KR20050100108A - 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의사출성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 표면과 저발포 내부 코어를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금형의 캐비티 표면을 사출되는 용융 플라스틱 혼합물의 용융온도 이상으로 가열한 후 용융 플라스틱 혼합물을 사출하여 고체표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법에 관한 것이다.

본 발명의 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법은, 캐비티를 갖는 금형을 제공하는 단계와, 열가소성 수지와 발포제가 혼합된 용융 플라스틱 조성물을 준비하는 단계와, 상기 금형의 캐비티 표면을 상기 용융 플라스틱 조성물의 용융 온도 이상으로 가열하는 단계와, 상기 용융 플라스틱 조성물을 상기 금형의 캐비티에 사출하는 단계와, 사출에 의하여 상기 용융 플라스틱 조성물이 충진된 금형을 냉각하는 단계와, 상기 응고된 플라스틱 조성물을 금형으로부터 제거하는 단계를 포함한다.

Description

고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법{METHOD FOR INJECTION MOLDING PLASTIC ARTICLE HAVING SOLID SURFACES AND INTERNAL STRUCTURAL FOAM}

본 발명은 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금형의 캐비티 표면을 사출되는 용융 플라스틱 혼합물의 용융온도 이상으로 가열한 후 용융 플라스틱 혼합물을 사출하여 고체표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법에 관한 것이다.

종래 사출에 의하여 살 두께가 두꺼운 플라스틱 사출 성형물을 제조할 경우 냉각시 수축 및 변형이 발생하여 원하는 형상의 제품을 제조가 어려웠다. 특히 수지의 냉각에 의한 수축을 보상하기 위하여는 고압으로 사출을 행하여야 하기 때문에 대형 사출기가 요구되어 생산비용이 증가한다.

사출시 수지의 냉각에 따른 수축을 보상하는 방법으로 플라스틱 수지에 발포제를 혼합하여 사출하는 저발포 사출성형법(structural foam injection molding method)이 알려져 있다. 저발포 사출성형법에 의하여 제조된 사출 성형품은 일반 사출에 의한 사출품에 비하여 경량이고, 중량 대비 고강성을 갖고, 두꺼운 부품의 설계 자유도가 향상되며, 수축 및 휨이 감소하고, 방음 효과가 있으며, 성형품 내부 잔류응력이 감소되는 등의 장점이 있다. 그러나 저발포 사출성형법은 발포 가스로 인한 성형품 표면에 가스흐름자국(swirl mark)이 발생하여 외관제품으로 사용이 어렵고, 거친 표면으로 인한 크랙 시발점이 형성되는 등의 문제가 있다.

저발포 사출성형법의 결점인 표면의 가스흐름자국을 개선하여 고체표면과 발포된 내부를 갖는 사출성형품을 제조하기 위한 방법으로 가스 카운터 프레셔(gas counter pressure) 저발포 사출성형법, 고압(high pressure) 저발포 사출성형법, 공사출성형법(co-injection molding), 그리고 초미세 발포사출성형법(MuCell: micro cellular foam) 등이 알려져 있다.

상기 가스 카운터 프레셔 저발포 사출성형법은 고압의 기체를 밀폐된 금형 캐비티 내에 주입하여 용융 수지의 발포를 억제시키고, 금형면에 접촉한 수지의 표면이 냉각되도록 한 다음 기체 압력을 대기압까지 내려 내부의 용융수지를 발포시킴으로써 고체 표면과 발포된 내부를 갖는 성형품을 얻는 방법이다. 그러나, 가스 카운터 프레셔 사출성형법은 고압의 기체를 주입, 유지, 제거 등을 위한 별도의 제어장치가 요구되고, 특히 표면 가스 표출, 성형품 제조후 경시적 발포로 인한 부풀음 등 제품의 불량이 발생하기 쉽다는 문제점이 있다.

상기 고압(high pressure) 저발포 사출성형법은 성형품의 부피보다 금형의 캐비티 부피를 작게 유지시킨 상태에서 발포제와 함께 용융수지를 사출한 후 표면에 고체표면이 형성된 후에 금형의 일부를 확장시켜 내부의 용융 수지를 발포시킴으로써 고체표면과 발포된 내부를 갖는 제품을 성형하는 방법이다. 그러나, 고압 저발포 성형법은 복잡한 형상을 갖는 제품의 사출 성형이 어렵고, 별도의 금형 동작을 위한 장치가 필요하고 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

상기 공사출성형법은 두 개의 사출기 실린더를 이용하여 금형에 먼저 발포제를 포함하지 않는 표피재 수지를 주입한 후 2차적으로 발포제를 함유한 수지를 주입하는 방법이다. 공사출성형법도 복잡한 형상을 갖는 제품의 사출 성형이 어렵고, 설비가 대형화하고 공정 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

상기 초미세 발포사출성형법은 종래의 저발포 사출성형법과 달리 화학발포제 대신에 이산화탄소 또는 질소를 수지에 혼합하고 용융수지와 단일 상이 되도록 초임계상태로 만들어 금형 캐비티로 사출하는 방법이다. 초임계의 단일 상 형성으로 인해 핵 생성수(nucleation site)의 밀도가 높고, 기포의 크기가 작고 균일하며 고른 분포를 갖게 되며 박막제품에도 적용이 가능하다는 장점이 있으나, 초임계상태를 만들기 위한 사출기의 스크류 및 배럴의 개조가 요구되고, 초임계유체를 공급 및 조절을 위한 별도의 제어장치가 필요하며, 특히 표면에 가스흐름자국(swirl mark)이 형성되어 외관이 미려하지 못하여 외장재로 직접 사용할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금형이나 용융 수지에 고압의 가스를 주입하거나, 금형을 캐비티의 체적을 변화시키지 않고서 종래의 발포제를 포함하는 플라스틱 혼합물을 캐비티 표면이 가열된 금형에 사출하여 고체 표면과 저발포된 내부를 갖는 플라스틱 성형품의 사출성형방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 사출 성형방법은 금형의 캐비티 표면을 연료가스 화염을 이용하여 급속 가열하여 생산성이 향상되고 미려한 고체 표면을 갖는 플라스틱 성형품의 사출 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 사출성형 방법의 공정도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것과 같이 본 발명의 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법은, 캐비티를 갖는 금형을 제공하는 단계(S10)와, 열가소성 수지와 발포제가 혼합된 용융 플라스틱 조성물을 준비하는 단계(S20)와, 상기 금형의 캐비티 표면을 상기 용융 플라스틱 조성물의 용융 온도 이상으로 가열하는 단계(S30)와, 상기 용융 플라스틱 조성물을 상기 금형의 캐비티에 사출하는 단계(S40)와, 사출에 의하여 상기 용융 플라스틱 조성물이 충진된 금형을 냉각하는 단계(S50)와, 상기 응고된 플라스틱 조성물을 금형으로부터 제거하는 단계(S60)를 포함한다. 상기 용융 플라스틱 조성물은 발포제의 발포시 핵생성을 위한 핵제를 더 포함할 수도 있다. 상기 핵제는 사출물 내부의 발포를 균일하게 하기 위한 것으로서 탄산칼슘이나 산화티타늄을 사용할 수도 있으나, 나노 크기의 클레이를 사용하면 발포 상태가 양호하고 최종 성형품의 기계적 물성도 향상시킬 수 있어서 보다 바람직하다.

본 발명에 사용되는 성형재료는 모든 열가소성수지가 가능하며, 첨가제 형태의 발포제를 수지와 드라이 블렌드(dry blending)하여 사출기에 공급한다. 최종 발포 성형품의 발포상태(셀의 크기, 분포, 밀도 등)는 발포제의 종류(흡열 또는 발열, 무기계 또는 유기계 등), 기타 핵제 등의 발포 보조제에 따라 달라지므로 원하는 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 또한, 발포제를 파우더 또는 펠렛 등의 고체 형태가 아니라 액상 형태로 공급할 수도 있다. 또한 초임계유체를 발포제로 이용할 수도 있다. 즉, 본 발명의 사출성형 방법은 발포제의 종류에 제한이 없다.

본 발명에 의하면, 상기 발포제를 포함하는 플라스틱 혼합물이 금형의 캐비티 내부로 주입될 때, 혼합물의 유동의 선단에서 발포가 이루지면서 응고되어 표면에 불균일한 형상이 발생하더라도, 혼합물의 용융온도로 가열된 금형과 접촉하여 플라스틱 혼합물이 다시 용융상태로 되기 때문에 응고된 표면의 불균일이 소멸하고 매끈한 고체표면이 형성된다. 동시에 사출 성형물의 냉각이 진행됨에 따라서 플라스틱 혼합물의 수축에 의한 부피감소를 성형물 내부의 발포에 의하여 보상하게 되어 고체 표면과 발포된 내부를 갖는 원하는 형상의 플라스틱 사출물을 얻게 된다.

본 발명에 있어서, 성형품의 품질에 영향을 미치는 인자로는 발포제의 용해도, 핵생성, 발포셀의 성장 및 안정화, 스크류 디자인, 성형품의 형태 등이 있다. 특히 주어진 사이클 시간 내에서 발포제를 용융수지와 한 상의 용액으로 혼합하기 위해서는 용해도가 높은 것이 바람직하다. 짧은 시간 내에 한 상의 용액을 만들기 위해서는 사출기 실린더 내에서 혼련 효과를 높이기 위한 스크류 디자인, shut-off 노즐 등을 이용한 기밀유지 등이 요구된다.

도 2는 본 발명에 따른 사출성형 공정시 용융 플라스틱 혼합물의 유동선단이 금형의 캐비티 표면과 만나서 재용융하여 고체 표면을 형성하는 공정을 도시하는 설명도이다. 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 방법은 종래의 방법과는 달리 금형 캐비티 내에서 표면의 응고 때까지 발포를 억제하기 위한 강제적인 수단(고압, 카운터프레셔 등)을 사용하는 것이 아니라, 표면에서 발포가 일어나더라도 근본적으로 표면에 가스흐름자국이 발생하지 않도록 금형의 캐비티 온도를 플라스틱 혼합물의 용융온도 또는 그 이상이 되도록 유지하는 것이다. 도 2(a)에 도시된 것과 같이 캐비티 내부로 주입된 용용 플라스틱 혼합물의 선단에 발포제에 의하여 포옴(1,2)이 발생하고, 유동이 진행함에 따라서 도 2(b)와 같이 파열된 포옴(1)의 기체는 금형외부로 배출되고, 도 2(c)에 도시된 것과 같이 유동이 진행하여 금형의 캐비티 표면과 접촉한 파열된 포옴의 불균일한 형상(1a, 1b)은 재용융되어, 도 2(d)에 도시된 것과 같이 매끈한 금형의 캐비티의 표면이 전사되어 고체 표면이 형성된다. 즉, 가스흐름자국은 발포 가스에 의하여 생성된 결함을 갖는 용융된 플라스틱 혼합물의 유동 선단이 수지의 유리전이온도보다 낮은 금형 면과 접촉할 때 그대로 고화되어 으로 나타나는 것이다. 따라서 본 발명의 방법과 같이 플라스틱 혼합물의 사출시 금형 캐비티 표면의 온도를 고분자의 유리전이온도 수준 또는 그 이상으로 유지하면, 금형에 접촉한 플라스틱 혼합물은 점도가 낮은 상태에서 금형 면의 형상을 그대로 전사하여 결함이 제거되므로 고체 표면을 갖게 된다. 이때 사출된 플라스틱 성형물의 내부에서는 저발포가 이루어지므로 고체 표면과 저발포된 내부의 이중 구조를 갖는 성형품을 제조할 수 있게 된다. 특히 발포 셀의 성장 및 안정화는 수지의 유변물성과 밀접한 연관이 있으므로 성형재료에 따라 적절한 성형조건의 조절이 필요하다.

성형조건에 있어서 중요한 것은, 발포제가 용해된 한 상의 용액인 성형재료가 미리 발포가 되지 않은 상태에서 금형 캐비티 내로 주입되고 그 안에서 발포가 이루어져야 양호한 발포상태를 얻을 수 있다는 것이다.

또한 본 발명에 있어서 상기 금형을 가열하는 단계는, 캐비티 표면을 용융 플라스틱 혼합물의 용융온도로 신속하고 균일하게 가열하기 위하여 기체연료 화염을 이용하여 금형표면을 가열하는 것이 바람직하다. 물론 유도 전류를 이용하여 금형 표면을 가열할 수도 있다. 금형 표면을 가열하는 방식은 상기의 방식에 국한되는 것은 아니고, 할로겐 램프 등을 이용한 복사가열방식, 금형 내부에 고온의 유체를 통과시키기 위한 유로를 만들어 가열하는 방식, 전기 저항 또는 고주파 유도를 이용한 가열 방식 등 금형의 캐비티 표면을 신속하게 플라스틱 혼합물의 용융온도까지 가열할 수 있는 방식이면 어느 것이나 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 사출성형 공정에서 코어금형을 기체 연료 화염으로 가열 공정을 설명하기 위한 개략도이다.

본 발명에 있어서, 금형의 캐비티의 가열시간을 단축하기 위하여 도 3에 도시된 것과 같이 상기 금형을 세개의 부분으로 제작하는 것이 바람직하다. 즉, 고정금형판(10)과, 상기 고정금형판(10)으로부터 분리가능한 코어금형판(20)과, 상기 코어금형판(20)과 접촉하여 캐비티(40)를 형성하고 상기 코어금형판(20)을 상기 고정금형판(10)에 가압하기 위한 가동금형판(30)으로 구성한다. 상기와 같이 구성된 금형을 사용할 경우, 상기 금형을 가열하는 단계(S30)는 상기 가동금형판에 코어금형판을 향하도록 형성된 복수의 관통구멍(31)으로 기체 연료를 공급하면서 점화시켜서 상기 코어금형판의 캐비티 형성 표면을 가열시킨다. 가열이 완료되면, 도 3(b)에 도시된 것과 같이, 가동금형판(30)으로 코어금형판(20)과 고정금형판(10)을 가압하여 클램핑하고 캐비티(40)를 형성하고 사출을 행한다(S40). 다음으로 금형을 냉각하고(S50), 사출물을 분리한다(S60).

본 발명에 따르면, 금형이나 용융 수지에 고압의 가스를 주입하거나, 금형을 캐비티의 체적을 변화시키지 않고서 단순히 금형의 캐비티 온도를 가열하여 고체 표면과 저발포된 내부를 갖는 플라스틱 성형품의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명에 의하면, 금형의 캐비티 표면을 연료가스 화염을 이용하여 급속 가열하여 생산성이 우수하고, 미려한 고체 표면을 갖는 플라스틱 성형품의 사출 성형방법을 제공한다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 사출성형 방법의 공정도

도 2는 본 발명에 따른 사출성형 공정시 용융 플라스틱 혼합물의 유동선단이 금형의 캐비티 표면과 만나서 재용융되어 고체 표면을 형성하는 공정을 도시하는 설명도

도 3은 본 발명에 따른 사출성형 공정에서 코어금형을 기체 연료 화염으로 가열 공정을 설명하기 위한 개략도

<도면부호의 간단한 설명>

1, 2 포옴 10 고정 금형판

20 코어 금형판 30 가동 금형판

31 관통구멍 40 캐비티

Claims (6)

1. 캐비티를 갖는 금형을 제공하는 단계와,

   열가소성 수지와 발포제가 혼합된 용융 플라스틱 조성물을 준비하는 단계와,

   상기 금형의 캐비티 표면을 상기 용융 플라스틱 조성물의 용융 온도 이상으로 가열하는 단계와,

   상기 용융 플라스틱 조성물을 상기 금형의 캐비티에 사출하는 단계와,

   사출에 의하여 상기 용융 플라스틱 조성물이 충진된 금형을 냉각하는 단계와,

   상기 응고된 플라스틱 조성물을 금형으로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 용융 플라스틱 조성물은 발포제의 발포시 핵생성을 위한 핵제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 핵제는 탄산칼슘, 산화티타늄, 나노 크기의 클레이 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금형을 가열하는 단계는 기체연료 화염을 이용하여 금형표면을 가열하는 것을 특징으로 하는 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 금형은 고정금형판과, 상기 고정금형판으로부터 분리가능한 코어금형판과, 상기 코어금형판과 접촉하여 캐비티를 형성하고 상기 코어금형판을 상기 고정금형판에 가압하기 위한 가동금형판으로 구성되고,

   상기 금형을 가열하는 단계는 상기 가동금형판에 코어금형판을 향하도록 형성된 복수의 관통구멍으로 기체 연료를 공급하면서 점화시켜서 상기 코어금형판의 캐비티 형성 표면을 가열하는 것을 특징으로 하는 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금형을 가열하는 단계는 유도 전류를 이용하여 금형표면을 가열하는 것을 특징으로 하는 고체 표면과 저발포 내부를 갖는 플라스틱 사출물의 사출성형 방법.