KR20000057959A - 고분자 필름 제조기를 불활성화 하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR1020000005781A
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로버트마르셀 데윌데
파스칼이베스 두로
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조안 엠. 젤사
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
로버트 지. 호헨스타인
도로시 엠. 보어
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Abstract

본 발명은 불활성 기체를 사용하여 고분자 필름 출구 및/또는 원료 입구에 걸쳐 개방 공간의 선택된 부분을 가리기 위해서 층상 배리어 불활성화 기술에 사용되는 방법과 시스템에 관한 것이다.

Description

고분자 필름 제조기를 불활성화 하는 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR INERTING POLYMERIC FILM PRODUCING MACHINES}
본 발명은 일반적으로 고분자 필름을 제조하는 방법과 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 압출에 의해 고분자 필름을 생산하기 위해 개방 공간의 선택된 부분에 불활성화 대기를 제공하는 방법과 시스템에 관한 것이다.
폴리에틸렌 필름과 폴리프로필렌 필름 같은 고분자 필름은 압출에 의해 생산된다. 이러한 필름 생산물은 다수층, 일반적으로 삼층 이상의 필름층을 포함할 수 있다.
본 기술분야에서 고분자 필름을 생성시키는데 사용되는 장치는 필름에 있는 층수와 같은 수의 공급 라인으로 이루어져 있다. 각 공급 라인은 혼합 및 홀딩 호퍼를 가지며, 호퍼에서 고분자, 색소 및 다른 첨가제를 포함하는 마스터 배치의 성분이 혼합된 후에 수송 나사를 사용하여 전기적으로 가열된 실린더형 컨테이너로 필름을 이송시킨다. 화학 약품이 수송되는 동안, 고분자 필름을 형성하기에 적합하도록 온도를 상승시키기 위하여 열을 가한다. 압출기에서 생산물의 마찰은 압출 다이를 통하여 생산물을 밀어내는데 필요한 압력을 발생시킨다. 고분자 필름 생산물은 불순물과 원하지 않는 물질을 제거하기 위해서 압출기에서 나오기 전에 여과기를 통과한다. 압출 다이에서 생산물은 다이의 전체 길이에 걸쳐 생산물이 균일하게 분배되게하기 위하여 여러 가지 채널을 통과한다.
다이를 지날 때 고분자를 결정화시키고, 취급시 손상되지 않게하기 위해서 고분자 필름을 냉각시킨다. 선형 다이인 경우에는 필름 위에 공기를 송풍시키고 물로 냉각된 실린더기 위로 필름을 통과시켜서 냉각할 수 있다. 일단 필름이 냉각되면 필름을 원하는 폭으로 잘라서 감는다. 원형 다이인 경우에는 외부에서는 환상 분배 시스템을 통해, 내부에서는 취입 압출을 통해 공기를 송풍하여 필름을 냉각한다.
일단 생산물이 가열되면 물리적 현상 (예, 열적분해)과 화학적 현상 (예, 산화와 탄화)으로 경질의 흑색 입자를 형성시킬 수 있으며 이것은 압출기 안의 여과기에 남아 있거나 다이의 출구에 침착된다. 양쪽 경우 모두, 여과기가 막힌 경우에는 생신물이 더이상 원하는 흐름으로 압출 다이에 들어가지 않거나, (다이 출구에 침착의 경우) 생산된 필름이 침착에 의해 손상 (예, 불균일한 두께)되므로 생산 공정을 멈추어야 한다. 최소한 침전물은 다이 출구에 붙어서 긁힘의 형성,불균일한 필름 두께, 필름의 변형을 포함하여 필름의 질에 유해하고 원하지 않는 결과를 가져온다. 가동 중단하는 동안 압출 설비는 청소되어야 한다. 이러한 전체적인 작업은 제품과 생산성의 손실을 일으킨다. 장치의 빈번한 가동 중단은 대규모 필름 코일을 생산하는 것을 더욱 어렵게 할 수도 있다.
다양한 선행 기술들이 고분자 필름의 생산에 있어서의 문제를 해결하기 위해서 제안되었으나 성공적이지 못하였다. 압출기의 다이에서 입자축적의 문제가 인식되어 왔다. 다이 디자인 변화와 화학적인 첨가제 같은 다양한 기술을 제안하고, 상업적으로 적용시켜 왔다. 이러한 주제에 대한 연구와 해결책이 기술되어 있다 [참조: J. D. Gander et al.,"Review of Dip Lip Buildup in Plastic Extrusion", Polymer Engineering and Science, July 1997, Vol. 37, No. 7, pp. 1113-1126]. 미국 특허 제 3,847,522호와 제 2,252,689호에서 선형과 관계없는 고분자 섬유의 생산에 스피너 압출기의 높이에서 복잡한 기계가공을 위한 불활성 기체의 사용이 기술되어 있다. 미국 특허 제 5,391,071호에서 다이 립을 청소하기 위한 화학 용매의 사용이 기술되어 있다.
또한 미국 특허 제 3,847,522호에는 압출기에 설치한 불활성 기체의 적용전에 질소의 온도를 상승시키기 위해 열을 필요로 하는 더욱 복잡한 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 압출 다이가 쉽게 손상되거나 고분자 필름 압출 공정을 방해하는 원하지 않는 산화물이 생성되지 않는 고분자 필름을 생산하기 위한 방법과 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 압출에 의해 고분자 필름을 생산하는 동안 개방 공간의 선택된 부분의 대기를 불활성화하는 방법과 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 숙련가는 바람직한 양태의 하기 설명과 첨부된 도면으로부터 본 발명의 목적, 특징, 장점을 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에서 고분자 필름을 제조하는 장치의 측면도이다.
도 2a와 2b는 본 발명에서 원형 분배 시스템의 2차원적인 측면도이다.
도 3은 층상 압출 다이의 출구에 설치된 본 발명의 기체 분배 시스템의 측면도이다.
도 4는 필름-블로우잉 {film-blowing} 기를 외부적, 내부적으로 불활성화시키는 것을 보여주는 개략도이다.
발명의 요약
본 발명의 한 측면은 필름 제조 장치에서 고분자 필름을 생산하는 방법에 관한 것이다. 호퍼 입구나 압출기 출구에 불활성화 대기 형태의 불활성 기체를 제공한다. 가공하지 않은 고분자 (마스터 배치의 부분으로서)를 호퍼 입구로 넣는다. 압출기 출구에서 고분자 필름 생산물을 회수한다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 고분자 필름 제조기에서 발생하는 산화, 탄화 및 침착물 형성의 문제를 해결한다. 이는 산화를 일으키는 원인이 되는 물과 산소를 포함하는 공기를 질소와 같은 불활성 기체로 교체함으로써 수행된다. 본 발명은 생산물의 마스터 배치 성분을 바꿀 필요가 없으며 압출기에 쉽게 설치할 수 있다. 본 발명은 개방 공간의 선택된 부분의 불활성 대기를 얻기 위해서 층상 배리어 불활성화 기술 (laminar barrier inerting technology)을 사용한다. [참조: Nowotarski에게 허여된 미국 특허 제 4,823,689호 ]
호퍼는 압출기로 가는 고분자 그레인을 연속적으로 공급한다. 각각의 고분자 그레인 사이로 공기가 갇히고 압출기에서 가열되면 마스터 배치를 부분적으로 산화시켜 압출기의 여과기를 막는 경질의 흑색 산화물이 생성될 것이다. 본 발명은 압출기의 출구로 불활성 기체를 보내기 위해서 압출기의 출구에 불활성 기체 분배 시스템을 설치하는 것을 제공한다. 압출기 안으로 불활성 기체를 주입하는 특별한 방법으로 고분자 그레인이 공기부재 상태에서 압출기를 통과할 수 있게 된다. 또한 본 발명은 파이프 표면의 전 직경에 걸쳐 불활성 기체가 균일하게 분배되도록 호퍼와 압출기 사이의 파이프에 불활성 기체 분배 시스템을 설치하는 것을 제공한다.
폴리에틸렌과 폴리프로필렌 필름과 같은 고분자 필름은 압출에 의해 생산된다. 일반적으로 필름은 삼층 이상의 상이한 필름층을 포함할 수 있다.
도 1은 필름을 생산하는 장치를 제공한다. 이 장치(100)는 필름에 있는 층 수와 같은 수의 공급라인으로 구성될 수 있다. 각 공급라인은 혼합 및 홀딩 호퍼(105)를 가지며 호퍼(105)에서 고분자 및 색소 첨가제와 같은 다른 화학약품을 포함하는 마스터 배치(110)가 혼합되어 개별 층과 압출기에 요구되는 조성이 얻어진다. 압출기는 수송 나사(120)를 가진 전기적으로 가열되는 실린더형 컨테이너(115)로 구성되어 있다. 생산물이 수송되는 동안 압출기는 몰딩에 적합한 온도로 가열된다. 압출기에서 생산물의 마찰은 압출 다이를 통하여 생산물을 미는데 필요한 압력을 발생시킨다. 모든 불순물과 원하지 않는 물질을 분리해 내기 위해서 생산물은 압출기를 떠나기 전에 여과기(125)를 통과한다. 압출 다이에서 생산물은 다이의 전체 길이에 걸쳐서 생산물이 균일하게 분배되도록 채널을 통해 이송될 수 있다. 압출기 출구 부분, 특히 압출 다이 또는 근처에 제공된 불활성 기체의 양은 이 부분에 있는 산소와 물을 교체시키기에 충분하다. 일반적으로 불활성 기체는 어떤 것이든 상관없지만, 질소 또는 아르곤이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 이 불활성 기체는 막질소(membrane nitrogen)로부터 제공된다.
일단 생산물이 가열되면 물리적 반응(예, 열적 분해)과 화학적 반응(예, 산화와 탄화)으로 어떤 경질의 흑색 입자가 생성될 수 있는데, 이는 압출기의 여과기에 남거나 다이 출구에 침착된다. 이 산화물과 탄화물의 생성은, 예를들면 여과기를 막을 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 여과기가 막히면 생성물이 원하는 흐름으로 압축 다이에 들어가지 못하게 되거나 다이 출구에 침착되는 경우 생성된 필름은 침착물에 의해 손상(예,불균일한 두께)된다. 최소한 입자는 다이 출구에 붙어서 긁힘의 형성, 필름의 불균일한 두께, 필름의 변형을 포함하여 필름 질에 유해하고 원하지 않는 효과를 발생시킨다. 일반적으로 생산 공정은 가동 중단되어야 한다. 가동 중단 동안 압출 장치를 청소해야 한다. 이러한 전체적인 작업은 제품과 생산성의 감소를 가져온다. 장치의 가동 중단으로 인하여 생산공정에 여러 가지 경제적인 손실이 발생한다.
본 발명은 탄화 및/또는 산화로 인해 원하지 않는 부산물이 생성되어 압출기의 여과기에 남거나 다이의 출구에 침착될 때 발생하는 문제를 해결한다. 도 1에 있어서 불활성화 층상 배리어층은 워터 타워(145)에서 냉각하기 전에 압출기의 여과기에서 또는 여과기 근처에서 및/또는 다이의 출구에서 또는 출구 근처에서 대기 단위장치 (135 및 140)를 불활성화함으로 적용될 수 있다. 도 1은 압출기 출구 근처의 여과기 바깥쪽에 있는 다이(160)에서 또는 근처에서 불활성화 대기 단위장치(135 및 140)를 통하여 불활성화 대기를 공급하는 것을 보여준다. 바람직하게는 불활성 기체는 분배 시스템을 통하여 균일한 흐름으로 불활성화되는 부분에 제공된다.
필름 생산 공정에 불활성화 기체를 이송시키는 또 하나의 방법은 대기 불활성화 단위장치 (150 및 155)를 통하여 (일반적으로 호퍼와 압출기 사이의 파이프에 불활성 기체 분배 시스템을 통하여) 호퍼 입구 부분에 불활성화 대기를 제공하는 것이다. 이 방법을 아래에 추가로 설명한다.
압출기를 불활성화하기
호퍼는 압출기를 연속적으로 공급한다. 공기가 각각의 고분자 그레인 사이에 갇히고, 갇힌 공기는 배치를 부분적으로 산화시켜서 여과기를 막는 경질의 흑색 산화물이 생성될 것이다. 본 발명은 호퍼와 압출기 사이의 파이프에 불활성 기체 분배 시스템을 설치하는 것(도 2a와 2b)으로 이루어지며, 불활성 기체 분배 시스템을 통하여 불활성 기체는 파이프의 전 직경에 걸쳐서 균일하게 분배된다. 불활성 기체를 주입하는 특별한 방법으로 고분자 그레인이 공기 부재 상태에서 압출기를 통과할 수 있게된다. 불활성 기체 분배 시스템은 조절된 다공성을 갖는 금속성 소결판 또는 튜브로부터 만들어진다. 다공성 물질을 통과하면서 일어나는 급격한 압력 강하로 불활성 기체가 균일하게 분배된다. 불활성 기체의 출구 속도는 충분히 느려서 도관(210)에서의 난류를 피할 수 있다. 불활성 기체 분배 시스템을 설치하는 실제적인 방법이 도 2a와 2b에 기재되어 있다. 도 2a는 원형 분배 시스템을 나타낸다. 호퍼(215)와 압출기 나사(220) 사이의 도관(210)은 분배 시스템(225)에 의해 부분적으로 교체된다. 도관(210)과 분배 시스템(225) 사이의 연결은 어떤 공기도 도관으로 들어가거나 도관에서 나올 수 없게 하는 방법으로 이루어 진다. 그 결과 용접과 같은 일반적인 기술이 사용된다. 분배 시스템(225)은 분배 링(230)으로 구성되며 불활성 기체는 파이프(235)를 통해서 분배 링(230)으로 공급되어 기체가 자유롭게 흐를 수 있게 한다. 불활성 기체는 분배 링(230)을 떠나 실린더형 다공성 판(240)을 통해서 도관(210)으로 들어간다.
도 2b에 나타나 있는 분배 시스템을 설치하는 두번째 방법은 다공성 튜브(250)를 설치하고 그것을 도관(210)에 삽입하는 것이다. 다공성 튜브(250)는 파이프(255)에 의해 불활성 기체 공급 시스템에 직접 연결된다. 후자는 분배 시스템을 설치하는 간단한 방법이다.
선형 압출 다이 출구를 불활성화하기
위에 기술되어 있는 것과 유사한 불활성 기체 분배 시스템을 층상 압출 다이(도 3)의 출구에 설치한다. 분배 시스템은 압출 다이(310)의 전체 길이에 걸쳐 있어서 다이 출구 전반에 걸쳐 모든 불활성 기체가 균일하게 흐르도록 함으로써, 특정한 부분에 불활성 대기를 만들어 필름 제조 공정 동안 제품의 산화와 탄화를 감소시킨다. 분배 시스템은 U자형 강철 프로파일(320)에 용접된 다공성 평판(315)에 의해 만들어 질 수 있다. 다이의 전체 길이에 걸쳐서 질소가 균일하게 분배되는 것을 확실히하기 위하여 U자형 강철 프로파일(320)과 다공성 판(315) 사이에 만들어진 플리넘(330)에 내부 불활성 기체 분배 시스템을 설치하는데, 이것은 일정한 거리로 뚫은 구멍을 가지고 있는 파이프로 구성될 수 있다. 내부 기체 분배 시스템(325)은 파이프(335)를 통하여 불활성 기체 공급 시스템에 연결된다. 플라스틱 필름(340)의 양면에 하나씩 두개의 분배 시스템을 설치함으로써 최적의 불활성화가 얻어지며, 양쪽 분배 시스템 모두 질소 흐름(345)이 다이 출구에서 필름에 부딪히도록 배향시킨다. 완전한 시스템은 3 미터 길이 이상의 일정한 거리에서 불활성 기체가 균일하게 분배되도록 한다. 필요하다면 더 긴 다이를 커버할 수 있도록 시스템을 확장시킬 수 있다. 다이로 불활성 기체를 끌어오는 또 하나의 방법은 표면이 부분적으로 덮인 (예, 반 튜브로 덮인) 다공성 튜브를 이용하는 것이다. 어떤 시스템을 사용하더라도 분배 시스템은 다이 출구로 부터 20 mm 이내의 거리에서 설치되어야 하고, 불활성 기체는 수송되는 부분에서 20 mm 미만의 거리에서 제공되어야 한다. 일반적으로 불활성 기체의 흐름은 미터당 약 5~15 m3/h, 바람직하게는 미터당 8~12 m3/h 이다.
필름 취입기를 불활성화하기
위에서 언급되었듯이, 필름 취입기는 생산된 필름에 냉각 공기를 송풍시키기 위하여 환상 분배 시스템을 가진다. 불활성 기체 분배 시스템은 다이 출구와 공기 분배 시스템 사이에 설치된다. 압출기의 구조 때문에 불활성 기체 분배 시스템은 환상이다. 미리 기술했듯이 시스템은 먼저 플리넘을 통과하는 불활성 기체를 잘 분배시키기 위해 다공성 소결판을 사용한다. 플리넘은 하나이상의 통로에 의해 공급된다. 도 4는 필름 취입기 외부 및 내부를 불활성화시키는 것을 보여준다. 불활성 기체 분배 시스템(415와 420)은 부분적으로 보이는 압출 헤드(410)의 꼭대기에 위치한다. 불활성 기체는 플리넘(435)에서 분배되고 균일하게 분배되어 다공성 판(455)을 통하여 이동한다. 분배 시스템(415)은 필름의 외부를 불활성화시키며 압출 헤드(410)와 공기 노즐(425) 사이에 위치한다. 시스템은 불활성 기체 공급원(430)을 갖는 연결 파이프, 원형 플리넘(435) 및 다공성 판으로 구성된다. 분배 시스템(420)은 내부로부터 압출기 출구에 필름을 불활성화시키기 위하여 균일한 압력에서 기체를 분배한다. 시스템은 불활성 기체 공급 시스템(440)을 갖는 연결부로 구성된다. 연결부는 존재하는 공기 채널(445)을 통하여 압출 헤드 안쪽에 놓인다. 불활성 기체는 플리넘(450)에서 분배되고, 균일하게 분배되어 다공성 판(460)을 통하여 이동한다.
실시예
실시예 1 : 250 kg/h 공급 호퍼를 50 mm 직경의 파이프로 압출기에 연결했다. 튜브형 분배 시스템을 파이프에 설치하고, 이것을 통하여 질소를 5 nm3/h 로 주입했다. 이에 따라, 주입점과 압출기 사이의 산소 함량은 1용량% 미만이 되었다. 그 결과, 생산 공정에서 배치의 유형에 따라 압출기 끝에서 막힌 여과기로 인한 가동 중단이 감소되거나 발생되었다. 산화에 민감한 배치(예, 다량의 미세입자를 포함하기 때문)로 작업시 생산 중단 수가 세 번에서 한 번으로 감소될 수 있는 것으로 나타났다.
실시예 2 : ⅰ) 3 m 길이를 가진 다이는 30 nm3/h 질소를 이용해서 불활성화 되고, 그 결과 불활성화 시스템과 다이 출구 사이에 1용량% 미만의 산소 함량을 갖는 대기를 형성시켰다. 다이 출구위에 침착물로 인한 생산 중단이 하루당 세 번에서 한 번으로 감소하였다.
ⅱ) 질소 분배 시스템을 가진 양면에 90 cm 길이 다이를 설치했다. 20 nm3/h 의 전체 질소 흐름이 다이 출구에 산소를 적게 함유한 대기를 형성시켰고, 그 결과 생산 중단이 하루에 열두 번에서 한 번으로 감소하였다.
본 발명에서 개방 공간의 선택된 부분에 불활성화 대기를 적용시키기 위해 불활성화 기체를 사용하는 방법은 고분자 필라멘트 및 유동 성형기와 같은 다른 양상의 고분자 필름 제조기에도 활용 가능하다.
본 발명의 특징은 편의상 하나이상의 도면에 나타내며, 각 특징은 본 발명에 따르는 다른 특징과 결합될 수 있을 것이다. 본 기술분야의 숙련가는 대안적인 양상을 인식할 수 있을 것이고, 대안적인 양상은 특허청구범위내에 포함되도록 의도된다.
본 발명으로 압출 다이가 쉽게 손상되거나 고분자 필름 압출 공정을 방해하는 원하지 않는 산화물이 생성되지 않는 고분자 필름을 생산할 수 있다.
본 발명은 압출에 의해 고분자 필름을 생산하는 동안 개방 공간의 선택된 부분의 대기를 불활성화 되도록 한다.

Claims (10)

  1. (A) 압출기 출구를 감싸는 부분에 일정량의 불활성 기체를 제공하는 단계;
    (B) 호퍼 입구로 가공하지 않은 고분자를 통과시키는 단계;
    (C) 압출기 출구로부터 고분자 필름 생성물을 회수하는 단계를 포함하여 호퍼 입구와 압출기 출구를 가지는 필름 제조기에서 고분자 필름을 생산하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 층상 배리어 불활성화 기술을 통하여 일정량의 불활성 기체를 제공함을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 압출 다이에서 일정량의 불활성 기체를 제공함을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 분배 시스템을 통하여 압출기 출구를 감싸는 부분에 산소 및 물 성분을 교체하기에 충분한 일정량의 불활성 기체를 제공함을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 압출기 출구에 있는 다이 출구로부터 약 20 mm 미만의 거리에서 분배 시스템을 통하여 불활성 기체를 통과시키는 것을 포함하여 일정량의 불활성 기체를 제공함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 분배 시스템을 통하여 호퍼 입구를 감싸는 부분에 산소 및 수분을 교체하기에 충분한 일정량의 불활성 기체를 호퍼 입구 부분으로 제공하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 불활성 기체가 압출기 출구 부분에서 미터당 약 8~12 m3/h로 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. (A) 호퍼 입구를 감싸는 부분에 일정량의 불활성 기체를 제공하는 단계;
    (B) 호퍼 입구로 가공하지 않은 고분자를 통과시키는 단계;
    (C) 압출기 출구로부터 고분자 필름 생성물을 회수하는 단계를 포함하는 호퍼 입구와 압출기 출구를 가지는 필름 제조기에서 고분자 필름을 생성하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 일정량의 불활성 기체를 제공하는 단계가 분배 시스템을 통하여 호퍼 입구를 감싸는 부분에 산소 및 수분을 교체시키기에 충분한 양의 불활성 기체를 공급하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 일정량의 불활성 기체를 제공하는 단계가 압출기 출구에 있는 다이로부터 약 20 mm 미만의 거리를 두고 분배 시스템을 통하여 불활성 기체를 통과시킴을 포함함을 특징으로 하는 방법.
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