KR100548039B1 - 폴리머 연신점도 측정장치 - Google Patents

폴리머 연신점도 측정장치 Download PDF

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KR100548039B1
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Abstract

본 발명은 열 가소성 수지나 열 경화성 수지와 같은 폴리머의 연신점도를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서,
압출기와; 상기 압출기에 연결되어 압출기로부터 흘러나오는 스트랜드를 수납하며, 그 내부에 가열수단을 구비한 챔버와; 상기 스트랜드를 권취하여 스트랜드의 장력을 측정하는 장력계와; 상기 장력계로부터 풀려나오는 스트랜드를 연신시켜 챔버 외부로 배출시키는 연신구동장치와; 상기 챔버 일측벽에 부착되어 스트랜드의 두께를 측정하는 카메라장치와; 상기 장력계 및 카메라장치로부터 측정값을 전송받아 이로부터 스트랜드의 연신점도를 실시간으로 계산하는 처리부와;를 포함하여 구성되며,
용융상태의 폴리머 스트랜드의 연신력과 두께를 동시에 측정할 수 있으므로, 폴리머의 연신점도를 실시간으로 신속정확하게 측정할 수 있을 뿐 아니라, 여러 종류의 폴리머에 대하여 동일한 조건하에 실험이 가능하므로, 여러 종류의 폴리머의 구조특성이나 가공특성 등에 대한 정량적인 평가를 할 수 있다는 효과가 있다.
폴리머, 연신강도, 연신속도, 연신력, 장력계, 데이터

Description

폴리머 연신점도 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING ELONGATION VISCOSITY OF POLYMER}
도 1은, 종래의 폴리머 연신강도 측정장치의 개략 구성도이고,
도 2는, 본 발명의 폴리머 연신점도 측정장치의 개략 구성도이고,
도 3은, 본 발명에 따른 장력계의 개략 단면도이고,
도 4는, 도 3의 장력계의 측단면도이고,
도 5는, 본 발명의 연신구동장치의 구성을 나타내는 사시도이고,
도 6은, 본 발명에 따른 CCD 카메라 장치의 개략 단면도이다.
<도면 부호의 설명>
100...압출기, 110...로드,
120...스트랜드, 200...챔버,
210...챔버 도어, 220...히터 플레이트,
300...장력계, 310...풀리,
320...로드센서, 330...링크,
400...연신구동장치, 410...1차 연신롤러,
420...2차 연신롤러, 430...모터부,
450...연신구동장치 모체, 460..핸들,
500...CCD 카메라장치, 510...카메라본체,
520...줌 렌즈, 530...방향조절판,
540...방열판, 550...조명수단.
560...방열유리, 580...방열쉴드,
600...처리부, 800...온도제어장치.
본 발명은 열 가소성 수지나 열 경화성 수지와 같은 폴리머의 연신점도를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 가늘게 압출 또는 인발되는 시험 폴리머(고분자 물질)의 연신점도의 변화를 실시간으로 검출하여 데이터 처리할 수 있는 측정장치에 관한 것이다.
폴리머 제품의 품질을 비교 분석하여, 보다 우수하고 새로운 폴리머 제품을 개발하기 위해서는, 먼저 폴리머의 구조적 특성과 가공 특성을 파악하고 이러한 특성간의 관계를 연구할 필요가 있다. 이러한 폴리머의 가공 특성에 영향을 미치는 중요한 물리적 특성으로는, 폴리머의 압출 또는 인발과정 동안 폴리머에 가해지는 연신력(또는 연신강도)과 그 때의 연신점도를 들 수 있다. 특히, 폴리머의 연신점도는, 제품의 가공 특성에 영향을 미칠 뿐 아니라, 폴리머의 분자 구조와 밀접한 관련이 있어 폴리머의 분자 구조적 특성을 파악하기 위한 중요한 인자가 된다.
도 1은 종래의 폴리머 연신강도 측정장치의 개략 구성도이다.
도시된 바와 같이, 종래의 폴리머 연신강도 측정장치는, 압출기(10)와; 상기 압출기(10)로부터 흘러나오는 스트랜드(12)를 수용하며, 내측 벽면에 히터 플레이트(22)가 설치된 챔버(20)와; 챔버(20) 내부의 스트랜드(12)를 연신하여 외부로 배출하는 다수의 롤러(31, 32)와, 상기 롤러들을 구동시키는 모터(33)로 구성되는 연신구동장치(30)와; 상기 연신구동장치(30)의 측부에 연결되어 폴리머의 연신력 변화를 측정하는 장력계(40)와; 상기 장력계(40)로부터의 측정값을 전송받아 폴리머의 연신강도를 측정하는 컴퓨터(50)와; 상기 측정값을 숫자 등으로 표시하는 디스플레이(60)로 구성되어 있었다.
상기한 종래의 장치는, 완전한 용융 상태의 폴리머 스트랜드(strand)의 연신력 또는 연신강도의 측정이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 장치로는, 연신점도를 측정할 수가 없었다. 즉, 연신점도를 측정하기 위해서는, 폴리머의 연신력 외에도 폴리머 단면적과 연신속도를 측정할 필요가 있는데, 상기 장치로는 폴리머 단면적을 측정할 수 없었다.
따라서, 종래에는 상기의 장치로 연신력을 측정하고, 상기 장치의 조건과 동일 조건 하에서 따로 폴리머의 단면적을 측정하여 연신점도를 산출할 수 밖에 없었다. 그러나, 이러한 방식에 의하면 폴리머 단면적 측정조건을 상기 장치의 챔버 내부 조건과 동일하게 유지하기가 쉽지 않아서 정확한 연신점도 값을 측정할 수 없었을 뿐 아니라, 측정작업도 매우 번거로운 단점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 용융 상태에 있는 폴리머 스트랜드의 연신력 및 두께를 측정함으로써, 폴리머의 연신점도를 실시간으로 측정할 수 있는 폴리머의 연신점도 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 폴리머의 연신강도를 측정하는 장치는,
압출기와;
상기 압출기에 연결되어 압출기로부터 흘러나오는 스트랜드를 수납하며, 그 내부에 가열수단을 구비한 챔버와;
상기 스트랜드를 권취하여 스트랜드의 장력을 측정하는 장력계와;
상기 장력계로부터 풀려나오는 스트랜드를 연신시켜 챔버 외부로 배출시키는 연신구동장치와;
상기 챔버 일측벽에 부착되어 스트랜드의 두께를 측정하는 카메라장치와;
상기 장력계 및 카메라장치로부터 측정값을 전송받아 이로부터 스트랜드의 연신점도를 실시간으로 계산하는 처리부;를 포함하는 폴리머의 연신점도 측정장치에 있어서,
상기 카메라장치는, 카메라본체와, 상기 카메라본체의 방향조절수단과, 카메라본체 상하에 설치되는 방열판과, 카메라본체 앞쪽에 설치되는 방열창 및 방열쉴드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 장력계는, 챔버 내부에 위치한 풀리와, 챔버 외부에 위치하며 연신구동장치의 측부와 연결된 로드 센서와, 상기 풀리와 로드 센서를 연결하는 링크로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연신구동장치는, 챔버 내부에 위치하여 용융상태의 스트랜드를 연신시키는 1차 연신롤러와, 챔버 외부에 위치하여 상기 스트랜드를 안내하여 배출 시키는 2차 연신롤러와, 상기 롤러들을 구동시키는 모터로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 카메라본체는, CCD 카메라인 것이 좋다.
상기 연신점도 측정장치는, 챔버의 온도를 소정 온도범위내에서 조절가능한 온도 제어장치를 포함할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는, 본 발명의 폴리머 연신점도 측정장치의 개략 구성도이다.
통상적으로 펠릿 형태로 공급되는 폴리머를 가느다란 실의 형태로 만들어 시험하기 위해서는, 압출기(100)에 펠릿을 장전한 다음, 일정한 로드(110)의 힘으로 이들을 압출하여야 한다. 이와 같이 하면, 상기 펠릿은 온도가 다소 높고 표면이 끈적거리는 스트랜드(120)의 형태로 압출기(100)에서 압출되어 나오게 된다.
따라서, 본 발명의 장치는, 펠릿(폴리머의 입자 덩어리) 압착용의 로드(110)가 구비된 압출기(100)가, 챔버(200)의 상부에 연결되어 있다. 챔버(200)는 그 상단부에 압출기(100)에서 흘러나오는 스트랜드(120)를 수납하는 구멍(미도시)이 형성되어 있으며, 내측 벽면에는 히터 플레이트(220)가 설치되어 있어 스트랜드(120)가 챔버(200) 내에서 용융상태로 유지된다.
도 3은, 본 발명에 따른 장력계의 개략 단면도이고, 도 4는 도 3의 장력계의 측단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 장력계(300)는 풀리(310)와 로드 센서(320) 및 이들을 연결하는 ㄱ자의 링크(330)로 구성된다. 풀리(310)의 표면에는 홈이 일정 간격으로 파여 있고, 홈이 파인 곳에는 실리콘 오일이 채워져 있어 용융된 스트랜드(120)가 풀리(310) 상에서 장시간 이동하여도 풀리의 표면에 붙지 않도록 되어 있다. 상기 링크(330)는 알루미늄 재질인 것이 바람직하다.
상기 장력계(300)의 풀리(310) 부분은 고온의 챔버(200) 내부에 위치하나, 열에 약한 로드 센서(320) 부분은 챔버(200) 외부에 위치한 연신구동장치(400)의 모터부(430)에 연결되므로, 챔버(200) 내의 고온에 영향을 받지 않고 연신력 또는 연신강도의 측정이 가능하다. 따라서, 챔버(200)의 온도를 상당한 고온(예컨대, 250도까지)으로 유지할 수 있다.
한편, 250도에 이르는 온도범위까지 온도를 제어할 수 있는 온도제어장치(700)가 연신점도 측정장치 본체 측단에 설치되어 있다.
도 5는, 본 발명의 연신구동장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5에서 보여지듯, 상기 연신구동장치(400)는, 챔버(20) 내부에 위치한 1차 연신롤러(410와, 챔버 외부에 위치한 2차 연신롤러(420)와, 상기 롤러들을 구동시키는 모터부(430)로 구성되어 있다. 상기 모터부(430)의 하부에는 모터제어장치(440)가 설치되어 있으며, 상기 모터부(430)는 모터제어장치(440)와 핸들(460)로 연결되어 있어 상기 핸들(460)의 조정에 의하여 모터부(430)의 상하이 동이 가능하도록 되어 있다.
또한, 상기 1차 연신 롤러(410)는, 연신구동장치(400)의 모체(450)에 설치되어 모터(430) 속도에 따라 회전하는 위치고정롤러(410a)와, 그에 근접하여 위치고정롤러(410a)와 동일하게 회전하면서 용융 스트랜드(120)의 굵기에 따라 위치가 변하는 위치가변롤러(410b) 및 위치가변롤러(410b)가 연신구동장치에서 떨어져 나가는 것을 방지하기 위하여 위치가변롤러(410b)의 상부에서 접하고 있는 스프링이 부착된 제어롤러(410c)로 구성된다.
그리고, 상기 2차 연신롤러(420)는, 1차 연신롤러(410)로부터 나온 스트랜드(120)를 안내하는 한 쌍의 가이드 롤러(420a)와, 가이드 롤러(420a)로부터 나온 스트랜드(120)를 외부로 배출하는 한 쌍의 배출롤러(420b)로 구성된다.
한편, 상기 위치고정롤러(410a), 위치가변롤러(410b), 가이드 롤러(420a) 또는 배출롤러(420b)는, 스트랜드(120)가 달라붙지 않도록 고무재질로 형성하거나, 그 표면만을 고무재질로 형성할 수도 있다.
도 6은, 본 발명에 따른 CCD 카메라 장치의 개략 단면도이다.
상기 카메라장치는, 챔버(200)의 도어(210)에 관찰공을 뚫고 상기 관찰공을 향하도록 도어 외측벽에 카메라본체(510)를 설치하고, 도어 내측벽에는 카메라본체(510)를 보호하기 위한 방열창(560) 및 방열쉴드(580)를 설치한 구조로 되어 있다. 상기 카메라본체(510)는, 도어 외측벽에 고정된 지지대(570)에 의하여 지지되고 있으며, 그 상부 및 하부의 지지대(570)에는 방열판(540)이 설치되어 있다. 또한, 상기 카메라본체(510)가 상하부방향 또는 좌우방향으로 이동될 수 있도 록 카메라본체(510) 하부에는 방향조절수단(530)이 설치된다. 상기 방향조절수단(530)은, 예컨대 볼 스크류와 너트로 구성하거나, 슬라이드부재와 슬라이드홈으로 구성하거나, 유압실린더를 설치하여 구성할 수 있다. 슬라이드홈 방식으로 할 경우에는, 하부의 방열판(540)에 슬라이드홈을 형성하고, 카메라본체(510) 하부에 슬라이드 부재를 형성하여 카메라본체(510)를 이동시킬 수 있을 것이다. 또한, 상기 카메라본체(510)는, 줌 렌즈(520)를 구비하고 있어, 촛점을 자유로이 조절할 수 있다.
한편, 카메라본체(510)의 상부측 지지대(570)에는, 조명수단(550)을 설치할 수 있으며, 카메라본체(510)의 앞쪽, 즉 챔버 도어(210)의 내측벽에는, 챔버(200) 내의 고열로부터 카메라를 보호하기 위한 방열창(560) 및 방열쉴드(570)가 설치되어 있다. 상기 카메라본체(510)는, 고체촬상소자의 일종인 소위 전하결합소자(CCD;Charge Coupled Device)를 설치한 CCD 카메라인 것이 바람직하다. CCD 카메라는, 전하결합소자가 카메라 안에 들어온 피사체의 광학상을 전기신호(영상신호)로 바꾸어 줌으로써, 영상을 한 장씩 찍는 일반 카메라와 달리, 연신되는 스트랜드(120)의 연속적인 변화를 관찰할 수 있다. 따라서, 챔버(200) 내에서 연속적으로 연신되며 변화되는 스트랜드(120)의 두께를 측정하기에 적합하다.
이하에서는, 상기 실시예에 따른 폴리머 스트랜드의 연신점도 측정과정에 대하여 설명한다.
연신점도는 연신응력과 폴리머 연신속도의 비로써 정의되고, 연신응력은 폴리머에 가해지는 인장력(즉, 연신력 또는 연신강도)과 폴리머 단면적의 비로써 정 의되므로, 폴리머의 연신점도를 구하기 위해서는 결국 연신력, 연신속도, 연신과정에서의 폴리머 단면적의 3가지 인자가 필요하게 된다. 폴리머 단면적은 폴리머의 두께를 측정하면 구할 수 있다.
먼저, 폴리머 스트랜드(120)의 연신력 또는 연신강도를 측정하기 위해서, 챔버(200)로 들어온 스트랜드(120)를 적당한 길이만큼 뽑아내어 장력계(300)의 풀리(310)와 연신구동장치(400)의 1차 연신롤러(410) 및 2차 연신롤러(420)에 걸어 조금 감은 다음, 챔버(200)의 온도를 측정하고자 하는 온도에 맞추고, 디스플레이(700)와 처리부인 컴퓨터(500)의 초기값을 "0"으로 설정한다.
모터(430)를 저속에서 고속으로 회전시키면 초기값 "0"으로 설정된 용융 스트랜드(120)가 천천히 연신되면서, 연신구동장치(400)의 위치고정롤러(410a)와 위치가변롤러(410b) 사이로 연신되고, 챔버(200) 외부의 가이드 롤러(420a)로 안내되어 측정장치 외부로 배출된다. 이 때 스트랜드(120)의 연신력 또는 연신강도가 장력계(300)의 로드 센서(320)에 검출되어 케이블(610)을 통해 디스플레이(700) 상에 표시되며, 이들 측정값들은 데이터 전송용의 케이블(610)을 통해 컴퓨터(600)로 전송된다.
그런데, 2차 연신롤러(420)에서의 스트랜드(120)의 상태는 챔버(200) 외부에서 냉각이 진행되고 있으므로, 용융상태가 아니다. 그러나, 장력계(300)에서 측정되는 장력은 2차 연신롤러(420)로 안내되는 스트랜드에 인가되는 장력이 아니라, 1차 연신롤러(410)의 위치고정롤러(410a)와 위치가변롤러(410b) 롤러로 연신되는 용융 스트랜드에 인가되는 장력이므로, 본 발명에 의하면 용융상태의 스트랜드(120) 의 연신력을 측정할 수 있게 된다.
한편, 상기 연신구동장치(400) 및 이에 연결된 장력계(300)는 연신구동장치(400) 하부와 모터 제어장치(440) 사이에 설치된 핸들(460)을 통해 상하로 이동이 가능하므로 변화되는 용융 스트랜드(120)의 길이에 맞추어 연신력 또는 연신강도의 측정이 가능하다.
폴리머 스트랜드(120)의 두께는, 상기 CCD 카메라장치(500)로 측정할 수 있다. 상기 카메라장치(500)는 컴퓨터(500)에 연결되어 있어, 카메라로 촬영된 폴리머의 영상을 컴퓨터 모니터로 확인할 수 있으며, 상기 컴퓨터(500)에서 영상으로 나타난 폴리머의 단면 두께값이 자동으로 계산되게 된다. 스트랜드(120)는 장력계(300)의 전후에서 계속적으로 연신되고 있는 상태이므로, 상기 카메라장치는 장력계(300)의 전후에 위치한 스트랜드(120)를 한꺼번에 촬영할 수 있도록 설치되고, 컴퓨터는 장력계(300) 전후의 두 지점에서의 스트랜드의 두께를 산출하고 이를 평균하는 작업을 한다. 상기 카메라장치(500)는 방향조절수단(530)을 구비하고 있어, 필요에 따라 카메라의 위치를 옮겨서 다른 지점의 폴리머 두께를 측정할 수도 있다.
한편, 폴리머의 연신속도는 스트랜드(120)의 압출속도, 모터 속도 또는 압출기 단부에서부터 연신롤러 사이의 스트랜드의 길이와의 상대적 관계를 이용하여 구할 수 있다.
이렇게 구해진 폴리머의 연신력과 단면적을 이용하여 연신응력을 구하고, 상기 연신응력을 연신속도값으로 나누어 폴리머의 연신점도를 구할 수 있다.
처리부(500)인 상기 컴퓨터에는 본 출원인이 개발한 프로그램이 설치되어 있어, 장력계(300), 카메라장치(500) 등으로부터 각 데이터값을 전송받아 연신점도를 구하는 계산과정이 자동적으로 수행된다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 측정장치는, 용융상태의 폴리머 스트랜드의 연신력과 두께를 동시에 측정할 수 있으므로, 폴리머의 연신점도를 실시간으로 신속정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 완전한 용융 상태에 있는 스트랜드의 연신력 및 연신점도를 측정할 수 있으므로, 여러 종류의 폴리머에 대하여 동일한 조건하에 실험이 가능하고, 여러 종류의 폴리머의 구조특성이나 가공특성 등에 대한 정량적인 평가를 할 수 있고, 이러한 평가를 바탕으로 새로운 제품개발에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있다는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 압출기(100)와;
    상기 압출기(100)에 연결되어 압출기(100)로부터 흘러나오는 스트랜드(120)를 수납하며, 그 내부에 가열수단을 구비한 챔버(200)와;
    상기 스트랜드(120)를 권취하여 스트랜드의 장력을 측정하는 장력계(300)와;
    상기 장력계(300)로부터 풀려나오는 스트랜드(120)를 연신시켜 챔버(200) 외부로 배출시키는 연신구동장치(400)와;
    상기 챔버(200) 일측벽에 부착되어 스트랜드(120)의 두께를 측정하는 카메라장치(500)와;
    상기 장력계(400) 및 카메라장치(500)로부터 측정값을 전송받아 이로부터 스트랜드의 연신점도를 실시간으로 계산하는 처리부(600);를 포함하는 폴리머의 연신점도 측정장치에 있어서,
    상기 카메라장치(500)는, 카메라본체(510)와, 상기 카메라본체의 방향조절수단(530)과, 카메라본체 상하에 설치되는 방열판(540)과, 카메라본체 앞쪽에 설치되는 방열창(560) 및 방열쉴드(580)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장력계(300)는, 챔버(200) 내부에 위치한 풀리(310)와, 챔버(200) 외부에 위치하며 연신구동장의 측부와 연결된 로드 센서(320)와, 상기 풀리(310)와 로드 센서(320)를 연결하는 링크(330)로 구성되는 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 장력계(300)의 풀리(310)는 그 표면에 홈이 일정 간격으로 파여진 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연신구동장치(400)는, 챔버(200) 내부에 위치하여 용융상태의 스트랜드(120)를 연신시키는 1차 연신 롤러(410)와, 챔버(200) 외부에 위치하여 상기 스트랜드(120)를 안내하여 배출시키는 2차 연신 롤러(420)와, 상기 롤러들을 구동시키는 모터부(430)로 구성되는 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연신구동장치(400)의 1차 연신 롤러(410)는 연신구동장치의 모체(450)에 고정되어 모터 속도에 따라 회전하는 위치고정롤러(410a)와, 스트랜드의 굵기에 따라 위치가 변하며 회전하는 위치가변롤러(410b) 및 위치가변롤러를 눌러 고정시키는 제어롤러(410c)로 구성되는 것을 특징으로 폴리머의 연신점도 측정장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연신구동장치의 2차 연신 롤러(420)는, 한 쌍의 가이드 롤러(420a)와, 스트랜드를 외부로 배출시키는 한 쌍의 배출롤러(420b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카메라본체(510)는, CCD 카메라인 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 챔버(200)의 온도를 소정 온도범위내에서 조절가능한 온도 제어장치(800)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연신구동장치(400)는 그 하부의 모터제어장치(440)와 핸들(460)로 연결되어 상하이동이 가능한 것을 특징으로 하는 폴리머의 연신점도 측정장치.
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