KR101251062B1 - 피이티 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법 - Google Patents

피이티 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 폐 PET용기를 분쇄 및 세척하여 PET 플레이크를 재생하는 단계, PET 플레이크의 수분을 제거하고, 사슬연장제와 무기충전물을 첨가하여 재생 PET 수지를 제조하는 단계, 상금형에 표피재를 장입하고, 미소 형개 상태에서 하금형에 구비되는 투입구를 통해 액상의 재생 PET 수지를 공급하는 단계, 상금형을 하강시켜 하금형과 합형시킨 후 냉각시켜, 표피재 및 재생 PET 수지로 이루어지는 성형품의 형상을 고정유지하는 단계, 및 상금형을 상승시키고 성형품을 하금형으로부터 이형시키는 단계를 포함하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 폐 PET용기를 재활용하여 자동차 패키지 트레이를 저압사출 성형함으로써, 자원의 효율적 재사용이 가능해져 환경부담을 덜 수 있고, 제품 및 완성차의 경쟁력 향상 효과가 있다.

Description

피이티 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법{Low pressure injection molding method using recycled PET for package tray of vehicle}
본 발명은 자동차 패키지 트레이의 성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, PET(PolyEthylene Terephtalate) 재생 수지를 표피재와 함께 동시에 저압사출하여 자동차 패키지 트레이를 성형하는 방법에 관한 것이다.
산업의 발달과 국민 생활수준 향상으로 인해 자동차 생산량과 보유대수는 매년 크게 증가하고 있고, 이에 따른 소비자의 의식 변화로 인해 생산자는 기본적인 주행 기능뿐만 아니라 안전성, 쾌적성, 고급화 등과 같은 다양한 요구를 수용해야 할 필요가 있으며, 자동차 내부가 고객의 생활문화 공간으로 인식됨에 따라 자동차 내장부품은 실내 공간의 미적인 시각 품질, 쾌적한 주거성을 위한 냄새 등 후각 품질과 같은 감성품질의 향상이 최종소비자에게 상품가치를 평가받는 중요한 요소가 되고 있다.
또한, 소비자의 다양한 요구 이외에도 지구환경 보전을 위한 여러 가지 국내외 환경규제가 발효되어 자동차 부품에 대한 근본적인 대책을 필요로 한다.
유럽의 폐차처리(ELV;End-of-Life Vehicle)지침의 경우, 2007년부터 폐기 자동차를 무상 회수하여야 하고, 2015년까지 자동차에 대하여 95% 이상의 재활용률을 요구하고 있으며, 폐차시 해체할 수 있는 국제전자매뉴얼(International Dismantling Information System)을 공급해야 한다. 또한, 생산되는 제품에 대하여 소재, 설계, 생산, 물류, 폐기까지의 환경부하에 대한 전과정평가(Life Cycle Assessment)가 자동차의 상품성 평가에 포함되는 주요 항목이다.
아울러, 2005년 2월에 발효된 교토의정서에서 유럽연합은 CO2 등의 가스 배출량을 2010년까지 80% 감축하는 안을 수용하였고, 유럽 자동차업계도 2008년까지 CO2 배출량을 현재보다 25% 감축하는 계획을 발표하였다. 이에 따라 CO2 배출을 줄이기 위해서는 가솔린차량이 16.7km/l, 디젤차량이 18.9km/l 이상의 저연비를 달성해야 하고, 이를 위해서 엔진이나 하이브리드 카의 개발뿐만 아니라 자동차 부품의 경량화도 함께 추구해야 한다. 뿐만 아니라, 수입 장벽의 철폐와 환율의 불안정 등으로 국내외 시장에서의 경쟁은 더욱 심각해지고 있으며, 판매시장에서의 지속적인 경쟁력을 확보 유지하기 위해 비용절감 등의 요구도 있다.
한편, 자동차용 패키지 트레이는 표피재와 기재의 2층으로 구성되어 있는데, 국내의 경우, 기재 소재로는 80% 이상이 WOOD STOCK이라는 PP계 시트(sheet)가 사용되고 있으며, 이 소재는 이탈리아 GOR사에서 개발한 소재로 PP 수지와 목분을 혼합하여 2.0mm 두께 판상으로 압출 성형한 것이다.
또한, 일부 차종에는 1986년 일본에서 기술을 도입한 레진 펠트(RESIN FELT)라는 상품이 사용되고 있는데, 폐섬유에 열경화성수지인 페놀 수지 파우더를 혼합한 소재로 패키지 트레이의 크기가 큰 차종이나 조립되는 부품의 수량이나 무게가 무거운 경우에 한정하여 사용되고 있다.
이들 기재 소재들은 낮은 가격이라는 장점 때문에 가장 많이 사용되고 있지만, 재활용성, 냄새, 변형 등의 문제가 있으며, 또한 세계 각국의 환경규제에 대응할 수 없는 문제가 있다.
본 발명의 일실시예는, PET(PolyEthylene Terephtalate) 재생 수지를 표피재와 함께 저압사출하여, 환경규제를 만족시키는 한편, 제품의 성능과 완성차의 경쟁력 향상에 기여하는, PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법과 관련된다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 폐 PET용기를 분쇄 및 세척하여 PET 플레이크를 재생하는 단계, PET 플레이크의 수분을 제거하고, 사슬연장제와 무기충전물을 첨가하여 재생 PET 수지를 제조하는 단계, 상금형에 표피재를 장입하고, 미소 형개 상태에서 하금형에 구비되는 투입구를 통해 액상의 재생 PET 수지를 공급하는 단계, 상금형을 하강시켜 하금형과 합형시킨 후 냉각시켜, 표피재 및 재생 PET 수지로 이루어지는 성형품의 형상을 고정유지하는 단계, 및 상금형을 상승시키고 성형품을 하금형으로부터 이형시키는 단계를 포함하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법이 제공된다.
이때, 이형된 성형품을 별도의 어닐링 지그로 이동시키고, PET 수지의 유리전이온도와 용융온도 사이에서 유지시켜 결정화를 진행한 후, 상온으로 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 사슬연장제로는 디페닐 카보네이트(diphenyl carbonate), 또는 디페닐 테레프탈레이트(diphenyl terephthalate)로 이루어지는 사슬연장제(chain extender)를 사용할 수 있고, 2,2'-bis(2-oxazoline), 또는 2,2'-(1,4-phenylene)bis(2-oxazoline)로 이루어지는 사슬연장제(chain extender)를 사용하는 것도 가능하다.
아울러, 무기충전물은 탈크(Talc) 또는 탄산칼슘(CaCO3)인 것이 바람직하고, 표피재는 PET 부직포로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상금형과 하금형은 제품 두께의 0.5~2.0배 간격으로 서로 이격하여 미소 형개 상태를 이루는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법에 의하면, 폐 PET용기를 재활용함으로써 환경부담을 덜 수 있고 자원절약의 효과가 있으며, 표피재와 기재를 동시에 저압사출함으로써 공정수 감소에 따른 비용절감의 효과가 있다.
또한, 종래 사용되던 PP 수지보다 더욱 우수한 물성을 가진 PET 수지를 사용함으로써, 제품의 고급화가 가능하고 완성차의 품질 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저압사출 성형공정을 나타낸 개략도.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
실시예
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법의 순서도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저압사출 성형공정을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 폐 PET용기를 분쇄 및 세척하여 PET 플레이크를 재생하는 단계(S10), PET 플레이크의 수분을 제거하고 사슬연장제와 무기충전물을 첨가하여 재생 PET 수지를 제조하는 단계(S20), 상금형에 표피재를 장입하고 미소 형개 상태에서 하금형에 구비되는 투입구를 통해 액상의 재생 PET 수지를 공급하는 단계(S30), 상금형을 하강시켜 하금형과 합형시킨 후 냉각시켜, 표피재 및 재생 PET 수지로 이루어지는 성형품의 형상을 고정유지하는 단계(S40), 및 상금형을 상승시키고 성형품을 하금형으로부터 이형시키는 단계(S50)를 포함하여 이루어지며, 이형된 성형품을 별도의 어닐링 지그(anealing jig)로 이동시키고 PET 수지의 유리전이온도와 용융온도 사이에서 유지시켜 결정화를 진행한 후 상온으로 냉각시키는 단계(S60)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이하, 도 1과 도 2를 참고하여 각 단계별로 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
PET 플레이크 재생단계( S10 ):
생수나 음료 용기로 사용 후 폐기되는 PET용기를 회수하여 일정한 크기 이하로 분쇄시켜 PET 플레이크를 생성하고, 세척과정을 통해 용기에 부착된 라벨 등 이물질을 제거한다.
재생 PET 수지 제조단계( S20 ):
PET 플레이크는 건조기를 통과하면서 건조되고 호퍼에 투입된 후, 재생 PET 수지로 압출 용융된다.
이 과정에서 재생 PET 수지의 물성을 복원시키기 위해 사슬연장제와 무기충전물이 첨가된다. 즉, PET 수지는 수지 중에 수분이 함유된 상태에서 용융되면 가수분해반응을 일으켜, 에스테르기가 분해하여 중합도가 떨어지게 되어 쉽게 부서지는 등 물성이 급격히 저하된다. 따라서, 원재료의 수분율을 0.01% 이하로 관리해야 하며, 그래도 잔류하는 수분에 의한 중합도 저하를 보상하기 위해 사슬연장제로 중합도를 보상해야 할 필요가 있다.
이러한 사슬연장제로는 디페닐 카보네이트(diphenyl carbonate), 또는 디페닐 테레프탈레이트(diphenyl terephthalate) 등, PET 말단의 히드록실(hydroxyl)기와 반응하여 PET의 분자량을 증대시킬 수 있는 사슬연장제(chain extender)가 선택될 수 있고, 0.1~10중량부가 배합되는 것이 바람직하며, 그 반응은 다음과 같이 이루어진다.
Figure 112011016462825-pat00001

또한, 2,2'-bis(2-oxazoline), 또는 2,2'-(1,4-phenylene)bis(2-oxazoline) 등, PET 말단의 카복실산(carboxylic acid)과 반응하여 PET의 분자량을 증대시킬 수 있는 사슬연장제도 선택 가능한데, 0.1~10중량부가 배합되는 것이 바람직하며, 그 반응은 다음과 같이 이루어진다.
Figure 112011016462825-pat00002

한편, PET 수지는 결정성 수지인데, 수지의 냉각속도가 빠르게 되면 비정질 상태가 되어 제품의 내열성이 낮아져 변형이 발생한다. 따라서, 빠른 결정화도와 높은 내열성을 확보하기 위해 예를 들어 탈크(talc), 탄산칼슘(CaCO3)과 같은 기핵제 또는 무기질분말 등의 무기충전물을 1~20중량부 첨가하는 것이 바람직하며, 필요한 경우 이들 무기물의 표면 개질을 고려할 수 있다.
상기 과정을 거쳐서 압출 용융되는 재생 PET 수지는 용융지수(MFI)가 50 ~ 80(g/10min)인 것이 바람직하다.
표피재 장입 및 재생 PET 수지 공급단계( S30 ):
도 2에 도시된 바와 같이, 사출성형 금형(10)은 상금형(20)과 하금형(30)으로 이루어질 수 있으며, 상금형(20)에 표피재(1)를 장입(insert)하고, 미소 형개 상태에서 하금형(30)에 구비되는 투입구(31)를 통해 액상의 재생 PET 수지(2)를 공급함으로써, 기재인 재생 PET 수지(2)와 표피재(1)의 접착 및 성형이 동시에 이루어진다.
이때, 표피재(1)는 수지의 표면 누출이 방지되고, 기모 눌림의 복원성이 좋으며, 350g/㎡ 정도의 경량인 PET 부직포인 것이 바람직하고, 상금형(20)과 하금형(30)은 제품 두께의 0.5 ~ 2배 간격으로 서로 이격하여 미소 형개 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
이처럼 미소 형개 상태에서 용융수지를 공급하면 밀페된 캐비티(cavity)에 용융수지를 공급하는 기존의 사출성형에서의 사출압력(약 250kgf/㎠) 보다 낮은 압력(약 100kgf/㎠)으로 용융수지를 공급할 수 있기 때문에, 표피재(1)의 손상을 대폭 줄일 수 있고, 낮은 사출압력으로 성형하면 수지 내의 잔류응력도 낮출 수 있으므로 후변형도 예방되어 품질향상을 이룰 수 있고, 또한 같은 형체력으로도 큰 제품(2.5배 크기)을 성형할 수 있다.
합형단계 ( S40 ):
상금형(20)이 하강하여 하금형(30)과 합형된 후 냉각됨으로써, 재생 PET 수지(2)와 표피재(1)로 사출 성형된 성형품(3)이 금형의 캐비티(11) 형상으로 제작된다.
이형단계( S50 ):
이후, 상금형(20)을 상승시키고 성형품(3)을 하금형(30)으로부터 이형시키켜 취출해낸다.
결정화 및 냉각단계( S60 ):
한편, PET 수지는 일반적인 사출 사이클 타임(cycle time)에서의 냉각시간(30sec)에서는 재결정화가 어렵다. 즉, PET의 유리전이온도(Tg)는 다른 결정성 수지 보다 높은 69℃로, 100℃ 이상으로 유지해야 결정화가 진행된다. 따라서 PET 수지를 동시 사출성형할 때 성형품(3)의 재결정화를 위해 성형금형의 온도는 100℃ 이상으로 유지되어야 결정화가 진행된다.
이 경우, 냉각시간이 너무 길어지게 되고 제품 생산속도가 저하되는 문제가 발생하므로, 사출성형 후 별도의 어닐링 지그(anealing jig)(미도시)에서 성형품(3)을 유지시켜 결정화를 완료하고 상온으로 냉각시키는 것이 바람직하고, 결정화와 냉각이 완료된 후에는 최종제품의 규격에 맞춰서 절단 등 후처리 가공이 이어질 수 있으며, 이때 발생되는 스크랩(scrab)은 다시 PET 플레이크 재생단계(S10)로 보내어져서 재사용될 수 있다.
전술한 과정을 거쳐 최종적으로 제품화되는 자동차용 패키지 트레이는, PET 소재로 이루어져서 종래의 PP 소재에 비하여 내열성과 강성이 우수하므로, 두께를 최소로 최적설계함으로써 제품 경량화가 가능하고, 표피재와 기재가 일체로 저압사출되므로 공정단축으로 인한 비용과 시간의 절감 효과를 얻을 수 있게 된다.
PET 재생 플레이크 100중량부에 디페닐 카보네이트(diphenyl carbonate) 1중량부와 탈크(talc) 10중량부를 혼합하여 제습건조한 다음 컴파운딩(compounding)하여 재생 PET 수지를 제조하였다.
이 재생 PET 수지를 제습건조한 다음 사출성형한 시편을 결정화처리하여 시편의 물성을 측정한 결과 아래의 표 1과 같았다.
항목 인장강도 굴곡탄성율 IZOD충격강도 MI
시험결과 712kgf/㎠ 40,800kgf/㎠ 0.052kj/㎠ 55g/10min
또한, 이 재생 PET 수지를 수직형 저압사출기(600ton)에서 사출성형 압력 110kgf/㎠, 형개량 10mm, 금형온도 135℃, 냉각시간 40sec로 패키지 트레이를 저압사출성형하였고, 성형품을 결정화처리 없이 고객사 요구조건에서 내열싸이클 시험을 하여 이상없음을 확인하였다.
PET 재생 플레이크 100중량부에 2,2'-(1,4-phenylene)bis(2-oxazoline) 1중량부와 탈크(talc) 10중량부를 혼합하여 제습건조한 다음 컴파운딩(compounding)하여 재생 PET 수지를 제조하였다.
이 재생 PET 수지를 제습건조한 다음 사출성형한 시편을 결정화처리하여 시편의 물성을 측정한 결과 아래의 표 2와 같았다.
항목 인장강도 굴곡탄성율 IZOD충격강도 MI
시험결과 752kgf/㎠ 32,500kgf/㎠ 0.049kj/㎠ 68g/10min
또한, 이 재생 PET 수지를 수직형 저압사출기(600ton)에서 사출성형 압력 110kgf/㎠, 형개량 10mm, 금형온도 135℃, 냉각시간 40sec로 패키지 트레이를 저압사출성형하였고, 성형품을 결정화처리 없이 고객사 요구조건에서 내열싸이클 시험을 하였는데, 그 결과 이상없음을 확인하였다.
PET 재생 플레이크 100중량부에 아무것도 혼합하지 않고 제습건조한 다음 컴파운딩(compounding)하여 재생 PET 수지를 제조하였다.
이 재생 PET 수지를 제습건조한 다음 사출성형한 시편을 결정화처리하여 시편의 물성을 측정한 결과 아래의 표 3과 같았다.
항목 인장강도 굴곡탄성율 IZOD충격강도 MI
시험결과 560kgf/㎠ 28,500kgf/㎠ 0.038kj/㎠ 230g/10min
여기서는, 가수분해에 의해 MI값과 IZOD 충격강도 값이 너무 높거나 낮아서 자동차 부품으로 사용하기에 불가능한 수준이다.
또한, 이 재생 PET 수지를 수직형 저압사출기(600ton)에서 사출성형 압력 110kgf/㎠, 형개량 10mm, 금형온도 135℃, 냉각시간 40sec로 패키지 트레이를 저압사출성형하였는데, 성형품을 금형에서 취출할 때 결정화가 전혀 진행되지 않아서 변형이 심하여 이후의 고객사 요구조건에서의 내열싸이클 시험을 진행할 수 없는 수준이었다.
1 : 표피재
2 : 재생 PET 수지
3 : 성형품
10 : 사출성형 금형
11 : 캐비티
20 : 상금형
30 : 하금형
31 : 투입구

Claims (7)

  1. 폐 PET용기를 분쇄 및 세척하여 PET 플레이크를 재생하는 단계;
    상기 PET 플레이크의 수분을 제거하고, 사슬연장제와 무기충전물을 첨가하여 재생 PET 수지를 제조하는 단계;
    상금형에 표피재를 장입하고, 미소 형개 상태에서 하금형에 구비되는 투입구를 통해 액상의 상기 재생 PET 수지를 공급하는 단계;
    상기 상금형을 하강시켜 상기 하금형과 합형시킨 후 냉각시켜, 상기 표피재 및 상기 재생 PET 수지로 이루어지는 성형품의 형상을 고정유지하는 단계; 및
    상기 상금형을 상승시키고 상기 성형품을 상기 하금형으로부터 이형시키는 단계;를 포함하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이형된 성형품을 별도의 어닐링 지그로 이동시키고, PET 수지의 유리전이온도와 용융온도 사이에서 유지시켜 결정화를 진행한 후, 상온으로 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 사슬연장제는 디페닐 카보네이트(diphenyl carbonate), 또는 디페닐 테레프탈레이트(diphenyl terephthalate)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 사슬연장제는 2,2'-bis(2-oxazoline), 또는 2,2'-(1,4-phenylene)bis(2-oxazoline)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기충전물은 탈크(Talc) 또는 탄산칼슘(CaCO3)인 것을 특징으로 하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 표피재는 PET 부직포인 것을 특징으로 하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 상금형과 상기 하금형은 제품 두께의 0.5~2.0배 간격으로 서로 이격하여 미소 형개 상태를 이루는 것을 특징으로 하는 PET 재생 수지를 이용한 자동차 패키지 트레이의 저압사출 성형방법.
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