KR100589433B1

KR100589433B1 - 발포 수지의 저온 성형방법 및 성형장치

Info

Publication number: KR100589433B1
Application number: KR20057010304A
Authority: KR
Inventors: 박봉국; 정민기; 김기홍; 음영미; 김동현
Original assignee: 영춘판넬 주식회사
Priority date: 2004-05-03
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2006-06-14
Also published as: KR20060038906A; WO2005105404A1

Abstract

종래의 발포 수지의 성형방법에 있어서는 고온의 열매체를 이용하여 발포 수지 입자들을 고온 융착시키기 때문에, 성형틀의 가열과 냉각에 따른 에너지 소비가 높고 시간이 오래 걸려 생산효율이 떨어지는 문제가 있었다.

따라서 본 발명에서는 발포수지 성형물을 저온에서 성형하는 방법 및 이 방법의 실시에 사용되는 성형장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 예비 발포된 발포 수지 입자를 발포 수지보다 연화온도가 낮은 코팅 수지의 용액으로 코팅하여 표면에 스킨층을 형성하고 이 스킨층의 융착에 의해 발포 수지를 성형시킨다. 성형에 필요한 압력은 발포 수지의 추가적인 발포에 의하거나 외부에서의 물리적인 가압력의 제공이나 발포수지의 추가적인 발포와 외부에서의 물리적인 가압력이 동시에 이루어지는 것에 의해서 얻어지며, 어느 경우에 의하더라도 종래의 방법보다 현저하게 낮은 온도에서 성형이 가능하다.

Description

발포 수지의 저온 성형방법 및 성형장치{MOLDING METHOD AND APPARATUS FOR EXPNDABLE POLYMER RESIN}

본 발명은 발포 수지 성형물을 저온에서 성형하는 방법 및 이 방법의 실시에 사용되는 성형장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 비드 또는 원주형 펠릿 형태의 발포성 수지 입자를 발포시키고 이를 이용하여 발포 성형물을 제조함에 있어서, 발포 수지의 성형과정을 저온에서 실시할 수 있도록 개선한 방법과 이 방법의 실시에 사용되는 성형장치에 관한 것이다.

발포 폴리스티렌(EPS), 발포 폴리에틸렌(EPE), 발포 폴리프로필렌(EPP)과 같은 발포 수지는 플라스틱수지의 거품 속에 공기가 밀폐된 발포체 구조를 가짐으로써 경량성과 완충성, 단열성과 갖은 특성을 갖는다.

이러한 발포 수지의 성형은, 일반적으로 직경 0.2~1.8 mm 정도의 비드(BEAD) 또는 길이 2.5 mm ,직경 0.6 mm 정도의 원주형 펠릿(pellet) 형태의 발포제를 함유한 발포성 수지 입자를 발포기에서 예비 발포(pre-expansion)한 후,이 발포 입자를 건조 및 숙성·저장하였다가 성형장치(성형틀) 내에서 2차 발포 및 성형하는 과정을 거쳐 이루어진다.

이 과정을 대표적인 발포 수지인 발포 폴리스티렌(EPS)을 예를 들어 좀 더 상세하게 설명하면, 먼저 원료수지 제조공장에서 스티렌 모노머를 현탁중합하는 과정에서 펜탄 또는 부탄과 같은 발포제를 투입하여 직경 0.2~0.3 mm 정도의 구상의 입자(BEAD)를 얻고, 이를 세척,건조하여 입자 크기별로 선별한 후, 용도에 따라 코팅공정 등을 거쳐 발포성 폴리스티렌수지 입자가 출하된다. 성형공장에서는 상기 입자상의 원료수지(EPS)를 발포기에 넣고 교반하면서 포화증기에 의해 103~105℃정도의 온도로 가열하고 팽창시켜 원하는 비중까지 발포시키는 예비 발포를 실시하고, 이 발포 입자를 건조·숙성한 후 사일로에 일시적으로 보관한다. 성형시에는 상기 저장된 발포 폴리스티렌입자를 에어 또는 진공에 의해 성형틀에 충진한 후, 110~120℃의 고온의 증기를 주입하여 성형틀 내부 온도를 108∼116℃정도로 가온하여 발포수지 입자에 함유된 발포제를 발포시켜 성형한다. 이때 발포에 의해 입자가 팽창함으로써 약 40~50%에 이르던 입자사이의 공극이 메워지고 입자의 표면이 연화하여 융착됨으로써 전체적으로 원하는 형태의 성형물이 된다. 성형이 이루어진 다음에는 냉각수 또는 진공에 의해 성형틀을 냉각시키고, 이형시켜 완성된 성형물을 얻게 된다.

한편 상기 성형공정에 있어서, 성형물의 종류에 따라서 예컨대 전기 전자 포장재나 박스와 같은 모양이 있는 제품을 성형할 경우에는 형물 성형기를 이용하여 완성품의 형태대로 성형을 하고, 단열재나 토목용 블록과 같은 제품은 평판 성형기를 이용하여 큰 덩어리의 블록(BLOCK)형태로 성형한 다음, 필요한 두께와 너비로 절단하여 사용하게 된다.

그런데, 상기와 같은 종래의 성형방법에 의할 경우, 성형시에 증기를 주입하 여 입자끼리 융착시키는 방법을 사용하기 때문에 성형틀의 내부의 온도는 적어도 원료 수지의 표면이 연화, 용융되는 온도 이상으로 가온되어야 한다. 따라서 매번 성형틀을 가열시키고, 다시 냉각시키는 데에 시간과 에너지의 소비가 큰 문제점이 발생한다.

더욱이 블록 성형물의 경우에는 성형이 이루어진 후 표면 부분만 냉각되면 성형틀로부터 이형은 시킬 수 있지만, 이형된 성형물, 즉 블록은 매우 큰 덩어리이기 때문에 내부에는 아직 다량의 열이 그대로 잔류되어 있게 된다. 따라서 일단 성형이 이루어진 후에도 이를 절단하여 최종 제품으로 출하하기 위해서는 절단 전에 내부의 열이 모두 방출되어 고화될 때까지 수시간에서 수일을 기다려야 한다. 결국, 이러한 평판 성형에 의한 경우, 성형에서 제품화까지 장시간이 걸리는 관계로 성형장치에서 배출된 성형물을 적치할 넓은 공간이 필요하고 제품을 생산하는 기간도 길어지는 문제가 있어 제조 효율이 낮아지게 되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 평판성형장치의 주요부의 단면구조도;,

도 2 내지 도 6은 도 1에 도시한 평판성형장치를 이용하여 발포 수지를 성형하는 과정을 순차적으로 도시한 도면;

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 형물성형장치의 주요부의 단면구조도;

도 8은 실시예 1의 B단계에서 얻은 성형물(B1)의 단면을 이미지 애널라이저(image analyzer)를 이용하여 400배 배율로 촬영하여 나타낸 사진;

도 9 및 도 10은 실시예 2의 A단계에서 얻은 스킨층이 형성된 발포 폴리스티 렌 입자(A2)를 각각 30배, 400배로 확대하여 촬영한 주사전자현미경 사진.

기술적 과제

본 발명은 상기와 같은 종래 성형법의 문제를 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 형물 성형(Shape molding)의 경우 에너지를 절약함과 동시에 냉각에 소요되는 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있으며, 평판 성형(Block molding)의 경우 상기한 점과 더불어 성형 후 바로 절단하여 최종 제품형태로 출하가 가능한 발포수지 성형물의 새로운 성형방법 및 이를 실시하기 위한 성형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

기술적 해결방법

본 발명에서 제시한 상기 목적은 예비 발포하여 성형틀에 충입한 발포 수지 입자를 원료 수지가 연화, 용융되어 융착되는 온도까지 가열하지 않고 성형물로 성형하는 하기 구성의 새로운 개념의 성형방법에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명에 따른 발포수지의 저온성형방법의 제 1 형태는,

발포제를 함유한 발포성 수지 입자를 가열하여 적정 발포비율까지 발포하고, 건조, 숙성하여 발포 수지 입자를 제조하는 발포단계와;

상기 발포 수지 입자를 발포 수지보다 연화온도가 낮은 코팅 수지의 용액으로 코팅, 건조하여 발포 수지 입자의 표면에 스킨층을 형성하는 스킨층 형성단계와;

상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 성형틀에 넣고, 저온의 열매개체를 주입하여 상기 코팅 수지가 연화되도록 가온하고 외부에서 압착수단에 의해 물리적으로 가압함으로써, 발포 수지 입자 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자를 결합시키는 압축성형단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 발포 수지의 저온성형방법의 제 2 형태는,

발포제를 함유한 발포성 수지 입자를 가열하여 일정 발포 비율까지 예비 발포하고, 건조, 숙성하여 발포 수지 입자를 제조하는 예비 발포 단계와;

상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 성형틀에 넣고 저온의 열매개체를 주입하여 발포제의 발포 온도까지 가온함으로써, 발포 수지 입자의 발포 팽창에 의해 입자 사이의 공극을 최소화 시킨 후 외부에서 압착수단에 의해 물리적으로 가압함으로써, 발포 수지 입자 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자를 결합시키는 발포압축 성형단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 발포 수지의 저온성형방법의 제 3 형태는,

상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 성형틀에 넣고 저온의 열매개체를 주입하여 발포제의 발포 온도까지 가온함으로써, 발포 수지 입자의 발포 팽창에 의해 입자 사이의 공극이 최소화된 상태에서 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자를 결합시키는 발포성형단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 본 발명의 제 1 형태와 제 2 형태에 따른 저온성형방법의 실시에 사용되는 발포 수지의 성형장치는,

발포 수지 입자의 주입구와, 완성된 성형물의 배출을 위한 개폐식 배출구 및 성형물의 이송수단이 구비되며, 장치내에 형성된 성형틀 내부로 열매개체가 주입되어, 가온, 가압에 의해 발포 수지 입자가 융착 성형되는 발포 수지 성형장치에 있어서,

상기 성형틀의 내부의 마주보는 양면에 일정 거리 상호 근접 이송이 가능한 구조로 설치된 한 쌍의 압착판, 또는 고정된 어느 한 면에 대해 일정 거리 근접 이송이 가능한 구조로 설치된 하나의 압착판이 구비되어, 상기 압착판의 이송에 의해 내부에 충진된 발포 수지 입자를 가압 압착하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

유리한 효과

본 발명에 따른 발포 수지의 저온 성형방법과 성형장치를 이용하면 종래의 방법보다 현저하게 낮은 온도에서 성형이 이루어지므로, 에너지 소비를 감소시킬 수 있다. 또, 낮은 온도에서 성형이 이루어지는 관계로 성형 후 냉각시키는 과정이 거의 필요 없기 때문에 생산공정을 대폭 단축시킬 수 있어 생산량의 증대가 가능하다.

부가적으로, 스킨층을 형성하는 코팅 수지용액에 난연제 등의 기능성 첨가제를 첨가하여 각종 기능성 제품을 제조할 수도 있는 이점이 있다.

따라서, 본 발명의 방법과 장치는 EPS, EPE, EPP와 같은 발포성 수지의 성형에 널리 적용되어 생산원가를 절감할 수 있다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

이하, 본 발명에 따른 발포 수지의 저온성형방법의 각 단계 및 성형장치의 바람직한 실시형태에 관해 보다 상세하게 설명한다.

제 1 형태(압축성형)에 따른 발포 수지의 저온성형방법

발포단계

발포는 종래의 방법에 의한 예비 발포와 크게 다르지 않다. 즉, 발포제를 함유한 구상 또는 펠릿 형태의 작은 입자상 발포성 원료 수지(EPS, EPE, EPP 등)를 발포기에 넣고 교반하면서 포화 증기에 의해 약 103~105℃정도의 온도로 가열함으로써, 발포성 수지 입자를 팽창시켜 원하는 비중까지 발포시킨다. 다만, 본 실시형태에 있어서는 성형단계에서 2차적인 발포를 시키지 않기 때문에 이 단계에서 최대한의 발포를 달성하여 수지 입자 내에 발포제가 잔존하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

발포를 한 후에는, 이 발포 입자를 사일로에 일시적으로 보관하면서 건조·숙성시킨다.

또한 종래의 예비 발포에서와 마찬가지로, 이 발포단계는 발포 비율에 따라서는 1차와 2차의 2단계로 나누어서 이루어질 수도 있다. 이 경우에는 1차 발포 후 수분이 함유된 발포 입자를 중력 또는 공기에 의해 사일로에서 일정 시간 숙성시켜 발포 입자 내부의 압력을 대기압과 같은 상태로 안정화 시킨 후 목적하는 발포 비율로 2차 발포하는 과정을 거쳐 다시 숙성하는 과정을 거치게 된다.

스킨층 형성단계

이 단계에서는 상기 발포 후 숙성, 저장된 발포 수지 입자의 표면을 발포 수지보다 연화온도가 훨씬 낮은 종류의 코팅 수지의 용액으로 코팅하고 건조함으로써 입자의 표면에 스킨층을 형성하게 된다.

여기에서, 상기 스킨층을 형성하는 코팅 수지는 발포 수지와의 친화성이 있으며, 발포 수지의 표면을 침식하지 않는 용매에 용해되면서 연화온도가 발포 수지 즉, EPS나 EPE, EPP 등보다 현저히 낮아 50∼60℃ 정도 내지 그 이하의 온도에서도 일부가 연화되어 가압시 서로 융착될 수 있는 것 중에서 선택하면 된다.

이러한 코팅수지로서는 덱스트린, 카제인 등과 같은 천연수지류와 아크릴계 수지, 비닐아세테이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리아미드계 수지 등의 합성수지류가 적용될 수 있다.

다만, EPS 수지의 경우 각종 유기 용매에 대한 내화학약품성이 낮으므로, 발포 수지의 표면을 손상시키지 않는 용매에 용해되는 비닐아세테이트계 수지를 사용하는 것이 특히 바람직하다.

이때 사용되는 아세트산비닐계 수지는 중합도(DP)가 10~100,000사이의 아세트산비닐단독중합체 또는 아세트산비닐과 카프론산비닐, 스테아린산비닐, 바사틱산비닐 등의 비닐에스테르류, 아크릴산에틸, 아크릴산부틸, 아크릴산옥틸 등의 아크릴산에스테르류, 말레인산디부틸과 같은 푸마르산(fumaric acid)의 에스테르류, 말레인산, 아크릴산, 이타콘산 등의 카르복실기를 갖는 것 및 비닐알코올, 부타디엔, 카프로락톤 에틸렌 중 어느 하나 또는 2 이상의 것과의 공중합체 또는 이들의 혼합물 또는 블렌드로서, 비닐아세테이트 모노머의 함량이 55%이상인 것이 바람직하다.

상기 아세트산비닐계 수지를 용해시키는 데에 사용되는 용매로는 물과, 알코올류, 에스테르류, 케톤류, 카르복시산류, 방향족류 및 할로겐화탄화수소류 등의 유기용매가 사용될 수 있으나, 비교적 휘발성이 높고, 인체 유해성이 낮으며, 특히 발포 수지 입자의 표면을 용해 또는 침식시키는 작용이 적은 용매를 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 용매로는 알코올류의 용매를 들 수 있다.

한편, 코팅 수지 용액에 있어서의 코팅 수지 성분의 농도는 발포 입자의 표면에의 부착성과 처리시의 작업성을 고려하여 선정하게 되는데, 대체로 코팅 수지가 3∼80중량% 농도로 용해된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 수지용액에는 핵제, 윤활제, 산화방지제, 열안정제, 자외선안정제, 충진재, 보강제, 가소제, 착색제, 내충격제, 난연제, 대전방지제, 가교제, 형광증백제, 열전도성 부여제, 전기전도성 부여제, 투과성 조절제, 자성 부여제, 계면활성제, 안정제, 부형제, 의약제, 용매, 경화제, 흡습제, 강화제, 향료, 항균제 등의 각종 기능성 첨가물을 첨가하여 기능성이 향상된 성형물을 얻을 수도 있다.

이러한, 코팅 수지 용액은 발포 수지 입자의 표면에 균일하게 도포하여야 하는데, 이때 코팅 수지 용액의 점성이 낮을 경우에는 수지 용액을 발포 수지 입자 표면에 분사하면서 입자를 잘 교반해 주는 방법으로 도포하는 것이 유용하며, 수지 용액의 점성이 높은 경우에는 혼합기를 이용하여 수지 용액에 입자를 넣고 교반하여 혼합하는 방법으로 도포할 수 있다.

한편, 이렇게 발포 수지 입자의 표면에 코팅 수지 용액을 도포하면 수지 용액의 점성 때문에 발포 수지 입자가 서로 뭉쳐 한 덩어리로 되어버려 성형하기에 부적합하게 될 수 있다.

따라서, 일단 수지 용액을 도포한 후에, 이형제를 첨가하여 개개의 발포 수지 입자로 분리하는 과정을 더 거치는 것이 바람직하다. 즉, 수지 용액의 점성이 높아 코팅된 발포 수지 입자들이 뭉칠 염려가 있을 경우에는 수지 용액을 도포한 다음에, 이형제를 처리하여 개별 알갱이로 분리한 다음에 건조하여 코팅된 발포 수지 입자를 얻는다.

이러한 목적으로 사용되는 이형제로는, 사용한 코팅용 수지의 용매가 아닌 액상물질 또는 고체분말이 이용될 수 있는데, 고체분말을 사용할 경우 성형성을 감소시키며 건조과정중에 분진이 발생되는 문제점이 있으며, 액상물질 중에서도 발포 수지와의 친화성이 코팅수지와 발포 수지와의 친화성보다 지나치게 높은 경우에는 코팅수지가 발포 수지 입자로부터 분리되는 문제점이 있으므로, 발포 수지와의 친화성이 그다지 높지 않은 것을 선택해야 한다.

따라서, 예컨대 상기 아세트산비닐계 수지 용액을 코팅 수지 용액으로 사용할 경우에는, EPS, EPE, EPP 등 발포 수지 입자들이 강한 소수성을 갖는 점을 감안하여 다소간의 친수성을 가진 액상물질이 바람직하다. 또한 상기 이형제는 코팅 수지의 외부에 균일하게 도포되어 용매가 적절히 제거될 때까지 존재할 필요가 있다. 상기 조건을 동시에 만족하는 것으로는, 분자구조 중에 히드록실기(-OH)가 2개 이상인 물, 에틸렌글리콜, 글리세린 등의 친수성 액상물질 또는 염화나트륨, 붕사, 붕산, 수산화나트륨 등의 가용성 염 화합물(salt compound)이 용해되어 극성이 향상된 물 등을 들 수 있다.

또한 상기 이형제는 단일 종류를 사용할 수도 있지만, 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이형제는 발포 수지 입자의 표면적, 코팅 수지의 조성 등에 따라 코팅 수지 사용량의 1~40중량% 정도를 사용하는 것이 적절하다.

한편, 상기 코팅 수지 용액을 도포한 후, 또는 이형제를 부여한 후에는 교반하면서 건조시켜 발포 수지 입자가 개개의 알갱이로 분리되도록 한다. 건조는 70℃ 이하의 온풍을 가하면서 교반하는 방법이나, 70℃ 이하로 가열된 용기에 넣고 교반하면서 건조시키는 방법, 진공을 걸어 감압하에서 건조하는 방법, 가온과 진공을 병용하는 방법 등이 사용될 수 있다.

본 스킨층 형성단계에서 코팅 처리되어 건조된 발포 수지 입자는 사일로에 보관하였다가 다음의 성형단계로 이송된다.

압축성형단계

이 단계에서는 상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 저온에서 성형하여 성형물을 형성한다.

즉, 먼저 상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 진공 또는 공기를 사용하여 성형틀 내부로 이송 및 충진하고, 성형틀의 내부로 저온의 열매개체를 주입하여 대략 65℃ 이하 정도의 온도로 가온함으로써 상기 스킨층의 코팅 수지가 연화되도록 한다. 물론 이때 채용되는 성형틀 내부의 온도는 사용되는 코팅 수지의 종류에 따라 조금씩 달라 질 수 있다.

이렇게 스킨층이 연화된 상태에서 외부에서 압착수단에 의해 물리적으로 가압함으로써, 발포 수지 입자 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자들이 결합되어 하나의 성형물을 형성하게 되며, 성형이 완료된 후에는 냉각수나 진공 등의 방법으로 냉각하여 코팅 수지의 연화점 이하의 온도로 만든 후에 외부로 배출시킨다.

본 발명의 방법에 따르면, 성형온도가 100℃ 이상이던 종래의 방법에 비해 현저히 낮기 때문에, 상기 냉각과정이 신속히 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 특히 평판성형에 의한 경우 성형장치 외부로 배출된 후에도 성형물 내부의 온도가 그리 높지 않기 때문에 내부의 온도를 낮추어 성형물을 고형화시키기 위해 장시간 적치할 필요 없이 바로 다음의 절단 공정을 거쳐 최종 제품을 얻을 수 있다.

제 2 형태(발포 압축성형)에 따른 발포 수지의 저온성형방법

예비 발포 단계

본 예비 발포 단계는 통상의 발포 수지 입자의 성형에 있어서의 예비 발포와 동일하게 이루어질 수 있다. 즉, 예비 발포 후에도 성형단계에서의 발포를 위한 발포제가 잔류되도록 한다.

스킨층 형성 단계

본 스킨층 형성단계는 제 1 실시형태에 따른 발포 수지의 저온성형방법에 있어서의 스킨층 형성 단계와 동일하므로, 상세한 설명을 생략한다. 다만, 발포를 위해 70℃ 정도로 가온하므로 코팅수지의 연화온도가 그 이하인 정도이면 충분하다.

발포 압축 성형 단계

본 발포 압축 성형 단계에 있어서는, 저온의 열매개체를 주입하여 성형틀 내부의 온도를 발포 수지 입자에 포함된 발포제 발포온도까지만 상승시켜 발포 팽창시킨다. 즉, EPS와 같은 발포 수지에 포함된 부탄이나 펜탄 등의 발포제는 70℃ 정도로만 가온하여도 발포하고, 상기 스킨층의 코팅 수지가 연화하므로 더 이상의 온도상승이 불필요하다. 이 단계에서는, 발포에 의해 성형틀 내부의 공극을 최소화시킴과 동시에, 외부의 압착수단에 의해 물리적으로 가압함으로써 발포 수지 입자 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자들이 결합되어 하나의 성형물을 형성하게 된다. 성형이 완료된 후에는 냉각수나 진공 등의 방법으로 냉각하여 코팅 수지의 연화점 이하의 온도로 만든 후에 외부로 배출시킨다.

제 3 형태(발포성형)에 따른 발포 수지의 저온성형방법

예비 발포 단계

스킨층 형성 단계

본 스킨층 형성단계는 제 2 실시형태에 따른 발포 수지의 저온성형방법에 있어서의 스킨층 형성 단계와 동일하므로, 상세한 설명을 생략한다.

발포 성형 단계

본 발포 성형 단계에 있어서는, 저온의 열매개체를 주입하여 성형틀 내부의 온도를 발포 수지 입자에 포함된 발포제 발포온도까지만 상승시켜 저온에서 성형하는 것을 제외하고는 종래의 발포 성형방법과 동일하다.

즉, EPS와 같은 발포 수지에 포함된 부탄이나 펜탄 등의 발포제는 70℃ 정도로만 가온하여도 발포하므로, 별도의 외부적인 가압이 없이 발포에 의해서 필요한 압력이 제공되는 한도내에서 가온한다. 이 정도의 온도에서는 전단계에서 형성한 스킨층의 코팅 수지가 연화되기 때문에 이 스킨층간의 융착에 의해 성형이 이루어진다. 성형이 완료된 후에는 마찬가지로 냉각수나 진공 등의 방법으로 냉각하여 코팅 수지의 연화점 이하의 온도로 만든 후에 외부로 배출시킨다.

성형장치

상기 본 발명의 제 1 형태와 제 2 형태에 따른 저온성형방법의 실시에 사용되는 본 발명에 따른 발포 수지의 성형장치는, 상기한 바와 같이 마주보는 양면에 일정 거리 상호 근접 이송이 가능한 구조로 설치된 한 쌍의 압착판, 또는 고정된 어느 한 면에 대해 일정 거리 근접 이송이 가능한 구조로 설치된 하나의 압착판이 성형틀 내부에 구비되어, 상기 압착판의 이송에 의해 내부에 충진된 발포 수지 입자를 가압 압착하도록 구성되어 있다.

이러한 본 발명에 따른 성형장치를 사용할 경우, 내부에 충진된 발포 수지 입자가 발포되면서 형성되는 내부 압력뿐만 아니라, 외부에서 인위적으로 일정한 압력을 가할 수 있기 때문에, 이 가압력에 의해 발포 수지 입자 사이의 공극이 채워지면서 발포 입자들이 최대한 근접하여 융착됨으로써 하나의 성형물의 성형이 가능하게 된다. 따라서 성형틀 내에서 2차적인 발포가 이루어지거나 또는 이루어지지 않더라도 성형이 가능하게 되어 발포 온도 내지 그 이하의 저온에서도 성형이 가능하게 된다.

상기 구성은 형물성형장치나 평판성형장치 형태에 공통적으로 적용 가능하다.

다만, 평판성형장치 형태일 경우에는, 상기 구성에 있어서의 압착판은 대략 육면체를 이루는 성형틀의 상하부면에 형성되는 것이 바람직하지만, 좌우측 또는 전후측의 마주보는 한쌍의 측벽에 형성될 수도 있으며, 경우에 따라서는 성형틀의 상하좌우 전후의 어느 일면에 단독적으로 형성될 수도 있다. 다만, 상하 또는 좌우와 같이 대면하는 한 쌍의 압착판을 구비하는 편이 균일한 밀도의 성형물을 얻기에 용이하므로 바람직하다.

반면에, 형물 성형장치 형태일 경우에는 용도에 따라 그 형태가 다양한 형물용 성형틀을 구비하기 때문에 압착판의 형태나 위치설정이 다소 복잡해 질 수 있다. 바람직하게는 상기 압착판은 성형틀의 일측면, 즉 형태가 복잡한 면의 반대편에 형성된다. 다만, 경우에 따라서는 좌우측 등 마주보는 한 쌍의 측벽에 형성될 수도 있다.

평판 성형장치

이하에서는 도 1 내지 7을 참조하여, 상기 본 발명의 제 1 형태와 제 2 형태에 따른 저온성형방법에서 사용되는 평판 성형장치에 대해 설명한다.

여기서 도 1 및 도 2 내지 도 6은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 평판 성형장치의 주요부의 단면구조도 및 이 성형장치를 이용하여 발포 수지를 성형하는 과정을 순차적으로 도시한 도면으로서, 본 발명에 따른 발포 수지의 성형장치는 압착판을 제외한 구성에 있어서는 종래의 장치와 동일한 구성을 취할 수 있으므로, 세부적인 구성을 대폭 생략하고 주요 구성부분을 간략히 나타내었음을 밝혀둔다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발포 수지의 평판 성형장치(1)는, 내부가 대체로 육면체 형상인 성형틀(10)을 구비하고, 상기 성형틀(10)에는 완성된 성형물의 배출구인 개폐문(20)과 발포 수지의 충진을 위한 원료 주입구(미도시) 및 성형틀 내부로 열매개체인 증기의 주입을 위한 증기 주입공(미도시)이 연결된 일종의 평판성형장치이다.

상기 성형틀(10)의 내면은 충진된 발포 수지의 성형이 이루어지도록 평활한 표면의 성형판(11)으로 이루어져 있다. 다만, 상기 성형틀(10)의 일측 성형판(11)은 개폐문(20)에 연결되어 개폐 가능하게 되어 있으며, 개폐문(20) 반대편의 성형판(11)의 하부에는 성형물을 이송하여 배출하기 위한 이송수단인 푸싱바(30)가 형성되어 있는데, 상기 개폐문(20)과 푸싱바(30)는 각각 공압실린더 로드(21, 31)에 연결되어 공압실린더(22, 32)에 의해 제공되는 이송력에 의해 개폐와 이송작업이 이루어지도록 구성되어 있다. 한편, 개폐문(20)의 양측 상하로는 샤프트(23)가 설치되어 개폐시 개폐문(20)을 지지하여 이송경로를 제공하도록 구성되어 있다.

본 발명에 있어서는, 상기 성형틀(10)의 상하부면은 고정되지 않고 상하로 이송 가능한 구조로 이루어져 있다. 즉 성형틀 상부면을 형성하는 성형판인 압착판(40, 40')의 외측면은 유압실린더(42, 42')의 실린더 로드(41, 41')에 연결되어 있어, 유압실린더(42, 42')의 이송력에 의해 내측을 향해 이송 가능하도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의해, 압착판(40, 40')이 일정 거리 성형틀 내측으로 이동하면서 내부에 충진된 발포 수지 입자에 압력을 가하여 발포 수지를 성형할 수 있는 것이다.

이제, 도 2 내지 6을 참조하여, 본 발명의 발포 수지 성형장치를 이용하여 발포수지 성형물을 성형하는 과정을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 2에서 보는 바와 같이, 개폐문(20)이 닫힌 상태의 빈 성형장치(1)에, 도 3에서 보는 바와 같이 성형틀(10) 내부로 미리 발포시켜 연화온도가 낮은 코팅 수지로 코팅하여 스킨층을 형성시킨 발포 수지 입자를 별도의 주입구(미도시)를 통해 충진하고, 증기를 주입하여 스킨층의 코팅 수지를 연화시킨다. 다음으로, 도 4에서 보는 바와 같이, 상하부의 유압실린더(40, 40')의 작용에 의해 압착판(40, 40')을 내측으로 이송시켜 내부에 충진된 발포 수지를 압착함으로써, 스킨층 간의 융착에 의한 성형이 이루어지도록 한다. 성형이 완료되면, 성형틀(10)을 냉각시킨 후, 도 5에서 보는 바와 같이 상하부의 압착판(40, 40')을 제자리로 복원시킨다. 이때, 성형물은 자중에 의해 자연스럽게 하부 압착판(40')상에 놓이게 된다. 마지막으로, 도 6에서 보는 바와 같이 공압실린더 및 실린더 로드(22, 32, 23, 33)의 작용에 의해 개폐문(20)이 열리고, 푸싱바(30)가 전진하면서 성형물을 성형틀(10) 외부로 배출시키게 된다. 성형물이 배출된 이후에는 연설된 절단장치를 이용하여 곧바로 절단하여 최종 제품화할 수 있다.

형물 성형장치

이하에서는 도 7을 참조하여, 상기 본 발명의 제 1 형태와 제 2 형태에 따른 저온성형방법에 사용되는 형물성형장치에 대해 설명한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 형물성형장치의 주요부의 단면구조도로서, 이 장치 또한 압착판을 제외한 구성에 있어서는 종래의 형물성형장치와 동일한 구성을 취할 수 있으므로, 세부적인 구성을 대폭 생략하고 주요 구성부분을 간략히 나타내었음을 밝혀둔다.

도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 발포 수지의 형물성형장치(100)는, 성형틀(110)과, 이 성형틀과 연결된 개폐문(120)과 원료 주입구(미도시) 및 증기 주입공(미도시)이 마련된 일종의 형물성형장치이다.

상기 성형틀(110)의 내부 형상은 충진된 발포 수지가 원하는 성형물의 형상으로 성형이 이루어지도록 형성된 형물틀(111)로 이루어져 있다. 다만, 상기 형물틀(111)의 일측면은 개폐문(120)에 고정된 유압 또는 공압 실린더(142)의 실린더 로드(141)에 연결되어, 상기 실린더(142)에 의해 제공되는 이송력에 의해 내측을 향해 이송되면서 내부에 충진된 발포 수지입자를 가압할 수 있게 구성된 압착판(140)을 형성하고 있다.

한편, 상기 개폐문(120) 반대편의 형물틀(111)의 중앙부에는 완성된 성형물을 이송하여 배출하기 위한 이송수단인 푸싱바(130)가 형성되어 있는데, 상기 개폐문(120)과 푸싱바(130)는 각각 공압실린더 로드(121, 131)에 연결되어 공압실린더(122, 132)에 의해 제공되는 이송력에 의해 개폐와 이송작업이 이루어지도록 구성되어 있다. 한편, 개폐문(120)의 양측 상하로는 샤프트(123)가 설치되어 개폐시 개폐문(20)을 지지하여 이송경로를 제공하도록 구성되어 있다.

상기 형물 성형장치(100)를 이용하여 본 발명의 제 1 또는 제 2 실시형태에 따른 저온성형방법으로 발포수지 성형물을 얻는 과정은 상기 평판성형장치(1)에서와 유사하게 이루어질 수 있다.

즉, 상기 도 7의 상태에서 형물틀(111) 내부의 공간에 미리 발포시켜 연화온도가 낮은 코팅 수지로 코팅하여 스킨층을 형성시킨 발포 수지 입자를 별도의 주입구(미도시)를 통해 충진하고, 증기를 주입하여 스킨층의 코팅 수지를 연화시킨 다음, 우측 실린더(140)의 작용으로 압착판(140)을 내측(도면상 좌측)으로 이송시켜 내부에 충진된 발포 수지 입자를 압착함으로써, 스킨층 간의 융착에 의한 성형이 이루어지도록 한다. 성형이 완료되면, 성형틀(110)을 냉각시킨 후, 압착판(140)을 우측의 원위치로 복원시킨다. 이때, 성형물은 형물틀(111) 좌측에 밀착된 상태를 유지하며, 공압실린더(122, 132) 및 실린더 로드(123, 133)의 작용에 의해 개폐문(120)이 열리고, 푸싱바(130)가 우측으로 전진하면서 성형물을 성형틀(110) 외부로 배출시키게 된다. 배출된 성형물은 자중에 의해 성형장치(100) 외측 하부에 설치된 이송수단(미도시) 상에 놓여져 이송된다.

실시예

실시예 1 : 압축성형에 의한 발포 폴리스티렌 성형물의 제조

A.스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자의 제조

중합도가 500인 아세트산 비닐수지 450g을 순도 98% 이상인 메탄올 550g에 균일하게 용해시킨 다음, 이 수지용액에 평균입도가 7.5㎛인 수산화알루미늄 입자 1kg을 첨가하여 균일하게 분산시킴으로써 기능성 첨가제가 함유된 아세트산 비닐수지용액 2kg을 얻었다.

용량 0.2루베의 리본믹서에 평균 약 100배의 배율로 완전히 발포시켜 숙성한 발포 폴리스티렌 입자 2kg 을 넣고, 100rpm의 속도로 교반하면서, 상기 아세트산 비닐수지용액 2kg 을 첨가하여 1분간 혼합하여 상기 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 코팅 수지 용액을 균일하게 도포 되도록 하였다.

상기 리본믹서에 60~65 ℃의 온풍을 가하면서 약 10초간 교반을 지속한 후 교반을 계속하면서 에틸렌글리콜 50g을 분무하여 코팅된 입자가 개개의 알갱이로 서로 분리되도록 하였다. 이어서 3분간 교반을 계속하면서 건조시켜 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자(A1)를 제조하였다.

B. 압축성형

상기 제조된 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자(A1)를 도 1의 자체 제작된 성형장치에 충진하고, 3kgf/㎠로 감압된 스팀으로 약 10초간 가열하여 스킨층의 코팅 수지를 연화시킨 후, 상부와 하부의 유압실린더에 의해 압착판을 이송시켜 압력을 가함으로써, 발포 폴리스티렌 입자들을 서로 융착시켰다. 그 후, 물과 진공펌프를 이용하여 약 30초간 냉각한 후 배출하여 성형물(B1)을 얻었다.

얻어진 성형물(B1)을 나이프로 절단하여 단면을 이미지 애널라이저(image analyzer)를 이용하여 400배 배율로 촬영하여 도 8에 나타내었다.

그 결과 도 8에서 보는 바와 같이, 발포 입자의 형태의 변형이 없이 입자들이 균일하게 융착되어 성형물을 형성함을 알 수 있었다.

실시예 2 : 발포압축성형에 의한 발포 폴리스트렌 성형물의 제조

A. 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자의 제조

예비발포단계에서 약 80배의 발포 배율로 발포하였으며, 입자 내에 발포제가 잔류하여 성형단계에서 추가적인 발포가 가능한 발포 폴리스티렌 입자를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자(A2)를 제조하였다.

이렇게 얻어진 스킨층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자(A2)의 전자현미경 사진을 도 9 및 10에 각각 나타내었다. 도 9는 30배, 도 10은 스킨층과의 경계부분을 400배로 확대하여 촬영한 사진이다. 발포 폴리스티렌 입자의 표면에 형성된 스킨층을 확인할 수 있다.

B. 발포압축 성형

상기 제조된 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자(A2)를 도 1의 자체 제작된 평판 성형장치에 충진하고, 3 kgf/㎠로 감압된 스팀을 유입하여 0.5 kgf/㎠의 압력으로 20초간 가열, 발포시킨 후, 상부와 하부의 유압실린더에 의해 압착판을 이송시켜 압력을 가함으로써, 발포 폴리스티렌 입자들을 서로 융착시켰다. 그 후, 물과 진공펌프를 이용하여 약 30초간 냉각한 후 배출하여 성형물(B2)을 얻었다.

실시예 3 : 발포성형에 의한 발포 폴리스티렌 성형물의 제조

A. 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자의 제조

예비발포단계에서 약 80배의 발포 배율로 발포하였으며, 입자 내에 발포제가 잔류하여 성형단계에서 추가적인 발포가 가능한 발포 폴리스티렌 입자를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 스킨층을 갖는 발포 폴리스티렌 입자(A3)를 제조하였다.

B. 발포성형

A단계에서 제조한 스킨층이 형성된 발포 폴리스티렌 입자(A3) 4kg을 종래의 일반 평판성형장치에 충입하고, 3 kgf/㎠로 감압된 스팀을 유입하여 0.5 kgf/㎠의 압력으로 30초간 가열, 발포시킨 후, 냉각하여 성형물(B3)을 얻었다.

Claims

발포제를 함유한 발포성 수지 입자를 가열하여 적정 발포배율까지 발포하고, 건조, 숙성하여 발포 수지 입자를 제조하는 발포단계와;

상기 발포 수지 입자를 발포 수지보다 연화온도가 낮은 코팅 수지의 용액으로 코팅, 건조하여 발포 수지입자의 표면에 스킨층을 형성하는 스킨층 형성단계와;

상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 성형틀에 넣고, 저온의 열매개체를 주입하여 상기 코팅 수지가 연화되도록 가온하고 외부에서 압착수단에 의해 물리적으로 가압함으로써, 발포 수지 입자 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자를 결합시키는 압축성형단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발포 수지의 저온성형방법.
발포제를 함유한 발포성 수지 입자를 가열하여 일정 발포 배율까지 예비 발포하고 건조, 숙성하여 발포 수지 입자를 제조하는 예비 발포 단계와;

상기 발포 수지 입자를 발포 수지보다 연화온도가 낮은 코팅 수지의 용액으로 코팅, 건조하여 발포 수지 입자의 표면에 스킨층을 형성하는 스킨층 형성단계와;

상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 성형틀에 넣고 저온의 열매개체를 주입하여 발포제의 발포온도까지 가온함으로써, 발포 수지 입자의 발포 팽창에 의해 입자 사이의 공극이 최소화된 상태에서 외부의 압착수단에 의해 물리적으로 가 압함으로써, 발포수지 입자 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자를 결합시키는 발포압축 성형단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발포 수지의 저온성형방법.
발포제를 함유한 발포성 수지입자를 가열하여 일정 발포 비율까지 예비 발포하고 건조, 숙성하여 발포수지입자를 제조하는 예비 발포 단계와;

상기 발포 수지 입자를 발포 수지보다 연화온도가 낮은 코팅 수지의 용액으로 코팅, 건조하여 발포 수지입자의 표면에 스킨층을 형성하는 스킨층 형성단계와;

상기 스킨층이 형성된 발포 수지 입자를 성형틀에 넣고 저온의 열매개체를 주입하여 발포제의 발포온도까지 가온함으로써, 발포 수지 입자의 발포 팽창에 의해 입자 사이의 공극이 최소화된 상태에서 표면의 스킨층간의 융착에 의해 발포 수지 입자를 결합시키는 발포 성형단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발포 수지의 저온성형방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅수지는 덱스트린, 카제인과 같은 천연수지류와 아크릴계 수지, 비닐아세테이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리아미드계 수지 등의 합성수지류 중 어느 하나 또는 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물 또는 블렌드 중에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 발포 수지의 저온 성형방법.
제 4항에 있어서, 비닐아세테이트계 수지는 아세트산비닐단독중합체 또는 아세트산비닐과 카프론산비닐, 스테아린산비닐, 바사틱산비닐 등의 비닐에스테르류, 아크릴산에틸, 아크릴산부틸, 아크리산옥틸 등의 아크릴산에스테르류, 말레인산디부틸과 같은 푸마르산(fumaric acid)의 에스테르류, 말레인산, 아크릴산, 이타콘산 등의 카르복실기를 갖는 것 및 비닐아코올, 부타디엔, 카프로락톤 중 어느 하나 또는 2 이상의 것과의 공중합체 또는 이들의 혼합물 또는 블렌드 중에서 선택되는 것이며, 물이나 알코올류, 에스테르류, 케톤류, 카르복시산류, 방향족류 및 할로겐화탄화수소류와 같은 용매에 용해시키는 것을 특징으로 하는 발포 수지의 저온 성형 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 수지의 용액을 코팅한 후에 이형제를 처리하여 개개의 발포 수지 입자로 분리하여 건조하는 것을 특징으로 하는 발포 수지의 저온 성형 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 수지의 용액에 핵제, 윤활제, 산화방지제, 열안정제, 자외선안정제, 충진재, 보강제, 가소제, 착색제, 내충격제, 난연제, 대전방지제, 가교제, 형광증백제, 열전도성 부여제, 전기전도성 부여제, 투과성 조절제, 자성 부여제, 계면활성제, 안정제, 부형제, 의약제, 용매, 경화제, 흡습제, 강화제, 향료, 항균제와 같은 기능성 첨가물을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 발포 수지의 저온 성형 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발포 수지는 발포 폴리스티렌, 발포 폴리에틸렌 및 발포 폴리프로필렌 중 어느 하나 또는 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물 또는 블렌드 중에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 발포 수지의 저온 성형 방법.
발포 수지 입자의 주입구와, 완성된 성형물의 배출을 위한 개폐식 배출구 및 성형물의 이송수단이 구비되며, 장치내에 형성된 성형틀 내부로 열매개체가 주입되어, 가온, 가압에 의해 발포 수지 입자가 융착 성형되는 발포 수지 성형장치에 있어서,

상기 성형틀의 내부에, 마주보는 양면에 일정 거리 상호 근접 이송이 가능한 구조로 설치된 한 쌍의 압착판, 또는 고정된 어느 한 면에 대해 일정 거리 상호 근접 이송이 가능한 구조로 설치된 하나의 압착판이 구비되어, 상기 압착판의 이송에 의해 내부에 충진된 발포 수지 입자를 가압 압착하도록 구성된 것을 특징으로 하는 발포 수지 성형장치.