KR100948235B1 - 2축연신 블로우 성형용 연신 로드 - Google Patents

Abstract

합성수지제 음료 용기 특히 PET용기는 청량음료용 포장용기로 널리 사용되어지고 있다. 이러한 PET용기는 2축 연신 블로우 성형방법에 의해서 대부분 제조되어지고 있다. 상기 2축 연신 블로우 성형공정에서는 연신 로드라 불리우는 길다란 금속재질의 봉(rod)를 사용하게 되는데 용기 연신 배향 향상 및 용기 품질 향상을 확보하기 위함이다. 기존에는 연신 로드의 끝부분이 평평한(flat) 디자인을 가지고 있어 용기 중심부의 연신 배향성 향상 및 두께 분포 감소를 통한 중량 저감에 어려움이 있었다. 이에 본 발명에서는 연신로드의 끝부분의 형태를 사용하는 예비성형품 프리폼 바닥부의 반원 형태와 유사하게 함으로써 중심부분의 연신 배향성을 향상하고자 하였으며 바닥부의 과도한 중량을 가지는 문제점을 해소하고자 하였다. 상기 연신 로드를 사용하면 기존 용기의 경우 바닥부 중량 저감을 통하여 나머지 부분의 두께 분포를 좀 더 확보 할 수 있으며 특히 경량화, 박육화된 용기를 제작하고자 하는 경우 유용하다.

폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 보틀(Bottle), 용기(Container), 2축연신블로우(Biaxial stretch blow molding), 프리폼(Preform), 연신 로드(stretch rod)

Description

2축연신 블로우 성형용 연신 로드{Stretch rod using in the Biaxial stretch blow molding process}

본 발명은 2축연신 블로우 성형시에 사용되는 연신 로드에 대한 것으로, 상세하게는 음료용 PET 용기의 바닥부 연신 향상 및 중량을 저감시키기 위하여 연신 로드의 끝부분의 형태가 프리폼의 바닥부 반원형태와 같은 형태를 가지는 2축연신 블로우 성형용 연신 로드에 관한 것이다.

1950년대 Dupont社에 의해서 개발된 PET수지는 섬유, 필름, 쉬트, 용기 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 1970년대에부터 PET 용기의 본격적인 적용이 시작되었으며 국내에서는 1980년대 초부터 탄산음료 PET 용기생산을 시작으로 하여 현재까지 매년 높은 시장 성장률을 기록하고 있다. 현재 시장에 나와 있는 PET용기의 종류는 다음과 같다. 1) 콜라, 사이다로 대표되는 탄산음료의 충진 및 보관이 가능한 내압성(pressure resistance) PET 용기, 2) 쥬스, 스포츠음료로 대표되는 고온 살균이 필요한 과즙음료의 충진 및 보관을 위한 내열성(heat resistance) PET 용기, 3) 생수, 식용유, 장류 충진 및 보관을 위한 상압(Normal) PET용기, 4) 우유탄산, 과즙탄산 음료와 같이 내용물 살균을 위한 내열성 그리고 탄산가스로 인한 내 압성을 동시에 갖는 내열압성 PET 용기가 그것이다.

상기 언급된 음료용 PET용기는 현재 2축 연신 블로우 성형법에 의하여 제조되고 있다. 이러한 2축 연신 블로우 성형법은 약 30여전에 미국 DuPont에서 미연신 PET 용기의 성형 기술을 발견하고난 이후부터다. 그때까지는 직접 블로우(direct blow)법에 의한 미연신 용기로써 검토되었으나 미연신 때문에 품질이 떨어져 거의 용도를 전개할 수 없었다. 최근 십수년 사이에 PET 용기용 수지의 개량 및 성형장치의 혁신적 개량이 되어 왔다. 초기에는 단순한 압축공기에 의한 2축 연신 성형법을 사용하였으나 품질이 불균일하여 개량을 위하여 이후에 연신로드 개념이 도입되었다.

연신로드는 2축연신 성형시에 사용하는 길다란 봉(rod)으로써 예비성형품 프리폼의 바닥부 중심점과 최종 용기의 바닥부 중심점을 일치시켜주는 역할을 하며 동시에 세로 방향 연신을 보조하게 된다. 이러한 연신 로드를 사용함으로써 용기 전체적으로 균일한 물성을 갖게 되는 PET용기를 성형 할 수 있게 되었다. 현재 상기 연신로드는 그 끝부분이 평평한 형태를 갖고 있으며 세부 형태는 용기 제조업체마다 다르다.

기존의 연신 로드는 하기와 같은 문제점을 가지고 있다. 예비성형품 프리폼의 바닥부는 일반적으로 둥근 형태를 가지고 있다. 초기에는 평평한 바닥부 형태였으나 나중에 개선되어 현재의 둥근 형태로 바뀌에 되었다. 기존의 연신 로드가 가지는 문제점은 프리폼의 바닥부의 둥근 형태와 같지 않게 되면서 연신로드가 바닥부와 직접 닿게 되는 면적에 해당하는 부분의 2축연신이 어렵게 되는 것이다. 따라 서 그 부분의 두께는 높게 유지되게 되고 필요 이상으로 바닥부 중량이 높게 된다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해소하고자 기존의 연신로드에서 형태가 개선된 연신로드를 발명하였다 이러한 연신로드는 바닥부 2축연신 및 중량절감에 기여할 수 있어 특히 경량화, 박육화된 PET용기의 2축연신 블로우 성형에 적합하다.

즉, 본 발명은 PET용기 제작을 위한 2축연신블로우 성형기에 있어서 사용되는 연신로드에 관한 것으로 연신 로드 끝부분 형태와 예비성형품 프리폼의 바닥부 형태와의 차이에서 오는 불일치로 인하여 발생하는 문제점을 해소하기 위함이다. 연신로드의 평평한 문제점으로 인하여 연신로드가 프리폼 바닥부에 닿게 되는 부분은 직접 2축 연신이 힘들게 되고 연신이 원할이 되지 않아 해당 부분이 두껍게 되는 문제점이 있다. 내압병의 경우 주변 두께와 비교시 급격한 변화를 보여서 바닥부 품질이 좋지 않게 되며 내열 페트병 및 생수 페트병의 경우도 필요 이상으로 바닥부 중량이 높게 된다. 이러한 문제점을 용기를 경량화, 박육화를 추진하게 되는 경우 더 두드러지게 되는 문제점이다. 이에 본 발명에서는 기존의 연신로드의 형태를 개선함으로써 바닥부 중심부의 2축연신 향상을 도모하고 중량 저감에 기여할 수 있게 하였다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 2축연신 블로우 성형에서 사용 되는 기존의 연신로드의 끝부분의 형태를 예비성형품 프리폼 바닥부의 반원형 형태와 일치하게 되도록 연신 로드의 끝부분의 형태를 개선하였다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 연신로드의 끝부분 직경은 최소4mm에서 최대10mm이며, 반경은 상기 프리폼의 바닥부의 곡률 반경값(R)을 기본으로 하여 최소2R 에서 최대5R이다.

본 발명에 의한 2축 연신 블로우 성형용 연신로드는 합성수지제 음료 용기의 바닥부 연신성을 향상시킬 수 있으며 두께 분포가 보다 더 균일하게 되며 중량 저감에 기여할 수 있다. 특히 경량화, 박육화된 합성수지제 용기를 성형함에 있어서 적합하다.

합성수지제 음료 용기중에서 PET용기가 청량음료용 포장용기로써 널리 사용되어지고 있다. 이러한 PET용기는 현재 2축 연신 블로우 성형공정에 의해서 제조되며 상기 2축 연신 블로우 성형공정에는 연신 로드(stretch rod)가 사용되어 지고 있다. 이러한 연신 로드는 금속재질로써 길다른 봉 형태의 모습을 일반적으로 가지게 된다.

상기 연신 로드는 예비성형품 프리폼의 2축 연신 블로우 성형시 프리폼 바닥부 중심점과 용기의 중심점을 일치하게 하여 용기 전체로 두께를 균일하게 하는 역할을 하며 용기의 세로 방향 연신성을 향상시켜주는 역할을 하게 된다. 기존의 경 우 상기 연신 로드의 형태는 일반적으로 도 1과 같다. 도 1과 같은 연신 로드 형태가 가지는 문제점은 상기에서 이미 언급한 바와 같이 연신로드 끝부분이 프리폼의 바닥부에 맞닿게 되는 영역의 2축 연신이 나빠지게 되는 문제점이 있다. 그래서 바닥부 중량이 과도하게 되고 특히 콜라와 같은 PET용기의 경우 두께분포의 불균일성으로 인하여 바닥부 품질이 좋지 않게 된다.

이에 본 발명에서는 2축 연신 블로우 성형과정에서 연신 로드(stretch rod)의 모양을 개선함으로써 상기 문제점을 해소하고자 하였다. 도 2는 본 발명에 의한 연신로드의 단면도이다. 즉 기존에는 도 1과 같은 모양이 일반적이었는데 본 발명에서는 도 2와 같이 하였다. 더욱 자세히 설명하자면, PET용기 제조업체 사용하고 있는 연신로드의 형태와 모양은 도 1에서와 같이 끝 부분이 평평한 모양을 갖는 것이 일반적인데 본 발명을 진행하면서 평가한 바에 의하면 연신로드가 세로 방향으로 프리폼의 연신을 보조하게 되는데 끝부분이 프리폼의 안쪽 바닥부에 닿게 된다.

이때 연신로드의 끝부분은 프리폼의 반원형태 모양의 바닥부와 닿는 부분이 딱 맞지 않기 때문에 일반적으로 용기 바닥부 중심으로부터 20mm지점까지는 연신이 잘 이루어지지 않는 것을 알 수 있었다. 특히 경량화, 박육화 예비성형품 프리폼을 기존 연신 로드를 사용하여 2축 연신 성형하여 두께 분포를 측정한 결과 바닥부 게이트(gate)에서부터 20mm지점까지의 두께는 경량화 하기 이전의 PET용기와 차이가 근소하였고 20mm지점에서부터 바닥부 접지면 까지 두께는 급격히 하락하는 분포를 보여서 내압병의 바닥 돌출 및 파열에 있어서 상당히 취약한 물성을 발현하는 것을 알 수 있었다.

이에 본 발명에서는 연신로드의 끝부분의 형태를 프리폼의 바닥부의 형상과 동일한 반원형 형태를 기본으로 디자인하여 프리폼의 바닥부가 연신로드와 완전히 일치하게 접촉하게 함으로써 게이트 부분의 2축연신 향상을 이루고자 하였다. 연신로드의 끝부분 직경은 최소4mm에서 최대10mm로 하였고 반경 R값은 프리폼 곡률 반경값을 기본으로 하여 최소2R 에서 최대5R로 한다. 최소값 이하로 하게 되면 프리폼 바닥부에 닿게 되는 연신로드의 끝부분이 점점 뾰족하게 되어 자칫하면 2축연신 성형 중에 구멍이 생길 수 있으며 용기에서도 중심부에 구멍이 생기는 불량이 발생할 수 있다. 최대값 이상으로 하게 되면 본 발명에서 언급한 개선효과가 발생하기 어렵게 된다.

상기와 같이 연신로드의 접촉부 형태를 개선하면 게이트부에서 20mm지점까지의 두께를 최소 0.3mm에서 최대 1mm까지 감소할 수 있으며 20mm 이상 부분에 대해서는 0.3mm~0.5mm까지 두께가 증가하게 되는 것으로 성형 가능하다. 이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한 하는 것으로 해석되어서는 안된다.

[실시예, 비교예1 및 실시예2]

본 발명의 실시예에서는 1.5L 내압 페트병을 대상으로 하여 연신 로드에 따른 2축 연신 성형을 평가하였다. 1.5L 내압 페트병의 바닥부는 5개의 풋(foot)을 가지는 형태를 가지고 있으며 용기가 자립할 수 있는 디자인을 가지고 있다. 이러한 바닥부는 용기 내부의 탄산 압력에 대하여 충분히 견딜 수 있어야 하며 외부 환 경 응력 특성에도 견딜 수 있어야 한다. 상기 1.5L 내압병을 대상으로 기존 연신 로드 및 본 발명에 따른 연신로드 두 가지 연신로드에 따른 바닥부 품질을 평가하였고 또한 경량화에 따른 연신 로드의 효율성을 평가하였다. 표 1에 나타난 값은 샘플 평균값이다.

바닥 두께를 비교한 표 1에서 알 수 있듯이 바닥중심에서 5mm지점 두께는 경량화, 박육화 이전에서는 2.16mm이었으나 본 발명에 의한 연신로드는 적용한 실시예의 경우 1.85mm로 감소하여 연신성이 개선되었음을 알 수 있었다. 5~20mm 지점까지의 두께의 평균을 계산하여 보면 기존의 경우 2.62mm이었는데 반하여 실시예의 경우 2.78mm로 오히려 상승하였는데 중심부 연신으로 경량화 되었음에도 불구하고 바닥 두께가 감소가 최소화 되어 음료의 탄산압력 또는 음료 하중에 의한 중력 힘에 잘 견딜 수 있게 됨을 알 수 있다.

여기서 내환경응력 테스트는 NaOH 2% 용액에 음료를 충진한 1.5L 내열압 용기의 바닥부만을 담구게 되면 환경응력특성으로 미세균열이 생기고 커져서 결국 터지게 되는데 이때의 시간을 테스트한 것으로 당사에서는 60분 이상을 견딜 수 있는지 여부를 검사한 결과 바닥부가 경량화 되었으면서도 연신 로드에 의한 연신성 향상으로 인하여 충분한 내환경응력크랙성을 확보 할 수 있게 되는 것을 확인하였다.

표 1.

		실시예	비교예1	비교예2
용기 무게(g)		54	61	54
연신로드 형태		원형 R=6	직선	직선
바닥중심부에서 위치(mm)	5	1.85	2.16	3.33
	10	2.46	3.09	2.59
	15	2.75	2.95	2.23
	20	2.66	2.30	1.53
	25	1.70	1.10	0.68
	30	0.96	0.64	0.52
	35	0.65	0.56	0.46
바닥돌출(mm)	파스퇴르살균	3.06	2.76	3.32
내환경응력성 (NaOH 2%용액)	60min	O.K	O.K	N.G

도 1은 종래 연신로드의 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 연신로드의 단면도이다

Claims (2)

1. 반원형태의 바닥부를 가지는 예비성형품 프리폼을 2축 연신 블로우 성형하여 합성수지제 용기를 제작하는 공정에서 사용되는 2축연신 블로우 성형용 연신로드에 있어서, 상기 연신로드의 끝부분의 형태가 상기 프리폼의 바닥부의 형상과 동일한 반원형태이며, 상기 연신로드의 끝부분 직경은 최소4mm에서 최대10mm이며, 반경은 상기 프리폼의 바닥부의 곡률 반경값(R)을 기본으로 하여 최소2R 에서 최대5R인 것을 특징으로 하는 2축연신 블로우 성형용 연신 로드.
2. 삭제

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