KR101427816B1 - 플라스틱 재료를 사출 성형하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

플라스틱 재료를 사출 성형하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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에레마 엔지니어링 리싸이클링 마쉬넨 운트 안라겐 게젤샤프트 엠. 베.하.
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Abstract

본 발명은 플라스틱 재료를 사출 성형하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 처리될 스타팅 플라스틱 재료가 먼저 예비 처리되고, 상기 플라스틱 재료는 수납 용기 내에서 지속적으로 혼합되면서 용융 온도 이하의 온도에서 가열되며, 그로 인해 동시에 결정화, 건조 및/또는 정화되고 및/또는 상기 플라스틱 재료의 고유 점도가 상승된다. 본 발명에 따르면, 이러한 방식으로 예비 처리된 상기 플라스틱 재료는, 하우징(17) 내에서 회전하고, 그 내부에서 축 방향으로 변위되거나 및/또는 피스톤으로 작용하는 스크루(16)를 구비한 스크루 사출 성형기(10) 내로 전송되어 상기 스크루 내에서 가소화되고 몰드 제품, 예컨대 프리폼으로 몰딩된다.

Description

플라스틱 재료를 사출 성형하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR INJECTION MOLDING PLASTIC MATERIAL}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 방법 및 청구항 8의 전제부에 따른 장치에 관한 것이다.
사출 성형(injection molding)은 몰드 제품(moulded part)의 제조에 있어서 가장 중요한 프로세스이다. 사출 성형기는 전체 플라스틱 가공기의 약 60%를 차지한다(압출기 30%, "기타(exotic)" 10%). 사출 성형기에서는 수 밀리그램에서부터 30kg까지의 쇼트 중량(shot weight)의 몰드 제품이 제조된다.
사출 성형은 특히, 대량 생산 제품(mass-produced article)을 성형하기에 적합하며, 그 이유는 미정제 재료(과립(granular material))는 대개 단일 작업 공정에서 완성품으로 변환될 수 있기 때문이다. 재가공 가능성이 작거나 또는 재가공이 완전히 생략될 수 있으며, 복잡한 형상들도 조차도 단일 작업 공정에서 완성될 수 있다. 또한, 다양한 유형의 충전재들, 예컨대 유리 섬유, 활석, 카본 블랙, 금속 가루(metal filing), 안료, 폴리머 첨가제 등이 삽입될 수 있음으로써, 완성품의 특성들이 의도한 대로 변경될 수 있다.
하나의 완성품의 특성들은 사용된 제작 재료, 형상 그리고 가공 유형 및 그 실시에 의해 결정된다. 플라스틱, 특히 열가소성 플라스틱의 경우에는 이러한 영향들이 금속의 경우보다 더욱 강력하게 나타날 수 있다. 제작 재료로서 "적합한" 플라스틱 선택(반결정(semi-crystalline)/비정질(amorphous))은 플라스틱의 분자 구조에 크게 좌우된다. 사출 성형 공법에서는 통상적으로 거의 열가소성 폴리머들만 가공된다. 열가소성 플라스틱들은 선형 매크로 분자들로 이루어지고, 상기 매크로 분자들은 통계적으로 볼 때 완성품에서 포선형(비정질), 규칙적 배치(결정성)로 존재하거나 또는 확장성(extended)(지향성)으로도 존재한다. 대부분의 경우에는 세 가지 상태 모두가 하나의 완성품에 결합되어 있는 것을 볼 수 있다. 모든 플라스틱은 상대적으로 분자 중량이 높기 때문에, 완성품에서 아직 한 번도 100%의 결정 상태에 도달되지 않았으며, 이와 관련하여서는 결정화도(cristallinity)가 언급된다(비율: 결정 용적/전체 용적). 반결정 몰드 제품들의 통상적인 결정화도는 50% 내지 80%이고, 상기 결정화도는 제작 재료가 가진 고유한 특성들 외에, 특히 구조물(공구) 및 가공 파라미터들에 좌우된다.
"적합한" 제작 재료 선택에 중요한 추가 뷰 포인트(view point)는 완성품의 차후 적용 온도이다. 이 경우에는, 특히 유리 전이 온도 범위에 유의해야 한다. 몇몇 플라스틱 타입들의 경우에는 유리 전이 온도가 실온 범위에 있기 때문에, 유리 전이 온도보다 높게 또는 유리 전이 온도보다 낮게 적용할 것인지에 대한 물음이 아주 결정적일 수 있으며, 그 이유는 유리 전이 온도의 범위에서는 많은 기계적 특성들이 "갑작스럽게" 변하기 때문이다.
사출 성형시 가장 중요한 가공 파라미터는 재료 온도, 공구 온도, 몰드 충전 시간 또는 사출 용적 또는 공구 내의 압력 변화(몰드 내압)이다.
몰드 충전 시간 및 공구 내의 압력 변화는 결정적으로 몰드 충전 프로세스와 더불어 완성품의 기계적 특성들을 결정한다. 대부분의 플라스틱은 냉각 과정 동안 축소되기 때문에, 성형 화합물은 실링 포인트(sealing-point)(스프루 응고(sprue solidification))에 도달할 때까지 보압(holding pressure) 하에서 재조정되어야 한다. 실링 포인트에 도달한 후에는 보압이 중단된다. 그러나 몰드 제품은 계속해서 밀폐된 공구 내에서 소정의 시간(잔류 냉각 시간) 동안 유지된다. 이러한 잔류 냉각 시간 동안에는 몰드 제품 온도가 용융 온도 또는 연화 온도 아래로 떨어짐으로써, 결과적으로 후속되는 완성품의 취출(ejecting)시 변형이 방지된다. 공구를 충전하기 시작하면서부터 다음 시작까지의 전체 시간을 사이클 타임(cycle time)이라 한다.
선택될 재료 온도 및 공구 온도들은 제작 재료가 갖는 고유한 값들이며, 대부분은 플라스틱 제조자에 의해 사전에 정해지거나 제안된다. 완성품의 특성들은 상기 재료 온도 및 공구 온도들에 의해 영향을 받을 수 있다. 예컨대, PET의 경우, 공구 온도가 완전히 결정적으로 완성품의 결정 구조를 결정한다: 공구 온도가 낮을 경우에는 신속하게 냉각되고, 완성품은 비정질이면서 투명하며, 공구 온도가 높을 경우에는 결정화도와 더불어 예컨대 몰드 제품의 기계적 특성들이 증가한다. 플라스틱 재료들(PP, PE, PS 등) 가공시 통상적인 재료 온도는 220℃ 내지 280℃의 범위이며, 공구 온도는 30℃ 내지 120℃이다. 고기능 플라스틱들(high-performance plastic)(PEEK, PPS, LCP 등)은 480℃ 이하의 재료 온도 및 200℃ 이하의 공구 온도를 필요로 한다. 열가소성 플라스틱 사출 성형은 다른 모든 사출 성형 공법의 기초가 되며, 전반적으로 오늘날 가장 빈번하게 사용되는 플라스틱 가공법이다.
사출 성형기들은 일반적으로 2개 부분으로 구성된다 -본 경우에 사용된 사출 성형기도 마찬가지임-: 플라스틱 과립을 재생 처리(treatment)하여 압력 하에서 공구 내부로 분사하는 사출 유닛 또는 가소화 유닛; 그리고 개방 및 폐쇄되는 공구를 수용하는 폐쇄 유닛(몰드도 수용함)으로 이루어짐.
사출 유닛의 코어 부분은 스크루 샤프트이고(스크루로도 언급됨), 상기 스크루는 실린더 또는 하우징 내에 삽입된다. 상기 실린더의 내부 지름은 스크루의 외부 지름과 동일하다. 실린더는 대개 스크루 실린더로 언급된다. 스크루 실린더의 후방 영역에는 플라스틱 과립이 충전되는 호퍼(hopper)가 존재한다. 과립은 개구(충전 블록)를 통과하여 실린더 내로 트리클링(trickling)된다. 구동 장치에 의해 구동된 스크루는 실린더 내에서 회전하여 과립을 앞쪽으로 전송한다. 열가소성 플라스틱 사출 성형시에는 스크루 실린더가 전기식 가열 밴드들에 의해 외부에서부터 가열된다. 과립은 이러한 가열 및 스크루 특유의 형상에 의해 운반될 뿐만 아니라 전단되며, 동시에 플라스틱이 용융되고, 가소화(plastization)되어 균질화된다. 스크루 실린더의 첨두에는 노즐이 존재하고, 상기 노즐은 공구로의 전달을 수행한다.
배치 프로세스(batch-process)의 진행 중에는 성형 화합물이 대개 역류-방지 장치에 의해 노즐까지 운반되어, 그 앞에 축적된다. 성형 화합물을 위한 충분한 적하 장소를 제공하기 위해, 스크루가 단지 적은 압력(배압(back pressure))에 의해 축 방향으로 작동됨으로써, 상기 스크루는 공급 호퍼(feed hopper) 방향으로 이동될 수 있으며, 이 때문에 역류-방지 장치와 노즐 사이에는 소위 스크루 전실(前室, antechamber)이 형성되고, 상기 스크루 전실에는 재료 용적(mass volume)이 존재한다. 배압이 용융물에 대항하여 작용함으로써, 용융물이 압축되고, 상기 배압은 스크루를 후퇴시키지 않는다. 용융물이 가하는 압력은 스크루를 후퇴시킨다.
사출 과정에는 스크루가 축 방향으로 노즐 쪽으로 밀어지며, 이 경우 역류-방지 장치가 로킹되고, 따라서 재료 용적이 노즐을 통해 공구 안으로 사출된다.
역류-방지 장치는 사출 성형기의 한 부품이다. 상기 역류-방지 장치는 실질적으로 로킹 링(locking ring), 스크루 첨두 및 압축 링(compression ring)으로 이루어지며, 배칭 스크루(batching screw)의 피크에 배치된다. 사출 성형 부품(injection molding part)의 품질은 결정적으로 상기 배칭 스크루의 동작에 의해 좌우된다. 사출 공정 동안 역류-방지 장치는 스크루 나선들로의 재료 용융물의 역류를 방지한다. 또한, 상기 역류-방지 장치는 배칭시 스크루 챔버로부터 쿠션 챔버(cushion chamber)로의 재료 흐름을 구현한다. 배칭 스크루가 회전되면, 상기 배칭 스크루는 가소성 재료를 개방된 역류-방지 장치를 통해 쿠션 챔버로 운반하고, 스크루는 설정된 값에 도달할 때까지 축 방향으로 뒤쪽으로 이동된다. 스크루는 사출시에 유압 장치를 통해 앞쪽으로 이동된다. 정체(stagnation) 및 로킹 링이 스크루 방향으로 가는 통로를 폐쇄한다. 배칭된 재료는 압력 및 양적 손실 없이 사출 성형 부품 안으로 밀려 이동된다.
90 내지 98%의 부분 충전 후에는 보압으로 전환된다. 이 경우, 실린더 내에는 재료가 남아있어야 하는데(잔류 재료 쿠션), 그렇지 않은 경우 압력이 재료에 작용하지 않을 수 있기 때문이다. 보압은 용적 축소를 보정하기 위해 필요하다.
열가소성 플라스틱 가공시에는 3구역 스크루가 자주 사용된다. 소위 인입 구역에서는 플라스틱 과립이 다음 구역으로 삽입되어, 압축 구역으로 이송되며, 상기 압축 구역에서는 플라스틱이 가소화되어 압축된다(그리고 경우에 따라 가스가 제거됨). 그 다음 용융물은 메터링 구역(metering zone)에서 균질화되어 최종적으로는 역류-방지 장치에 의해 스크루 앞으로 밀어지며, 상기 스크루는 배압의 증가로 인해 실린더 내에서 축 방향으로 뒤쪽으로 이동된다
종래 기술에는 상이한 사출 성형 방법 및 장치들이 공지되어 있다.
DE 198 03 422 A1호에는 예컨대 섬유 강화 플라스틱(fibre reinforced plastic)을 이송 성형(transfer molding)하기 위한 방법 및 장치가 공지되어 있다.
공지된 방법은, 플라스틱 스타팅 재료, 예컨대 분쇄 또는 과립 처리된 플라스틱 스타팅 재료를 압출기 하우징 및 상기 압출기 하우징 내에서 하나의 길이 방향 축을 중심으로 회전하는 압출기 스크루로 이루어진 가소화 장치에 제공하여 상기 가소화 장치에서 가소화하고, 몰딩 공구 방향으로 운반하도록 설계된다. 가소화 장치의 영역에서는 가소화된 플라스틱 재료에 섬유 재료가 첨가되어 추가 운반시 상기 가소화 장치에서 상기 가소화된 플라스틱 재료와 혼합된다. 그리고 나서 섬유를 포함하는 상기 가소화된 재료가 사출 장치에 공급되어, 이 사출 장치의 도움으로 사출 노즐을 통해 적어도 2개의 부분으로 형성된 몰딩 공구 안으로 사출되고, 후속해서 상기 몰딩 공구에서 하나의 성형체로 프레싱된다. 본 경우에는 플라스틱 스타팅 재료가 분쇄기(shredder)를 통해 압출기에 공급되며, 경우에 따라서는 첨가제가 분쇄기에서 상기 스타팅 재료와 혼합된다.
상기 방법을 수행하기 위한 공지된 장치는 압출기 하우징 및 상기 압출기 하우징 내에서 하나의 길이 방향 축을 중심으로 회전 가능하게 배치된 압출기 스크루를 구비한 가소화 장치; 섬유 재료용 배칭 장치; 사출 실린더, 사출 피스톤, 사출 노즐 그리고 상호 이동 가능하게 배치된 몰딩 공구 절반부들을 갖는 가압 몰딩 공구를 구비한 사출 장치를 포함한다. 또한, 압출기 실린더의 시작부에는 분쇄기가 배치되며, 상기 분쇄기는 한편으로는 플라스틱 스타팅 재료를 분쇄하고 마찰열에 의해 가열하며, 다른 한편으로는 상기 플라스틱 스타팅 재료를 압출기 실린더 내의 압출기 스크루에 공급한다.
상기 방법 및 장치는 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었지만, 플라스틱 혼합물들, 특히 하나 이상의 폴리에스테르 성분을 갖는 혼합물들의 가공에는 적합하지 않은데, 왜냐하면 특히 폴리에스테르의 경우 자신의 용융점 근처에서 자연 상태의 습기에 민감하게 반응하기 때문인데, 즉, 가수 분해 구조에 의해 분자 사슬 길이가 단축되기 때문이며, 이는 제작 재료 특성의 부정적 변형들, 예컨대 강도 약화 또는 변색을 초래한다. 이러한 유형의 제작 재료 특성들의 부정적 영향은 생산될 최종 제품에서 바람직하지 않다.
다른 종류의 플라스틱들, 예컨대 폴리아미드는 자신의 용융점 근처에서 또는 자신의 용융점에서 산화될 위험에 노출되고, 이는 마찬가지로 제작 재료의 특성 또는 최종 제품의 특성과 관련하여 앞서 언급한 단점들을 초래한다.
이러한 단점들을 방지하기 위해, EP 390 873호에는 열가소성 플라스틱 제품을 재생 처리하기 위한 장치가 공지되어 있다. 상기 장치는 수납 용기(receiving container)를 가지며, 상기 수납 용기의 상부는 반입되는 플라스틱 제품을 위한 수문(sluice)에 의해 적어도 실질적으로 기밀성으로 폐쇄될 수 있다. 수납 용기의 내부 챔버는 진공화를 위해 또는 상기 내부 챔버로 보호 가스(protective gas)를 공급하기 위해, 수납 용기 내에서 가장 높은 충전 레벨보다 더 높은 위치에 있는 적어도 하나의 라인과 연결되고, 이 경우 상기 라인은 기체상 매질의 흡입 펌프 또는 보호 가스의 펌프에 연결되며, 상기 수문에는 펌프로 리드되는 하나의 추가 라인이 연결된다. 상기와 같은 유형의 장치는, 특히 폴리에스테르의 분해 반응들 없이도 건조 및 가열이 보장될 수 있다. 수납 용기는 바람직하게 분쇄기 커터, 교반 블레이드 또는 바(bar) 형태의 교반기를 포함하고, 상기 분쇄기 커터, 교반 블레이드 또는 바 형태의 교반기는 마찬가지로 용기 내부 챔버 방향으로 기밀성으로 폐쇄된다. 또한, 분쇄기의 공급 개구는 압출기 실린더 쪽으로 마찬가지로 기밀성으로 설계되어 있다. 상기 장치 또한 실제로 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었다.
WO 01/68345호에는 플라스틱 혼합물들을 재생 처리하기 위한 추가 옵션이 기술되어 있는데, 다시 말하자면 플라스틱 혼합물들, 특히 하나 이상의 폴리에스테르 성분 및 하나 이상의 변형 성분, 특히 상기 성분들의 재활용 플라스틱 제품(recycled plastic product)을 포함하는 플라스틱 혼합물들을 이송 성형하기 위한 방법 그리고 제작 재료의 특성들을 지속적으로 유지하면서 상기와 같은 유형의 플라스틱 혼합물을 가공할 수 있거나 또는 상기와 같은 플라스틱 혼합물들의 제작 재료 특성들의 공지된 개선 사항을 최대한으로 이용할 수 있는 상기 방법을 수행하기 위한 장치가 기술되어 있다. 특히, 하나 또는 다수의 변형 성분의 용융점들이 수납 용기 내의 주된 폴리에스테르 성분의 건조 온도에 근접할 경우, 그로 인해 재생 처리 장치 내에서 만일에 발생할 수 있는 점결성(caking) 또는 집괴(agglomeration)가 방지된다.
열가소성 폴리에스테르 성분 또는 PET-혼합물은 EP 390 873호와 유사하게, 스타팅 상태로 예비 처리 스테이션에서 가열되어 건조된다. 그 다음 가열되고 건조된 상기 PET-성분은 가소화 유닛에 제공되며, 하나 이상의 변형 성분이 혼합된다. 열가소성 폴리에스테르 성분 및 변형 성분으로 이루어진 혼합물은 가소화 유닛에서 균질화되어 용융물로서 사출 유닛 안으로 배출된 다음 개방된 몰딩 공구 안으로 사출된다.
사출 성형 장치에서의 플라스틱 재료의 가공은 상기 사출 성형 장치에 공급된 재료의 다양한 파라미터들 또는 특성들, 특히 상기 재료의 점도, 결정화도, 분자 분해, 표면층에서의 방위(orientation) 및 만일에 있을 수 있는 이방성 등에 크게 좌우된다. 상기 모든 파라미터들은 결정적으로 가소화 또는 용융 전에 실시되는 재료의 예비 처리 또는 재생 처리 유형에 의해 영향을 받는다. 그러나 용융 및 사출 공정의 유형 역시 최종 제품의 (최후의) 품질에 영향을 준다. 물론, 이와 관련하여서는 예컨대, 사이클 타임 등과 같은 실제적이고 경제적인 특징들도 고려되어야 한다.
특히, 이러한 방식으로 제조된 대상들이 최종 제품이 아닌, 예컨대 계속해서 형태가 변경되는 중간 제품, 예컨대 프리폼(preform)일 경우, 상기 제품의 고품질에 유리한 영향을 준다.
따라서, 본 발명의 과제는 사출 성형법을 이용하여 플라스틱을 안전하고, 효율적이며 경제적으로 고품질의 최종 제품 또는 중간 제품, 예컨대 프리폼으로 확대 가공할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 상기 방법에 적합한 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1 및 청구항 8의 특징들에 의해 바람직한 방식으로 해결된다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의해서는 민감하거나 또는 불안정한, 특히 흡습성 플라스틱 또는 습기 함량이 상승된 플라스틱을 안전하게 가공할 수 있음을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, 리사이클링될 플라스틱들, 특히 폴리유산(PLA) 역시 그들의 종류, 형태 및 조성과 무관하게 건조되고, 경우에 따라 단일 단계에서 동시에 결정화(crystallization)될 수 있다. 또한, 플라스틱들이 신속하고 가급적 에너지 절약적으로 리사이클링될 수 있으며, 이 경우 사출 성형에 의해 재생산된 상기 리사이클링 최종 제품들 또는 대상들은 높은 점도값을 가지며, 특히 리사이클링될 제품의 점도값과 대등한 점도를 갖는다. 더욱이, 이러한 방법에 의해서는 또한, 특히 증발될 수 있는 물질들에 의해서는, 플라스틱의 기계적 특성들 및/또는 상기 플라스틱의 용융 특성들에 부정적 영향을 끼치지 않고 심하게 오염되거나 오물이 형성된 또는 강하게 프린팅된 플라스틱들도 가공될 수 있다. 상기 재획득된 리사이클링 플라스틱 또는 목표한 플라스틱 용융물 또는 용융물로부터 제조된 사출 성형품들은 식료품에 안전하며, 즉 식료품과 관련한 가공 규정들을 충족하고, 식료품에 사용 가능한 적합성을 가지며 또는 유럽 ILSI-문서(international life sciences institute-document) 또는 FDA에 의해 인증되었다. 따라서, 제공된 비가공 원료에 포함된 유해 물질, 마이그레이션 산물(migration product) 또는 오염물들은 본 방법에 의해 전반적으로 광범위하게 제거된다.
그러므로 바람직한 본 방법에 의해 양질의 특성들을 갖는 제품, 특히 프리폼이 획득되고, 상기 방법은 구조적으로 단순하고 신속하게 작동되는 장치에 의해 실시된다.
본 발명에 따른 방법은 2단계로 실시되는데, 먼저 열가소성 스타팅 재료의 예비 처리 또는 재생 처리가 실시된 다음 사출 성형 장치에서 상기 스타팅 재료의 확대 가공이 실시된다(사출 성형). 간략히 말하자면, 그 내부에서 스타팅 재료가 예비 처리되는 특정 재생 처리 용기가 특수하게 설계된 사출 성형기에 연결됨으로써, 특정한 특성들을 갖는, 특히 예비 처리된 특정 재료만이 사출 성형기에 도달하고 그곳에서 용융되어 몰드로 사출된다.
바람직한 모든 형성시의 열가소성 플라스틱 재료의 예비 처리, 재생 처리 또는 리사이클링의 제 1 단계는 대개 수납 용기 또는 반응기(reactor)에서 실시된다. 처리될 플라스틱 재료는 상기 수납 용기 또는 반응기에 공급되어, 상승된 온도에서 지속적으로 혼합 또는 동작(moving)되고 및/또는 분쇄 처리된다.
상기 플라스틱 재료를 혼합하고 가열하기 위해 반응기에는, 경우에 따라 적층식의 다수의 평면상에 배치되어 하나의 수직 축을 중심으로 회전 가능한 적어도 하나의 분쇄기 또는 혼합기가 배치되어 있으며, 상기 분쇄기 또는 혼합기는 재료를 분쇄하거나 및/또는 혼합하는 워킹 에지들을 갖는다. 이러한 분쇄기 또는 혼합기에 의해 기계적 에너지가 폴리머 재료에 공급되고, 그로 인해 폴리머 재료가 가열과 동시에 혼합 및 동작된다. 이때, 가열은 공급된 기계적 에너지의 변환에 의해 이루어진다.
폴리머 재료의 과하진 않지만(mild), 지속적인 동작이 유효하다. 이로 인해 입자들 표면의 충분한 결정화가 개별 입자들의 상호 접착을 자체적으로 방지할 때까지, 임계적 온도 범위에서 재료의 교착 또는 접착이 방지된다. 또한, 재료의 움직임으로 인해 프로세스 온도가 비교적 높아질 수 있다. 마일드하고 지속적인 동작시 처리 용기에서는 접착 억제 외에도 동시에 용기 내의 온도가 충분히 상승되거나 또는 높게 유지되고, 모든 입자가 안전하게 상응하는 온도로 가열되거나 또는 상응하는 온도에서 유지되도록 한다. 동시에, 동작에 의해 이동되는 분자의 분리가 입자의 표면에 의해 지원된다. 상기 목적을 위해서는 바람직하게 상이한 평면들 상의 공구들이 연속적인 공정에 사용되거나 또는 혼합 공구들이 배치-공정(batch-processing)에 사용된다.
상기와 같은 유형의 반응기들은 실제에서도 사용되고, 예를 들면 "EREMA 플라스틱 리사이클링 시스템 PC" 또는 "1단계 또는 2단계 VACUREMA-장치들"로서 공지되어 있다.
재생 처리는 플라스틱의 용융 온도보다 낮고 바람직하게는 유리 전이 온도를 초과하는 온도에서 실시되며, 이 경우 폴리머 재료는 균일하게 그리고 지속적으로 동작 혼합된다. 이로 인해 플라스틱 재료는 단일 단계에서 결정화되고 건조되며, 클리닝된다.
처리될 플라스틱 재료들로는 특히 폴리유산(PLA), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리히드록시알칼린산(PHA), 스티렌 코폴리머, 예컨대 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및/또는 특히 전분(starch)을 기재로 하는 바이오 플라스틱들 또는 전분 혼합물들(starch blend)이 사용된다. 또한, 상기 플라스틱 재료들의 혼합물들, 예컨대 PET/PE, PET/PA 또는 PP/PA도 사용된다.
플라스틱 재료는 통상적으로 새로운 제품 또는 재생물로서 적어도 부분 결정화 또는 비결정화 또는 비정질의 과립 형태로 존재한다. 그러나 상기 재료는 오히려 비정질의 분쇄된, 특히 디프-드로잉 어플리케이션들(deep-drawing application)로부터 나온, 특히 100μｍ 내지 2mm의 두께를 갖는 폐 필름(film waste) 형태, 드래프팅 장치들로부터 나온, 특히 5μｍ 내지 100μｍ의 두께를 갖는 얇은 폐 필름 형태 및/또는 폐 섬유 및 폐 부직포 형태일 수도 있다. 또한, 상기 플라스틱 재료는 폐 (플라스틱) 병 또는 사출 성형 폐물의 형태일 수도 있다.
정확한 프로세스 파라미터, 특히 온도는 재료의 형태 및 두께 그리고 폴리머 유형에 따르기도 한다.
특히 과립, 박편(flake) 형태 또는 그와 유사한 형태의 조각 형태(piece)의 폴리머 제품에 있어서 공정은 바람직하게 1단계 VACUREMA 반응기에서 실시된다. 상기와 같은 반응기는 전술한 특징들을 가지며 진공 상태가 제공될 수 있다.
박막, 섬유 또는 부직포 형태의 폴리머 제품에 있어서 공정은 바람직하게 1단계 EREMA PC 반응기에서 실시된다. 이 경우, 종종 공정이 주변 압력 하에서, 즉 진공 없이 실시되는 것으로도 충분하다. 마찬가지로 반응기는 전술한 특징들을 포함한다.
공정은 2단계로도 실시될 수 있다. 따라서, 예컨대 정화될 재료로서 결정화 과립 및 비결정화 과립 또는 박편으로 이루어진 혼합물이 2단계 VACUREMA 반응기의 결정 건조기에 제공될 수 있다. 앞쪽에 장치된 결정 건조기에는 하나의 수직 축을 중심으로 회전하는 분쇄기 또는 혼합기가 배치되어 있으며, 상기 분쇄기 또는 혼합기들은 재료를 분쇄하거나 및/또는 혼합하는 워킹 에지들을 포함한다. 상기 분쇄기 또는 혼합기들에 의해 기계적 에너지가 재료에 공급되고, 그로 인해 재료가 예열과 동시에 혼합 및 동작된다. 이어서 사전에 가열, 건조 및 결정화 처리된 상기 재료가 메인 처리 과정을 거친다.
본 발명에 따른 방법의 제 1 단계를 바람직한 방식으로 실시할 수 있기 위하여, 예를 들어 하나의 장치가 삽입될 수 있는데, 상기 장치는 가공될 플라스틱 재료를 위한 용기를 포함하고, 상기 재료는 삽입 개구를 거쳐 상기 용기에 공급되며, 상기 재료는 용기의 측벽에 연결된 하나 이상의 스크루를 통해 상기 용기로부터 배출되고, 이 경우 용기의 바닥 영역에는 재료를 분쇄하거나 및/또는 혼합하는 워킹 에지들을 갖고, 하나의 축을 중심으로 회전할 수 있는 적어도 하나의 공구가 배치되며, 그리고 스크루의 인입 개구와 적어도 공구의 높이가 거의 같고, 바람직하게는 진공을 형성하기 위해 및/또는 용기 내부 챔버에서 가스를 분사(gassing)하기 위해 상기 용기에 연결된 하나 이상의 라인을 포함한다. 상기와 같은 장치는 예를 들어 VACUREMA 반응기 또는 EREMA PC 반응기로 구현된다.
상기와 같은 유형의 공정(process)은 일반적으로 대기 중의 산소 및/또는 습도에 민감한 상기와 같은 플라스틱 컴파운드 가공에서도 충족되는데, 그 이유는 용기의 진공화 또는 용기 내부로의 보호 가스 유입에 의해 플라스틱 재료가 상기 유해한 영향으로부터 보호될 수 있기 때문이다.
그러나 다수의 경우에 스크루 내부로 배출된 상기와 같은 플라스틱 재료의 균일화 정도가, 특히 품질 하락을 방지하기 위해 가소화 전에 이미 완전히 건조되어야 하는 상기와 같은 플라스틱 재료들의 목표한 건조 레벨과 관련하여 충족되지 않음을 알 수 있었다.
비교적 두께가 더 두꺼운 필름은 두께의 증가로 인해 건조 비용이 상승됨으로써, 상기와 같은 유형의 재료에 필요한 별도의 건조 과정들, 예컨대 특수 건조기들에서 공기 중 수분을 제거하는 건조 과정들이 필수적이다. 또한, 이러한 건조기들은 결정화제품에만 허용되는 온도 범위에서 작동되며, 비정질 제품은 접착되어 점결될 수 있다.
이는 결정화 과정이 건조 과정 전에 설계되어야 함을 의미한다. 그러나 가공될 재료가 용기 내에서 공구에 의해 오랫동안 가공되면, 특히 장치의 연속 작동시 개별 플라스틱 입자들이 배출 스크루에 의해 너무 일찍 파지(把持)되고, 다른 플라스틱 입자들은 너무 늦게 파지될 위험이 있다. 조기에 파지된 플라스틱 입자들은 비교적 차갑기 때문에 충분히 예비 처리되지 않을 수 있고, 그 때문에 사출 성형 장치에 공급된 재료에서 불균질성이 발생한다.
이러한 현상을 방지하고 배출된 재료의 균질성을 현저히 개선시키기 위해, 본 발명에 따른 방법은 추가 장치에서 실시될 수 있으며, 상기 장치에서는 메인 용기의 삽입 개구에 하나 이상의 추가 용기의 배출 개구가 연결되고, 상기 추가 용기에는 마찬가지로 하나의 수직 축을 중심으로 회전하는 하나 이상의 공구가 상기 용기의 바닥 영역에 제공된다. 즉, 2개 또는 다수의 용기가 직렬로 배치되며, 가공될 플라스틱 재료는 상기 용기들을 차례로 통과해야 한다. 제 1 용기에서는 예비적으로 분쇄, 가열, 건조 및 압축 처리가 진행됨으로써 예비적으로 균질화된 재료가 형성되고, 상기 재료는 후속 용기에 제공된다. 이로 인해 처리되지 않은, 즉 차갑고, 압축, 분쇄 또는 균질화 처리가 이루어지지 않은 재료는 배출 스크루에 직접 전달되지 않거나 또는 사출 성형 장치로 전달되지 않으며 또는 배출 스크루를 통해 연결된 압출기 등에 전달되지 않는다.
본 경우에서는, 또한 이러한 장점들이 제 2 용기 및/또는 후속 용기에서 열가소성 플라스틱 재료의 진공 처리 또는 보호 가스 처리가 이루어지는 경우에 보장된다. 과류 단면적은 일반적으로 작으며, 압력 보정은 재료 운반에 의해 강력하게 조절된다. 또한, 앞쪽에 장치된 용기에서 형성된 혼합 와류(mixing vortex)가 상기 용기의 배출 개구를 덮고, 이 때문에 상기 와류는 마찬가지로 소정의 레벨까지 밀봉 방식으로 작용한다.
특히 바람직한 비율은, 추가 용기, 즉 앞쪽에 장치된 용기의 배출 개구와 상기 용기 내, 즉 상기 용기의 바닥 영역에 있는 공구의 높이가 거의 같은 경우이다. 이러한 경우 상기 용기 내에서 회전하는 공구가 원심력에 의해 배출 개구로 삽입됨으로써, 결과적으로 과류 단면적이 재료에 의해 항상 충분히 채워진다.
한 바람직한 개선예에 따르면, 배출 개구는 파이프 소켓(pipe socket)에 의해 삽입 개구와 연결되고, 상기 파이프 소켓에는 차단 장치(shut-off device)가 배치된다. 이로 인해 두 용기 사이의 완전 밀봉이 달성되고, 그 결과 진공 손실 또는 보호 가스 손실이 완전히 방지된다. 본 발명에 따르면, 가장 단순한 경우 상기 차단 장치가 시프트(shift)일 수 있으며, 상기 시프트는 뒤쪽에 장치된 용기에서 진공 처리 또는 가싱(gassing)이 실행되자마자 폐쇄된다. 그러나 이로 인해 완전 연속 작동은 더 이상 가능하지 않게 된다. 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라 차단 장치가 수문, 특히 임펠러(impeller sluice)일 경우에는, 두 용기 사이의 전술한 밀봉이 유지되고 연속적인 동작도 가능해진다. 수문의 임펠러들은 마찬가지로 자체 공지된 방법으로 가싱되거나 또는 배기화될 수 있다.
뒤쪽에 장치된 용기에서 형성된 진공은 앞쪽에 장치된 용기로부터 가공될 원료의 흡인을 지원한다. 이 때문에, 상기와 같은 장치들에서는 일반적으로 용기들이 동일한 높이로 배치될 수 있다. 그러나 중력 영향으로 인한 뒤쪽에 장치된 용기의 충진 작업을 개선하고자 할 경우, 본 발명의 한 개선예에 따라 재료의 흐름 방향으로 앞쪽에 장치된 용기를 후속하는 용기보다 높은 위치에 배열하는 것도 가능하다. 이 때문에 후자는 또한 자신의 측벽의 중간 영역 또는 상부 영역에서, 경우에 따라 덮개에 의해 상부로부터 충진될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 상기 제 1 방법 단계는 바람직한 방식으로 그에 상응하게 설계된 장치에서 2단계로도 실시될 수 있다. 상기 공정시에는, 생성되거나 또는 제공된 재료의 2단계 처리가 이루어지며, 이 경우 예비 처리 장치에서의 예비 처리 중에는 재료의 가소화가 이루어지지 않지만, 결정화 및/또는 소정의 예비 압축과 동시에 건조가 이루어진다. 예비 압축은 상응하는 온도에서 기계적 작동에 의해 또는 재료에의 에너지 공급에 의해 야기된다. 특히, 재료의 기계적 작동에 의한 또한 하나 이상의 혼합 부재 및/또는 분쇄 부재의 회전 에너지의 기계적 에너지로의 변환에 의한 온도 상승 또는 온도 조절은 마찰 손실이 발생됨으로써 이루어진다.
메인 처리 장치에서의 메인 처리 중에는 재료가 상승된 온도에서 계속해서 건조되어 해독되며, 필요할 경우 결정화되며 높은 진공 하에서 특정한 평균 지속 시간 동안 유지된다. 기계적 작동 또는 재료 압축 및 에너지 공급은 재차 하나 이상의 혼합 부재 또는 분쇄 부재에 의해 이루어지고, 상기 혼합 부재 또는 분쇄 부재는 자체 회전으로 재료에 상응하는 열 에너지를 제공하고 상기 재료가 계속해서 가열한다.
진공하에 이루어지는 메인 처리는 잔류 습기를 사전에 설정된 특정한 평균값으로 감소시키고, 또한 휘발성 유해 물질이 재료로부터 분리되도록 한다.
메인 처리시 온도는 재료의 용융 온도 이하로 유지된다. 그러나 상기 온도가 가급적 높게 설정되도록 해야한다.
간행물 EP 123 771호, EP 390 873호, AT 396 900호, AT 407 235호, AT 407 970호, AT 411 682호, AT 411 235호, AT 413 965호, AT 413 673호 또는 AT 501 154호에서 상세하고 특정적으로 기술된 장치들은 그들의 모든 바람직한 실시예들과 함께 본 공개문에 포함되었으며 본 공개문의 필수 구성 부품이다. 상기와 같은 장치들은 실제로도 사용되며, 예컨대 "EREMA 플라스틱 리사이클링 시스템 PC" 또는 "1단계 또는 2단계 VACUREMA-장치들"로서 공지되어 있다.
플라스틱 재료의 재생 처리 또는 예비 처리 후에는 본 발명에 따른 방법의 제 2 방법 단계로서 처리 용기로부터 유출된 플라스틱 재료의 가소화 및 사출 성형 장치에서의 사출 성형이 실행된다.
가소화는 바람직하게 메인 처리 장치 또는 절삭 압축기(cutter compactor)에 직접적으로 연결된, 사출 성형 장치의 압출기에 의해 이루어진다. 진공 밀봉 방식의 직접 연결로 인하여 메인 처리 장치에서의 진공은 압출기의 유입 영역 안까지 영향을 끼칠 수 있다. 압출기는 종종 하나의 가소화 구역을 가지며, 상기 구역에는 압축 구역 및 정체 구역이 연결된다. 상기 정체 구역에는 가스 제거 구역 또는 배기 구역이 연결될 수 있고, 배기 구역에서는 진공, 특히 고 진공(high-vacuum)에 의해 휘발성 물질이 용융물로부터 흡인된다. 이 경우 하나의 단계 또는 여러 단계의 탈가스화가 제공될 수 있다; 다수개의 압축 구역(compression zone) 및 해압(decompression zone) 구역은 상이한 진공으로 연속하여 배치된다. 따라서, 소멸하지 않거나 또는 증발이 쉽지 않은 오염물들이 증발될 수 있다.
예비 처리 및 메인 처리시의 온도 및 지속 시간을 상응하게 선택함으로써 압출기로부터 배출된 용융물의 점도값 및 상기 용융물로 제작된 사출 성형품들의 점도값이 조절될 수 있다. 진공 상태에서 지속 시간을 상응하게 길게 유지하고 그리고 온도를 상응하게 높게 유지됨으로써, 점도에 긍정적인 영향이 미치거나 또는 재중합이 이루어진다.
사출 성형기들은 피스톤 사출 성형기, 스크루 피스톤 사출 성형기 또는 스크루 사출 성형기로 공지되어 있다. 1956년까지는 주로 피스톤 사출 성형기가 사용되었다. 오늘날 주로 사용되는 스크루 피스톤 사출 성형기는 대개 과립 형태의 플라스틱들을 호퍼로부터 스크루 나선 안으로 삽입하고, 커팅하여 상기 플라스틱들을 전단한다. 이로 인해 생성되는 마찰열은 가열된 실린더로부터 공급된 열과 결합하여 비교적 균일한 용융물을 위해 제공된다. 상기 용융물은 뒤로 이동되는 스크루의 첨두 앞에 적재된다. 사출 단계에서 스크루는 후면에 유체역학적으로 세팅되거나 또는 기계적 힘에 의해 가압된다. 이 경우 높은 압력(대개 500 내지 2000bar)하에 있는 용융물은 -이송 성형과 달리- 역류-방지 장치, 사출 성형 공구를 압착하는 노즐, 경우에 따라 가열 덕트 시스템(최근의 시리즈 공구들에서 사용됨) 및 통로에 의해 템퍼링된 사출 성형 공구의 성형된 공동 안으로 밀려 들어간다. 감소된 압력은 보압으로서 연결부(스프루)가 응고(결빙)될 때까지 용융물에 작용한다. 이로 인해 냉각시 발생하는 용적 감소가 전반적으로 보정된다. 이러한 조치로 인해 치수의 정밀성 및 원하는 표면 품질이 달성된다. 그 다음에는 스크루의 회전이 시작된다. 이러한 방식으로 후속하는 몰드 제품의 충진 재료가 재생 처리되는 동안, 몰드 제품은 코어(액상 코어)가 응고될 때까지 공구 내에서 계속해서 냉각될 수 있다. 공구가 개방되어 상기 완성된 몰드 제품을 취출한다.
스크루의 회전 동작에 의한 -경우에 따라 외부 가열 밴드들에 의해 지원되는- 과립의 가소화는 매우 균일한 온도 분포를 보장한다. 사출은 전술한 바와 같이 스크루의 축 방향 동작에 의해 자체적으로 이루어진다. 이로 인해 스크루는 피스톤의 역할도 한다. 몰드 제품의 고품질, 짧은 사이클 타임 그리고 대형 몰드 제품 제조 가능성에 유리하다.
폐쇄 유닛은 분리된 사출 성형 공구를 사출 압력 및 보압의 작용에 대항하여 폐쇄 상태로 유지해야 한다. 상기 폐쇄 유닛은 잔존 냉각 시간이 종료된 후에 몰드를 개방하여 완성된 몰드 제품의 배출한 후 다시 폐쇄되어야 한다. 폐쇄 유닛은 대개 몰드로부터의 완성품의 분리를 개선하기 위한 보조 장치(취출기(ejector))를 포함한다.
제어 장치를 통해 관련된 모든 가공 파라미터들이 조절된다. 동시에 상기 제어 장치는 자동으로 실시되는 제작 동안 전체 프로세스를 모니터링한다.
사출 성형의 프로세스 순서는 실제로 하기와 같이 나누어질 수 있다.
- 배칭 및 가소화 공정
- 실링 포인트에 도달할 때까지 사출 및 보압 유지
- 냉각 공정
- 모울드로부터의 분리 공정
용융물 사출은 대개 노즐 앞쪽에서 링형의 역류-방지 장치를 포함하는 스크루의 유압식 전진 이동에 의해 이루어지며, 그 결과 용융물은 역압으로 인해 스크루 통로들 안으로 뒤로 가압될 수 없다. 상기 전진 이동 속도가 조절됨으로써 특정한 용융물 흐름 "사출 흐름"이 나타난다. 상기 사출 흐름은 대개 다수의 섹션에서 상이하게 높게 설정될 수 있으며, 그로 인해 "사출 흐름 프로파일"이 나타난다.
기본적으로 용융물은 허용된 것과 같이 신속하게 몰딩 네스트(molding nest) 안으로 사출되며, 이 경우 사출 흐름은 재료 손상을 방지하기 위해 알맞게 유지되어야 한다. -용융물의 점도에 따라- 특정한 사출 용적에 관련한 몰드 충진 시간은 이상적인 사출 흐름에서 대략적으로 산출될 수 있으며, 상기 몰드 충진 시간은 표의 형태로 제공되며 실제로 제어값으로 사용된다.
상기 사출 흐름은 충분한 유압(hydraulic pressure)이 제공될 경우에만 구현될 수 있다. 상기 유압은 조절 밸브들을 보호할 목적으로 가능한 낮게 유지되어야 하지만, 자연적으로 사전에 설정된 사출 흐름을 구현할 정도로 충분해야 한다.
몰드 내로 사출된 용융물은 공구 내에서 신속하게 냉각됨과 동시에 용적이 감소하며, 상기 용적 감소는 보압에 의해 최대한 광범위하게 균등화되어야 한다. 물론, 상기 균등화에 필요한 압력이 부품에서 지나치게 높은 고유 응력을 야기해서는 안 된다. 또한, (약 98%의 몰드 충진시) 사출 압력이 보압으로 적기에 전환됨으로써 과잉 사출이 방지되어야 한다. 구체적으로, 전체 사출 압력이 공구 내에서 유효할 경우에는, 공구 및 폐쇄 유닛에 의해 높은 부하가 야기되고, 상기 부하들은 분리 평면이 과도한 내부 압력에 의해 약간 개방되어 용융물이 중간 챔버로 유입될 수 있다("과잉 사출", 웹(web)들의 형성),
공구 내에서의 용융물 연속 냉각에 의해 박판 두께가 얇은 위치에서, 특히 분사 포인트에서는 언제라도 용융물의 응고가 야기되고, 그 결과 보압에 의해 추가 용융물이 더 이상 공동(cavity) 안으로 운반될 수 없다. 이러한 시점에서는 보압이 중단될 수 있다.
몰드 제품 중량이 더 이상 변경되지 않는 경우를 실링 포인트라 하는데, 즉 최대한으로 요구된 보압 시간 및/또는 요구된 보압이 달성된다. 고유 응력을 방지하기 위하여, 최상의 경우 일정한 보압이 아닌, 가장 높은 보압에서 2단계 또는 3단계로 낮아지는 보압 프로파일이 제공된다.
사출된 용융물은 스크루 전실에, 즉 역류-방지 장치 앞에 공급된다. 사출 유닛에서는 과립의 가소화가 가열된 실린더 벽들 및 스크루 회전시에 형성되는 마찰열을 통해 열 대류(heat convection)의 결합에 의해 이루어진다. 스크루 회전은 용융되는 재료를 상기 스크루 전실로 이송시키며, 이 경우 스크루는 대개 이송에 의해 형성되는 압력과 같은 스크루 전실에서 발생되는 상기 압력에 의해 후퇴된다.
이 경우 용융물의 균질화는 상승된 스크루 마찰에 의해, 예컨대 스크루에 주어지는 역압("배압")의 작용하에 또는 스크루 회전 속도(원주 속도) 상승에 의해 개선될 수 있다.
스크루 마찰이 지나치게 높을 경우, 플라스틱을 분해할 수 있는 용융물의 기계적 부하가 야기되므로 상기 스크루 마찰은 한계가 정해져야 한다. 0.2 내지 0.3m/s의 최대 원주 속도가 기준값으로 정해진다. 원주 속도가 기계 제어 장치에 직접 입력될 수 없는 경우에는, 관련된 스크루 회전 속도는 다이어그램에서 14로 확인될 수 있다.
균일한 용융을 지원하기 위해, 대개 40 내지 150bar의 압력이 사용된다. 스크루들의 길이가 비교적 짧을 경우에는 (L/D 비율이 결정적임) 배압이 스크루들의 길이가 비교적 긴 경우보다 약간 높게 선택되어야 하며, 상기 길이가 긴 스크루들은 처음부터 균일한 가열 및 균질화를 가능하게 한다. 통상의 스크루들은 18 내지 22의 L/D 비율을 갖는다.
분무물을 모울드로부터 분리하기 위해서는 상기 분무물이 충분히 냉각되어야 한다. 분리 온도는 제작 재료에 의해 좌우되며, 재료 공급자들에 의해 사전에 결정된다. 어떠한 경우에든 분리된 후에는 예컨대 취출기 핀들에 의한 추후 지연 또는 파트들의 입체적인 변형이 발생하여서는 안 된다.
이를 위해 필요한 냉각 시간은 배칭 시간 및 잔존 냉각 시간으로 이루어진다. 이상적으로 분리 온도로 냉각하기 위한 배칭 시간이 충족된다. 그러나 종종 사이클 타임을 상응하게 연장하는 잔존 냉각 시간이 추가로 제공되어야 한다. 냉각 시간에 있어 중요한 것은 공구 온도, 사출시 재료 온도, 공구 재료(열전도성), 플라스틱 타입(열전도성 및 열전달) 또는 분무물의 벽 두께이다. 가장 큰 영향력을 갖는 것은 벽 두께이다. 냉각 시간은 특정한 재료의 벽 두께에 따라 재료 제조자의 다이어그램에서 확인될 수 있다.
상기 특정한 두 방법 단계 또는 특수하게 설계된 두 장치의 상호 결합의 본 발명의 바람직한 조합에 의해 간단한 방식으로 고품질의 제품들이 획득될 수 있다.
비연속적으로 작동하는 축 방향의 스크루 사출 성형 장치와 연속적으로 작동하는 절삭 압축기의 조합이 바람직하며, 이 경우 상기 절삭 압축기는 바람직하게 중간 단계 없이 사출 성형 장치에 직접 연결된다.
본 발명의 경우와 같이 재료가 루즈(loose)하게 혼합될 뿐만 아니라 가열되며, 청구항 1에 제시된 바와 같이 접착성으로 연화되었지만 조각 상태로 제공되는 플라스틱 재료의 재생 처리시에는, 이러한 방식으로 예비 처리된 폴리머 재료가 개방된 호퍼를 통해 느슨하게 또는 자유 유동성으로 스크루 사출 성형 유닛 안으로 반입될 수 없다. 정확히 스크루 사출 성형 장치들에서는 무엇보다 최적의 공정을 위해 공급이 임계적인데, 그 이유는 이러한 방식으로 예비 처리된 플라스틱 재료들이 예비 처리되지 않은 박편들에 비해 상승된 패킹 밀도를 갖기 때문이다.
따라서, 목표한 충전 레벨에 도달하기 위하여, 사전에 준비되어 재생 처리된 폴리머 재료는 절삭 압축기로부터 힘-공급에 의해 곧 바로 스크루 사출 성형 장치의 인입 영역으로 제공되거나 삽입되어야 한다. 한편으로는 민감하거나 또는 불안정한, 예컨대 흡습성 플라스틱 또는 상승된 습도 함량을 갖는 플라스틱도 안전하게 그리고 품질 유지하에 가공될 수 있는데, 그 이유는 정확히 연화 및 가열 처리가 이루어진 상기 상태에서 증대된 표면적을 갖는 조각 형태의 플라스틱 입자들은 산화 또는 가수 분해의 분해 과정에 아주 약하기 때문이다.
이러한 힘-공급에 의해 또는 직접적이고 연속적인 결합에 의해 또는 절삭 압축기를 사출 성형 장치에 직접 연결함으로써 재생 처리된 재료는 (절삭 압축기 내에서 혼합기들에 의해 야기되는 이동에 의해) 상기 사출 성형 장치 방향으로 견인되고, 그로 인해 사출 성형 하우징의 인입 영역에서는 비교적 높은 충전 레벨이 달성되며, 그 이유는 연화된 박편들이 예비 처리되지 않은 박편들보다 높은 패킹 밀도를 가지기 때문이다. 이는 한편으로는 사출 성형 기계의 스크루가 비교적 짧게 형성될 수 있도록 하고, 그로 인해 사출 성형의 사이클 타임 역시 더욱 단축되며, 추가로 전체 순서가 보다 신속하게 진행될 수 있다.
우선, 상기와 같은 결합 장치들은 실제로 폐 PET-병들에서 새 PET-병들을 제조하기 위해 사용된다. 상기 공정은 대개 리사이클링될 폐 PET-병들이 송출되어, 경우에 따라 먼저 기본 클리닝된 다음 절삭 압축기로 보내지는 식으로 진행된다. 한편으로는 재료로부터 오염물 또는 유해한 냄새 등을 제거하고, 다른 한편으로는 알려진 바와 같이 습기에 민감한 것으로 알려진 PET-재료의 품질을 획득하거나 또는 경우에 따라 심지어 점도 상승을 통해 상기 PET-재료의 품질을 더욱 개선하기 위해, 상응하는 특수한 처리 또는 재생 처리가 필요하다. 일반적으로는 PET-병의 혼합 및 분쇄가 간단하게 달성되지는 않는다. 재생 처리 공정 중에는 무엇보다 온도가 상승하고, 폴리머 입자들은 연화되었지만, 조각 상태로 제공되며, 소정의 지속 시간 동안 상기와 같은 상태로 유지된다. 따라서, 전술한 바와 같이 최종 결과물로 획득된 제품이 식료품과 관련한 사용 측면에서 안전하고, 품질 측면의 요구 조건에도 상응되도록 보장될 수 있다.
PET-병 등과 같은 벌크물 제조시에는 병당 달성되어야 하는 제조시간이 장치의 효율에 있어 중요하다. PET-병의 제조 시간은 표준 장치들에서 병당 약 8 내지 10 시간 범위로 진행된다. 상기와 같은 PET-병은 전술한 바와 같이, 빈번하게 사출 성형법에 의해 제조된다.
본 발명에 따른 결합 장치에 의해서는 하나의 병에 필요한 제조 시간이 약 2시간 이상 정도가 단축될 수 있으며, 이는 대략 20%의 시간 절약을 의미한다. 정확히 벌크물들에서는 낮은 프로세스 가속도 역시 중요하며, 이는 현저한 축소를 야기한다.
추가의 바람직한 공정 및 장치의 바람직한 실시예들은 종속항들에 기술되어 있다.
스크루가 높은 압력 하에서 축 방향으로 자체 변위에 의해 적하 장소 내에서 노즐 앞에 쌓이는 용융물을 사출 성형 부품 안으로 사출하거나 또는 스크루가 용융물을 위한 고압 형성 피스톤으로서 작용하거나 설계됨으로써, 경제적이고 간단한 프로세스 또는 경제적이고 단순한 장치가 제공된다.
스크루가 축 방향으로 자체 변위에 의해 용융물을 비교적 낮은 압력을 이용하여 하우징으로부터 공간적으로 분리된, 그러나 상기 하우징과 유체 연결된 슈팅 포트(shooting pot)로 프레싱하거나 또는 용융물을 높은 압력 하에서 상기 장소로부터, 특히 스크루와 무관하게 연결될 수 있는 피스톤을 통해 또는 공간적으로 분리된 슈팅 포트를 갖는 상기와 같은 장치에 의해 사출 성형 부품 안으로 사출함으로써, 사이클 타임의 단축에 의한 처리량이 상승된다.
재료의 모든 가공 단계 또는 예비 처리 또는 재생 처리 및/또는 전달 및/또는 사출 성형이 진공 상태 또는 보호 가스 하에서 이루어짐으로써, 산화에 의한 분해 또는 가수 분해가 방지될 수 있다.
이 점과 관련하여 특히 바람직하게는, 하우징이 인입 개구를 포함하는 것이 구조적으로 간단하게 설계될 수 있으며, 상기 인입 개구에 의해 하우징이 수납 용기의 배출 개구에, 예컨대 방사상으로 또는 접선 방향으로, 특히 직접적으로, 바람직하게는 가스 밀봉 방식으로 또는 진공 밀봉 방식으로 연결되며, 이 경우 배출 개구는 바람직하게 수납 용기의 바닥면에 가깝게 측벽에, 특히 혼합기의 높이에 배치된다.
또한, 특히 스크루와 사출 성형 부품 사이에는 적어도 하나의 용융물 필터가 제공되거나 및/또는 스크루 사출 성형 장치가, 특히 슈팅 포트와 스크루 사이에 및/또는 통로 내에 배치된 체크 밸브 형태의 런백 차단 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
추가로, 수납 용기는 연속적으로 그리고 스크루 사출 성형 장치는 비연속적으로 작동되는 것이 바람직하다.
본 발명은 하기의 바람직한 실시예들로 제한하지 않고 예시적으로 기술된다.
도 1은 슈팅 포트를 구비하지 않은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예이고,
도 2는 슈팅 포트를 구비한 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예이다.
도 1에 따른 장치는 실질적으로 반응기 또는 절삭 압축기(1) 그리고 상기 반응기 또는 절삭 압축기에 직접, 특히 진공 밀봉 방식으로 연결되고, 부분적으로 도시된 -마찬가지로 사전에 상세하게 기술한- 스크루 사출 성형 장치(10)를 포함한다. 이러한 바람직한 결합에 의해 플라스틱 재료들, 예컨대 PET-재료들(예컨대 박편들)로부터 프리폼들이 제조될 수 있다.
플라스틱 재료를 혼합하고 가열하기 위해, 반응기(1) 내에는 -상기 반응기 또는 절삭 압축기(1) 그리고 상기 반응기 또는 절삭 압축기의 동작은 이미 상세하게 기술되었으며, 그 내용은 여기에서 참조됨- 하나의 수직 축(8)을 중심으로 회전할 수 있는 분쇄기 또는 혼합기(12)가 배치되어 있으며, 상기 분쇄기 또는 혼합기는 재료를 분쇄하고 혼합하는 워킹 에지들을 갖는다. 상기 분쇄기 또는 혼합기에 의해 절삭 압축기(1) 내에 제공된 폴리머 재료가 혼합되고, 상기 재료에는 기계적 에너지가 공급됨으로써, 폴리머 재료의 가열과 동시에 (그러나 용융은 이루어지지 않음) 혼합 및 동작이 이루어진다. 처리는 진공 하에서 이루어진다. 이러한 처리에 의해 예컨대 PET, PLA 등의 흡습성 재료들의 건조가 보장될 뿐만 아니라, 비결정 재료들, 예컨대 PS의 만일에 있을 수 있는 결정화 및 해독 또는 오염 제거도 달성될 수 있다. 또한, 예컨대 2단계 시스템에서, 반응기(1)에 사전 건조된 PET 박편들을 공급함으로써 고유 점도가 상승될 수 있다. 재료는 이러한 예비 처리 후에 스크루 사출 성형 장치(10)에 공급된다.
절삭 압축기(1)에 연결된 사출 성형 장치는 소위 스크루 사출 성형 장치(10)이다. 상기 사출 성형 장치 및 상기 장치의 동작은 마찬가지로 이미 상세하게 기술되었으며, 그 내용은 여기에서 참조된다. 스크루 사출 성형 장치(10)는 하우징(17) 내에서 지지되는 스크루(16)를 포함한다. 도 1에는 슈팅 포트(35)를 구비하지 않은 실시예가 도시되어 있으며, 도 2에는 슈팅 포트(35)를 구비한 실시예가 도시되어 있다. 스크루(16)의 인입 개구(27)는 거의 혼합기(12) 높이이거나 또는 바닥으로부터 혼합기(12)의 간격에 놓이며, 바람직하게는 진공을 형성하기 위한 및/또는 용기의 내부 챔버에서 가스를 분사하기 위한, 절삭 압축기(1)에 연결된 하나 이상의 라인을 갖는다. 인입 개구(27)는 접선 방향으로, 가스 밀봉 방식 또는 진공 밀봉 방식으로 그리고 수납 용기(1)의 배출 개구(15)에 곧 바로 연결된다. 또한, 스크루(16)의 하우징(17)은 구동 장치(20) 방향으로 가스 밀봉 방식으로 설계된다. 어떠한 경우에도 용융물은 사출 성형 부품의 방향으로 밀봉된다.
사출 성형기들은 일반적으로 2개의 부분으로 이루어지는데, 정확히 말하자면 플라스틱 과립을 재생 처리하고 압력 하에서 공구 안으로 분사하는 사출 유닛 또는 가소화 유닛; 및 공구를 수용하는 폐쇄 유닛으로 이루어지며, 상기 공구는 개방 및 폐쇄된다. 도 1 및 도 2에는 분사 유닛 또는 가소화 유닛만 도시되어 있다.
하우징(17)의 내부 지름은 스크루(16)의 외부 지름과 같다. 절삭 압축기(1)는 하우징(17)의 뒤쪽 영역에 배치되어 있다. 스크루(16)는 모터(20)에 의해 구동된다.
인입 개구(27)를 통과하여 사전에 가열 또는 연화 처리된, 그러나 여전히 조각 형태의 재료가 하우징(17)에 도달한다. 구동 장치(20)에 의해 작동된 스크루(16)는 하우징(17) 내에서 회전하여 재료를 앞쪽으로 전송한다. 열가소성 플라스틱의 사출 성형시에는 하우징(17)이 경우에 따라 전기 가열 밴드들에 의해 외부에서부터 가열된다. 과립은 이러한 가열 및 스크루(16) 특유의 형상에 의해 운반될 뿐만 아니라 전단되며, 동시에 플라스틱이 용융되고, 가소화되어 균질화된다.
하우징의 피크에는 노즐(25)(도 1에는 도시되지 않음)이 위치하고, 상기 노즐은 공구로의 전달을 수행한다.
배칭 공정의 진행 중에는 용융된 성형 화합물이 대개 경우에 따라 존재할 수 있는 역류-방지 장치에 의해 노즐(25)까지 운반되고, 그 앞에 있는 적하 장소(26)에 적재된다. 성형 화합물을 위한 충분한 적하 장소(26)를 제공하기 위해, 스크루(16)는 단지 적은 압력(배압)에 의해 축 방향으로 작동됨으로써, 결과적으로 스크루는 절삭 압축기(1) 또는 모터(20) 방향으로 뒤쪽으로 이동될 수 있으며(화살표 참조), 따라서 역류-방지 장치와 노즐(25) 사이에는 소위 스크루 전실(26)이 형성되고, 상기 전실 내에는 재료 용적이 존재한다. 용융물에 대해 배압이 작용하고, 그 결과 용융물이 압축되며, 상기 배압은 스크루(16)를 후퇴시키지 않는다. 용융물이 가하는 압력은 스크루(16)를 후퇴시킨다.
후속되는 분사 공정시에는 스크루(16)가 축 방향으로 노즐(25) 쪽으로 밀어지고, 이 경우 역류-방지 장치가 로킹되어 매스 용적이 노즐(25)을 통해 공구 내로 분사된다.
따라서, 스크루 사출 성형 장치(10)는 비연속적으로 작동하고, 도 2와 달리 슈팅 포트(35)를 포함하지 않는다.
상기 실시예는 단순하고 경제적인 구조적 형상을 의미한다. 경우에 따라, 용융물을 필터링 하기 위한 필터들도 제공될 수 있다.
도 2에는 추가 실시예가 도시되어 있으며, 상기 실시예는 비교적 높은 처리량을 보장한다. 이 경우, 용융된 재료는 스크루(16)에 의해 하우징(17)으로부터 경우에 따라 체크 밸브가 설치된 통로(37)를 통해 앞쪽에 장치된 슈팅 포트(35)로 밀어지고, 그곳에서부터는 스크루(16)와 무관하게 작동하고 높은 압력을 갖는 피스톤(36)에 의해 노즐(25)을 통과하여 몰드 내로 사출된다.
이러한 경우 스크루에서의 용융물 형성에 분사 시간이 이용됨으로써, 사이클 타임이 감소된다.
두 실시예의 경우에 절삭 압축기(1)는 연속적으로 그리고 사출 성형 압출기(10)는 비연속적으로 작동한다. 마찬가지로 용융물을 필터링하기 위한 장치들이 제공될 수 있다.

Claims (15)

  1. 플라스틱 재료의 사출 성형 방법으로서,
    가공될 플라스틱 원재료(plastic raw material)가 먼저 예비 처리 또는 처리되고,
    상기 예비 처리 또는 처리에서, 연속 작동가능한 하나 이상의 절삭 압축기(1) 내에서 상기 플라스틱 재료의 용융 온도 이하의 온도에서 지속적(permanent) 혼합 및 선택적 분쇄 하에서 상기 플라스틱 재료가 가열 및 연화되며,
    상기 플라스틱 재료를 혼합 및 가열하기 위하여 상기 플라스틱 재료를 분쇄하거나, 혼합하거나, 또는 분쇄하고 혼합하는 효과를 가지는 처리 에지들을 구비하는 하나 이상의 혼합기 또는 분쇄기(12)가 사용되며,
    이로써 예비 처리되고 연화되었지만 여전히 조각 형태인 상기 플라스틱 재료가, 비연속적으로 작동하는 스크루 사출 성형 장치(10)로, 직접적으로 즉시 그리고 중간 단계 없이 이송되며,
    상기 스크루 사출 성형 장치(10)는, 상기 절삭 압축기(1)에 직접적으로 그리고 즉시 연결되며 스크루(16)를 가지고,
    상기 스크루(16)는 하우징(17) 내에서 회전가능하면서 그 내부에서 축방향으로 변위 가능하거나 또는 피스톤으로서 작용하고,
    상기 플라스틱 재료는 가소화되고(plastified) 몰드 제품을 형성하도록 내부에서 사출 성형되는, 플라스틱 재료의 사출 성형 방법에 있어서,
    상기 혼합기 또는 분쇄기(12)의 운동에 의해 상기 스크루 사출 성형 장치(10)의 인입 영역 내로 상기 플라스틱 재료가 강제-인입되는(force-fed) 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 재료의 사출 성형 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크루(16)가 자체 축방향 변위에 의해 높은 압력 하에서 사출 몰드 내로 용융물을 직접적으로 사출하거나 또는 상기 스크루(16)가 용융물에게 높은 압력을 가하는 피스톤으로서 작용하는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 재료의 사출 성형 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    자체 축방향 변위에 의해, 낮은 압력 하에서 상기 스크루(16)가, 상기 하우징(17)으로부터 공간적으로 분리되지만 상기 하우징과 유체 연통하는, 슈팅 포트(35) 내로 용융물을 강제-인입시키고,
    높은 압력 하에서 상기 용융물이, 상기 스크루(16)와 무관하게 작동가능한 피스톤(36)을 통해, 상기 슈팅 포트(35)로부터 사출 몰드 내로 사출되는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 재료의 사출 성형 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    재료의 모든 가공 단계, 또는 예비 처리나 처리, 이송, 및 사출 몰딩 중의 하나 이상이 진공 또는 보호 가스 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 재료의 사출 성형 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 용융물이 상기 스크루 사출 성형 장치(10) 내에서 필터링되는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 재료의 사출 성형 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기 또는 분쇄기(12)를 통하여 상기 재료에 기계적으로 에너지가 공급됨으로써 상기 가열이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 재료의 사출 성형 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스틱 재료가 상기 절삭 압축기(1) 내에서 가열되는 동안에,
    상기 플라스틱 재료에 대한 결정화, 건조, 및 정화 중 하나 이상이 이루어지는 현상, 및
    상기 플라스틱 재료의 고유 점도가 상승하는 현상
    중 하나 이상의 현상이 나타나는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 재료의 사출 성형 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 플라스틱 재료의 사출 성형 방법을 수행하기 위한 사출 성형 장치로서,
    상기 사출 성형 장치는, 원통형이고 바닥면(3) 및 측벽(2)을 가지는 연속 작동가능한 하나 이상의 절삭 압축기(1)를 포함하고,
    상기 절삭 압축기(1) 내에는 하나 이상의 혼합기 또는 분쇄기(12)가 배치되며,
    상기 혼합기 또는 분쇄기(12)에 의해, 상기 절삭 압축기(1) 내에 제공된 처리될 플라스틱 재료가 혼합되고, 가열되고, 연화되고, 그리고 선택적으로 분쇄될 수 있고,
    비연속적으로 작동가능한 스크루 사출 성형 장치(10)가 상기 절삭 압축기(1)에 직접적으로 연결되며,
    상기 스크루 사출 성형 장치(10)가, 예비 처리된 플라스틱 재료를 상기 절삭 압축기(1) 밖으로 이송하기 위한 그리고 후속하여 상기 플라스틱 재료를 가소화하기 위한, 하우징(17) 내에서 회전 가능한 스크루(16)를 포함하며,
    상기 스크루(16)가 상기 하우징(17) 내에 축방향으로 변위가능하도록 장착되고 용융물에게 압력을 가하는 피스톤으로서 작용하는, 사출 성형 장치에 있어서,
    상기 스크루 사출 성형 장치(10)의 하우징(17)은, 상기 하우징(17)을 상기 절삭 압축기(1)의 배출 개구(15)에 직접적으로 즉시 그리고 중간 단계 없이 연결시키는 인입 개구(27)를 구비하고,
    상기 혼합기 또는 분쇄기(12), 상기 배출 개구(15), 그리고 상기 스크루 사출 성형 장치(10)는, 처리된 상기 플라스틱 재료가 상기 스크루 사출 성형 장치(10)의 인입 개구(27) 내로 강제-인입될 수 있도록 하는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    사출 성형 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징(17)의 인입 개구(27)가, 상기 절삭 압축기(1)의 배출 개구(15)에 방사 방향 또는 접선 방향으로 가스 및 진공 밀봉 방식으로 연결되며,
    상기 배출 개구(15)가, 상기 절삭 압축기(1)의 바닥면(3)에 가까운 측벽(2) 내에 혼합기 또는 분쇄기(12)의 높이와 같은 높이에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    사출 성형 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 스크루(16)의 축방향 변위가, 노즐(25) 전방의 홀딩 공간(26) 내에 수집된 상기 용융물을 높은 압력 하에서 상기 노즐(25)을 통해 사출 몰드 내로 직접적으로 사출시키는 것을 특징으로 하는,
    사출 성형 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징(17)의 하류에 배치되는 슈팅 포트(35)가 제공되고,
    상기 슈팅 포트(35)는 통로(37)를 통해 상기 하우징(17)과 유체 연통하고 선택적으로 상기 하우징(17)으로부터 구조적으로 분리되며,
    자체 축방향 변위에 의해, 상기 스크루(16)가 낮은 압력 하에서 상기 슈팅 포트(35) 내로 용융물을 밀어넣고,
    상기 슈팅 포트(35) 내에 하나 이상의 피스톤(36)이 제공되며,
    상기 피스톤(36)은 높은 압력 하에서 상기 슈팅 포트(35)로부터 상기 용융물을 사출 몰드 내로 사출시키는 것을 특징으로 하는,
    사출 성형 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스크루 사출 성형 장치(10)가 하나 이상의 역류-방지 장치를 포함하며,
    상기 역류-방지 장치는, 상기 슈팅 포트(35)와 상기 스크루(16) 사이에, 상기 통로(37) 내에, 또는 둘 다에 배치되는 역류-방지 밸브 형태인 것을 특징으로 하는,
    사출 성형 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 스크루(16)와 상기 사출 몰드 사이에 용융물에 대한 하나 이상의 필터가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    사출 성형 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 혼합기 또는 분쇄기(12)는, 수직 축선을 중심으로 회전가능하거나, 복수의(several) 적층식 레벨에 배치되거나, 또는 수직 축선을 중심으로 회전가능하고 복수의 적층식 레벨에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    사출 성형 장치.
  15. 삭제
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