 감압 수단의 케이싱(601)은 도시하지 않았다.
본 발명에서 이용된 냉각 장치(700)는 실린더(502)의 전방에 위치하며 외부에서 열 매체유가 공급되는 링형(ring type)의 공급 파이프(701)와, 유입단(702A)이 공급 파이프(701)에 연결되며 실린더(502) 내에 내장되어 있는 다수의 유동 파이프(702) 및 실린더(502)의 전방에 위치하며 유동 파이프(702)의 배출단(702B)이 연결된 배출 파이프(703)를 포함한다.
실린더(502) 선단에 위치하는 링형의 열 매체유 공급 파이프(701)는 그 일단이 펌프와 같은 강제 유동 수단(도시되지 않음)에 연결되어 있어 일정한 압력의 열 매체유가 공급된다. 열 매체유는 공급 파이프(701)에 연결된 다수의 유동 파이프
(702)의 유입단(702A)을 통하여 유동 파이프(702)로 주입된다.
실린더(502)의 전 원주에 걸쳐 일정 간격을 두고 내장된 다수의 유동 파이프 (702)는 실린더(502) 전 길이에 걸쳐 내장되어 있으며, 그 유입단(702A) 및 배출단 (702B)은 실린더(502) 선단으로 노출된다. 따라서, 열 매체유 공급 파이프(701)로부터 유입단(702A)을 통하여 유입된 열 매체유는 각 유동 파이프(702)를 따라 실린더(502) 전 길이에 걸쳐 유동한 후(즉, 열 교환을 실시한 후) 배출단(702B)을 통하여 배출된다.
실린더(502) 선단에 위치하는 링형의 열 매체유 배출 파이프(703)는 그 일단이 열 매체유 저장 탱크(도시되지 않음)에 연결되어 있으며, 따라서 다수의 유동 파이프(702) 내부를 유동하는 과정에서 실린더(502)와의 열 교환을 수행한 열 매체유는 배출단(702B)을 통하여 열 매체유 배출 파이프(703)로 유입된 후 저장 탱크로 이동한다.
이와 같이 열 매체유 공급 파이프(701), 실린더(502) 내에 내장된 다수의 유동 파이프(702) 및 열 매체유 배출 파이프(703)를 따라 열 매체유가 이동하는 과정에서 열 매체유와 실린더와의 열 교환이 이루어짐으로서 실린더는 항상 발포체 생산에 적절한 온도를 유지할 수 있다.
한편, 각 유동 파이프(702)로 열 매체유를 공급하는 공급 파이프(701) 및 각 유동 파이프(702)로부터 열 매체유가 유입되는 배출 파이프(703)를 링형으로 구성한 이유는 단면이 원형인 실린더(502)의 원주부에 균일하게 내장되어 있는 다수의 유동 파이프(702)에 열 매체유를 동시에 공급하고 또한 유동 파이프(702)로부터 동시에 열 매체유를 공급받기 위한 것이나, 그 형태는 링(ring)형이 아닌 다각형으로 구성할 수 있음은 물론이다.
본 발명은 하기 실시예로 보다 구체적으로 예시될 것이다. 그러나, 이들 실시예는 단지 본 발명의 구현 예이며 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시예 1
본 발명에 따라 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하기 위해 통상 사용되는 내부 직경 65 mm인 1차 압출기와 내부 직경이 90 mm인 2차 압출기로 구성된 텐덤 압출기를 변형시켰다. 2차 압출기 말단에 기어 펌프를 연결하고 후속으로 다이스를 장착하였다. 다이스는 기어 펌프로부터 용융물이 이송되는 지점에 도 3에 도시된 균질화 수단을 설치하고 다이스외부로는 가압 장치가 구비되었다. 다이스의 호울 직경은 0.7 mm이고, 다이스에서의 압력은 0.5kgf/cm2로 유지하였다. 1차 압출기는 24 rpm으로, 2차 압출기는 9 rpm으로 고정하였다.
대한유화공업(주) (YUHWA Korea Petrochemical Ind. Co., Ltd)로부터 구입한 랜덤 공중합체 RP2400 (프로필렌-3중량% 에틸렌; 융융지수 0.25; 융점 138℃) 40 kg 및 주식회사금양으로부터 구입한 중탄산나트륨 800 g를 각각의 호퍼를 통해 압출기에 투입하였다. 레오케미칼사(한국 김해 소재)로부터 구입한 파라핀왁스 M1 300 g을 1차 압출기의 제3 온도 존에 투입하였다. LPG 12 kg을 압출기의 제4 온도 존에 정량펌프를 이용하여 투입하였다. 압출기에서부터 균질화 장치에 설정된 온도 조건은 하기 표 1에 기술된 바와 같으며 각 온도 존의 LD는 360 mm이다.
| 장치 | 온도 존 | 온도(℃) |
| 1차 압출기 | 제1 | 150 |
| 제2 | 170 | |
| 제3 | 170 | |
| 제4 | 220 | |
| 제5 | 200 | |
| 제6 | 190 | |
| 가이드* | 250 | |
| 2차 압출기 | 제1 | 170 |
| 제2 | 150 | |
| 제3 | 144 | |
| 제4 | 139 | |
| 제5 | 138 | |
| 제6 | 136 | |
| 기어펌프 | 133 | |
| 균질화장치 | 130 | |
* 1차 압출기와 2차 압출기 사이에 설치된 것으로 1차 압출기의 제6 온도 존을 통과한 용융물을 2차 압출기의 제1 온도 존으로 이송시켜 주는 안내 역할을 한다.
실시예 2
장치의 온도 조건을 하기 표 2에 기술된 바와 같이 설정하고 실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하여 펠릿형 발포체를 생성하였다.
| 장치 | 온도 존 | 온도(℃) |
| 1차 압출기 | 제1 | 150 |
| 제2 | 170 | |
| 제3 | 170 | |
| 제4 | 220 | |
| 제5 | 200 | |
| 제6 | 190 | |
| 가이드 | 250 | |
| 2차 압출기 | 제1 | 170 |
| 제2 | 150 | |
| 제3 | 145 | |
| 제4 | 140 | |
| 제5 | 138 | |
| 제6 | 135 | |
| 기어펌프 | 130 | |
| 균질화장치 | 125 | |
실시예 3
장치의 온도 조건을 하기 표 3에 기술된 바와 같이 설정하고 실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하여 펠릿형 발포체를 생성하였다.
| 장치 | 온도 존 | 온도(℃) |
| 1차 압출기 | 제1 | 147 |
| 제2 | 167 | |
| 제3 | 168 | |
| 제4 | 218 | |
| 제5 | 202 | |
| 제6 | 1880 | |
| 가이드 | 248 | |
| 2차 압출기 | 제1 | 167 |
| 제2 | 147 | |
| 제3 | 142 | |
| 제4 | 137 | |
| 제5 | 137 | |
| 제6 | 132 | |
| 기어펌프 | 130 | |
| 균질화장치 | 129 | |
실시예 4
장치의 온도 조건을 하기 표 4에 기술된 바와 같이 설정하고 실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하여 펠릿형 발포체를 생성하였다.
| 장치 | 온도 존 | 온도(℃) |
| 1차 압출기 | 제1 | 151 |
| 제2 | 170 | |
| 제3 | 170 | |
| 제4 | 219 | |
| 제5 | 202 | |
| 제6 | 190 | |
| 가이드 | 252 | |
| 2차 압출기 | 제1 | 170 |
| 제2 | 150 | |
| 제3 | 146 | |
| 제4 | 141 | |
| 제5 | 140 | |
| 제6 | 135 | |
| 기어펌프 | 130 | |
| 균질화장치 | 127 | |
실시예 5
장치의 온도 조건을 하기 표 5에 기술된 바와 같이 설정하고 실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하여 펠릿형 발포체를 생성하였다.
| 장치 | 온도 존 | 온도(℃) |
| 1차 압출기 | 제1 | 153 |
| 제2 | 172 | |
| 제3 | 172 | |
| 제4 | 225 | |
| 제5 | 203 | |
| 제6 | 193 | |
| 가이드 | 255 | |
| 2차 압출기 | 제1 | 173 |
| 제2 | 152 | |
| 제3 | 147 | |
| 제4 | 141 | |
| 제5 | 142 | |
| 제6 | 137 | |
| 기어펌프 | 134 | |
| 균질화장치 | 130 | |
실시예 6
장치의 온도 조건을 하기 표 6에 기술된 바와 같이 설정하고 실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하여 펠릿형 발포체를 생성하였다.
| 장치 | 온도 존 | 온도(℃) |
| 1차 압출기 | 제1 | 149 |
| 제2 | 170 | |
| 제3 | 171 | |
| 제4 | 224 | |
| 제5 | 200 | |
| 제6 | 191 | |
| 가이드 | 250 | |
| 2차 압출기 | 제1 | 170 |
| 제2 | 150 | |
| 제3 | 145 | |
| 제4 | 140 | |
| 제5 | 140 | |
| 제6 | 135 | |
| 기어펌프 | 134 | |
| 균질화장치 | 130 | |
실시예 7
장치의 온도 조건을 하기 표 7에 기술된 바와 같이 설정하고 실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하여 펠릿형 발포체를 생성하였다.
| 장치 | 온도 존 | 온도(℃) |
| 1차 압출기 | 제1 | 150 |
| 제2 | 170 | |
| 제3 | 170 | |
| 제4 | 220 | |
| 제5 | 200 | |
| 제6 | 190 | |
| 가이드 | 250 | |
| 2차 압출기 | 제1 | 167 |
| 제2 | 152 | |
| 제3 | 142 | |
| 제4 | 141 | |
| 제5 | 137 | |
| 제6 | 132 | |
| 기어펌프 | 134 | |
| 균질화장치 | 130 | |
비교 실시예 1
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 균질화 장치만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 온도는 130℃로 설정하고 균질화 장치는 작동시키지 않았다. 따라서, 기어 펌프로부터 용융물은 균질화되지 않고서 130℃의 온도 존을 통과하여 다이스로 유입되었다.
비교 실시예 2
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 1차 압출기의 제1 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제1 온도 존은 146℃로 설정하였다.
비교 실시예 3
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 1차 압출기의 제2 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제2 온도 존은 173℃로 설정하였다.
비교 실시예 4
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 1차 압출기의 제3 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제3 온도 존은 173℃로 설정하였다.
비교 실시예 5
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 1차 압출기의 제4 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제4 온도 존은 226℃로 설정하였다.
비교 실시예 6
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 1차 압출기의 제5 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제5 온도 존은 205℃로 설정하였다.
비교 실시예 7
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 1차 압출기의 제6 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제6 온도 존은 187℃로 설정하였다.
비교 실시예 8
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 가이드의 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 가이드의 온도 존은 256℃로 설정하였다.
비교 실시예 9
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 2차 압출기의 제1 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제1 온도 존은 174℃로 설정하였다.
비교 실시예 10
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 2차 압출기의 제2 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제2 온도 존은 153℃로 설정하였다.
비교 실시예 11
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 2차 압출기의 제3 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제3 온도 존은 148℃로 설정하였다.
비교 실시예 12
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 2차 압출기의 제4 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제4 온도 존은 142℃로 설정하였다.
비교 실시예 13
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 2차 압출기의 제5 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제5 온도 존은 143℃로 설정하였다.
비교 실시예 14
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 2차 압출기의 제6 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 제6 온도 존은 138℃로 설정하였다.
비교 실시예 15
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 기아 펌프의 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 기아 펌프의 온도 존은 141℃로 설정하였다.
비교 실시예 16
실시예 1에서와 동일한 절차 및 원료를 사용하고, 균질화 장치의 온도 존만을 제외하고 장치의 온도 조건을 하기 표 1에 기술된 바와 같이 설정하여 펠릿형 발포체를 생성하였다. 균질화 장치의 온도 존은 131℃로 설정하였다.
실험 실시예 1
실시예 1 및 실시예 2로부터 수득된 펠릿형 발포체에 대해 KS M3050-2001의 시험 방법에 따라 DSC (differential scanning calorimetry) (10℃/min to 200℃, 50cc/min to N2 퍼지) 전이온도를 측정하였다. 이의 결과는 각각 도 11 및 도 12에 나타나 있다. 도 11 및 도 12의 DSC 곡선으로부터 보는 바와 같이 실시예 1 및 실시예 2의 발포체는 각각 원료로 사용된 랜덤 공중합체 (RP2400 (폴리프로필렌-폴리에틸렌(3%)) 랜덤 공중합체)의 융점 138℃보다 낮은 137.62℃ 및 128.38℃의 융점을 나타낸다. 대조군으로서 RP2400 랜덤 공중합체에 대해서도 DSC 전이온도를 측정하였다. 이의 결과는 도 13에 나타나 있다.
실험 실시예 2
실시예 1로부터 수득된 펠릿형 발포체 및 대조군으로서 RP2400 (폴리프로필렌-폴리에틸렌(3%)) 랜덤 공중합체에 대해 원소분석을 하였다. 이 분석은 CE EA-1110 원소 분석기를 사용하여 실시되었다. 그 결과는 하기 표 8에 나타나 있다.
| 시료명 분석항목 | C(%) | H(%) | N(%) |
| RP2400 랜덤 공중합체 | 85.1 | 15.0 | N.D.* |
| 실시예 1의 펠릿형 발포체 | 84.2 | 14.8 | 0.5 |
N.D.는 검출할 수 없음 (non-detectable)을 의미한다.
N의 검출한계는 0.1%이다.
실험 실시예 3
실시예 1로부터 수득된 펠릿형 발포체 및 대조군으로서 RP2400 (폴리프로필렌-폴리에틸렌(3%)) 랜덤 공중합체에 대해 FT-IR 분석을 하였다. 이 분석은 Bio-Rad Digilab FTS-165 FT-IR Spectrophotometer를 사용하여 실시되었다. 그 결과는 도 14 및 도 15에 각각 나타나 있다. 이 분석 결과는 실시예 1로부터 수득된 펠릿형 발포체 및 RP2400 랜덤 공중합체의 주성분이 폴리프로필렌임을 가리킨다.
실험 실시예 4
ASTM D 2856-70에 기술된 절차 C에 따라 실시예 및 비교실시예에서 제조된 펠릿형 발포체의 오픈 셀 함량을 측정하였다. 이의 결과는 하기 표 9에 수록되어 있다.
실험 실시예 5
통상적인 방법에 따라 실시예 1에서 제조된 발포체의 기타 물성에 대해 측정하였으며, 그 결과는 아래 표 10에 수록된 바와 같다.
| 항목 | 실시예 1의 발포체 |
| 배율 | 25 |
| 외관색 | 엷은 아이보리 |
| 셀 크기 | 300㎛ |
| 압출강도 | 0.81㎏/㎠ |
실험 실시예 6
성형압을 2.5kgf/cm2 (약 138℃의 온도)로 설정한 대공기계 성형기 500GF 4를 사용하여 실시예 1에서 수득한 펠릿형 발포체를 성형하여 양호한 성형된 발포체를 생성하였다. 이러한 성형된 발포체의 생성은 펠릿형 발포체가 138℃에서 용융되어 발포체간에 양호하게 접착이 이루어졌음을 증명한다.
실험 실시예 7
성형압을 2.4kgf/cm2 (약 132℃의 온도)로 설정한 대공기계 성형기 500GF 4를 사용하여 실시예 2에서 수득한 펠릿형 발포체를 성형하여 양호한 성형된 발포체를 생성하였다. 이러한 성형된 발포체의 생성은 펠릿형 발포체가 132℃에서 용융되어 발포체간에 양호하게 접착이 이루어졌음을 증명한다.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예 및 실험예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체는 80% 이상의 폐쇄 셀을 포함하고 융점이 125℃ 내지 140℃이므로 성형 및 재생 관점에서 매우 유용하다.
도 1은 본 발명에 따른 발포체 제조 장치의 전체적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제 1 압출부(100)의 실린더를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 4는 CO2 공급 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 펌핑부(300)와 균질화부(400)의 내부 구조를 도시한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 균질화부(450)의 각 부재를 도시한 정면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 다이스부(500)의 구조를 도시한 평면도이다.
도 8은 도 7의 선 B-B를 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 9는 도 8의 선 C-C를 따라 절취한 상태의 단면도이다.
도 10a는 냉각 장치가 장착된 다이스부의 실린더를 도시한 측면도이다.
도 10b는 도 10a의 정면도이다.
도 11은 본 발명에 따라 제조된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체 (실시예 1)의 DSC 곡선이다.
도 12는 본 발명에 따라 제조된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체 (실시예 2)의 DSC 곡선이다.
도 13은 본 발명의 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하기 위해 사용된 RP2400 (폴리프로필렌-폴리에틸렌(3%)) 공중합체의 DSC 곡선이다.
도 14는 본 발명에 따라 제조된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 FT-IR 분석 결과를 보여준다.
도 15는 본 발명의 펠릿형 폴리프로필렌 발포체를 제조하기 위해 사용된 RP2400 (폴리프로필렌-폴리에틸렌(3%)) 공중합체의 FT-IR 분석 결과를 보여준다.
도 16a는 본 발명에 따라 제조된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 100배 광학 현미경 사진이다.
도 16b는 본 발명에 따라 제조된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 400배 광학 현미경 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 압출기 101 : 실린더
101a : 투입구 101b : 투입구
101c : 배출구 101d : 투입구
102 : 구동부 103 : 스크류
104 : 냉각 수단 105 : 가열 수단
110A : CO2 저장 탱크 110B : 냉동화 유니트
110C : CO2 공급 유니트 110D : CO2 안정화 유니트
110E : 저장 유니트 200 : 압출기
201 : 실린더 300 : 펌핑부
301 : 케이싱 302A,302B : 기어
303 : 구동부 400 : 균질화부
400A : 회전부 400B : 파쇄부
401 : 제1하우징 402 : 종동 스프라켓
403 : 구동 스프라켓 404 : 구동부
405 : 베어링 블록 406 : 베어링 블록
407 : 지지플레이트 408 : 지지플레이트
409 : 지지플레이트 410 : 스크류
411 : 제2하우징 412 : 프레임
412A : 유입 포트 412B : 배출 포트
450 : 균질화 수단 451 : 회전 플레이트
451A : 절개부 452 : 고정 플레이트
452A : 원형 개구 500 : 다이스부
500A : 토출부 500B : 절단부
500C : 구동부 501 : 안내바
501A : 캐비티 502 : 실린더
502A : 관통공 502B : 홈
503 : 부재 503A : 관통공
505 : 왕복 로드 506 : 지지판
510 : 모터 511 : 편심 캠
512 : 크랭크 513 : 동력 절환 전달 수단
600 : 감압 수단 601 : 케이싱
602 : 유입구 603 : 배출구
700 : 냉각장치 701 : 공급 파이프
702 : 유동 파이프 702A : 유입단
702B : 배출단 703 : 배출 파이프
Claims (14)
- 펠릿형 발포체 제조장치에 있어서,1차 압출기, 1차 압출기에 연결된 2차 압출기, 2차 압출기와 연결된 펌핑부, 펌핑부와 연결된 균질화부 및 균질화부에 연결된 다이스부를 포함하되,상기 1차 압출기는;회전 가능한 이송 스크류가 내장된 원통형 실린더, 실린더 일단에 설치되어 이송 스크류를 회전시키는 구동부 및 실린더 외주면에 장착된 다수의 냉각 수단과 가열 수단을 포함하며, 구동부와 대응하는 실린더의 일단부에는 폴리프로필렌과 핵형성제를 실린더 내에 각각 투입하기 위한 투입구가 형성되어 있고, 또 다른 일단부에는 배출구가 형성되어 있으며, 중앙부에는 첨가제 및 발포제를 투입하기 위한 투입구가 형성되어 있고, 상기 투입구를 통하여 실린더 내부로 투입된 원료는 구동부에 의하여 회전하는 이송 스크류에 의하여 배출부로 강제 이송되며,상기 2차 압출기는;1차 압출기의 실린더에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 가이드를 통하여 유입되는 실린더 및 상기 실린더 외주면에 장착되어 실린더 내부의 폴리프로필렌 용융물의 온도를 조절하는 다수의 냉각 수단과 가열 수단을 포함하며,상기 펌핑부는;2차 압출기의 실린더에서 배출된 폴리프로필렌 용융물의 혼합물이 유입되는 내부 공간이 형성된 케이싱, 케이싱 내부 공간에서 서로 맞물린 상태로 회전 가능하게 설치된 2개의 기어 및 기어를 회전시키기 위한 구동부로 이루어져 유입된 폴리프로필렌 용융물을 강제로 배출시키며,상기 균질화부는;펌핑부의 실린더로부터 유입된 폴리프로필렌 용융물이 유입되는 회전 가능하게 설치된 원통형의 제 1 하우징, 제 1 하우징을 회전시키는 구동부, 제 1 하우징의 배출단에 연결된 스크류, 스크류의 외주부에 위치하는 제 2 하우징, 제 2 하우징과의 사이에 밀폐 공간을 갖도록 장착된 프레임 및 제 2 하우징 후단에 설치된 균질화 수단을 포함하며, 스크류와 제 2 하우징 사이에는 나선 형상의 공간부가 스크류의 전 길이에 걸쳐 형성되어 제 1 하우징에서 배출된 폴리프로필렌 용융물은 스크류와 제 2 하우징 사이의 공간부를 따라 이동하여 외부로 배출되며, 제 2 하우징과 프레임 사이에 형성된 공간에는 열매체유가 유입, 유동하여 제 2 하우징 내부를 이동하는 폴리프로필렌 용융물의 온도를 조절하고, 균질화 수단은 폴리프로필렌 용융물을 파쇄하며,다이스부는;균질화부에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 유입되며, 토출부, 절단부 및 구동부로 이루어져 발화된 발포체를 소정의 규격으로 절단하는 것을 특징으로 하는, 융점이 125℃ 내지 140℃인 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1차 압출기 및 2차 압출기의 실린더에 장착된 각 냉각 수단은 외부에서 공급된 냉각수가 내부의 공간에서 유동하는 밀폐된 케이싱으로서, 케이싱 내로 공급된 냉각수는 케이싱을 따라서 실린더의 표면에 접촉한 상태로 유동하여 실린더의 내부를 이동하는 폴리프로필렌용융물의 온도를 낮추게 되며, 2개의 케이싱 사이에 장착된 각 가열 수단은 열선이 내장된 히터인 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 1차 압출기의 실린더는 내부에 투입된 폴리프로필렌 용융물이 가져야할 온도 조건에 따라 6개의 온도 존으로 구분되며, 각 온도 존은 실린더의 외주면에 장착된 냉각 수단과 가열 수단에 의하여 조절되고, 폴리프로필렌 용융물의 온도는 제1 온도 존에서 147℃ 내지 153℃, 제2 온도 존에서 167℃ 내지 172℃, 제3 온도 존에서 168℃ 내지 172℃, 제 4 온도 존에서 218℃ 내지 225℃, 제5 온도 존에서 197℃ 내지 203℃, 제6 온도 존에서 188℃ 내지 193℃를 유지하는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 1차 압출기의 실린더의 제1 온도 존으로 폴리프로필렌과 핵형성제가 투입되고, 제3 온도 존으로 대전방지제가 투입되며, 제4 온도 존으로 발포제가 투입되는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 4 항에 있어서, 1차 압출기의 실린더로 투입되는 발포제가 CO2이고, CO2 공급 장치는CO2가 저장된 탱크;저장 탱크와 연결되며, CO2를 기화 및 냉동화시키는 유니트;CO2를 기화 및 냉동화 유니트로부터 유입된 CO2를 증기 형태로 변환시키는 안정화 유니트; 및안정화 유니트로부터의 CO2를 저장하여 1차 압출기의 제 1 실린더로 공급하기 위한 저장 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 2차 압출기의 실린더는 내부에 투입된 폴리프로필렌 용융물이 가져야할 온도 조건에 따라 6개의 온도 존으로 구분되며, 각 존은 실린더의 외주면에 장착된 냉각 수단과 가열 수단에 의하여 조절되고, 폴리프로필렌 용융물의 온도는 제1 온도 존에서 167℃ 내지 173℃, 제2 온도에서 147℃ 내지 152℃, 제3 온도 조에서 142℃ 내지 147℃, 제4 온도 존에서 137℃ 내지 141℃, 제5 온도 존에서 137℃ 내지 142℃ 및 제6 온도 존에서 132℃ 내지 137℃를 유지하는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 펌핑부의 케이싱 내부 공간에 장착된 2개의 기어는 내부 공간의 중심을 향하여 서로 반대 방향으로 회전하여 폴리프로필렌 용융물을 다음 공정 위치로 강제 이송시키는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 균질화부의 제 1 하우징은 다수의 베어링 블록을 통하여 지지 플레이트에 회전 가능하게 지지되며, 구동부의 구동 스프라켓이 제 1 하우징의 외주면에 고정된 종동 스프라켓과 연결되어 있어 구동부의 작동에 따라 제 1 하우징이 회전하는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 균질화부의 균질화 수단은 회전 가능하게 설치된 회전 플레이트와 회전 플레이트와 밀착된 상태로 설치된 고정 플레이트로 이루어지며, 회전 플레이트에는 방사상으로 배치된 다수의 절개부가 구성되어 있으며, 고정 플레이트에는 다수의 원형 개구가 형성되어 있어, 유입된 폴리프로필렌 용융물이 회전하는 회전 플레이트에 도달하여 회전 플레이트에 형성된 각 절개부를 통과하는 과정에서 각 절개부의 에지(edge)에 의해 절단된 후, 회전 플레이트와 고정 플레이트 사이에서 회전하는 회전 플레이트에 의하여 갈리는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 다이스부의 토출부는, 중공의 안내바 및 안내바 외부에 위치한 실린더로 이루어지며, 안내바의 외주부에는 다수의 캐비티가 안내바의 길이 방향으로 형성되어 있어 각 캐비티에는 균질화부에서 배출된 폴리프로필렌 용융물이 유입, 유동하고, 각 캐비티와 대응하는 실린더의 부분에는 다수의 관통공이 형성되어 있으며;절단부는 토출부의 후방에 위치하는 지지판 및 지지판에 고정된 상태에서 실린더 외부에 이동 가능한 상태로 위치하는 절단 부재를 포함하되, 절단 부재에는 실린더의 각 관통공에 대응하는 위치에 다수의 관통공이 형성되어 있으며,구동부는 모터에 의하여 회전하는 편심 캠, 편심 캠에 접촉하여 회전하는 크랭크, 크랭크에 연결되어 크랭크의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시킨 후 절단 부재가 고정된 지지판에 전달하는 동력 전달 수단을 포함하여, 상기 구동부의 작동에 따라 절단 부재가 실린더의 외주면을 따라 왕복 운동함으로서 실린더의 각 관통 구멍을 통하여 발화된 폴리프로필렌 발포체를 절단 부재의 관통공에 의하여 절단하는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 10 항에 있어서, 실린더에 형성된 각 관통공의 직경은 절단 부재에 형성된 관통공의 직경보다 작게 이루어져 있으며, 초기 위치에서, 절단 부재에 형성된 각 관통공 중심부에 대응하는 실린더의 관통공이 위치하는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 3 항에 있어서, 실린더의 일정 위치에는 그 길이 방향으로 다수의 홈이 형성되어 있으며, 각 홈 내에는 홈을 따라 이송 가능하며 일단이 지지판에 고정된 왕복 로드가 각각 위치하고, 절단 부재는 고정 수단에 의하여 각 왕복 로드에 고정되어 실린더의 각 홈을 따라 왕복 운동하는 왕복 로드에 의하여 절단 부재가 실린더 외주면 상에서 왕복 이동하는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 10 항에 있어서, 다이스부는 발화, 압출되는 발포체에 대한 급격한 온도 및 압력 변화를 방지하기 위한 감압 수단을 더 포함하되, 감압 수단은 토출부 및 절단부를 외부(대기)로부터 밀폐시키는 케이싱으로서, 케이싱의 일측에는 외부의 공기가 유입되는 유입구가, 또다른 일측에는 외부로 공기가 배출되는 배출구가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
- 제 10 항에 있어서, 다이스부에는 실린더를 냉각시키기 위한 냉각 장치를 더 포함하되, 상기 냉각 장치는,실린더의 전방에 위치하며 외부에서 열 매체유가 공급되는 공급 파이프;유입단이 공급 파이프에 연결되어 열 매체유가 그 내부로 유입되며, 실린더 내에 전 길이에 걸쳐 내장되어 있는 다수의 유동 파이프; 및실린더의 전방에 위치하며 각 유동 파이프의 배출단이 연결되어 실린더와의 열교환이 완료된 열 매체유가 유입되는 배출 파이프를 포함하는 것을 특징으로 비가교된 펠릿형 폴리프로필렌 발포체의 제조장치.
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