KR102234468B1 - 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설 - Google Patents

그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지와 혼합하고 압출하여 복합체를 제조하는 시설에 관한 것으로서, 제조과정에서 발생하는 가스 및 수증기 등의 기체를 효과적으로 분리 배출시켜 그래핀 또는 탄소 소재가 고분자 수지가 잘 결합될 수 있도록 하는 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제조시설은 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조과정에서 그래핀, 탄소 소재, 고분자 수지에 함유된 가스와 수증기를 효과적으로 제거하여 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지의 결합력을 증가시키고, 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지 내에 균일하게 분산시킴으로써 복합체의 물성이 저하되지 않으며, 또한 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지의 용융액이 제조시설 내의 각 장치를 통과하는 동안 정체하는 구간이 없으므로 고분자 수지가 탄화되거나 응고되는 것을 방지할 수 있어서 복합체의 물성이 균일하게 유지된다.

Description

그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설{Facility for Forming One of Graphene-Polymer Resin Composite and Carbon Material-Polymer Resin Composite}
본 발명은 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지와 혼합하고 압출하여 복합체를 제조하는 시설에 관한 것으로서, 제조과정에서 발생하는 가스 및 수증기 등의 기체를 효과적으로 분리 배출시켜 그래핀 또는 탄소 소재가 고분자 수지가 잘 결합될 수 있도록 하는 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설에 관한 것이다.
고분자 수지 재료는 뛰어난 성형성, 생산성, 균일한 품질 등으로 인하여 많이 이용되어 왔으나 열에 약하고 외부 충격에 약한 단점 등이 있어서 이를 보완할 수 있는 새로운 소재개발이 요구되고 있다.
이에, 고분자 수지에 강화재료를 혼합하여 제품의 강도, 탄성률 등의 물리적 특성이나 전자파 차폐, 전기전도성 등을 향상시키는 방법이 사용되고 있으며, 이러한 강화재료에는 알루미늄이나 스텐레스 등의 금속재료, 아라미드나 PBO(poly-phenylene benzobisoxazole) 등의 유기재료, 실리콘 카바이드 등의 무기재료, 탄소재료 등이 사용되고 있다.
이들 중에서 경량이면서 강도가 높은 그래핀 또는 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소 소재 강화재료를 고분자 수지에 혼합하여 제품의 전기 전도성, 전자파 차단 기능, 정전기 방지 기능, 방열 기능 등을 향상시키는 방법이 많이 사용되고 있으나, 탄소 소재의 강화재료와 고분자 수지를 혼합하여 팰릿을 제조하거나 사출성형 또는 압출성형하여 성형품을 제조하면 이들 탄소 소재가 고분자 수지 내에서 응집하는 현상이 발생하고 이는 성형품의 물적 특성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
또한, 고분자 수지를 압출하기 위한 용융 과정에서 고분자 수지로부터 가스가 발생하고 발생된 가스는 탄소 소재의 계면에서 수지로부터 탄소 소재를 분리하는 역할을 하며, 이로 인해 탄소 소재와 고분자 수지의 계면결합이 방해받아 성형품의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여 한국공개특허공보 제2019-0045236호에는 압출에 의한 강화 폴리아미드의 제조방법이 제시되었으며, 락탐, 촉매 및 활성제를 포함하는 혼합물을 압출기 반응 구역의 제1구획에 투입하여 중합성 혼합물을 얻고, 제2구획에서 상기 중합성 혼합물에 탄소 재료를 첨가하여 탄소 함유 중합성 혼합물을 얻으며, 제3구획에서 상기 탄소 함유 중합성 혼합물을 중합시켜 강화된 미가공 폴리아미드를 얻은 다음, 압출기의 탈휘발화 구역에서 상기 강화된 미가공 폴리아미드를 탈휘발화하여 강화 폴리아미드를 얻는다.
상기 탈휘발화 구역은 응력 완화 구역과 압력 증가 구역이 반복 구성되고, 압력 증가 구역내에서는 물을 스트리핑제로서 첨가하고 응력 완화 구역은 진공펌프를 이용하여 진공을 형성시킴으로서 미가공 폴리아미드에 함유된 휘발성 물질을 제거한다.
그런데 상기 강화 폴리아미드는 물을 공급하면서 휘발성 물질을 제거하므로 휘발성 물질의 제거효율이 낮고, 탈휘발화 과정에서 사용되는 수분이 탄소와 폴리아미드의 결합을 방해하여 강화 폴리아미드의 물리적 물성이 낮은 단점이 있다.
또한, 한국등록특허공보 제1970926호에는 용융 수지에 포함되어 있는 가스성분을 효과적으로 제거할 수 있는 압출장치를 제안하였으며, 상기 압출장치는 수지 원료를 히터에서 가열 용융시켜 노즐 어셈블리로 가압 이송하고 노즐 어셈블리에서는 용융 수지가 이동 중에 얇고 고르게 펴지도록 한 상태에서 가스와 수분 성분을 외부로 배출하여 가스와 수분이 용융 수지로부터 효과적으로 제거되도록 하였다.
그런데 상기 압출장치에서는 수지 원료가 히터에서 가열 용융되면서 가스성분이 발생하고 가스성분은 용융 수지의 이동경로에서 에어포켓을 형성하여 흐름을 방해하며, 아울러 용융 수지를 얇게 펴기 위하여 용융 수지를 좁은 틈으로 통과시켜야 하므로 압출장치의 처리용량이 줄어들고 정체구간에서 수지의 탄화(carbonization)가 발생할 가능성이 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지와 혼합하여 압출하는 과정에서 그래핀, 탄소 소재, 고분자 수지에 함유된 가스와 수증기를 효율적으로 제거하면서 그래핀 또는 탄소 소재가 고분자 수지 내에서 균일하게 분산될 수 있도록 하는 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지와 혼합하고 용융시켜 필터 조립체(400)로 압출하는 압출기(100); 상기 압출기(100)의 외주면에 설치되어 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지를 가열하는 히터(300); 상기 압출기(100)로부터 압출된 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 필터 조립체(400); 및 상기 필터 조립체(400)로부터 배출된 가스 중의 유해성분을 제거하여 청정기체를 외부로 배출하는 공기정화장치(500);를 포함하며,
상기 필터 조립체(400)는, 일측에 장착된 용융액 공급부(27)를 통하여 용융액이 공급되며, 기체 흡입구(14) 및 가스 배출구(12)가 형성되어 있는 하우징(16); 상기 하우징(16)의 내측에 형성된 중공에 길이방향으로 배치되고, 표면에 다수개의 유동채널(18, 34)이 길이방향을 따라 사선형으로 형성됨으로써, 용융액이 상기 유동채널(18, 34)을 통하여 사선방향으로 흐르는 과정에서 용융액에 함유된 가스가 배출되는 가스 분리부(20); 상기 가스 분리부(20)의 외주면에 다수개가 밀착적으로 결합되어 유동채널(18, 34)의 외측 개방구(19)를 밀폐시킴으로써 용융액의 누출을 방지하여 길이방향으로 흐르도록 하고, 용융액에 함유된 가스가 미세통로를 통하여 배출되도록 하는 다수개의 벤트링(22); 및 상기 하우징(16)의 타측에 결합되어 가스 분리부(20)를 통과한 용융액이 배출되고, 다수개의 벤트링(22)을 가압하여 밀착시키는 헤드(24);로 구성되고,
상기 다수개의 벤트링(22)은, 고리형상의 반경 내측에 형성된 삽입홀(21); 상기 삽입홀(21) 주위의 원주방향을 따라 전면에 돌출 형성되고, 표면에 방사상의 미세통로가 형성되며, 이웃한 벤트링(22)의 후면에 접촉함으로써 벤트링(22)의 테두리가 이웃한 벤트링(22)의 테두리와 일정 간격 떨어지는 제1돌출턱(48); 및 벤트링(22)의 원주면에 길이방향으로 오목하게 형성되어 가스의 배출통로가 되는 가스 배출홈(23);을 포함하며,
상기 가스 분리부(20)가 삽입홀(21)을 순차적으로 관통하여 벤트링(22)이 가스 분리부(20)의 외주면에 밀착적으로 결합되어 다수개의 유동채널(18, 34)의 반경 외측 개방구(19)가 밀폐됨으로써, 유동채널(18, 34)을 흐르는 용융액에 함유된 가스가 제1돌출턱(48)의 사이 공간(t), 가스 배출홈(23) 및 가스 배출구(12)를 순차적으로 통과하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설을 제공한다.
이때, 상기 제조시설은 압출기(100)와 필터 조립체(400) 사이에 그래핀 또는 탄소 소재를 추가로 공급하는 사이드 피더 블록(200)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
삭제
본 발명에 따른 제조시설은 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조과정에서 그래핀, 탄소 소재, 고분자 수지에 함유된 가스와 수증기를 효과적으로 제거하여 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지의 결합력을 증가시키고, 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지 내에 균일하게 분산시킴으로써 복합체의 물성이 저하되지 않는다.
또한, 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지의 용융액이 제조시설 내의 각 장치를 통과하는 동안 정체하는 구간이 없으므로 고분자 수지가 탄화되거나 응고되는 것을 방지할 수 있어서 복합체의 물성이 균일하게 유지된다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 필터 조립체의 내부 구조를 보여주는 일부 절개 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 필터 조립체의 내부 구조를 보여주는 횡단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 가스 분리부에 벤트링이 결합되는 구조를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 3의 가스 분리부 선단에 형성된 미세 토출홀의 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 가스 분리부의 제1유동채널과 제2유동채널의 연결구조를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 벤트링의 다른 실시예를 보여주는 측면도이다.
도 8은 도 3에 도시된 벤트링의 또 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 9는 공기정화장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 공기정화장치에 설치된 수처리 필터의 결합 사시도이다.
도 11은 도 10의 수처리 필터 분해도이다.
첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설을 상세히 설명한다.
각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1에는 본 발명에 따른 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설이 개략적으로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조시설은 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지와 혼합하고 용융시켜 필터 조립체(400)로 압출하는 압출기(100); 상기 압출기(100)의 외주면에 설치되어 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지를 가열하는 히터(300); 상기 압출기(100)로부터 압출된 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 필터 조립체(400); 및 상기 필터 조립체(400)로부터 배출된 가스 중의 유해성분을 제거하여 청정기체를 외부로 배출하는 공기정화장치(500);를 포함한다.
상기 제조시설은 압출기(100)와 필터 조립체(400) 사이에 그래핀 또는 탄소 소재를 추가 공급하는 사이드 피더 블록(side feeder block, 200)을 설치할 수 있고, 사이드 피더 블록(200)의 외주면에는 상기 압출기(100)와 같이 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지를 가열하는 히터(300)가 설치된다.
상기 사이드 피더 블록(200)은 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지의 흐름방향에 대하여 직렬로 복수개 설치할 수 있으며, 사이드 피더 블록(200)이 복수개 설치되어 그래핀 또는 탄소 소재가 고분자 수지에 분할 투입됨으로써 고분자 수지의 함량 대비 그래핀 또는 탄소 소재의 함량을 증가시키고 그래핀 또는 탄소 소재가 고분자 수지와 좀 더 균일하게 혼합되도록 할 수 있다.
상기 압출기(100)는 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지를 수용하는 호퍼(polymer resin hopper, 1), 내부에 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지가 이동하는 통로가 형성되어 있는 바디(body, 2), 상기 바디(2) 내부의 이동통로에 수용되고 호퍼(1)로부터 고분자 수지를 공급받아 히터(300)의 가열에 의해 용융시켜 사이드 피더 블록(200) 또는 필터 조립체(400)로 압출하는 압출기 스크루(screw, 3)를 포함한다.
도 1에는 압출기 스크루(3)가 1개인 일축 압출기를 도시하였으나 압출기 스크루(3)가 2개인 이축 압출장치를 사용하는 것도 가능하다.
상기 사이드 피더 블록(200)은 그래핀 또는 탄소 소재를 수용하는 사이드 피더 블록 투입구(7), 내부에 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지가 이동하는 통로가 형성되어 있는 사이드 피더 블록 바디(8)를 포함한다.
상기 사이드 피더 블록 바디(8) 내부에는 상기 압출기 스크루(3)가 연장 설치되어 있고 사이드 피더 블록 바디(8) 외주면에는 히터(300)가 설치되어 있어서, 압출기(100)로부터 압출된 그래핀 또는 탄소 소재 및 고분자 수지와 사이드 피더 블록 투입구(7)로부터 공급된 그래핀 또는 탄소 소재를 혼합하면서 히터(300)의 가열에 의해 용융시킨 후 필터 조립체(400)로 압출한다.
본 발명에서 사용되는 탄소 소재는 전기전도성, 전자파 차단, 정전기 방지, 열전도성, 강도, 탄성률 등을 향상시킬 수 있는 다목적의 수지 강화재료로서, 복합체의 보강재 및 충전재로서 복합체의 물성을 향상시키고 여러 가지 기능성을 복합체에 부여하는 역할을 하며, 그래핀(graphene) 외의 탄소섬유(carbon fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라파이트(graphite), 카본블랙(carbon black), 풀러렌(fullerene) 등이 사용될 수 있다.
이들 소재 중에서 상기 압출기(100)의 호퍼(1)에 그래핀과 고분자 수지를 투입하여 이들을 혼합 용융시킨 후 사이드 피더 블록(200)의 투입구(7)에 탄소나노튜브를 투입하여 그래핀과 탄소나노튜브가 고분자 수지와 혼합된 복합체를 제조할 수 있다.
그래핀은 6개의 육각형 탄소 원자가 2차원의 평면 형태로 나열된 형태이고 탄소나노튜브는 6개의 육각형 탄소 원자가 튜브 모양으로 이어져 그물 구조를 이루는 1차원의 나선형 물질로서, 그래핀과 탄소나노튜브는 큰 비표면적(specific surface area)과 높은 열/전기 전도도, 가벼운 무게를 가지고 있어서 여러 분야에 폭넓게 이용될 수 있다.
그래핀은 탄소나노튜브와 비교하여 물성면에서 우수하나 상용화는 탄소나노튜브에 미치지 못하므로, 그래핀 단독으로 사용하면 복합체의 제조비용이 증가하고 탄소나노튜브 단독으로 사용하면 그래핀에 비하여 물성이 낮다.
따라서 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체로서 그래핀과 탄소나노튜브를 함께 사용하는 것이 바람직한데, 그래핀과 탄소나노튜브는 층간 접촉저항이 크고 서로 응집하여 분산도가 균일하지 않는 등의 문제가 있다.
상기와 같이 압출기(100)에 그래핀과 고분자 수지를 투입하고 사이드 피더 블록(200)에 탄소나노튜브를 투입하면, 그래핀과 고분자 수지가 히터(300)에서 먼저 가열 용융된 후 탄소나노튜브가 혼합되므로 그래핀과 탄소나노튜브가 서로 뭉치지 않고, 이들 그래핀과 탄소 소재가 후공정인 필터 조립체(400)에서 얇게 펴지면서 혼합되므로 2차원의 그래핀과 1차원의 탄소나노튜브가 고분자 수지 내에서 균일하게 분산될 수 있다.
그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지로 구성되는 복합체에 가스나 수분 함량이 많으면 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지의 계면결합이 방해받아 복합체로 제조되는 성형품의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있으므로, 압출기(100) 또는 사이드 피더 블록(200) 출측에 필터 조립체(400)를 장착하여 고분자 수지로부터 가스성분과 수분을 제거한다.
도 2 내지 도 8에는 필터 조립체(400)의 구조가 도시되어 있으며, 필터 조립체(400)는 용융된 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지(이하, '용융액'이라고 함)에 함유된 가스(수증기 포함)를 제거하여 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지가 서로 잘 융합되도록 한다.
상기 필터 조립체(400)는 가스 배출구(12) 및 기체 흡입구(14)가 형성되어 있는 하우징(housing;16); 하우징(16)의 내측에 형성된 중공(hollowness)에 길이방향으로 배치되고 표면에 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)이 길이방향을 따라 사선형으로 형성됨으로써 용융액이 일정 압력하에서 용융액 유동채널(18, 34)을 통하여 사선방향으로 흐르면서 가스가 배출되는 가스 분리부(20); 상기 가스 분리부(20)의 외주면에 다수개가 밀착적으로 결합되어 용융액 유동채널(18, 34)의 반경 외측 개방구를 밀폐시킴으로써 용융액의 누출을 방지하여 길이방향으로 흐르도록 하고, 용융액에 함유된 가스가 틈새(t)를 통하여 배출되는 다수개의 벤트링(vent ring, 22); 및 하우징(16)의 타측에 결합되어 가스 분리부(20)를 통과한 용융액이 배출되고, 다수개의 벤트링(22)을 가압하여 밀착시키는 헤드(head, 24);를 포함한다.
하우징(16)은 내부에 중공이 길이방향으로 형성되고 후단(18b)에는 용융액 공급부(27)가 형성되어 압출기(100) 또는 사이드 피더 블록(200)의 출측에 결합되며, 따라서 압출기(100) 또는 사이드 피더 블록(200)으로부터 토출된 용융액은 용융액 공급부(27)를 통하여 가스 분리부(20)로 공급된다.
하우징(16)의 선단에는 헤드(24)가 나사결합될 수 있으며, 가스 분리부(20)는 하우징(16)의 내측에 형성된 중공에 배치됨으로써 용융액에 함유된 가스를 분리하여 배출하게 된다.
이러한 가스 분리부(20)는 몸체(28); 몸체(28)의 외주면에 길이방향을 따라 사선방향으로 오목하게 형성됨으로써 용융액이 흐르는 다수개의 용융액 유동채널(18, 34); 몸체(28)의 일측단에 반경방향으로 배치되고 원주방향을 따라 다수개의 유입홀(30)이 일정 간격씩 떨어져 형성되어 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)에 대응되며, 용융액 공급부(27)를 통하여 공급된 용융액이 유입홀(30)을 통하여 용융액 유동채널(18, 34)로 공급되는 지지판(32);을 포함한다.
상기 몸체(28)는 원통형상으로서 일측(압출기(100) 방향)에는 제1쐐기(W1)가 돌출 형성되고, 타측(헤드(24)방향)에는 제2쐐기(W2)가 돌출 형성된다.
제1쐐기(W1)가 압출기(100) 방향에 돌출 형성됨으로써 압출기(100)에서 토출된 용융액은 원뿔 형상의 제1쐐기(W1)를 따라 이송되는 과정에서 적절하게 분산된 상태로 가스 분리부(20)로 공급될 수 있다.
그리고 몸체(28)의 외주면에는 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)이 몸체(28) 외주면에 일정 깊이로 형성되고 길이 방향에 대하여 일정 각도로 경사진 형태, 즉 사선방향으로 형성되어 용융액이 용융액 유동채널(18, 34)을 통하여 흐르게 된다.
이러한 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)은 몸체(28)의 표면에 오목하게 사선방향으로 형성된 제1유동채널(18); 제1유동채널(18)과 이웃하여 교대로 나란히 배치됨으로써 제1유동채널(18)의 용융액이 월류하여 공급되는 제2유동채널(34); 제1 및 제2유동채널(18, 34) 사이에 돌출되어 제1 및 제2유동채널(18, 34)을 구분하며 피크(peak;P)에는 월류홀(h)이 형성되어 제1유동채널(18)의 용융액이 제2유동채널(34)로 월류할 수 있는 유동채널 돌출턱(35)을 포함하며, 이러한 다수개의 제1 및 제2유동채널(18, 34)과 유동채널 돌출턱(35)이 몸체(28)의 원주면을 따라 교대로 반복 배치된다.
제1 및 제2유동채널(18, 34)은 몸체(28)의 표면으로부터 일정 깊이로 오목하게 형성되어 용융액이 이 용융액 유동채널(18, 34)을 따라 헤드(24)방향으로 진행하며, 이때 다수개의 벤트링(22)이 가스 분리부(20)의 몸체(28) 외주면에 밀착적으로 결합되어 있어서 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)의 반경 외측 개방구(19)는 벤트링(22)에 의해 밀폐된 상태가 된다.
따라서 용융액은 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)의 내측 공간으로 누출없이 흐를 수 있고, 이 과정에서 용융액에 함유된 가스가 배출되어 몸체(28)의 외부에 결합된 다수개의 벤트링(22) 사이를 통과하여 외부로 배출될 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 제1유동채널(18)의 후단(18b)에는 개방홀이 형성되어 지지판(32)의 유입홀(30)에 대응되고 선단(18a)에는 경사면(S)이 형성되며, 제2유동채널(34)의 후단(34b)에는 경사면(S)이 형성되고 선단(34a)에는 개방홀이 형성되어 용융액이 헤드(24)로 토출된다.
몸체(28)의 일측에 배치된 지지판(32)은 원판형상으로서 다수개의 유입홀(30)이 원주방향을 따라 배치되며, 압출기(100)로부터 가압 공급된 용융액은 지지판(32)의 유입홀(30)을 통하여 다수개의 제1유동채널(18)로 유입되어 선단(18a)으로 진행하게 된다.
제1유동채널(18)의 선단(18a)으로 진행한 용융액은 경사면(S)에 도달한 후 벤트링(22)의 내주면에 의하여 차단되고, 이때 이웃한 제1유동채널(18)과 제2유동채널(34) 사이에 형성된 유동채널 돌출턱(35)이 몸체(28)의 원주면을 따라 형성된 가상의 원호보다 작은 직경을 가지므로, 제1유동채널(18)을 따라 진행한 용융액은 월류홀(h)을 통하여 이웃한 제2유동채널(34)로 월류하게 된다.
이때, 제1유동채널(18)의 경사면(S)에 도달한 융용액 중 일부는 경사면(S)에 형성된 미세 토출홀(33)을 통하여 헤드(24) 방향으로 토출될 수 있으며, 이와 같이 미세 토출홀(33)을 통하여 용융액 중 일부가 토출될 수 있다.
따라서 용융액 유동채널(18, 34)을 따라 진행하는 용융액은 과도한 압력으로 인하여 벤트링(22)의 틈새(t)로 누출되거나 틈새(t)를 막는 것을 방지할 수 있으며, 더불어 경사면(S)에서 용융액이 정체되어 고분자 수지가 탄화되거나 응고되는 것을 방지하는 효과도 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 용융액은 유동채널 돌출턱(35)에 형성된 월류홀(h)을 통하여 이웃한 제2유동채널(34)으로 넘어가고, 월류홀(h)의 통로가 좁으므로 용융액은 얇은 두께의 펴진 상태로 넘어가게 되어 용융액에 함유된 가스가 효과적으로 배출될 수 있으며, 또한 용융액에 함유된 그래핀 또는 탄소 소재는 용융액 중에 균일하게 분포된다.
또한, 용융액 유동채널(18, 34)이 사선형상이므로 직선형상인 경우와 비교하여 월류홀(h)의 통로를 길게 형성시킬 수 있어서 단위 시간동안 좀 더 많은 양의 용융액이 가스 분리부(20)를 통과할 수 있고, 용융액이 사선형상의 용융액 유동채널(18, 34)을 따라 흐르는 시간이 직선형상인 경우와 비교하여 증가하므로 용융액에 함유된 가스가 배출될 수 있는 시간이 좀 더 길어져 가스 분리부(20)에서 용융액에 함유된 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
제2유동채널(34)로 월류한 용융액은 제2유동채널(34)의 선단(34a) 개방홀을 통하여 제2쐐기(W2)를 따라 헤드(24)로 이송된 후 노즐(25)을 통하여 다이 또는 금형으로 압출되며, 용융액이 원뿔 형상의 제2쐐기(W2)를 따라 흐르게 되므로 좀 더 효과적으로 토출될 수 있다.
용융액 유동채널(18, 34)을 따라 진행하는 용융액은 일정한 압력을 받고 있는 상태이므로 용융액에서 발생한 가스는 몸체(28)의 외부에 결합된 다수개의 벤트링(22) 사이를 통하여 외부로 배출된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 벤트링(22)은 원형의 고리형상으로서 반경 내측의 삽입홀(21); 상기 삽입홀(21) 주위의 원주방향을 따라 벤트링(22)의 전면(front side)에 돌출 형성되고, 표면에 방사상의 미세통로가 형성되며, 이웃한 벤트링(22)의 후면(back side)에 접촉하는 제1돌출턱(48); 벤트링(22)의 원주면에 길이방향으로 오목하게 형성되어 가스의 배출통로가 되는 가스 배출홈(23);을 포함한다.
상기 삽입홀(21)에 가스 분리부(20)의 몸체(28)가 삽입되어 벤트링(22)이 몸체(28)에 결합될 수 있으며, 벤트링(22)의 삽입홀(21) 내주면과 가스 분리부(20)의 몸체(28) 외주면이 밀착적으로 결합되므로 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)은 밀폐된 상태가 된다.
상기 제1돌출턱(48)에 형성된 미세통로는 가스는 통과하고 용융액은 통과하지 못하는 크기로 형성되며, 따라서 가스 분리부(20)를 통과하는 용융액은 월류홀(h)을 통하여 제1유동채널(18)에서 제2유동채널(34)로 월류하고, 용융액으로부터 발생한 가스는 제1돌출턱(48)에 형성된 미세통로를 통하여 배출된다.
제1돌출턱(48)이 벤트링(22)의 측방향으로 돌출 형성되어 이웃한 벤트링(22)의 후면과 접촉함으로써 이웃하는 벤트링(22)의 테두리 사이에는 일정 간격을 갖는 가스 포집홈(47)이 형성되고, 상기 제1돌출턱(48)의 미세통로를 통하여 배출된 가스는 가스 포집홈(47)에 모이게 된다.
가스의 배출효과를 높이기 위하여 벤트링(22)의 구조를 적절하게 변경할 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 벤트링(22)에 제2돌출턱(49)을 추가로 형성할 수 있는데, 이러한 제2돌출턱(49)은 벤트링(22) 테두리 주위의 원주방향을 따라 벤트링(22) 전면에 돌출 형성되고 제1돌출턱(48)과 일정 간격 떨어져 배치되며, 제1돌출턱(48)보다 돌출된 길이가 작게 형성된다.
따라서 제2돌출턱(49)은 이웃하는 벤트링(22)의 후면과 접촉하지 않고 일정 한 틈새(t)를 형성하면서 제1 및 제2돌출턱(48, 49) 사이에 가스 포집홈(47)이 형성되며. 용융액 유동채널(18, 34)에서 배출된 가스는 제1돌출턱(48)의 미세통로를 통과하여 가스 포집홈(47)에 포집된 후 틈새(t)를 통하여 외부로 배출된다.
이때, 벤트링(22)의 원주면에는 다수의 가스 배출홈(23)이 일정 깊이로 오목하게 형성되고 이러한 가스 배출홈(23)은 테두리를 따라 서로 일정 간격 떨어져서 배치되며, 각각의 벤트링(22)에 형성된 가스 배출홈(23)은 이웃한 벤트링(22)의 가스 배출홈(23)과 길이 방향으로 서로 동일선상에 정렬된다.
따라서, 각 벤트링(22)의 가스 포집홈(47)에 포집된 가스는 틈새(t)를 통과하여 가스 배출홈(23)으로 흐른 후 동일선상에 정렬된 이웃한 벤트링(22)의 가스 배출홈(23)을 통과하여 하우징(16)에 형성된 가스 배출구(12)을 통하여 외부로 효과적으로 배출될 수 있다.
상기에서는 벤트링(22)에 가스 포집홈(47)을 형성한 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 달리 변경하여 실시될 수 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이 벤트링(22)의 전면 전체에 미세 홈(40)을 형성할 수도 있다.
즉, 벤트링(22)의 전면에 가스 포집홈(47)을 형성하지 않고 벤트링(22)의 삽입홀(21)을 중심으로 반경 외측방향으로 다수개의 미세 홈(40)을 형성할 수 있으며, 미세 홈(40)의 폭 또는 깊이는 상기 벤트링(22)의 제1돌출턱(48)에 형성된 미세통로와 같이 가스는 통과하고 용융액은 통과하지 못하는 크기, 예를 들어 0.001~0.100 ㎜인 것이 바람직하며, 직선 형상 또는 곡선형상 등 다양한 형상으로 구현 가능하다.
가스를 좀 더 효과적으로 배출시키기 위하여 하우징(16)의 가스 배출구(12) 반대편에 기체 흡입구(14)를 배치할 수 있으며, 기체 흡입구(14)와 가스 배출구(12)는 하우징(16)의 길이방향을 기준으로 가능한 한 서로 멀리 떨어져 배치되는 것이 바람직하다.
상기 기체 흡입구(14)는 외기에 개방되어 공기가 흡입되도록 하거나, 사용되는 고분자 수지의 종류에 따라 불활성기체가 저장된 용기와 연결하여 불활성기체가 흡입되도록 함으로써 본 발명에 따른 제조시설의 안전을 도모할 수도 있다.
상기 가스 배출구(12)는 후술하는 진공펌프(63)와 연결되어 공기정화장치(500)로 이송되는데, 상기와 같이 공기 또는 불활성기체가 기체 흡입구(14)를 통하여 하우징(16)의 내부 공간에 유입되면 가스 분리부(20)에서 배출된 가스가 진공펌프(63)의 흡입력에 의해 하우징(16)의 내부 공간으로부터 효과적으로 배출될 수 있다.
하우징(16)의 출구에는 헤드(24)가 나사결합되고 헤드(24) 선단에는 노즐(25)이 형성되어 있어서, 가스 분리부(20)의 제2쐐기(W2)를 통과한 용융액은 노즐(25)을 통하여 다이 또는 금형으로 토출되며, 노즐(25) 출구에 펠릿제조장치를 장착하여 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지의 복합체 펠릿을 제조하거나 또는 금형 속으로 사출하여 사출제품을 제조할 수도 있다.
상기와 같이 구성된 필터 조립체(400)는 다음과 같이 운전될 수 있다.
압출기(100) 또는 사이드 피더 블록(200)으로부터 압출된 용융액은 제1쐐기(W1)를 통하여 가스 분리부(20)로 공급되며, 용융액이 원뿔 형상의 제1쐐기(W1)를 따라 흐르게 되므로 적절하게 분산된 상태로 지지판(32)에 형성된 다수개의 유입홀(30)을 통과하게 된다.
이때, 다수개의 유입홀(30)은 가스 분리부(20)의 몸체(28) 외주면에 형성된 다수개의 제1유동채널(18)에 대응되고, 따라서 용융액은 다수개의 제1유동채널(18)을 따라 흐르게 된다.
이때, 다수개의 용융액 유동채널(18, 34)은 사선방향으로 형성됨으로써 용융액이 가스 분리부(20)를 통과하는 시간이 연장되고 이로 인하여 용융액이 가스 분리부(20)에 체류하는 시간이 증가하며, 따라서 용융액으로부터 좀 더 많은 양의 가스가 배출될 수 있다.
제1유동채널(18)을 따라 진행한 용융액은 선단(18a)에 형성된 경사면(S)에 도달하고, 경사면(S)에서 용융액의 진행이 차단됨에 따라 이웃한 제2유동채널(34)과의 사이에 형성된 돌출턱(35)의 월류홀(h)를 통하여 제2유동채널(34)으로 월류한다.
상기 월류홀(h)은 통로가 좁으므로 용융액은 얇은 두께의 펴진 상태로 넘어가고 따라서 용융액에 함유된 가스가 효과적으로 배출될 수 있고, 용융액에 함유된 그래핀 또는 탄소 소재가 전체에 균일하게 분포되므로 그래핀 또는 탄소 소재가 용융액 내에서 응집하지 않아서 제조되는 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 물성이 우수하다.
더불어, 압출기(100)에 그래핀과 고분자 수지를 투입하고 사이드 피더 블록(200)에 탄소나노튜브를 투입할 경우, 두께가 약 0.2 ㎚인 2차원의 그래핀은 평면이 수평으로 눕혀진 형태로 월류홀(h)의 좁은 통로를 차례로 통과하므로 그래핀이 서로 분리되어 월류하고, 굵기가 약 1 ㎚인 1차원의 탄소나노튜브는 서로 뭉치면 월류홀(h)의 좁은 통로를 통과하지 못하므로 월류홀(h)을 통과하는 동안 얇게 펴지면서 자연스럽게 서로 분리되고 또한 형태가 변형되어도 파괴되지 않을 정도로 안정하므로, 그래핀과 탄소나노튜브가 용융 고분자 수지 내에 균일하게 분산되어 그 기능을 발휘할 수 있다.
제2유동채널(34)로 이동한 용융액은 제2유동채널(34)을 따라 흐른 후 선단(34a)의 개방홀을 통하여 배출되며, 이어서 제2쐐기(W2)를 따라 헤드(24)로 이동한 후 노즐(25)을 통하여 다이 또는 금형으로 토출된다.
상기 제1유동채널(18)의 경사면(S)에 도달한 융용액 중 일부는 경사면(S)에 형성된 미세 토출홀(33)을 통하여 헤드(24) 방향으로 토출될 수 있으며, 이와 같이 미세 토출홀(33)을 통하여 용융액 중 일부가 토출되어 제1유동채널(18)을 따라 진행하는 용융액에 과도한 압력이 걸리는 것을 방지하여 용융액이 벤트링(22)의 틈새(t)로 누출되거나 틈새(t)를 막는 것을 방지할 수 있고 경사면(S)에서 용융액이 정체되어 고분자 수지가 탄화되거나 응고되는 것을 방지할 수 있다.
사선형상의 유동채널(18, 34)을 따라 진행하는 융용액이 일정한 압력을 받고 있는 상태이므로 융용액 중에 함유된 가스는 몸체(28)의 외주면에 결합된 다수개의 벤트링(22) 미세통로 또는 미세 홈(40) 사이를 통과한 후 가스 포집홈(47)에 포집되며, 이후 벤트링(22)의 가스 배출홈(23)을 순차적으로 진행한 후 하우징(16)에 형성된 가스 배출구(12)를 통하여 공기정화장치(500)로 배출된다.
이러한 과정을 통하여 필터 조립체(400)를 통과하는 용융액으로부터 가스를 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 필터 조립체(400)의 가스 배출구(12)로부터 배출되는 가스는 가스배출관(61), 가스흡입관(62) 및 진공펌프(63)를 경유하여 공기정화장치(500)로 배출되는데, 상기 가스흡입관(62)의 일단에는 외부 공기 중의 이물질이 흡입되는 것을 차단하는 공기필터(64)가 연결되고 타단에는 진공펌프(63)가 연결되며, 상기 가스배출관(61)은 가스흡입관(62)의 중간에 직각방향으로 접속되어 있다.
상기 진공펌프(63)의 가동에 의해 외부의 공기가 공기필터(64), 가스흡입관(62) 및 진공펌프(63)를 통과하여 공기정화장치(500)로 배출되고, 공기가 가스흡입관(62)을 빠른 속도로 통과함에 따라 여기에 직각방향으로 접속된 가스배출관(61)에는 베르누이 정리에 의거 부압(negative pressure)이 형성되므로 여기에 접속된 가스 포집홈(47)에도 부압이 형성된다.
따라서 가스 포집홈(47)에 모인 가스는 가스배출관(61), 가스흡입관(62) 및 진공펌프(63)을 경유하여 공기정화장치(500)로 신속히 배출됨과 아울러, 가스 분리부(20)의 벤트링(22)에 형성된 미세통로 또는 미세 홈(40)을 통과하는 가스에도 흡입력으로 작용하여 용융액로부터 발생한 가스가 공기정화장치(500)로 원활히 배출될 수 있다.
도 1에서는 가스흡입관(62)의 하류단(downstream end)에 진공펌프(63)를 설치하여 가스를 흡입하도록 구성하였으나 진공펌프(63)를 설치하는 대신에 가스흡입관(62)의 상류단(upstream end)에 송풍기를 설치하는 것도 가능하며, 송풍기의 송풍에 의해 상기와 같은 원리로 가스배출관(61)에 부압이 형성되어 가스 분리부(20)의 가스를 외부로 배출할 수 있고, 이 경우 송풍기가 필터 조립체(400)로부터 배출된 가스와 직접 접촉하지 않아서 가스에 의해 송풍기가 부식되는 것을 방지하는 이점이 있다.
또한, 도 1에는 외부의 공기가 공기필터(64)를 통하여 가스흡입관(62)에 인입되는 구성을 도시하였으나, 필요에 따라 공기필터(64)와 가스흡입관(62)을 설치하지 않고 가스배출관(61)을 직접 진공펌프(63)로 연결하여 외부의 공기가 인입되지 않도록 할 수도 있으며, 이 경우 공기정화장치(500)의 부하가 감소하는 효과가 있다.
도 10은 공기정화장치(500)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 상기 공기정화장치(500)는 정화장치 바디(71); 상기 정화장치 바디(71) 측면에 설치되고 진공펌프(63)로부터 이송되는 기체가 유입되는 가스진입구(72); 상기 가스진입구(72)로 유입된 기체가 분사된 물과 접촉하여 기체 중의 유해성분을 제거하는 포집구간(73); 상기 포집구간(73)에서 기체 중의 유해성분이 제거된 청정공기를 외부로 배출하는 배출구(74); 상기 포집구간(73) 내로 물을 분사하기 위한 펌프(75); 상기 포집구간(73) 내에 설치되고 펌프(75)로부터 물을 공급받아 상하 방향으로 서로 마주보면서 물을 분사하는 1쌍의 분사노즐(76); 상기 포집구간(73) 내에서 분사된 물이 흘러내려 모이는 물탱크(77); 및 공기정화장치(500)를 순환하는 물을 여과하기 위한 수처리 필터(78);로 구성된다.
모든 물질은 원자로 구성되고 원자는 양전하를 띠고 있는 중앙의 원자핵과 원자핵의 둘레를 돌고 있는 음전하를 띤 전자로 구성되는데, 두 물체를 충돌시키면 한 물체의 원자 내에 있던 전자 중 일부는 두 원자 사이에서 어느 원자에도 속박되지 않고 자유 이동하게 되며, 이때 접촉되어 있던 두 원자가 서로 떨어져 나가면서 전자가 빠져나와 양전기를 띠는 원자와, 전자를 흡수하여 음전기를 띠는 원자가 부분적으로 생성된다.
상기 공기정화장치(500)는 물의 충돌에 의해 정전기가 발생하는 이온화 현상을 이용하여 물을 강하게 충돌시켜 정전기가 발생되도록 하고, 발생된 정전기가 유해물질 입자를 분해하거나 또는 유해성분 입자와 결합하여 제거되도록 한다.
즉, 서로 마주하는 상·하부의 고압 분사노즐에서 방출되는 물이 상호 충돌하면서 발생하는 높은 충돌에너지에 의해 물의 입자를 미세화시키면서 정전기가 발생하는 현상을 일으켜 다량의 라디칼이 연속적으로 생성 및 소멸되도록 한다.
또한, 미세화된 물 입자들이 수막을 형성하여 포집구간(73)을 통과하는 기체 입자와의 접촉면적을 넓게 만들어주면서 접촉시간을 길게 유지하도록 하여 유해성분 입자의 제거 효율을 높일 수 있다.
상기와 같이, 공기정화장치(500)은 포집구간(73) 내에서 분사노즐(76)에서 분사한 물에 의해 미세 물 입자와 라디칼이 생성되는 수막 필터가 형성되며, 생성된 라디칼은 진공펌프(63)로부터 이송되는 가스, 수증기 등의 기체와 이온화 반응하여 유해성분을 분해하고, 수막 필터에 의해 유해성분이 포집되어 물탱크(77)에 모이게 된다.
상기 공기정화장치(500)의 가동시간이 길어질수록 물에 포집되는 유해성분(이물질 포함)이 증가하고, 증가된 유해성분은 포집구간(73)에서 정전기의 생성 및 수막 형성을 방해하고 배출구(74)에서 배출되는 청정가스 중의 유해성분 함량을 증가시키며, 더불어 유해성분에 포함된 이물질이 수처리 필터(78)를 막아서 공기정화장치(500)의 연속운전을 방해하게 된다.
상기 수처리 필터(78)는 공기정화장치(500)에서 순환하는 물을 여과하여 물 중의 이물질을 제거함으로써 공기정화장치(500)의 연속운전과 청정가스 중의 유해성분 함량을 기준치 이하로 유지하며, 도 10 및 도 11에는 본 발명에 따른 수처리 필터(78)의 일 실시예가 도시되어 있다.
상기 수처리 필터(78)는 이물질을 함유한 물이 통과하는 유통관(81); 상류단이 상기 유통관(81) 내에 배치되고 하류단이 유통관(81) 밖에 배치된 분기관(82); 상기 분기관(82)의 상류단에 장착되고 두께방향으로 복수개의 관통홀(88)이 형성되어 있으며, 상기 관통홀(88)은 물의 흐름방향을 따라 구경이 점차 좁아지는 테이퍼(taper) 형상을 가지는 여과망(83); 상기 분기관(82)의 하류단에 설치된 제1밸브(84); 일단이 상기 분기관(82)의 하류단에서 제1밸브(84)의 상류측에 접속되고 타단이 기체공급원(도시되지 않음)에 접속되어 있는 기체공급관(85); 및 상기 기체공급관(85)의 도중에 설치된 제2밸브(86);를 포함하고 있다.
상기 여과망(83)에는 복수개의 미세 관통홀(88)들이 형성되고 금속판재를 원추형으로 절곡하여 만들어지거나 수지로 사출성형에 의해 만들어져서 꼭지부가 유체 흐름방향의 상류측에 배치된 속이 빈 원추형일 수 있으며, 상기 미세 관통홀(88)은 여과망(83)의 두께 방향으로 개구되어 상류단에서 하류단으로 갈수록 구경이 좁아지는 테이퍼 형상으로 되어 있다.
상기 미세 관통홀(88) 각각의 상류단 구경은 10~100 ㎛이고 하류단 구경은 1~10 ㎛일 수 있으며, 인접한 미세 관통홀(88)들은 1 ㎛ 이하의 간격을 두고서 격자패턴으로 형성될 수 있고 원추형 여과망(83)의 기단측 구경과 물 흐름방향으로의 길이의 비는 1:1.5~2.5일 수 있다.
상기와 같이 구성된 수처리 필터(78)는 유통관(81)의 상류단이 펌프(75)의 토출부에 접속되고 하류단이 물탱크(77)에 접속되어 물탱크(77)의 물은 펌프(75)와 수처리 필터(78)를 순환하며, 수처리 필터(78)의 여과망(83)을 통과하여 이물질이 제거된 물은 분기관(82)을 통하여 분사노즐(76)로 공급되어 공기정화장치(500)에 인입된 기체 중의 유해성분을 포집한다.
이러한 수처리 필터(78)의 작동을 좀 더 자세히 살펴보면, 먼저 제1밸브(84)를 개방하고 제2밸브(86)를 닫은 상태에서 펌프(75)를 가동하면, 고형의 이물질이 함유된 물이 물탱크(77)에서 펌프(75)에 의해 유통관(81)의 상류단으로 진입하여 여과망(83)과 마주하게 되고, 상기 여과망(83) 쪽으로 이송되는 물 중 여과망(83)의 복수개의 미세 관통홀(88)을 통과하는 물(이물질이 걸러진 물)은 수처리 필터(78)의 분기관(82)을 통하여 분사노즐(76)로 공급되며, 여과망(83)의 미세 관통홀(88)을 통과하지 못한 물(이물질이 함유된 물)은 유통관(81)의 하류단을 거쳐 물탱크(77)로 복귀한다.
이 상태가 지속되면 상기 테이퍼 형상의 복수개의 미세 관통홀(88)에 고형의 이물질이 끼일 수 있으나, 미세 관통홀(88)이 테이퍼 형상으로 되어 있어서, 여과망(83)를 투과하지 못하여 여과망(83)의 외표면을 흐르는 물과 미세 관통홀(88)에 낀 이물질과의 접촉면적이, 여과망(83)를 투과하는 물과 미세 관통홀(88)에 낀 이물질과의 접촉면적보다 많아 지게 된다.
이 결과, 상기 복수개의 미세공극에 낀 이물질에 양력이 발생하여 이물질이 미세공극으로부터 이탈한 후 물탱크(77)로 복귀하기 때문에, 유체에 대한 여과처리를 장시간 동안에 수행하여도 여과망(83)에 형성된 미세 관통홀(88)이 막히지 않게 되어 필터 교체나 필터 청소작업 없이 지속적으로 여과공정이 수행될 수 있다.
공기정화장치(500)를 장시간 가동하면 이물질이 여과망(83)의 미세 관통홀(88)에 끼어서 물과 이물질의 접촉면적 차이로 인한 양력으로도 이물질이 미세 관통홀(88)로부터 제거되지 못할 수 있으며, 이 경우에는 상기 제1밸브(84)를 닫고 제2밸브(86)를 개방하여 기체공급원의 기체가 기체공급관(85)을 경유하여 여과망(83)를 역으로 관통하도록 함으로써 여과망(83)를 역세척하며, 이러한 과정을 통하여 수처리 필터(78)는 필터 교체나 필터 청소작업 없이 지속적으로 여과공정을 수행할 수 있다.
상기 기체공급관(85)에 접속되는 기체공급원으로서 공기 또는 불활성기체를 별도의 송풍기를 통하여 공급할 수 있으나, 기체공급관(85)의 상류단을 상기 필터 조립체(400)로부터 발생된 가스를 이송하는 진공펌프(63)의 토출부에 접속하여 진공펌프(63)의 토출압력으로 여과망(83)를 역세척할 수도 있다.
상기 수처리 필터(78)는 도 9와 같이 펌프(75) 토출부의 배관 상에 설치되거나, 또는 도 9에는 도시하지 않았으나 펌프(75) 인입부의 물탱크(77) 내에 설치될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설은 그래핀, 탄소 소재, 고분자 수지로부터 가스, 수증기 등의 기체를 효과적으로 분리 배출시켜 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 물성을 향상시킬 수 있으며, 제조과정에서 발생하는 유해성분을 효과적으로 제거하므로 주위환경에 악영향을 끼치지 않는다.
100:압출기, 200:사이드 피더 블록, 300:히터, 400:필터 조립체, 500:공기정화장치
1:호퍼, 2:바디, 3:압출기 스크루, 7: 사이드 피더 블록 투입구, 8: 사이드 피더 블록 바디, 12:가스 배출구, 14:기체 흡입구, 16:하우징, 18:제1유동채널, 18a:선단, 18b:후단, 19:외측 개방구, 20:가스 분리부, 21: 삽입홀, 22:벤트링, 23:가스 배출홈, 24:헤드, 25:노즐, 27:용융액 공급부, 28:몸체, 30:유입홀, 32:지지판, 33: 미세 토출홀, 34:제2유동채널, 34a:선단, 34b:후단, 35:유동채널 돌출턱, 40: 미세 홈, 47:가스 포집홈, 48:제1돌출턱, 49:제2돌출턱, 61:가스배출관, 62:가스흡입관, 63:진공펌프, 64:공기필터, 71:정화장치 바디, 72:가스진입구, 73:포집구간, 74:배출구, 75:펌프, 76:분사노즐, 77:물탱크, 78:수처리 필터, 81:유통관, 82:분기관, 83:여과망, 84:제1밸브, 85:기체공급관, 86:제2밸브, 88:관통홀
t:틈새, W1:제1쐐기, W2:제2쐐기, P:피크, h:월류홀, S:경사면

Claims (11)

  1. 그래핀 또는 탄소 소재를 고분자 수지와 혼합하고 용융시켜 필터 조립체(400)로 압출하는 압출기(100);
    상기 압출기(100)의 외주면에 설치되어 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지를 가열하는 히터(300);
    상기 압출기(100)로부터 압출된 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 필터 조립체(400); 및
    상기 필터 조립체(400)로부터 배출된 가스 중의 유해성분을 제거하여 청정기체를 외부로 배출하는 공기정화장치(500);를 포함하며,
    상기 필터 조립체(400)는,
    일측에 장착된 용융액 공급부(27)를 통하여 용융액이 공급되며, 기체 흡입구(14) 및 가스 배출구(12)가 형성되어 있는 하우징(16);
    상기 하우징(16)의 내측에 형성된 중공에 길이방향으로 배치되고, 표면에 다수개의 유동채널(18, 34)이 길이방향을 따라 사선형으로 형성됨으로써, 용융액이 상기 유동채널(18, 34)을 통하여 사선방향으로 흐르는 과정에서 용융액에 함유된 가스가 배출되는 가스 분리부(20);
    상기 가스 분리부(20)의 외주면에 다수개가 밀착적으로 결합되어 유동채널(18, 34)의 외측 개방구(19)를 밀폐시킴으로써 용융액의 누출을 방지하여 길이방향으로 흐르도록 하고, 용융액에 함유된 가스가 미세통로를 통하여 배출되도록 하는 다수개의 벤트링(22); 및
    상기 하우징(16)의 타측에 결합되어 가스 분리부(20)를 통과한 용융액이 배출되고, 다수개의 벤트링(22)을 가압하여 밀착시키는 헤드(24);로 구성되고,
    상기 다수개의 벤트링(22)은,
    고리형상의 반경 내측에 형성된 삽입홀(21);
    상기 삽입홀(21) 주위의 원주방향을 따라 전면에 돌출 형성되고, 표면에 방사상의 미세통로가 형성되며, 이웃한 벤트링(22)의 후면에 접촉함으로써 벤트링(22)의 테두리가 이웃한 벤트링(22)의 테두리와 일정 간격 떨어지는 제1돌출턱(48); 및
    벤트링(22)의 원주면에 길이방향으로 오목하게 형성되어 가스의 배출통로가 되는 가스 배출홈(23);을 포함하며,
    상기 가스 분리부(20)가 삽입홀(21)을 순차적으로 관통하여 벤트링(22)이 가스 분리부(20)의 외주면에 밀착적으로 결합되어 다수개의 유동채널(18, 34)의 반경 외측 개방구(19)가 밀폐됨으로써, 유동채널(18, 34)을 흐르는 용융액에 함유된 가스가 제1돌출턱(48)의 사이 공간(t), 가스 배출홈(23) 및 가스 배출구(12)를 순차적으로 통과하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제조시설은 압출기(100)와 필터 조립체(400) 사이에 그래핀 또는 탄소 소재를 추가로 공급하는 사이드 피더 블록(200)을 더 포함하고,
    상기 사이드 피더 블록(200)의 외주면에는 그래핀 또는 탄소 소재와 고분자 수지를 가열하는 히터(300)가 설치되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 분리부(20)는,
    몸체(28);
    상기 몸체(28)의 외주면에 길이방향을 따라 사선방향으로 오목하게 형성됨으로써 용융액이 흐르는 다수개의 유동채널(18, 34); 및
    상기 몸체(28)의 일측단에 반경방향으로 배치되고, 원주방향을 따라 다수개의 유입홀(30)이 일정 간격씩 떨어져 형성되어 다수개의 유동채널(18, 34)에 대응되며, 용융액 공급부(27)를 통하여 공급된 용융액이 유입홀(30)을 통하여 유동채널(18, 34)로 공급되는 지지판(32);으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수개의 유동채널(18, 34)은,
    몸체(28)의 표면에 오목하게 사선방향으로 형성된 제1유동채널(18);
    상기 제1유동채널(18)과 이웃하여 교대로 나란히 배치됨으로써 제1유동채널(18)의 용융액이 월류하여 공급되는 제2유동채널(34); 및
    상기 제1 및 제2유동채널(18, 34) 사이에 돌출되어 제1 및 제2유동채널(18, 34)을 구분하며, 피크(P)에는 월류홀(h)이 형성되어 제1유동채널(18)의 용융액이 제2유동채널(34)로 월류할 수 있는 유동채널 돌출턱(35);을 포함하며,
    상기 제1 및 제2유동채널(18, 34)과 유동채널 돌출턱(35)은 몸체(28)의 원주면을 따라 반복적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1유동채널(18)의 후단(18b)에는 개방홀이 형성되어 지지판(32)의 유입홀(30)에 대응되고 선단(18a)에는 경사면(S)이 형성되며,
    상기 제2유동채널(34)의 후단(34b)에는 경사면(S)이 형성되고 선단(34a)에는 개방홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1유동채널(18)의 선단(18a) 경사면(S)에, 용융액의 일부가 헤드(24)로 토출되는 미세 토출홀(33)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수개의 벤트링(22)은,
    벤트링(22) 테두리 주위의 원주방향을 따라 벤트링(22) 전면에 돌출 형성되고 제1돌출턱(48)과 일정 간격 떨어져 배치되며, 제1돌출턱(48)보다 돌출된 길이가 작은 제2돌출턱(49); 및
    제1 및 제2돌출턱(48, 49)의 사이에 형성되어 가스가 포집되는 가스 포집홈(47);을 더 포함하며,
    상기 가스 분리부(20)가 삽입홀(21)을 순차적으로 관통하여 벤트링(22)이 가스 분리부(20)의 외주면에 밀착적으로 결합되어 다수개의 유동채널(18, 34)의 반경 외측 개방구(19)가 밀폐됨으로써, 유동채널(18, 34)을 흐르는 용융액에 함유된 가스가 가스 포집홈(47), 가스 배출홈(23) 및 가스 배출구(12)를 순차적으로 통과하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기정화장치(500)는,
    정화장치 바디(71);
    상기 정화장치 바디(71) 측면에 설치되고 진공펌프(63)로부터 이송되는 기체가 유입되는 가스진입구(72);
    상기 가스진입구(72)로 유입된 기체가 분사된 물과 접촉하여 기체 중의 유해성분을 제거하는 포집구간(73);
    상기 포집구간(73)에서 기체 중의 유해성분이 제거된 청정공기를 외부로 배출하는 배출구(74);
    상기 포집구간(73) 내로 물을 분사하기 위한 펌프(75);
    상기 포집구간(73) 내에 설치되고 펌프(75)로부터 물을 공급받아 상하 방향으로 서로 마주보면서 물을 분사하는 1쌍의 분사노즐(76);
    상기 포집구간(73) 내에서 분사된 물이 흘러내려 모이는 물탱크(77); 및
    장치 내를 순환하는 물을 여과하기 위한 수처리 필터(78);로 구성되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 수처리 필터(78)는,
    이물질을 함유한 물이 통과하는 유통관(81);
    상류단이 상기 유통관(81) 내에 배치되고 하류단이 유통관(81) 밖에 배치된 분기관(82);
    상기 분기관(82)의 상류단에 장착되고 두께방향으로 복수개의 관통홀(88)이 형성되어 있으며, 상기 관통홀(88)은 물의 흐름방향을 따라 구경이 점차 좁아지는 테이퍼 형상을 가지는 여과망(83);
    상기 분기관(82)의 하류단에 설치된 제1밸브(84);
    일단이 상기 분기관(82)의 하류단에서 제1밸브(84)의 상류측에 접속되고 타단이 기체공급원에 접속되어 있는 기체공급관(85); 및
    상기 기체공급관(85)의 도중에 설치된 제2밸브(86);로 구성되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 또는 탄소 소재-고분자 수지 복합체의 제조시설.
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