KR100998619B1 - 연속식 압출기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역과, 용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역과, 폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며, 상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루는 연속식 압출기에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 별도의 추가적인 압출기가 필요 없고, 혼합, 용융, 압축, 분산 및 토출이 인-시츄(in-situ)하게 이루어질 수 있으며, 계면활성제, 분산제, 산화방지제, 커플링제와 같은 첨가제를 첨가함이 없이도 점토와 같은 층상 물질을 폴리머 수지에 효율적으로 박리시켜 분산시킬 수가 있다.
Figure R1020080071047
압출기(extruder), 스크류(screw), 샤프트(shaft), 실린더(cylinder), 호퍼(hopper), 분산(dispersion)

Description

연속식 압출기{Continuous flow extruder}
본 발명은 연속식 압출기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 별도의 추가적인 압출기가 필요 없고, 혼합, 용융, 압축, 분산 및 토출이 인-시츄(in-situ)하게 이루어질 수 있으며, 계면활성제, 분산제, 산화방지제, 커플링제와 같은 첨가제를 첨가함이 없이도 점토와 같은 층상 물질을 폴리머 수지에 효율적으로 박리시켜 분산시킬 수 있는 연속식 압출기에 관한 것이다.
폴리머 조성물에 있어서 단일의 폴리머만으로는 요구되는 성능을 얻을 수 없으므로 다른 원료를 혼합하여 용융 혼련시켜 폴리머 조성물을 제조하고 있다.
그러나, 폴리머 조성물을 제조하기 위하여 열가소성 수지를 용융시켜 혼련하는 과정을 거치게 되는데, 혼합되는 열가소성 수지와 다른 원료 간에 용융 온도에서 차이가 있고 점성의 제어가 어려우며, 용융 혼련되는 물질들간에 화학적 구조 차이에 기인하는 극성 및 계면 장력이 상이하여 상분리 현상이 발생하여 분산에 어려움이 있다. 따라서, 이러한 상분리 현상을 방지하기 위하여 분산제, 계면활성제 와 같은 첨가제를 첨가하여 폴리머 조성물을 얻고 있다.
폴리머의 용융 가공방법으로는 일반적으로 스크류 방식인 싱글 스크류(single screw)법과 트윈 스큐류(twin screw)법이 사용되고 있다. 스크류 방식은 용융시 원료들간에 잘 섞이지 않는 현상을 스크류의 치차를 이용하여 강제로 혼련하여 균일하게 용융하는 방식이다.
미국 등록특허공보 제6,770,340호는 무질서 혼합 방법 및 이로부터 형성된 구조물(Chaotic mixing method and structured materials formed therefrom)에 관한 것으로, 폴리머 수지를 압출하는 압출기와, 폴리머 수지 이외의 다른 원료를 압출하는 압출기와, 압출된 원료들을 혼합하기 위한 혼합기를 이용하여 폴리머 조성물을 제조하는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 폴리머 수지에 다른 원료를 첨가하여 분산시키기 위해서는 폴리머 수지를 압출하기 위한 압출기(extruder)와 첨가되는 원료를 압출하기 위한 압출기가 각각 별도로 필요하고, 압출기를 통해 압출된 폴리머 수지와 압출된 첨가 원료는 별도로 마련된 혼합기(mixer)에서 혼합하여 분산시켜야 한다. 따라서, 폴리머를 용융 가공하기 위해서는 별도의 적어도 2개의 압출기가 필요하다는 단점이 있고, 용융 및 혼련 공정과 혼합 공정이 별도로 이루어지므로 공정이 연속적으로 이루어지지 못하고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 별도의 추가적인 압출기가 필요 없고, 혼합, 용융, 압축, 분산 및 토출이 인-시츄(in-situ)하게 이루어질 수 있으며, 계면활성제, 분산제, 산화방지제, 커플링제와 같은 첨가제를 첨가함이 없이도 점토와 같은 층상 물질을 폴리머 수지에 효율적으로 박리시켜 분산시킬 수 있는 연속식 압출기를 제공함에 있다.
본 발명은, 나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역과, 용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역과, 폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며, 상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루는 연속식 압출기를 제공한다.
상방향으로 테이퍼진 상기 압축부의 테이퍼 각은 1∼40°를 이룰 수 있다.
상기 분산 영역에서 실린더와 샤프트 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/20∼1/60 범위를 이룰 수 있다.
상기 분산 영역에서 실린더와 가장 가까운 상기 일자형의 전단부와 실린더 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/40∼1/60 범위를 이룰 수 있다.
순차적으로 전단 응력을 증가시키기 위하여 상기 분산 영역에서의 샤프트는 상방향으로 테이퍼진 압축부 및 일자형의 전단부가 적어도 2회 반복되는 계단식 구조를 이룰 수 있다.
상기 분산 영역의 샤프트는 상방향으로 테이퍼진 압축부 전에 일자형의 전단부가 더 구비되고, 일자형의 전단부, 상방향으로 테이퍼진 압축부 및 일자형의 전단부가 순차적으로 구비된 구조를 이룰 수 있다.
상기 일자형의 전단부는 샤프트의 직경 편차가 5% 내의 굴곡을 갖는 형태로 이루어질 수 있다.
상기 분산 영역의 샤프트는 하방향으로 테이퍼진 릴리스부를 더 포함하며, 상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부, 일자형의 전단부 및 하방향으로 테이퍼진 릴리스부를 포함하는 샤프트 구조로 이루어질 수 있다.
상기 분산 영역의 샤프트는 상방향으로 테이퍼진 압축부 전에 또는 하방향으로 테이퍼진 릴리스부 후에 일자형의 전단부가 더 구비된 구조를 이룰 수 있다.
상기 분산 영역의 샤프트는 하방향으로 테이퍼진 릴리스부를 더 포함하며, 상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부, 일자형의 전단부 및 하방향으로 테이퍼진 릴리스부가 적어도 2회 반복되는 샤프트 구조로 이루어질 수 있다.
하방향으로 테이퍼진 상기 릴리스부의 테이퍼 각은 -1∼-40°범위를 이룰 수 있다.
상기 용융 및 압축 영역에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 20∼40 범위를 이룰 수 있다.
상기 용융 및 압축 영역에서 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 20∼60°이고, 나선형 스크류의 나사산과 실린더 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/40∼1/60 범위이며, 나선형 스크류의 피치는 3∼15㎝ 범위를 이룰 수 있다.
상기 연속식 압출기는 상기 폴리머 수지에 분산된 조성물을 토출 다이로 토출하는 토출 영역을 더 포함할 수 있고, 상기 토출 영역은 나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어질 수 있다.
상기 토출 영역에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 20∼40 범위를 이룰 수 있다.
상기 토출 영역에서 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 20∼60°이고, 나선형 스크류의 나사산과 실린더 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/40∼1/60 범위이며, 나선형 스크류의 피치는 3∼15㎝ 범위를 이룰 수 있다.
상기 연속식 압출기는, 샤프트의 축과 직교되는 방향으로 계단식 스크류가 형성되고 이러한 계단식 스크류가 일정 피치로 반복된 구조를 갖는 반죽 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 반죽 영역은, 제1 플레이트부, 상기 제1 플레이트보다 1계단 높은 위치의 제2 플레이트부 및 상기 제2 플레이트보다 1계단 높은 위치의 제3 플레이트부가 계단식으로 형성된 스크류로 이루어지고 상기 스크류가 일정 피치로 반복되어 형성 된 것일 수 있다.
용융 및 압축되어 분산되는 과정의 조성물에 2차 원료를 사이드피딩 방식으로 주입하기 위한 사이드피딩 주입구가 더 구비되어 있을 수 있다.
본 발명에 의한 연속식 압출기에 의하면, 별도의 추가적인 압출기가 필요 없고, 혼합, 용융, 압축, 분산 및 토출이 인-시츄(in-situ)하게 이루어질 수 있다.
또한, 계면활성제, 분산제, 산화방지제, 커플링제와 같은 첨가제를 첨가함이 없이도 점토와 같은 층상 물질을 폴리머 수지에 효율적으로 박리시켜 분산시킬 수 있다.
폴리머 수지와 화학적 구조, 극성, 계면 장력 등의 차이로 인해 상분리 현상이 발생하는 물질에 대하여도 사이드피딩 주입구를 통해 폴리머 수지가 용융된 용융물에 투입할 수 있으므로 상분리 현상을 억제하면서도 폴리머 조성물의 전기 전도성과 기계적 특성 등을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니 다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 압출기는 연속식 단일 압출기(continuous flow single screw extruder) 또는 연속식 2축 압출기(continuous flow twin screw extruder)일 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 압출기를 설명하기 위하여 도시한 개략도로서, 도 1은 연속식 단일 압출기를 도시한 도면이고 도 2는 연속식 2축 압출기를 도시한 도면이며, 도 3은 연속식 2축 압출기에서 가열수단을 제외하여 샤프트와 실린더의 모습을 상세하게 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 단일 압출기는 1차 원료를 투입하기 위한 호퍼(hopper)(110)와, 회동 가능하게 설치된 샤프트(shaft((120)와, 샤프트(120)를 감싸는 실린더(cylinder)(130)와, 샤프트(120)를 회동시기 위한 구동수단(140a, 140b, 140c)과, 실린더(130) 내부를 가열하기 위한 가열수단(heater)(150)과, 가열수단(150)의 가열 온도를 제어하기 위한 제어수단(미도시)과, 조성물을 배출하는 토출 다이(160)를 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 2축 압출기는 1차 원료를 투입하기 위한 호퍼(hopper)(110)와, 회동 가능하게 설치된 2개의 샤프트(120)와, 2개의 샤프트(120)를 감싸는 실린더(130)와, 상기 샤프트(120)들을 회동시키기 위한 구동수단(140a, 140b, 140c)과, 실린더(130) 내부를 가열하기 위한 가열수단(150)과, 가열수단(150)의 가열 온도를 제어하기 위한 제어수단(미도시)과, 조성물을 배출하는 토출 다이(160)와, 용융되어 혼련된 원료가 분산되 는 과정의 조성물에 2차 원료를 사이드피딩(side feeding) 방식으로 주입하기 위한 사이드피딩 주입구(170)를 포함한다. 2개의 사프트들 사이의 축간 거리는 샤프트(120)의 직경, 인가되는 전단 응력, 용융 및 압출 영역에서의 압출량, 플로우 속도, 토출 영역에서의 압출량 등을 고려하여 결정하는데, 예컨대 3∼10㎝ 정도로 설정할 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 미설명된 참조번호 '155'는 연속식 단일 압출기에서 실린더 내부의 온도를 조절하기 위하여 공기를 송풍하는 송풍기(Blower)이며, 참조번호 '165'는 연속식 2축 압출기에서 실린더 내부의 온도를 조절하기 위하여 냉각수를 흐르게 하는 냉각관이며, 참조번호 '180'은 연속식 압출기를 지지하는 프레임을 나타내고, 참조번호 '190'은 가스를 배출하기 위한 벤트 포트(Vent Port)를 나타낸다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 압출기에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
구동수단(140a, 140b, 140c)은 상기 샤프트(120)를 회전 구동시키기 위한 모터부(140a)와 상기 모터와 연결되고 모터의 동력을 기어부(140c)로 전달하기 위한 커플링부(140b) 및 상기 모터의 동력을 기어(gear)를 이용하여 샤프트(120)를 회전시키는 기어부(140c)를 포함한다. 구동수단(140a, 140b, 140c)에 의해 구동되는 상기 샤프트(120)는 용융된 혼합물에 전단 응력을 인가하기 위하여 일정 방향(예컨대, 시계 방향)으로 회전하며, 샤프트(120)의 회전 속도는 100∼400rpm 정도이고, 샤프트(120)의 회전 속도는 회전수 제어수단에 의해 조절될 수 있다.
가열 수단(150)은 공급 영역부터 토출 영역까지 복수 개(예컨대, 7개 내지 10개)로 구성되어 실린더(130) 내의 온도를 조절할 수 있도록 구비된다. 가열 수단(150)에 의해 실린더(130) 내부의 온도는 100∼350℃ 정도의 범위에서 조절될 수 있는데, 연속식 압출기의 내부 온도(실린더의 내부 온도)는 가공되는 폴리머 수지에 따라 적절하게 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 호퍼(110)에 투입된 후 폴리머 수지를 용융시키기 위한 연속식 압출기의 용융 및 압축 영역에서는 폴리머 수지의 용융 온도보다 높은 온도(예컨대, 240∼250℃)로 유지하고, 폴리머 수지의 용융 및 압축이 완료된 이후의 실린더(130)의 온도는 압출기의 분산 영역에 따라 소정 온도(예컨대, 190∼240℃)로 설정하고, 압출기의 토출 영역에서는 실린더(130)의 온도를 분산 영역에서의 온도보다 높은 온도(예컨대, 240∼250℃)로 유지할 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 다양한 예에 따른 연속식 2축 압출기의 실린더와 샤프트 부분을 도시한 도면이고, 도 5a 내지 도 5c는 연속식 2축 압출기의 샤프트의 다양한 예를 도시한 도면이다. 도 6은 용융 및 압축 영역의 스크류 샤프트를 상세하게 도시한 도면이고, 도 7은 반죽 영역의 계단식 스크류를 상세하게 도시한 도면이며, 도 8은 분산 영역의 샤프트 일부를 상세하게 도시한 도면이다. 도 9a 내지 도 9d는 다양한 예에 따른 연속식 단일 압출기의 샤프트를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 9d를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 압출기는 그 작용 기능에 따라 크게 3개의 영역으로 나눌 수 있는데, 호퍼(110)를 통해 투입된 원료들을 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역(melting and compression zone)(Z1)과, 용융 및 압축된 혼합물을 압축 및 전단 응력에 의하여 소지(matrix)인 폴리머 수지에 층상 물질(예컨대, 점토)와 같은 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우(flow)시키는 분산 영역(Z2)과, 폴리머 수지에 분산된 조성물을 토출 다이(160)로 토출하는 토출 영역(ejecting zone)(Z3)으로 구분될 수 있다.
호퍼(110)를 통해 투입된 폴리머 수지는 온도가 점차 증가하여 용융되기 시작한다. 호퍼(110)를 통해 투입되면 폴리머 수지는 용융되기 시작하여 고상 수지와 용융 액상 수지의 2개 상이 존재할 수 있는데, 용융 및 압축 영역(Z1)을 통과하면 완전히 용융되게 된다. 상기 용융 및 압축 영역(Z1)의 샤프트(120)는 호퍼(110)를 통해 주입된 원료를 혼합하고 압축하면서 분산 영역(Z2) 내로 공급하기 위하여 나선형 스크류(spiral screw) 형태로 이루어진다. 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 원료 공급 속도, 점도, 압축력 등을 고려하여 20∼60°정도인 것이 바람직하다. 나선형 스크류의 나사산과 실린더(130) 사이의 간격은 원료 공급 속도, 점도, 압축력 등을 고려하여 샤프트 직경의 1/40∼1/60 정도로 설정한다. 나선형 스크류의 피치(P)는 원료 공급 속도, 압축력, 용융물의 점도 등을 고려하여 결정하는데, 예컨대 3∼15㎝ 정도일 수 있다.
투입된 원료들은 나선형 스크류 형태의 샤프트(120)에 의해 압축되면서 그 부피가 축소되고 원료들간의 공극률은 낮아지게 된다. 나선형 스크류의 피치(pitch)(P)는 일정하게 유지될 수 있으나, 나선형 스크류의 피치(pitch)(P)가 일정하게 유지되다 점점 피치(P)가 작아지는 구조로 이루어질 수도 있다. 용융 및 압 축 영역(Z1)에서는 고형상 수지가 완전히 용융되게 용융 및 압축 영역(Z1)의 온도, 스크류의 회전수 및 나선형 스크류의 피치(P), 용융 및 압축 영역(Z1)의 스크류 길이 등을 조절하여 용융되지 않은 고형상 수지가 압축영역을 통과하면서 전부 용융되게 하는 것이 바람직하다. 용융 및 압축 영역(Z1)에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 원료 공급 속도, 용융물의 점도, 분산 영역(Z2)으로 압출되는 압출량 등을 고려하여 결정하는데, 예컨대 20∼40 정도일 수 있다.
폴리머 수지와 점토와 같은 원료가 용융된 용융물의 점도는 2.0∼5.0 정도 범위의 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 너무 점도가 낮으면 성형성이 떨어져 연속식 압출기를 이용하여 압출 성형하는데 어려움이 있고, 너무 점도가 높으면 연속식 압출기의 분산 영역(Z2)에서 분산이 균일하지 않을 수 있고 분산 영역(Z2)에서의 플로우(flow)와 토출 영역(Z3)에서의 토출이 어려워 수율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 압출기는 반죽 영역(kneading zone)(Z4)을 더 포함할 수 있다. 상기 반죽 영역(Z4)의 샤프트(120)는 샤프트(120)의 축과 직교되는 방향으로 계단식 스크류가 형성되고 이러한 계단식 스크류가 일정 피치로 반복된 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 플레이트부(S1), 상기 제1 플레이트보다 1계단 높은 위치의 제2 플레이트부(S2) 및 상기 제2 플레이트보다 1계단 높은 위치의 제3 플레이트부(S3)가 계단식으로 형성된 스크류로 이루어지고 이러한 스크류가 일정 피치로 반복되어 형성된 것일 수 있다. 반죽 영역(Z4)의 샤프트(120) 구조는 계단식 스크류 외에도 일반적으로 사용되는 반죽 스크류(kneading screw)를 사용할 수도 있음은 물론이다. 용융 및 압축 영역(Z1)을 통과한 용융물은 반죽 영역(Z4)에서 반죽되어 혼련되게 된다.
분산영역(dispersion zone)은 용융 및 압축 영역(Z1)을 통과한 용융물을 일정 온도와 압력으로 유지하면서 충분히 혼련시켜 소지인 폴리머 수지에 점토와 같은 원료를 분산시켜 토출 영역(Z3)으로 플로우시키는 영역이다. 샤프트(120)의 회전에 의한 전단 응력에 의하여 소지(matrix)인 폴리머 수지에 점토와 같은 원료가 박리(exfoliation)되어 불연속적인 소판(platelet) 형태로 분산되게 된다. 예컨대, 점토는 약 8㎛ 입자 크기를 갖는데, 분산 영역(Z2)에서의 압축 및 전단응력에 의해 입자들이 잘게 쪼개져서 나노 크기(예컨대, 10∼300㎚)의 소판 형태로 박리되게 된다. 점토는 층상 구조로 이루어져 있으므로 압축 및 전단 응력에 의해 층간 분리가 일어나 박리되게 되며, 첨가된 점토량이 많을 경우에는 박리되어 분산된 층들 사이로 점토 소판이 층간삽입(intercalate)되어 분산되기도 한다.
분산 영역(Z2)은 상방향으로 테이퍼(taper)진 압축부(compression part)(C1)와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부(shear part)(C2)를 적어도 포함하는 샤프트(120) 구조를 갖는다. 분산 영역(Z2)은 평평한 일자형의 전단부(C2), 상방향으로 테이퍼진 압축부(C1) 및 평평한 일자형의 전단부(C2)가 순차적으로 배열된 구조로 이루어질 수도 있다.
상방향으로 테이퍼진 압축부(C1)의 테이퍼 각(a1)은 용융물의 점도, 압축력, 전단 응력, 플로우 속도 등을 고려하여 1∼40°정도를 이루는 것이 바람직하다. 분산 영역(Z2)에서는 이와 같이 샤프트(120)에 의한 압축(compression) 및 전 단(shear) 작용에 의해 분산 효과를 극대화할 수 있다.
분산 영역(Z2)에서 실린더(130)와 샤프트(120) 사이의 간격이 작을수록 분산 영역(Z2)에서의 플로우 속도는 작아지고 전단 응력은 증가하게 되지만, 플로우에 대한 역압이 발생하여 플로우량이 작아지고 토출량이 감소하게 된다. 실린더(130)와 샤프트(120) 사이의 간격이 너무 작을 경우에는 분산 영역(Z2) 및 토출 영역(Z3)에서의 역압으로 인하여 용융 조성물이 플로우되지 못하고 샤프트(120)는 일정 속도로 계속 회전하므로 온도가 급격하게 상승하여 폴리머 수지가 타버리는 현상이 발생할 수 있다. 반면에 실린더(130)와 샤프트(120) 사이의 간격이 클수록 분산 영역(Z2)에서의 플로우 속도는 커지고 전단 응력은 감소하게 된다. 실린더(130)와 샤프트(120) 사이의 간격을 적절하게 조절하여 전단 응력을 제어하며, 실린더(130)와 샤프트(120) 사이의 간격은 용융물의 점도, 분산도, 플로우 속도 등을 고려하여 적절하게 설정한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 전단 응력, 용융물의 점도, 분산도, 플로우 속도 등을 고려하여 실린더(130)와 샤프트(120) 사이의 간격을 샤프트 직경의 1/20∼1/60 정도로 설정한다. 실린더(130)와 가장 인접한 부분에서 일자형의 전단부를 이루는 사프트와 실린더(130) 사이의 간격은 분산도에 매우 중요한 영향을 미치며, 바람직하게는 샤프트 직경의 1/40∼1/60 정도로 설정한다. 분산 영역(Z2)에서 샤프트(120)의 직경에 대한 샤프트(120)의 길이의 비는 용융물의 점도, 압축력, 전단 응력, 분산도, 플로우 속도 등을 고려하여 결정하는데, 예컨대 20∼60 정도일 수 있다.
한편, 분산 영역(Z2)은 상방향으로 테이퍼진 압축부(C1) 및 일자형의 전단 부(C2)가 2회 이상 반복되는 계단식 구조를 가질 수도 있다. 상방향으로 테이퍼진 압축부(C1) 및 일자형의 전단부(C2)가 2회 이상 반복되는 계단식 구조에 의해 순차적으로 전단 응력을 증가시킴으로써 분산 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.
상기 일자형의 전단부(C2)는 샤프트(120)의 직경 편차가 5% 내의 굴곡을 갖는 형태로 이루어질 수도 있다.
또한, 분산 영역(Z2)은 하방향으로 테이퍼진 릴리스부(release part)(C3)를 더 포함할 수 있다. 하방향으로 테이퍼진 릴리스부(C3)의 테이퍼 각(a2)은 용융물의 점도, 전단 응력, 플로우 속도 등을 고려하여 -1∼-40° 정도(시계 방향으로 측정한 각도를 '-'로 함)를 이루는 것이 바람직하다. 분산 영역(Z2)에서는 이와 같이 샤프트(120)에 의한 압축(compression), 전단(shear) 및 릴리스 작용에 의해 분산 효과를 극대화할 수 있다. 분산 영역(Z2)은 상방향으로 테이퍼진 압축부(C1), 일자형의 전단부(C2) 및 하방향으로 테이퍼진 릴리스부(C3)가 2회 이상 반복되는 구조를 가질 수도 있다.
용융물이 분산되는 과정의 조성물에 상기 실린더(130) 내로 2차 원료를 사이드피딩(side feeding) 방식으로 주입하기 위한 사이드피딩 주입구(170)가 형성되어 있을 수 있다. 사이드피딩 주입구(170)를 통해 카본섬유, 유리섬유와 같은 2차 원료를 용융물에 투입하여 2차 원료를 포함하는 폴리머 조성물을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 2차 원료는 호퍼(110)에 투입할 경우, 폴리머 수지와 같은 1차 원료와 화학적 구조, 극성, 계면 장력 등의 차이로 인해 상분리 현상이 발생할 수 있으나, 사이드피딩 주입구(170)를 통해 1차 원료가 용융된 용융물에 투입함으로써 이러한 현상을 억제할 수 있다. 또한, 사이드피딩 주입구(170)를 통해 카본섬유, 유리섬유와 같은 2차 원료를 투입함으로써 조성물의 전기 전도성과 기계적 특성 등을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 상기 사이드피딩 주입구(170)는 복수 개가 구비되어 있을 수 있다. 사이드피딩 주입구(170)를 통해 2차 원료를 투입하여 혼련하기 위하여 나선형 스크류 형태의 샤프트가 구비될 수 있다.
토출 영역(Z3)은 분산 영역(Z2)에서 분산된 조성물을 압축하면서 토출 다이(160)로 공급하기 위하여 나선형 스크류(spiral screw) 형태로 이루어진다. 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 분산 영역(Z2)에서의 플로우 속도, 조성물의 점도, 토출 속도 등을 고려하여 20∼60°정도인 것이 바람직하다. 나선형 스크류의 나사산과 실린더(130) 사이의 간격은 압축력, 조성물의 점도, 분산 영역(Z2)에서의 플로우 속도, 토출 속도 등을 고려하여 샤프트 직경의 1/40∼1/60 정도로 설정한다. 나선형 스크류의 피치는 압축력, 조성물의 점도 등을 고려하여 결정하는데, 예컨대 3∼15㎝ 정도일 수 있다. 분산 영역(Z2)에서 분산된 조성물은 나선형 스크류 형태의 샤프트(120)에 의해 압축되면서 토출 다이(160)로 공급되게 된다. 나선형 스크류의 피치(pitch)는 일정하게 유지될 수 있으나, 나선형 스크류의 피치가 일정하게 유지되다 점점 피치가 작아지는 구조, 나선형 스크류의 피치가 일정하게 유지되다 점점 피치가 커지는 구조로 이루어질 수도 있다. 토출 영역(Z3)에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 압축력, 조성물의 점도, 토출 속도 등을 고려하여 적절하게 결정하는데, 예컨대 20∼40 정도일 수 있다.
토출 영역(Z3)에서 가압된 조성물은 토출 다이(160)를 통해 연속적으로 배출 된다. 조성물이 배출되는 토출 다이(160)의 단면은 원형, 사각형 등의 여러 가지 형상으로 이루어질 수 있다. 토출 다이(160)를 통과한 조성물은 수조(water bath)와 같은 냉각 장치를 통해 급냉되어 원하는 크기의 펠릿 형태로 절단되고 건조되어 원하는 조성물을 얻을 수가 있다. 상기 수조의 온도는 폴리머 수지의 유리전이온도보다 낮은 온도(예컨대, 40℃ 이하의 온도)로 유지되는 것이 바람직하다. 상기 건조는 약 80℃의 온도에서 실시할 수 있다. 토출 속도는 조성물의 점도, 플로우 속도, 토출 영역(Z3)에서의 압출량 등을 고려하여 결정하는데, 예컨대 25∼300㎏/hr 정도로 설정할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 2축 압출기를 이용하여 폴리아미드 조성물을 제조하는 방법을 설명한다.
<실시예 1>
8㎛의 평균 입자 크기를 갖는 점토 0∼15중량%를 연속식 2축 압출기의 호퍼(110)에 투입하고, 폴리아미드 수지는 점토의 함량에 따라 혼합물의 전체 함량이 100중량%을 이루도록 85∼100중량%를 상기 호퍼(110)에 투입하였다.
상기 연속식 2축 압출기의 용융 및 압축 영역(Z1) 내에서 상기 폴리아미드 수지와 점토를 혼합하고 용융 및 압축시켰다. 가열 수단에 의해 용융 영역의 온도는 250℃를 유지하였다. 이때, 모터에 의해 구동되는 2개의 샤프트(120)들은 시계 방향으로 회전하며, 상기 샤프트(120)들의 회전 속도는 230rpm 정도이고, 2개의 사프트들 사이의 축간 거리는 5㎝ 정도이다. 용융 및 압축 영역(Z1)의 샤프트(120)는 호퍼(110)를 통해 주입된 원료를 혼합하고 압축하면서 분산 영역(Z2) 내로 공급하기 위하여 나선형 스크류(spiral screw) 형태로 구비된다. 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 30°정도이고, 나선형 스크류의 나사산과 실린더(130) 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/60 정도이며, 나선형 스크류의 피치는 5㎝ 정도로 일정하다. 용융 및 압축 영역(Z1)에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 30 정도이다.
상기 연속식 2축 압출기의 샤프트(120)들을 시계 방향으로 회전시켜 실린더(130) 내에서 용융 및 압축된 원료의 용융물에 압축 및 전단 응력이 인가되게 하여 상기 점토를 판형의 소판으로 박리시키고 상기 폴리아미드 수지 내에 판형의 점토 소판들을 불연속적으로 균일하게 분산시켰다. 이때, 연속식 2축 압출기의 분산 영역(Z2)은 구간에 따라 온도를 190∼240℃로 설정하였다. 상기 샤프트(120)들의 회전 속도는 230rpm 정도로 설정하였다. 분산 영역(Z2)은 상방향으로 테이퍼(taper)진 압축부(compression part)(C1)와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부(shear part)(C2) 및 하방향으로 테이퍼진 릴리스부(C3)를 포함하는 샤프트(120) 구조를 갖는다. 상방향으로 테이퍼진 압축부의 테이퍼 각(a1)은 20° 정도를 이룬다. 하방향으로 테이퍼진 압축부의 테이퍼 각(a2)은 -20° 정도를 이룬다. 실린더(130)와 샤프트(120) 사이의 간격을 샤프트 직경의 1/20∼1/60 정도이고, 일자형의 전단부를 이루는 사프트와 실린더(130) 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/40∼1/60 정도이다. 분산 영역(Z2)에서 샤프트(120)의 직경에 대한 샤프트(120)의 길이의 비는 40 정도이다.
토출 영역(Z3)에서는 분산 영역(Z2)에서의 온도보다 높은 온도인 250℃의 온도로 가열하면서 연속식 2축 압출기에서 조성물을 토출 다이(160)로 토출하였다. 토출 영역(Z3)의 샤프트(120)는 조성물을 압축하면서 토출 다이(160)로 공급하기 위하여 나선형 스크류(spiral screw) 형태로 구비된다. 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 -30°정도이고, 나선형 스크류의 나사산과 실린더(130) 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/60 정도이며, 나선형 스크류의 피치는 5㎝ 정도로 일정하다. 토출 영역(Z3)에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 30 정도이다.
토출 다이(160)로부터 토출된 조성물을 35℃의 수조에서 급냉하였고, 절단하고 80℃ 온도에서 건조하여 펠릿 형태의 폴리아미드 나노조성물을 얻었다. 토출 속도는 30㎏/hr 정도로 설정하였다.
<실시예 2>
폴리아미드 수지 78.0∼98.0중량%와 8㎛의 평균 입자 크기를 갖는 점토 2.0중량%를 연속식 2축 압출기의 호퍼(110)에 투입하였다.
상기 연속식 2축 압출기 내에서 상기 폴리아미드 수지 및 점토를 혼합하고, 상기 폴리아미드 수지의 용융 온도보다 높은 250℃의 온도에서 용융 및 압축시켰다.
상기 폴리아미드 수지와 상기 점토가 상기 연속식 2축 압출기에 투입되어 용융된 후 점토가 박리되어 상기 폴리아미드 수지에 분산되는 과정의 조성물에 사이 드 피딩(side feeding) 방식으로 유리섬유 0∼25중량%를 투입하였다.
이후의 공정은 분산 영역(Z2)에서의 온도를 240℃로 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하여 펠릿 형태의 폴리아미드 나노조성물을 얻었다.
<실시예 3>
폴리아미드 수지 76.3∼96.3중량%와, 8㎛의 평균 입자 크기를 갖는 점토 2중량%와, 탄소나노튜브 1.7중량%를 연속식 2축 압출기의 호퍼(110)에 투입하였다.
상기 연속식 2축 압출기 내에서 상기 폴리아미드 수지 및 점토를 혼합하고, 상기 폴리아미드 수지의 용융 온도보다 높은 250℃의 온도에서 용융 및 압축시켰다.
상기 폴리아미드 수지와 상기 점토가 상기 연속식 2축 압출기에 투입되어 용융된 후 점토가 박리되어 상기 폴리아미드 수지에 분산되는 과정의 조성물에 사이드 피딩(side feeding) 방식으로 유리섬유 0∼20중량%를 투입하였다.
이후의 공정은 분산 영역(Z2)에서의 온도를 240℃로 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하여 펠릿 형태의 폴리아미드 나노조성물을 얻었다.
<실시예 4>
폴리아미드 수지 72.0∼92.0중량%와, 8㎛의 평균 입자 크기를 갖는 점토 2중량%와, 카본블랙 6중량%를 연속식 2축 압출기의 호퍼(110)에 투입하였다.
상기 연속식 2축 압출기 내에서 상기 폴리아미드 수지 및 점토를 혼합하고, 상기 폴리아미드 수지의 용융 온도보다 높은 250℃의 온도에서 용융 및 압축시켰다.
상기 폴리아미드 수지와 상기 점토가 상기 연속식 2축 압출기에 투입되어 용융된 후 점토가 박리되어 상기 폴리아미드 수지에 분산되는 과정의 조성물에 사이드 피딩(side feeding) 방식으로 유리섬유 0∼20중량%를 투입하였다.
이후의 공정은 분산 영역(Z2)에서의 온도를 240℃로 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하여 펠릿 형태의 폴리아미드 나노조성물을 얻었다.
<실시예 5>
폴리아미드 수지 73.0∼78.0중량%와 8㎛의 평균 입자 크기를 갖는 점토 2∼7중량%를 연속식 2축 압출기의 호퍼(110)에 투입하였다.
상기 연속식 2축 압출기 내에서 상기 폴리아미드 수지 및 점토를 혼합하고, 상기 폴리아미드 수지의 용융 온도보다 높은 250℃의 온도에서 용융 및 압축시켰다.
상기 폴리아미드 수지와 상기 점토가 상기 연속식 2축 압출기에 투입되어 용융된 후 점토가 박리되어 상기 폴리아미드 수지에 분산되는 과정의 조성물에 사이드 피딩(side feeding) 방식으로 유리섬유 15중량%와 카본섬유 5중량%를 투입하였다.
이후의 공정은 분산 영역(Z2)에서의 온도를 240℃로 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하여 펠릿 형태의 폴리아미드 나노조성물을 얻었다.
이렇게 얻어진 폴리부틸렌테레프탈레이트-점토 나노조성물에 대하여 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하였다.
(1) 열변형온도(heat distortion temperature; HDT)
ASTM D648에 따라 시편에 18.6kgf/㎝2의 하중을 주고 주변 유체온도를 2℃/min의 속도로 상승시켰을 때 시편의 변형이 0.254㎜에 달한 때의 온도를 측정하였다.
(2) 굴곡강도(flexual strength; FS) 및 굴곡탄성율(flexual modulus; FM)
ASTM D790에 따라 크로스 헤드 스피드(cross head speed)를 5㎜/min의 시험 속도로 측정하였다.
(3) 인장강도(tensile strenth)
ASTM D638에 준하여 온도 23±2℃, 상대습도 50% 및 대기압의 조건에서 5㎜/min의 인장속도로 측정하였다. 연신율은 파단점에서의 값을 기록하며, 최소 5회 이상 측정하여 평균값으로 나타내었다.
(4) 충격강도(impact strength)
ASTM D256에 준하여 시편이 파단될 때의 에너지를 단위 두께로 나눈 것이 충격강도에 해당한다. 충격강도는 1/8인치 두께를 갖는 시편을 이용하여 측정하였고, 최소 5회 이상 측정하여 평균값으로 나타내었으며, 상온에서 아이조드 노치(izod notch) 방법으로 측정하였다.
(5) 표면저항(surface resistivity)
금속 버스 바(metal bus bar)가 연결된 전기저항계(OHM meter)를 이용하여 단위면적당 표면저항을 측정하였다.
아래의 표 1은 실시예 1과 관련하여 점토의 함량에 따른 폴리아미드 나노조성물의 기계적 특성 및 내열 특성을 측정한 결과를 보여주고 있다.
특성 점토의 함량(중량%)
0 0.5 1 1.5 2 5 7 10 12 15
굴곡강도(㎏/㎝2) 1065 1141 1167 1180 1304 2418 2482 2374 2352 2368
굴곡탄성율(㎏/㎝2) 28781 30821 31350 32020 36238 41786 43898 47765 51747 50390
인장강도(㎏/㎝2) 647 787 763 833 846 854 836 729 674 666
연신율(%) 20 20 19 15 12 3.4 2.9 1.5 1.5 1.2
충격강도(㎏·㎝/㎝) 5.1 5 5 4.3 3.8 3 3 3 3 2.9
열변형온도(℃) 75 110 120 132 150 173 176 178 177 178
표 1을 참조하면, 굴곡강도는 점토의 첨가량이 15중량%가 될 때까지 점토의 첨가량이 증가함에 따라 계속적으로 증가하였고, 굴곡탄성율은 점토의 첨가량이 12중량%가 될 때까지 계속적으로 증가하였다. 굴곡강도는 점토의 함량이 15중량%일 때 점토를 첨가하지 않은 경우(점토의 함량이 0중량%인 경우)에 비하여 약 122% 정도 증가하였다. 굴곡탄성율은 점토의 함량이 15중량%일 때 점토를 첨가하지 않은 경우(점토의 함량이 0중량%인 경우)에 비하여 약 75% 정도 증가하였다. 충격강도는 점토의 함량이 1중량%보다 작을 경우에는 점토를 첨가하지 않은 경우와 비슷한 수준을 나타내었으나, 점토의 함량이 높아짐에 따라 점차 감소하였다. 열변형온도는 점토의 첨가량이 증가함에 따라 점차 증가하는 모습이 관찰되었다. 열변형온도는 점토의 함량이 2중량%일 때 점토를 첨가하지 않은 경우(점토의 함량이 0중량%인 경우)에 비하여 약 100% 정도 증가하였다.
일반적으로 폴리아미드는 열변형온도가 75℃에 불과하나, 점토가 불연속적으로 판형의 소판 형태로 분산된 폴리아미드 조성물은 열변형 온도가 110∼180℃ 정도로 향상되게 된다.
아래의 표 2는 실시예 2와 관련하여 유리섬유의 함량에 따른 폴리아미드 나노조성물의 기계적 특성 및 내열 특성을 측정한 결과를 보여주고 있다.
특성 유리섬유의 함량(중량%)
0 10 15 20 25
굴곡강도(㎏/㎝2) 1304 1497 1677 1790 1940
굴곡탄성율(㎏/㎝2) 36238 55515 60897 66362 80375
인장강도(㎏/㎝2) 846 887 953 1090 1157
연신율(%) 12 1.7 2 2.5 2.3
충격강도(㎏·㎝/㎝) 3.8 2.7 2.5 2.5 2.3
열변형온도(℃) 150 198 210 210 209
표 2를 참조하면, 굴곡강도와 굴곡탄성율은 유리섬유의 함량이 증가함에 따라 증가하였고, 충격강도는 유리섬유의 함량이 증가함에 따라 거의 일정하거나 약간 감소하였다. 열변형온도는 유리섬유의 함량이 증가함에 따라 상당히 증가하였는데, 폴리아미드 수지의 열변형온도가 75℃임을 감안할 때 유리섬유의 함량이 10중량%일 때 약 165% 정도 더 높아졌음을 알 수 있다. 이러한 열변형온도의 향상은 본 발명의 폴리아미드 나노조성물이 고온 환경에서 사용되는 물질로도 사용될 수 있음을 나타낸다. 한편, 표 2에서 유리섬유의 함량이 0%인 경우는 유리섬유가 첨가되지 않은 경우로서 폴리아미드 수지와 2중량%의 점토만이 함유되어 폴리아미드 나노조성물을 이루는 경우를 나타낸다.
상기 폴리아미드 수지와 상기 점토가 상기 연속식 2축 압출기에 투입되어 용융된 후 점토가 박리되어 상기 폴리아미드에 분산되는 과정의 조성물에 사이드 피딩(side feeding) 방식으로 유리섬유도 첨가하게 되면 기계적 특성 및 내열 특성이 증가한다는 것을 위의 표 2로부터 확인할 수 있다.
아래의 표 3은 실시예 3과 관련하여 유리섬유의 함량에 따른 폴리아미드 나노조성물의 기계적 특성 및 내열 특성을 측정한 결과를 보여주고 있다.
특성 유리섬유의 함량(중량%)
0 10 15 20
굴곡강도(㎏/㎝2) 2352 2590 2756 2937
굴곡탄성율(㎏/㎝2) 33057 57559 64332 81778
인장강도(㎏/㎝2) 714 901 921 947
연신율(%) 2.5 1.6 1.6 1.7
충격강도(㎏·㎝/㎝) 3.7 2.7 3.1 3.0
열변형온도(℃) 169 203 206 209
표면저항(Ω·㎝) 5.E+06 6.E+05 2.E+05 9.E+04
표 3을 참조하면, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 인장강도 및 열변형온도가 유리섬유의 함량이 증가함에 따라 증가하였다. 가장 높은 열변형온도는 유리섬유의 함량이 20중량%일 때 209℃를 나타내었는데, 이것은 폴리아미드 수지의 열변형온도가 75℃임을 감안할 때 약 175% 정도 높은 온도이다. 이러한 열변형온도의 향상은 본 발명의 폴리아미드 나노조성물이 자동차 엔진 커버, 자동차 팬더, 자동차 연료 필터 하우징, 에어 인테이크 매니폴드(Air Intach Manifold; AIM) 등과 같은 산업용 재료로서도 사용될 수 있음을 나타낸다. 표면 저항은 탄소나노튜브 1.7중량%가 첨가되고 유리섬유가 첨가되지 않았을 때는 5×106Ω·㎝를 나타내었으며, 표면저항은 유리섬유의 함량이 증가함에 따라 점차 낮아졌다.
아래의 표 4는 실시예 4와 관련하여 유리섬유의 함량에 따른 폴리아미드 나노조성물의 기계적 특성 및 내열 특성을 측정한 결과를 보여주고 있다.
특성 유리섬유의 함량(중량%)
0 10 15 20
굴곡강도(㎏/㎝2) 2234 2456 2887 3452
굴곡탄성율(㎏/㎝2) 34657 55341 60387 79347
인장강도(㎏/㎝2) 770 880 895 850
연신율(%) 3.0 1.2 1.3 1.0
충격강도(㎏·㎝/㎝) 3.5 3.0 2.9 2.5
열변형온도(℃) 212 214 215 217
표면저항(Ω·㎝) 4.E+04 4.E+02 4.E+01 3.E+01
표 4를 참조하면, 굴곡강도, 굴곡탄성율 및 열변형온도는 유리섬유의 함량이 증가함에 따라 증가하였으나, 충격강도는 약간 감소하는 것으로 관찰되었다. 표면저항은 유리섬유의 함량이 10중량% 이상이 됨에 따라 개선되었음을 알 수 있다.
한편, 표 4에서 유리섬유의 함량이 0%인 경우는 유리섬유가 첨가되지 않은 경우로서 92중량%의 폴리아미드 수지, 2중량%의 점토 및 6중량%의 카본블랙이 첨가되어 폴리아미드 나노조성물을 이루는 경우를 나타낸다. 표 1과 표 4를 비교하여 보면, 폴리아미드 수지와 2중량%의 점토만이 첨가된 경우(표 1 참조)에는 열변형온도가 150℃를 나타내었으나, 폴리아미드 수지, 2중량%의 점토 및 6중량%의 카본블랙이 첨가된 경우(표 4 참조)에는 열변형온도가 212℃를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
아래의 표 5는 실시예 5와 관련하여 점토의 함량에 따른 폴리아미드 나노조성물의 기계적 특성 및 내열 특성을 측정한 결과를 보여주고 있다.
특성 점토의 함량(중량%)
2 5 7
굴곡강도(㎏/㎝2) 2110 2347 2776
굴곡탄성율(㎏/㎝2) 69943 73451 78456
인장강도(㎏/㎝2) 1424 1544 1520
연신율(%) 3.1 3.0 2.8
충격강도(㎏·㎝/㎝) 2.8 2.9 2.9
열변형온도(℃) 209 210 215
표면저항(Ω·㎝) 6.E+05 6.E+05 4.E+05
표 5를 참조하면, 굴곡강도, 굴곡탄성율 및 열변형온도는 점토의 함량이 증가함에 따라 점차 증가하였다. 표면저항은 점토의 함량에 관계없이 105Ω·㎝의 차수로서 비슷한 수준을 나타내었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 단일 압출기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 2축 압출기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 2축 압출기에서 가열수단을 제외하여 샤프트와 실린더의 모습을 상세하게 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 다양한 예에 따른 연속식 2축 압출기의 실린더와 샤프트 부분을 상세하게 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 연속식 2축 압출기의 샤프트의 여러가지 예를 도시한 도면이다.
도 6은 용융 및 압축 영역의 스크류 샤프트를 상세하게 도시한 도면이다.
도 7은 반죽 영역의 계단식 스크류를 상세하게 도시한 도면이다.
도 8은 분산 영역의 샤프트 일부를 상세하게 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 다양한 예에 따른 연속식 단일 압출기의 샤프트를 상세하게 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 호퍼 120: 샤프트
130: 실린더 140a, 140b, 140c: 구동수단
150: 가열수단 160: 토출 다이
155: 송풍기 165: 냉각관
180: 프레임 190: 벤트 포트

Claims (19)

  1. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    상기 분산 영역의 샤프트는 하방향으로 테이퍼진 릴리스부를 더 포함하며, 상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부, 일자형의 전단부 및 하방향으로 테이퍼진 릴리스부를 포함하는 샤프트 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  2. 제1항에 있어서, 상방향으로 테이퍼진 상기 압축부의 테이퍼 각은 1∼40°를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분산 영역에서 실린더와 샤프트 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/20∼1/60 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분산 영역에서 실린더와 가장 가까운 상기 일자형의 전단부와 실린더 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/40∼1/60 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  5. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    순차적으로 전단 응력을 증가시키기 위하여 상기 분산 영역에서의 샤프트는 상방향으로 테이퍼진 압축부 및 일자형의 전단부가 적어도 2회 반복되는 계단식 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  6. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    상기 분산 영역의 샤프트는 상방향으로 테이퍼진 압축부 전에 일자형의 전단부가 더 구비되고, 일자형의 전단부, 상방향으로 테이퍼진 압축부 및 일자형의 전단부가 순차적으로 구비된 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  7. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    상기 일자형의 전단부는 샤프트의 직경 편차가 5% 내의 굴곡을 갖는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  8. 삭제
  9. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    상기 분산 영역의 샤프트는 상방향으로 테이퍼진 압축부 전에 또는 하방향으로 테이퍼진 릴리스부 후에 일자형의 전단부가 더 구비된 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  10. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    상기 분산 영역의 샤프트는 하방향으로 테이퍼진 릴리스부를 더 포함하며, 상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부, 일자형의 전단부 및 하방향으로 테이퍼진 릴리스부가 적어도 2회 반복되는 샤프트 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 하방향으로 테이퍼진 상기 릴리스부의 테이퍼 각은 -1∼-40°범위를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 용융 및 압축 영역에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 20∼40 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 용융 및 압축 영역에서 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 20∼60°이고, 나선형 스크류의 나사산과 실린더 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/40∼1/60 범위이며, 나선형 스크류의 피치는 3∼15㎝ 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  14. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 상기 폴리머 수지에 분산된 조성물을 토출 다이로 토출하는 토출 영역을 더 포함하는 연속식 압출기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 토출 영역에서 나선형 스크류의 직경에 대한 나선형 스크류의 길이의 비는 20∼40 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  16. 제14항에 있어서, 상기 토출 영역에서 나선형 스크류의 헬릭스각(Helix Angle)은 20∼60°이고, 나선형 스크류의 나사산과 실린더 사이의 간격은 샤프트 직경의 1/40∼1/60 범위이며, 나선형 스크류의 피치는 3∼15㎝ 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  17. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    샤프트의 축과 직교되는 방향으로 계단식 스크류가 형성되고 이러한 계단식 스크류가 일정 피치로 반복된 구조를 갖는 반죽 영역을 더 포함하는 연속식 압출기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 반죽 영역은,
    제1 플레이트부, 상기 제1 플레이트보다 1계단 높은 위치의 제2 플레이트부 및 상기 제2 플레이트보다 1계단 높은 위치의 제3 플레이트부가 계단식으로 형성된 스크류로 이루어지고 상기 스크류가 일정 피치로 반복되어 형성된 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
  19. 연속식 압출기에 있어서,
    나선형 스크류 형태의 샤프트 구조로 이루어지고, 호퍼를 통해 투입된 폴리머 수지와 첨가 원료를 용융하면서 압축하는 용융 및 압축 영역;
    용융 및 압축된 용융물 압축 및 전단 응력에 의하여 폴리머 수지에 첨가 원료를 분산시키면서 토출 영역으로 플로우시키는 분산 영역;
    폴리머 수지에 상기 첨가 원료가 분산된 조성물을 토출하는 토출 다이를 포함하며,
    상기 분산 영역은 상방향으로 테이퍼진 압축부와, 상방향으로 테이퍼진 압축부과 인접하게 형성되고 평평한 일자형의 전단부를 적어도 포함하는 샤프트 구조를 이루고, 상기 분산 영역에서 샤프트의 직경에 대한 샤프트의 길이의 비는 20∼60 범위를 이루며,
    용융 및 압축되어 분산되는 과정의 조성물에 2차 원료를 사이드피딩 방식으로 주입하기 위한 사이드피딩 주입구가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 연속식 압출기.
KR1020080071047A 2008-07-22 2008-07-22 연속식 압출기 KR100998619B1 (ko)

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