KR102292651B1 - 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치 및 이를 이용한 고분자 용액의 제조방법 - Google Patents

고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치 및 이를 이용한 고분자 용액의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 재료의 균질 용액을 연속적으로 제조가 가능하고, 또한 혼합시 역류 현상의 방지가 가능한 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치 및 이를 이용한 고농도 및 고균질의 고분자 용액의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치 및 이를 이용한 고분자 용액의 제조방법 { Extruder for high concentration and homogeneous polymer solution and manufacturing process thereof using the same }
본 발명은 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치 및 이를 이용한 고분자 용액의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 회전하는 스크류가 구비되어 다양한 종류의 고분자 물질과 용매의 분배, 용해, 혼합 과정을 연속적으로 처리하고, 역류를 방지함으로써 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치 및 상기 압출장치를 이용한 고농도 및 고균질의 고분자 용액의 제조방법에 관한 것이다.
고분자 용액이란 용매 중에 고분자 용질이 분자 차원으로 섞어져 용해된 것으로 용질의 농도에 따라 크게 겔(gel) 상, 진한 용액과 묽은 용액으로 구분된다. 이러한 고분자 용액은 복잡한 형태의 유동과 변형을 거쳐 플라스틱, 엘라스토머, 필름, 섬유 또는 코팅재 등으로 성형가공된다.
이러한 고분자 용액의 제조장치에 대한 종래의 기술들을 살펴보면, 대한민국 등록실용신안공보 제20-0188436호에는 회전축과 돌기산 날개로 형성되며 회전축의 선단부가 편심된 원추형을 취하는 스크류에 있어서, 원기둥과 각체를 취하는 다수개 돌기핀이 상기 돌기산날개의 사이로 위치되는 회전축상으로 반복되는 다수열로서 형성되는 합성수지 시트 성형용 압출기 스크류가 제시되어 있고, 또한 대한민국 등록실용신안공보 제20-0234334호에는 회전축의 외둘레로 형성되는 돌기산날개의 사이로 돌기핀이 다수열로서 구성되며, 선단부가 편심된 원추형을 취하는 스크류에 있어서, 스크류본체 중앙부의 돌기산과 돌기산사이로 돌기산높이와 동일하게 돌출되며 외둘레로는 다수개의 혼합홈이 길이방향으로 형성된 혼합부를 형성하고, 스크류의 선단부로는 다수개의 편심부가 형성되는 합성수지재 성형용 스크류가 제시되어 있다.
그런데 대부분의 고분자는 분자량이 커질수록 용매에 대한 용해도가 저하되어 고균질 및 고농도의 고분자 용액의 제조가 어렵게 된다. 특히 고분자의 분자량이 너무 높은 경우에는, 상기 고분자 입자들이 용해 공정 동안에 완전히 용해되지 아니하여 균질한 고분자 용액의 제조가 불가하다.
특히 초고분자량폴리에틸렌(ultra high molecular weight polyethylene, 이하, UHMWPE)은 용융시에 유동하지 않기 때문에 가공이 매우 곤란하다. 결국, UHMWPE는 소결, 압착 성형, 장전 압출 또는 겔 가공을 통해 제품을 제조하게 된다.
그런데 UHMWPE은 탄성유체적인 성질이 워낙 크고, 용매에 용해되었을 때, 점도가 극적으로 증가하는 경향이 있으며, 또한 바이센베르크 효과(weissenberg effect)에 의해 제조되는 용액의 농도는 0.5 ~ 1.0 중량%가 한계로 알려져 있다.
즉, UHMWPE는 분자량이 매우 크고, 용해시 점도가 급격하게 증가됨으로써, 고농도의 균질한 고분자 용액을 연속으로 제조하는 것이 매우 어렵다.
따라서 종래에는 UHMWPE를 이용하여 고분자 용액의 제조시 우선 바이센베르크 효과가 나타나지 않는 희박농도에서 용액을 제조한 후, 이를 서서히 냉각시켜 고분자 용액을 제조하는 2단계 용해법을 사용하였다.
또한 UHMWPE은 압출장치를 이용하여 용매와 혼련하여 고분자 용액의 제조시 역류 현상이 발생하고, 압출장치 내부의 압력이 저하되어 균일한 압력으로 액상 겔을 전방으로 공급하는 것이 불가능하게 되는 현상이 반복적으로 발생하게 된다. 이에 따라 압출장치의 가동율이 저하되고, 유지보수에도 상당한 시간과 비용이 소요되는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 UHMWPE를 포함하는 초고분자량을 갖는 고분자 재료와 용매를 함께 투입하여 고농도 및 고균질의 고분자 용액의 제조가 가능한 압출장치 및 상기 압출장치를 이용하여 고농도 및 고균질의 고분자 용액의 제조방법을 제시하기 위한 것이다.
본 발명은 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 연속적으로 제조가 가능한 압출장치(100) 및 이를 이용한 고농도 및 고균질의 고분자 용액의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)는, 고분자와 용매가 혼련되는 압출부(120);와, 상기 압출부(120)의 온도를 제어하는 온도조절부(180);와, 압출부(120)를 구동하는 구동부(190); 및 상기 압출부(120)와 온도조절부(180) 및 구동부(190)를 제어하는 제어부(170);를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 압출부(120)는, 실린더(20);와, 상기 실린더(20)의 일측에 구비되어 용매를 공급하는 용매공급부(50);와, 상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되되, 제 1 스크류(160)에 의해 고분자를 공급하는 사이드 피더(40);와, 상기 용매공급부(50)에서 공급되는 용매와, 사이드 피더(40)로부터 공급되는 고분자를 혼련하여 고분자 용액을 제조하는 제 2 스크류(150); 및 혼련된 고분자 용액을 배출하는 배출구(110);를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 사이드 피더(40)는 하부로 경사지도록 경사각(θ)을 갖도록 구비되되, 상기 경사각(θ)은 5 ~ 10°이며, 상기 제 2 스크류(150)는 단축 스크류, 2축 스크류 또는 다축 스크류이며, 상기 제 2 스크류(160)의 직경(De)과 제 1 스크류(160)의 직경(Ds)의 비인
Figure 112020018959738-pat00001
는 0.90 내지 0.95인 것이 바람직하며, 상기 실린더(20)의 후방 일측에는 가스상 휘발분이 배출되는 벤트 포트(30)가 구비되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른, 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 연속적으로 제조하는 방법은, (a) 액상 용매를 용매공급부(50)를 통해 실린더(20)의 내부로 공급하는 단계; (b) 상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되는 사이드 피더(40)를 통해 고분자를 실린더(20)의 내부로 공급하는 단계; (c) 상기 실린더(20)의 내부에 구비되는 제 2 스크류(150)를 통해 상기 고분자와 용매를 혼련하여 고분자 용액을 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 (b) 단계에서 고분자는 상부에서 하부로 경사각(θ)을 갖도록 공급되며, 상기 고분자는 중량평균분자량이 5,000 ~ 10,000,000 인 초고분자량폴리에틸렌이며, 상기 초고분자량폴리에틸렌은 평균 입경은 50 내지 300 ㎛ 인 파우더상이며, 상기 용매는 파라핀 오일(paraffin oil) 또는 데칼린(decalin) 이며, 상기와 같이 제조되는 상기 고분자 용액의 농도는 5 ~ 30 중량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)는 고분자 재료의 용해시 역류 현상을 방지할 수 있어 고농도의 균질한 고분자 용액의 제조가 가능하며, 특히, 고분자 재료의 균질한 용액의 제조가 가능함으로써 높은 혼련도를 얻을 수 있고, 이에 따라 불량률을 최소화함에 따라 제품의 신뢰도 향상 및 대량생산이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)의 전체 구성을 나타내는 개략도이며,
도 2는 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)에 구비되는 압출부(120)의 모식도이며,
도 3은 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)에 구비되는 압출부(120)의 단면도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
아래에서는 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
고분자 용액을 이용하여 필라멘트와 필름 등을 제조하거나 또는 코팅재 등으로 사용할 때 상기 고분자 용액을 고농도 및 균질한 상태로 제조하는 것은 매우 중요하다.
그런데 분자량이 매우 큰 고분자 재료를 이용하여 통상적인 제조방법으로 제조되는 고분자 용액은 고농도로 제조하는 것은 매우 어렵고, 고도의 균질성을 얻기 어려워, 겔(gel) 상태에서 연신증력과 신축성이 매우 불량하게 되어 제조되는 제품이 불량하게 된다.
종래에는 고분자 용액의 제조시 적합한 용매에서 고분자 재료를 교반함으로써 제조하였다. 그러나 상기와 같이 교반을 통해 고분자 용액을 제조하는 것은 그 과정이 용이하지 않고, 또한 시간이 많이 소요된다.
즉, 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위해서는 교반속도를 매우 느리게 하고, 고분자 재료의 비교적 묽은 용액을 제조한 후, 이를 냉각시키는 2단계 용해법을 사용하였다.
그러나 고분자 소재의 분자량이 매우 큰 경우에는 교반조작 중에 가해진 기계적인 힘이 고분자의 분자쇄를 길게 늘이게 하는 경향이 있고, 또한 고분자 용액의 농도가 증가할수록 점도가 급격하게 상승되어 교반이 매우 어렵게 된다.
이에 따라 고분자 용액의 제조시 교반 속도를 느리게 하면 교반시간이 길어지면서, 고분자 용액 중으로 산소가 용해되어 고분자의 분해가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 분자량이 매우 큰 고분자 재료를 용해하여 고분자 용액을 제조하되, 고균질 및 고농도의 고분자 용액을 비교적 단시간 내에 연속적으로 제조하기 위한 압출장치(100)에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100) 및 이를 이용한 고분자 용액의 제조방법에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)의 전체 구성을 나타내는 개략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)에 구비되는 압출부(120)의 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)에 구비되는 압출부(120)의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)는 고분자와 용매가 혼련되는 압출부(120)와, 상기 압출부(120)의 온도를 조절하는 온도조절부(180)와, 상기 압출부(120)를 구동하는 구동부(190) 및 상기 압출부(120)와 온도조절부(180) 및 구동부(190)를 제어하는 제어부(170)를 포함한다.
이를 상세하게 살펴보면, 상기 압출부(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더(20)과, 상기 실린더(20)의 일측에 구비되어 용매를 공급하는 용매공급부(50)와, 상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되되, 제 1 스크류(160)에 의해 고분자를 공급하는 사이드 피더(40)와, 상기 용매공급부(50)에서 공급되는 용매와, 사이드 피더(40)로부터 공급되는 고분자를 혼련하여 고분자 용액을 제조하는 제 2 스크류(150) 및 혼련된 고분자 용액을 배출하는 배출구(110)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 압출부(120)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 분해 및 조립이 자유로우면서 내부로 온도 조절을 위한 온수와 냉각수가 통과할 수 있도록 구성된 실린더(20)와, 상기 실린더(20)의 내부로 원료의 투입이 이루어지는 용매공급부(50)와 사이드 피더(40)가 구비된다.
이때 압출부(120)의 전방 일측에는 제 1 스크류(160)에 의해 고분자를 공급하는 사이드 피더(40)가 구비되고, 상기 압출부(120)의 후방에는 혼련된 고분자 용액에 배출되는 배출구(110)가 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 온도조절부(180)는 압출부(120) 내부의 온도를 조절하기 위하여 적합한 온도로 가열된 온수와 냉각수를 공급하기 위한 구성이다. 즉, 실린더(20) 내부의 일 지점에 설치되는 온도계(미도시)에서 측정된 온도에 따라 온수 또는 냉각수를 공급함으로써 압출부(120) 내부의 온도를 제어하게 된다. 상기 온도조절부(180)는 히터를 이용하여 압출부(120) 내부의 온도를 조절하는 것도 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 구동부(190)는 압출부(120)의 내부에 구비되는 제 2 스크류(150)를 구동하기 위한 구성으로써, 상기 제 2 스크류(150)를 회전시키는 구동모터(미도시)와, 상기 구동모터의 회전수를 적절하게 감속하기 위한 감속장치(미도시)로 구성된다. 이때 제 2 스크류(150)는 구동부(190)에 구비되는 구동모터와 감속장치에 의해 피구동된다.
그리고 제어부(170)는 상기 압출부(120)와 온도조절부(180) 및 구동부(190)의 작동을 제어하기 위한 구성으로써, 압출장치(100)의 제어를 위한 통상의 구성으로 이루어지는 것인 바, 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 압출부(120)에 대하여 상세하게 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이 실린더(20)의 내부에는 구동부(190)에 구비되는 구동모터(미도시)에 의해 회전이 이루어지는 제 2 스크류(150)가 구비된다. 이때 상기 제 2 스크류(150)는 실린더(20)의 길이 방향의 단부에서 일측이 회전가능하도록 지지되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 스크류(150)를 회전시키기 위한 구동모터는 충분한 힘을 가져야 하며, 일정한 속도로 제 2 스크류(150)를 회전시켜야 한다. 일반적으로 압출장치의 크기는 스크류의 직경으로 나타내며, 상기 스크류의 크기에 따라 용량이 적절한 구동모터를 구비해야 한다.
즉, 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위해서는 고분자 재료에 따라 일정한 제 2 스크류(150)의 회전수가 필요하다. 본 발명에 따르면, 상기 제 2 스크류(150)의 회전수는 10 ~ 200 rpm의 범위인 것이 바람직하다. 이때 상기 제 2 스크류(150)를 회전시키기 위한 구동모터의 회전수는 매우 크므로 감속장치를 구비하여 적절하게 감속해 주어야만 한다.
상기와 같이 공급된 고분자 재료는 회전하는 제 2 스크류(150)에 의해 전방으로 이송되고 실린더(20) 측으로부터 점차 가열되어, 연속적으로 용융 및 혼련된다.
상기 제 2 스크류(150)는 고분자 재료와 용매를 혼련하여 배출구(110) 측으로 이송하는 구성이며, 압출장치(100)에서 가장 중요한 부품이다. 이때 상기 제 2 스크류(150)의 회전에 의해 고분자 재료와 용매의 용융, 혼련, 이송 및 균질화가 이루어지게 된다.
상기 제 2 스크류(150)는 강한 마찰과 고분자 재료의 분해시 발생하는 부식성 가스의 침식으로부터 내성이 있어야 하므로, 상기 제 2 스크류(150)의 재질은 고온 및 고압 조건에서 거대한 토크와 변형을 견디기 위해 높은 기계적 강도를 가져야 한다.
상기 제 2 스크류(150)의 길이 방향을 따른 일단에는 구동모터가 구비될 수 있고, 상기 구동모터에 의해 제 2 스크류(150)가 회전하게 된다. 이로 인해, 상기 제 2 스크류(150)를 통과하는 고분자 재료가 용융되면서 용매와 혼련되어 액화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 제 2 스크류(150)는 단축 스크류, 2축 스크류 또는 다축 스크류를 사용할 수 있다.
통상적으로 압출기에 사용되는 스크류는 단축 스크류, 2축 스크류 및 다축 스크류로로 나눌 수 있다.
현재는 단축 스크류가 가장 널리 사용되고 있으며, 상기 단축 스크류는 일반적인 재료의 압출 가공에 적합하다.
또한, 2축 스크류는 마찰에 의해 발생되는 열이 적고, 재료의 전단력이 비교적 균일하며, 스크류의 이송 용량이 크고, 압출량이 상대적으로 안정하며, 재료가 실린더(20) 내에 오래 머물러 혼합이 균일한 장점을 갖는다.
또한 다축 스크류는 혼련 효과가 커서 생산성이 높아 다양한 용도로 적용이 가능하다는 장점을 갖는다.
따라서 본 발명에서는 스크류는 단축 스크류와 2축 스크류 및 및 다축 스크류가 모두 적용 가능하다.
특히 2축 스크류는 우향이송스크류 및 좌향이송스크류를 구비하고, 각각 가열수단에 의해 투입된 고분자 재료와 용매를 가열하면서 중앙을 향하여 대향 이송시킨다. 이에 따라 상기 2축 스크류의 중앙부에 혼련부를 형성하게 되고, 상기 고분자 재료와 용매는 서로 마주하여 회전하는 상기 우향이송스크류 및 좌향이송스크류에 의해 마찰력이 극대로 발생하게 된다. 이때 마찰열에 의해 고분자 재료의 연화가 급속하게 진행되게 된다.
특히, 상기 2축 스크류는 배출량이 투입량이 보다 적도록 배출구(110)를 형성하게 되면, 상기 2축 스크류의 중앙부분으로 이동하면서 배압에 의해 상기 고분자 재료와 용매의 혼련이 발생하게 되고, 이에 따라 더욱 낮은 온도에서도 혼련될 수 있게 된다.
또한 본 발명에서 적용되는 2축 스크류는 고분자 재료의 체류시간을 고려하여 상기 스크류 길이 대비 스크류 직경의 비(L/D)가 36 내지 70 범위인 2축 스크류가 특히 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 압출부(120)는, 도 2에 도시된 바와 같이 실린더(20)과, 상기 실린더(20)의 일측에 구비되어 용매를 공급하는 용매공급부(50) 및 상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되되, 제 1 스크류(160)에 의해 고분자를 공급하는 사이드 피더(40)를 추가로 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 용매공급부(50)와 사이드 피더(40)는 실린더(20)의 내부로 용매와 고분자 재료를 공급하는 구성으로써, 고분자 재료의 혼련에 중요 인자로 작용하는 혼련성 및 분산성을 감안하여 압출부(120)의 적절한 위치에 위치하게 된다.
즉, 본 발명에서 용매공급부(50)는 압출부(120)의 전방에 위치하여 상기 실린더(20)의 내부로 용매의 투입이 이루어지게 된다.
그리고 상기 사이드 피더(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 용매공급부(50)의 후방에 위치하여 고분자 재료의 투입이 이루어지게 된다.
즉, 상기 사이드 피더(40)는 압출부(120)의 일측에 구비되어 고분자 재료를 상기 실린더(20)의 내부로 공급하는 구성이다. 통상적으로 상기 사이드 피더(40)는 호퍼에서 압력을 가하여 추가의 재료를 압출부(120)의 내부로 공급하는 호퍼 피딩 방식과, 스크류에 의해 강제로 추가의 재료를 공급하는 스크류 피딩 방식 등이 있다.
본 발명에서 상기 사이드 피더(40)는 스크류에 의해 고분자 재료를 압출부(120)의 내부로 강제로 공급하는 스크류 피딩 방식이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 사이드 피더(40)는 제 1 스크류(160)에 의해 고분자 재료를 실린더(20)의 내부로 공급하게 된다. 이때 상기 제 1 스크류(160)의 직경(Ds)은 압출부(120)에 구비되는 제 2 스크류(150)의 직경(De) 보다 5 ~ 10 % 정도 작은 것이 바람직하다.
즉, 압출부(120)에 구비되는 제 2 스크류(150)의 직경(De)과 사이드 피더(40)에 구비되는 제 1 스크류(160)의 직경(Ds)의 비 즉,
Figure 112020018959738-pat00002
는 0.90 내지 0.95을 만족하는 것이 바람직하다.
상기
Figure 112020018959738-pat00003
가 상기와 같은 범위를 갖는 경우에 용매가 실린더(20)의 내부로 공급되면 바닥으로 깔려서 전방으로 진행하기 때문에 용매가 사이드 피더(40)로 역류되지 않게 된다. 이에 따라 상기 사이드 피더(40)로 공급되는 고분자 재료의 공급 또한 원활하게 된다. 따라서 고분자 용액의 제조시 압출부(120) 내부에서 고분자 용액의 역류되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한 상기 사이드 피더(40)는 하부로 경사지도록 경사각(θ)을 갖도록 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3을 살펴보면, 상기 실린더(20)의 일측에 구비되는 사이드 피더(40)는 수평에 대해 예각의 경사각(θ)을 갖도록 구비되는 것이 바람직하다. 이때 상기 사이드 피더(40)의 경사각(θ)은 5 내지 10°인 것이 바람직하다.
상기 사이드 피더(40)의 경사각(θ)이 5°보다 작으면, 용매공급부(50)에 의해 실린더(20)의 내부로 먼저 공급된 액상의 용매가 사이드 피더(40)의 내부에 구비되는 제 1 스크류(160) 측으로 역류되어 고분자 재료의 공급이 공급이 원활치 못할 수 있다. 또한 상기 사이드 피더(40)의 경사각(θ)이 10°보다 크게 되면 고분자 재료가 출구로 쏠리게 되어 상기 용매와 고분자 재료의 공급이 균일하게 공급되지 않을 수 있다.
즉, 고분자 재료가 실린더(20)의 내부에서 일측으로 쏠리게 되면, 상기 실린더(20)의 내부에서 압력의 차이가 발생하게 된다. 이때 실린더(20)의 내부에서 발생한 압력 차이에 의해 배압(Back Pressure)이 발생하고, 이에 따라 고분자 용액의 역류가 발생하게 된다. 상기와 같은 고분자 용액의 역류 현상이 발생하게 되면, 고분자 용액의 제조공정에 심각한 문제를 초래하게 된다.
따라서 본 발명에서는 사이드 피더(40)를 수평에 대해 5 ~ 10°의 경사각(θ)을 부여함으로써, 고분자 용액의 역류현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 압출부(120)의 후방에는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 벤트 포트(30)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 벤트 포트(30)는 압출부(120)의 후방에서 혼련 중 발생하는 가스를 외부로 배출할 수 있도록 구비된다.
압출부(120)의 내부에서 혼련 중에 고분자 재료 또는 용매에 포함된 수분 또는 상기 고분자 재료가 열분해되면서 가스가 발생하게 된다. 상기와 같이 발생된 가스는 제거하는 것이 바람직하며, 이를 위해 압출부(120)의 후방에 벤트 포트를 구비하게 된다.
이때 압출부(120)의 후방에 구비되는 벤트 포트(30)는 압출부(120)에서 발생되는 가스를 배출하기 위하여 대기압 상태 또는 진공 상태에 있을 수 있다. 상기 벤트 포트(30)는 통상 진공펌프에 직접 접속되어 상기 벤트 포트(30)에 진공을 가함으로써 압출부(120)의 내부로부터 가스를 빠른 속도로 배출할 수 있다.
상기와 같이 구비되는 벤트 포트(30)로부터 고분자 용액에서 발생한 가스가 충분히 제거됨으로써 섬유 또는 필름을 제조할 경우에 별도의 탈포장치 및 탈포공정이 불필요하게 된다.
이하에서는 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 의한 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)를 이용한 고분자 용액의 제조과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 연속적으로 제조하는 방법은, 액상 용매를 용매공급부(50)를 통해 실린더(20)의 내부로 공급하는 단계;와, 상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되는 사이드 피더(40)를 통해 고분자를 실린더(20)의 내부로 공급하는 단계; 및 상기 실린더(20)의 내부에 구비되는 제 2 스크류(150)를 통해 상기 고분자와 용매를 혼련하여 고분자 용액을 제조하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
이를 상세하게 살펴보면, 우선, 제어부(170)에서의 설정에 의해 온도조절부(180)에서는 실린더(20)의 내부를 혼련에 적합하게 설정된 온도로 조절하게 된다. 상기 실린더(20) 내부의 측정온도가 제어부(170)에 설정된 온도에 도달하게 되면 구동부(190)에 구비되는 구동모터의 가동에 의해 제 2 스크류(150)의 회전이 이루어지게 된다. 이때, 상기 제 2 스크류(150)의 회전속도는 제어부(170)에 설정된 값에 따른 인버터(미도시)에 의해 조절될 수 있다.
상기와 같이 압출부(120)의 내부에 구비되는 제 2 스크류(150)가 회전되는 상태에서 액상 용매가 용매공급부(50)를 통해 실린더(20)의 내부로 공급된다.
한편, 상기 용매공급부(50)를 통해 투입되는 액상의 용매는 제 2 스크류(150)의 회전에 의해 압출부(120)의 전방으로 이송된다.
이때, 고분자 용액을 제조하기 위한 또 다른 원료인 고분자 재료는 마찬가지로 제어부(170)에서 설정된 값에 따라 실린더(20)의 내부로 투입되는데, 상기 고분자 재료는 상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되는 사이드 피더(40)를 통해 상기 실린더(20)의 내부로 공급된다.
이때 상기 사이드 피더(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 역류를 방지하기 위하여 위에서 아래로 경사지도록 예각의 경사각(θ)을 갖도록 구비되므로, 상기 사이드 피더(40)를 통해 공급되는 고분자 재료는 예각의 경사각(θ)을 갖는 상태로 공급되게 된다.
상기와 같이 액상의 용매와 고분자 재료가 실린더(20)의 내부로 공급된 후에는 상기 실린더(20)의 내부에 구비되는 제 2 스크류(150)에 의해 상기 고분자 재료와 용매를 혼련하게 된다. 상기와 같이 고분자 재료와 용매를 혼련함으로써 본 발명의 고농도 및 고균질의 고분자 용액이 제조된다.
본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)는 원칙적으로 폴리올레핀, 폴리아마이드, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로나이트릴또는 이들의 혼합물 같은 다양한 고분자 재료에 적용될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)는 평균 분자량이 5,000 ~ 10,000,000 의 범위를 갖는 UHMWPE를 포함하는 분자량이 매우 큰 고분자 이용하여 고분자 용액의 제조시 유용하다.
이때 상기 고분자 재료는 파우더상으로 공급되는 것이 바람직하고, 상기 파우더상의 평균 입경은 50 내지 300 ㎛인 것이 특히 바람직하다.
구체적으로는, 상기 고분자 재료의 파우더상의 평균 입경이 50 ㎛ 미만인 경우에는 기류나 진동으로 상기 파우더상이 비산하게 되고, 300 ㎛ 를 초과하는 경우에는 혼련시 유동성이 낮고, 압출기에 투입시 취급성이 불량하게 된다.
본 발명에 따르면, 고분자 용액의 제조시 사용하는 용매로는 비휘발성 유기 화합물을 사용할 수 있는데, 바람직하게는 대기압 하에서 비점이 350 ℃ 이상인 탄화수소계 유기 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 특성을 갖는 용매는 초고분자량 폴리에틸렌에 대한 용해성이 우수하고, 재사용이 가능할 뿐만 아니라 화재 위험 등이 없어 취급성이 우수하다.
구체적으로 상기와 같은 조건을 만족하는 용매로는 자이렌, 톨루엔, 플루오렌 등과 같은 방향족 탄화수소와, 트리클로로벤젠 등의 방향족 염화탄화수소와, 데카린, 파라핀 오일 및 미네랄 오일 등의 사용이 가능하다. 본 발명에 따르면, 상기 UHMWPE을 이용하여 고분자 용액의 제조시 사용되는 용매는 특히 파라핀 오일과 데칼린이 바람직하다.
상기 파라핀 오일(paraffin oil)은 석유의 정제과정에서 얻어지며, 불에 잘 타는 탄화수소 액체이고, 데칼린(decalin)은 나프탈렌에 수소를 첨가하여 만든 데카히드로나프탈렌으로서 무색의 액체를 가리킨다.
또한, 상기 파라핀 오일 또는 데칼린을 용매로 하여 UHMWPE를 용해하여 고분자 용액의 제조시에는 135 내지 180 ℃에서 실시되는 것이 바람직하다. 상기 온도 범위에서 용해 공정이 실시될 때 상기 파라핀 오일과 데칼린에 대한 UHMWPE의 대한 용해도가 가장 우수하다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(!00)를 이용하여 제조되는 고분자 용액의 농도는 5 ~ 30 중량% 일 수 있다.
본 발명의 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)를 이용하면, 고분자 재료의 용해시 역류 현상을 방지하여 공정의 손실을 방지할 수 있고, 또한 스크류 및 실린더(20)의 마모를 줄일 수 있으므로, 5 ~ 30 중량%의 고농도의 고분자 용액의 제조가 가능하게 된다.
또한 균질한 고분자 용액의 제조가 가능함으로써 높은 혼련도를 얻을 수 있고, 가공성이 향상되고, 합성수지에 의해 불량률을 최소화함에 따라 제품의 신뢰도 향상 및 대량생산이 가능한 고분자 용액의 제조가 가능하게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 압출장치
20 : 실린더
40 : 사이드 피더
50 : 용매공급부
120 : 압출부
160 : 제 1 스크류
150 : 제 2 스크류

Claims (9)

  1. 고농도 및 고균질의 초고분자량폴리에틸렌 용액을 제조하기 위한 압출장치(100)에 있어서,
    고분자와 용매가 혼련되되,
    실린더(20);
    상기 실린더(20)의 일측에 구비되어 용매를 공급하는 용매공급부(50);
    상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되되, 제 1 스크류(160)에 의해 초고분자량폴리에틸렌을 공급하는 사이드 피더(40);
    상기 용매공급부(50)에서 공급되는 용매와, 사이드 피더(40)로부터 공급되는 초고분자량폴리에틸렌을 혼련하여 초고분자량폴리에틸렌 용액을 제조하는 제 2 스크류(150); 및
    혼련된 초고분자량폴리에틸렌 용액을 배출하는 배출구(110);를 포함하는 압출부(120);
    상기 압출부(120)의 온도를 제어하는 온도조절부(180)
    압출부(120)를 구동하는 구동부(190) 및
    상기 압출부(120)와 온도조절부(180) 및 구동부(190)를 제어하는 제어부(170);를 포함하되,
    상기 제 2 스크류(150)의 직경(De)과 제 1 스크류(160)의 직경(Ds)의 비인
    Figure 112021089244161-pat00007
    는 0.90 내지 0.95 인 것을 특징으로 하는 고농도 및 고균질의 초고분자량폴리에틸렌 용액을 제조하기 위한 압출장치(100).
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 스크류(150)는 단축 스크류, 2축 스크류 또는 다축 스크류인 것을 특징으로 하는 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100).
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더(20)의 후방 일측에는 가스상 휘발분이 배출되는 벤트 포트(30)가 구비되는 것을 특징으로 하는 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100).
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 초고분자량폴리에틸렌 용액의 농도는 5 ~ 30 중량%인 것을 특징으로 하는 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 제조하기 위한 압출장치(100).
  6. 고농도 및 고균질의 초고분자량폴리에틸렌 용액을 연속적으로 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 액상 용매를 용매공급부(50)를 통해 실린더(20)의 내부로 공급하는 단계;
    (b) 상기 용매공급부(50)의 후방에 구비되되, 제 1 스크류(160)를 구비하는 사이드 피더(40)를 통해 초고분자량폴리에틸렌을 실린더(20)의 내부로 공급하는 단계;
    (c) 상기 실린더(20)의 내부에 구비되는 제 2 스크류(150)를 통해 상기 초고분자량폴리에틸렌과 용매를 혼련하여 초고분자량폴리에틸렌 용액을 제조하는 단계;를 포함하되,
    상기 제 2 스크류(150)의 직경(De)과 제 1 스크류(160)의 직경(Ds)의 비인
    Figure 112021089244161-pat00008
    는 0.90 내지 0.95 인 것을 특징으로 하는 고농도 및 고균질의 초고분자량폴리에틸렌 용액을 연속적으로 제조하는 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 고분자는 상부에서 하부로 경사각(θ)을 갖도록 공급되는 것을 특징으로 하는 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 연속적으로 제조하는 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 실린더(20) 내부에서 발생된 가스를 벤트 포트(30)를 통해 배출하는 것을 특징으로 하는 고농도 및 고균질의 고분자 용액을 연속적으로 제조하는 방법.

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Citations (8)

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