KR102418240B1 - 경질 외피를 갖는 발포성 폼 펠릿을 형성하는 방법 및 장치 - Google Patents

경질 외피를 갖는 발포성 폼 펠릿을 형성하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

예비-발포된 경질 외피 열가소성 폼 펠릿은 유체중 펠리타이저 내의 다이 판으로부터 배출되는 용융물의 온도를 제어하고, 펠릿이 절단 챔버로부터 원심 슬러리 라인을 통해 원심 건조기를 향해 유동되는 동안에 냉각 유체의 온도 및 압력을 제어함으로써 생성된다. 위의 파라미터를 제어하는 데 사용되는 방법 및 장치는 펠릿을 생성하는 것과 연계하여 설명된다. 이처럼 형성된 펠릿은 대체로 구형의 형상을 가질 수 있거나, 그것들은 예비-발포 중의 조건에 따라, 그것으로부터 돌출하는 폼 헤머리지를 갖는 특이한, 불규칙적인 형상을 가질 수 있다.

Description

경질 외피를 갖는 발포성 폼 펠릿을 형성하는 방법 및 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 7월 1일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Forming an Expandable Foam Pellet Having a Hard Outer Shell by Underwater Pelletizing, and Expandable Foam Pellets Formed Thereby"인, 미국 임시 특허 출원 제62/357,738호의 이익을 주장한다.
본 발명은 유체중 펠리타이저(underfluid pelletizer)를 사용하여 내부 발포성 폼을 포위하는 경질 외피를 갖는 열가소성, 발포성 폼 펠릿을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법 및 장치에 의해 형성되는 경질 외피를 갖는 발포성 폼 펠릿에 관한 것이다.
외피를 갖는 열가소성 발포성 펠릿을 생성하는 몇몇의 시도가 있어 왔다.
슈(Chou) 등의 미국 특허 제9,126,178호는 중합 중에 입자를 형성하고, 금속 함유, 유기 화합물로 형성된 입자의 외부 표면을 처리함으로써 열 발포성 마이크로스피어를 형성하는 방법을 개시한다.
모어하우스, 주니어(Morehouse, Jr.) 등의 미국 특허 제3,615,972호는 단량체 및 발포제의 액적의 수성 서스펜션-타입 중합에 의해 외벽을 갖는 발포성 마이크로스피어를 생성하는 방법을 제시한다.
노르딘(Nordin) 등의 미국 공개 출원 제2007/0208093호는 중합 프로세스 중에 생성되는, 추진제를 캡슐화하는 에틸렌계 불포화 단량체로부터 생성되는 중합체 외피를 포함하는 열 발포성 열가소성 마이크로스피어에 관한 것이다.
나이토(Naito) 등의 미국 공개 출원 제2010/0120929호는 열가소성 수지의 외피 그리고 그 내부에 캡슐화되는 발포제를 갖는 열-발포성 마이크로스피어를 생성하는 방법을 개시한다. 이들 마이크로스피어, 및 이전의 참고문헌의 마이크로스피어는 유체중 펠릿화가 아니라 중합 프로세스를 통해 성취된다.
디첸(Dietzen) 등의 미국 특허 제7,776,244호, 고바야시(Kobayashi) 등의 미국 특허 제7,815,828호, 비글리오네(Biglione) 등의 유럽 공개 특허 출원 제EP0126459호 및 앨런(Allen) 등의 유럽 공개 특허 출원 제EP0305862호 모두는 수중 펠릿화에 의해 열가소성 수지 발포성 입자를 형성하는 것을 제시한다. 디첸, 고바야시, 비글리오네, 또는 앨런은 발포성 입자를 포위하는 경질 외피를 형성하는 것을 언급하지 않는다.
브뤼닝(Bruning) 등의 미국 특허 제6,315,931호는 발포된 입자를 생성하는 방법을 제시하고, 여기서 열가소성 합성 재료가 압출기 내에 위치되고, 합성 재료는 용융되고, 가압된 발포제가 하나 또는 여러 개의 분사 노즐을 통해 급송되고, 발포 매체로 농축되는 용융된 재료는 그것이 압출기의 출구에 배열되는 천공된 판을 통해 배출되는 동안에 발포되고, 천공된 판 뒤에 배열되는 절단 디바이스에 의해 입자화된다. 브뤼닝은 절단 챔버에서의 냉각 매체의 온도 및 압력을 제어하여 매끄러운 표면을 갖는 폐쇄된 필름으로 입자의 표면을 직접적으로 경화시키지만, 이러한 필름은 경질 외피의 형태를 갖는 것으로서 개시되지 않고, 그 방법은 폴리프로필렌의 펠릿화에 특정된다.
본 발명의 목적은 유체중 펠릿화에서 프로세스 파라미터의 제어를 통해 경질 외피를 갖는 부분적으로 발포된, 열가소성, 및 발포성 폼 펠릿을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유체중 펠릿화에서 프로세스 파라미터를 제어하여 형성된 펠릿 상의 외피의 두께를 제어하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유체중 펠릿화에서 프로세스 파라미터를 제어하여 경질 외피 폼 펠릿의 예비-발포의 정도를 제어하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유체중 펠릿화에서 프로세스 파라미터를 제어하여 대체로 구형으로부터 불규칙적인, 특이한 형상의 헤머리지형 펠릿(hemorrhaged pellet)으로 예비-발포된 펠릿의 형상을 제어하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유체중 펠릿화에서 프로세스 파라미터를 제어하여 다양한 크기의 예비-발포된 폼 펠릿을 생성하는 것이다. 다이 구멍 직경, 압출 구멍 랜드 길이, 또는 이들 2개의 조합, 그리고 또한 냉각 유체 온도 및 압력, 용융물 온도, 및 다이 구멍을 통한 용융물 유량을 변화시킴으로써, 펠릿 크기가 절단 챔버에서 변화될 수 있다. 또한, 펠릿 크기는 커터 블레이드의 가변적인, 프로그래밍된 회전 속도를 사용함으로써 변화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유체중 펠릿화에서 프로세스 파라미터를 제어하여 펠릿이 슬러리 라인을 통해 원심 건조기로 진행하는 도중에 경질 외피 폼 펠릿의 예비-발포의 정도를 제어하는 것이다.
본원 발명에 따르면, 경질 외피를 갖는 예비-발포된 폼 펠릿을 제조하는 압출 방법으로서, 중합체 용융물 내로 첨가되는 발포제를 계량하는 단계; 압출 다이를 통해 그리고 유체 입구 및 펠릿 슬러리 출구를 포함하고 복수의 커터 블레이드를 포함하는 커터 허브 조립체를 포위하는 절단 챔버 내로 중합체 용융물을 압박하는 단계; 프로그래밍된 회전 속도로 복수의 커터 블레이드를 회전시킴으로써 압출된 용융물을 절단하여 하나 이상의 펠릿을 제조하는 단계; 유체 입구 내에서, 절단 챔버를 통해, 그리고 펠릿 슬러리 출구 외부로 유체의 유동을 유도하여 펠릿 슬러리의 절단 챔버로부터 멀어지는 방향으로 하나 이상의 펠릿을 견인하는 단계; 경질 외피 및 예비-발포된 폼 중심부를 갖는 하나 이상의 폼 펠릿을 제조하는 데 효과적인 온도 및 압력에서 펠릿 슬러리 내의 하나 이상의 펠릿을 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다. 또한, 본원 발명에 따르면, 경질 외피를 갖는 예비-발포된 폼 펠릿을 제조하는 압출 방법으로서, 재료 블렌딩 시스템 내로 중합체 재료를 급송하여 블렌딩된 재료를 형성하는 단계; 압출기의 목부 내로 블렌딩된 재료를 급송하여 중합체 용융물을 형성하는 단계; 용융물 내로 첨가되는 발포제를 계량하는 단계; 압출 다이를 통해 그리고 유체 입구 및 펠릿 슬러리 출구를 포함하고 복수의 커터 블레이드를 포함하는 커터 허브 조립체를 포위하는 절단 챔버 내로 용융물을 압출하는 단계; 프로그래밍된 회전 속도로 복수의 커터 블레이드를 회전시킴으로써 압출된 용융물을 절단하여 하나 이상의 펠릿을 제조하는 단계; 유체 입구 내에서, 절단 챔버를 통해, 그리고 펠릿 슬러리 출구 외부로 유체의 유동을 유도하여 펠릿 슬러리의 절단 챔버로부터 멀어지는 방향으로 하나 이상의 펠릿을 견인하는 단계; 경질 외피 및 예비-발포된 폼 중심부를 갖는 하나 이상의 폼 펠릿을 제조하는 데 효과적이도록 펠릿 슬러리 내의 하나 이상의 펠릿을 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
상기 목적을 실현하기 위해, 본 발명은 발포제 함침된 열가소성 용융물의 유체중 펠릿화(예컨대 수중 펠릿화), 및 유체중 절단 챔버 내의 다이의 표면에서의 펠릿으로의 용융물의 절단을 위한 장치를 포함한다. 다이는 다이 구멍의 직경, 및 발생된 펠릿의 특정 적용분야에 따라, 통상적인 크기의 펠릿, 미니-펠릿 또는 마이크로-펠릿이 생성될 수 있는 오리피스를 가질 수 있다. 본 발명은 또한 용융물이 다이를 통과하는 동안에 그 온도 및 압력을 제어하고, 또한 절단 챔버 내의, 그리고 또한 다이 표면과 슬러리 라인의 출구 사이의 슬러리 라인 전체를 통한 원심 또는 다른 타입의 펠릿 건조기로의 냉각 유체(예컨대 냉각수)의 온도 및 압력을 제어하는 장치 및 방법을 포함한다. 이들 장치 및 방법은 결국 경질 외피를 갖는 부분적으로 발포된, 발포성 폼 펠릿이 생성하게 한다. 이처럼 생성된 경질 외피를 갖는 발포성 폼 펠릿은 슬러리 라인을 통해 반송되는 동안에 예비-발포될 수 있다. 또한, 이처럼 생성된 경질 외피를 갖는 발포성 폼 펠릿은 펠릿화 중에 그리고 그 후에 프로세스 파라미터의 제어에 의해 결정되는 것과 같이, 대체로 구형의 형상을 가질 수 있거나, 펠릿 상에 생성되는 폼 헤머리지를 갖는 특이한 또는 불규칙적인 형상을 가질 수 있다. 예비-발포된 경질 외피 폼 펠릿은 특정 적용분야에 대해 요구된 밀도 또는 펠릿 크기에 따라, 비유동화 후에 그리고 펠릿의 최종적인 이용 전에 열 또는 스팀 처리에 의해 추가로 발포될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예가 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면에 개시된다.
도 1은 본 발명에 사용되는 하나의 타입의 급송기/압출기/펠리타이저 시스템의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 것과 같은, 내부의 쌍원뿔형 제한기 파이프 섹션, 및 원심 건조기를 갖는 하나의 타입의 슬러리 라인의 측면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 시스템의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 방법에 의해 형성되는 경질 외피 폼 펠릿의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 방법에 의해 형성되는 특이한-형상의, 헤머리지형 펠릿의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 방법에 의해 형성되는 중공 중심 영역을 갖는 경질 외피 폼 펠릿의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 방법에 의해 형성되는 특이한-형상의, 헤머리지형 펠릿의 사진이다.
도 9는 본 발명의 방법에 의해 형성되는 특이한-형상의, 헤머리지형 펠릿의 사진이고 절단되어 개방되고 그에 따라 다공성 중심부를 보여준다.
도 10은 본 발명의 방법에 의해 형성되는 중공 중심 영역을 갖는 경질 외피 폼 펠릿의 사진이고, 일부의 펠릿이 중실형이고, 일부의 펠릿은 절단되어 개방된다.
다음에는 본 발명의 원리를 설명하는 예시적인 실시예의 상세한 설명이 후속된다. 상기 실시예는 본 발명의 양태를 설명하도록 제공되지만, 본 발명은 상기 실시예로 제한되지 않는다. 본 발명의 범주는 많은 대안, 변형 및 등가물을 포함하고; 그것은 청구범위에 의해서만 제한된다.
많은 특정 세부사항이 본 발명의 철저한 이해를 제공하도록 다음의 상세한 설명에 기재된다. 그러나, 본 발명은 이들 특정 세부사항 중 일부 또는 모두가 없어도 청구범위에 따라 실시될 수 있다. 명료화의 목적을 위해, 본 발명과 관련된 기술 분야에 공지된 기술 자료는 본 발명이 불필요하게 모호해지지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.
도 1 내지 도 4를 이제부터 참조하면, 본 발명을 수행하는 데 사용되는 대표적인 장치가 설명될 것이다. 본 기술분야에 공지된 것과 같은 트윈 스크루 압출기, 용융물 탱크 및 용융물 펌프, 반응 압출 프로세스 등을 포함하지만, 그것들로 제한되지 않는, 유체중 펠리타이저에 용융물을 제공하는 다른 수단이 채용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
도 1 및 도 2에서, 발포제를 함유한 열가소성 용융물을 압출 및 펠릿화하는 시스템이 도시된다. 재료 블렌딩 시스템(100)에 의해, 펠릿이 형성될 중합체 재료, 예를 들어 폴리스티렌이 수용된다. 중합체 재료와 블렌딩될 다른 재료가 또한 블렌딩 시스템(100) 내에 보유되고 이어서 특정 조성물에 의해 요구되는 것에 따라 비례하여 분배된다. 다른 재료의 종류의 예는 난연제, UV 보호제, 착색제, 핵생성제 등이다.
블렌딩된 재료는 재료 블렌딩 섹션(100)으로부터 압출기(200)의 급송 목부(throat) 내로 분배된다. 압출기(200)는 본 기술분야에 공지된 것과 같은 단일 스크루 압출기, 트윈 스크루 압출기, 동일방향-회전 또는 반대방향-회전, 또는 다른 타입의 압출기일 수 있다. 압출기(200)의 목적은 블렌딩 섹션으로부터 수용되는 블렌딩된 재료를 철저하게 혼합하고, 용융가능한 재료가 압출기로부터 배출되는 동안에 그것들이 용융되게 하는 것이다.
발포성 폼 펠릿을 제조하기 위해, 물리적 또는 화학적 발포제가 바람직하게는 펠릿이 형성되기 전에, 용융물에 첨가될 수 있고, 이러한 경우에, 액체의 물리적 발포제가 압출기 내의 블렌딩된 재료의 혼합 및 용융 중에 첨가될 수 있다. 이것을 성취하기 위해, 액체 발포제 계량 시스템(300)이 제공되고 그에 따라 압출기 내의 용융물 내로 첨가되는 액체 발포제를 계량하고 그에 따라 그것은 용융물이 압출기로부터 배출되기 전에 용융물과 철저하게 혼합될 수 있다. 발포제 계량 시스템(300)은 발포제 라인(304)을 거쳐 압출기 입구 포트(302)를 통해 블렌딩된 재료에 비례하는 양의 발포제를 제공한다. 사용될 수 있는 물리적 발포제의 예는 프로판, 부탄, 펜탄, 네오펜탄, 이소펜탄, 헥산, CO2 등이다. 본 발명에 바람직한 발포제는 펜탄 이성질체 중 하나 이상의 조합이다. 발포제는 약 3 내지 약 7 중량%의 전형적인 비율로 용융된 열가소성 재료에 첨가되어 그것과 혼합될 수 있거나, 적용분야에 따라, 약 1 중량% 정도로 낮거나 약 7 중량%보다 클 수 있다.
블렌딩된 플라스틱 중합체 및 발포제가 혼합되면, 그것은 압출기(200)로부터 배출되고, 용융물이 추가로 가압되는 용융물 펌프(410), 용융물의 입자상 불순물이 여과되는 스크린 교환기(420), 및 그것이 도시되지 않은, 다이 판으로 계속하여 진행하거나 펠리타이저(440)가 용융물을 수용하여 펠릿화를 수행할 준비가 되어 있지 않으면 폐기물로 전환될 수 있는 중합체 다이버터 밸브(polymer diverter valve)(PoDV)(430)를 통과할 수 있다. 용융물이 폐기물로 전환되면, 그것은 PoDV(430)의 출구에서 조정가능한 제한기 플러그(432)를 통과한다. 압출기(200), 용융물 펌프(410), 스크린 교환기(420) 및 중합체 다이버터 밸브(430)는 모두가 하나의 구성요소의 출구 상의 피팅을 다음의 구성요소의 입구 상의 피팅에 맞추는 어댑터 판(450)에 의해 상호연결된다.
제한기 플러그(432)는 PoDV(430)로부터의 유동의 체적을 제한하여 용융물 펌프(410)에 의해 생성되는 상기 시스템 내의 압력을 유지한다. 용융물이 PoDV(430)로부터 제한되지 않는 상태로 유동되게 되면, 밸브의 상류에서 압력 강하가 있고 그에 따라 용융물이 상류 구성요소 내에서 조기에 발포되게 하고, 그에 따라 가동되어 펠릿을 생성하려고 시도할 때에 다이 판 및 커터에 심각한 문제를 유발한다. 제한기 플러그(432)는 발포제의 증기압보다 높은, 요구된 수준으로 상류 압력을 유지하도록 수동으로 또는 자동으로 조정될 수 있다.
발포제를 갖는 블렌딩된 플라스틱 중합체 용융물은 다이버터 밸브(430)로부터, 도시되지 않은, 가열된 다이 판을 통해 그리고 다이 판의 다이 구멍으로부터 배출되는 스트랜드가 펠릿으로 펠리타이저(440)에 의해 절단되는 절단 챔버(434) 내로 유동된다. 펠릿의 크기는 부분적으로 다이 판 내의 다이 구멍의 오리피스 직경에 의해 결정될 수 있다. 1.0 ㎜ 미만의 발포되지 않은 직경을 갖는 마이크로-펠릿, 1.0 ㎜ 내지 2.0 ㎜의 발포되지 않은 직경을 갖는 미니-펠릿, 및 2.0 ㎜보다 큰 발포되지 않은 직경을 갖는 통상적인 펠릿의 모두가 선택된 다이 판의 오리피스 직경, 다이 구멍을 통한 용융물 유량, 및 커터 허브의 속도 그리고 커터 허브 상의 블레이드의 개수에 따라 이러한 시스템으로 생성될 수 있다. 다이 판은 전기 저항 가열 요소로 또는 다이 내의 통로를 통해 가열된 유체를 유동시킴으로써 가열될 수 있다. 요구된 온도까지 다이 판을 가열함으로써, 다이 판을 통과하는 압출기 및 상류 구성요소로부터의 용융물의 점도가 추가로 제어될 수 있고, 그에 따라 용융물의 압력이 또한 제어될 수 있다. 온도가 과도하게 낮으면, 용융물의 점도가 증가할 것이고, 판을 통과하는 용융물의 압력이 증가할 것이고, 다이 판을 통과하는 용융물의 유동이 감소하여 고정된 커터 속도에 대해 더 작은 펠릿을 발생시킬 수 있다. 마찬가지로, 온도가 과도하게 높으면, 용융물의 점도가 감소할 것이고, 판을 통과하는 용융물의 압력이 감소할 것이고, 다이 판을 통과하는 용융물의 유동이 증가하여 고정된 커터 속도에 대해 더 큰 펠릿을 발생시킬 수 있다. 온도가 과도하게 높아지면, 용융물이 양질의 펠릿을 절단하기에 과도하게 낮은 점도를 가질 수 있다. 다이의 온도가 과도하게 낮아지면, 다이 구멍이 동결될 수 있는 지점까지 유동이 감소되고, 그에 따라 다이 구멍의 폐쇄 그리고 펠릿 유량의 손실을 유발할 수 있다. 용융물의 점도는 또한 발포제의 비율에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어 발포제로서 펜탄의 이성질체가 사용될 때에, 고정된 온도에 대해, 혼합물 내의 펜탄의 비율을 증가시키는 것은 혼합물의 점도를 감소시킬 것이다.
유체 시스템 내의, 특히 절단 챔버(434) 내의 그리고 그 바로 하류의 유체(예컨대 물)는 고압 유체 펌프(470)에 의해 상승된 압력으로 유지될 수 있다. 고압 펌프(470)는 유체가 절단 챔버로부터 절단 챔버(434)의 바로 하류의 슬러리 라인(500)의 부분을 통해 유동되는 동안에 펠릿 내의 발포제의 증기압보다 높은 압력으로 절단 챔버(434) 내의 유체 압력을 유지한다. 펠릿의 내부 온도에서 발포제의 증기압보다 높은 압력을 유지함으로써, 펠릿은 조기에 발포되는 것이 방지된다. 전형적인 압력은 용융물의 온도, 냉각 유체의 온도, 및 사용되는 발포제의 구성에 따라, 대기압보다 10 바 이상까지 높다. 이러한 압력은 고압 펌프의 유체 유량을 제어함으로써 제어될 수 있다. 사이트 글라스(sight glass)(450)가 절단 프로세스 중에 형성되는 펠릿의 시각적 검사를 위해 절단 챔버(434)의 바로 하류의 슬러리 라인 내에 제공된다.
절단 챔버 내의 압력, 또는 더 구체적으로, 절단 챔버(434)의 하류의 라인에서의 압력 강하를 제어하기 위해, 스로틀 밸브(460)가 절단 챔버(434)로부터 약간의 거리만큼 하류에 제공될 수 있다. 스로틀 밸브(460)는 슬러리 라인(500) 내에 제한부를 유발하도록 가변적으로 제어될 수 있다. 고압 펌프(470)는 절단 챔버로부터 스로틀 밸브(460)까지의 라인 내의 압력을 유지하고, 스로틀 밸브(460)에 의해 유발되는 제한부를 통과하는 유동은 그것이 밸브를 통과하는 동안에 압력의 강하를 즉시 나타낸다. 이러한 압력 강하는 슬러리 라인(500) 내의 냉각 및 반송 유체 내의 압력이 펠릿 내에 함유된 발포제의 증기압보다 낮아지게 하고, 그에 따라 펠릿이 발포되게 한다. 발포의 양은 냉각 및 반송 유체의 온도, 및 슬러리 라인(500) 내의 스로틀 밸브(460)의 위치와 연계하여 스로틀 밸브(460)를 횡단하는 압력 강하의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다. 스로틀 밸브(460)의 위치는 높은 유체 압력 하에 있는 동안의 냉각 유체 내에서의 펠릿의 체류 시간을 결정하고, 여기서 절단 챔버에 대해 더 멀리 떨어진 하류 위치는 더 긴 체류 시간을 유발하고, 여기서 절단 챔버에 대해 더 근접한 하류 위치는 더 짧은 체류 시간을 유발한다. 펠릿의 발포 전의 체류 시간이 더 길수록, 펠릿의 외부 상에 있는 외피가 더 두껍고, 그에 따라 더 경질이다. 또한, 절단 챔버(434)와 스로틀 밸브(460) 사이에 있는 냉각 유체가 더 저온일수록, 외피가 더 두껍고 더 경질일 것이다. 따라서, 냉각 유체의 온도, 스로틀 밸브의 위치, 및 스로틀 밸브를 횡단하는 압력 강하의 양을 제어함으로써, 펠릿의 외피의 두께 및 경도, 그리고 또한 펠릿의 예비-발포의 양이 제어될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 스로틀 밸브(460)는 핸들 작동식 볼 밸브와 같이, 수동으로 제어될 수 있거나, 압력 센서 피드백 및 서보 작동을 통해 자동으로 제어될 수 있다. 핀치 밸브, 게이트 밸브 등과 같은 다른 형태의 밸브 설계가 또한 사용될 수 있다. 밸브는 밸브를 횡단하는 더 큰 또는 더 작은 압력 강하에 대해 조정되어 발포성 펠릿의 예비-발포의 정도를 제어할 수 있다.
도 3 및 도 4를 이제부터 참조하면, 조정가능한 스로틀 밸브(460)의 하류의 상기 시스템의 부분이 도시된다. 스로틀 밸브의 하류의 펠릿 슬러리는 고압 우회 밸브(510) 내로 진입되고, 여기서 슬러리는 상이한 방향으로 유도될 수 있다. 본 발명의 예비-발포된 펠릿을 생성할 때에, 슬러리는 파이프 슬러리(514) 내로 유도되고 그에 따라 건조 시스템(600)으로 바로 슬러리를 보내고, 여기서 유체가 펠릿으로부터 제거되고, 펠릿은 펠릿 출구 슈트(chute)(620)를 통해 건조 시스템(600)으로부터 배출되어, 게일로드(Gaylord) 팰릿 박스(pallet box)(630)로서 예시된, 일부 형태의 컨테이너 내에 수집될 수 있다. 다른 컨테이너 타입이 사용될 수 있고, 팰릿 박스(630)는 하나의 타입의 예시로서 사용된다. 유체의 온도는 유체를 가열하는, 침지 히터(640) 그리고 유체를 냉각시키는, 열 교환기(650)에 의해 제어된다. 건조 시스템(600)은 원심 타입 펠릿 건조기로서 예시되고, 건조기는 응집체의 제거 그리고 후속적으로 펠릿이 원심 건조기 내로 진입되기 전의 초기 비유동화를 위한 응집체 포획기(610)를 갖는다. 다른 타입의 펠릿 건조 시스템이 원심 건조기 대신에 사용될 수 있고, 원심 건조기는 단지 예시적인 목적을 위한 것이고 본 발명의 일부를 형성하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
또 다른 실시예에서, 폼 펠릿의 예비-발포 그리고 경질 외피의 형성은 또한 위에서 설명된 스로틀 밸브의 사용 없이 제어될 수 있다. 이것은 펠릿화 중에 상기 시스템 내의 물리 파라미터를 제어함으로써 수행될 수 있다. 이들 파라미터는 냉각 유체 온도, 냉각 유체 유량, 용융물 온도, 용융물 유량, 펠리타이저 속도, 및 커터 허브 상의 블레이드의 개수를 포함한다.
일정한 용융물 유량에서, 최대한 고온으로, 예를 들어 200℉로 냉각 유체(예컨대 물)를 유지함으로써, 최대 예비-발포, 미세한 셀 구조의 폼 중심부, 및 경질 외피를 갖는 예비-발포된, 대체로 구형의 폼 펠릿이 형성되는 것으로 밝혀졌다. 냉각 유체 온도가 감소하는 동안에, 발포된 펠릿은 폼 코어 및 경질 외피 내에 중공 중심 영역을 형성하기 시작하고, 예비-발포의 양은 감소된다. 예를 들어 155℉까지의, 온도의 추가적인 감소의 결과로, 펠릿이 헤머리지를 형성하기 시작한다. 이것은 커터 블레이드가 다이 출구로부터 펠릿을 절단하는 동안에 다이 판으로부터 배출되는 용융물 팽창이 냉각 유체에 의해 동결되므로 유발된다. 펠릿의 후방측에 있는 절단 영역은 그것이 절단되는 순간에 여전히 고온이고, 발포 중인 발포제는 헤머리지를 형성하는 절단부의 영역을 통해 외부로 고온의 내부 재료를 압박한다. 예를 들어 냉각 유체 온도가 110℉까지 추가로 감소됨에 따라, 펠릿 상의 헤머리지 부분의 크기가 증가하는 동안에 경화된 팽창 부분이 감소한다.
일정한 유체 온도에서, 다이를 통해 용융물 유량을 변화시키는 것은 펠릿의 크기, 펠릿의 헤머리지의 양, 및 예비-발포의 양에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 110℉의 더 낮은 유체 온도에서, 용융물 유량을 증가시키는 것은 더 낮은 용융물 유량으로 형성되는 펠릿에 비해 훨씬 더 큰 헤머리지 부분을 갖는 더 큰 펠릿을 발생시킬 수 있다.
도 5 내지 도 10을 이제부터 참조하면, 도 5의 펠릿(700)은 본 발명의 방법에 의해 생성된 예비-발포된 펠릿이다. 펠릿(700)은 부분적으로 발포된 폼 중심부(704)를 캡슐화하는 매끄러운, 경질 외피(702)를 갖는 대체로 구형의 펠릿이다. 외피(702)의 두께 및 경도, 그리고 또한 폼 중심부(704)의 예비-발포의 정도는 이전에 논의된 것과 같은 파라미터, 즉 다이 출구에서의 용융물의 온도 및 압력, 냉각 유체 온도, 냉각 유체의 압력, 냉각 유체의 유량, 및 임의적으로, 절단 챔버의 하류의 스로틀 밸브의 위치, 그리고 또한 스로틀 밸브를 횡단하는 압력 강하의 양에 의해 제어될 수 있다. 도 6 및 도 8에서, 불규칙적인 형상을 갖는 예비-발포된 펠릿(720)이 도시된다. 펠릿(720)은 또한 매끄러운, 경질 외피(722) 그리고 예비-발포된 폼 중심부(724)(도 9에 또한 도시됨)를 포함한다. 또한, 펠릿(720)은 폼 헤머리지형 부분(726)을 갖도록 형성되었다. 헤머리지형 부분(726)은 또한 위의 파라미터의 제어에 의해 유발된다. 스로틀 밸브가 사용되는 경우에, 스로틀 밸브(460)는 헤머리지(726)를 발생시키는 펠릿의 갑작스러운 발포를 유발하는 위치에 위치되고 그러한 압력 강하까지 조정된다. 헤머리지형 부분(726)은 또한 발포된 내부 영역을 포위하는 경질 외피를 갖는다. 헤머리지형 펠릿(720)은 또한 냉각 유체 온도를 낮추고 절단된 펠릿이 헤머리지를 형성하기 시작하는 지점까지 용융물 유량을 증가시킴으로써 스로틀 밸브(460)의 사용 없이 형성될 수 있다. 펠릿 및 그 헤머리지부의 크기는 그에 따라, 냉각 유체 온도 및/또는 용융물 유량을 조정함으로써 제어될 수 있다. 그러한 불규칙적인 형상을 갖는 펠릿은 증가된 표면적을 갖고, 기부 재료가 충전제 재료에 효과적으로 접합될 것이 요구되는 충전제 재료로서의 사용을 포함하는, 특정 적용분야에 요구될 수 있다. 펠릿의 경질 외피는 특정 적용분야에서 펠릿의 폼 중심부의 붕괴 또는 압축을 방지할 수 있고, 한편 여전히 비교적 낮은 밀도를 갖는 펠릿을 제공한다. 도 7 및 도 10에서, 경화된 외피(742) 그리고 발포된 폼 중심부(744)를 갖는 경질 외피 폼 펠릿(740)이 도시된다. 폼 코어의 중심 영역 내에 중공 영역(746)이 있다. 중공 영역(746)은 더 높은 유체 온도에서 형성되는 중실 폼 중심부, 및 더 낮은 유체 온도에서 형성되는 헤머리지형 펠릿(720)을 갖는 펠릿(700)의 중간에서 온도를 제어함으로써 형성된다. 중공 영역의 크기는 또한 중공 펠릿(740)을 형성하는 중간 온도 범위 내의 유체 온도를 제어함으로써 제어될 수 있다.
유체중 펠릿화 프로세스에서 제조된 예비-발포된 경질 외피 폼 펠릿은 특정 적용분야에 대해 요구된 밀도 또는 펠릿 크기에 따라, 건조 후에 그리고 펠릿의 최종적인 이용 전에 열 또는 스팀 처리에 의해 추가로 발포될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
프로세스 파라미터에 대한 변화가 펠릿 구성에 영향을 미치는 방식을 설명하기 위해, 아래의 표는 유체 온도 파라미터의 변화를 보여주도록 제공되고, 여기서 유체는 물이다.
Figure 112019010312315-pct00001
예비-발포된 펠릿이 생성 중이지 않고 대신에 발포되지 않은 발포성 폼 펠릿이 유체중 펠리타이저에서 생성 중이면, 우회 밸브(510)는 슬러리 파이프 섹션(512)을 통해 슬러리를 유도할 수 있다. 파이프 섹션(512)을 통과하는 슬러리는 고압 펌프(470)에 의해 생성되는 고압 하에 남아 있고, 그에 따라 펠릿의 예비-발포를 방지한다. 슬러리는 쌍원뿔형 제한기 파이프 섹션(530) 내로 진입되기 전에 임의적인 필터(520)를 통과한다. 쌍원뿔형 제한기 파이프 섹션(530)은 원뿔형 파이프 직경 감소 섹션(532), 긴 길이의 감소 직경 파이프 섹션(536), 및 이어서 원뿔형 직경 확장 섹션 (534)을 포함한다. 쌍원뿔형 제한기 파이프 섹션(530)은 슬러리가 확장 부분(534)을 통과할 때까지 고압 펌프(470)에 의해 생성되는 고압을 유지하는 것을 돕고, 이어서 슬러리는 압력 강하를 겪는다. 쌍원뿔형 파이프 섹션(530)의 위치는 내부에 함유된 발포제의 증기압이 직경 확장 섹션(534)으로부터 배출되는 슬러리의 압력과 동일하거나 그것보다 낮은 온도까지 펠릿이 고압 하에서 냉각되게 하기에 충분한 파이프 회로에서의 체류 시간을 경험하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 펠릿은 조기에 예비-발포되는 것이 방지된다.
개시된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 유체중 펠릿화에 의한 경질 외피를 갖는 발포성 펠릿을 제조하는 방법 및 장치의 특정 구성이 설명되었지만, 본 발명은 다양한 펠리타이저 및 재료에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명을 실시하는 많은 대안적인 방식이 있다.

Claims (24)

  1. 경질 외피를 갖는 예비-발포된 폼 펠릿을 제조하는 압출 방법이며,
    중합체 용융물 내로 첨가되는 발포제를 계량하는 단계;
    압출 다이를 통해 그리고 유체 입구 및 펠릿 슬러리 출구를 포함하고 복수의 커터 블레이드를 포함하는 커터 허브 조립체를 포위하는 절단 챔버 내로 중합체 용융물을 압박하는 단계;
    프로그래밍된 회전 속도로 복수의 커터 블레이드를 회전시킴으로써 압출된 용융물을 절단하여 하나 이상의 펠릿을 제조하는 단계;
    유체 입구 내에서, 절단 챔버를 통해, 그리고 펠릿 슬러리 출구 외부로 유체의 유동을 유도하여 펠릿 슬러리의 절단 챔버로부터 멀어지는 방향으로 하나 이상의 펠릿을 견인하는 단계;
    경질 외피 및 예비-발포된 폼 중심부를 갖는 하나 이상의 폼 펠릿을 제조하는 데 효과적인 온도 및 압력에서 펠릿 슬러리 내의 하나 이상의 펠릿을 냉각시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 발포제는 프로판, 부탄, 펜탄, 네오펜탄, 이소펜탄, 헥산, CO2, 또는 그 조합을 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 발포제는 1 내지 7 중량%의 비율로 첨가 및 혼합되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 압출된 용융물을 절단하는 단계는 커터 블레이드의 프로그래밍된 회전 속도를 변화시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 경질 외피를 갖는 예비-발포된 폼 펠릿을 제조하는 압출 방법이며,
    재료 블렌딩 시스템 내로 중합체 재료를 급송하여 블렌딩된 재료를 형성하는 단계;
    압출기의 목부 내로 블렌딩된 재료를 급송하여 중합체 용융물을 형성하는 단계;
    용융물 내로 첨가되는 발포제를 계량하는 단계;
    압출 다이를 통해 그리고 유체 입구 및 펠릿 슬러리 출구를 포함하고 복수의 커터 블레이드를 포함하는 커터 허브 조립체를 포위하는 절단 챔버 내로 용융물을 압출하는 단계;
    프로그래밍된 회전 속도로 복수의 커터 블레이드를 회전시킴으로써 압출된 용융물을 절단하여 하나 이상의 펠릿을 제조하는 단계;
    유체 입구 내에서, 절단 챔버를 통해, 그리고 펠릿 슬러리 출구 외부로 유체의 유동을 유도하여 펠릿 슬러리의 절단 챔버로부터 멀어지는 방향으로 하나 이상의 펠릿을 견인하는 단계;
    경질 외피 및 예비-발포된 폼 중심부를 갖는 하나 이상의 폼 펠릿을 제조하는 데 효과적이도록 펠릿 슬러리 내의 하나 이상의 펠릿을 냉각시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 하나 이상의 폼 펠릿을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 열 및 스팀 처리 중 하나 이상을 통해 비유동화된 폼 펠릿을 추가로 발포시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 열가소성 용융물로부터 폼 펠릿을 형성하는 시스템이며,
    중합체 재료를 수용하여 블렌딩된 재료를 형성하는 재료 블렌딩 섹션;
    블렌딩된 재료를 혼합 및 용융시켜 열가소성 용융물을 형성하도록 구성되는 압출기;
    압출기 내의 열가소성 용융물 내로 첨가되는 발포제를 계량하는 계량 시스템;
    압출기와 유체 연통하는 다이 판;
    커터 허브 상에 배열되는 복수의 커터 블레이드를 갖는 커터 허브 조립체로서, 복수의 커터 블레이드는 하나 이상의 펠릿으로 용융물을 절단하도록 구성되는, 커터 허브 조립체;
    커터 허브 조립체를 포위하고 유체 입구 및 펠릿 슬러리 출구를 포함하는 절단 챔버로서, 절단 챔버는 유체 입구를 통해 유체의 유동을 수용하고 펠릿 슬러리 출구를 통해 유체의 유동을 배출하도록 구성되는, 절단 챔버;
    절단 챔버와 유체 연통하는 펌프로서, 펌프는 절단 챔버 내의 유체 압력을 유지하도록 구성되는, 펌프;
    절단 챔버의 펠릿 슬러리 출구와 유체 연통하는 슬러리 라인; 및
    절단 챔버의 하류의 슬러리 라인 내에 위치되는 스로틀 밸브로서, 스로틀 밸브는 슬러리 라인 내의 압력을 선택적으로 조작하도록 구성되는, 스로틀 밸브
    를 포함하는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 다이 판은 통상적인 크기의 펠릿, 미니-펠릿, 또는 마이크로-펠릿을 제조하는 오리피스를 포함하는, 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 펌프는 절단 챔버 내의 유체 압력을 발포제의 임계 증기압보다 높게 유지하여 하나 이상의 펠릿 내의 발포제가 증발되는 것을 방지하는, 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 펌프는 1 바 내지 10 바의 유체 압력을 유지하는, 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 건조 시스템으로 슬러리를 반송하는 스로틀 밸브의 하류의 슬러리 파이프를 추가로 포함하는, 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 스로틀 밸브의 하류에 위치되는 우회 밸브를 추가로 포함하는, 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 고압 펌프에 의해 생성되는 슬러리의 압력을 유지하는 쌍원뿔형 제한기 파이프 섹션을 추가로 포함하는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 쌍원뿔형 제한기 파이프 섹션은 그 하류 단부에서 슬러리의 압력을 강하시키는 원뿔형 직경 확장 섹션을 포함하는, 시스템.
  16. 제1항의 방법에 의해 형성되는 펠릿.
  17. 제5항의 방법에 의해 형성되는 펠릿.
  18. 제16항에 있어서, 경질 외피, 및 예비-발포된 폼 중심부를 포함하고, 경질 외피는 예비-발포된 폼 중심부를 캡슐화하는, 펠릿.
  19. 제18항에 있어서, 예비-발포된 폼 중심부는 그것이 추가로 발포될 수 있도록 부분적으로 발포되는, 펠릿.
  20. 제18항에 있어서, 경질 외피는 구형인, 펠릿.
  21. 제18항에 있어서, 헤머리지형 부분을 추가로 포함하는 펠릿.
  22. 제18항에 있어서, 예비-발포된 폼 중심부는 중공 중심 영역을 갖는, 펠릿.
  23. 제8항의 시스템에 의해 형성되는 펠릿.
  24. 제15항의 시스템에 의해 형성되는 펠릿.
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