KR102382103B1

KR102382103B1 - 혼합 방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR102382103B1
Application number: KR1020200145258A
Authority: KR
Inventors: 리앙-후이 예
Original assignee: 오트라젯 인크.
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-04-01
Also published as: EP3964345A1; TW202210168A; JP7030353B1; TWI756809B; KR20220030143A; JP2022042458A; US20220063136A1

Abstract

본 발명에서 제공하는 혼합 방법은, 고체 상태의 폴리머 원료를 유동성 있는 용융 원료 유체로 용융시킨 후, 제1 체적 유속으로 혼합 공간에 유입시키고, 원료 유체가 상기 혼합 공간에 유입되는 동일 시점에 또는 다른 시점에 유체 형태의 발포제를 상기 혼합 공간에 도입하여, 발포제와 용융된 원료 유체가 상기 혼합 공간에서 혼합물로 혼합되고, 상기 혼합물이 제2 체적 유속으로 상기 혼합 공간에서 유동하고, 상기 제2 체적 유속은 상기 제1 체적 유속보다 크기 때문에, 원료 흐름이 상기 혼합 공간으로 흐르는 과정에 있어서 상기 혼합 공간에서 비교적 큰 체적 유속으로 유동하는 환경 또는 조건을 통하여, 원료 흐름의 유동이 연속적 또는 간헐적으로 단방향으로 진행되어 역류 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

혼합 방법 및 그 시스템 {MIXING METHOD AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 고분자 가공 기술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리머 발포 엘라스토머 공정에서 물리적 발포제인 초임계 유체와 용융된 폴리머 유체를 혼합하는 혼합 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

초임계 상태의 불활성 가스 또는 이산화탄소를 발포제로 사용하고, 용융된 고분자 원료 유체와 혼합한 후, 온도 또는 압력을 제어하여 발포제가 폴리머 내부에 핵을 만든 후 기포 형성하도록 만들어, 성형된 폴리머 내부에 많은 기공이 존재하게 만드는데, 이러한 발포 기술은 고분자 가공 기술 분야에서 이미 공개된 기술적 내용이다.

발포제와 원료 유체를 단상(single phase) 용액으로 완전히 혼합하기 위해, 종래 기술에서는 고체 상태 원료를 용융시키는 압출 배럴에 구비된 스크류 로드를 이용하여, 발포제를 압출 배럴 내에 주입하고, 스크류 로드를 통해 교반 및 혼합하여 발포제와 원료 유체를 단상 용액으로 혼합한다.

종래의 압출 배럴은 고분자 원료를 고체 상태에서 유체로 용융시키는 기술이므로, 발포제를 압출 배럴에 주입하면 압출 배럴 내부의 원료 유체에 추가적인 압력이 발생하여 원료 유체가 역류할 수 있다.

역류가 발생하는 것을 방지하기 위해 미국 특허 US6322347에서는 압출 배럴 내부의 원료 흐름이 발포제 주입구의 상류 방향에 대응하도록 함으로써, 종래 기술의 원료 역류를 방지하기 위한 수단으로 사용하였다.

그러나 역류를 방지하는 제한 요소를 스크류 로드 상에 결합하는 기술은, 유지 보수가 불편할 뿐만 아니라 추가적 구성 요소로 인해 제조 난이도가 올라가고 스크류 로드의 작동에도 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 주된 목적은 초임계 상태의 발포제를 용융된 원료 흐름에서 혼합할 때 원료 흐름의 유동에 영향을 미치지 않아 원료가 역류하는 것을 방지할 수 있는 혼합 방법 및 그 시스템을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 혼합 방법은, 고체 상태의 폴리머 원료를 유동성 있는 용융 원료 유체로 용융시킨 후, 제1 체적 유속으로 혼합 공간에 유입시키고, 원료 유체가 상기 혼합 공간에 유입되는 동일 시점에 또는 다른 시점에 유체 형태의 발포제를 상기 혼합 공간에 도입하여, 발포제와 용융된 원료 유체가 상기 혼합 공간에서 혼합물로 혼합되고, 상기 혼합물이 제2 체적 유속으로 상기 혼합 공간에서 유동하고, 상기 제2 체적 유속은 상기 제1 체적 유속보다 크기 때문에, 원료 흐름이 상기 혼합 공간으로 흐르는 과정에 있어서 상기 혼합 공간에서 비교적 큰 체적 유속으로 유동하는 환경 또는 조건을 통하여, 원료 흐름의 유동이 연속적 또는 간헐적으로 단방향으로 진행되어 역류 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 혼합 시스템은, 유체를 제1 체적 유속으로 유동시킬 수 있는 제1 유로, 및 유체를 제2 체적 유속으로 유동시킬 수 있는 제2 유로를 포함하고, 상기 제2 체적 유속이 상기 제1 체적 유속보다 크기 때문에, 고체 상태의 폴리머 원료는 제1 유로에서 유동 가능한 용융 원료 유체로 용융된 후, 상기 제1 체적 유속으로 상기 제1 유로를 떠나 상기 제2 유로로 유입되고, 동일 시점에 또는 다른 시점에 발포제 유체가 상기 제2 유로로 유입되어, 상기 용융 원료 유체와 상기 발포제가 혼합되어 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물은 상기 제2 체적 유속으로 상기 제2 유로에서 유동한다.

상기 제1 유로를 형성하기 위해, 상기 혼합 시스템은 제1 파이프 부재와 제1 스크류 로드를 더 포함하고, 여기에서 상기 제1 스크류 로드는 동축으로 상기 제1 파이프 부재를 관통하며 연장되고, 자체의 축을 회전축으로 삼아 회전할 수 있고, 상기 제1 스크류 로드 주변측과 상기 제1 파이프 부재의 내벽 사이에 위치하는 공간으로 상기 제1 유로를 구성한다.

이에 상응하여, 상기 제2 유로를 형성하기 위해, 상기 혼합 시스템은 제2 파이프 부재와 제2 스크류 로드를 포함하고, 여기에서 상기 제2 스크류 로드는 동축으로 상기 제2 파이프 부재를 관통하며 연장되고, 자체의 축을 회전축으로 삼아 회전할 수 있고, 상기 제2 스크류 로드 주변측과 상기 제2 파이프 부재의 내벽 사이에 위치하는 공간으로 상기 제2 유로를 구성한다.

구체적인 유로 구성에 있어서, 체적 유속을 차별화시키기 위해, 파이프 부재의 내경, 스크류 로드의 직경, 스크류 로드의 피치, 나사산 깊이, 나사산 각도 또는 톱니 두께 등을 변경하는 수단을 통해 유로의 단면적을 변경하거나, 또는 같거나 다른 유로 단면적 하에서 상이한 스크류 로드 회전 속도를 이용하여 체적 유속의 차이를 만들 수 있다.

본 발명의 유익한 효과는 초임계 상태의 발포제를 용융된 원료 흐름에서 혼합할 때 원료 흐름의 유동에 영향을 미치지 않아 원료가 역류하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 따른 사시도이다.
도 2는 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 따른 도 1의 2-2 절취선을 따라 취한 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 비교적 바람직한 실시예에 따른 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 비교적 바람직한 실시예에 따른 도 3의 4-4 절취선을 따라 취한 부분 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 따른 혼합 시스템(10)은 압출 유닛(20), 혼합 유닛(30) 및 발포제 공급 유닛(40)을 포함한다.

압출 유닛(20)은 고체 상태 폴리머 원료를 열에너지로 용융 유체와 같은 유동성 유체로 용융시키는 데 사용되는 종래 기술로, 구조적으로 제1 파이프 부재(21) 및 동축으로 상기 제1 파이프 부재(21) 내를 관통하며 연장되는 제1 스크류 로드(22)를 구비하고, 상기 제1 스크류 로드(22)의 주변측과 상기 제1 파이프 부재(21)의 내측 관벽 사이는 폴리머 원료가 지날 수 있는 제1 유로(23) 공간으로 정의한다.

상기 혼합 유닛(30)은 제2 파이프 부재(31) 및 동축으로 상기 제2 파이프 부재(31) 내에 관통하며 연장되는 제2 스크류 로드(32)를 구비하고, 상기 제2 파이프 부재(31)의 파이프 홀 공간에서 상기 제2 스크류 로드(32)가 차지하지 않는 부분은 폴리머 원료가 지날 수 있는 제2 유로(33) 공간을 정의하며, 여기에서 상기 제2 파이프 부재(31)는 동축으로 상기 제1 파이프 부재(21) 상에 직렬로 연결된다.

상기 발포제 공급 유닛(40)의 구체적인 기술적 내용은 유체가 통과하는 것을 제어할 수 있는 밸브이며, 상기 혼합 유닛(30)에 설치되어 외부에 초임계 상태로 존재하는 불활성 가스 또는 이산화탄소 등의 유체를 상기 제2 유로(33)로 도입하는 데 사용된다.

상기 혼합 시스템(10)을 구현할 때, 고체 상태의 폴리머 원료가 호퍼를 통해 상기 제1 유로(23)로 유입되고, 모터(M1)와 같은 외부 동력에 의해 상기 제1 스크류 로드(22)가 상기 제1 파이프 부재(21) 내에서 자체적인 축을 축으로 삼아 자체적으로 회전하여, 폴리머가 상기 제1 유로(23)에서 소정의 단일 방향으로 유동하도록 만들고, 열에너지의 작용 하에서, 폴리머 원료가 고체 상태에서 유동성 있는 용융 원료 유체로 용융되며, 하류 방향으로 연속적으로 유동하고, 제1 체적 유속으로 상기 제1 파이프 부재(21) 밖으로 유출된다.

상기 제1 파이프 부재(21)로부터 상기 제1 체적 유속으로 유출되는 용융 원료 유체는, 즉시 상기 제2 유로(33)로 유입되고, 상기 발포제 공급 유닛(40)을 거쳐 상기 제2 유로(33)로 유입되는 초임계 유체와 혼합되어 혼합물을 형성한다.

이어서, 상기 제2 스크류 로드(32)는 다른 모터(M2)의 외부 동력에 의해 구동되고, 상기 제2 파이프 부재(31) 내에서 자체적인 축을 축으로 사용하여 자체 회전하여, 상기 혼합물이 상기 제2 유로(33)에서 제2 체적 유속으로 유동하도록 만들고, 연속적으로 상기 제2 스크류 로드(32)에 의해 교반되어 상기 제2 유로(33)를 혼합 공간으로 사용해 혼합을 수행하고, 혼합물을 단상 용액으로 만든다.

혼합물의 단상 용액은 상기 혼합 유닛(30) 상에 연결된 배출단(50)을 통해 소정의 몰드 공간까지 이송된 다음, 상기 초임계 유체를 발포제로 사용하여 몰드 공간에서 핵 형성, 발포를 수행함으로써, 내부에 복수의 기공이 있는 폴리머 발포 엘라스토머를 획득한다.

여기에서 특별히 설명할 부분은, 상기 제2 체적 유속이 상기 제1 체적 유속보다 크기 때문에, 용융 원료 유체가 상기 제2 유로로 유입될 때, 원료 흐름의 상류 압력이 하류 압력보다 크거나 비슷하므로, 원료 흐름의 유동이 차단되어 압력이 상승하면서 역류가 유발되는 것을 방지할 수 있다는 점이다. 여기에서 상기 제2 체적 유속을 상기 제1 체적 유속보다 크게 만드는 기술적 수단은, 본 실시예에서 상기 제2 스크류 로드(32)의 회전 속도가 상기 제1 스크류 로드(22)의 회전 속도보다 크도록 만들어, 상기 제2 유로(33)에서 유체의 체적 유속을 증가시켜 전술한 효과를 얻도록 하였다.

다시 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 또 다른 비교적 바람직한 실시예에서 제공되는 혼합 시스템(10')은, 그 주요 기술적 수단이 전술한 실시예에서 개시된 것과 동일하며, 원료 흐름이 발포제와 혼합될 때 상류에 위치하는 제1 체적 유속을 하류에 위치하는 제2 체적 유속보다 작게 만들어, 원료 흐름이 역류하는 상황이 발생하는 것을 방지하였다.

본 실시예와 전술한 실시예의 차이점은 물품 상의 차이에 있다. 구체적으로 본 실시예에서 상기 제2 파이프 부재(31')는 상기 제1 파이프 부재(21')와 직교 결합 상태이며, 상기 제2 스크류 로드(32')의 주변측과 상기 제2 파이프 부재(31') 내측 관벽 사이의 공간은 상기 제2 유로(33')로 정의되지만, 이러한 차이점은 본 발명의 목적과 효과에 영향을 미치지 않는다.

다시 한 번 강조해야 할 부분은, 원료 흐름과 발포제가 혼합될 때 상류 체적 유속과 하류 체적 유속의 차이를 만드는 데 사용되는 기술적 수단이며, 전술한 두 실시예에서 회전 속도 이외에, 파이프 부재의 내경, 스크류 로드의 직경의 변경 또는 스크류 로드의 피치 변경, 나사산 깊이, 나사산 각도의 변경 또는 톱니 두께 조정 등과 같이 유로 단면적을 변경시키는 수단을 통해서도 구현 가능하다. 이는 모두 채택 가능한 기술 수단으로 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.

(10),(10'): 혼합 시스템
(20): 압출 유닛
(21),(21'): 제1 파이프 부재
(22): 제1 스크류 로드
(23): 제1 유로
(30): 혼합 유닛
(31),(31'): 제2 파이프 부재
(32),(32'): 제2 스크류 로드
(33),(33'): 제2 유로
(40): 발포제 공급 유닛
(50): 배출단
(M1),(M2): 모터

Claims

혼합 방법에 있어서,
고체 상태의 폴리머 원료를 유동성 있는 용융 원료 유체로 용융시킨 후, 제1 체적 유속으로 혼합 공간에 유입시키는 단계;
유체 상태의 발포제를 상기 혼합 공간에 도입시키는 단계; 및
발포제와 용융 원료 유체를 상기 혼합 공간에서 혼합물로 혼합하고, 상기 혼합물을 제2 체적 유속으로 상기 혼합 공간에서 유동시키는 단계를 포함하고,
여기에서, 상기 제2 체적 유속은 상기 제1 체적 유속보다 크고, 상기 제1 체적 유압은 상기 제2 체적 유압 보다 크게 하여 원료 흐름의 역류를 방지하도록 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 방법.
제1항에 있어서,
상기 발포제는 초임계 상태의 가스인 것을 특징으로 하는 혼합 방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합물은 혼합 공간에서 유동하는 동시에 서로 혼합되어 단상 용액을 형성하는 것을 특징으로 하는 혼합 방법.
혼합 시스템에 있어서,
유체를 제1 체적 유속으로 유동시킬 수 있는 제1 유로; 및
유체를 제2 체적 유속으로 유동시킬 수 있는 제2 유로를 포함하고,
고체 상태의 폴리머 원료를 상기 제1 유로에서 유동성 있는 용융 원료 유체로 용융시키고,
상기 용융 원료 유체를 상기 제1 체적 유속으로 상기 제1 유로를 떠나 상기 제2 유로로 유입시키고, 동일 시점에 또는 다른 시점에 발포제 유체를 상기 제2 유로로 도입하여, 상기 용융 원료 유체와 상기 발포제가 혼합되어 혼합물을 형성하도록 만들고, 상기 혼합물은 상기 제2 체적 유속으로 상기 제2 유로에서 유동하고,
상기 제2 체적 유속은 상기 제1 체적 유속보다 크고, 상기 제1 체적 유압은 상기 제2 체적 유압 보다 크게 하여 원료 흐름의 역류를 방지하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.
제4항에 있어서,
제1 파이프 부재; 및
동축으로 상기 제1 파이프 부재를 관통하여 연장되고, 자체적인 축을 축으로 사용하여 회전하는 제1 스크류 로드를 더 포함하고,
상기 제1 스크류 로드 주변측과 상기 제1 파이프 부재 내벽 사이에 위치하는 공간으로 상기 제1 유로를 구성하는 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.
제5항에 있어서,
제2 파이프 부재; 및
동축으로 상기 제2 파이프 부재를 관통하여 연장되고, 자체적인 축을 축으로 사용하여 회전하는 제2 스크류 로드를 더 포함하고,
상기 제2 스크류 로드 주변측과 상기 제2 파이프 부재 내벽 사이에 위치하는 공간으로 상기 제2 유로를 구성하는 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 스크류 로드의 회전 속도는 상기 제1 스크류 로드의 회전 속도보다 큰 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 파이프 부재의 내경이 상기 제1 파이프 부재의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 스크류 로드의 직경이 상기 제1 스크류 로드의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 스크류 로드의 피치가 상기 제1 스크류 로드의 피치보다 작은 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.
제4항 또는 제6항에 있어서,
상기 제2 유로의 단면적이 상기 제1 유로의 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 혼합 시스템.