KR101336156B1

KR101336156B1 - 사출기 부착형 금형 모듈을 이용한 점도 측정 장치 및 이를 이용한 점도 측정 방법

Info

Publication number: KR101336156B1
Application number: KR1020120058476A
Authority: KR
Inventors: 김선경; 신명철; 박준형
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-03

Abstract

본 발명은 금형 모듈이 장착되며, 상기 금형 모듈로 수지를 공급하기 위한 사출기, 상기 금형 모듈 내부에 설치되어 수지가 흘러가는 통로가 되는 러너, 모세관이 관통되며 상기 러너의 출구에 연결되어 상기 러너를 통과한 수지가 토출되는 다이, 수지의 온도를 제어하기 위한 온도센서와 히터, 수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이를 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 압력측정부를 포함하는 상기 금형 모듈을 포함하는 점도 측정 장치를 제공한다.
본 발명은 사출 현장에서 저비용으로 수지의 점도 측정에 이용할 수 있으므로 수지의 이상 유무를 용이하게 확인할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명은 사출기에 장착된 금형 모듈의 구성상 핫 러너의 사출과 유사한 상황에서 점도를 측정함으로써, 핫 러너 유동에 의해 점도의 변화가 심할 개연성이 있는 경우 점도를 정확하게 측정할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명은 러너에 연결된 핀을 이용하여 저온에서 압력을 측정함으로써, 압력 측정을 위한 센서가 직접 러너나 스크루 노즐에 연결되는 기존의 점도 측정 장치 및 방법에 비해 센서가 고온에 노출되어 온도에 영향을 받을 가능성이 적고, 저가의 센서를 이용할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

사출기 부착형 금형 모듈을 이용한 점도 측정 장치 및 이를 이용한 점도 측정 방법{An apparatus for viscosity measurement with a mold module and a method therefor}

본 발명은 사출기 부착형 금형 모듈을 이용한 점도 측정 장치 및 이를 이용한 점도 측정 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 사출기에 장착하여 수지의 용융과 토출을 가능하게 하는 장치인 금형 모듈을 이용하여 사출 공정에서 점도값을 필요로 하는 경우, 사출 현장에서 점도를 간단하게 곧바로 측정할 수 있는 점도 측정 장치 및 점도 측정 방법에 관한 것이다.

최근의 사출 공정에서는 수지의 점도를 측정해야 하는 경우가 빈번하게 발생하고 있다. 점도를 측정해야 하는 이유는 성형해석(molding numerical simulation)을 위한 입력 자료로 이용하기 위한 목적과, 재료의 공정 특성을 사전에 예측하고 최종 공정 직전 수지의 품질을 관리하기 위해서이다.

점도를 측정하는 여러 방법들 중 용융 고분자 수지의 점도를 측정하는 방법은 저장조인 실린더에서 모세관으로 용융 수지를 토출시키며 그 과정에서 저장조에 걸린 압력이나 피스톤의 힘을 측정한 후 관계식을 이용하여 점도를 측정하는 것이 보통이다(도 1 참조). 이 때 모세관의 직경과 길이가 주어진 경우, 계산 또는 측정된 압력차와 점도는 비례하게 된다. 이를 구현하는 방법은 여러가지가 있으며, 그 차이는 수지를 용융하는 방식, 토출하는 방식, 측정하는 방식에 따라 달라진다.

이와 관련된 종래기술로서, 피스톤을 상하로 움직여 배럴 내 수지 압력을 증감하여 점도를 측정하는 캐필러리 레오미터를 이용하여 점도를 측정하는 방식이 이용될 수 있다. 그러나, 캐필러리 레오미터를 이용한 방식(도 2 참조)은 사출기가 배럴에 오래 체류하게 되어 스크루로 용융하는 방식에 비해 수지가 고온에 오래 노출됨에 따라 수지의 열화에 의한 분자량 저하가 일어날 가능성이 있으며, 가격이 비싸 사출과 관련된 업무 종사자가 이용하기는 쉽지 않다.

아래 선행기술문헌에서 제시한 특허문헌1은 사출기에 직접적으로 모세관이 있는 장치를 부착하고 압력을 측정하여 점도를 측정하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 그러나 이와 같은 방식은 모세관 벽면에 압전소자를 부착하여 압력을 측정하므로, 신뢰성과 재현성이 높지 않으며, 온도 제어가 되지 않으면 주변과의 열전달에 의해 모세관에서의 온도를 정확히 알기 어려워 측정환경이 특정한 일정 온도하에서 유지되기 어렵다. 즉, 이와 같이 사출기에 간단한 어댑터를 붙여 측정하는 방식으로는 참고자료로 활용할 수준의 데이터 생성은 가능하나 온도 균일성을 확보하기 어렵고 유동 조건이 캐필러리 다이에서의 표준적인 측정 방식과 부합하지 않아 신뢰성 있는 측정 결과를 도출하기 어렵다.

특허문헌2에 개시된 스크루 레오미터의 측정 원리는 회전 중 스크루의 특정 두 위치 간의 압력차를 이용하여 점도를 측정하는 방식이다. 이러한 스크루 레오미터는 끝이 막혀 있어 토출 중의 압력 차이를 이용하는 것은 아니며, 막힌 스크루/배럴 내부에서의 유동에 의해 점도를 측정함에 따라 스크루를 사용하는 공정에서의 점도에 근접할 수는 있으나, 사출의 경우와는 부합하지 않을 수 있다. 또한, 전단속도(shear rate)의 계산에 있어 스크루 상의 관계식을 이용하므로 검증이 어려우며, 일반적으로 점도 측정에 필요한 전단 속도를 정확하게 알기 어려운 단점이 있다.

비특허문헌1은 금형 내에 캐비티 압력을 측정할 수 있는 시스템을 구성하여 일반 금형의 유동에서 점도를 추정하는 방식을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 방식은 사출유동의 유사성 측면에서 금형에 의존적이며, 온도 제어가 어렵고, 전단 속도를 정확하게 알기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기 설명한 종래기술의 문제점을 보완하고자, 사출기를 이용하여 수지의 용융과 토출을 가능하게 하는 장치로 사출 공정에서 점도를 필요로 하는 경우 사출 현장에서 간단히 점도를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제안한다.

KR 10-1995-0033469 A 1995.12.26. US 5209108 A 1993.05.11.

한국산학기술학회논문지 제12권 제4호, 2011년, pp.1282-1287.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 사출기에 장착되어 수지의 용융과 토출을 가능하게 하는 금형 모듈을 이용하여 점도 측정이 필요한 현장에서 저렴한 비용으로 신속하고 쉽고 정확하게 점도를 측정할 수 있는 점도 측정 장치와 이를 이용한 점도 측정 방법을 제공하는 것이다. 즉, 종래의 고가 점도측정 장비를 대체하고, 전문 연구기관에 의뢰하지 않고도 자체적으로 점도 측정이 가능한 점도 측정 장치와 이를 이용한 점도 측정 방법을 제공하는 것이다.

또한, 표준 측정 방식에 부합하고, 저가의 압력센서 이용이 가능하면서도 온도 제어 특성이 양호하며, 측정이 편리한 점도 측정 장치와 이를 이용한 점도 측정 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 금형 모듈이 장착되며, 상기 금형 모듈로 수지를 공급하기 위한 사출기, 상기 금형 모듈 내부에 설치되어 수지가 흘러가는 통로가 되는 러너, 모세관이 관통되며 상기 러너의 출구에 연결되어 상기 러너를 통과한 수지가 토출되는 다이, 수지의 온도를 제어하기 위한 온도센서와 히터, 수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이를 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 압력측정부를 포함하는 상기 금형 모듈을 포함하며, 상기 압력측정부는 수지가 상기 러너를 통과할 때 힘측정 센서로 압력을 전달하는 압력전달 핀, 상기 압력전달 핀을 통해, 수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이의 상기 모세관을 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 상기 힘측정 센서를 포함하며, 상기 압력전달 핀은 압력 측정을 위해 상기 러너의 내측면에 부착되고, 상기 다이로부터 일정 간격 이격된 위치에 설치되는 점도 측정 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 사출기에 장착되어 수지의 점도를 측정하기 위한 금형 모듈로서, 수지가 흘러가는 통로가 되는 러너, 모세관이 관통되며 상기 러너의 출구에 연결되어 상기 러너를 통과한 수지가 토출되는 다이, 수지의 온도를 제어하기 위한 온도센서와 히터, 수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이를 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 압력측정부를 포함하며, 상기 압력측정부는 수지가 상기 러너를 통과할 때 힘측정 센서로 압력을 전달하는 압력전달 핀, 상기 압력전달 핀을 통해, 수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이의 상기 모세관을 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 상기 힘측정 센서를 포함하며, 상기 압력전달 핀은 압력 측정을 위해 상기 러너의 내측면에 부착되고, 상기 다이로부터 일정 간격 이격된 위치에 설치되는 금형 모듈을 제공한다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 점도 측정 장치를 이용한 수지의 점도 측정 방법으로서, 상기 사출기에 상기 금형 모듈을 장착하고 상기 사출기의 호퍼에 수지를 공급하는 제1단계, 상기 사출기와 상기 금형 모듈의 온도를 설정하고, 설정 온도로 온도 제어를 수행하는 제2단계, 상기 압력측정부의 힘측정 센서의 영점을 조정하는 제3단계, 수지의 예비 토출을 복수회 실시하여 상기 러너에 수지를 채우는 제4단계, 상기 사출기의 수지 사출속도를 설정하고, 사출기를 구동하여 수지를 토출하며 상기 압력측정부에서 압력을 측정하는 제5단계, 시작점과 종료점이 표시된 수지 토출물을 수지 받침대에 담아 보관하고 수지 토출 시작시간과 종료시간을 기록하여, 수지 토출물의 질량, 질량 유량, 밀도를 측정하는 제6단계, 상기 제5단계에서 측정된 압력과 상기 제6단계에서 측정된 수지 유량을 이용하여 겉보기전단속도와 전단응력을 계산하는 제7단계, 상기 겉보기전단속도와 점도지수를 이용하여 실제의 전단속도를 구하고, 전단응력을 상기 전단속도로 나누어 점도를 계산하는 제8단계를 포함하는 점도 측정 방법을 제공한다.

본 발명은 사출 현장에서 저비용으로 수지의 점도 측정에 이용할 수 있으므로 수지의 이상 유무를 용이하게 확인할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 사출기에 장착된 금형 모듈의 구성상 핫 러너의 사출과 유사한 상황에서 점도를 측정함으로써, 핫 러너 유동에 의해 점도의 변화가 심할 개연성이 있는 경우 점도를 정확하게 측정할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 종래기술에서 스크루를 사용하여 고속으로 수지를 배출하는 경우 수지 온도가 변화할 가능성이 높은데 비해서, 본 발명은 이러한 온도 변화를 억제하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 러너에 연결된 핀을 이용하여 저온에서 압력을 측정함으로써, 압력 측정을 위한 센서가 직접 러너나 스크루 노즐에 연결되는 기존의 점도 측정 장치 및 방법(캐필러리 레오미터, 스크루 레오미터 등)에 비해 센서가 고온에 노출되어 온도에 영향을 받을 가능성이 적고, 저가의 센서를 이용할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 점도 측정 원리를 설명하기 위한 도면.
도 2는 캐필러리 레오미터의 테스트부.
도 3은 본 발명과 기존 점도 측정 장치의 항목별 비교.
도 4는 본 발명에 따른 점도 측정 장치의 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치를 간략하게 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 일부 구성을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 사출기를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 사출기에 금형 모듈이 장착된 상태를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 단면도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 정면 사진.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 우측면 사진.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 좌측면 사진.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 평면 사진.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 부분별 구성의 사진을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 압력측정부 위치 및 구조를 설명하기 위한 도면.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 방법의 순서도.

본 발명은 사출기를 기반으로 하여 구성되며, 사출기는 수지의 용융 및 주입을 제어가능한 상태에서 수행한다. 캐필러리 다이를 갖는 온도가 제어되는 금형 모듈을 사출기에 장착하여 사출기의 구동에 의해 수지를 토출하는 중의 압력을 측정함으로써 점도를 측정하는 장치와 방법을 제시한다. 본 발명은 수지를 용융하는 방식에서 스크루 레오미터와 유사하고, 수지를 토출하는 방식에서는 캐필러리 레오미터와 유사하다.

본 발명과 기존의 점도 측정 장치 및 방법을 비교하여 요약하면 도 3과 같다. 도 3의 비교 항목에서 표준측정 부합도는 미국재료시험협회(American Society for Testing Materials)에서 규정한 표준측정 방법(예를 들어, ASTM Designation: D3835-95a 등)과의 부합도를 의미한다. ASTM은 미국에서 1898년 출범한 시험과 측정에 관한 국제 표준 기관으로 전세계적으로 지지를 받고 있는 기관으로서, ASTM에 규정된 방법들은 측정과 시험에서의 과학적, 공학적 엄밀성이 검증된 것으로 이러한 방법들로부터 얻어진 데이터는 신뢰성과 재현성을 담보할 수 있으며, 대부분의 학술문헌의 측정 및 시험 방법들은 ASTM의 표준측정 방법을 따른다.

도 3의 비교항목에서 온도 제어특성이 중요한 이유는 점도가 온도에 크게 의존하는 물성이고, 온도가 정확히 제어된 상황에서 점도를 측정하는 것이 측정치의 신뢰성과 재현성에 많은 영향을 미치기 때문이다.

도 3의 비교항목에서 가소화는 수지를 녹이는 것을 의미한다. 가소화 과정은 물리적 과정이나 고분자 수지는 가소화 과정에서 손상이 불가피하고 보통 분자량이 감소하는데, 분자량 감소에 따라 점도가 하강하며 이 점도는 공정에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 사출에 활용할 물성의 경우에는 사출 공정과 유사한 수준의 손상을 야기하는 환경에서 물성을 측정하는 것이 필요하다.

도 3의 비교항목에서 전단속도는 수지에 전단 변형율(shear strain)이 시간에 따라 발생하는 정도를 의미한다. 수지의 점도는 전단속도에 따라 감소하는 특성이 있으며, 이를 전단연화라 한다. 일반적으로, 수지의 점도는 전단속도를 x축으로 하고 점도를 y축으로 하여 표현하므로, 점도 측정에 있어 전단속도를 정확히 아는 것은 매우 중요하다. 전단속도를 구하는 방법의 한가지 예는 다음과 같다. 수지 토출 시작 후 특정 위치에서 토출물에 일정 표식을 표시하고 시간을 기록하고, 토출 종료 전 특정 위치에 토출물에 다른 표식을 표시하고 시간을 기록한다. 기록된 토출물의 시작 시간과 종료 시간 차이와, 표식 이전과 이후를 잘라내어 표식이 표시된 사이의 토출물의 질량(시간이 측정된 동안의 토출물의 질량을 의미)을 측정하여 질량 유량을 산정한다. 이 질량 유량과 측정된 밀도를 이용하여 유량을 결정하고, 구해진 유량과 전단속도 간의 관계식을 이용하여 전단속도를 결정한다.

도 3을 참고하면, 본 발명은 캐필러리 레오미터와 스크루 레오미터의 장점을 보유하면서도 저가의 압력 측정 센서를 이용할 수 있는 추가적인 이점을 갖는 것을 알 수 있다. 일반적으로 점도 측정을 위해 측정대상이 되는 유동 양단 간의 압력을 측정하기 위해서는 압력 센서가 필요하며, 이 압력 센서들은 보통 고온에 견디기 어려워 내열성이 있는 압력 센서를 이용할 경우 가격이 매우 높아진다. 뒤에서 설명하겠지만, 본 발명에서는 간접적으로 핀에 의해 전달된 힘으로 압력을 측정할 수 있는 구조이므로 저가의 센서를 이용할 수 있는 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 점도 측정 장치의 블록도인 도 4를 참조하면, 본 발명의 점도 측정 장치는 금형 모듈(110)이 장착되며, 금형 모듈(110)로 수지를 공급하기 위한 사출기(100), 금형 모듈(110) 내부에 설치되어 수지가 흘러가는 통로가 되는 러너(도 9의 9 참조), 모세관이 관통되며 러너(9)의 출구에 연결되어 러너(9)를 통과한 수지가 토출되는 다이(도 9의 13 참조), 수지의 온도를 제어하기 위한 온도센서와 히터, 수지가 러너(9)를 흘러가며 다이(13)를 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 압력측정부를 포함하는 금형 모듈(110)을 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 온도센서와 상기 히터를 이용하여 수지의 온도를 제어하는 온도제어부(120), 금형 모듈(110)로부터 측정된 측정신호가 처리되어 데이터처리부(140)로 전달되는 신호처리부(130), 신호처리부(130)를 통해 입력된 상기 측정신호를 이용하여 점도가 계산되는 데이터처리부(140)를 더 포함하고, 상기 측정신호는 상기 압력측정부에서 측정된 수지의 압력을 포함한다. 데이터처리부(130)는 상기 압력측정부에서 측정된 압력, 사출기(100)에서 설정된 사출속도, 토출된 수지의 질량, 질량 유량 및 밀도를 이용하여 수지의 점도를 계산한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치를 간략하게 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명은 러너(9)를 흘러가는 수지의 온도를 제어하기 위해 상기 온도센서로서 열전대 센서를 이용할 수 있으며, 이러한 열전대 센서는 수지의 온도 제어를 위해 러너(9)와 다이(13) 주변에 설치된다. 다이(13)를 통해 토출되는 수지 토출물은 질량, 질량 유량, 밀도를 측정하기 위해 수지 받침대에 담아 보관하며, 압력측정부에서 측정된 측정신호는 신호처리기에서 처리되어 데이터처리부(140)에 전달된다. 데이터 처리부(140)에는 각종 데이터와 압력 측정신호가 입력되며, 일반적으로 개인용 피씨(PC), 노트북 피씨, 스마트패드 등이 이용된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 일부 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 사출기를 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 사출기에 금형 모듈이 장착된 상태를 나타내는 도면이다. 도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 사출기(100)는 사출기(100)로 수지가 공급되는 입구인 호퍼와 금형 모듈(110)로 수지를 공급하는 출구인 사출기 노즐을 포함하며, 수지의 통로가 되는 배럴, 상기 배럴을 감싸며 설치되어 온도를 제어하기 위한 사출기 밴드히터, 상기 배럴 안에 설치되어 회전하는 스크루, 상기 스크루를 회전시키는 구동유닛, 상기 구동유닛의 속도를 제어하는 속도 제어수단, 수지의 사출속도와 온도를 설정하고 제어하는 사출기 제어판을 포함하고, 상기 사출기 제어판의 제어하에 상기 속도 제어수단과 상기 사출기 밴드히터를 동작시켜 상기 사출기 노즐을 통해 상기 금형 모듈에 공급되는 수지의 사출속도와 온도를 제어한다. 상기 구동유닛은 유압식인 경우 유압을 이용하여 상기 스크루를 구동하며, 전동식인 경우 서보모터를 이용하여 상기 스크루를 구동한다. 점도 측정을 위해 상기 호퍼에 수지가 공급되면, 스크루의 회전에 의한 마찰열과 배럴 외부의 사출기 밴드히터에 의해 수지가 용융되며, 용융된 수지는 스크루의 회전으로 스크루 선단부로 이송되어 스크루 노즐을 통해 금형 모듈(110)의 러너(9)로 주입된다. 이 때, 수지의 온도와 사출속도는 상기 사출기 제어판에 의해 설정되어 제어된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 단면도이며, 도 11 내지 도 14는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 정면 사진, 우측면 사진, 좌측면 사진, 평면 사진을 나타낸 도면이다. 또한, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 부분별 구성의 사진을 나타내는 도면이며, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 장치의 금형 모듈의 압력측정부 위치 및 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 9 내지 도 16을 참조하면, 본 발명의 핵심 구성인 금형 모듈(110)은 사출기에 장착되어 수지의 점도를 측정하기 위한 장치로서, 금형 모듈(110) 내부에 설치되어 수지가 흘러가는 통로가 되는 러너(9), 모세관이 관통되며 러너(9)의 출구에 연결되어 러너(9)를 통과한 수지가 토출되는 다이(13), 수지의 온도를 제어하기 위한 온도센서와 히터, 수지가 러너(9)를 흘러가며 다이(13)를 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 압력측정부를 포함한다. 상기 압력측정부는 수지가 러너(9)를 통과할 때 힘측정 센서(10)로 압력을 전달하는 압력전달 핀(11), 압력전달 핀(11)을 통해, 수지가 러너(9)를 흘러가며 다이(13)의 상기 모세관을 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 힘측정 센서(10)를 포함하며, 압력전달 핀(11)은 압력 측정을 위해 러너(9)의 내측면에 부착되고, 다이(13)로부터 일정 간격 이격된 위치에 설치된다. 수지의 통로인 러너(9)는 여러가지 형태로 제작될 수 있으나, 사출기에 부착되는 금형 모듈을 고려하여 'ㄱ'자 형태로 제작될 수 있다. 또한, 금형 모듈(110)은 러너(9)를 감싸며 설치되는 스프루블록(8) 및 러너블록(7), 다이(13)가 주변과 열적으로 차단되도록 다이(13)와 측면에서 접촉하지 않으면서 수지가 토출될 때 다이(13)를 지지하기 위한 다이 받침판(14)을 포함하며, 상기 히터는 러너(9)의 입구에 인접한 스프루블록(8)에 설치된 밴드히터, 스프루블록(8)과 다이(13) 사이에 위치한 러너블록(7)에 설치된 매니폴드히터, 다이(13)를 감싸며 다이(13)의 온도를 제어하는 다이히터(12)를 포함한다. 위에서 설명한 온도제어부(120)는 금형 모듈(110)에 설치된 상기 밴드히터, 상기 매니폴드 히터, 상기 다이히터를 제어하여 러너(9)를 통과하는 수지의 온도를 제어한다. 러너블록(7)은 온도를 일정하게 유지하기 위하여 핫러너의 매니폴드와 유사한 구조를 갖게 되며 수지는 러너(9) 안에서 항상 용융된 상태로 체류하고 있다가 사출기 노즐에서 스프루를 통해 수지가 주입되면 다이(13)를 통해 수지가 토출되게 된다. 다이(13)는 도면에서 알 수 있듯이 캐필러리 레오미터에서 사용하는 규격과 같은 직경과 길이의 것들을 사용할 수 있다. 다이 받침판(14)은 러너(9) 내부의 수지 압력을 견디면서 다이(13)가 주변과 열적으로 차단되도록 다이(13)와 측면에서 접촉하고 있지 않으며 다이(13)의 토출구가 외기 흐름에 직접 노출되지 않도록 하는 역할을 한다.

또한, 본 발명의 금형 모듈(110)은 사출기(100)의 고정측 형판에 체결하여 금형 모듈(110)을 고정시키는 고정측 고정판(1), 러너(9)의 온도 제어를 위해 고정측 고정판(1)에 인접하게 설치된 제1 단열판(2), 제1 단열판(2)에 인접하게 설치된 고정판(3), 사출기(100)의 가동측 형판에 체결하여 금형 모듈(110)을 지지하는 가동측 고정판(6), 러너(9)의 온도 제어를 위해 가동측 고정판(6)에 인접하게 설치된 제2 단열판(5), 고정판(3)과 제2 단열판(5) 사이에 설치되어 열의 흐름을 차단할 수 있도록 공간을 만들어주는 공간블록(4)을 더 포함한다. 본 발명의 금형 모듈(110)은 일반 금형과 유사한 형태로 사출기(100)에 부착하나 일반 금형과 달리 성형품의 취출을 하지 않으므로 형의 개폐를 하지 않아 열리는 부분이 없다. 금형 모듈(110)은 고정측 형판에 장착되며 시험을 위해서는 가동측이 이동하여 닫힌 상태에서 동작하는데 금형 모듈(110)이 외팔보 구조가 되므로 혹시 발생할 수 있는 처짐 문제를 고려하여 닫힌 상태에서는 금형 모듈(110)이 가동측 형판에 의해 지지될 수 있는 구조를 갖는다. 동작시 러너(9)는 고온으로 유지되고, 고정측과 가동측 형판은 저온이므로 이러한 구조의 제작시에는 열팽창을 고려하여 치수를 설계하여야 한다.

수지의 점도 측정에서 온도 제어와 압력 측정은 매우 중요하며, 본 발명의 점도 측정 장치에서는 사출기(100)와 금형 모듈(110)에서 온도 제어를 수행한다. 사출기(100)는 사출기 노즐의 온도가 측정 온도와 일치되도록 제어하고, 금형 모듈(110)은 스프루블록(8), 러너블록(7), 다이(13), 다이 받침판(14)의 온도가 측정 온도와 일치되도록 제어한다. 상기 사출기 노즐, 스프루블록(8), 러너블록(7), 다이(13), 다이 받침판(14)을 각각 독립된 영역으로 제어하며, 이를 위해 적어도 4채널 이상의 핫러너 온도제어기를 이용한다. 각 영역별로 열전대를 삽입하여 온도제어기에 연결하고, 상기 사출기 노즐의 온도 제어는 사출기(100)의 제어 기능을 이용한다. 점도 계산에 필수적인 수지의 압력 측정은 사출기(100) 기동에 의해 수지가 정속으로 유입되면 금형 모듈(110)의 다이(13)를 통해 토출되는 과정 중에 러너에서의 압력 P를 측정하여 점도를 구하게 된다. 압력의 측정은 압력전달 핀(11)으로 러너(9) 내부의 압력을 전달받아 힘측정 센서(10)로 측정하는데, 힘측정 센서(10)의 용량은 (수지압력)*(핀 단면적)으로 힘을 산정하여 결정한다.

수지의 유량은 점도 계산에 필요하므로 점도 측정 장치의 측정값을 이용하여 산정한다. 정상상태(steady state) 기동 중의 유량은 사출속도에 비례한다. 이 때, 수지 유량을 Q, 사출속도를 V1, 스크루 단면적을 As라 하면, 이론 유량 Q=As*V1으로 계산된다. 이론유량과 실제유량이 일치하려면 사출기의 배럴에 역류방지 체크밸브가 필요하다. 그러나 보통의 경우 일정량 역류가 발생하며 그 역류 비율은 정상상태 기동 중에 변화하지 않는다. 역류비율을 고려한 보정계수 c를 도입하면 Q=c*As*V1으로 계산된다. 시험 중에는 토출 시작시간, 종료시간과 토출물의 토출 시작점, 종료점을 표시한다. 시작점과 종료점 사이의 토출물 질량을 측정하여 질량 유량을 구하여 밀도로 나누면 수지 유량 Q가 구해지므로 보정계수 c를 구할 수 있다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 점도 측정 방법의 순서도이다. 도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 점도 측정 장치를 이용한 수지의 점도 측정 방법은 사출기(100)에 금형 모듈(110)을 장착하고, 사출기(100)의 호퍼에 수지를 공급하는 제1단계(도 17의 S1, S2), 사출기(100)와 금형 모듈(110)의 온도를 설정하고, 설정 온도로 온도 제어를 수행하는 제2단계(도 17의 S3), 상기 압력측정부의 힘측정 센서(10)의 영점을 조정하는 제3단계(도 17의 S4), 수지의 예비 토출을 복수회 실시하여 러너(9)에 수지를 채우는 제4단계(도 17의 S5), 사출기(100)의 수지 사출속도를 설정하고, 사출기(100)를 구동하여 수지를 토출하며 상기 압력측정부에서 압력을 측정하는 제5단계(도 17의 S6), 시작점과 종료점이 표시된 수지 토출물을 수지 받침대에 담아 보관하고 수지 토출 시작시간과 종료시간을 기록하여, 수지 토출물의 질량, 질량 유량, 밀도를 측정하는 제6단계(도 17의 S7, S8), 상기 제5단계에서 측정된 압력과 상기 제6단계에서 측정된 수지 유량을 이용하여 겉보기전단속도와 전단응력을 계산하는 제7단계(도 17의 S9), 상기 겉보기전단속도와 점도지수를 이용하여 실제의 전단속도를 구하고, 전단응력을 상기 전단속도로 나누어 점도를 계산하는 제8단계(도 17의 S10)를 포함한다. 상기 수지 유량은 상기 제6단계에서 측정된 수지의 상기 질량 유량을 상기 밀도로 나누어 구한다. 또한, 본 발명의 점도 측정 방법은 동일한 설정 온도 및 사출속도 또는 각기 다른 설정 온도 및 사출속도에서 상기 제2단계 내지 상기 제6단계를 반복함으로써, 설정 온도 및 사출속도 별로 점도를 구하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 점도 측정시 정확한 측정을 위해 체류된 수지의 퍼징(purging)을 실시하는데, 러너와 스프루에 수지가 체류하지 않도록 폴리에틸렌으로 기존 수지를 밀어낸 후 압축공기로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 최대한 제거한다.

상기 제7단계와 상기 제8단계에서 점도를 계산하는 수식을 설명하면 다음과 같다. 수지 유량을 Q, 다이의 모세관 직경을 R이라 하면, 겉보기전단속도

는 아래 식으로 계산된다.

(수식1)

다이의 길이를 L, 수지의 측정 압력을 P라 하면, 벽면의 전단응력

은 아래의 식으로 계산된다.

(수식2)

수식1의 겉보기전단속도를 이용하여 실제 벽면의 전단속도(이하 '전단속도'라 함)

에 따른 점도

를 구해야 한다. 이 때 겉보기전단속도

와 전단속도

의 관계는 멱승법칙 유체인 경우 다음의 수식으로 주어진다.

(수식3)

여기서, 점도지수 n은 ASTM D3835에 설명되어 있듯이 y축을

, x축을

인 그래프에서 측정 구간에서의 평균기울기로 결정된다. 점도지수 n을 정하고 기타 필요한 점도 모델의 계수를 정한다. 필요한 계수는 선택한 점도 모델에 따라 다르다.

점도 모델에 관계없이 점도는 수식2의 전단응력을 수식3의 전단속도로 나누어 구하며, 최종적으로 점도는 전단속도의 함수로 주어진다.

(수식4)

1: 고정측 고정판 2: 단열판
3: 고정판 4: 공간블록
5: 단열판 6: 가동측 고정판
7: 러너블록 8: 스프루블록
9: 러너 10: 힘측정 센서
11: 압력전달 핀 12: 다이히터
13: 다이 14: 다이 받침판
100: 사출기 110: 금형 모듈
120: 온도제어부 130: 신호처리부
140: 데이터처리부

Claims

금형 모듈이 장착되며, 상기 금형 모듈로 수지를 공급하기 위한 사출기;
상기 금형 모듈 내부에 설치되어 수지가 흘러가는 통로가 되는 러너,
모세관이 관통되며 상기 러너의 출구에 연결되어 상기 러너를 통과한 수지가 토출되는 다이,
수지의 온도를 제어하기 위한 온도센서와 히터,
수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이를 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 압력측정부를 포함하는 상기 금형 모듈;
을 포함하며,
상기 압력측정부는
수지가 상기 러너를 통과할 때 힘측정 센서로 압력을 전달하는 압력전달 핀,
상기 압력전달 핀을 통해, 수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이의 상기 모세관을 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 상기 힘측정 센서를 포함하며,
상기 압력전달 핀은 압력 측정을 위해 상기 러너의 내측면에 부착되고, 상기 다이로부터 일정 간격 이격된 위치에 설치되는 점도 측정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 러너는 'ㄱ'자 형태이며,
상기 금형 모듈은
상기 러너를 감싸며 설치되는 스프루블록 및 러너블록,
상기 다이가 주변과 열적으로 차단되도록 상기 다이와 측면에서 접촉하지 않으면서 수지가 토출될 때 상기 다이를 지지하기 위한 다이 받침판을 포함하며,
상기 히터는
상기 러너의 입구에 인접한 상기 스프루블록에 설치된 밴드히터,
상기 스프루블록과 상기 다이 사이에 위치한 상기 러너블록에 설치된 매니폴드히터,
상기 다이를 감싸며 상기 다이의 온도를 제어하는 다이히터를 포함하는 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 온도센서는 열전대 센서이며, 수지의 온도 제어를 위해 상기 러너와 상기 다이 주변에 설치되는 점도 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 금형 모듈은,
상기 사출기의 고정측 형판에 체결하여 상기 금형 모듈을 고정시키는 고정측 고정판;
상기 러너의 온도 제어를 위해 상기 고정측 고정판에 인접하게 설치된 제1 단열판;
상기 제1 단열판에 인접하게 설치된 고정판;
상기 사출기의 가동측 형판에 체결하여 상기 금형 모듈을 지지하는 가동측 고정판;
상기 러너의 온도 제어를 위해 상기 가동측 고정판에 인접하게 설치된 제2 단열판;
상기 고정판과 상기 제2 단열판 사이에 설치되어 열의 흐름을 차단할 수 있도록 공간을 만들어주는 공간블록;
을 더 포함하는 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 사출기는
사출기로 수지가 공급되는 입구인 호퍼와 상기 금형 모듈로 수지를 공급하는 출구인 사출기 노즐을 포함하며, 수지의 통로가 되는 배럴;
상기 배럴을 감싸며 설치되어 온도를 제어하기 위한 사출기 밴드히터;
상기 배럴 안에 설치되어 회전하는 스크루;
상기 스크루를 회전시키는 구동유닛;
상기 구동유닛의 속도를 제어하는 속도 제어수단;
수지의 사출속도와 온도를 설정하고 제어하는 사출기 제어판;
을 포함하고,
상기 사출기 제어판의 제어하에 상기 속도 제어수단과 상기 사출기 밴드히터를 동작시켜 상기 사출기 노즐을 통해 상기 금형 모듈에 공급되는 수지의 사출속도와 온도를 제어하는 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 온도센서와 상기 히터를 이용하여 수지의 온도를 제어하는 온도제어부;
상기 금형 모듈로부터 측정된 측정신호가 처리되어 데이터처리부로 전달되는 신호처리부;
상기 신호처리부를 통해 입력된 상기 측정신호를 이용하여 점도가 계산되는 상기 데이터처리부;
를 더 포함하고,
상기 측정신호는 상기 압력측정부에서 측정된 수지의 압력을 포함하는 점도 측정 장치.
제7항에 있어서,
상기 데이터처리부는 상기 압력측정부에서 측정된 압력, 상기 사출기에서 설정된 사출속도, 토출된 수지의 질량, 질량 유량 및 밀도를 이용하여 수지의 점도를 계산하는 점도 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 온도센서와 상기 히터를 이용하여 수지의 온도를 제어하는 온도제어부를 더 포함하고,
상기 온도제어부는 상기 금형 모듈에 설치된 상기 밴드히터, 상기 매니폴드 히터, 상기 다이히터를 제어하여 상기 러너를 통과하는 수지의 온도를 제어하는 점도 측정 장치.
사출기에 장착되어 수지의 점도를 측정하기 위한 금형 모듈로서,
수지가 흘러가는 통로가 되는 러너;
모세관이 관통되며 상기 러너의 출구에 연결되어 상기 러너를 통과한 수지가 토출되는 다이;
수지의 온도를 제어하기 위한 온도센서와 히터;
수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이를 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 압력측정부;
를 포함하며,
상기 압력측정부는
수지가 상기 러너를 통과할 때 힘측정 센서로 압력을 전달하는 압력전달 핀,
상기 압력전달 핀을 통해, 수지가 상기 러너를 흘러가며 상기 다이의 상기 모세관을 통해 토출될 때 발생하는 압력을 측정하는 상기 힘측정 센서를 포함하며,
상기 압력전달 핀은 압력 측정을 위해 상기 러너의 내측면에 부착되고, 상기 다이로부터 일정 간격 이격된 위치에 설치되는 금형 모듈.
삭제
제10항에 있어서,
상기 러너는 'ㄱ'자 형태이며,
상기 금형 모듈은
상기 러너를 감싸며 설치되는 스프루블록 및 러너블록,
상기 다이가 주변과 열적으로 차단되도록 상기 다이와 측면에서 접촉하지 않으면서 수지가 토출될 때 상기 다이를 지지하기 위한 다이 받침판을 포함하며,
상기 히터는
상기 러너의 입구에 인접한 상기 스프루블록에 설치된 밴드히터,
상기 스프루블록과 상기 다이 사이에 위치한 상기 러너블록에 설치된 매니폴드히터,
상기 다이를 감싸며 상기 다이의 온도를 제어하는 다이히터를 포함하는 금형 모듈.
제1항 및 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항의 점도 측정 장치를 이용한 수지의 점도 측정 방법으로서,
상기 사출기에 상기 금형 모듈을 장착하고 상기 사출기의 호퍼에 수지를 공급하는 제1단계;
상기 사출기와 상기 금형 모듈의 온도를 설정하고, 설정 온도로 온도 제어를 수행하는 제2단계;
상기 압력측정부의 힘측정 센서의 영점을 조정하는 제3단계;
수지의 예비 토출을 복수회 실시하여 상기 러너에 수지를 채우는 제4단계;
상기 사출기의 수지 사출속도를 설정하고, 사출기를 구동하여 수지를 토출하며 상기 압력측정부에서 압력을 측정하는 제5단계;
시작점과 종료점이 표시된 수지 토출물을 수지 받침대에 담아 보관하고 수지 토출 시작시간과 종료시간을 기록하여, 수지 토출물의 질량, 질량 유량, 밀도를 측정하는 제6단계;
상기 제5단계에서 측정된 압력과 상기 제6단계에서 측정된 수지 유량을 이용하여 겉보기전단속도와 전단응력을 계산하는 제7단계;
상기 겉보기전단속도와 점도지수를 이용하여 실제의 전단속도를 구하고, 전단응력을 상기 전단속도로 나누어 점도를 계산하는 제8단계;
를 포함하는 점도 측정 방법.
제13항에 있어서,
상기 수지 유량은 상기 제6단계에서 측정된 수지의 상기 질량 유량을 상기 밀도로 나누어 구하는 점도 측정 방법.
제13항에 있어서,
동일한 설정 온도 및 사출속도 또는 각기 다른 설정 온도 및 사출속도에서 상기 제2단계 내지 상기 제6단계를 반복함으로써, 설정 온도 및 사출속도 별로 점도를 구하는 단계를 포함하는 점도 측정 방법.
제13항에 있어서,
수지 유량을 Q, 상기 다이의 모세관 직경을 R이라 하면, 겉보기전단속도
는 수식1로 계산되고,

(수식1)
다이의 길이를 L, 수지의 측정 압력을 P라 하면, 벽면의 전단응력
은 수식2로 계산되고,

(수식2)
겉보기전단속도
와 실제의 전단속도
의 관계는 멱승법칙 유체인 경우, 수식3으로 주어지며,

(수식3)
수식3에서, 점도지수 n은 y축을
, x축을
인 그래프에서 측정 구간에서의 평균기울기로 결정되며, 점도
는 수식2의 전단응력을 수식3의 전단속도로 나누어

(수식4)
수식4로 주어지는 점도 측정 방법.