KR101051505B1 - 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공급부, 단축 또는 이축 스크류가 포함된 배합부, 분쇄부 및 제어부로 이루어진 연속식 압출장치에 있어서, 상기 공급부는 제1 배합부의 스크류 시작부분에 위치한, 고분자 수지가 투입되는 주공급부와 제1 배합부의 스크류 길이방향으로 소정 간격 이격된, 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제가 투입되는 다수의 측면 공급부로 이루어지고, 상기 배합부는 투입된 고분자 수지와 충전제를 혼합하여 고분자 수지 조성물을 제조하는 제1 배합부; 상기 고분자 수지 조성물을 보온장치에 의해 일정한 온도로 유지하면서, 콘타입의 단축 또는 이축 스크류로 제2 배합기로 이동시키는 투입부; 및 투입부로부터 나온 고분자 수지 조성물을 2차 혼합하는 제2 배합부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 고분자 수지에 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제를 20 중량% 이상 균일하게 충전시킬 수 있는 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물을 제공하는 효과가 있다.
연속식 압출장치, 혼합, 충전제, 고분자 수지, 고충전, 스크류, 겉보기 밀도, 콘타입

Description

고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물{High Packing Continuous Extruder And Polymer Resin Composite Produced Therefrom}
본 발명은 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 수지에 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제를 20 중량% 이상 균일하게 충전시킬 수 있는 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물에 관한 것이다.
종래에 고분자 수지와 유기 또는 무기 충전제의 배합은 일반적으로 1개의 고분자 수지 공급부 및 1개의 충전제 공급부가 설치된 스크류 압출기를 사용하고 있었다. 이 경우 제조되는 고분자 수지 조성물의 충전제 함량은 충전제 공급부의 공급 속도를 제어함으로써 조절될 수 있는데, 충전제의 투입량을 높이기 위해서는 공급부에서 최대 공급속도로 충전제를 투입해야 한다. 그러나, 겉보기 밀도가 낮은 충전제는 단위 시간당 투입량의 한계로 최대 공급속도가 제한되어 높은 수준으로 충전될 수 없다는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여 미국 특2001-0062599에서는 충전제 공급부의 수를 2~3개 정도 늘림으로써 투입량을 높이는 방법을 개시하고 있으나, 이와 같은 방법 또한 공급부의 수는 2~3개로 늘었지만, 실제로 배합부에 투입되는 위치가 동일하여 배합시스템 내에서의 충전제가 고분자 수지에 높은 수준으로 균일하게 충전되는 것이 어렵고, 특히 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 미만의 충전제를 20 중량% 이상 충전하는 것은 거의 불가능하다.
또 다른 겉보기 밀도가 매우 낮은 충전제를 높은 수준으로 고분자 수지에 충전하기 위한 방법으로 충전제를 바인더(binder)와 같은 화학물질로 전처리하여 충전제의 겉보기 밀도를 0.1 g/cm3 이상으로 증가시킨 다음 고분자 수지에 투입함으로써 높은 수준으로 유기 또는 무기 충전제가 포함된 고분자 수지 조성물을 제조하는 방법이 개시되었으나, 이 또한 충전제를 20 중량% 이상 충전하는 것은 거의 불가능하고, 또한 공정비의 증가로 경제성이 떨어지는 문제가 있다.
또 다른 충전 방법인 회분식 충전 방법은 고충전이 가능하지만, 펠릿(pellet) 형태의 조성물을 얻기 위하여 별도의 공정이 필요하고, 대량생산할 경우 생산성에 한계가 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 고분자 수지에 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제를 20 중량% 이상 균일하게 충전시킬 수 있는 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 공급부, 단축 또는 이축 스크류가 포함된 배합부, 분쇄부 및 제어부로 이루어진 연속식 압출장치에 있어서, 상기 공급부는 제1 배합부의 스크류 시작부분에 위치한, 고분자 수지가 투입되는 주공급부와 제1 배합부의 스크류 길이방향으로 소정 간격 이격된, 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제가 투입되는 다수의 측면 공급부로 이루어지고, 상기 배합부는 투입된 고분자 수지와 충전제를 혼합하여 고분자 수지 조성물을 제조하는 제1 배합부; 상기 고분자 수지 조성물을 보온장치에 의해 일정한 온도로 유지하면서, 콘타입의 단축 또는 이축 스크류로 제2 배합기로 이동시키는 투입부; 및 투입부로부터 나온 고분자 수지 조성물을 2차 혼합하는 제2 배합부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면 고분자 수지에 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제를 20 중량% 이상 균일하게 충전시킬 수 있는 고충전 연속식 압출장치 및 이로부터 제조된 고분자 수지 조성물을 제공하는 효과가 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 고충전 연속식 압출장치는, 공급부, 단축 또는 이축 스크류가 포함된 배합부, 분쇄부 및 제어부로 이루어진 연속식 압출장치에 있어서, 상기 공급부는 제1 배합부의 스크류 시작부분에 위치한, 고분자 수지가 투입되는 주공급부와 제1 배합부의 스크류 길이방향으로 소정 간격 이격된, 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제가 투입되는 다수의 측면 공급부로 이루어지고, 상기 배합부는 투입된 고분자 수지와 충전제를 혼합하여 고분자 수지 조성물을 제조하는 제1 배합부; 상기 고분자 수지 조성물을 보온장치에 의해 일정한 온도로 유지하면서, 콘타입의 단축 또는 이축 스크류로 제2 배합기로 이동시키는 투입부; 및 투입부로부터 나온 고분자 수지 조성물을 2차 혼합하는 제2 배합부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 측면 공급부는 겉보기 밀도가 매우 낮은 충전제를 제1 배합부에 원하는 양으로 균일하게 공급할 수 있는 이중 스크류로 구성된 강제 투입장치를 포함할 수 있다.
상기 측면 공급부는 2개 이상일 수 있으나, 바람직하게는 3개 이상이다. 상기 제1 배합부의 스크류 길이 방향으로 3개 이상의 측면 공급부를 설치함으로써 겉보기 밀도가 낮은 충전제를 원하는 양만큼 효과적으로 투입할 수 있다.
상기 제1 배합부의 스크류는 니딩 블록(kneading block)이 주공급부와 다수의 측면 공급부들의 앞과 뒤에 각각 배치되도록 설계된 것이 바람직하다. 이 경우 겉보기 밀도가 매우 낮은 충전제를 고분자 수지에 높은 무게 함량으로 충전할 수 있다.
상기 제1 배합부는 투입되는 고분자 수지와 충전제의 충전 함량 등에 의해 그 가공온도 및 회전 속도가 조절되나, 바람직하게는 가공온도가 80 내지 350 ℃이고, 스크류(101)의 회전 속도가 80 내지 350 rpm일 수 있는데, 이 범위 내에서 마찰열에 의한 고분자 수지의 열분해가 적고 고분자 수지와 충전제가 균일하게 혼합된다.
상기 투입부는 제1 배합부 하단 또는 앞에 설치되고, 제1 배합부로부터 제조된 고분자 수지 조성물을 소정의 온도로 유지하는 보온장치와 이를 제2 배합부로 원활하게 투입될 수 있도록 배출구 방향으로 경사진 콘타입(cone-type)의 단축 또는 이축 스크류를 포함한다.
상기 2차 배합부는 1차 배합부에서 제조된 고분자 수지 조성물을 보다 균일하게 혼합시켜 주고, 이를 가닥 또는 시트(sheet) 형태의 고분자 수지 조성물로 만들 수 있다.
상기 제2 배합부(130)는 가공온도가 190 내지 350 ℃이고, 스크류(101)의 회전 속도가 80 내지 270 rpm일 수 있는데, 이 범위 내에서 마찰열에 의한 고분자 수지의 열분해가 적고 고분자 수지와 충전제가 보다 균일하게 혼합된다.
상기 제1 및 제2 배합부의 스크류는 L/D가 30 이상인 것이 바람직하고, 고분자 수지와 유기 또는 무기 충전제의 균일한 혼합 및 생산성 등을 고려할 때 보다 바람직하게는 L/D가 35 내지 60이다.
상기 분쇄부는 펠레타이저(pelletizer)와 같은 절단장치를 포함하여, 제2 배합기로부터 제조된 가닥 또는 시트 형태의 고분자 수지 조성물을 펠릿(pellet) 또는 시트 등의 형태와 같이 사용이 용이한 형태로 분쇄할 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아로마틱폴리아마이드, 폴리아마이드, 폴리카보네이트, 폴리스타이렌, 폴리페닐렌설파이드, 열방성 액정고분자, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌 공중합체, 폴리테트라메틸렌옥사이드-1,4-부탄디올 공중합체, 스티렌을 포함하는 공중합체, 불소계수지, 폴리비닐클로라이드 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 충전제는 유리섬유, 탄소섬유, 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노구조체, 그래파이트, 규조토, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화철, 실리카, 폴리스타이렌 비드 및 폴리메틸메틸아크릴레이트 비드로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제어부는 공급부, 제1 배합부, 투입부, 제2 배합부 및 분쇄부의 작동을 제어하는 장치를 포함하는 것으로 스크류 압출기에 일반적으로 사용될 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 고분자 수지 조성물은 상기 고충전 연속식 압출장치에 의하여 제조된, 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제를 30 중량% 이상 함유하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 고충전 연속식 압출장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
공급부(10)는 주공급부(11)와 3 개의 측면 공급부(12)로 이루어져 있고 고분자 수지 또는 충전제를 적절한 양으로 일정하게 투입할 수 있는 강제투입장치(13)가 구비되어 있다. 본 발명의 실시예에서 폴리에틸렌 수지는 상기 주공급부(11)를 통하여, 그리고 겉보기 밀도가 0.01 g/cm3인 탄소나노튜브는 상기 3 개의 측면 공급부(12)를 통하여 제1 배합부(100)에 동시에 투입하였다.
제1 배합부(100)는 L/D가 44인 이축 스크류가 구비되어 있고, 이 이축 스크류(101)는 고분자 수지와 충전제를 혼합하기 적합한 니딩 블록(111a)과 고분자 수지와 충전제를 실린더(102) 내부로 확산시키기 적합한 디스퍼징 블록(111b)으로 이루어져 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 배합부를 통하여, 투입된 상기 폴리에틸렌 수지와 탄소나노튜브를 220 ℃에서 120 rpm으로 혼련하였다.
투입부(120)는 제1 배합부(100)로부터 제조된 고분자 수지 조성물을 일정한 온도로 유지시키는 보온장치(122)와 이를 제2 배합부(130)로 원활히 이송시키는 콘타입의 이축 스크류(121)로 이루어져 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 배합부(100)로부터 제조된 탄소나노튜브가 고충전된 폴리에틸렌 수지 조성물을 상기 보온장치(122)를 작동시켜 150 내지 200 ℃로 유지하면서 상기 콘타입의 이축 스크류(121)를 이용하여 제2 배합부(130)로 이송하였다.
제2 배합부(130)는 스크류 길이 L/D가 30인 이축 스크류(131)로 이루어져 있어, 고분자 수지 조성물을 보다 균일하게 혼합시키고 가닥형태 또는 시트(sheet) 형태로 만드는 역할을 하도록 설계하였다. 본 발명의 실시예에서는 상기 투입 부(120)를 거친, 탄소나노튜브가 고충전된 폴리에틸렌 수지 조성물을 상기 제2 배합부를 통하여 보다 균일하게 혼합시켜 주고, 이를 가닥 형태로 만들어 분쇄부(30)로 이송하였다.
분쇄부(30)는 가닥 또는 연속 시트(sheet) 형태의 고분자 수지 조성물을 펠릿 또는 시트(sheet) 형태로 분쇄하는 펠렛타이저 또는 절단기로 이루어져 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 제2 배합부로부터 만들어진 가닥 형태의 탄소나노튜브가 고충전된 폴리에틸렌 수지 조성물을 펠레타이저를 이용하여 펠릿으로 분쇄하였다. 제조된 폴리에틸렌 수지 조성물은 탄소나노튜브가 50 중량%로 충전되었다.
본 발명을 따르지 않는 비교예로서 주공급부(11), 1 개의 측면 공급부(12), 제1 배합부, 분쇄부 및 제어부로 이루어진 것을 제외하고는 본 발명의 실시예와 동일한 방법으로 실시하여, 탄소나노튜브가 충전된 폴리에틸렌 수지 조성물 펠릿을 얻었다. 제조된 폴리에틸렌 수지 조성물은 제1 배합부에 탄소나노튜브를 투입하는 것에 한계가 있어, 18 중량% 이상의 조성물을 얻을 수 없었다.
상기 본 발명의 실시예 및 본 발명을 따르지 않는 비교예에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 고충전 연속식 압출장치에 의하는 경우 겉보기 밀도가 매우 낮은 탄소나노튜브가 50 중량%로 고충전된 폴리에틸렌 수지 조성물(실시예)을 제조할 수 있었으나, 투입부 및 제2 배합부 등이 장치되지 않은 연속식 압출장치에 의하는 경우 탄소나노튜브가 최대 18 중량%로 충전된 폴리에틸렌 수지 조성물(비교예)만을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 고충전 연속식 압출장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
10: 공급부 11: 주공급부
12: 측면 공급부 13: 강제 투입장치
100: 제1 배합부 101: 스크류
111a: 니딩블록 111b: 디스퍼징블록
120: 투입부 121: 콘타입의 스크류
122: 보온장치 130: 제2 배합부
131: 스크류 30: 절단부

Claims (7)

  1. 공급부, 단축 또는 이축 스크류가 포함된 배합부, 분쇄부 및 제어부로 이루어진 연속식 압출장치에 있어서,
    상기 공급부는 제1 배합부의 스크류 시작부분에 위치한, 고분자 수지가 투입되는 주공급부와 제1 배합부의 스크류 길이방향으로 소정 간격 이격된, 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제가 투입되는 다수의 측면 공급부로 이루어지고,
    상기 배합부는 투입된 고분자 수지와 충전제를 혼합하여 고분자 수지 조성물을 제조하는 제1 배합부; 상기 고분자 수지 조성물을 보온장치에 의해 일정한 온도로 유지하면서, 콘타입의 단축 또는 이축 스크류로 제2 배합기로 이동시키는 투입부; 및 투입부로부터 나온 고분자 수지 조성물을 2차 혼합하는 제2 배합부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    고충전 연속식 압출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측면 공급구는, 3개 이상인 것을 특징으로 하는
    고충전 연속식 압출장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배합부의 스크류는, 니딩 블록이 주공급부 및 다수의 측면 공급부들의 앞과 뒤에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는
    고충전 연속식 압출장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배합부의 스크류는, L/D가 30 이상인 것을 특징으로 하는 고충전 연속식 압출장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아로마틱폴리아마이드, 폴리아마이드, 폴리카보네이트, 폴리스타이렌, 폴리페닐렌설파이드, 열방성액정고분자, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌 공중합체, 폴리테트라메틸렌옥사이드-1,4-부탄디올 공중합체, 스티렌을 포함하는 공중합체, 불소계수지, 폴리비닐클로라이드 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    고충전 연속식 압출장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 충전제는, 유리섬유, 탄소섬유, 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노구조체, 그래파이트, 규조토, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화철, 실리카, 폴리스타이렌 비드 및 폴리메틸메틸아크릴레이트 비드로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    고충전 연속식 압출장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 항의 고충전 연속식 압출장치에 의하여 제조된, 겉보기 밀도가 0.1 g/cm3 이하인 유기 또는 무기 충전제를 20 중량% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는
    고분자 수지 조성물.
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