KR101957554B1 - 섬유 강화 수지 조성물의 제조에 사용되는 이축 압출기 및 섬유 강화 수지 조성물의 제조 방법 - Google Patents

섬유 강화 수지 조성물의 제조에 사용되는 이축 압출기 및 섬유 강화 수지 조성물의 제조 방법 Download PDF

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다이고 사가
준 카키자키
토시후미 오하시
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더 재팬 스틸 워크스 엘티디
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Abstract

본 발명에 따른 이축 압출기(10)는 강화 섬유가 입력 포트(18)를 통해 수지 공급부(13)에 형성된 용융된 열가소성 수지 내로 공급되고 강화 섬유와 용융된 열가소성 수지가 반죽부(15)를 통과하여 섬유 강화 수지 조성물이 제조되는 이축 압출기로, 반죽부(15)는 이축 압출기(10)의 토출측 단부에 마련되고; 전송부(14)가 입력 포트(18)와 반죽부(15) 사이에 마련되고; 전송부(14)를 구성하는 나사 요소(12b)의 선단 클리어런스(Sc)가 나사 클리어런스(Ss)보다 크다.

Description

섬유 강화 수지 조성물의 제조에 사용되는 이축 압출기 및 섬유 강화 수지 조성물의 제조 방법{TWIN SCREW EXTRUDER FOR USE IN MANUFACTURING FIBER-REINFORCED RESIN COMPOSITION AND PROCESS FOR MANUFACTURING FIBER-REINFORCED RESIN COMPOSITION}
본 발명은 조방(roving)에 투입된 강화 섬유의 스레드 파손(thread breakage)을 방지하고 제어된 섬유 길이를 갖는 강화 섬유를 함유하는 섬유 강화 수지 조성물의 제조에 사용되는 이축 압출기 및 이축 압출기를 사용하는 섬유 강화 수지 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
섬유 강화 수지는 특정 강도, 성형성 등에서 우수하고 그 응용 분야가 확대되고 있다. 대량 생산이 예상되는 자동차 부품에서, 섬유 강화 수지의 응용 범위는 특수 자동차나 특정 부품의 적용에서 점차 그 응용 범위가 확대되고 있고, 최근 환경 문제 등으로, 자동차의 경량화에 대한 압박이 있고, 일반적인 자동차 부품으로 섬유 강화 수지의 응용 가속화가 예상되고 있다.
섬유 강화 수지를 일반 자동차 부품에 적용하는 경우, 열가소성 수지를 매트릭스로 사용하고 유리 섬유나 탄소 섬유로 강화된 섬유 강화 수지가 개발되었고 성형품 중에 포함되는 강화 섬유의 섬유 길이를 길게하는 것과 강화 섬유의 함유율을 높이는 것이 요구되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1은 섬유 강화 난연성 열가소성 수지 조성물, 성형품 및 섬유 강화 난연성 열가소성 수지 조성물을 제조하는 방법을 제공한다. 수지 조성물에서 강화 섬유의 중량 평균 섬유 길이는 바람직하게는 3mm 이상이고 더욱 바람직하게는 5mm 내지 50mm이다. 성형품에서 강화 섬유의 중량 평균 섬유 길이는 바람직하게는 1mm 이상이고, 더욱 바람직하게는 1mm 내지 10mm이고, 추가적으로 바람직하게는 1.2mm 내지 8mm이다. 더욱이, 성형품에서 1mm 이상의 섬유 길이를 갖는 강화 섬유의 비율은 전체 강화 섬유에 대해 바람직하게는 30 중량% 이상이고 더욱 바람직하게는 33 중량% 내지 95 중량%로 설명된다.
특허문헌 2는 강도, 열적 강도, 내구성, 낮은 흡수성 및 내열 안정성이 우수한 (A) 폴리아미드(polyamid) 20 내지 80 질량% 및 중량 평균 섬유 길이 1 내지 15mm를 갖는 (B) 강화 섬유 20 내지 80 질량%를 포함하는 긴 섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물을 제안한다. 실시예로서, 유리 섬유 조방이 함침 다이 내로 도입되고, 이축 압출기에서 공급한 폴리아미드 수지를 함침시킨 후 인출하고 펠리타이저(pelletizer)로 절단하여 10mm의 길이를 갖는 펠릿(pellet)을 제작하고 이것을 사용하여 사출 성형을 수행하는 발명예의 경우에, 펠릿 상태에서 10mm의 중량 평균 섬유 길이가 성형품에서 3.4mm 내지 4.75mm의 중량 평균 섬유 길이가 되는 것이 도시된다. 한편, 폴리아미드 수지 및 유리 섬유 절단된 스트랜드(glass fiber chopped strands)가 이축 압출기에 공급되고 용융반죽되고(melt-kneaded), 이것을 수냉 바스 중에 스트랜드 형상으로 냉각 고체화한 후, 3mm의 길이를 갖는 펠릿이 생산되고, 이것을 이용하여 사출 성형이 수행되는 비교예의 경우에, 펠릿 상태에서 0.27mm의 중량 평균 섬유 길이가 성형품에서 0.23mm의 중량 평균 섬유 길이가 되는 것이 도시된다.
특허문헌 3은 기계적 특성, 표면 외관성 등이 우수한, 특히, 인장 강도, 휨 모듈러스(flexural modulus), 외관/디자인성, 치수 안정성이 우수한 (A) 열가소성 폴리아미드 수지의 100 중량부에 대해, (B) 탄소 섬유 10 내지 300 중량부와 (C) 비결정질 수지 1 내지 100 중량부를 혼합하여 얻어지는 탄소 섬유 강화 수지 조성물을 제안한다. 폴리아미드 수지와 6.0mm로 절단된 탄소 섬유(절단 섬유)를 이축 압출기에 공급하고 용융반죽하고, 이를 수냉 바스 중에서 스트랜드 형태로 냉각 고체화한 후, 3.0mm의 길이를 갖는 펠릿을 생산하고, 이를 이용하여 사출 성형을 수행하여 얻어진 성형품에서, 탄소 섬유의 중량 평균 섬유 길이가 0.24mm 내지 0.27mm인 것이 개시되어 있다.
특허문헌 4는 강화 섬유와 입자상 고형물을 혼합하여 열가소성 수지를 사출 성형하여 얻어진 수지 사출 성형품으로, 입자상 고형물은 종횡비(aspect ratio)가 1 내지 5이고, 평균 입자 직경이 10μm 이하이고, 배합량이 0.5 내지 5 중량%로 규정되는 것을 제안한다. 매트릭스로 폴리프로필렌 또는 폴리아미드를 사용하는 유리 섬유 또는 탄소 섬유 강화 수지의 성형품이 세가지 방법으로 제조되는 예가 개시되어 있다.
세가지 방법 중, 첫번째 방법은 유리 섬유 또는 탄소 섬유의 조방이 함침 다이 내로 도입되어 폴리프로필렌 또는 폴리아미드로 함침된 후 인출되고, 펠리타이저로 절단하여 기둥형 펠릿을 제조하고 이를 이용하여 사출 성형이 수행되는 방법이다. 두번째 방법은 폴리프로필렌과 유리 섬유 또는 탄소 섬유가 이축 압출기에 의해 용융반죽되고 수냉 바스에서 스트랜드 형태고 냉각 고체화된 후 절단되어 절단된 펠릿을 제조하고 사출 성형 대상이 되는 방법이다. 세번째 방법은 폴리프로필렌 및 조방형 유리 섬유가 이축 압출기에 공급되고 용융반죽되며 이것이 성형을 수행하도록 사출 성형 기기에 공급되는 방법이다. 테스트 결과에 따르면, 입자상 고형물의 추가에 의한 윤활 효과 때문에 강화 섬유가 덜 파손되기 쉽고 성형품의 중량 평균 섬유 길이는 입자상 고형물이 추가된 경우 0.67mm 내지 2.85mm이다.
일본 공개특허공보 제2012-214819호 일본 공개특허공보 제2012-172086호 일본 공개특허공보 제2013-23672호 일본 공개특허공보 제2009-242616호
섬유 강화 수지 성형품의 제조에서, 강화 섬유가 압출기에서 용융 반죽되는 동안 또는 사출 성형되는 동안 파손 및 짧아지기 대문에, 특허문헌 3에 설명된 바와 같이 절단 섬유를 사용하는 방법에서는, 1mm 이상의 중량 평균 길이를 갖는 강화 섬유를 포함하는 성형품을 제조하기가 쉽지 않다. 따라서, 섬유 길이가 긴 섬유 강화 수지 성형품을 제조하기 위해서는, 특허문헌 1, 2 또는 4에 설명된 바와 같이, 열가소성 수지로 함침된 강화 섬유의 조방을 적절한 길이로 절단하여 얻어진 펠릿을 사용하는 사출 성형 방법이 바람직하다. 더욱이, 이 방법은 강화 섬유의 길이가 펠릿의 길이와 동일하기 때문에 강화 섬유의 섬유 길이가 적절한 길이로 조정될 수 있다는 이점을 갖는다.
한편, 특허문헌 4에 설명된 세반째 방법으로 열가소성 수지와 유리 섬유의 조방을 이축 압출기에 공급하고 용융반죽하여 얻어진 조성물을 그대로 사출 성형하는 방법은, 중량 평균 섬유 길이가 1mm 이상인 섬유 강화 수지 성형물을 제조할 수 있고 특허문헌 1, 2 또는 4(첫번째 방법)에 설명된 방법과 같이 섬유 강화 수지 조성물의 펠릿을 제조하기 위한 단계 및 노력이 필요하기 않기 때문에 섬유 강화 수지 성형품이 효과적으로 제조할 수 있다는 이점을 갖는다.
그러나, 특허문헌 4에 설명된 세번째 방법은 유리 섬유의 조방을 사용하나, 중량 평균 섬유 길이는 첫번째 방법의 경우보다 짧다. 더욱이, 특허문헌 4는 탄소 섬유의 조방이 사용된 실시예를 개시하고 있지 않다. 섬유 강화 수지를 일반 자동차 부품에 적용하기 위해서는, 섬유 강화 수지 성형품의 효과적인 제조 및 경제적 효율성이 요구되고, 더욱이, 성형품에서 강화 섬유의 섬유 길이를 길게 할 수 있고 함유율을 증가시킬 수 있는 제조 방법이 필요하다. 또한, 펠릿의 제조 단계 및 특정 첨가물 없이 강화 섬유의 섬유 길이를 적절한 길이로 조정할 수 있는 섬유 강화 수지 조성물을 제조하기 위한 방법이 요청된다.
이러한 종래의 문제점 및 요구사항의 관점에서, 본 발명의 목적은 성형품의 강화 섬유의 섬유 길이를 길게할 수 있고 열가소성 수지 및 강화 섬유의 조방을 이축 압출기에 공급하는 것을 통해 함유율을 증가시킬 수 있는 강화 섬유 수지 조성물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이축 압출기는 강화 섬유가 입력 포트를 통해 수지 공급부에 형성된 용융된 열가소성 수지 내로 공급되고 강화 섬유와 용융된 열가소성 수지가 반죽부를 통과하여 섬유 강화 수지 조성물이 제조되는 이축 압출기로, 반죽부는 이축 압출기의 토출측 단부에 마련되고; 전송부가 입력 포트와 반죽부 사이에 마련되고; 전송부를 구성하는 나사 요소의 선단 클리어런스가 나사 클리어런스보다 크다. 여기서, 선단 클리어런스는 이축 압출기의 실린더의 내주면과 나사(나사 요소)의 외부 가장자리 사이의 최소 간극을 의미한다. 나사 클리어런스는 이축 압출기의 대항하는 나사들(나사 요소들) 사이의 최소 간극을 의미한다.
상기 발명에서, 전송부의 L/D는 3 이상일 수 있고 반죽부의 L/D는 0.5 내지 4.0일 수 있다. 여기서, L/D는 이른바 L/D 비로 이축 압출기의 길이(L)에 대한 나사 요소의 외부 가장자리의 직경(D)의 비를 의미한다.
또한, 1 이상의 L/D를 갖는 후 전송부는 반죽부의 하류에 마련될 수 있다.
또한, 상기 발명에서, 나사 요소의 최소 외주 길이가 전송부를 구성하는 나사 요소보다 작은 값을 갖는 나사 요소로 구성되는 섬유 이완부가 전송부와 반죽부 사이에 마련될 수 있다. 섬유 이완부를 구성하는 나사 요소는 어뢰형 나사일 수 있다.
또한, 핀이 반죽부의 상류에서 나사 요소를 향해 이축 압출기의 실린더로부터 돌출될 수 있고, 나사 요소는 핀과 간섭하지 않는 클리어런스를 갖는다. 실린더로부터 핀이 돌출한 정도는 0.1D 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 이축 압출기는 조방형 강화 섬유가 입력 포트를 통해 수지 공급부에 형성된 용융된 열가소성 수지 내로 공급되고 강화 섬유와 용융된 열가소성 수지가 반죽부를 통과하여 섬유 강화 수지 조성물이 제조되는 이축 압출기로, 반죽부는 이축 압출기의 토출측 단부에 마련되고; 전송부가 입력 포트와 반죽부 사이에 마련되고; 전송부를 구성하는 나사 요소의 선단 클리어런스가 나사 클리어런스보다 크고, 조방형 강화 섬유가 전송부에서 서로 맞물리는 나사 요소들의 외주에 걸쳐 신장되면서 전송된다.
본 발명에 따른 섬유 강화 수지 조성물을 제조하는 방법은, 조방형 강화 섬유가 수지 공급부에 형성된 용융된 열가소성 수지 내로 공급되고 강화 섬유와 용융된 열가소성 수지가 전송부와 반죽부를 연속적으로 통과하여 섬유 강화 수지 조성물이 제조되는, 이축 압출기를 사용하는 섬유 강화 수지 소성물의 제조방법으로, 조방형 강화 섬유가 전송부에 팽팽한 상태로 전송되고; 조방형 강화 섬유가 반죽부에서 이완된 상태로 절단 및 반죽된다. 조방 수단은 유리, 탄소 섬유 등의 필라멘트의 섬유 다발을 의미하고 연속적인 스레드 또는 끈 형상의 섬유 다발이다. 조방형 이라는 용어는 이러한 섬유 다발의 형태를 의미한다.
섬유 강화 수지 조성물을 제조하기 위한 상기 방법에서, 전송부에서 반죽부 내로 도입되는 조방형 강화 섬유의 유속선의 일부에 외란이 발생할 수 있다.
본 발명의 이축 압출기에 따르면, 성형품의 강화 섬유의 섬유 길이가 길어질 수 있고 함유율이 증가할 수 있는 섬유 강화 수지 조성물이 성형될 수 있다. 또한, 섬유 강화 수지 조성물을 사용하여, 강화 섬유의 섬유 길이가 조정되고 함유율이 조정되는 섬유 강화 수지 성형품이 효과적으로 제조될 수 있다. 본 발명의 이축 압출기에 의해 성형된 섬유 강화 수지 조성물이 고온에서 유지된 상태로 사출 성형 기기에 공급될 경우, 섬유 강화 수지 성형품이 효과적으로 제조될 수 있다.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 발명의 이축 압출기의 개략적인 도면이다. 도 1(a)는 나사축 방향 (길이방향) 횡단면도이고 도 1(b)는 수지 공급부(또는 반죽부)의 가로 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이축 압출기의 전송부의 가로 횡단면도이다.
도 3은 이축 압출기의 실린더로부터 나사 요소 방향으로 돌출하는 핀을 도시하는 개략적인 도면이다.
이하 도면에 기초하여 본 발명을 수행하기 위한 실시형태를 설명한다. 도 1(a) 및 도 1(b)는 본 발명의 이축 압출기의 일 실시예를 도시하는 개략적인 도면이다. 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 이축 압출기(10)는 실린더(11) 내측의 나사들(12)을 갖고, 상류측에서 하류측을 향해 수지 공급부(13), 전송부(14), 반죽부(kneading part, 15) 및 후 전송부(16)를 포함한다. 수지 공급부(13), 전송부(14), 반죽부(15) 및 후 전송부(16)는 각각 나사(12)의 나사 요소들(12a, 12b, 12c 및 12d)을 갖는다. 용융된 열가소성 수지는 수지 공급부(13)에 형성되고 강화 섬유를 용융된 열가소성 수지에 공급하기 위한 입력 포트(18)가 마련된다.
이축 압출기(10)에서, 수지 공급부(13)는 필요한 용융된 열가소성 수지가 형성되는 일부이다. 수지 공급부(13)는 용융된 열가소성 수지를 형성하기 위해 입력 포트로부터 열가소성 수지를 공급하는 모드를 가질 수 있거나 탠덤 압출기(tandem extruder)와 같이 상류측에서 접속되는 제1스테이지 압출기와 함께 수지 공급부(13)를 구성하는 모드를 가질 수 있다. 전송부(14)가 수지 공급부(13)와 반죽부(15) 사이에 마련된다. 전송부(14)는 입력 포트(18)에 공급되는 강화 섬유와 수지 공급부(13)에 형성되는 용융된 열가소성 수지를 반죽부(15)를 향해 전송하고 이를 혼합하기 위한 부분이다.
이축 압출기(10)의 전송부(14)에서, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 전송부(14)를 구성하는 나사 요소(12b)의 선단 클리어런스(Sc)가 나사 클리어런스(Ss)보다 크다. 선단 클리어런스(Sc) 또는 나사 클리어런스(Ss)의 실제 크기와 관련하여, 가장 적절한 크기는 사용되는 강화 섬유의 재료 및 크기, 이축 압출기의 사양 등에 따라 선택된다. 전송부(14)에서, 선단 클리어런스(Sc)의 크기 및 나사 클리어런스(Ss)의 크기는, 조방형 강화 섬유가 스레드 파손(thread breakage)을 생성하지 않고 팽팽한(tense) 상태로 전송되고 강화 섬유(31)가 도 2에 도시된 바와 같이 전송부에서 서로 맞물리는(mesh with) 나사 요소들의 외주에 걸쳐 신장되면서 전송되는 상태가 되도록 결정된다. 이러한 전송부(14)를 구성하는 나사 요소로서, 예를 들어, 두꺼운 루트 직경과 감소된 외측 직경을 갖는 풀-플라이트 나사(full-flight screw)가 사용될 수 있다.
이축 압출기(10)의 반죽부(15)는 용융된 열가소성 수지와 함께 전송된 강화 섬유의 조방을 반죽 및 분배하고 조방을 균일하게 분산하는 부분이다. 반죽부(15)의 기능을 나타내기 위해, 먼저, 팽팽한 상태로 전송된 강화 섬유의 조방을 적절히 이완시킨다. 이를 위해, 나사 요소의 최소 외주 길이가 전송부의 나사 요소의 최소 외주 길이보다 작은 나사 요소로 구성되는 섬유 이완부를 제공하는 것이 적절하다. 섬유 이완부를 구성하는 나사 요소로서, 예를 들어, 어뢰형 나사(torpedo screw)가 사용될 수 있다. 부수적으로, 어뢰형 나사는 외측 직경이 플라이트 없이 직경이 짧은 나사 요소이다.
반죽부(15)의 나사 요소로서, 니딩 디스크(kneading disk), 기어 니딩 디스크(gear kneading disk) 또는 높은 분배 성능을 갖는 역 리드 플라이트 나사 요소 등이 사용될 수 있다. 섬유 강화 수지 조성물의 강화 섬유의 섬유 길이가 길어질 수 있고, 함유율도 전송부(14)의 나사 요소 구성과 반죽부(15)의 나사 요소 구성에 의해 증가될 수 있다. 강화 섬유의 섬유 길이는 바람직하게 1mm 이상의 범위 길이로, 더욱 바람직하게는 1 내지 100mm 범위 길이로 조정될 수 있다. 더욱이, 강화 섬유는 체적비로 약 30%(중량비로 40%) 정도까지 함유될 수 있다.
더욱이, 이축 압출기(10)에서, 위치가 반드시 제한되는 것은 아니나, 전송부(14) 또는 섬유 이완부의 뒷 가장자리부 및 반죽부(15)의 상류에서, 도 3에 도시된 바와 같이 이축 압출기(10)의 실린더(11)로부터 나사 요소(12f)를 향해 핀(19)을 돌출시키는 것이 적절하다. 핀(19)에 의해, 전송부(14)에서 반죽부(15)로 도입되는 조방형 강화 섬유의 유속선의 일부에서 발생될 수 있고, 불충분한 분배나 절단에 의해 토출되는 긴 섬유가 섬유 강화 수지 조성물 내로 혼합되는 것이 방지될 수 있다. 핀(19)은 실린더(11)의 내주면으로부터 0.1 × 실린더 내측 직경(Di) 이상 돌출되면 적절하다. 이러한 핀(19)이 돌출하는 경우, 나사 요소는 핀(19)과 간섭하지 않는 클리어런스를 갖는다. 부수적으로, Di은 반죽부 또는 수지 공급부에서 나사 요소의 외부 가장자리의 직경(D)과 거의 동일하다.
전송부(14)의 L/D는 3 이상이 적절하다. 반죽부(15)의 L/D는 0.5 내지 4.0일 수 있고 적절한 값은 강화 섬유의 목표로 하는 섬유 길이에 따라 선택된다. 반죽부(15)의 L/D가 큰 경우, 강화 섬유를 절단 회수가 증가하여, 섬유 길이가 짧아지게 된다. 강화 섬유가 적절히 절단 및 분산되면, 강화 섬유가 불필요한 절단을 방지하기 위해 이축 압출기(10)로부터 빠르게(promptly) 토출되는 것이 적절하다. 이를 위해, 이축 압출기(10)의 토출 단부에서 반죽부(15)를 제공하는 것이 적절하다. 그러나, 반죽된 강화 섬유 조성물의 안정적인 토출을 수행하기 위해, 후 전송부(16)가 마련될 수 있다. 후 전송부(16)의 L/D는 1 이상일 수 있다.
[실시예]
도 1에 도시된 구성을 갖는 이축 압출기(재팬 스틸 워크스 엘티디(Japan Steel Works Ltd.)에서 제조된 이축 압출기 텍스(Tex) 44)에 의해 섬유 강화 수지 조성물을 제조하기 위한 테스트가 수행되었다. 폴리아미드 6 수지(PA6)가 열가소성 수지로 사용되었고 7μm의 섬유 직경을 갖는 단일 섬유들이 묶여진(bundled) 조방형 탄소 섬유가 강화 섬유로 사용되었다.
이축 압출기에서, 전송부는 표준 풀-플라이트 나사(표준 FF), 선단 클리어런스(Sc)가 나사 클리어런스(Ss)보다 크고 나사 클리어런스(Ss)가 표준 FF보다 큰 풀-플라이트 나사(FF1) 또는 선단 클리어런스(Ss)가 나사 클리어런스(Ss)보다 크고 나사 클리어런스(Ss)가 표준 FF와 동일한 풀-플라이트 나사(FF2)로 구성되었다. 전송부의 L/D는 12였다.
반죽부는 표준 니딩 디스크(KD) 또는 어뢰형 나사(TR)의 조합과 1-라인 노치(one-line notch)를 갖는 역 리드 플라이트 나사(BMS)로 구성된다. 반죽부의 L/D는 1이었다. 반죽부가 이축 압출기의 토출측 단부에 마련되고, 반죽부에 이어서, 후 전송부(L/D = 1)가 토출측 최말단부에 마련되었다. 더욱이, 반죽부의 전(테이블 1의 벤트(Vent)의 칼럼(전), 벤트 25) 또는 후에는, 벤트가 마련된다.
이축 압출기의 실린더에서 돌출되는 핀(19)이 존재하거나 없는 경우에 제조 테스트가 수행되었다. 핀의 돌출 정도는 0.20Di였고, 외측 직경은 0.23Di였고, 핀은 어뢰형 나사가 마련되는 위치 부분에 배열되었다.
표 1은 테스트 결과를 나타낸다. 표 1에서, 스레드 파손(thread breakage)은 조방이 이축 압출기 내로 삽입된 개소(전송부)에서 스레드(thread)가 파손되는 것을 의미하고, 용융된 수지가 스레드가 파손된 부분에서 모여, 용융된 수지로 국부적으로 과도하게 함침된 부분들과 불충분하게 함침된 부분들이 생성되고, 이에 따라 섬유 강화 수지 조성물의 품질이 악화된다. 섬유 길이는 평균 섬유 길이(mm)를 의미하고, 평균 섬유 길이로서, "긴(장)" 것은 약 30mm를 나타내고, "중간(중)"은 약 25mm를 나타내고, "짧은(단)" 것은 10 내지 1mm를 나타낸다. 서징(surging)은 이축 압출기 내측을 채우는 정도와 반죽 상태가 주기적으로 크게 변동되는 불안정한 현상을 의미한다. 짧은 패스(short pass)는 조방이 불충분한 반죽에 의해 미절단/미분산된 것(50mm 이상의 길이를 가짐)으로 배출되는 것을 의미하고, 이러한 것은 제품 내에 혼합될 때 품질이 악화된다.
표 1에서 발명예 5와 비교예의 결과를 비교할 때, 전송부의 각 나사 요소의 효과가 명확하게 나타나 있고, 발명예의 경우에 스레드 파손이 발생되지 않고, 비교예의 경우(종래 방법)에 스레드 파손이 발생된다. 따라서, 비교예의 경우에, 섬유 강화 수지 조성물이 원활하게 제조되기 어렵다. 발명예 5의 경우에, 반죽부의 나사 요소가 표준 니딩 디스크로 구성되기 때문에, 강화 섬유의 섬유 길이가 짧아진다.
더욱이, 표 1에 도시된 바와 같이, 발명예 1에 의하면, 강화 섬유의 평균 섬유 길이가 약 30mm인 긴 섬유 길이를 갖는 섬유 강화 수지 조성물이 제조될 수 있는 것을 알 수 있다. 더욱이, 발명예 1 내지 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 강화 섬유의 평균 섬유 길이가 1mm 이상이고 강화 섬유의 섬유 길이가 조정되는 섬유 강화 수지 조성물을 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이축 압출기의 구성
 테스트 결과
번호 전송부 반죽부 핀 벤트 스레드 파손 섬유
길이		 서징 짧은
패스


발명예

 1
 FF2 TR + BMS 있음 전 없음 장 없음 없음
2
 FF1 TR + BMS 있음 전 없음 장 소 없음
3
 FF1 TR + BMS 있음 후 없음 중 소 없음
4
 FF1 TR + BMS 없음 후 없음 중 소 있음
5
 FF1 KD 없음 후 없음 단 소 없음
비교예 1 표준 FF KD 없음 후 있음 단 대 없음
발명예 3 및 발명예 4를 비교할 때, 짧은 패스의 발생 유무는 핀의 유무에 따르는 것이 나타나고, 이에 따라 핀의 효과가 명확하게 나타나는 것을 알 수 있다. 더욱이, 발명예 2 및 발명예 3을 비교할 때, 벤트의 위치 관계 및 반죽부가 강화 섬유의 평균 섬유 길이가 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 또한, 발명예 2 내지 5에서, 정도가 작으나 서징이 관찰되었다. 서징의 발생을 방지하기 위해, 나사 요소의 구성, L/D 등의 추가적인 조정이 필요하다는 것이 이해된다.
본 발명을 상세하고 특정 실시형태를 참조하여 설명하였으나, 다양한 변경 및 변형이 발명의 범위 및 정신을 벋어나지 않는 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명확할 것이다. 본 출원은 2013년 8월 23일자로 출원된 일본 특허출원 제2013-173948호에 기초한 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
10: 이축 압출기
11: 실린더
12: 나사
13: 수지 공급부
14: 전송부
15: 반죽부
16: 후 전송부
18: 입력 포트
19: 핀
23: 입력 포트
25: 벤트
31: 강화 섬유

Claims (10)

  1. 강화 섬유가 입력 포트를 통해 수지 공급부에 형성된 용융된 열가소성 수지 내로 공급되고 강화 섬유와 용융된 열가소성 수지가 반죽부를 통과하여 섬유 강화 수지 조성물이 제조되는 이축 압출기로,
    상기 반죽부가 상기 이축 압출기의 토출측 단부에 마련되고;
    전송부가 상기 입력 포트와 상기 반죽부 사이에 마련되고;
    상기 전송부를 구성하는 나사 요소의 선단 클리어런스가 나사 클리어런스보다 큰 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  2. 제1항에 있어서,
    전송부의 L/D는 3 이상이고, 반죽부의 L/D는 0.5 내지 4.0이며,
    L은 상기 이축 압출기의 길이를 의미하고, D는 상기 나사 요소의 외부 가장자리의 직경을 의미하며, L/D는 상기 이축 압출기의 길이(L)에 대한 상기 나사 요소의 외부 가장자리의 직경(D)의 비를 의미하는 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    1 이상의 L/D를 갖는 후 전송부가 반죽부의 하류에 마련되며,
    L은 상기 이축 압출기의 길이를 의미하고, D는 상기 나사 요소의 외부 가장자리의 직경을 의미하며, L/D는 상기 이축 압출기의 길이(L)에 대한 상기 나사 요소의 외부 가장자리의 직경(D)의 비를 의미하는 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    나사 요소의 최소 외주 길이가 전송부를 구성하는 나사 요소의 최소 외주 길이보다 작은 값을 갖는 나사 요소로 구성되는 섬유 이완부가 전송부와 반죽부 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  5. 제4항에 있어서,
    섬유 이완부를 구성하는 나사 요소는 어뢰형 나사인 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    핀은 반죽부의 상류에서 나사 요소를 향해 이축 압출기의 실린더로부터 돌출되고, 나사 요소는 핀과 간섭하지 않는 클리어런스를 갖는 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  7. 제6항에 있어서,
    실린더로부터 핀이 돌출한 정도는 0.1D 이상이며,
    D는 상기 나사 요소의 외부 가장자리의 직경을 의미하는 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  8. 조방형 강화 섬유가 입력 포트를 통해 수지 공급부에 형성된 용융된 열가소성 수지 내로 공급되고 강화 섬유와 용융된 열가소성 수지가 반죽부를 통과하여 섬유 강화 수지 조성물이 제조되는 이축 압출기로,
    반죽부가 이축 압출기의 토출측 단부에 마련되고;
    전송부가 입력 포트와 반죽부 사이에 마련되며;
    전송부를 구성하는 각 나사 요소의 선단 클리어런스는 나사 클리어런스보다 크고, 조방형 강화 섬유가 전송부에서 서로 맞물리는 나사 요소들의 외주에 걸쳐 신장되면서 전송되는 것을 특징으로 하는 이축 압출기.
  9. 이축 압출기를 사용하는 섬유 강화 수지 조성물을 제조하는 방법으로,
    조방형 강화 섬유가 수지 공급부에 형성된 용융된 열가소성 수지 내로 공급되고 강화 섬유와 용융된 열가소성 수지가 전송부와 반죽부를 연속적으로 통과하여 섬유 강화 수지 조성물이 제조되며,
    조방형 강화 섬유는 전송부에 팽팽한 상태로 전송되고;
    조방형 강화 섬유가 반죽부에서 이완된 상태로 절단 및 반죽되며,
    상기 전송부를 구성하는 나사 요소의 선단 클리어런스가 나사 클리어런스보다 큰 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 조성물의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    전송부에서 반죽부 내로 도입되는 조방형 강화 섬유의 유속선의 일부에 외란이 발생하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 수지 조성물의 제조 방법.
KR1020167007161A 2013-08-23 2014-08-15 섬유 강화 수지 조성물의 제조에 사용되는 이축 압출기 및 섬유 강화 수지 조성물의 제조 방법 KR101957554B1 (ko)

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