KR100699202B1 - 발포 폴리머 재료의 제조 방법 및 그 제조 방법을수행하는 압출기 - Google Patents
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Abstract
본 방법은, 물리적 발포제가 첨가된 폴리머 재료의 압출에 의해서, 40 mW/。K·m 미만의 열전도도와 50kg/m3 미만의 밀도를 갖는 발포 폴리올레핀 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 압출은, 축방향 간격 (I) 과 직경 (D) 의 비가 0.7 내지 0.8 이고, 길이/직경 비 (L/D) 가 22 내지 30 인, 상호 맞물려서 동일방향으로 회전하는 스크류 (12) 를 갖는 이축 압출기에서 수행되는 데, 상기 스크류 (12) 는, 복수의 혼합 영역(역 혼합) (18a∼c) 과 복수의 교변 펌핑 영역 (16a∼d) 을 가지며, 그 혼합 영역 (18a∼c) 과 펌핑 영역 (16d∼d) 의 비가 65 % 내지 75 % 이다. 압출이 실시되는 동안, 상기 스크류는 50 rpm 미만의 속도로 회전한다.
Description
본 발명은, 물리적 발포제가 첨가된 폴리머를 압출하여, 폐쇄 기포 구조를 갖는 저밀도 폴리올레핀 발포 폴리머 재료를 제조하는 방법 및 그 방법을 수행하는 압출기에 관한 것이다.
저밀도 폴리올레핀 폼(foam)의 제조에 가장 일반적으로 사용되는 발포제는, 불화탄소, 특히 포화 염화불화탄소(CFC)와 수화불화염화탄소(HCFC), 및 할로겐화 탄화수소를 포함하는 유기 화합물이다. 그러나, 상기 염화불화탄소류는 환경에 악영향을 미치기 때문에 바람직하지 못한 것으로 간주되며, 특히 지구 대기의 보호 오존층 파괴의 원인으로 지목받아 점차로 그 사용이 감소하고 있다. 오존층에 해가 되지 않는 그밖의 할로겐화 탄화수소가 발포제로서 사용되기는 하지만, 이는 상당히 인화성이 높은 재료이므로 또 다른 문제점을 야기시킨다.
CFC 및 HCFC 의 대용으로서, 이산화탄소, 질소, 아르곤, 및 물과 같은 무기 발포제가 제시되어 왔는 데, 이들은 인화성이 없으며 환경에 대한 영향도 거의 없거나 전혀 없다. 그러나, 그러한 발포제가 단일 발포제로서 단독으로 사용될 경 우, 대개는, 종래의 발포제를 사용하여 얻어질 수 있는 정도의 원하는 밀도를 갖는 폼을 얻을 수 없다. 따라서, 당해 분야의 연구 방향은, 여러 가지 발포제의 조합을 바탕으로 하는 특수한 발포 시스템, 특수한 물성을 갖는 폴리머 재료 선정, 첨가제의 사용 등의 방면으로 전환되어 왔다.
미국 특허 5,244,927 호는, 이산화탄소, 저 알코올, 및 물의 조합에 의해 구성된 발포 시스템을 사용하여 제조되는 저밀도 폴리스티렌 폼을 기재하고 있다.
미국 특허 5,554,661 호는, 특별한 멜트 인덱스(melt index) 및 멜트 텐션(melt tension) 특성을 갖는 에틸렌 폴리머와, 발포제로서 이산화탄소 및/또는 아르곤을 사용하여 얻어지는, 150 kg/m3 미만의 밀도를 갖는 폐쇄-기포 발포 에틸렌 재료를 기재한다.
반면에, 본 발명은, 이탄화탄소, 불활성 가스, 또는 물과 같은 단일 발포제를 사용하는 경우에 조차도, 특수한 물리적 특성 및 기계적 특성을 갖는 압출 방법에 의해, 저밀도 및 저 열전도도의 원하는 특성을 갖는 발포 폴리올레핀 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은, 물리적 발포제가 첨가된 폴리머 재료를 압출하여, 40 mW/°K·m 미만의 열전도도와 50 kg/m3 미만의 밀도를 갖는 발포 폴리올레핀 재료를 제조하는 방법에 있어서,
- 축방향 간격과 직경의 비가 0.7 내지 0.8 이고, 스크류의 길이/직경 비 (L/D) 는 22 내지 30 이며, 동일방향으로 회전하면서 상호 맞물리는 2 개의 스크류를 갖는 이축 압출기(twin-screw extruder)에서, 상기 동일방향으로 회전하는 2 개의 스크류가 복수의 혼합영역 (역(逆) 혼합) 및 교대꼴로 배열된 복수의 펌핑(pumping)영역 (이송) 을 가지며, 상기 혼합 영역의 전체 길이와 펌핑 영역의 전체 길이의 비가 65% 내지 75% 이고, 상기 스크류를 50 rpm 미만의 속도로 회전시키면서 압출을 실시하는 것을 특징으로 하는 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 방법에 사용되는 폴레올레핀 폴리머는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체, 및 방향성 알케닐(alkenyl) 폴리머를 포함한다. 상기 방향성 알케닐 폴리머는, 스티렌, α-메틸스티렌, 에틸 스티렌, 비닐 벤젠, 비닐 톨루엔, 클로로스티렌, 및 브로모 벤젠과 같은 방향성 알케닐 화합물의 폴리머를 포함한다. 사용가능한 폴리머는, 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴로니트릴, 말레익 무수화물, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 및 비닐 아세테이트와 같은 방향성 알케닐 화합물과 공중합될 수 있는 C2-C6 알킬산 또는 C4
-C6 디엔과 같은 불포화 모노에틸렌 화합물을 소량 포함한다. 그러나, 그러한 공중합체의 사용은 재료 비용을 실질적으로 증가시키므로 그다지 바람직하지 않다.
본 발명의 방법은, 이산화탄소, 질소, 아르곤, 및 헬륨과 같은 발포제가 사용되는 경우에 특히 유리하지만, 본 발명의 범위는, 메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄, 및 n-펜탄과 같은 지방족 화합물과, 1 ∼ 3 개의 탄소 원자를 갖는 지방족 알코올의 사용까지도 연장될 수 있다. 또한, 종래의 CFC 및 HCFC 를 사용하는 방법도 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 폴리머 재료는, 핵제(nucleising agent), 난연제, 착색제와 같이 발포 재료의 압출에 사용되는 통상의 첨가제를 포함할 수 있다. 폼내의 기포의 크기를 조절하는 데 사용되는 핵제는, 특히, 활석(talc), 산화 마그네슘, 규산 칼슘, 스테아르산 칼슘, 및 구연산과 중탄산 나트륨의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상호 맞물려서 동일방향으로 회전하는 2 개의 스크류를 포함하여 상기 방법을 수행하는 압출기에 있어서, 상기 스크류의 축방향 간격 (I) 과 직경 (D) 의 비가 0.7 내지 0.8 이고, 길이/직경의 비 (L/D) 가 22 내지 30 이며, 상기 스크류는, 복수의 혼합 영역 (역 혼합) 과 교대꼴로 배열된 복수의 펌핑(pumping) 영역을 가지며, 상기 혼합 영역의 길이와 펌핑 영역의 길이의 비가 65 % 내지 75 % 인 것을 특징으로 하는 압출기를 제공하는 것이다.
도 1 은, 본 발명을 실시하기 위한 압출 장치의 일련의 구성부를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2 는, 도 1 의 압출 장치의 구성부의 하류에 배치된 다이(die)의 측면 단면도이다.
도 3 및 도 4 는, 각각 도 2 의 Ⅲ-Ⅲ 선 및 Ⅳ선-Ⅳ 을 따라 절취한 단면도이다.
도 5 는, 도 2 의 다이의 정면도이다.
도 6 은, 도 2 의 Ⅵ-Ⅵ선을 따라 절취한 단면도이다.
도 7 은, 본 발명을 수행하기 위한 압출 장치의 스크류중의 하나를 보여주는 측면도이다.
이하, 비(非)한정적인 특정 실시형태를 보여주는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 또 다른 특징 및 장점에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 에 있어서는, 관형(管形) 압출기 본체와, 서로 맞물려서 동일방향으로 회전하는 2 개의 스크류 (12) 가 모두 포괄되어 도면부호 "10" 으로 표시되어 있는 데, 스크류는 전술한 특징을 가지며, 압출기 본체의 내부 공동(空洞)에 배치되어 있다. 폴리머 재료는, 도시되지 않은 공급 수단에 의해서, 스크류의 초기 공급 영역 (14) 내에 있는 압출기의 공동내로 공급된다. 스크류 (12) 는, 3 개의 역 혼합영역 (18a, 18b, 18c) 에 의해 이격되어 배치된 4 개의 펌핑 영역 (16a, 16b, 16c, 16d) 을 포함한다 (도 7 참조).
최초 펌핑 영역 (16a) 의 하류측에서 (도면부호 "17" 참조), 스크류 (12) 는 그 심경 (心徑) 이 7∼14 % 증가하고, 그 외경이 4∼8 % 감소하는 갖는 것이 바람직하다. 최종 혼합영역 (18 c) 의 하류측에서는 (도면부호 "19" 참조), 스크류 (12) 는 그 심경이 2∼5 % 증가하고, 그 외경이 1∼3 % 감소하는 것이 바람직하다. 도 1 내지 도 7 로부터는 상기와 같은 치수의 변동을 즉석에서 식별할 수 없는 데, 이는 도면의 축척이 작고 또한 해당 부위의 치수가 비교적 작기 때문이다.
상기 재료는, 초기 공급 영역 (14) 및 이송 영역 (16a) 에서 용융된다. 주입 수단 (도시 생략) 에 의해서, 발포제가, 최초 역 혼합영역 (18a) 의 바로 하류 의 유동 영역 (16b) 에 있는, 압출기 본체내로 주입된다.
압출기 헤드에서의 압력은 200 내지 280 bar 이며, 바람직하게는 240 내지 280 bar 이다. 압출기 내부의 온도는, 사용되는 폴리머의 특성에 따라 작업자에 의해 조절된다.
용융된 폴리머 재료는, 최종 유동/펌핑 영역 (16d) 으로부터 스태틱(static) 믹서/균일화 장치 (20) 로 이송된다. 이 장치는 공지된 유형의 것일 수 있으며, 본 출원인의 미국특허출원 4,222,729 호에 기재된 것이 바람직하다.
어떤 경우든, 본 발명에 따른 방법을 이용한다면, 상기 스태틱 믹서 장치는, 30 내지 80 bar 의 압력 강하를 발생시키는 특성을 갖는 것이 바람직하다.
상기 재료는, 상기 스태틱 믹서 (20) 로부터, 일반적으로 100 내지 200 bar 의 압력의 다이 (22) 에 최종적으로 이송된다 (도 2 내지 도 6 참조).
상기 다이 (22) 는, 재료가 내부로 통과할 수 있도록 내부 통로부 (26) 를 구비한 몸체 (24) 를 가지며, 그 내부 통로부의 제 1 구역 (28) 의 단면은 원형 단면 (30) 으로부터 실질적인 직사각형 단면 (32) 으로 점진적으로 변하면서 분포하는 데, 그 직사각형 단면 (32) 에 있어, 한 쌍의 변(邊) (34) 의 길이는 다른 한 쌍의 변 (36) 의 길이에 비해 상당히 길다.
통로부 (26) 는, 제 1 구역 (28) 의 하류측에 배열되는 제 2 구역 (38) 을 갖는 데, 이 제 2 구역에서, 상기 제 1 구역 단면의 변 (34) 은 (도 3 참조) 더 길어지고 변 (36) 은 더 짧아 지면서 점차로 변화한다.
마지막으로, 2 개의 대향하는 립(lip) (40) 이, 배출 통로부 (26) 의 외부 배출부에 배열되고, 이로 인하여 상기 통로부 (26) 의 유동 단면이 감소한다.
실시예 Ⅰ
전술한 특징을 가지며, 길이 대 직경 (L/D) 의 비가 24 인 스크류를 구비한, 동일방향 회전형의 이축 압출기가 사용되었다. 상기 스크류의 부가적인 다른 특징은 하기와 같다.
- 축방향 간격 (I) : 100 mm
- 스크류 직경 (D) : 132 mm
- 정격 전력 : 75 kW
폴리머 재료로는, 1.7 내지 1.8 g/10min 의 멜트 인덱스(melt index) 와 100℃ 를 넘는 비카트(Vicat) 연화점을 갖는 폴리스티렌을 사용하였다.
또한, 사용된 재료에는, 0.5 내지 1.5 중량% 의 핵제로서의 활석(talc), 4 내지 5 중량% 의 난연제 및 착색제가 포함되었다. 발포제로는 순수 이산화탄소가 사용되었는 데, 본 실시예를 실시하는 동안, 사용된 발포제의 분율은, 고형질 100부에 대해 2 내지 5 % 의 범위내에서 변동하였다.
본 실시예를 실시하는 동안, 스크류의 회전 속도는 18 내지 25 rpm 에서 변동하였다.
압출기의 헤드에서의 압력은 200 내지 280 bar 에 유지되었고, 다이에서의 압력은 100 내지 200 bar 에 유지되었다.
얻어진 발포 재료의 판넬(panel) 은,
- 600 내지 800 mm 에서 변동하는 폭과,
- 20 내지 60 mm 에서 변동하는 두께와,
- 35 내지 50 kg/m3 에서 변동하는 밀도와,
- 0.150 내지 0.250 mm 에서 변동하는 기포 크기를 나타내었다.
압출 직후, 열전도도는 26.5 내지 28.2 mW/°K·m 의 범위내에서 변동하였다.
상기 변동은, 사용된 핵제 및 발포제의 퍼센티지(percentage) 가 상이함으로 인하여 야기된 것으로 사료된다.
ASTM D 2856-A 에 따라 분석한 결과, 얻어진 발포 판넬중의 적어도 95 % 가 폐쇄 기포 구조를 나타내었다.
제조율 (정격 전력/제품 중량) 은 0.4 내지 0.6 kW/kg 이었다.
실시예 Ⅱ
이전 실시예와 동일한 유형의 스크류를 갖는, 동일방향 회전형의 이축 압출기가 사용되었는 데, 이 스크류의 부가적인 특징은 하기와 같다.
- 축방향 간격 (I): 66 mm
- 스크류 직경 (D): 82 mm
- 정격 전력 : 18 kW
실시예 Ⅰ 과 동일한 폴리머 재료가 사용되었는 데, 발포제의 양은 2 내지 5 % 에서 변동되었다.
압출기 헤드에서의 압력은 200 내지 280 bar 에서 변동하였으며, 다이에서의 압력은 100 내지 120 bar 에서 변동하였다.
발포된 재료의 판넬은
- 200 내지 450 mm 의 폭과,
- 10 내지 25 mm 의 두께와,
- 35 내지 50 kg/m3 의 밀도와,
- 0.150 내지 0.250 mm 의 기포 크기를 나타내었다.
Claims (10)
- 축방향 간격 (I) 과 직경 (D) 의 비가 0.7 내지 0.8 이고, 길이/직경 비 (L/D) 가 22 내지 30 이며, 상호 맞물려서 동일방향으로 회전하는 스크류 (12) 를 갖는 이축 압출기에서, 상기 스크류 (12) 를 50 rpm 미만으로 회전시키면서 압축이 실시되는, 물리적 발포제가 첨가된 폴리머 재료의 압출에 의해 발포 폴리올레핀 재료를 제조하는 방법에 있어서,40 mW/°K·m 미만의 열전도도와 50 kg/m3 미만의 밀도를 갖는 발포 폴리올레핀 재료의 제조를 목적으로 하며, 상기 스크류 (12) 는 복수의 혼합영역 (18a∼c) 및 교대꼴로 배열된 복수의 펌핑영역 (16a∼d) 을 가지고, 그 펌핑영역 (16a∼d) 에 대한 혼합영역 (18a∼c) 의 길이 비는 65 % 내지 75 % 가 되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 최초 펌핑영역 (16a) 의 하류에서, 상기 스크류 (12) 의 심경(心徑) 이 7 내지 14 % 증가하고, 외경이 4 내지 8 % 감소하는 것을 특징으로 하는 발포 폴리올레핀 재료의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 최종 혼합영역 (18c) 의 하류에서, 상기 스크류 (12) 의 심경이 2 내지 5 % 증가하고, 외경이 1 내지 3 % 감소하는 것을 특징 으로 하는 발포 폴리올레핀 재료의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 다이 (22) 가, 압출기의 하류에 배치되며, 재료 통과용의 내부 통로부 (26) 를 갖는 몸체 (24) 를 가지고, 상기 내부 통로부의 제 1 구역 (28) 의 단면은, 원형 단면 (30) 에서 직사각형 단면 (32) 으로 변해가며, 그 직사각형 단면에 있어서, 한 쌍의 변(邊) (34) 이 다른 쌍의 변 (36) 보다 긴 것을 특징으로 하는 발포 폴리올레핀 재료의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 내부 통로부 (26) 가, 제 1 구역 (28) 의 하류에 배치되는 제 2 구역 (38) 을 가지며, 그 제 2 구역의 단면은, 변 (34) 은 더 길어지고 변 (36) 은 더 짧아지도록 변해가는 것을 특징으로 하는 발포 폴리올레핀 재료의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 2 개의 대향하는 립(lip) (40) 이, 상기 내부 통로부 (26) 의 유동 단면을 제한하는 내부 통로부 (26) 의 배출부에 형성된 것을 특징으로 하는 발포 폴리올레핀 재료의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법을 수행하며, 상호 맞물려서 동일방향으로 회전하는 2 개의 스크류 (12) 를 포함하고, 상기 스크류 (12) 의 축방향 간격 (I) 과 직경 (D) 의 비가 0.7 내지 0.8 이고, 길이/직경 비 (L/D) 가 22 내지 30 인 압출기에 있어서,상기 스크류가 복수의 혼합영역 (18a∼c) 및 교대꼴로 배열된 복수의 펌핑영역 (16a∼d) 을 가지며, 그 펌핑영역 (16a∼d) 에 대한 혼합영역 (18a∼c) 의 길이 비는 65 % 내지 75 % 인 것을 특징으로 하는 압출기.
- 제 7 항에 있어서, 최초 펌핑영역 (16a) 의 하류에서, 상기 스크류 (12) 의 심경이 7 내지 14 % 증가하고, 외경은 4 내지 8 % 감소하는 것을 특징으로 하는 압출기.
- 제 7 항에 있어서, 최종 혼합영역 (18c) 의 하류에서, 상기 스크류 (12) 의 심경이 2 내지 5 % 증가하고, 외경이 1 내지 3 % 감소하는 것을 특징으로 하는 압출기.
- 제 8 항에 있어서, 최종 혼합영역 (18c) 의 하류에서, 상기 스크류 (12) 의 심경이 2 내지 5 % 증가하고, 외경이 1 내지 3 % 감소하는 것을 특징으로 하는 압출기.
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