KR20050071344A - 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하는 플라스틱 용기의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리에틸렌테레프탈레이트로 대표되는 플라스틱 용기의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 사출과 블로우를 분리한 2단계방식을 사용할 경우 용기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 따르면, 프리폼의 적외선 히터에 의한 재가열 과정에 있어서, 프리폼의 내부에 불투명 재질의 인서어트를 삽입한 상태에서 재가열과정을 수행하는 동시에, 상기 인서어트 내부에 형성된 적어도 하나의 공기 통로를 통해서 가열된 공기를 불어넣음으로써, 프리폼이 손상되지 않고 적외선 히터의 열을 훨씬 신속하게 흡수하게 되어, 기존의 용기의 투명도가 떨어지고 색이 어두워지는 등의 부작용이 없이, 플라스틱 용기의 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하 'PET'라 한다)를 포함한 일반 플라스틱 용기(bottle)의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 투명한 용기를 성형할 때 프리폼(소위 '패리슨')의 재가열성을 향상시켜 용기의 생산성을 증대시키는 방법에 관한 것이다.
현재 플라스틱 소재로 만들어진 여러 용기들은 그 용도의 다양성과 탄산 및 기타 음료 시장의 성장과 더불어 폭넓은 분야에 적용되고 있으며, 무겁고 깨지기 쉬운 유리병을 점차 대체하고 있다. 특히, PET와 그 공중합 제품들로 만들어진 여러 용기들은 소각이나 재활용 공정에서 유해한 기체 발생이 우려되는 플라스틱에 대한 대체재로 수요가 매년 10% 이상 성장을 거듭하고 있다. 이들의 주된 용도로는 탄산 음료, 생수, 과즙 음료 등의 용기와, 공구 등을 포장하는 블리스터 패키징(blister packaging) 및 쉬트 등이 있으며, 또한 성형성이 우수하고 용융 가공시 부반응이 적은 수지에 대한 요구가 증대되고 있다.
이 중 대표적인 소재인 PET의 제조 과정을 살펴보면, 원료인 테레프탈산(terephthalic acid; 이하 TPA) 또는 디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate; 이하 DMT)와 에틸렌 글리콜(ethylene glycol; 이하 EG)이 고온의 반응기로 투입되고, 여기서 만들어진 올리고머(oligomer)에 반응 촉매와 안정제 및 필요에 따라 정색제 등을 첨가하여 고온 진공의 상태에서 반응시켜 고분자량의 PET를 중합한다. 이렇게 생성된 비정질(amorphous)의 PET는 병으로 사용하기에는 아세트알데히드(acetaldehyde)나 기타 저분자량의 부산물 함량이 과다하고 분자량이 부족하므로, 결정화 공정 및 진공이나 질소 환경에서 약 180~240℃로 수 시간 내지 수십 시간 가열하는 고상 중합(solid state polymerization)을 거쳐 원하는 물성의 제품을 얻는다.
일반적으로 PET 병은 사출-블로우(Injection-Blow) 공정으로 성형되는데, 최근에 주목받는 투명 폴리프로필렌(Polypropylene, 이하 PP) 및 그 유사 재료들이나 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate, 이하 PEN) 및 그 공중합체 등도 상기 사출-블로우 공정에 따라 성형된다. 상기 사출-블로우 공정은 한 기계에서 사출-블로우의 두 공정을 연속적으로 시행하는 1단계 방식과, 사출과 블로우를 분리하여 생산하는 2단계 방식(2-Stage system)이 있는데, 대량 고속 생산 공장에서는 후자가 많이 사용된다. PET나 PP, PEN 등의 수지를 일례로 들어 설명하면, 이의 원료 수지를 용융 후 사출 금형(injection mold)에 사출하여 프리폼을 만들고, 블로우 공정에서는 이를 유리전이온도(glass transition temperature; 약칭 Tg) 이상까지 적외선 가열기를 사용하여 가열한 후 가열된 프리폼을 블로우 금형에 넣고 고압을 가하여 병으로 만든다.
이러한 일반적인 2단계 방식에서 프리폼이 얼마나 빨리 적외선 히터의 열을 흡수하는가에 따라 용기의 생산성이 크게 좌우된다. 즉, 프리폼을 적외선 히터로 재가열하여 용기를 성형할 때, 용기의 생산량은 프리폼이 적외선을 얼마나 빨리 흡수하느냐가 중요한 인자로 작용한다.
이와 관련하여, 종래기술에서는 프리폼이 적외선 히터에서 열을 더 빨리 흡수하도록 하기 위한 다양한 방법이 제안되어 왔다.
예를 들면, 미국 특허 제6,197,851호에는 특정한 안트라퀴논계 염료(anthraquinone dyes)의 사용이 언급되어 있고, 미국 특허 제3,951,905호 및 미국 특허 제3,795,639호 등에는 특별한 첨가물 없이도 같은 효과를 얻을 수 있음이 개시되어 있다.
또한, 미국 특허 제 4,535,118호 및 제 4,476,272호에는 카본 블랙을 첨가하여 프리폼이 검은 색을 갖게 하여 같은 목적을 달성하는 방법도 소개되어 있다.
그러나, 이러한 방법들은 공통적으로 PET 또는 다른 플라스틱의 제품과 프리폼, 용기의 색을 어둡게 하는 부작용이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인에 의해 출원되어 공개된 한국 공개특허 제2000-40988호에는 사출과 블로우를 분리한 2단계 방식의 플라스틱 용기의 제조방법에 있어서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 프리폼(1)의 적외선 재가열공정시 프리폼(1) 내부에 불투명 인서어트(2)를 삽입한 상태에서 적외선램프(3) 및 반사경(4)으로 이루어진 히터로 가열하여 프리폼의 재가열성을 향상시키는 방법이 소개되어 있다. 그러나, 이 경우에도 충분히 만족할 만한 재가열 속도 향상 효과를 얻을 수 없는 단점이 있었다.
한편, 미국 특허 제6,258,313호에는 원료가 아니라 성형기 측면에서 이러한 문제를 취급하고 있다. 상기 특허의 도4 내지 도6을 참조하면, 프리폼의 외부 뿐 아니라, 내부를 직접 가열하는 방법 및 그 장치가 개시되어 있다. 상기 특허에 따르면, 특히, 프리폼 내부에 칼로리 막대(calory rod) 또는 적외선가열 막대(infrared rod) 등의 가열 막대(heating rod)와 같은 내부가열수단을 구비함으로써 이를 통해서 프리폼 내부를 직접 가열한다. 그러나, 이 경우 연한 프리폼 내부에 고온의 가열 막대가 삽입되기 때문에 상기 막대를 플라스틱 수지의 Tg 이상으로 가열할 때 프리폼 내부에 상기 막대가 접촉되면 프리폼이 크게 손상될 위험이 있다.
이에 본 발명에서는 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 플라스틱 용기 제조과정에서 원료 측면으로 접근하지 않고 성형기 측면으로 접근하되, 인서어트를 이용한 간접가열방식을 적용함으로써 용기의 2단계 성형 중 블로우 성형시의 적외선 재가열성을 향상시킬 수 있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 투명한 플라스틱 용기의 성형시 프리폼의 재가열성을 향상시켜 생산성을 증대시킬 수 있는 플라스틱 용기의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 프리폼에 손상을 주지 않는 범위내에서 간접가열방식을 통해서 투명한 플라스틱 용기의 성형시 프리폼의 재가열성을 향상시킬 수 있는 플라스틱 용기의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적 및 기타 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라스틱 용기의 제조방법은:
플라스틱 원료 수지를 사출하여 중간 제품인 프리폼을 만들고, 블로우 공정에서 상기 프리폼을 원료 수지의 유리전이온도 이상까지 적외선 히터를 사용하여 재가열한 후, 가열된 프리폼을 성형 몰드에 넣고 고압으로 블로우하여 용기로 성형시키는 플라스틱 용기의 제조방법에 있어서, 상기 프리폼의 적외선 히터에 의한 재가열과정은 적어도 하나의 공기 통로를 갖는 불투명 재질로 된 적어도 하나의 인서어트(insert)를 상기 프리폼의 내부에 삽입한 상태로 수행되며, 상기 공기 통로를 통해서 가열된 공기가 불어넣어져 순환되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 인서어트는 종방향의 공기 통로, 횡방향의 공기 통로 또는 이들이 조합되어 형성된 적어도 하나의 공기 통로를 갖는다.
상기 가열된 공기는 상기 적외선 히터 주변의 가열된 공기로부터 공급되거나 또는 별도의 가열장치로부터 공급되며, 상기 가열된 공기는 상기 인서어트 내부의 적어도 하나의 공기 통로를 통해서 인서어트와 프리폼 사이의 공간을 통과하여 순환한다.
상기 인서어트의 재질은 또한 상기 플라스틱 용기의 가공시 변형이 일어나지 않는 것이며, 바람직하게는 금속류, 종이 또는 합성수지이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 플라스틱 용기의 성형시 프리폼에 손상을 주지 않고 프리폼의 재가열성을 향상시켜 프리폼이 적외선 히터의 열을 훨씬 신속하게 흡수하도록 하여 용기의 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 플라스틱 용기의 제조방법이 제공된다.
상기 플라스틱 용기는 제1단계 사출공정에서 원료 수지를 사출하여 제조된 중간제품인 프리폼을 제2단계 블로우공정에서 프리폼이 블로우 가능한 온도 범위, 즉 원료물질의 유리전이온도 이상까지 적외선 히터 등을 사용하여 적외선으로 재가열한 후, 제3단계 성형공정에서 상기 재가열된 프리폼을 성형 몰드에 넣고 고압으로 블로우하여 용기로 성형한다.
본 발명에 따르면, 상기 프리폼의 적외선 히터에 의한 재가열과정은 적어도 하나의 공기 통로를 갖는 불투명 재질로 된 적어도 하나의 인서어트(insert)를 상기 프리폼의 내부에 삽입한 상태로 수행되며, 상기 공기 통로를 통해서 가열된 공기가 불어넣어져 순환된다.
여기서, 상기 인서어트는 종방향의 공기 통로, 횡방향의 공기 통로 또는 이들이 조합되어 형성된 적어도 하나의 공기 통로를 구비하는 바, 이와 관련하여, 본 발명의 일 실시태양에 따른 제2단계 블로우 공정의 재가열 과정을 도 2 및 도 3에 각각 나타내었다.
상기 재가열 과정에서 프리폼(1)을 적외선 램프(3) 및 반사경(4)이 구비된 적외선 히터로 블로우 가능한 온도 범위까지 재가열시 일정시간 동안 프리폼(1)이 회전하며 적외선을 쬐는데, 이때 프리폼(1) 내부에는 적어도 하나의 종방향(6) 및/또는 횡방향의 공기 구멍(7)을 가지며 일정한 색을 띈 불투명한 인서어트(2)가 설치되며, 가열된 고온의 공기(5)가 상기 인서어트(2) 내부로 불어넣어져 순환함으로써 프리폼(1)의 승온 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 가열된 고온의 공기(5)는 상기 인서어트(2) 내부의 공기 통로(6 및 7)를 통해서 인서어트(2)와 프리폼(1) 사이의 공간을 화살표와 같이 통과하면서 순환한다. 상기 가열된 공기(5)는 화살표로 표시한 방향 뿐 아니라 그 역방향의 방향으로도 순환이 가능하다.
상기 가열된 공기(5)는 적외선 히터 주변 공기의 온도가 상당히 고온으로 상승하므로 이 부근의 가열된 공기로부터 공급함으로써 이를 인서어트(2)의 공기 통로(6 및 7)를 통해서 흡입하여 프리폼(1) 내부로 순환시키는 방법이 가장 간단하다. 이 경우 기존의 블로우기를 크게 개조할 필요가 없다는 부수적인 장점이 있다. 또한, 필요한 경우, 물론 별도의 가열장치를 통해서 고온의 공기(5)를 공급할 수 있다.
이외에도, 프리폼(1) 내부의 오염을 막기 위해 공기 라인의 적당한 장소에 필터(filter)를 사용할 수 있다.
한편, 상기 인서어트(2)는 제작 또는 취급의 필요에 따라 여러 부분으로 분할하여 제작할 수도 있다.
상기 불투명 인서어트(2)의 재질은 통상적인 플라스틱 용기의 가공온도에서 변형이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 경제적인 측면을 고려할 때 금속류나 종이, 합성수지 등이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 프리폼과 용기의 투명도 및 색의 손상 없이 플라스틱 용기의 생산성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 플라스틱 용기의 성형시 프리폼의 재가열성을 향상시켜 프리폼이 적외선 히터의 열을 훨씬 신속하게 흡수하도록 하여, 종래와 같이 용기의 투명도가 떨어지고 색이 어두워지는 등의 부작용이 없이, 용기의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
아울러, 가열 막대와 같은 특정 직접가열수단을 프리폼 내부에 삽입하지 않고, 내부에 적어도 하나의 공기 통로를 갖는 인서어트를 사용하여 이를 통해서 고온의 공기를 순환시키면서 간접적인 가열방식을 통해서 프리폼 내부의 온도를 상승시킴으로써 프리폼을 손상시킬 위험 없이 경제적이고 효율적인 과정을 통해서 플라스틱 용기 성형시 프리폼의 재가열속도를 향상시킬 수 있다.
이하, 하기에서 PET에 대한 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, PET 수지에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니며, 2단계 성형을 거치는 모든 플라스틱 원료 수지에 적용 가능하다. 즉, 재가열 속도가 특히 느린 문제가 있는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 계열 플라스틱 뿐만 아리라, 대형 용기를 만들어야 하기 때문에 재가열 속도를 개선할 필요가 있는 폴리카보네이트 등도 물론 본 발명에서 사용되는 원료 수지에 포함된다.
실시예 중의 극한점도는 오르토-클로로페놀(o-chlorophenol; OCP)을 이용하여 35℃에서 측정하였으며, 칼라-엘(col-L)은 클수록 흰색을, 작을수록 검은색에 가까움을 의미한다. Col-L과 헤이즈의 상세한 정의는 미국 표준 시험 방법(ASTM)에 준한다.
[비교예 1]
도 1에 나타낸 바와 같이 프리폼(1)의 한쪽에 IR 램프들(3)이 설치되고, 반대편에 반사경(4)이 설치되며 프리폼(1)이 회전가능한 크루프(Krupp)사에서 제작한 적외선 블로우기에서 프리폼을 재가열하였다. 이때 프리폼(1)은 극한점도 0.75㎗/g, Col-L 81의 투명한 프리폼을 사용하고, 도 1에 나타낸 구조를 가진 흰색 인서어트(2)를 삽입한 상태로 재가열하였다.
적외선 가열조건은 열량 95%, 가열시간 26.5초, 평형시간 8초, 1차 블로우압 18㎏/㎠, 2차 블로우압 34㎏/㎠이었다. 적외선 가열 후 프리폼의 온도를 측정한 결과 117℃이었다.
[실시예 1]
도 2에 나타낸 바와 같이, 인서어트(2) 내부에 형성된 종방향의 공기 통로(6)를 통해서 인서어트(2)와 프리폼(1) 사이의 공간에 IR 램프(3) 부근의 가열된 공기(5)를 통과시켜 순환시킨 점을 제외하고는 비교예 1과 동일한 절차를 반복하여 프리폼을 적외선으로 재가열하였다. 적외선 가열 후 프리폼의 온도를 측정한 결과 119℃이었다.
[비교예 2]
비교예 1의 인서어트(2)를 검은색 재질로 대체한 외에는 비교예 1과 동일한 절차를 반복하여 프리폼을 적외선으로 재가열하였다. 적외선 가열 후 프리폼의 온도를 측정한 결과 123℃이었다.
[실시예 2]
도 2에 나타낸 바와 같이, 인서어트(2) 내부에 형성된 종방향의 공기 통로(6)를 통해서 인서어트(2)와 프리폼(1) 사이의 공간에 IR 램프(3) 부근의 가열된 공기(5)를 통과시켜 순환시킨 점을 제외하고는 비교예 2와 동일한 절차를 반복하여 프리폼을 적외선으로 재가열하였다. 적외선 가열 후 프리폼의 온도를 측정한 결과 126℃이었다.
[실시예 3]
인서어트(2)로서 10㎝×10㎝의 흰색 종이에 5㎜의 간격으로 검은 선을 그은 것을 둥글게 말아서 만든 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복, 프리폼을 적외선으로 재가열하였다. 적외선 가열후 프리폼의 온도를 측정한 결과 119℃이었다.
[비교예 3]
인서어트(2)를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여 프리폼을 적외선으로 재가열하였다. 적외선 가열후 프리폼의 온도를 측정한 결과 115℃이었다.
상기 실시예 및 비교예에서 알 수 있는 바와 같이, 프리폼의 내부에 적어도 하나의 공기 통로를 갖는, 불투명 재질의 인서어트를 삽입하는 동시에 상기 공기 통로를 통해서 인서어트의 내부로 가열된 고온의 공기를 통과시키면서 프리폼을 적외선으로 재가열하면 적외선 히터의 열을 훨씬 빨리 흡수하게 되므로, 기존의 용기의 투명도가 떨어지고 색이 어두워지는 등의 부작용 없이 플라스틱 용기의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 직접가열이 아닌 간접가열방식을 통해서 프리폼 내부의 온도를 상승시킴으로써 원료 수지의 Tg 이상의 온도에서 가공하는 경우에도 프리폼을 손상시키지 않고 경제적이고 효율적인 과정을 통해서 플라스틱 용기 성형시 프리폼의 재가열속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따라 프리폼의 적외선 재가열공정시 프리폼 내부에 불투명 인서어트를 삽입한 상태에서 적외선 램프로 이루어진 히터로 가열하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시태양에 따라 프리폼의 적외선 재가열공정시 프리폼 내부에 적어도 하나의 공기 통로를 갖는 불투명 인서어트를 삽입한 상태에서 적외선램프로 이루어진 히터로 가열하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시태양에 따라 프리폼의 적외선 재가열공정시 프리폼 내부에 적어도 하나의 공기 통로를 갖는 불투명 인서어트를 삽입한 상태에서 적외선램프로 이루어진 히터로 가열하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
※ 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
1 : 프리폼(preform) 또는 패리슨(parison)
2 : 공기 통로가 형성된 인서어트(insert)
3 : 적외선 램프(IR lamp)
4 : 반사경
5 : 가열된 공기
6 : 종방향의 공기 통로
7 : 횡방향의 공기 통로
Claims (6)
- 플라스틱 원료 수지를 사출하여 중간 제품인 프리폼을 만들고, 블로우 공정에서 상기 프리폼을 원료 수지의 유리전이온도 이상까지 적외선 히터를 사용하여 재가열한 후, 가열된 프리폼을 성형 몰드에 넣고 고압으로 블로우하여 용기로 성형시키는 플라스틱 용기의 제조방법에 있어서, 상기 프리폼의 적외선 히터에 의한 재가열과정은 적어도 하나의 공기 통로를 갖는 불투명 재질로 된 적어도 하나의 인서어트(insert)를 상기 프리폼의 내부에 삽입한 상태로 수행되며, 상기 공기 통로를 통해서 가열된 공기가 불어넣어져 순환되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 인서어트는 종방향의 공기 통로, 횡방향의 공기 통로 또는 이들이 조합되어 형성된 적어도 하나의 공기 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱 용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가열된 공기는 상기 적외선 히터 주변의 가열된 공기로부터 공급되며, 상기 가열된 공기는 상기 인서어트 내부의 적어도 하나의 공기 통로를 통해서 인서어트와 프리폼 사이의 공간을 통과하여 순환되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가열된 공기는 별도의 가열장치로부터 공급되며, 상기 가열된 공기는 상기 인서어트 내부의 적어도 하나의 공기 통로를 통해서 인서어트와 프리폼 사이의 공간을 통과하여 순환되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 인서어트의 재질은 상기 플라스틱 용기의 가공시 변형이 일어나지 않는 것임을 특징으로 하는 플라스틱 용기의 제조방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 인서어트의 재질은 금속, 종이 또는 합성수지임을 특징으로 하는 플라스틱 용기의 제조방법.
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