KR101082782B1

KR101082782B1 - 발포용 폴리프로필렌 비드의 제조방법

Info

Publication number: KR101082782B1
Application number: KR1020100005107A
Authority: KR
Inventors: 김병환
Original assignee: 김병환
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-11-11
Also published as: KR20110085360A

Abstract

본 발명은 폴리프로필렌 수지를 사용한 발포용 비드 제품을 제조하는 방법에 있어서: 상기 폴리프로필렌 수지에 기능성을 부여하도록 색상 M/B, 셀증진제, 대전방지제, 핵제 중 적어도 하나의 첨가물을 혼합하는 혼합공정(S10); 상기 혼합된 원료를 압출하는 압출공정(S20); 상기 압출되는 원료를 일정 크기로 절단하고, 배치투입 단위로 계량하는 미니펠렛공정(S30); 상기 투입된 미니펠렛에 물, 분산제, 발포제를 부가하여 승온하고 비드의 형태로 배출하는 발포공정(S40); 상기 비드의 이물질을 제거하는 세척공정(S50); 및 상기 비드의 수분을 제거하고 사일로에 저장하는 저장공정(S60);을 포함하여 이루어지며, 상기 미니펠렛공정(S30)은 압출하면서 열수에서 절단하여 펠렛화하는 언더워터 방식을 선택하고, 상기 저장공정(S60)의 이후에 2차발포공정(S70)과 저장공정(S80)을 더 구비하되, 2차발포공정(S70)은 단계적으로 승압하는 단계, 2차발포기(40)에서 발포하는 단계, 건조후 분리기(50)에서 불량품을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 발포 배율을 비롯한 규격의 변화에 따른 다품종 생산을 반영하여 생산 공정관리의 유연성을 높이고 원가절감에 기여하는 효과가 있다.

Description

발포용 폴리프로필렌 비드의 제조방법{Method for manufacturing EPP bead}

본 발명은 발포용 폴리프로필렌 비드의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발포 배율을 비롯한 규격의 변화에 따른 다품종 생산을 반영하여 생산 공정관리의 유연성을 높이기 위한 발포용 폴리프로필렌 비드의 제조방법에 관한 것이다.

통상 발포 폴리프로필렌(EPP)은 개발초기 전자제품의 포장재, 자동차 범퍼용 완충제 등의 특정 용도로 한정되었으나 양산에 의한 경제성과 환경친화성이 부각되면서 완충제, 포장재, 건축재, 아파트 층간 소음차단제, 단열재 등 광범위한 분야로 확산되고 있다.

초기 국내에서 사용되는 EPP 제조기술은 일본에서 도입한 회분식(배치식) 시스템을 기반으로 하는데, 이는 하나의 장치 내에서 다수의 공정을 한꺼번에 처리하는 방식이다. 이후에 국내에서 개발된 EPP 제조기술은 원료투입과 가열 과정, 숙성과 발포 과정으로 2분화하여 EPP 입자를 연속적으로 대량 생산하는 방식으로서, 좀 더 구체적으로 EPP 제조용 반응기를 분할 구조로 연결하고 일측에서 폴리프로필렌과 물, 발포제 등의 원료를 가열하여 고압 상태로 직접 타측 반응기로 이송하여 숙성과 발포 작업을 진행한다.

전자의 경우 높은 전환율을 유지할 수 있으나 장치의 규모가 크고 공정에 많은 시간이 걸린다는 단점을 가지고 있다. 후자의 경우 연속공정에 의하여 생산성을 향상하고 주요 공정의 분할로 장치 규모를 축소할 수 있다.

물론 어느 방식을 택하는가는 제품의 종류와 생산 수량, 시설된 장비 규격, 작업자 숙련도 등에 의해 결정되지만 상기한 선행기술들은 발포 배율을 비롯한 규격의 변화에 따른 다품종 생산을 고려하지 않는 단점이 있다.

본 발명은 발포 배율을 비롯한 규격의 변화에 따른 다품종 생산을 반영하여 생산 공정관리의 유연성을 높이기 위한 발포용 폴리프로필렌 비드의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 폴리프로필렌 수지를 사용한 발포용 비드 제품을 제조하는 방법에 있어서: 상기 폴리프로필렌 수지에 기능성을 부여하도록 색상 M/B, 셀증진제, 대전방지제, 핵제 중 적어도 하나의 첨가물을 폴리프로필렌 수지의 양에 따라 실시간으로 투여하여 혼합하는 혼합공정; 상기 혼합된 원료를 압출하는 압출공정; 상기 압출되는 원료를 일정 크기로 절단하고, 배치투입 단위로 계량하는 미니펠렛공정; 상기 투입된 미니펠렛에 물, 분산제, 발포제를 부가하여 승온하고 비드의 형태로 배출하는 발포공정; 상기 비드의 이물질을 제거하는 세척공정; 및 상기 비드의 수분을 제거하고 사일로에 저장하는 저장공정;을 포함하여 이루어지며, 상기 미니펠렛공정은 압출하면서 열수에서 절단하여 펠렛화하는 언더워터 방식을 선택하고, 상기 저장공정의 이후에 2차발포공정과 저장공정을 더 구비하되, 2차발포공정은 단계적으로 승압하는 단계, 2차발포기에서 발포하는 단계, 건조후 2단의 망체를 지닌 분리기에서 과발포비드와 미발포비드를 선별하여 불량품을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 의한 발포용 폴리프로필렌 비드의 제조방법은 발포 배율을 비롯한 규격의 변화에 따른 다품종 생산을 반영하여 생산 공정관리의 유연성을 높이고 원가절감에 기여하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 전체 공정을 순차적으로 나타내는 플로우차트,
도 2는 본 발명에 의한 미니펠렛공정의 구현상태를 나타내는 도식도,
도 3은 본 발명에 의한 발포공정의 구현상태를 나타내는 도식도
도 4는 본 발명에 의한 2차발포공정을 세부적으로 나타내는 도식도,
도 5는 도 4의 분리기에 대한 구현상태를 나타내는 도식도이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 폴리프로필렌 수지를 사용한 발포용 비드 제품을 제조하는 방법, 특히 발포 배율을 비롯한 규격의 변화에 따른 다품종의 비드를 생산하는 방법에 관련된다. 통상적으로 발포의 배율은 진배율과 성형배율 두 가지로 대별된다. 진배율은 실제 비드의 배율이며 현장에서 메스실린더를 이용해서 측정된다. 성형배율은 제조된 비드를 이용하여 완제품의 성형시 나타나는 배율로 통상 15P, 30P 등으로 표시된다. 배율에 따른 제품의 특성을 보면, 4.5P(진배율 3.0)의 경우 물리적 특성이 가장 뛰어난 제품으로 높은 내충격성과 인장강도를 가지는 제품으로 주로 자동차 내장재에 사용된다. 15P(진배율 10.0)의 경우 주로 자동차 내장재(범퍼 코어)에 사용되며 일부는 대전성 제품으로 치수정밀 포장재에 사용된다. 30P(진배율 20.0)의 경우 주로 자동차 내장재에 사용되며 일부는 대전성 제품으로 포장재에 사용된다. 45P(진배율 30.0)의 경우 주로 제품의 포장재에 사용된다. 80P(진배율 57.0)의 경우 주로 건축용 층간 소음재로 사용된다.

본 발명의 경우에는 원료로 사용되는 작은 완두콩 형태의 폴리프로필렌(또는 PP라 칭함) 수지 알갱이를 이용하고 압출 작업을 거쳐 크기가 작은 펠렛(pellet)을 생성하며 이를 원료로 사용해서 EPP 비드(bead)를 제조하는 일련의 공정을 품종에 대응하여 선택적으로 수행한다.

본 발명에 따르면 상기 원료에 기능성을 부여하도록 첨가물을 혼합하는 혼합공정(S10)을 거친다. 첨가물에는 색상 M/B, 셀증진제, 대전방지제, 핵제 등이 있으며, 각각의 유로상에 밸브를 설치하여 함량을 조절한다. 색상 M/B는 기본적으로 무색으로 공급되는 PP에 완제품에 요구될 색상을 부여한다. 셀증진제는 EPP 비드 내부에 존재하는 미소 공간인 셀(Cell)의 크기를 확대하여 발포성을 향상한다. 대전방지제는 일부 전자 제품 포장제로 사용하는 용도에 있어서 정전기 발생을 방지하기 위하여 부여한다. 핵제는 비드 내부에 존재하는 셀의 크기를 균일하게 하는 역할을 한다.

이와 같은 첨가물은 압출기(10)에 투입되는 PP의 양에 따라서 실시간으로 부여하고 혼합통과 스크류를 사용한 믹서로 교반하면서 다음 공정으로 이송한다. 좀 더 구체적으로 PP 및 첨가물이 무게 측정판을 통과하면서 설정된 양에 따라 믹서 부분으로 낙하되어 적절한 혼합 과정을 거친다. 압출기(10)의 내부에 위치하는 스크류의 회전 속도가 빠를수록 압출기(10)의 내부에서 혼합 원료(PP + 첨가물)가 빠르게 배출된다. 압출기(10)의 하류단에는 피더롤러를 설치하여 스트랜드를 당긴다. 스크류의 회전 속도와 피더롤더의 당김 속도를 실시간으로 제어하여 스트랜드의 두께를 조절한다. 예컨대 피더롤러가 일정한 속도로 스트랜드를 잡아당기는 상태에서 스크류의 회전수를 증가시키면 스트랜드의 두께가 두꺼워진다.

한편, 이송용 블로워는 혼합통을 비롯한 이송경로 내부의 공기를 대기중으로 배출시킨다.

또, 본 발명에 따르면 상기 혼합된 원료를 압출하는 압출공정(S20)을 거친다. 전 공정에서 이송된 PP 수지를 압출기(10)에 투입하고 고온에서 녹여 압출기(10) 다이를 통해 얇은 줄 형태의 스트랜드를 뽑아내고 이어서 수조를 통해 급냉시킨다. 압출기(10)의 운전 조건은 통상적으로 210~230℃ 범위로 유지하는데, PP 수지의 녹는점이 다르기 때문에 압출기(10) 온도 세팅을 변화시키면서 압출작업을 수행한다.

한편, 고온에서 용융된 상태의 스트랜드가 서로 달라붙기 때문에 수조의 냉각수로 스트랜드를 급냉시켜 후속 공정인 펠렛타이저에서 펠렛으로 원활하게 형성된다. 수조의 냉각수 온도는 40℃ 내외로 유지하는 것이 좋으며, 이를 위해 급수기, 히터, 냉각기 등을 연계한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 압출되는 원료를 일정 크기로 절단하고 배치투입 단위로 계량하는 미니펠렛공정(S30)을 거친다. 전 공정의 스트랜드가 수조를 통해 급냉되고 본 공정의 컷팅기(20)인 펠렛타이저를 통과하면서 미니펠렛(mini pellet) 형태로 재가공이 이루어진다. 미니펠렛은 EPP 비드의 원료로 사용되기 때문에 색상, 크기, 단위체 중량이 매우 중요하다.

이때, 상기 미니펠렛공정(S30)은 압출하면서 냉각하고 컷팅기(20)로 절단하여 펠렛화하는 스트랜드 방식, 압출하면서 열수에서 절단하여 펠렛화하는 언더워터 방식 중에서 선택한다. 스트랜드 방식은 도 2(a)에 예시되고, 언더워터 방식은 도 2(b)에 예시된다. 스트랜드 방식은 압출기(10)의 하류에 냉각기를 이용하여 냉각되는 수조와, 칼날이 설치된 로터리 나이프, 베드 나이프와 같은 컷팅기(20)를 구비한다. 로터리 나이프는 컷팅기(20)에 설치되는 회전식 커터기로서, 스트랜드를 일정한 길이로 절단한다. 베드 나이프도 컷팅기(20)에 설치되는 것으로 로터리 나이프와 공조하여 스트랜드를 커팅한다. 로터리 나이프와 베드 나이프는 평상시 거의 조절이 필요 없지만 길이가 불일치하는 미니펠렛이 다수 발견되면 작동 타이밍과 설치간격을 조절한다. 언더워터 방식은 압출기(10)에 인접하여 컷팅기(20)의 역할을 하는 블레이드를 설치하고 열수중에서 커팅한 직후 탈수기로 보낸다.

이와 같이 컷팅기(20)에서 피더롤러와 로터리 나이프의 회전수를 조절하여 미니펠렛의 길이, 두께, 무게를 조절할 수 있다. 예컨대, 피더롤러의 회전수 증가로 압출기(10) 다이에서 수조를 통과한 스트랜드에 대한 인장력이 증가되면 결국은 미니펠렛의 두께가 얇아진다.

만일, 미니펠렛의 시간당 생산량이 크게 변화시키는 경우에는 압출공정(S20)의 압출기(10) 스크류 회전수를 조절하지만, 생산량의 변화를 주지 않으면서 미니펠렛의 규격을 변화시키려면 피더 롤러와 로터리 나이프의 회전수를 변동한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 투입된 미니펠렛에 물, 분산제, 발포제를 부가하여 승온하고 비드의 형태로 배출하는 발포공정(S40)을 거친다. 본 공정은 압출작업에서 생산된 미니펠렛을 고온 고압의 상태에서 부피를 10배, 20배로 증대시켜 EPP(Expanded Polypropylene) 비드를 생성하는 과정이다. EPP 비드는 최종 소비자가 원하는 EPP 폼(foam)을 만들기 위한 중간 생산물에 해당한다.

좀 더 구체적으로, 압출작업에서 생산된 미니펠렛에 물, 분산제, 발포체와 함께 반응기(Auto Clave)(30) 안에 넣고 고온 고압의 조건으로 만들어주면 발포체가 펠렛에 침투하여 셀을 형성하며 발포 작업시 고온 고압의 상태에서 갑자기 저온 저압의 상태로 바뀌면서 침투해 있던 발포체가 팽창을 유발한다.

원료인 PP는 녹는점이 다르기 때문에 발포 온도에도 영향을 주어 동일한 배율의 EPP 비드를 생산하더라도 발포 온도, 압력, 승온 형태가 다르게 결정된다. 본 발명은 저배율(4.5~30P) 생산시 EPP 비드의 강도가 우수한 랜덤 PP(Random PP)를 투입하고, 45P 이상의 고배율 비드 생산시 터르 PP(Ter PP)를 투입하도록 배관설비가 구비된다.

물은 반응기(30) 내에서 mini pellet을 수분산 시켜 분산제와 함께 분산시키기 위한 목적으로 사용된다. 일예로 반응기(30)에는 차압계 기준 800mmH₂O 수위로 물을 투입하지만, 물론 상기한 기준 수위는 공정에 따라 변동이 가능하다. 기준보다 물량이 많을 경우 분산제의 농도가 떨어져 발포배율이 낮아지고 미발포입자가 나올 수 있다. 반대로 물량이 적을 경우 반응기(30)에 투입된 미니펠렛이 완전히 발포 배출되지 않고 잔량이 존재하며 녹은 비드가 나올 수 있다.

분산제는 미니펠렛이 반응중에 서로 달라붙지 못하도록 방지하는 역할을 한다. 분산제는 무기계 분산제와 유기계 분사제를 선택적으로 사용하거나, 유기계와 무기계를 혼합하여 사용할 수 있다. 분산제의 투입량이 작은 경우 반응중 분산 능력의 저하로 미니펠렛이 약간씩 서로 달라붙어 승온 중 녹아 서로 덩어리를 이루게 된다. 반대로 분산제를 많이 넣는 경우 후속된 2차가공 공정에서 융착을 방해하여 성형성이 불량한 제품을 생성하게 되므로 세척에 많은 공수가 소요된다. 따라서 적절한 농도의 분산제를 선택하는 것이 중요하다.

발포제는 미니펠렛을 반응기(30) 내에서 EPP 비드로 만들기 위한 물질로 CO₂, 공기, N₂, 부탄, 기타 탄화수소(Hydorcarbon)에서 선택 가능하다.

이때, 발포공정(S40)은 CO₂, 공기, N₂, 부탄, 탄화수소(Hydorcarbon) 계에서 선택되는 가스를 선택적으로 투입한다. 상기 발포공정(S40)에서 CO₂, 공기, N₂, 부탄, 탄화수소(Hydorcarbon) 등은 유로를 변동하는 방식으로 선택적으로 투입하는 것이 좋다. 즉, 각각을 별개의 탱크에 저장하고 유로를 선택적으로 변경하여 공정에 투입한다.

이와 같이 본 발명은 수지의 종류, 첨가제의 종류, 미니펠렛의 규격에 따라 혼합공정(S10)에서 첨가물의 혼합량, 압출공정(S20)에서 믹서의 회전수와 압출 온도, 미니펠렛공정(S30)에서 피더롤러와 커터날의 회전수, 발포공정(S40)에서의 발포조건 등을 실시간으로 변동한다. 물론 EPP 비드의 발포비에 가장 큰 영향을 주는 요소로 발포공정(S40)의 반응기의 온도로서 기본적으로 온도가 상승하면 발포비도 상승한다.

또, 본 발명의 변형예에 따르면 상기 비드의 이물질을 제거하는 세척공정(S50)과, 상기 비드의 수분을 제거하고 사일로에 저장하는 저장공정(S60)을 거친다. 세척공정(S50)은 사용된 분산제의 종류에 따라 달라질 수 있다. 무기계 분산제 사용할 경우 많은 양의 물을 사용하고 유기계 분산제를 사용할 경우 세척수의 양을 줄일 수 있다. 드럼세척기를 이용하여 발포공정(S40)에서 부착된 분산제 등의 이물질을 제거하고, 수분리기(또는 탈수기)를 이용하여 수분을 제거하고, 드라이어(또는 열풍건조기)를 이용하여 탈수시 제거되지 않은 수분을 완전하게 제거한다. 저장공정(S60)의 비드 저장용 사일로는 품종별로 다수개를 설치하는 것이 좋다.

이때, 상기 저장공정(S60)은 이후에 2차발포공정(S70)과 저장공정(S80)을 더 구비하되, 2차발포공정(S70)은 단계적으로 승압하는 단계, 2차발포기(40)에서 발포하는 단계, 건조후 분리기(50)에서 불량품을 제거하는 단계를 포함한다. 사일로에 저장된 1차발포 비드를 가압탱크로 이송하고, 가압탱크에서 40℃ 이하의 온도로 6㎏/㎠ 까지 승압하고, 2차발포기(40)에서 생산배율에 따라 2~6㎏/㎠의 스팀을 3~15초간 투입하고, 에어 블로워를 이용하여 20~40℃로 건조하고, 분리기(50)에서 미발포와 과발포된 불량을 제거한다. 분리기(50)는 2단의 망체(52)를 기준으로 상중하부 공간에 각각 관로(54)(56)(58)를 연결한 구조로서, 상층의 관로(54)에는 과발포 비드 중층의 관로(56)에는 정상 비드 하층의 관로(58)에는 미발포 비드가 토출된다. 이와 같은 2차발포공정(S70)에 의하면 1차발포된 비드에 대비하여 1~5배, 바람직하기로는 2~3배의 배율을 획득할 수 있다.

2차발포공정(S70) 이후 저장공정(S80)의 비드 저장용 사일로는 품종별로 다수개를 설치한다.

마지막으로, 품종별 비드를 저장한 사일로에는 계근장치가 구비되어 필요한 양으로 공급된다.

한편, 발포제로 부탄을 이용하는 경우에는 부탄회수장치가 필요하고 2차발포공정(S70)은 생략할 수도 있다. CO₂ 발포의 경우 1~45배율의 제품이 가능한 반면, 부탄 발포의 경우 1~80배율의 제품이 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 압출기 20: 컷팅기
30: 반응기 40: 2차발포기
50: 분리기 52: 망체
S10: 혼합공정 S20: 압출공정
S30: 미니펠렛공정 S40: 발포공정
S50: 세척공정 S60: 저장공정
S70: 2차발포공정 S80: 저장공정

Claims

폴리프로필렌 수지를 사용한 발포용 비드 제품을 제조하는 방법에 있어서:
상기 폴리프로필렌 수지에 기능성을 부여하도록 색상 M/B, 셀증진제, 대전방지제, 핵제 중 적어도 하나의 첨가물을 폴리프로필렌 수지의 양에 따라 실시간으로 투여하여 혼합하는 혼합공정(S10);
상기 혼합된 원료를 압출하는 압출공정(S20);
상기 압출되는 원료를 일정 크기로 절단하고, 배치투입 단위로 계량하는 미니펠렛공정(S30);
상기 투입된 미니펠렛에 물, 분산제, 발포제를 부가하여 승온하고 비드의 형태로 배출하는 발포공정(S40);
상기 비드의 이물질을 제거하는 세척공정(S50); 및
상기 비드의 수분을 제거하고 사일로에 저장하는 저장공정(S60);을 포함하여 이루어지며,
상기 미니펠렛공정(S30)은 압출하면서 열수에서 절단하여 펠렛화하는 언더워터 방식을 선택하고,
상기 저장공정(S60)의 이후에 2차발포공정(S70)과 저장공정(S80)을 더 구비하되, 2차발포공정(S70)은 단계적으로 승압하는 단계, 2차발포기(40)에서 발포하는 단계, 건조후 2단의 망체(52)를 지닌 분리기(50)에서 과발포비드와 미발포비드를 선별하여 불량품을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포용 폴리프로필렌 비드의 제조방법.
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