KR20070092625A - 플라스틱원료의 가소화 혼련압출기 - Google Patents

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마사미치 이시바시
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더 재팬 스틸 워크스 엘티디
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Abstract

가소화혼련부 및 용융혼련분산부에서 발생하는 내압을 감소시키고, 실린더, 스크루의 마모저하 및 혼련에 의한 필러의 응집물을 발생시키지 않고, 필러의 분산을 향상시킬 수 있는 플라스틱원료의 가소화혼련압출기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 가소화혼련부에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1~0.5배로, 디스크(B)의 팁부(G)의 디스크(B) 전면측의 머리부(a)와 그 디스크(B) 후면측의 머리부(b) 사이의 각도인 나선각도(θ)가, 디스크(B)의 단면 A-A를 축 선단방향에서 봐서 스크루의 반회전방향으로 0°<θ<90°의 범위내에 있으며, 스크루(2)의 축둘레의 디스크 상호간의 이동한 각도인 위상각도(E)가 0°<E<90°로 배열되어 있는 트위스트 혼련 디스크(Twist kneading disks)를 실린더 내경(D)의 1.88배 이상의 길이로 설치한다.
가소화 혼련압출기, 스크루

Description

플라스틱원료의 가소화 혼련압출기{KNEADING EXTRUDER}
도 1은, 실시예 1에 있어서의 스크루 단면에서 볼 때 압력계의 설치위치를 도시하는 도이다.
도 2는, 실시예 1에서 있어서 스크루 단면과 직교하는 스크루 축 방향 전체에서 볼 때 압력계의 설치위치를 도시하는 도이다.
도 3a는, TKD(Twist Kneading Disk)의 형상을 도시하는 측면도이고, 도 3b는 도 3a에 도시하는 A-A선 방향의 TKD의 단면도이다.
도 4는, 실시예 1의 가소화혼련부에서의 제1 스크루의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 5는, 실시예 1의 가소화혼련부에서의 제2 스크루의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 6은, 실시예 1의 가소화혼련부에서의 제3 스크루의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 7은, 실시예 2의 가소화혼련부에서의 제4 스크루의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 8은, 실시예 2의 가소화혼련부에서의 제5 스크루의 형상을 도시하는 모식 도이다.
도 9는, 실시예 2의 가소화혼련부에서의 제6 스크루의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 10은, 실시예 2의 실험결과이고, FK와 TKD의 플라스틱원료에 주는 에너지비교를 도시하는 그래프이다.
도 11은, 실시예 2의 실험결과이며, FK와 TKD의 배출수지온도비교 그래프이다.
도 12는, 실시예 3의 가소화혼련부에서의 제7 스크루의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 13은, 실시예 2의 가소화혼련부에서의 제8 스크루의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 14는, 종래의 플라스틱원료의 가소화혼련압출기의 구성의 일 예를 도시하는 모식도이다.
도 15a 및 도 15b는, 종래의 플라스틱원료의 가소화혼련압출기의 구성의 다른 예를 도시하는 모식도이다.
도 16a 내지 도 16bc, 혼련 날개(kneading wing)의 예를 도시하는 측면도 및 A-A선 방향에서 본 단면도로서, 도 16a는 수송날개(feeding wing)(전방향 혼련FK)을 나타내고, 도 16b는 복귀날개(return wing)(역방향 혼련 BK)를 나타내며, 도 16c는 중립날개(retral wing)(직교 혼련 CK)를 나타낸다..
※부호의 설명※
1, 201…실린더 2, 202…스크루
3…모터 4…감속기
5…공급구
6a…벤트, 제1 벤트 6b…제2 벤트
7…배출구 8…고체수송부
9…가소화혼련부(제1 혼련부) 10…용융체수송부
10a…제1 용융체수송부 10b…제2 용융체수송부
11, 13…사이드 피더(side feeder) 12…용융혼련분산부(제2 혼련부)
14…사이드 피더 실린더 15…사이드 피더 스크루
16…사이드 피더 모터 17…사이드 피더 감속기
18…사이드 피더 공급구 19…스크린
203…압력계 B…디스크
BK…역수송 날개(역방향 혼련) CK…중립날개(직교 혼련)
E…위상각도 FK…수송날개(전방향 혼련)
G…팁 부(Tip portion) H…플라스틱원료의 흐름방향
본 발명은 플라스틱원료의 가소화혼련압출기에 관한 것이다.
종래의 플라스틱 가소화혼련압출기의 일 예를 도 14에 도시한다. 가열냉각가능한 실린더(1) 내에 스크루(2)가 2개 장착되어 있다. 스크루(2)는 감속기(4)와 연결하고, 감속기(4)에 연결되어 있는 모터(2)에서 공통방향회전으로 구동하고 있다. 2개의 스크루(2)("2축 스크루"라고도 칭함)는 서로 맞물려 있다. 실린더(1)는 상류에서 공급구(5), 제1 벤트(6a), 배출구(7)가 설치되어 있다. 스크루(2)는 상류에서 고체수송부(8), 가소화혼련부(9)(제1 혼련부), 용융체수송부(10)로 구성되어 있다.
종래의 플라스틱 가소화혼련압출기의 다른 예를 도 15에 도시한다.
가열냉각 가능한 실린더(1) 내에 2축 스크루(2)(2개의 스크루가 병렬로 설치된 구조)가 장착되어 있다. 스크루(2)는 감속기(4)와 연결하고, 감속기(4)에 연결되어 있는 모터(3)에서 공통방향회전으로 구동하고 있다. 2개의 스크루(2)는 서로 맞물려 있다. 실린더(1)는 상류에서 공급구(5), 제1 벤트(6a), 사이드 피더(side feeder)(11), 제2 벤트(6b), 배출구(7)가 설치되어 있다. 스크루(2)는 상류에서 고체수송부(8), 가소화혼련부(9)(제1 혼련부), 제1 용융체수송부(10a), 용융혼련분산부(12)(제2 혼련부), 제2 용융체수송부(10b)로 구성되어 있다. 사이드 피더(11)에는 사이드 피더(13)가 설치되어 있다. 사이드 피더(13)는 사이드 피더 실린더(14), 사이드 피더 스크루(15), 사이드 피더 모터(16), 사이드 피더 감속기(17)로 구성되어 있으며, 냉각 가능한 사이드 피더 실린더(14) 내에 사이드 피더 스크루(15)가 2개 장착되어 있다. 사이드 피더 스크루(15)는 사이드 피더 감 속기(17)와 연결하고, 사이드 피더 감속기(17)에 연결되어 있는 사이드 피더 모터(16)에서 공통방향회전으로 구동하고 있다. 2개의 사이드 피더 스크루(15)는 서로 맞물려 있다. 사이드 피더 실린더(14)에는 사이드 피더 공급구(18)가 있으며, 고체의 부원료(플라스틱, 유기 필러, 무기 필러, 유리섬유 등)가 공급된다.
도 16a 내지 도 16c에, 도 14, 도 15에서 도시하는 스크루(2)의 가소화혼련부(9)(제1 혼련부), 및 용융혼련분산부(12)(제2 혼련부)를 구성하는 대표적인 디스크 타입의 혼련날개 디스크를 도시한다.
도 16a는 수송날개(전방향 혼련: FK)이고, 도 16b는 역수송 날개(역방향 혼련: BK), 도 16c는 중립날개(직교 혼련: CK)이다. 각 도면중 좌측도는 날개의 측면도이고, 우측도는 좌측도중에서 도시하는 A-A방향에서 본 단면도이다.
FK는 5장의 디스크(B)로 구성된 혼련날개이고, 각 디스크(B)가 플라스틱원료(H)의 흐름방향으로 위상각도(E)에서 이동해서 배열된 것이다. 디스크(B)의 폭은 실린더내벽(F)의 직경에 대해 0.1~0.9배이다. 디스크(B)의 플라이트 정점과, 실린더내벽(E)으로 구성된 부분이 팁(tip)부(G)이다.
BK는 5장의 디스크(B)로 구성된 혼련날개이고, 각 디스크(B)가 플라스틱원료(H)의 흐름방향과 역으로 위상각도(E)가 이동해서 배열된 것이다. 디스크(B)의 폭은 실린더내벽(F)의 직경에 대해 0.1~0.9배이다. 디스크(B)의 플라이트 정점과, 실린더내벽(F)으로 구성된 부분이 팁 부(G)이다.
CK는 5장의 디스크(B)로 구성된 혼련날개이고, 각 디스크(B)의 위상각도(E) 를 90도 이동해서 배열한 것이다. 디스크(B)의 폭은 실린더내벽(F)의 직경에 대해 0.1~0.9배이다. 디스크(B)의 플라이트 정점과 실린더내벽(F)으로 구성된 부분이 팁 부(G)이다.
그 밖의 혼련날개로서는 역 플라이트, 실링, 로터, JP-A-2005-35121호에 개시되어 있는 플라이트 팁이 스크루 축방향으로 나선각도(θ)로 경사되어 있는 혼련 디스크(kneading disk)가 있다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
도 14에서 공급구(5)로부터 공급된 고체플라스틱원료는 스크루(2)에 의해 가소화혼련부(9)로 수송된다. 가소화혼련부(9)는 도 16에 도시하는 FK, BK, CK를 조합시켜서 구성되고, 단시간에 고체플라스틱원료를 용융혼련한다. 가소화혼련부(9)에서 용융한 플라스틱원료는 용융체수송부(10)의 벤트(6a)로 플라스틱원료속에 포함된 불필요한 휘발성분이 제거되면서 배출구(7)로 수송되고, 배출구(7)를 통해서 실린더(1) 밖으로 스트랜드(strand)형상으로 배출된다. 스트랜드형상으로 배출된 용융플라스틱원료는 도시하지 않은 커터에 의해 팰릿(pellet)형상으로 된다. 커터는 배출구(7)의 출구에 직접, 또는 간격을 열어서 설치되어 있다. 용융한 플라스틱원료는 배출구(7) 앞에 장착된 스크린(19)에 의해 플라스틱원료속에 포함되는 불필요한 고체불순물이 여과되는 경우도 있다.
도 15a 및 도 15b에서 공급구(5)로부터 공급된 고체플라스틱원료는 스크루(2)에 의해 가소화혼련부(9)로 수송된다. 가소화혼련부(9)는 도 16a 내지 도 16c에 도시하는 FK, BK, CK를 조합시켜서 구성되고, 단시간에 고체플라스틱원료 를 용융혼련한다. 가소화혼련부(9)에서 용융한 플라스틱원료는 제1 용융체수송부(10a)의 벤트(6a)에서 플라스틱원료속에 포함되는 불필요한 휘발성분이 제거되면서 제2 혼련부(12)로 수송된다. 제1 용융체수송부(10a)에는 사이드 피더(11)가 장착되고, 용융한 플라스틱원료에 고체의 부원료(플라스틱, 유기 필러, 무기 필러, 유리섬유 등)를 공급하고 있다. 용융한 플라스틱원료와 고체의 부원료는 제2 혼련부(12)에서 혼련된다. 제2 혼련부(12)는 제1 혼련부(9)와 마찬가지로 도 16에 도시하는 FK, BK, CK를 조합시켜서 구성되고, 단시간에 용융한 플라스틱원료와 고체의 부원료를 용융혼련분산한다. 용융혼련분산한 복합원료는 제1 용융체수송부(10b)의 제2 벤트(6b)로 플라스틱원료속에 포함되는 불필요한 휘발성분이 제거되면서 배출구(7)로 수송되고, 배출구(7)를 통해서 실린더(1) 밖으로 스트랜드형상으로 배출된다. 스트랜드형상으로 배출된 용융플라스틱원료는 도시하지 않은 커터에 의해 펠릿형상으로 된다. 커터는 배출구(7)의 출구에 직접, 또는 간격을 열어서 설치되어 있다. 용융한 플라스틱원료는 배출구(7) 앞에 장착된 스크린(19)에 의해 플라스틱원료속에 포함되는 불필요한 고체불순물이 여과되는 경우도 있다.
종래의 플라스틱 가소화혼련압출기는 이상과 같은 구성으로 고체플라스틱원료의 가소화혼련 및 용융 플라스틱원료와 부원료의 용융혼련분산을 단시간에 실시해서 배출한다.
가소화혼련부(9)는 플라스틱원료를 하류로 보내는 능력을 가진 수송날개 FK, 상류로 되돌려 보내는 능력을 가진 역수송 날개 BK, 수송능력이 없는 중립날개 CK를 플라스틱원료의 특성이나 혼련해서 얻어지는 플라스틱 복합원료의 요구품질에 맞춰서 수송날개, 역수송 날개, 중립날개를 조합시켜서 형성되어 있다. 가소화혼련부(9)에서는 고체수송부(8)로부터 수송되어 온 고체플라스틱원료를 상기 조합된 혼련날개에서 어느 정도 위어(weir)를 멈추면서 실린더내벽(F)과 혼련날개에서 형성되는 공극에서 스크루(2)의 회전에 의해 혼련날개의 좁은 공극으로 밀어 넣고, 그 공극에서 발생하는 전단(剪斷)응력이나 전단에너지에 의해 플라스틱원료를 고체에서 용융체로 변화시키는 기능이 있다.
또 용융플라스틱원료와 부원료의 용융혼련분산부(12)도 가소화혼련부(9)와 같은 기능을 갖고 있으며, 실린더내벽(F)과 혼련날개에서 형성되는 공극에서 용융혼련분산을 행하고 있다.
가소화혼련부(9), 용융혼련분산부(12)를 형성하고 있는 종래의 디스크 타입의 각 혼련날개에 대해서 1장의 디스크를 생각한 경우, 정(正)수송, 또는 역수송의 수송능력이 없는 형상으로 이루어지고, 플라스틱원료가 압력차로 체류흐름을 한다. 그 때문에 실린더내벽(F)과 혼련날개로 형성되는 좁은 공극부, 특히 팁 부(G)에 다량의 플라스틱원료가 위어를 정지할 수 있다. 또 스크루(2)의 회전에 의해 혼련날개가 좁은 공극에 밀어 넣음으로써 국부적으로 큰 힘(내압)이 발생한다. 특히 혼련날개가 2개 있는 팁 부의 압력이 발생하고 있는 팁 부(G)와 쌍을 이루는 또 다른 쪽의 혼련날개의 팁 부(G)가 실린더내벽(F)과 접촉하고, 실린더내벽(F), 또는 팁 부(G)가 마모되는 문제가 있었다.
또 용융혼련분산부(12)에서는 실린더내벽(F)과 혼련날개 팁으로 형성되는 팁 부(G)에서 발생하는 힘(내압)에 의해 필러가 응집하고 필러의 분산상태가 나빠지는 문제가 있었다.
전방향수송, 또는 역방향수송의 수송능력을 가진 혼련날개에는 역 플라이트, 로터가 있다. 역 플라이트는 역수송의 수송능력을 가진 스크루 타입의 혼련날개이고 플라이트가 연결되어 있다. 그 때문에 종래의 디스크 타입 혼련날개에 있는 디스크사이의 간극이 없으며, 고체플라스틱원료의 위어멈춤기능이 높으므로, 실린더내벽(F)과 혼련날개에서 형성되는 공극에서는 종래의 디스크타입의 혼련날개에 비해 보다 높은 압력을 발생한다.
로터타입은 전방수송, 또는 역수송의 수송능력을 가진 스크루 타입의 혼련날개이고 플라이트가 연결되어 있다. 전방수송의 로터는 종래의 디스크 타입 혼련날개에 있는 디스크 사이의 간극이 없으며, 전방수송의 수송능력이 높기 때문에 단체로는 플라스틱원료의 위어를 멈출수 없다. 그 때문에 전방수송의 로터를 가소화혼련부(9)에 넣는 경우, 위어멈춤기능을 가진 혼련날개와 조합해야 한다. 위어멈춤기능을 가진 혼련날개로 플라스틱원료는 위어가 멈춰짐으로써 전방수송의 로터는 플라스틱원료에 전단응력이나 전단에너지를 주는 것이 가능해진다. 그러나, 플라이트가 연결되어 있기 때문에 팁 부에 다량의 플라스틱원료를 밀어넣게 되고, 국부적으로 큰 힘(내압)이 발생한다. 역수송의 로터는 종래의 디스크 타입의 혼련날개에 있는 디스크 사이의 간극이 없고, 역 수송의 수송능력이 크다. 그 때문에 역 플라이트와 같은 기능을 가지고 종래의 디스크 타입의 혼련날개에 비해 보다 높은 압력이 발생한다.
본 발명은 상기 과제에 비추어서 이루어진 것으로 가소화혼련부 및 용융혼련분산부에서 발생하는 내압을 감소시키고, 실린더, 스크루의 마모저하 및 혼련에 의한 필러의 응집물을 발생시키지 않으며, 필러의 분산을 향상시킬 수 있는 플라스틱원료의 가소화혼련압출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1구성특징은 플라스틱원료의 가소화혼련압출기로서, 가열 및 냉각이 가능한 실린더와, 상기 실린더 내에 설치된 2축 스쿠루를, 구비하며, 상기 2축 스쿠루는 상류측으로부터 차례로 고체수송부, 가소화혼련부, 제1용융체수송부,를 포함하고, 상기 혼련압출기는 실린더 내경D 보다 1.88배 이상 큰 길이를 갖는 트위스트 혼련 디스크를 포함하고, 상기 트위스트 혼련 디스크는 다수의 디스크를 포함하고, 이들 각 디스크의 폭은 상기 실린더 내경D의 0.1 내지 0.5 배이며, 팁부에서 상기 디스크의 일측면의 머리부와 다른 측면의 머리부 사이의 나선각은 상기 스크루축을 법선으로 하는 상기 디스크의 단면을 축선단방향으로 볼 때 상기 스크루의 반회전방향으로 0°< θ < 90°범위이고, 상기 스크루축 들레의 디스크들 사이의 상호간 위상각E는 0°< θ < 90° 범위이다.
본 발명의 제2구성특징은 상기 혼련압출기에서 상기 실린더가 상류측으로부터 차례대로 재료공급구, 제1벤트, 배출구를, 포함한다.
본 발명의 제3구성특징은 상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화 혼련부에 설 치된다.
본 발명의 제4구성특징은 2축 스쿠루는 상류측으로부터 차례로, 상기 제1용융체수송부의 하류측에 배치되는 용융혼련분산부, 제2용융체수송부를, 포함한다.
본 발명의 제5구성특징은 상기 실린더는 상기 제1벤트와 배출구 사이에서 상류측으로부터 차례로 사이드 피더와, 제2벤트를, 포함한다.
본 발명의 제6구성특징은 상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화혼련부와 용융혼련분산부 중 하나 이상에 설치된다.
본 발명의 제7구성특징은 상기 트위스트 혼련 디스크는 용융혼련분산부에 설치된다.
본 발명의 제8구성특징은 상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화 혼련부에에 설치된다.
본 발명의 제9구성특징은 상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화혼련부와 용융혼련분산부에 설치된다.
본 발명의 제10구성특징은 트위스트 혼련 디스크의 하류에 직교혼련디스크를 더 포함한다.
본 발명의 제11구성특징은 트위스트 혼련 디스크와 직교 혼련 디스크 사이에 전방 혼련 디스크를 더 포함한다.
본 발명에 있어서는 혼련압출기가 실린더(1)와 2개의 스쿠루(2)("2축 스쿠루"라고도 칭함)를 포함한다. 실린더(1)는 가열 및 냉각이 가능하며, 상류측으로부터 차례로 원료공급구(5)와 제1벤트(6a) 및 배출구(7)를 포함한다. 실린더(1)에 배 치되는 2개의 스쿠루(2)는 상류측으로부터 차례로 고체수송부(8), 가소화 혼련부(9) 및 용융체수송부(10)를 포함한다.
또한, 실린더(1)는 상류측으로부터 차례로 원료 공급구(5), 제1벤트(6a), 사이드피더(11), 제2벤트(6a) 및 배출구(7)를 포함한다. 2개의 스쿠루는 상류측으로부터 차례로 고체수송부(8), 가소화 혼련부(9), 제1용융체수송부(10a), 용융혼련분산부(12), 제2용융체수송부(10b)를 포함할 수도 있다.
본 발명에 있어서 혼련디스크(이하"트위스트 혼련 디스크": TKD)는 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1~0.5배이고, 팁 부(G)에서의 디스크(B) 전면측의 머리부와 이 디스크(B) 후면측의 머리부 사이의 각도인 나선각도(θ)가 상기 스크루축을 법선으로 하는 상기 디스크의 단면을 축선단방향으로 볼 때 상기 스크루의 반회전방향으로 0°< θ < 90°범위이고, 상기 스크루축 들레의 디스크들 사이의 상호간 위상각E는 0°< θ < 90° 범위이다. 이와 같은 트위스트 혼련 디스크를 실린더 내경(D)의 1.9배 이상의 길이로 넣는다. 이에 따라 가소화혼련부(12)에서 발생하는 내압을 감소시키고, 실린더 및 스크루의 마모를 감소시킬 수 있다.
TKD는 팁 부(G)에서의 디스크(B) 전면측의 머리부와 이 디스크(B) 후면측의 머리부 사이의 각도인 나선각도(θ)가 스크루의 축을 법선으로 하는 디스크의 단면을 축 선단방향에서 봐서 스크루의 반회전방향으로 0°<θ<90°로 경사되어 있기 때문에 종래의 혼련날개 디스크에 비해 플라스틱원료를 전방으로 수송하는 능력을 갖고 있다. 그 때문에 TKD에서는 종래의 혼련날개 1장의 디스크에서 발생하는 국부적으로 큰 힘(내압)이 발생하는 일 없이 고체플라스틱원료에 적당한 전단응력이 나 전단 에너지를 줄일 수 있다.
용융혼련분산부(12)에서는 플라스틱원료가 용융하고 있으므로 디스크의 팁 부에서 국부적으로 큰 힘(내압)이 발생하는 일은 적다. 그러나 각종 필러 중에는 팁 부에서 발생하는 압력에 의해 응집해 버리는 특성을 가진 것이 있고, 가능한한 발생압력을 감소시킬 필요가 있다. 이와 같은 필러에서 용융혼련분산부(12)의 일부에 TKD를 넣음으로써 보다 발생압력을 감소시킬 수 있으며, 혼련에 의한 필러의 응집물을 발생시킬 수 없다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 소정조건의 트위스트 혼련 디스크 실린더 내경의 1.9배 이상의 길이로 넣음으로써 가소화혼련부에서 발생하는 내압을 감소시키고, 실린더 및 스크루의 마모를 감소시킬 수 있다.
또 본 발명에 의하면 소정조건의 트위스트 혼련 디스크 실린더 내경의 1.9배 이상의 길이로 넣음으로써 가소화혼련부에서 발생하는 내압을 감소시키고, 고체플라스틱원료에 주는 에너지를 감소시키고, 낮은 온도 압출이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면 소정의 조건인 트위스트 혼련 디스크 실린더 내경의 1.9배 이상의 길이로 넣음으로써 용융혼련분산으로 발생하는 내압을 감소시키고, 필러의 응집물을 발생시키지 않고 분산을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하면서 설명한다. 또한 2축스크루압출기의 개략적인 구성은 종래 예에서 도시한 것과 같으므로 상세한 설명은 생략한다.
또 이하의 각 실시예에서 팁 부(G)의 나선각도(θ)는 TKD(Twist Kneading Disk)를 스크루 축 선단방향에서 본 경우 1장의 디스크에서의 전면측의 머리부(a)와 그 디스크 후면측의 머리부(b) 사이의 각도를 가리키는 것으로서 디스크의 단면 A-A(스크루의 축을 법선으로 하는 디스크의 단면)를 축 선단방향에서 봐서 스크루의 반회전방향으로 0°< θ < 90°의 범위 내에 있다(도 3 참조).
또 TKD의 각 디스크(B)의 위상각도(E)는 스크루 축 둘레의 디스크 상호간의 이동각도이고, 0°<E<90°의 범위 내에 있다.
(실시 예 1)
본 실시 예에서는 이하의 조건에서 수지를 혼련하고, 그 때의 내압을 측정하였다.
- 기종: TEX 65α-28BW-V((주) 니혼세이고쇼 제: 치합형 공통방향 2축스크루압출기: 실린더 내경 D=φ69㎜)
- 원료: 폴리카보네이트(파우더 형상)
- 운전조건: 처리량 Q=374㎏/h, 스크루 회전수 Ns=252rpm
- 가소화혼련부 실린더 온도설정: 285℃
- 내압측정방법:
도 1에 스크루 축 단면방향에서의 압력계설치위치를 도시한다. 또 도 2에 스크루 축 방향에서의 압력계설치위치를 도시한다.
압력계(203)는 실린더(201)에 형성된 내측구멍이 2개 있는 스크루(202)("2축 스쿠루"라고도 칭함)의 치합부에 장착하고, 압력계(203)의 선단부는 실린더(201) 내경의 거의 동일한 위치까지 삽입하였다. 또 압력계(203)는 11개 사용하고, 축 방향으로 W=0.5D(D: 실린더내경(D))간격으로 설치하였다. 실린더(201)는 도시하지 않은 유압장치를 사용하고 약 0.5D의 스트로크를 가진 유압실린더에서 약 0.05D 간격으로 실린더(201)를 이동시키고 내압데이터를 채취하였다.
- 스크루 형상:
도 3a에 본 실시예의 TKD(Twist Kneading Disk)의 형상을 도시하는 측면도를 도시한다. 또 도 3b에서 도 3a에 도시하는 A-A선 방향의 TKD의 단면도(스크루의 축을 법선으로 하고, 스크루의 축 선단방향에서 본 TKD의 단면: 이하, 단면 A-A이라 한다)를 도시한다. 또한 스크루의 축은 도 3a에 1점 쇄선으로 도시하고 있다.
또 본 실시 예에서 사용한 스크루의 가소화혼련부 형상을 도 4, 도 5, 도 6에 도시한다.
도 4는 종래의 혼련날개를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 4의 스크루를 제1 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.19배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 FK(수송날개, 전방 혼련)를 실린더 내경(D)의 3.77배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅰ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.09배로, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 903h로 배열되어 있는 5장 한 세트의 CK(중립날개, 직교 혼련)를 실린더 내경(D)의 0.94배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅲ으로 도시하는 영역).
도 5는 도 3에 도시하는 TKD(Twist Kneading Disk)를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 5의 스크루를 제2 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 약 0.19배로 디스크(B) 칩 부(G)의 디스크(B) 전면측의 머리부(a)와 그 디스크(B) 후면측의 머리부(b) 사이의 각도인 나선각도(θ)가 디스크(B)의 단면 A-A를 축 선단방향에서 봐서 스크루의 반회전방향으로 약 11도로 경사되어 있고, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한세트의 TKD를 실린더 내경(D)의 약 1.88배, 즉, 약 1.9배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅳ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 약 0.19배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한세트의 FK를 실린더 내경(D)의 약 1.88배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅰ로 도시하는 영역). 또한, 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.09배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 90도로 배열되어 있는 5장 한세트의 CK를 실린더 내경(D)의 0.94배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅲ로 도시하는 영역).
도 6은, 도 3에 도시하는 TKD를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 6의 스크루를 제3 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 약 0.19배로 디스크(B)의 팁 부(G)의 디스크(B) 전면측의 머리부(a)와 그 디스크(B) 후면측의 머리부(b) 사이의 각도인 나선각도(θ)가 디스크(B)의 단면 A-A를 축 선단방향에서 봐서 스크루의 반회전방향으로 약 11도 경사되어 있으며, 각 디스크(B)의 위상각도(F) 45도로 배열되어 있는 5장 한세트의 TKD를 실린더 내경(D)의 약 2.83배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅳ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 약 0.19배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 FK를 실린더 내경(D)의 약 0.94배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅰ로 도시하는 영역). 또한, 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.09배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 90도로 배열되어 있는 5장 한세트의 CK를 실린더 내경(D)의 0.94배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅲ으로 도시하는 영역).
- 측정결과:
도 4에 도시하는 제1 스크루에서 발생하는 최대 내압력의 값을 100%로 하고, 도 5, 도 6에 도시한 제2, 제3 스크루에서 발생한 최대 내압력값의 비율, 및 비(比)에너지(플라스틱원료 1㎏에 대해 압출기가 준 에너지)의 값을 표 1에서 정리하였다.
Figure 112007018649144-PAT00001
표 1에서 가소화혼련부에 TKD를 넣은 제2, 제 3 스크루의 경우, 종래의 혼련날개를 넣은 제1 스크루가 발생하는 최대압력보다 저하되었다. 또 TKD를 실린더 내경(D)의 약 1.9배(약 1.88배)의 길이로 넣은 제2 스크루의 경우 종래의 혼련날개를 넣은 제1 스크루의 최대발생압력에 대해 79% 까지 저하시킬 수 있으며, 실린더, 스크루의 마모감소에 효과적인 것이 명백해졌다.
또한, TKD를 실린더 내경(D)의 약 1.88배의 길이로 넣는 경우, 종래의 혼련날개를 넣은 형상으로 플라스틱원료에 주는 비(比)에너지와 거의 동일함에도 불구하고, 발생한 최대 내압력이 79%까지 저하됨으로써 1.88배 미만의 길이로 넣는다해도 최대 내압력은 감소되지만, 비(比)에너지의 감소에는 기여하지 않는 것이 명백해졌다. 또 TKD를 실린더 내경(D)의 약 2.83배의 길이로 넣는 경우 종래의 혼련날개를 넣은 형상으로 플라스틱원료에 주는 비 에너지에서 저하되고, 발생한 최대 내압력도 71%까지 저하되었다.
이상의 결과로부터 TKD를 실린더 내경(ㅇ)의 약 1.88배의 길이로 넣음으로써 비(比)에너지를 동등 이하로 저하시킬 수 있고, 또한 최대 발생내압을 79%로 저하시킬 수 있기 때문에 플라스틱원료에 과도한 에너지를 주지 않으며, 또한 실린더, 스크루의 마모감소에 효과적인 것이 명백해졌다.
(실시예 2)
본 실시 예에서는 이하의 조건에서 수지를 혼련하고, 그때의 비(比)에너지(플라스틱원료 1㎏에 대해 압출기가 준 에너지)를 얻었다.
- 기종: TEX65α-35BW-V ((주)니혼세이고쇼 제: 계합형 공통방향 2축스크루 압출기: 실린더 내경(D)=φ69㎜)
- ABS: φ10㎜×두께2㎜ 플레이크 형상
- AS: 펠릿 형상
- 운전조건: 처리량 Q=900㎏/h, 스크루 회전수 Ns=390rpm
- 가소화혼련부 실린더 온도설정: 200℃
- 스크루 형상: 본 실시 예에서 사용한 스크루의 가소화혼련부 형상을 도 7, 도 9, 도 10에 도시한다.
도 7은, 종래의 혼련날개를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 7의 스크루를 제4 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.3배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 FK를 실린더 내경(D)의 12배의 길이로 넣고 있다(도면 중 Ⅰ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.2배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 90도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 CK를 실린더 내경(D)의 1.0배의 길이로 넣고 있다(도면 중 Ⅲ으로 도시하는 영역). 또 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.2배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 -45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 BK를 실린더 내경(D)의 1.0배의 길이로 넣고 있다(도면 중 Ⅱ로 도시하는 영역). 또한, 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 -45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 BK를 실린더 내경(D)의 1.5배의 길이로 넣(도면중 Ⅱ-2로 도시하는 영역).
도 8은, 도 3에 도시하는 TKD를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 8의 스크루를 제5 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.3배로 디스크(B) 팁 부(G)의 디스크(B) 전면측의 머리부(a)와 그 디스크(B) 후면측의 머리부(b) 사이의 각도인 나선각도(θ)가 디스크(B)의 단면 A-A를 축 선단방향에서 봐서 스크루의 반회전방향에서 약 17도로 경사되어 있고, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 TKD를 실린더 내경(D)의 12배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅳ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.2배로 각 디스크(B)의 위상각도가 90도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 CK를 실린더 내경(D)의 1.0배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅲ으로 도시하는 영역). 또 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.2배로, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 -45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 BK를 실린더 내경(D)의 1.0배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅱ로 도시하는 영역). 또한. 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1배로, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 -45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 BK를 실린더 내경(D)의 1.5배의 길이로 넣고 있다(도면 중 Ⅱ-2로 도시하는 영역).
도 9는, 도 3에 도시하는 TKD를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 9의 스크루를 제6 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.5배로, 디스크(B) 팁 부(G)의 디스크(B) 전면측의 머리부(a)와 그 디스크(B) 후면측의 머리부(b) 사이의 각도인 나선각도(θ)가 디스크(B)의 단면 A-A를 축 선단방향에서 봐서 스크루의 반회전방향으로 약 30도로 경사되어 있으며, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도에서 배열되어 있는 4장 한 세트의 TKD를 실린더 내경(D)의 12배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅳ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.2배로, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 90도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 CK를 실린더 내경(D)의 1.0배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅲ로 도시하는 영역). 또 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.2배로, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 -45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 BK를 실린더 내경(D)의 1.0배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅱ로 도시하는 영역). 또한 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 -45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 BK를 실린더 내경(D)의 1.5배의 길이로 넣고 있다(도면중 Ⅱ-2로 도시하는 영역).
- 결과:
도 10에 각 가소화혼련부를 넣는 경우의 비에너지(Specific energy)(플라스틱원료 1㎏에 대해 압출기가 준 에너지)를 비교한 그래프를 도시한다. 또 도 11에 각 가소화혼련부를 넣는 경우에 압출기에서 배출되는 용융플라스틱의 수지온도를 비교한 그래프를 도시한다.
도 10에 도시한 바와 같이 가소화혼련부에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.3배의 TKD를 실린더 내경(D)의 12배의 길이로 넣는 경우(제5 스크루), 종래의 혼련날개를 넣은 형상(제4 스크루)으로 발생한 비(比)에너지보다 0.014kWh/㎏ 감소시킬 수 있었다. 또 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.5배의 TKD를 실린더 내경(D)의 12배의 길이로 넣는 경우(제6 스크루), 종래의 혼련날개를 넣은 형상(제4 스크루)으로 발생한 비에너지보다 0.29kWh/㎏ 저하시킬 수 있었다.
또 도 11에 도시한 바와 같이 가소화혼련부에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.3배의 TKD를 실린더 내경(D)의 12배의 길이로 넣는 경우(제5 스크루), 종래의 혼련날개를 넣은 형상(제4 스크루)으로 용융배출된 용융플라스틱의 수지온도보다 11℃ 저하시킬 수 있었다. 또 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.5배의 TKD를 실린더 내경(D)의 12배의 길이로 넣는 경우(제6 스크루), 종래의 혼련날개를 넣은 형상(제4 스크루)으로 용융배출된 용융플라스틱의 수지온도보다 19℃ 저하시킬 수 있었다.
(실시예 3)
본 실시예에서는 이하의 조건에서 수지를 혼련하고, 그때의 산화티탄의 분산특성에 대해 검토하였다.
- 기종: TEX44α-42BW-2V((주)니혼세이고쇼 제: 치합형 공통방향 2축스크루 압출기: 실린더 내경(D)-φ47㎜)
도 15에 도시하는 플라스틱원료의 가소화혼련압출기의 구성과 동일.
- 원료: LDPE(40wt%) + 산화티탄(60wt%) 복합원료
- LDPE: 펠릿형상, 산화티탄: 파우더 형상
산화티탄은 LDPE 용융후의 용융체수송부로 사이드피더에서 공급하였다.
- 운전조건: 처리량 Q=200㎏/h, 스크루 회전수 Ns=300rpm
용융혼련분산부(제2 혼련부) 실린더 온도설정: 100℃
- 스크루 형상:
본 실시 예에서 사용한 스크루의 용융혼련분산부(제2 혼련부: 사이드에서 필러를 공급한 후의 혼련부)형상을 도 12, 도 13에 도시한다.
도 12는 종래의 혼련날개를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 12의 스크루를 제7 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1배로, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 FK를 실린더 내경(D)의 4배의 길이로 넣는다(도면중 Ⅰ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1배로, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 90도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 CK를 실린더 내경(D)의 0.5배의 길이로 넣는다(도면중 Ⅲ로 도시하는 영역).
도 13은 도 3에 도시하는 TKD를 사용한 스크루의 측면도이다. 도 13의 스크루를 제8 스크루라 한다.
디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 약 0.1배로 디스크(B)의 팁 부(G)의 디스크(B) 전면측의 머리부(a)와 그 디스크(B) 후면측의 머리부(b) 사이의 각도인 나선각도(θ)가 디스크(B)의 단면 A-A를 축 선단 방향에서 보고 스크루의 반회전방향으로 약 5도로 경사되어 있고, 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 45도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 TKD를 실린더 내경(D)의 약 4배의 길이로 넣는다(도면중 Ⅳ로 도시하는 영역). 그 하류측에 디스크(B) 1장의 폭이 실린더 내경(D)의 0.1배로 각 디스크(B)의 위상각도(E)가 90도로 배열되어 있는 5장 한 세트의 CK를 실린더 내경(D)의 0.5배의 길이로 넣는다(도면중 Ⅲ로 도시하는 영역).
- 결과:
표 2에 산화티탄의 분산상태를 정리하였다. 표 2는 본 실시 예의 실험결과로 FK를 사용한 스크루(제7 스크루)와 TKD를 사용한 스크루(제8 스크루)와의 산화티탄의 응집물, 분산비교를 도시한 것이다.
Figure 112007018649144-PAT00002
가소화혼련부에 TKD를 실린더 내경(D)의 4배의 길이로 넣은 제8 스크루는 종래의 혼련날개를 넣은 형상의 제7 스크루보다 산화티탄의 응집물을 없앨 수 있으며 산화티탄의 분산을 향상시킬 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에 관하여 특정 형태의 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위 및 그 발명의 사상을 일탈하지 않고도 당분야의 통상의 기술자에 의해 여러 가지 변경 및 변형이 가능한 것은 자명한 것이다.
예를들면, 스트위트 혼련 디스크의 길이는 실린더 내에 수용될 수 있는 한 자유롭게 설정할 수 있다. 트위스트 혼련 디스크의 길이는 실린더의 길이와 동일하거나 그 보다 작을 수도 있으며, 실린더 가소화혼련부 또는 용융혼련분산부에서의 실린더 내경D의 12배와 같거나 그 이하가 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 소정의 조건의 트위스트 혼련 디스크 실린더 내경의 1.9배 이상의 길이로 장착함으로써 가소화혼련부에서 발생하는 내압을 감소시키고, 실린더 및 스크루의 마모를 감소시킬 수 있다.
또 본 발명에 의하면 소정의 조건의 트위스트 혼련 디스크 실린더 내경의 1.9배 이상의 길이로 넣음으로써 가소화혼련부에서 발생하는 내압을 감소시키고, 고체플라스틱원료에 주는 에너지를 저하시키고, 낮은 온도 압출이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면 소정의 조건인 트위스트 혼련 디스크 실린더 내경의 1.9배 이상의 길이로 장착함으로써 용융혼련분산으로 발생하는 내압을 감소시키고, 필러의 응집물을 발생시키지 않고 분산을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 가열 및 냉각이 가능한 실린더와,
    상기 실린더 내에 설치된 2축 스쿠루를, 구비한 혼련압출기로서,
    상기 2축 스쿠루는 상류측으로부터 차례로
    고체수송부,
    가소화혼련부,
    제1용융체수송부,를 포함하고,
    상기 혼련압출기는 실린더 내경D 보다 1.88배 이상 큰 길이를 갖는 트위스트 혼련 디스크를 포함하고,
    상기 트위스트 혼련 디스크는 다수의 디스크를 포함하고, 이들 각 디스크의 폭은 상기 실린더 내경D의 0.1 내지 0.5 배이며,
    팁부에서 상기 디스크의 일측면의 머리부와 다른 측면의 머리부 사이의 나선각은 상기 스크루축을 법선으로 하는 상기 디스크의 단면을 축선단방향으로 볼 때 상기 스크루의 반회전방향으로 0°< θ < 90°범위이고,
    상기 스크루축 들레의 디스크들 사이의 상호간 위상각E는 0°< θ < 90° 범위인 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더는 상류측으로부터 차례대로
    재료공급구,
    제1벤트,
    배출구를, 포함하는 것을 특징으로하는 혼련압출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화 혼련부에 설치되는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  4. 제1항에 있어서,
    2축 스쿠루는 상류측으로부터 차례로,
    상기 제1용융체수송부의 하류측에 배치되는 용융혼련분산부,
    제2용융체수송부를, 포함하는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 실린더는 상기 제1벤트와 배출구 사이에서 상류측으로부터 차례로
    사이드 피더와,
    제2벤트를, 포함하는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화혼련부와 용융혼련분산부 중 하나 이상에 설치되는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 트위스트 혼련 디스크는 용융혼련분산부에 설치되는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화 혼련부에에 설치되는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 트위스트 혼련 디스크는 가소화혼련부와 용융혼련분산부에 설치되는 것 을 특징으로 하는 혼련압출기.
  10. 제1항에 있어서,
    트위스트 혼련 디스크의 하류에 직교혼련디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
  11. 제10항에 있어서,
    트위스트 혼련 디스크와 직교 혼련 디스크 사이에 전방 혼련 디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼련압출기.
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