KR101868832B1 - 필름 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

필름 제조 장치 및 제조 방법 Download PDF

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타쿠지 나카무라
히로시 이나자와
타케시 후루타카
겐타로 후지이
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도요 고한 가부시키가이샤
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Abstract

넥 인 억제 효과와 막(膜)흔들림 억제 효과가 뛰어나고, 또한, 넥 인의 억제와 트레이드 오프 관계에 있는 수지 부착물의 억제 효과도 뛰어난 필름 제조 장치 및 제조 방법을 제공한다.
다이(1)의 하단면(1b)에 개설된 출구(1a)로부터 하부로 압출된 용융 수지(fI)를 상기 출구(1a)의 하부에 위치하여 회전하는 냉각 롤(3)으로 인수하고, 냉각 롤(3)에서 용융 수지(fI)를 냉각 및 고체화 하여 필름(FL)을 제조하는 필름 제조 장치(10)이며, 출구(1a)와 냉각 롤(3)의 사이의 공간(K)에 유체(fd)를 제공하는 유체 챔버(chamber)(5)를 더 갖추고 유체 챔버(chamber)(5)는 공간(K) 및 냉각 롤(3)에 대향하는 대향면을 가지고 있고, 유체 챔버(chamber)(5)로부터 제공된 유체(fd)는, 대향면을 따르는 유체 유로를 다이(1) 측으로 흐르면서, 공간(K)내에 존재하는 용융 수지(fI)가 냉각 롤(3)의 회전 방향으로 변위하여 인수되려는 것을 되밀어내는 방향으로 유체압(p)를 부여시키도록 되어 있다.

Description

필름 제조 장치 및 제조 방법{Film Production Device And Production Method}
본 발명은, 수지를 용융하여 다이로부터 압출하여, 냉각 롤로 인수하면서 필름을 제조하는 필름 제조 장치와 제조 방법에 관한 것이다.
다이 또는 금형의 출구에서 압출된 용융 수지는, 그 하부의 냉각 롤에 접지 할 때까지의 공간(에어 갭)에 대해 자유 표면에서 그 형태가 형성되는 신장 유동 변형을 받는다고 일반적으로 알려져 있다. 그리고 상기 신장 유동 변형 시에는, 용융 수지가 넥 인(Neck-in)이라고 하는 폭이 좁아지는 거동을 나타내는 경우가 때때로 있다.
이 넥 인에 의해 필름의 단부는 중앙부에 비해 상대적으로 두꺼워 지기 때문에 필름의 양단부의 상대적으로 두꺼운 영역을 캐스팅 후에 트림 제거하여 최종 제품으로서 필름의 권취를 실시한다. 그리하여, 넥 인이 큰 필름 폭은 스스로 좁아지고 트림 제거되는 수지량이 증가하기 때문에 원재료 수지의 낭비가 많아지고 수지의 이용 효율 저하의 원인이 되고 있다.
상기하는 용융 수지의 넥 인에 대해 보다 상세하게 설명하면, 상기 넥 인은 다이의 출구에서 압출된 용융 수지가 냉각 롤에 접지하여 냉각되어 고체화될 때까지 그 사이에 발생한다. 엄밀하게는 상기 넥 인의 발생은 이하와 같은 용융 수지의 유동 형태의 차이에 기인하는 것이다.
즉, 용융 수지의 유동 형태는, 폭 고정된 부분인 필름의 중앙부(제품이 되는 부분)가 평면 신장 유동이 되며 길이방향뿐만 아니라 폭 방향에도 힘이 작용한다.
한편, 필름 양단부의 유동 형태는 자유롭게 줄어드는 1축 신장 유동이지만, 이것에 추가로 필름 중앙부의 평면 신장 유동 중에 폭 방향으로의 유동의 힘을 받아 넥 인이 생긴다. 상기 넥 인의 발생에 의해 필름의 폭 방향으로 두께 분포가 생기고, 상기 양단부가 자유롭게 줄어드는 것에 의해 상기 양단부에 두꺼워지는 부분이 발생하게 된다.
또한, 필름의 양단부는 상기 1축 신장 유동과 중앙부의 평면 신장 유동의 경계에 대해 쌍방으로부터 압력을 받아 얇아지는 경우도 있다.
종래의 필름 제조 방법으로 얻어진 필름에 대해서는 상기 필름 양단부 두께의 요철 부분을 트림 제거한 폭 치수가 최대 제품 폭이 되었기 때문에, 기술한 바와 같이 수지의 이용 효율이 좋지 않은 문제가 있었다. 또한, 상기 넥 인의 양은 용융 수지가 다이의 출구로부터 냉각 롤에 접지하는 비 구속 상태가 길면 커지는 경향을 나타내며, 냉각 롤 상에서 고체화가 완료할 때까지 그 양은 증가하는 경향이 있다.
이와 같이, 넥 인은 다이의 출구로부터 냉각 롤까지의 공간 거리, 즉 에어 갭의 길이를 짧게 하여 감소시킬 수 있지만, 다이의 출구의 첨단 형상이나 냉각 롤의 배치 모양 등을 감안하면 이 공간 거리의 단축에는 기하학상의 한계가 있다.
그래서, 도 11a에서 나타내는 바와 같이 압출기 E로 통하는 다이 D의 출구 D'를 냉각 롤 CR의 정점의 위쪽에 배치하면, 출구 D'와 냉각 롤 CR의 사이의 공간 거리：t1을 짧게 할 수가 있다. 즉, 도 11a의 2점 쇄선으로 나타내고 있듯이 그 외의 설계 형태로 다이 D가 설계되었을 경우의 공간 거리：t2에 비해서 짧은 공간 거리：t1이 되는 것이다.
그러나, 필름을 성형하는데 있어서 도11b에서 나타내는 바와 같이 냉각 롤 CR의 회전 방향(X1방향)으로 용융 수지가 인수되기 위해서는, 바꾸어 말하면, 냉각 롤 CR의 접선 방향으로 인수하려는 장력에 의해, 용융 수지가 연직 하부에서 회전 방향으로 기울어진 기울기 방향으로 인수되기 위해서는, 실제의 용융 수지의 에어 갭 내부의 길이(공간 거리：t3)는 상기 공간 거리：t1에 비해 큰 폭으로 길어지게 되는 것이다. 또한, 이와 같이 기울기 방향으로 용융 수지가 인수되기 때문에 다이의 출구에 이른바 수지 부착물(메야니)가 붙기 쉬워지고, 게다가, 필름 표면에는 힘줄 모양의 찌그러짐이 발생하여 품질상의 문제가 된다. 상기 t1을 더 짧게 설정하면, 용융 수지는 연직 하부에 대해 직교하는 방향으로 인수되는 형태에 가깝게 되지만, 이 경우에는 팽창(Swell)한 용융 수지가 다이 출구에 접촉하여 필름 제조를 할 수 없게 되는 등의 문제가 생기기 쉬워진다. 그리고, 도11b에서 용융수지(f I)가 냉각 고체화되어 만들어진 필름(FL)은 권취 롤(MR)로 감기게 된다.
그런데, 상기 수지 부착물이 가장 생기기 어려운 냉각 롤에 대한 다이의 출구의 설계 형태는, 도11a의 2점 쇄선으로 나타낸 설계 형태이다. 즉, 상기 설계 형태에 대해서는, 냉각 롤(CR)의 접선 상에 다이의 출구(D')가 존재하기 때문에 상기출구(D')로부터 연직 하부로 압출된 용융 수지가 회전하는 냉각 롤(CR)에 대해 그 접선 방향으로부터 냉각 롤(CR)표면에 접촉하여 연직 하부로 인수되는 것이기 때문에, 다이의 출구(D')에 수지 부착물이 가장 붙기 어렵게 된다.
그렇지만, 도11a의 2점 쇄선으로 나타낸 설계 형태로는, 기하학적인 제약 등으로 용융 수지의 에어 갭 내부에서의 길이가 길어져서 넥 인을 억제하는데 있어서 반드시 바람직한 설계 형태라고는 말하기 어렵다.
이와 같이, 기존의 필름 제조 장치를 구성하는 냉각 롤과 다이(특히 출구의) 위치 관계에 관해서 넥 인의 억제와 수지 부착물 방지가 트레이드오프(tradeoff)의 관계가 되기 때문에 쌍방의 과제를 모두 100%해소하는 것이 아니라, 쌍방의 과제를 모두 어느 정도 해소할 수 있는 설계 형태가 적용되고 있는 것이 현 실정이며, 예를 들어 도11a에서 실선과 2점 쇄선의 사이의 적소에 다이의 출구가 설계되고 있다.
그런데, 상기 넥 인을 억제하는 기술로서 냉각 롤에 접지 한 용융 수지의 양단을 에어 노즐로 누르거나 정전하에 의한 정전하력(coulomb's force)을 이용하여 상기 양단부를 냉각 롤의 표면에 구속하거나 혹은 그들을 병용하는 기술이 특허 문헌 1에 개시되고 있다.
그러나, 이 기술은 용융 수지가 냉각 롤에 접지한 후에 넥 인을 억제하는 것이기 때문에 실제로는 높은 넥 인 억제 효과를 기대하기 어렵고, 상기하는 바와 같이 다이의 출구와 냉각 롤의 사이의 공간 거리를 가급적 짧게 했을 경우의 넥 인 억제 효과에 비해 현격히 떨어지는 것이다.
또, 냉각 롤에 접지 한 용융 수지가 냉각 고체화되는 롤 면이 불균일한 경우에는 성형 된 필름에 국소적인 일그러짐이나 신장 량의 격차나 두께의 분포가 생기게 되고, 또 수지의 배향 분포도 악화 된다. 또한, 에어 블러(Air blur)라고 하는 롤 표면 조도의 불 균열에 기인하여 필름에 외관 얼룩이 생기는 경우도 있다. 이러한 문제는, 용융 수지와 냉각 롤의 밀착력을 높이는 것으로 두께 분포 등의 필름의 특성을 균일화함으로써 해소할 수 있다.
상기 용융 수지와 냉각 롤의 밀착력을 높이는 것에 관해, 정전하를 이용하여 쌍방의 밀착력을 높이는 기술이 특허 문헌 2에 개시되고 있다. 이 기술은, 정전하를 인가할 때 와이어 모양의 전극을 사용하는 것이지만 다이 출구 근방에 전극을 설치했을 경우에 다이 측으로 방전이 발생하게 되어 높은 에어 갭 단축 효과를 기대할 수 없다. 즉, 다이의 출구로부터 냉각 롤에 접지할 때까지의 용융 수지의 경로를 바꿀 수 있는 기술이지만, 다른 장치에 대한 방전 방지를 위한 스페이스가 필요하게 되어 결과적으로 에어 갭의 단축은 어렵다. 또, 밀착력을 확보하기 위해 용융 수지와 전극 간의 거리를 좁히거나 전압을 높이는 등의 방법이 있지만, 이를 실시한 경우에는 필름에 방전흔적이 남을 가능성이 있고 운전 조건의 설정도 어려운 문제가 있다. 또한 필름의 성형에 있어서 대전 가능한 수지의 사용을 전제로 하는 것이기 때문에 사용 수지 재료가 큰 폭으로 제한되는 문제를 가지고 있다.
또한, 에어압을 이용하여 용융 수지와 냉각 롤의 사이의 밀착력을 향상시키는 기술이 특허 문헌 3에 개시되고 있다. 보다 구체적으로는 에어 노즐을 이용하여 에어 동압을 수지에 직접 충돌시키는 것이지만, 상기와 같이 에어 동압을 수지에 직접 충돌시키는 것에 의해 금형측으로 에어의 누출량이 많아져서 막(膜)흔들림이라고 하는 용융 수지의 진동이 생기거나 냉각된 금형에 대해서 전체적으로 균일한 필름을 얻기 위해 매우 어려운 운전 조정이 불가피하게 된다.
또한, 특허 문헌 4에서 개시하는 바와 같이 부압을 형성한 석션 챔버(suction chamber)로 용융 수지와 냉각 롤 간의 에어 유입을 방지하고 양쪽의 밀착력을 확보하는 기술도 존재한다.
또한, 에어챔버(air chamber)를 이용한 기술이 특허 문헌 5, 6에 개시되고 있지만, 이러한 기술은 막(膜)흔들림을 방지하기 위해서 금형측으로 에어의 누출을 방지하는 것을 목적으로 한 것이며, 적극적으로 금형측으로 에어층을 형성하는 것은 아니다. 또 상기 에어챔버(air chamber)는 그 압력이 높아지면 효과가 커지지만, 실제로는 압력 상승에 수반하여 금형측으로 누출되는 에어량이 증가하기 때문에 이것이 에어 갭 중의 용융 수지의 막(膜)흔들림의 원인이 되어 챔버(chamber)의 가압 조건이 제약되게 된다. 이 기술에 대해 에어챔버(air chamber)와 냉각 롤의 다이측의 틈새에는 넥 인이 있기 때문에 양단의 이른바 모서리부가 두꺼워져서 따라서 그 두께 이상의 틈새를 구비해 둘 필요가 있기 때문에 상기 큰 틈새를 통해 대량의 불안정한 에어가 다이 출구 측에 새게 되고 이것이 막(膜)흔들림의 요인이 된다. 따라서, 챔버(chamber) 본체를 다이에서 멀어지도록 설치 할 수밖에 없고 결과적으로 용융 수지가 냉각 롤에 접지 할 때까지의 거리가 길어지게 되는 것이다.
이상과 같이, 다이의 출구로부터 압출되어 냉각 롤의 표면에 접지 할 때까지의 용융 수지의 길이(공간 거리)를 가급적 짧게 함으로써 높은 넥 인 억제 효과와 동시에 막(膜)흔들림을 효과적으로 억제할 수가 있고, 또한, 상기 넥 인의 억제와 트레이드오프 관계에 있는 수지 부착물도 효과적으로 억제할 수 있는 기술의 개발이 해당 기술 분야에 있어 절실하다.
또한 용융 수지의 막(膜)흔들림을 억제하면서, 상기 용융 수지와 냉각 롤의 사이의 높은 밀착력을 확보하여 냉각 고체화를 신속하게 실시함으로써 두께 분포 등의 필름의 특성이 전체적으로 균일화된 필름을 제조할 수 있는 기술의 개발이 절실하다.
일본특허공보 특개 2006-27133호 일본특허공보 특개평 11-58498호 일본특허공보 특개소 41-19706호 일본특허공보 특개 2002-178389호 일본특허공보 특개평 8-258117호 일본특허공보 특개 2000-254958호
본 발명은 상기의 문제를 감안하여 만들어진 것이며, 넥 인 억제 효과와 막(膜)흔들림 억제 효과가 뛰어나고, 또한 넥 인의 억제와 트레이드오프 관계에 있는 수지 부착물의 억제 효과에도 뛰어난 필름 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 필름 제조 장치는, 다이의 하단면에 개설된 출구로 부터 하부로 압출된 용융 수지를 상기출구의 하부에 위치하여 회전하는 냉각 롤로 인수하여 냉각 롤로 용융 수지를 냉각 및 고체화하여 필름을 제조하는 필름 제조 장치이며, 상기 필름 제조 장치는, 상기 출구와 그 하부의 상기 냉각 롤의 사이의 공간에 유체를 제공하는 유체 챔버(chamber)를 더 갖추고, 상기 유체 챔버(chamber)는 상기 공간 및 상기 냉각 롤에 대향하는 대향면을 가지고 있어, 상기 유체 챔버(chamber)로부터 제공된 유체는 상기 대향면을 따르는 유체 유로를 다이 측으로 흐르면서, 상기 공간 내에 존재하는 용융 수지가 냉각 롤의 회전 방향으로 변위하여 인수되려고 하는 것을 되 밀어내는 방향으로 유체압을 부여시키도록 되어 있는 것이다.
본 발명의 제조 장치는, 다이의 출구와 그 하부에 위치하는 냉각 롤 사이의 공간(에어 갭)에 압력 에어 등의 유체를 제공하는 유체 챔버(chamber)를 갖춘 것이고, 출구로부터 압출되어 회전하는 냉각 롤에 접지 한 용융 수지가 상기 냉각 롤의 회전 방향으로 인수되어, 예를 들면 기울기 방향으로 변형하려고 하는 것을 공간에 제공된 유체의 압력에 의해 되밀어내는 것에 의해, 공간 내의 특히 다이의 출구 근방에서의 용융 수지의 자세를 가급적 다이 출구로부터 연직 하부로 늘어나는 자세로 할 수 있어, 상기로 인해 메야니를 효과적으로 억제하면서 용융 수지의 공간 내에서의 길이도 가급적 짧게 함으로써, 넥 인을 억제할 수 있는 장치이다.
유체 챔버(chamber)는 상기의 공간과 냉각 롤에 대향하는 대향면을 가지고, 유체 챔버(chamber)로부터 제공된 유체가 상기 대향면을 따르는 유체 유로를 다이 측으로 흐르도록 되어 있어 공간 내에 압출된 용융 수지는 상기 유체의 흐름을 통해 대향면의 선형에 따르도록 하여 공간으로부터 냉각 롤에 제공된다. 회전하는 냉각 롤에 접지 한 용융 수지는 상기 냉각 롤의 회전 방향으로 인수되지만, 대향면의 형상을 따르는 유체 유로를 흐르는 유체로부터 유체압을 받기 때문에, 공간 내의 용융 수지는 대향면을 따르는 연설(extended section) 자세를 형성하게 된다.
여기서, 유체 챔버(chamber)의 대향면은, 냉각 롤의 롤 면과 상보적 형상을 나타내는 제 1의 영역과 상기 제 1의 영역에서 다이의 상기 출구 측으로 구부러져 유체 챔버(chamber)의 상단에 이르는 제 2의 영역으로 구성되어, 상기 유체 유로는, 상기 제 1의 영역과 상기 롤 면위의 용융 수지 사이의 제 1유로와, 상기 제 2의 영역과 상기 출구 하부의 공간 내에 있는 용융 수지 사이의 제 2유로로 구성되며, 제 2유로로 연속하는 제 1유로의 유로 단면 폭이, 유체 흐름의 상류측인 유체 챔버(chamber)의 내부 유로에 비해서 좁게 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명자등에 의하면, 제 2유로로 연속하는 제 1유로의 유로 단면 폭이 좁아져 있어서(제 2유로의 유로 단면이 유체 챔버(chamber)의 내부 유로에 비해 좁아져 있어서), 제 2의 영역에 대응하는 제 2유로를 흐르는 유체의 감소 효과를 얻게 되어, 제 2유로가 유체 챔버(chamber)의 상단에 이르는 유로 단면 폭(대향면으로부터 냉각 롤까지의 틈새 폭이며, 보다 엄밀하게는 대향면으로부터 냉각 롤과 밀착하는 용융 수지까지의 틈새 폭이며, 유체가 흐르는 틈새 폭을 말한다.)이 변화하는 과정에 대해, 상기변화에 대한 자기 안정성을 용융 수지가 가지도록 할 수 있다. 예를 들어, 유체 챔버(chamber)로부터 제공되는 유체의 압력이 일정한 조건하에서 용융 수지가 외란(바깥 공기의 혼란 등)에 의해 제 2유로의 유로 단면 폭을 넓히는 방향으로 움직였을 경우에, 유체 유로의 유로 저항의 감소에 의해 유체 챔버(chamber)로부터의 유량은 증가하고, 제 1유로의 유로 단면 폭은 일정(유로 저항은 일정)하기 때문에 유속 증가분만큼 압력 손실이 증가하고, 제 2유로에서의 정압이 감소하고 용융 수지의 제 2유로는 좁아지는 방향으로 돌아온다. 한편, 용융 수지가 제 2유로의 유로 단면 폭을 좁게 하는 방향으로 움직였을 경우, 유체 유로의 유로 저항의 증가에 의해 유체 챔버(chamber)로부터 유량은 감소하고, 제 1유로의 유로 단면 폭은 일정(유로 저항은 일정)하기 때문에 유속 증가분만큼 압력 손실이 감소하고, 제 2유로에서의 정압이 증가하여 용융 수지의 제 2유로는 넓어지는 방향으로 돌아온다. 상기와 같이, 제 2유로에서 유로 단면 폭이 변화하는 과정에 대해, 용융 수지는 상기 변화에 대한 자기 안정성을 가지게 되는 것이다.
제 2유로로 연속한 제 1유로의 유로 단면 폭이 좁아짐으로써, 결과적으로 제 2유로를 따르는 다이의 출구 측 단면으로부터 냉각 롤에 접지할 때까지의 공간 내의 용융 수지가 연설되는 자세가 안정된다(구속된다). 또한, 유체 유로에 흐르는 유량을 감소시키는 것도 가능해져, 이에 의해 막(膜)흔들림을 억제할 수 있다.
여기서, 하나의 실시의 형태로는, 상기 제 1유로의 유로 저항이 상기 제 2유로의 유로 저항의 0. 3배 이상이 된다.
제 2유로의 유로 단면 폭의 자기 안정성에 관해서는, 외란에 의해 변동하는 유로 저항의 제 2유로의 입구(제 1유로와의 경계)와 출구(제 2유로와 유체 챔버(chamber)의 상단 면과의 경계)의 정압차이에 대한 일정한 유로 저항을 가지는 제 1유로의 입구와 출구의 정압차이의 비가 클수록 자기 안정성은 높아진다. 즉, 정상시의 제 1유로의 유로 저항/제 2유로의 유로 저항의 값이 클수록 제 2유로의 자기 안정성이 높아진다. 즉, 상기 비를 크게 하여 적어도 곡율반경 변화의 영향을 받는 것보다 정압의 변화의 영향을 받는 것이 커지도록 조정해야 한다. 또, 자기 안정성은, 제 2유로의 유로 단면 폭의 변화에 대해서 압력 변화가 생길 때의 압력 변화량의 크기와 유량 변화량의 크기로 평가할 수 있다. 제 2유로에 대해서 제 1유로의 유로 저항을 크게 하면, 제 2유로 입구에서의 필요 정압이 같은 경우에는 챔버(chamber)원압이 증가하고, 제 2유로의 유로 단면 폭이 바뀐 경우에는 필요 정압의 압력 변화량은 크고 유량의 변화량은 작아진다. 이와 같이 제 1유로의 유로 저항을 크게 함으로써 자기 복원력은 증가한다.
제 1유로의 유로 저항은 높은 편이 좋지만, 유량과 압력 손실의 관계식에서는 유로 저항은 유로 길이에 비례하고, 유로 단면 폭의 3승에 반비례한다. 제 1유로의 유로 길이를 길게 하면 유로 저항은 증가하지만, 유체 챔버(chamber)내의 압력으로 용융 수지를 냉각 롤에 누르는 위치가 다이 출구로부터 멀어진다. 즉, 용융 수지는 냉각 롤에 접지한 후에 신속하게 밀착하여, 냉각 고체화하는 관점에서는 불리하게 되며, 넥 인의 양은 증가하게 된다. 한편, 유로 단면 폭을 작게 하면, 유로 저항이 3승으로 증가하므로 효과적이라고 할 수 있다. 종래의 필름 제조 장치에서는, 냉각 롤 표면의 수지 양단부의 두께가 두껍고, 상기 유로 단면 폭을 좁게 할 수 없었지만, 상기 본 발명의 필름 제조 장치에서는 넥 인이 작고, 냉각 롤 표면의 수지 양단부의 두께 증가분이 적어지므로 상기 유로 단면 폭을 좁게 할 수 있다. 상기 유로 단면 폭(a1)의 치수에 관해, 실용상 1mm이하가 적용되며 0.5mm이하가 보다 바람직하다는 지견을 얻었다. 또, 제 1유로의 유로 저항/제 2유로의 유로 저항의 값이 클수록 바람직하지만, 실용상은 0.3배 이상을 확보하는 것이 바람직하다는 지견을 얻었다.
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 바람직한 실시 형태에 대해, 유체 챔버(chamber)의 상기 상단 면은 평탄면을 이루고, 상기 대향면의 상기 제 2의 영역의 곡율반경은 상기 상단 면과의 교점을 향해 증가하고 있고, 상기 출구로부터 압출된 용융 수지는 상기 유체압을 받으면서, 하부의 상기 공간으로 늘어난 후에 상기 제 2의 유로를 통해 상기 제 2의 영역을 따르도록 하여 상기 롤 면에 이르러, 상기 제 1의 유로를 통해 상기 제 1의 영역을 따르도록하여 상기 롤 면에 밀착하는 것이다.
제 2유로 내에는 그 입구에서 출구까지 압력 손실이 존재하므로, 제 2유로의 유로 단면 폭을 일정하게 하기 위해서, 상기 곡율반경을 출구 측, 즉, 유체 챔버(chamber)의 상단 측을 향해 증가시킬 필요가 있다. 한편, 압력 손실은 유로 길이에 비례하므로, 대향면의 제 2의 영역의 곡율반경을 상단 면과의 교점을 향해 증가시키는 형상으로 함으로써, 제 2유로의 곡율반경과 단위 유로 단면 폭 당 인수 장력, 제 2유로의 입구, 출구의 정압과 제 2유로의 길이에 관한 이하의 관계식을 충족시킬 수 있다.
관계식
Figure 112013038610433-pct00001
여기서, r：제 2유로의 곡율반경(m), a2：제 2유로의 유로 단면 폭(m), r＋a2：용융 수지의 곡율반경(m), T：단위 유로 단면 폭 당 인수 장력(N/m), p2in：제 2유로 입구의 정압(Pa), p20ut：제 2유로 출구의 정압(Pa), L2：제 2유로의 길이, x：제 2유로에서의 입구로부터의 거리(0≤x≤L2)
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 다른 실시 형태에 대해서, 상기 제 2의 영역은 제 1의 영역으로부터 다이의 상기 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하여 상기 상단 면에 대해 직교하는 직선부를 가지고 있는 것이다.
상기 식에 대해, 제 2유로의 출구의 정압을 대기압으로 하면, p20ut는 0이 되고, r은 무한대, 즉 직선이 되기 때문에 반대로 제 2의 영역을 만곡부와 상기 만곡부에 연속하여 상단 면에 대해 직교하는 직선부로 구성하는 것으로 제 2유로 출구의 정압을 대기압 정도로 조정할 수 있다.
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 다른 실시 형태에 대해서, 상기 제 2의 영역은, 제 1의 영역으로부터 다이의 상기 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하여 제 2유로의 유로 단면을 크게 하는 방향 이며 상기 출구로부터 멀어지는 방향으로 경사하여 상기 상단 면에 교차하는 직선부를 가지고 있는 것이다.
제 2유로의 출구 부근에서 동압을 무시할 수 없는 경우, 즉 출구에서 부압에 의해서 용융 수지의 공간 내의 연설 자세에 영향이 큰 경우는 제 2유로 출구에서의 동압을 감소시킬 수 있도록 출구에서의 유로를 확대하는 것으로 동압(유속)을 감소시킬 수 있다.
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 바람직한 실시 형태에 대해, 상기 출구가 임하는 다이의 상기 하단면과 유체 챔버(chamber)의 상기 상단 면은 함께 평탄면을 이루고, 유체 챔버(chamber)의 상기 상단 면과 다이의 상기 하단면 사이에는, 상기 대향면을 따르는 유체 유로가 연장하여 추가로 제3의 유로를 형성하고 있어, 제3의 유로를 흐르는 유체는 상기 제 3의 유로보다 유로 단면이 큰 하류 방향으로 방출되게 되는 것이다.
예를 들어 제3의 유로의 유로 단면 폭을 출구 측을 향해 크게 하고, 유로 단면을 크게 함으로써 동압(유속)을 감소시킬 수 있다.
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 다른 실시 형태는, 상기 제 3의 유로에서의 유체압이 대기압보다 커지도록 상기 제 3의 유로의 유로 단면적이 조정되는 것이다.
제 2유로에서 연속하는 제3 유로의 유로 단면 폭을 조정하여 제3 유로에 있어서의 유체압을 대기압보다 크게 함으로써, 다이의 출구 근방에서의 용융 수지에 대한 부압의 영향을 없앨 수 있다. 이 경우, 부압 발생이 제3 유로의 출구 위치로 이동하기 때문에 공간 내에서 연설되는 용융 수지는 부압의 영향을 받지 않게 되는 것이다.
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 바람직한 실시 형태는, 유체 챔버(chamber)로부터 적어도 2 종류의 유체압의 유체가 제공되도록 되어 있고, 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압이, 상기 내측 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압에 비해 상대적으로 고압으로 조정되는 것이다.
유체 챔버(chamber)로부터 유체 유로에 제공된 유체는, 실제로는 제 1유로, 제 2유로, 및 제3 유로 모두 유로의 도중에서 용융 수지의 폭 방향(이것은 필름의 폭 방향이 된다)의 양단부로 부터 외측으로 샌다. 또, 용융 수지의 상기 양단부에서는 작지만 넥 인이 생겼을 경우에 용융 수지막이 두꺼워지고, 그 부분은 인수 장력이 증가하게 된다. 거기서, 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부영역, 즉, 용융 수지의 양단부가 통과하는 부분의 압력을 상기 내측 영역에 대해 고압으로 설정 가능하게 한다. 예를 들어, 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부 영역과 상기 내측 영역을 구획하여 형성하고, 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부 영역으로부터 고압의 유체를 제공할 수 있다. 상기 양단부의 고압 에어에 의해 제 1유로 이후의 각유로에서의 단부에서 새는 에어을 보충할 수 있다. 또한, 냉각 롤 상에서 용융 수지의 단부를 고압으로 밀착시키는 작용도 가능하기 때문에, 고체화하기까지 발생하는 넥 인을 효과적으로 억제할 수가 있다.
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 바람직한 실시 형태에 대해서, 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되어, 상기 내부 유로가 상기 대향면에 임하는 개구(開口)를 연통하고, 한편, 상기 통부(筒部)의 단면의 일부가 상기 대향면의 상기 제 2의 영역으로 되어, 상기 통부(筒部)의 폭 방향 단부 영역에는 상기 통부(筒部)의 상기 단면의 일부에 임하는 개구(開口)와 이것을 연통하는 별도의 유로가 형성되고 있어 유체 챔버(chamber)의 상기 내부 유로로부터 유체가 제공되어 이것이 상기 유체 유로를 흐르고, 또한 상기 별도의 유로로부터 상기 유체 유로로 더 유체가 제공되는 것이다.
유체 챔버(chamber)로부터 공급되어 유체 유로를 흐르는 유체와는 독립한 유체를 제공하기 위한 유로 단면이 좁혀진 별도의 유로를 통부(筒部)의 폭 방향 단부 영역에 구비하여, 상기 별도의 유로로부터 제공되는 유체에 의해, 제 2유로 이후의 각각의 유로에서의 단부에서 새는 에어를 보충하고, 용융 수지의 곡율반경이나 인수 장력과 균형되도록 필요한 정압을 확보할 수가 있다.
또, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 바람직한 실시 형태는, 상기 별도의 유로로부터 제공된 유체의 온도가 상기 유체 유로를 흐르는 유체의 온도에 비해 고온이 되어 있는 것이다.
별도의 유로로부터 제공되는 유체의 온도를 상대적으로 고온으로 함으로써, 용융 수지의 온도를 고온으로 유지할 수 있어 폭 방향 전체의 인수 장력을 감소하게 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 의한 필름 제조 장치의 바람직한 실시 형태에 대해, 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되어 상기 통부(筒部)의 폭 방향의 2개의 측면에 롤러가 장착되어 상기 롤러가 상기 냉각 롤에 회전가능하게 접촉하여 적어도 상기 제 1의 유로의 유로 단면 폭을 보증하는 것이다.
유체 챔버(chamber)의 2개의 측면(측판)에 롤러를 설계하여, 냉각 롤의 롤 면과 서로 회전 할수 있도록 접촉시킴으로써, 특히 제 1유로에서의 유로 단면 폭을 정밀하게 확보할 수 있으며, 또한 롤러의 위치를 조정함으로써 제 1유로의 유로 단면 폭을 용이하게 변경할 수 있다.
또, 본 발명은 필름 제조 방법에도 이르는 것이며, 본 발명에 의한 필름 제조 방법은, 다이의 하단면에 개설된 출구로부터 하부로 압출된 용융 수지를 상기 출구의 하부에 위치하여 회전하는 냉각 롤에서 인수하여, 냉각 롤에서 용융 수지를 냉각 및 고체화하여 필름을 제조하는 필름 제조 방법이며, 유체 챔버(chamber)로부터 상기 출구와 그 하부의 상기 냉각 롤의 사이의 공간에 유체를 제공하고 상기 유체 챔버(chamber)가 가지는 상기 공간 및 상기 냉각 롤에 대향하는 대향면을 따르는 유체 유로를 통해 다이 측에 상기 유체를 흘려보내고, 상기 공간 내에 존재하는 용융 수지가 냉각 롤의 회전 방향으로 변위하여 인수 되려고 하는 것을 되밀어 내는 방향으로 유체압을 부여시키면서 냉각 롤에 의한 용융 수지의 인수를 행하는 것이다.
상기 제조방법에 대해, 상기의 대향면은, 냉각 롤의 롤 면과 상보적 형상을 나타내는 제 1의 영역과 상기 제 1의 영역으로부터 다이의 상기 출구 측으로 구부러져 유체 챔버(chamber)의 상단에 이르는 제 2의 영역으로 구성되어, 상기 유체 유로는, 상기 제 1의 영역과 상기 롤 면 위의 용융 수지 사이의 제 1유로와, 상기 제 2의 영역과 상기 출구 하부의 공간 내에 있는 용융 수지 사이의 제 2유로로 구성되며, 제 2유로로 연속하는 제 1유로의 유로 단면 폭이 유체 흐름의 상류 측인 유체 챔버(chamber)의 내부 유로에 비해 좁게 되어 있는 것이 바람직하다.
또, 유체 챔버(chamber)의 상기 상단 면은 평탄면을 이루고, 상기 대향면의 상기 제 2 영역의 곡율반경은 상기 상단 면과의 교점을 향해 증가하고 있고, 상기 출구로부터 압출된 용융 수지에 상기 유체압을 부여하면서, 상기 용융 수지를 하부의 상기 공간으로 늘린 후에 상기 제 2 유로를 통해서 상기 제 2의 영역을 따르도록 하여 상기 롤 면에 도달 하게 하고, 상기 제 1의 유로를 통해서 상기 제 1의 영역을 따르도록 하여 상기 롤 면에 밀착시키는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 의한 제조 방법의 다른 형태로서 상기 제 2의 영역이 상기 상단 면에 대해서 직교 하고 있고, 상기 출구로부터 압출된 용융 수지에 상기 유체압을 부여하면서, 상기용융 수지를, 상기 공간 안에서 연직 하부로 늘린 후에 상기 제 2의 유로를 통해서 상기 제 2의 영역을 따르도록 하여 상기 롤 면에 도달 하게 하고, 상기 제 1의 유로를 통해서 상기 제 1의 영역을 따르도록(듯이) 해 상기 롤 면에 밀착시키는 것이어도 좋다. 또한, 상기 형태에서는 상기 제 2의 영역은 1의 영역에서 다이의 상기 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하여 상기 상단 면에 대해 직교 하는 직선부를 가지고 있는 것이어도 좋다.
또, 본 발명에 의한 제조 방법의 다른 형태로서 상기 제 2의 영역은, 제 1의 영역에서 다이의 상기 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하여 제 2유로의 유로 단면을 크게 하는 방향이며, 상기 출구로부터 멀어지는 방향으로 경사하고 상기 상단 면에 교차하는 직선부를 가지고 있는 것이어도 좋다.
또, 본 발명에 의한 제조 방법의 바람직한 실시의 형태로서, 상기 출구가 임하는 다이의 상기 하단면과 유체 챔버(chamber)의 상기 상단 면은 함께 평탄면을 이루고, 유체 챔버(chamber)의 상기 상단 면과 다이의 상기 하단면 사이에는, 상기 대향면을 따르는 유체 유로가 연장하여 제3의 유로를 형성하고 있고, 제 2유로에 이어 제3의 유로에 유체를 흘려보내고, 상기 제 3의 유로보다도 유로 단면이 큰 하류 방향으로 유체를 방출하는 것이어도 좋다. 또한, 이 형태에서는 상기 제 3의 유로에 대한 유체압이 대기압보다 크게 되도록 상기 제 3의 유로의 유로 단면적을 조정하는 것이어도 좋다.
또, 본 발명에 의한 제조 방법의 다른 형태로서 상기 제 1의 유로의 유로 저항을 상기 제 2의 유로의 유로 저항의 0. 3배 이상으로 조정하는 것이어도 좋다.
또, 본 발명에 의한 제조 방법의 다른 형태로서 유체 챔버(chamber)로부터 적어도 2 종류의 유체압의 유체가 제공 되도록 되어 있고, 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압을 그 안쪽 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압에 비해 상대적으로 고압이 되도록 조정하는 것이어도 좋다.
또, 본 발명에 의한 제조 방법의 다른 형태로서 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되고, 상기 내부 유로가 대향면에 임하는 개구(開口)를 연통하고, 또한, 상기통부(筒部)의 단면의 일부가 상기 대향면의 상기 제 2의 영역이 되고 있고, 상기 통부(筒部)의 폭 방향 단부 영역에는 상기 통부(筒部)의 상기 단면의 일부에 임하는 개구(開口)와 이것을 연통하는 별도의 유로가 형성되고 있고, 유체 챔버(chamber)의 상기 내부 유로로부터 유체를 제공하여 상기 유체 유로로 흘려보내고, 또한, 상기 별도의 유로로부터 상기 유체 유로로 더 유체를 제공하는 것이어도 좋다. 여기서, 상기 별도의 유로로부터 제공하는 유체의 온도를, 상기 유체 유로를 흐르는 유체의 온도에 비해 고온으로 해 두는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 의한 제조 방법의 바람직한 실시의 형태로서, 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되어 상기 통부(筒部)의 폭 방향의 2개의 측면에 롤러가 장착되고, 상기 롤러가 상기 냉각 롤에 회전 가능하도록 접촉하여 적어도 상기 제 1 유로의 유로 단면 폭을 보증하는 것이 바람직하다.
이상의 설명으로 이해할 수 있듯이, 본 발명의 필름 제조 장치와 제조 방법에 의하면, 다이의 출구 하부의 공간과 냉각 롤에 대향하는 유체 챔버(chamber)의 대향면을 따르는 유체 유로를 따라 유체 챔버(chamber)로부터 제공된 유체를 흘려보내고, 공간 내에 존재하는 용융 수지가 냉각 롤의 회전 방향으로 변위하여 인수되려고 하는 것을 이 유체 유로를 흐르는 유체의 유체압에 의해 되밀어냄으로써, 출구로부터 연직 하부에 압출된 공간 내의 용융 수지를 가급적 연직 하부로 연설시킬 수 있고, 또한 공간 내에 존재하는 용융 수지의 길이를 가급적 짧게 할 수가 있다. 따라서, 높은 넥 인 억제 효과를 가능하게 함과 동시에 막(膜)흔들림을 효과적으로 억제할 수 있어, 나아가 상기 넥 인의 억제와 트레이드오프 관계에 있는 수지 부착물도 효과적으로 억제할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 필름 제조 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 "II"를 확대해 다이의 출구와 냉각 롤의 사이의 공간과 유체 챔버(chamber)의 하나의 실시 예를 나타낸 도면이며, 도 2의(a)는, 다이의 출구와 냉각 롤 사이의 공간의 용융 수지의 변형을, 되밀어내는 방향으로 유체 유로를 흐르는 유체의 유체압이 작용하고 있는 상태를 설명한 도면이며, 도 2의(b)는 도 2의(a)의 화살표ｂ－ｂ방향 단면도이다.
도 3의(a)는, 도 2의 유체 챔버(chamber)와 냉각 롤, 공간 및 다이의 사이에 형성되는 제 1유로, 제 2유로 및 제3유로와 유체 챔버(chamber)의 대향면을 설명한 도면이며, 도 3의(b),(c)는 모두 유체 챔버(chamber)의 대향면의 다른 실시 예를 설명한 도면이다.
도 4는 제 2유로에 대해 용융 수지에 국소적인 볼록부가 형성되는 것을 설명한 도면이다.
도 5의(a)는 유체 챔버(chamber)의 다른 실시 예를 설명한 도면이며, 도 5의(b)는 도 5의(a)의 화살표 b－b 방향 단면도이다.
도 6의(a)는 유체 챔버(chamber)의 또 다른 실시 예를 설명한 도면이며, 도 6의(b)는 도 6의(a)의 화살표 b－b 방향 단면도이다.
도 7의(a)는 유체 챔버(chamber)의 또 다른 실시 예를 설명한 도면이며, 도 7의(b)는 도 7의(a)의 화살표 b－b 방향 단면도이다.
도 8은 성형된 필름의 폭 방향의 두께 분포 및 길이방향(냉각 롤에 의한 반송 방향)의 두께 분포를 측정한 실험에 대해 사용한, 종래의 필름 제조 장치를 설명한 모식도이다.
도 9의(a)는 본 발명의 제조 장치에 의해 제조된 필름의 폭 방향의 두께 분포에 관한 측정 결과를 나타내는 도면이며, 도 9의(b)는 종래의 제조 장치에 의해 제조된 필름의 폭 방향의 두께 분포에 관한 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 10의(a)는 본 발명의 제조 장치에 의해 제조된 필름의 길이방향의 두께 분포에 관한 측정 결과를 나타내는 도면이며, 도 10의(b)는 종래의 제조 장치에 의해 제조된 필름의 길이방향의 두께 분포에 관한 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 11의(a)는 다이의 출구와 냉각 롤의 상대적인 설계 위치 관계에 의해 쌍방의 사이 공간 거리가 상위한 것을 설명한 도면이며, 도 11의(b)는 냉각 롤의 연직 상부에 다이의 출구가 설계되고 있는 제조 장치에 대해, 냉각 롤의 회전에 의한 인수로 인해 공간 내의 용융 수지의 길이가 길어지는 것을 설명한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 필름 제조 장치와 제조 방법을 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 예에 따른 필름 제조 장치를 나타낸 모식도이며, 도 2는 도 1의 "II"를 확대하여 다이의 출구와 냉각 롤의 사이의 공간과 유체 챔버(chamber)의 하나의 실시 예를 나타낸 도면이며, 도 2a는 다이의 출구와 냉각 롤 사이의 공간의 용융 수지의 변형을 되밀어내는 방향으로 유체 유로를 흐르는 유체의 유체압이 작용하고 있는 상태를 설명한 도면이며, 도 2b는 도 2a의 화살표 b－b 방향 단면도이다. 또한, 도 3a는 도 2의 유체 챔버(chamber)와 냉각 롤, 공간 및 다이 사이에 형성되는 제 1유로, 제 2유로 및 제3 유로와 유체 챔버(chamber)의 대향면을 설명한 도면이며, 도 3b, 도 3c는 모두 유체 챔버(chamber)의 대향면의 다른 실시 예를 설명한 도면이다.
도시하는 제조 장치(10)은 용융 수지를 압출하는 압출기(2)와, 상기 압출기(2)에 연통하여 소정 폭의 출구(1a)를 구비하는 다이(1)와, 다이(1)의 하부에 위치하여 소정의 회전수로 회전 가능(X1방향)한 냉각 롤(3)과, 출구(1a)로부터 압출된(Z방향) 용융 수지(fI)에 대해서 유체를 제공하는 유체 챔버(chamber)(5)를 구비하는 유체 제공부(7)와 냉각 롤(3)으로 용융 수지(fI)가 냉각 고체화 되어 형성되는 필름(FL)을 권취하는(X2방향) 권취 롤(4)로 대략 구성되어 있다.
유체 제공부(7)는, 압력 에어를 형성하는 컴프레서(6)에서 압력 에어를 제공하는 유체 챔버(chamber)(5)로 구성되어 있다.
유체 챔버(chamber)(5)는, 도 2b에서 나타내듯이 구형(矩形)틀 형상의 통부(筒部)(상판 5a, 측판 5b, 하판 5c)와 중앙의 유로(5d)로 구성되어 있고, 도 2a에서 나타내는 바와 같이 냉각 롤(3) 측의 대향면은 냉각 롤(3)과 상보적 형상을 나타내고 있다.
통부(筒部)의 상판(5a)에 대해, 냉각 롤(3) 및 공간(K)에 대향하는 대향면은, 도 2, 도 3에서 나타내는 바와 같이 냉각 롤(3)과 상보적 형상을 나타내는 거의 직선 모양(곡면과 직선의 쌍방을 포함하고, 어느 것이어도 좋다.)의 제 1의 영역(5a1)과 상기 제 1의 영역(5a1)으로부터 다이(1)의 출구(1a)측으로 구부러져 유체 챔버(chamber)(5)의 상단 면(5a3)과 직교 하는 제 2의 영역(5a2)으로 구성되어 있다.
서로 직교 하는 제 2의 영역(5a2)과 상단 면(5a3)의 교점은, 다이(1)의 평탄한 하단면(1b)에 임하는 출구(1a)에 대해서 소정 폭만을 세트 백(setback)한 위치에 설계되고 있다.
출구(1a)로부터 하부로 압출된 용융 수지(fI)는, 공간(K)안에서 늘어나 냉각 롤(3)에 접지하고 회전하는 냉각 롤(3)에 의해 권취되게 된다.
컴프레서(6)에서 생성된 유체(fd)는, 내부 유로(5d)로부터 냉각 롤(3) 표면의 용융 수지(fI)에 제공되어, 여기서 유체압(p)를 용융 수지(fI)에 부여하면서, 용융 수지(fI)와 유체 챔버(chamber)(5)의 사이의 틈새인 유체 유로(S)를 상부에 흘려보낸다. 상부에 흐르는 유체(fd)는 대향면을 따르는 유체 유로(S)를 흐르는 과정에서 출구(1a)로부터 하부의 공간(K)내에서 늘어나는 용융 수지(fI)에 유체압(p)를 부여함으로써, 도 3에서 나타내는 바와 같이, 출구(1a)로부터 연직 하부로 압출된 용융 수지의 특히, 출구(1a)근방의 공간(K)내의 용융 수지를 연직 하부로 연설하여, 유체 유로(S)를 통해서 제 2의 영역(5a2)을 따르도록 하여 냉각 롤(3) 면에 이르러, 유체 유로(S)를 통해서 제 1의 영역(5a1)을 따르도록 하여 냉각 롤(3) 면에 밀착한다.
여기서, 도 3 a를 참조하여 도시하는 대향면을 구비하는 유체 챔버(chamber)(5)와 냉각 롤(3)으로 형성되는 유체 유로(S)에 의해, 다이(1)의 출구(1a)로부터 냉각 롤(3) 표면에 이르는 용융 수지의 반송 경로가 안정되는 것을 이하에서 설명한다. 또한, 도 4는 제 2유로에 대해 용융 수지에 국소적인 볼록부가 형성되는 것을 설명한 도면이다.
도 3에 대해 유체 유로(S)는, 대향면의 제 1의 영역(5a1)에 대응하는 틈새 영역이 제 1유로이며, 제 2의 영역(5a2)에 대응하는 틈새 영역이 제 2유로이며, 유체 챔버(chamber)(5)의 상단 면(5a3)과 다이(1)의 하단면(1b)의 사이의 틈새가 제3의 유로가 되고 있다. 또한, r：제 2의 영역(5a2)에 대응하는 제 2유로의 입구의 대향면의 곡율반경, A：제 1유로의 유로 입구 위치, B：제 1유로의 유로 출구 위치(혹은 제 2유로의 유로 입구 위치), C：제 2유로의 유로 출구 위치(혹은 제3의 유로의 유로 입구 위치), D：제3의 유로의 유로 출구 위치, pC：챔버(chamber) 원압, p0：대기압, p2in：제 2유로의 유로 입구압, p2out：제 2유로의 유로 출구압(제3의 유로를 고려하지 않을 때 p2out=p0), Q：유량, T：인수장력, 제 1유로에 관해서 L1：길이, a1：유로 단면 폭(틈새), v1：유속, Re1：레이놀즈수, 제 2유로에 관해서 L2：길이, a2：유로 단면 폭(틈새), v2：유속, Re2：레이놀즈수, 제3의 유로에 관해서 L3：길이, a3：유로 단면 폭(틈새)), v3：유속, Re3：레이놀즈수이다.
제 2유로에 대해, 용융 수지(fI)의 단위 폭 당 인수 장력 T(N/m), 곡율반경 r(m), 제 2유로의 유로 단면 폭a2(m), 정압 p(Pa)로 했을 때, 하기의 식이 성립한다.
Figure 112013038610433-pct00002
다만, 유체가 방향을 바꿀 때의 원심력과 동압은 무시할 수 있는 것으로 한다.
즉, 제 2유로에 대해, 국소적으로 용융 수지(fI)의 유로 단면 폭(a2)가 변동해도, 인수장력 T, 정압 p가 변화하지 않는 한, 식 1이 성립하는 원 곡율반경 r+a2로 돌아오는 것이다.
또, 제 2유로에 대향하는 용융 수지(fI)는 곡면을 가지고 있어서 강성이 있고 국소적인 요철은 생기기 어렵다. 그러나, 도 4에서 나타내는 바와 같이 제 2유로에 대해 어떠한 외란으로 국소적이고 순간적으로 볼록부(fI')가 생겼을 경우는, 상기 볼록부(fI')의 저변 부분의 곡율반경은 부(-)가 되어야 하다. 이 때, 제 2유로의 압력에 의해 곡율반경이 부(-)의 부분은 존재 할 수 없고, 곡율반경은 크게 완만하게 된다. 이 결과, 제 2유로의 유로 단면 폭 a2는 커지지만, 후술하는 자기 복원성에 의해 제 2유로의 유로 단면 폭이 좁아지는 방향으로 용융 수지(fI)는 움직이고, 원 유로 단면 폭 a2, 곡율반경 r+a2로 돌아오는 것이다. 상기 제 2유로를 따르는 용융 수지(fI)의 곡율반경은 광범위하게 설정할 수 있으며, 곡율반경이 작을수록 다이(1)의 출구(1a)로부터 냉각 롤(3)에 접지 할 때까지의 거리를 줄일 수가 있어 넥 인을 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
또, 제 2유로에 연속한 제 1유로의 유로 단면 폭이 좁게 되는 것으로 제 2의 영역(5a2)에 대응하는 제 2유로를 흐르는 유체(fd)의 감소 효과를 얻을 수 있고, 제 2유로가 유체 챔버(chamber)(5)의 상단 면(5a3)에 이르는 유로 단면 폭이 변화하는 과정에 대해, 상기 변화에 대한 자기 안정성을 용융 수지에 갖게 할 수가 있다. 예를 들어, 유체 챔버(chamber)(5)로부터 제공되는 유체의 압력이 일정한 조건하에서, 용융 수지가 외란(바깥 공기의 혼란 등)에 의해 제 2유로의 유로 단면 폭을 넓히는 방향으로 움직였을 경우에, 유체 유로(S)의 유로 저항의 감소에 의해 유체 챔버(chamber)(5)로부터의 유량은 증가하고, 제 1유로의 유로 단면 폭은 일정(유로 저항은 일정)하기 때문에 유속 증가분만큼 압력 손실이 증가하고, 제 2유로에서의 정압이 감소하여 용융 수지의 제 2유로는 좁아지는 방향으로 돌아온다. 한편, 용융 수지가 제 2유로의 유로 단면 폭을 좁게 하는 방향으로 움직였을 경우, 유체 유로(S)의 유로 저항의 증가에 의해 유체 챔버(chamber)(5)로부터의 유량은 감소하고, 제 1유로의 유로 단면 폭은 일정(유로 저항은 일정)하기 때문에 유속 증가분만큼 압력 손실이 감소하고, 제 2유로에서의 정압이 증가하여 용융 수지의 제 2유로는 넓어지는 방향으로 돌아온다. 이와 같이, 제 2유로에서 유로 단면 폭이 변화하는 과정에 대해, 용융 수지는 상기 변화에 대한 자기 안정성을 가지게 되는 것이다.
만약, 제 1유로에 유로 저항이 없고, 용융 수지가 제 2유로의 유로 단면 폭을 넓히는 방향으로 움직인 경우에는, 챔버(chamber)(5)내의 원압이 제 2유로에서의 압력이 되고. 유로 단면 폭이 넓어지는 방향으로 용융 수지는 움직이게 되어, 유체 유로(S)의 자기 안정성은 없어진다. 이 때문에, 유체 유로(S)의 안정성에 대해서 유로 단면 폭이 좁혀진 제 1유로는 필요조건이 되는 것이다.
제 2유로의 유로 단면 폭이 넓어지면 용융 수지의 곡율반경은 커지고, 적은 정압으로 인수 장력과 균형하게 된다. 실제로는 유로 단면 폭이 넓어졌을 때, 제 2유로의 정압의 감소분이 용융 수지의 곡율반경의 증가에 의한 필요 정압의 감소분보다 커지도록 제 1유로와 제 2유로 쌍방의 형상을 결정하면 된다.
또, 제 1유로를 구비함으로써, 인수속도나 압출 온도 등의 성형 조건의 변경에 의해 용융 수지의 인수장력 T가 다소 변화한 경우에서도, 챔버(chamber) 운전 조건을 변경하는 일 없이 제 2유로의 유로 입구의 필요 압력 p2in=T/(r+a2)에 균형되도록 한다. 챔버(chamber)원압과 제 1유로의 유로 저항을 적정하게 선택하는 것에 의해 상기 균형 범위를 크게 할 수가 있다.
이와 같이, 제 1유로를 구비함으로써, 결과적으로 제 2유로를 따르는 다이(1)의 출구(1a)로부터 냉각 롤(3)에 접지할 때까지의 용융 수지의 공간 내에서의 반송 경로가 안정된다(구속된다). 또, 제 1유로에 의해, 유로에 흐르는 유량을 감소시키는 것이 가능해져 막(膜)흔들림 방지 효과도 높아진다.
제 2유로의 유로 단면 폭의 자기 안정성에 관해서는, 외란에 의해 변동하는 유로 저항의 제 2유로 입구(B)(제 1유로와의 경계)와 출구(C)(제 2유로와 유체 챔버(chamber)(5)의 상단 면(5a3)의 경계)의 정압차이에 대한, 일정한 유로 저항을 가지는 제 1유로의 입구(A)와 출구(B)의 정압차이의 비가 클수록 자기 안정성은 높아진다. 즉, 정상시의 제 1유로의 유로 저항/제 2유로의 유로 저항의 값이 클수록 제 2유로의 자기 안정성이 높아진다. 즉, 상기 비를 크게 하여 적어도 곡율반경의 변화로 인한 영향보다 정압의 변화 영향이 커지도록 조정해야 한다.
또, 자기 안정성은, 제 2유로의 유로 단면 폭의 변화에 대해서, 압력 변화가 생길 때의 압력 변화량의 크기와 유량 변화량의 크기로 평가할 수 있다. 제 2유로에 대해서 제 1유로의 유로 저항을 크게 하면, 제 2유로의 입구(B)에서의 필요 정압이 같은 경우에는 챔버(chamber)원압 pC는 증가하고, 제 2유로의 유로 단면 폭(a2)이 바뀌었을 경우에는 필요 정압의 압력 변화량은 크고, 유량의 변화량은 작아진다. 이와 같이, 제 1유로의 유로 저항을 크게 함으로써 자기 복원력은 증가해 간다.
또, 제 1유로의 유로 저항은 높은 편이 좋지만, 유량 Q와 압력 손실의 관계식에서는 유로 저항은 유로 길이에 비례하고 유로 단면 폭의 3승에 반비례 한다. 제 1유로의 유로 길이 L1을 길게 하면 유로 저항은 증가하지만, 유체 챔버(chamber)(5)내의 압력으로 용융 수지를 냉각 롤(3)에 누르는 위치가 다이의 출구(1a)로부터 멀어지게 된다. 즉, 용융 수지는 냉각 롤(3)에 접지 한 후 신속하게 밀착하여 냉각 고체화 하는 관점에서는 불리하게 되고 넥 인의 양은 증가하게 된다. 한편, 유로 단면 폭(a1)을 작게 하면 유로 저항이 3배로 증가하기 때문에 효과적이라고 할 수 있다. 종래의 필름 제조 장치에서는, 냉각 롤(3) 표면의 수지의 양단부의 두께가 두껍고, 상기 유로 단면 폭을 좁게 할 수 없었지만, 도시하는 필름 제조 장치(10)에서는 넥 인이 작고 냉각 롤(3) 표면의 수지 양단부의 두께 증가분이 적어지기 때문에 상기 유로 단면 폭(a1)을 좁게 할 수가 있다. 상기 유로 단면 폭(a1)의 치수에 관해서는, 실용상 1 mm이하가 적용되며 0.5 mm이하가 보다 바람직한 것이라고 확인되고 있다.
또한, 제 1유로의 유로 저항/제 2유로의 유로 저항의 값이 클수록 바람직하지만, 실용상 0.3배 이상을 확보하는 것이 바람직하다.
또, 제 2유로 내에는 입구(B)로부터 출구(C)까지 압력 손실이 존재하기 때문에 제 2유로의 유로 단면 폭(a2)을 일정하게 하려면, 곡율반경 r을 출구 측, 즉, 유체 챔버(chamber)(5)의 상단 면(5a3)과의 교점을 향해 증가시킬 필요가 있다. 한편, 압력 손실은 유로 길이에 비례하므로 대향면의 제 2의 영역의 곡율반경 r을 상단 면(5a3)과의 교점을 향해 증가시키는 형상으로 함으로써, 제 2유로의 곡율반경 r과 단위 유로 단면 폭당 인수장력 T, 제 2유로의 입구(B), 출구(C)의 정압과 제 2유로의 길이 L2에 관한 이하의 관계식(식 2)을 충족할 수 있다.
Figure 112013038610433-pct00003
여기서, r：제 2유로의 곡율반경(m), a2：제 2유로의 유로 단면 폭(m), r＋a2：용융 수지의 곡율반경(m), T：단위 유로 단면 폭 당 인수 장력(N/m), p2in：제 2유로의 입구의 정압(Pa), p20ut：제 2유로의 출구의 정압(Pa), L2：제 2유로의 길이, x：제 2유로에서의 입구로부터의 거리(0≤x≤L2)
식 2에 대해, 제 2유로의 출구(C)의 정압을 대기압으로 하면, p20ut는 0이 되고, r은 무한대, 즉 직선이 되므로 반대로 제 2의 영역을 도 3b에서 나타내는 유체 챔버(chamber)(5A)와 같이 대향면을 만곡부(5a2')와 상기만곡부(5a2')에 연속하여 상단 면(5a3)에 대해서 직교하는 직선부(5a2'')로 구성됨으로써 제 2유로의 출구(C)의 정압을 대기압 정도로 조정할 수가 있다.
또, 제 2유로의 출구(C)부근에서 동압을 무시할 수 없는 경우, 즉 출구(C)에서 부압에 의해 용융 수지의 공간(K)내의 반송 경로에 영향이 큰 경우에는, 제 2유로의 출구(C)의 동압을 감소시킬 수 있도록 출구(C)의 유로를 확대함으로써 동압(유속)을 감소시킬 수 있다. 즉, 도 3 c에 나타내는 유체 챔버(chamber)(5B)의 대향면에서의 제 2의 영역을, 제 1의 영역으로 부터 다이(1)의 출구(1a)측으로 구부러진 만곡부(5a2')와, 상기 만곡부(5a2')에 연속하여 제 2유로의 유로 단면을 크게 하는 방향이며 출구(1a)로부터 멀어지는 방향으로 경사하여 상단 면(5a3)에 교차하는 직선부(5a2''')로 구성되는 것이다.
또, 도 2, 도 3에서 나타내는 바와 같이, 다이(1)의 평탄한 하단면(1b)와 유체 챔버(chamber)(5)의 평탄한 상단 면(5a3)의 사이에는 제3의 유로가 형성되고, 유체 유로(S)를 흐른 유체는, 제3의 유로를 흐른 후에 상기 제 3 유로의 유로 단면 폭보다도 큰 유로 단면 폭을 가지고 대기로 통하는 하류측에 방출된다(도 2의 방출 유체 fd1). 이와 같이, 제3의 유로의 유로 단면 폭(a3)을 출구(D)측을 향해 크게 하여 유로 단면을 크게 함으로써 동압(유속)을 감소시킬 수 있다.
여기서, 제3 유로에서의 유체압이 대기압보다 커지도록 상기 제 3 유로의 유로 단면적이 조정되고 있다. 제 2유로로부터 연속하는 제3 유로의 유로 단면 폭(a3)을 조정함으로써 유로 단면적이 조정되어, 다이(1)의 출구(1a)근방에서의 용융 수지에 가해지는 부압의 영향을 없앨 수 있다. 이 경우, 부압의 발생이 제3의 유로의 출구(D)측으로 이동하기 때문에 공간(K)내의 용융 수지는 부압의 영향을 받지 않게 된다.
또한, 유체압(p)이나 냉각 롤(3)의 회전 속도, 용융 수지의 압출 속도 등의 조정은, 도면으로 나타내지 않은 제어용 컴퓨터에 의해 조정할 수가 있다. 또, 필요에 따라서 공간(K)내에서의 용융 수지의 반송 경로(연직 방향 등)를 시인할 수 있는 CCD 카메라나 비디오 카메라를 도시하는 장치를 구비하고 있어도 좋고, 예를 들어 소정의 회전수로 냉각 롤을 회전시켜, 소정의 압출 속도로 용융 수지가 압출되었을 때의 공간 내에서의 용융 수지의 반송 경로를 비디오 카메라 등으로 모니터링하여, 예를 들어 상기 모니터 영상을 시인하면서, 공간 내 에어서의 용융 수지의 반송 경로가 원하는 자세가 되도록 압력 에어의 유체압을 조정할 수도 있다.
또, 에어챔버(air chamber)(5)로부터 제공되는 압력 유체(fd)에 의한 유체압p에 의해 용융 수지(fI)를 냉각 롤(3)으로 신속하게 눌러 밀착시켜 냉각 고체화함으로써, 압출된 용융 수지(fI)의 폭과 동일한 정도의 폭을 가지는 필름(FL)의 제조를 보증할 수가 있다.
여기서, 필름 성형용의 수지 재료는 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 가열에 의해 유동성을 나타내는 열가소성수지인 폴리올레핀(polyolefin)이나 폴리에스테르, 폴리아미드나 그 변성체, 혼합체등을 적용할 수 있다.
또, 도 5, 도 6, 도 7은 유체 챔버(chamber)의 다른 실시 예를 설명한 도면이다.
도 5에서 나타내는 유체 챔버(chamber)(5C)는, 그 내부의 유로가 3구획으로 구획하여 형성되고 유체 챔버(chamber)(5C)의 폭 방향 단부 영역의 유로(5e)와 그 안쪽의 내부 영역(5d)으로부터 구성되며, 내부 영역(5d)로부터 유체 유로에 제공되는 유체의 유체압에 비해 폭 방향 단부 영역의 유로(5e)로부터 제공되는 유체의 유체압이 상대적으로 고압으로 조정되고 있는 것이다.
유체 챔버(chamber)로부터 유체 유로에 제공된 유체는, 실제로는, 제 1유로, 제 2유로, 및 제3 유로 모두 유로의 도중에서 용융 수지의 폭 방향(이것은 필름의 폭 방향이 된다)의 양단부로부터 외측으로 샌다. 또, 용융 수지의 상기 양단부에서는 비록 작지만 넥 인이 생겼을 경우에 용융 수지막이 두꺼워져, 그 만큼 인수 장력이 증가하게 된다. 그래서, 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부 영역, 즉, 용융 수지의 양단부가 통과하는 부분의 압력을, 그 내측 영역에 대해서 고압으로 설정 가능하게 한다. 도시하는 바와 같이 폭 방향 단부 영역의 유로(5e)로부터 제공되는 양단부의 고압 유체에 의해, 제 1유로 이후의 각 유로에서의 단부로부터 빠지는 에어를 보충할 수 있다. 또한, 냉각 롤(3) 표면에서의 용융 수지의 단부를 고압으로 밀착시키는 작용도 주효하기 때문에, 고체화되기까지 발생하는 넥 인을 효과적으로 억제할 수가 있다.
또, 도 6에서 나타내는 유체 챔버(chamber)(5D)는, 통부(筒部)의 폭 방향 단부 영역에서 내부 유로(5d)와는 별도의 유로(5f)가 개설된 것이며, 상기 별도의 유로(5f)는 대향면의 제 2의 영역(5a2)의 도중 위치에서 상기 대향면에 임하는 개구(開口)를 가지고 있다.
유체 챔버(chamber)로부터 공급되어 유체 유로를 흐르는 유체와는 독립한 유체를 제공하기 위한 유로 단면이 좁혀진 별도의 유로(5f)를 통부(筒部)의 폭 방향 단부 영역에 설치하여 상기 별도의 유로(5f)로부터 제공되는 유체에 의해, 제 2유로 이후의 각 유로에서의 단부로부터 빠지는 에어를 보충하고, 용융 수지의 곡율반경이나 인수 장력과 균형 되게 하는 데 필요한 정압을 확보할 수 있다.
여기서, 별도의 유로(5f)로부터 제공되는 유체의 온도를 상대적으로 고온으로 함으로써 용융 수지의 온도를 고온으로 유지할 수 있고, 폭 방향 전체의 인수 장력을 낮추는 것이 가능해진다.
또한, 도 7에서 나타내는 유체 챔버(chamber)(5E)는, 통부(筒部)의 폭 방향의 2개의 측판(5b)에 롤러(5g)가 장착되어, 상기 롤러(5g)가 냉각 롤(3)에 회전 가능하도록 접촉하여 적어도 제 1유로의 유로 단면 폭을 보증하는 것이다.
롤러(5g)에 의해, 특히 제 1유로에서의 유로 단면 폭을 정밀하게 확보할 수 있고, 또, 롤러(5g)의 위치를 조정함으로써 제 1유로의 유로 단면 폭을 용이하게 변경할 수 있다.
<실제 수치를 적용한 계산 결과>
용융 수지의 인수 장력은, 수지 및 그 성형 조건에 의해 대체로 정해져 있고, 이 값은 시판하는 캐필러리 레오미터(capillary rheometer)등으로 측정할 수 있다. 여기서, 인수 장력을 알 수 있으면 장치의 사양은 계산으로 결정 가능하기 때문에 본 발명자등은 이하에서 나타내는 각종 계산을 행했다.
<계산에 있어서의 가정>
압력 변화에 따르는 온도 변화나 밀도 변화는 작기 때문에, 등온의 비압축성 점성 유체로 한다. 또, 제 2유로, 제 1유로에서의 유체의 속도는 필름 성형 속도에 비해 크기 때문에, 고정 평행 평판간의 흐름으로 한다. 예를 들면, 필름 성형 속도가 20mpm(0. 33[m/s]의 경우, 이것은 유체 챔버(chamber)내의 내부 유로의 풍속에 비해 작으므로 고정 평판간의 흐름으로 근사 할 수 있다. 또한, 제 2유로에서의 수지의 인수 장력은 정압에 의해 유지되는 것으로 한다. 즉, 유량이 적기 때문에 제 2유로에서의 유체가 방향을 바꿀 때의 동압이나 원심력, 유체 유로의 급 축소나 급 확대에 따르는 압력 손실은 무시할 수 있는 것으로 한다.
<실제 계산 결과>
용융 수지의 단위 폭 당 인수 장력：T=5(N/m),
제 1유로에 접하는 제 2유로에 대응하는 제 2의 영역에서의 곡율반경：r=5×10-3(m),
제 1유로의 유로 단면 폭：a1=0. 3×10-3(m),
제 2유로의 유로 단면 폭：a2=0. 3×10-3(m), 라고 할 때, 제 2유로의 유로 입구에서의 필요 정압은,
Figure 112013038610433-pct00004
제 2유로의 입구 B에서 출구 C로 곡율반경을 늘려, 출구 C에서 무한대(직선)로 하면, 제 2유로의 유로 단면 폭을 일정하게 할 수 있다. 제 2유로 입구 B에 대해 p2in=943(Pa), 출구 C에 대해 p0=0(대기압)으로 하고, 제 2유로의 압력 손실은 Δp2=p2in-p0=943(Pa)가 된다. 유체 점도：μ=18×10-3(Pa·s)로 하여, 필요 유량 Q에 대해 층류역에서는 다음의 식이 성립한다. 또한, 이번에는 층류역이 대상이 되고 있지만, 난류역에서도 계산식이 다를 뿐 같은 방식으로 계산할 수 있다.
Figure 112013038610433-pct00005
이때의 제 2유로, 제 1유로의 유체의 속도ｖ는ｖ=ｖ1= ｖ2(∵a1=a2)
Figure 112013038610433-pct00006
여기서, 유체의 동점도γ=μ/ρ(m2/s), 밀도ρ=1. 2(kg/m3), 유로의 평균 깊이 m=단면적(m2)/윤변(m)이 된다. 따라서,
Figure 112013038610433-pct00007
레이놀즈수Re는,
Figure 112013038610433-pct00008
유체의 흐름은 층류역이 되고, 층류를 대상으로 한 압력 손실과 유량의 관계식에서 문제 없음을 확인할 수 있었다.
유량 Q=0. 0118(m3/s)이므로, 제 1유로에서의 압력 손실 Δp1은,
Figure 112013038610433-pct00009
제 1유로 및 제 2유로내의 유속ｖ에 의한 동압 pｖ는
Figure 112013038610433-pct00010
따라서 챔버(chamber)내의 원압력 pc는
Figure 112013038610433-pct00011
이와 같이, 용융 수지의 인수 장력을 측정해 두면, 제 1유로, 제 2유로 및 유체 챔버(chamber)내의 압력을 결정할 수 있다.
이어서 이 예로 유로의 자기 안정성에 대해 계산해 본다. 먼저, 제 2유로의 유로 단면 폭이 50%넓어진 a2=0.45×10-3(m) 경우의 유량 Q를 구한다.
여기서 챔버(chamber)원압pc, 제 1유로의 압력 손실 Δp1, 제 2유로의 압력 손실 Δp2, 제 2유로의 속도(유체 출구 속도)의 관계는 다음과 같이 된다.
Figure 112013038610433-pct00012
(b),(c),(d) 식을(a)식에 대입하여 Q에 대해 정리하면
Figure 112013038610433-pct00013
상기 식을 Q에 대해 풀면 Q=0. 01648(m3/s)이 된다. 이 때,(d)식으로 부터 V2=24.3(m/s)이 된다. 또한, Q는 일정하므로 V1=(a2/a1) V2=36. 4(m/s)가 된다.
따라서, 제 1유로의 레이놀즈수 Re1, 제 2유로의 레이놀즈수 Re2는,
Figure 112013038610433-pct00014
또, 식(b),(c)에서는, Δp1=2185(Pa), Δp2=388(Pa)이 되고, 제 1유로의 압력 손실이 상승하여 제 2유로 입구의 정압 p2in는 p2in=p2in－p0=Δp2=388(Pa)이 된다.
또한 제 2유로가 확대했을 때의 곡율반경 r＋a2, 인수 장력 T와 균형되도록 필요 정압력 p2in를 확인하면, p2in=T/(r＋a2)=5/((5＋0.45)×10-3)=917(Pa)가 되어, 제 2유로의 압력 저하분보다 높고, 확대한 유로 단면 폭이 좁아지는 방향으로 돌아오는 자기 복원력을 가지는 것을 알 수 있다. 만일 이 값이 제 2유로에서의 정압보다 낮아지면, 유로 단면 폭은 넓어지는 방향으로 커지고 자기 복원력은 없어진다.
즉, 상기의(d) 식의 제 2유로의 유로 단면 폭이 넓어졌을 경우, 용융 수지의 곡율반경은 커져 적은 정압으로 인수 장력과 균형되게 되지만, 실제로는 유로 단면 폭이 넓어졌을 때에 제 2유로의 정압의 감소분이 용융 수지의 곡율반경의 증가에 의한 필요 정압의 감소분보다 크기 때문에, 용융 수지는 제 2유로의 유로 단면 폭이 좁아지는 방향으로 돌아오는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 하여, 자기 복원력을 유지할 수 있도록, 제 1유로 및 제 2유로의 형상을 결정하면 된다.
이어서, 제 2유로의 유로 단면 폭이 50%좁아진 a2=0. 15×10-3(m)의 경우를 동일하게 계산하면 유량 Q 및 유로의 유속ｖ는, Q=0.0036(m3/s),ｖ1=8.0(m/s),ｖ2=15.9(m/s)가 되어, 레이놀즈수Re는, Re1=320<2000, Re2=318<2000이 된다.
압력 손실에 대해서는, Δp1=479(Pa),Δp2=2297(Pa)이다. 즉, p2in=2297(Pa)이 되어, 제 1유로의 압력 손실이 감소하고, 제 2유로 입구에서의 정압이 증가한다. 또한, 제 2유로가 좁아졌을 때의 곡율반경 r＋a2, 인수 장력 T와 균형되도록 하는 필요 정압력분p2in는, p2in=T/(r＋a2)=5/((5＋0.15)×10-3)=970(Pa)이다. 이 값은 실제의 p2in=2297(Pa)보다 낮은 것을 알 수 있다. 이상으로부터, 좁아진 제 2유로의 유로 단면 폭이 넓어지는 방향으로 자기 복원력을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
또, 제 2유로의 길이 L2만을 길게 했을 경우를 상기와 같이 계산하면, L2=50×10-3(m) 때, 챔버(chamber)원압 pc=4500(Pa)(정상시의 p2in=943(Pa), Q=0.0118(m3/s)는 같음)이 되고, 제 2유로의 유로 단면 폭이 50% 넓어졌을 때, 굽은 유로의 입구압 p2in=345(Pa), Q=0.0145(m3/s)가 되고, 제 2유로의 유로 단면 폭이 50% 좁아졌을 때, 제 2유로의 입구압p2in=2994(Pa), Q=0.0047(m3/s)이 되고, L2=25×10-3(m)에 비해 압력 변화량이 크고, 유량 변화량은 작은 것을 알 수 있다.
제 1유로에서 대기 개방한 경우, 속도는 0에 가까워져, 제 1유로 출구의 속도(동압)는 정압으로 변화한다. 이 때 생기는 정압은 부압이 된다.
Figure 112013038610433-pct00015
가 되어, 대기 개방 출구로부터 유속의 감소에 따라 최대 ―412(Pa)의 부압이 생긴다.
상기 부압이 다이 출구의 용융 수지의 경로에 악영향을 미치는 경우, 길이 L3, 유체 단면 폭a3로 구성되는 제3의 유로를 추가함으로써 대기 개방 위치를 용융 수지로부터 떼어 놓을 수 있다. 제3의 유로에서 동압을 정압으로 완전히 변환하는 경우, L3=10×10-3[m]로 하면, 유체 유로폭a3는 이하와 같이 된다.
Figure 112013038610433-pct00016
이와 같이 a3, L3에 의한 효과는 계산 가능하지만, a3를 기준치수로 했을 경우, 용융 수지 출구에 412Pa의 정압이 양압으로서 증가한다. 실제로는, 유로 단면 폭 a3를 이 계산치보다 크게 해 두어, 어느 정도의 유로 저항이 예상되는 치수로 해 두면, 부압발생을 다이 출구로부터 멀어진 위치로 이동시키는 것이 가능하게 된다. 또, 다이 출구 근방의 용융 수지가 안정되도록 조정하는 것이 바람직하다.
<성형된 필름의 폭 방향의 두께 분포 및 길이방향(냉각 롤에 의한 반송 방향)의 두께 분포를 측정한 실험과 그 결과>
본 발명자등은, 도 7에서 나타내는 본 발명의 제조 장치와 도 8에서 나타내는 종래의 제조 장치를 사용하여 실시예 및 비교 예의 필름을 제조하고, 쌍방의 필름의 폭 방향의 두께 분포와 길이방향(냉각 롤에 의한 반송 방향)의 두께 분포를 측정하는 실험을 행했다.
우선, 도 8을 참조하여 본 실험에서 사용한 종래의 제조 장치를 설명하면, 이 제조 장치는, 냉각 얼룩짐을 방지하기 위한 에어챔버(air chamber)(8)와 석션챔버(suction chamber)(8')를 구비하고, 냉각 롤(3)상에서의 폭 축소를 방지하기 위해서 필름 단부를 구속하는 에어 노즐(9)과 엣지핀닝(edge pinning)(9')를 구비한 것이다.
한편, 본 발명의 제조 장치에서의 제 1유로, 제 2유로 및 제3의 유로에 관해, 제 1유로에서는 L1=25×10-3(m), a1=0.3×10-3(m)이며, 제 2유로에서는 L2=15×10-3(m), a2=0. 3×10-3(m)이며, 제3의 유로에 접하는 곡율반경 r=5×10-3(m)이며, 제3의 유로에서는 L3=10×10-3(m), A3=0. 5×10-3(m)이다. 여기서, 제 1유로 a1의 수치에 대해서는 유체 챔버(chamber)의 기계 정밀도나 설치 정밀도가 중요하게 되지만, 그 측판에 롤러를 구비하고 롤러를 냉각 롤 표면에 접촉시킴으로써, 그 틈새를 용이하게 설정할 수 있다. 또 롤러의 위치나 롤러의 지름 등을 조정함으로써, 유로 단면 폭의 조정이 가능해지고 있다. 유로 단면 폭의 수치는, 필름의 가장 두꺼운 부분보다 큰 수치라면 설정 가능하다. 유체 챔버(chamber)에 관해서는, 폭b=1. 53(m), 챔버(chamber)내 압력 pc 약 3000(Pa), 챔버(chamber)측판에 롤러를 설치했다.
본 실험에서는 수지 재료로서 이소프탈산 공중합 폴리에틸렌테레프탈레이트(이소프탈산 15mol%(단위폭 1(m) 당 용융 장력 5(N/mm))를 사용했다. 또, 압출기는 φ65 mm의 2축압출기를, 다이는 1500 mm폭으로 단층 코트 행거인 T다이를 사용하고, 냉각 롤은 φ600 mm의 것을 사용했다. 또, 용융 수지의 압출량을 100 kg/hr, 압출 온도는 260℃으로 하고 냉각 롤 온도를 40℃, 인수 속도를 20mpm(0.33(m/s))으로 했다.
캐필러리 레오미터(capillary rheometer)((주) 도요세이키세이사쿠죠 제 CAPILOGRAPH　3A)로 멜트텐션(용융 장력)을 측정했다. 단위면적당 용융 장력의 측정치는, 6.4×10-3(N/mm2)이며, 다이스폭 1 m당에서는 0.64×10-3(N/mm2)×0.8(mm)(다이스 출구 틈새(립 폭))=5×10-3(N/mm)=5×10-3×1×103(N/m)≒5(N/m)이다.
도 8에서 나타내는 종래의 제조 장치에 대해서, 다이의 출구와 냉각 롤간의 연직 방향의 공간 길이는, 실시 예의 공간 길이와 같았다. 다만, 비교예에서는 다이로부터 압출된 용융 수지가 냉각 롤의 회전 방향으로 인수되어 실제의 에어 갭은 약 30mm가 되고 있다. 또, 에어챔버(air chamber)(8)와 석션 챔버(suction chamber)(8')는 막(膜)흔들림의 발생을 방지하기 위해서 각각 50Pa, -15Pa로 설정하고, 엣지핀닝(edge pinning)9'의 출력은 12kV, 0.15 mA로 했다.
도 9a는 실시예의 필름, 도 9b는 비교예의 필름 각각의 폭 방향의 두께 분포에 관한 측정 결과를 나타내고 있고, 도 10a는 실시예의 필름, 도 10 b는 비교예의 필름 각각의 길이방향의 두께 분포에 관한 측정 결과를 나타내고 있다. 또한, 실시예, 비교예에 관하여 도시하는 두께 분포 데이터에 대해서는 필름의 성형 속도가 20mpm, 두께는 대략 45μm의 것이다.
도 9b에서, 비교예의 필름에서의 평탄한 부분은 대략 1200mm이며, 대체로 T다이의 폭에서 300mm를 뺀 값이 제품 폭이 되고 있다. 또한, 상기 비교예에서는, 필름 단부가 구속되고 있기 때문에 1축 신장 유동하는 끝 엣지부가 두꺼워지고, 중앙의 필름 제품부의 평면 신장 유동하는 영역과의 경계에서 얇아지는 부분도 확인할 수 있다.
한편, 도 9a에서 실시예의 필름에서의 평탄한 부분은 대략 1400mm이며, 대체로 T다이의 폭에서 100mm를 뺀 값이 제품 폭이 되고 있다. 또한, 상기 최단부에는 약간의 넥 인을 확인할 수 있지만, 다이로부터 압출된 용융 수지는 거의 전폭에 걸쳐 평면 신장 유동을 나타내고 있어 비교예에 비해 최대 제품폭이 큰 폭으로 넓어지고 있다.
이와 같이, 본 발명의 제조 장치나 제조 방법을 적용함으로써 동일폭의 다이로부터 제조되는 필름의 최대 제품 폭을 큰 폭으로 증대할 수가 있고 엣지 트림비용을 큰 폭으로 삭감할 수 있다. 그리고, 이 효과는 다이의 출구와 냉각 롤의 사이의 공간 길이의 단축에 따라 커지는 것이다. 또한 용융 수지가 냉각 롤에 접지 한 후의 빠른 밀착이 실현됨으로써 그 효과가 커지고 있는 것이라고 생각된다.
또, 도 10a,b를 비교함으로써, 실시예의 필름의 두께 변동은, 비교예의 필름에 비해 변동량이 적고, 양호한 결과가 되고 있다. 이에 의해, 에어챔버(air chamber)로부터 제공된 압력 에어의 상부로의 흐름에 의한 에어 유량이, 막(膜)흔들림을 발생시키지 않는 정도로 좁혀지고, 또한 이 에어 흐름에 따라 정류가 형성되고 있는 것을 알 수 있다.
또, 다이의 출구와 냉각 롤의 사이의 공간 길이를 더 단축함으로써, 비구속 신장 하는 용융 수지의 길이가 짧아지기 때문에 길이방향의 두께 변동을 더 작게 할 수 있다.
상기하는 실험 결과로 부터 본 발명의 제조 장치, 제조 방법으로 제조된 필름은, 종래의 제조 장치, 제조 방법으로 제조된 것에 비해, 필름의 두께나 배향, 또 외관의 모든 것에 있어 균일성이 뛰어난 것이 되고 있다. 또, 넥 인의 억제와 트레이드오프 관계에 있는 수지 부착물의 억제 효과에도 뛰어난 것이 되고 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 상세하게 설명했지만, 구체적인 구성은 이 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서의 설계 변경 등 이 있어도, 그것은 본 발명에 포함되는 것이다.
1…다이
1a…출구
1b…하단면
2…압출기
3…냉각 롤
4…권취 롤
5, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E…유체 챔버(chamber)
5a…통부(筒部)의 상판
5a1…제 1의 영역(대향면)
5a2…제 2의 영역(대향면)
5a2'…제 2의 영역의 만곡부
5a2''… 제 2의 영역의 직선부(수직선))
5a2'''…제 2의 영역의 직선부(경선)
5a3…상단 면
5b…측면(측판)
5c…하판

Claims (26)

  1. 다이의 하단면에 개설된 출구로부터 하부로 압출된 용융 수지를 상기 출구의 하부에 위치하여 회전하는 냉각 롤로 인수하여, 상기 냉각 롤에서 상기 용융 수지를 냉각 및 고체화 하여 필름을 제조하는 필름 제조 장치에 있어서,
    상기 출구와 그 하부의 상기 냉각 롤 사이의 공간에 유체를 제공하는 유체 챔버(chamber)를 포함하며,
    상기 유체 챔버(chamber)는 상기 공간 및 상기 냉각 롤에 대향하는 대향면을 가지고 있고,
    상기 유체 챔버(chamber)로부터 제공된 유체는, 상기 대향면을 따르는 유체 유로를 통하여 다이 측으로 흐르면서, 상기 공간 내에 존재하는 용융 수지가 상기 냉각 롤의 회전 방향으로 변위하여 인수되려는 것을 되밀어내는 방향으로 유체압을 부여시키며,
    상기 대향면은, 상기 냉각 롤의 롤 면과 상보적 형상을 나타내는 제 1의 영역과 상기 제 1의 영역으로부터 상기 다이의 출구 측으로 구부러져 유체 챔버(chamber)의 상단에 이르는 제 2의 영역으로 구성되고,
    상기 유체 유로는 상기 제 1의 영역과 상기 냉각 롤 면 위의 용융 수지 사이의 제 1유로와 상기 제 2의 영역과 상기 다이의 출구 하부의 공간 내에 있는 용융 수지 사이의 제 2 유로로 구성되고,
    상기 제 2유로에 연속한 상기 제 1유로의 유로 단면 폭이, 상기 유체 챔버(chamber)의 내부 유로에 비해 좁으며,
    상기 유체 챔버(chamber)의 상단 면은 평탄면을 이루고,
    상기 대향면의 상기 제 2의 영역의 곡율반경은 상기 상단 면과의 교점을 향해 증가하고 있고,
    상기 다이의 출구로부터 압출된 용융 수지는 상기 유체압을 받으면서, 하부의 상기 공간으로 압출한 후에 상기 제 2의 유로를 통해서 상기 제 2의 영역을 따라 상기 냉각 롤 면에 이르고, 상기 제 1의 유로를 통해서 상기 제 1의 영역을 따라 상기 롤 면에 밀착하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2의 영역이 상기 상단 면에 대해서 직교 하고 있고,
    상기 다이의 출구로부터 압출된 용융 수지는 상기 유체압을 받으면서, 상기 공간 내에서 연직 하부로 압출된 후에 상기 제 2의 유로를 통해서 상기 제 2의 영역을 따라 상기 냉각 롤 면에 이르고, 상기 제 1의 유로를 통해서 상기 제 1의 영역을 따라 상기 냉각 롤 면에 밀착하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 2의 영역은, 상기 제 1의 영역으로부터 상기 다이의 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하여 상기 상단 면에 대해 직교 하는 직선부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2의 영역은, 상기 제 1의 영역으로부터 상기 다이의 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하여 상기 제 2유로의 유로 단면을 크게 하는 방향이며 상기 다이의 출구로부터 멀어지는 방향으로 경사하여 상기 상단 면에 교차하는 직선부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항의 어느 하나에 있어서, 상기 출구가 임하는 상기 다이의 하단면과 상기 유체 챔버(chamber)의 상단 면은 모두 평탄면을 이루어,
    상기 유체 챔버(chamber)의 상단 면과 상기 다이의 하단면의 사이에는, 상기 대향면을 따르는 상기 유체 유로가 연장되어 추가로 제3의 유로를 형성하고 있고,
    상기 제3의 유로를 흐른 유체는, 상기 제 3의 유로보다도 유로 단면이 큰 하류 방향으로 방출되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 3의 유로에서의 유체압이 대기압보다 커지도록 상기 제 3의 유로의 유로 단면적이 조정되는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1의 유로의 유로 저항이 상기 제 2의 유로의 유로 저항의 0.3배 이상인 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 유체 챔버(chamber)로부터 적어도 2종류의 유체압의 유체가 제공되도록 되어 있고, 상기 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압이, 그 안쪽 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압에 비해 상대적으로 고압으로 조정되는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되고,
    상기 내부 유로가 상기 대향면과 개구(開口)로 연통하고, 상기 통부(筒部) 단면의 일부가 상기 대향면의 상기 제 2의 영역이 되고,
    상기 통부(筒部)의 폭 방향 단부 영역에는, 상기 통부(筒部) 단면의 일부에 형성되는 개구(開口)와 이것에 연통하는 별도의 유로가 형성되고,
    상기 유체 챔버(chamber)의 상기 내부 유로로부터 유체가 제공되어 이것이 상기 유체 유로를 흐르고, 상기 별도의 유로로부터 상기 유체 유로에 더 유체가 제공되는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 별도의 유로로부터 제공된 유체의 온도가, 상기 유체 유로를 흐르는 유체의 온도에 비해 고온인 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되고,
    상기 통부(筒部)의 폭 방향의 2개의 측면에 롤러가 장착되어 상기 롤러가 상기 냉각 롤에 회전 가능하게 접촉하여 적어도 상기 제 1의 유로의 유로 단면 폭을 확보하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 장치.
  12. 다이의 하단면에 개설된 출구로부터 하부에 압출된 용융 수지를 상기 출구의 하부에 위치하여 회전하는 냉각 롤로 인수하고, 상기 냉각 롤에서 상기 용융 수지를 냉각 및 고체화 하여 필름을 제조하는 필름 제조 방법에 있어서,
    유체 챔버(chamber)로부터, 상기 출구와 그 하부의 상기 냉각 롤 사이의 공간에 유체를 제공하고, 상기 유체 챔버(chamber)가 가지는 상기 공간 및 상기 냉각 롤에 대향하는 대향면을 따르는 유체 유로를 통해서 다이 측에 상기 유체를 흘려보내, 상기 공간 내에 존재하는 용융 수지가 상기 냉각 롤의 회전 방향으로 변위하여 인수되려는 것을 되밀어내는 방향으로 유체압을 부여시키면서 상기 냉각 롤에 의한 용융 수지의 인수를 행하며,
    상기 대향면은, 상기 냉각 롤의 롤 면과 상보적 형상을 나타내는 제 1의 영역과 상기 제 1의 영역으로부터 상기 다이의 출구 측으로 구부러져 유체 챔버(chamber)의 상단에 이르는 제 2의 영역으로 구성되고,
    상기 유체 유로는, 상기 제 1의 영역과 상기 냉각 롤 면 위의 용융 수지 사이의 제 1유로와 상기 제 2의 영역과 상기 출구 하부의 공간 내에 있는 용융 수지 사이의 제 2유로로 구성되고, 상기 제 2유로에 연속한 상기 제 1유로의 유로 단면 폭이 상기 유체 챔버(chamber)의 내부 유로에 비해 좁으며,
    상기 유체 챔버(chamber)의 상단 면은 평탄면을 이루고,
    상기 대향면의 상기 제 2의 영역의 곡율반경은 상기 상단 면과의 교점을 향해 증가하고 있고,
    상기 다이의 출구로부터 압출된 용융 수지에 상기 유체압을 부여하면서, 상기 용융 수지를, 상기 공간을 거쳐 상기 제 2의 유로를 통해서 상기 제 2의 영역을 따라 상기 냉각 롤 면에 도달하게 하고, 상기 제 1의 유로를 통해서 상기 제 1의 영역을 따라 상기 냉각 롤 면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제 2의 영역이 상기 상단 면에 대해서 직교 하고 있고,
    상기 다이의 출구로부터 압출된 용융 수지에 상기 유체압을 부여하면서, 상기 용융 수지를, 상기 공간 내에서 연직 하부로 압출한 후에 상기 제 2의 유로를 통해서 상기 제 2의 영역을 따라 상기 냉각 롤 면에 도달하게 하고, 상기 제 1의 유로를 통해서 상기 제 1의 영역을 따라 상기 냉각 롤 면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제 2의 영역은, 상기 제 1의 영역으로부터 상기 다이의 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하고 상기 상단 면에 대해서 직교 하는 직선부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 제 2의 영역은, 상기 제 1의 영역에서 상기 다이의 출구 측으로 구부러진 만곡부와 상기 만곡부에 연속하고 상기 제 2유로의 유로 단면을 크게 하는 방향이며 상기 출구로부터 멀어지는 방향으로 경사하고 상기 상단 면에 교차하는 직선부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  16. 제 12항 내지 제 15항의 어느 하나에 있어서, 상기 출구와 인접하는 상기 다이의 하단면과 상기 유체 챔버(chamber)의 상단 면은 모두 평탄면을 이루고,
    상기 유체 챔버(chamber)의 상단 면과 상기 다이의 하단면의 사이에는 상기 대향면을 따르는 유체 유로가 연장하여 추가로 제3의 유로를 형성하고 있고,
    상기 제 2유로에 이어 상기 제3의 유로에 유체를 흘려, 상기 제 3의 유로보다 유로 단면이 큰 하류 방향으로 유체를 방출하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 제 3의 유로에서의 유체압이 대기압보다 커지도록 상기 제 3의 유로의 유로 단면적을 조정하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 제 1의 유로의 유로 저항을 상기 제 2의 유로의 유로 저항의 0.3배 이상으로 조정하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  19. 제 12항에 있어서, 상기 유체 챔버(chamber)로부터 적어도 2종류의 유체압의 유체가 제공되도록 되어 있고, 상기 유체 챔버(chamber)의 폭 방향 단부 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압을, 그 내측 영역으로부터 제공되는 유체의 유체압에 비해 상대적으로 고압이 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  20. 제 12항에 있어서, 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되고,
    상기 내부 유로가 상기 대향면과 개구(開口)에 연통하고, 상기 통부(筒部) 단면의 일부가 상기 대향면의 상기 제 2의 영역이 되고,
    상기 통부(筒部)의 폭 방향 단부 영역에는, 상기 통부(筒部) 단면의 일부에 형성되는 개구(開口)와 이것에 연통하는 별도의 유로가 형성되고,
    상기 유체 챔버(chamber)의 내부 유로로부터 유체를 제공하여 상기 유체 유로에 흘려보내, 상기 별도의 유로로부터 상기 유체 유로에 더 유체를 제공하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 별도의 유로로부터 제공되는 유체의 온도를, 상기 유체 유로를 흐르는 유체의 온도에 비해 고온으로 해 두는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
  22. 제 12항에 있어서, 상기 유체 챔버(chamber)는 그 내부 유로와 상기 내부 유로 주위의 통부(筒部)로 구성되고,
    상기 통부(筒部)의 폭 방향의 2개의 측면에 롤러가 장착되고 상기 롤러가 상기 냉각 롤에 회전 가능하게 접촉하여 적어도 상기 제 1의 유로의 유로 단면 폭을 확보하는 것을 특징으로 하는 필름 제조 방법.
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