KR20080043143A - 내열도가 우수한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지의 압축성형 방법 및 이에 따른 성형품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열도가 우수한 PET(Polyethylene terephtalate) 수지의 성형방법 및 이에 따른 내열 PET성형품에 관한 것으로, 일정수준의 결정화도를 가지는 PET 분말 또는 펠렛 형태의 재료를 220~260℃로 예열된 몰드에 충진한 후, 일정한 하중으로 압축시킴으로써 무정형상에 이르는 승온 과정에 따른 결정화도의 감손을 최소한으로 억제하여, 종래 제품에 비하여 내열도가 우수한 폴리에스테르의 성형 방법 및 이에 따른 성형품이 제공된다.

폴리에스테르, PET, 내열도, 압축성형, 고상중합

Description

내열도가 우수한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지의 압축 성형 방법 및 이에 따른 성형품{Compression molding method for thermostable Polyethylene terephtalate product and products by using the method}

도 1은 본 발명에 따른 열압축기 및 압축 몰드의 측면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 압축 몰드의 평면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 상부몰드 11 : 상부판

12 : 몰드 윗판 20 : 하부몰드

21 : 하부판 22 : 몰드 아래판

30 : 동공(cavity)

본 발명은 고 내열도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, "PET"라 함) 수지의 성형방법 및 이에 따른 내열 PET성형품에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고상중합 등을 통하여 얻어진 일정수준의 이상의 결정화도를 가지는 PET 분말 또는 펠렛 형태의 재료를 미리 220~260℃로 예열된 몰드에 충진한 후, 일정한 하중으로 압축시킴으로써 무정형상에 이르는 승온 과정에 따른 결정화도의 감손을 최소한으로 억제하여, 내열도가 우수한 폴리에스터의 성형 방법 및 이에 따른 방법으로 얻어지는 성형품에 관한 것이다.

PET는 섬유, 음료 용기, 필름, 타이어코드(Tire-cord) 등으로 널리 쓰이고 있다. 그 중 특히 음료 용기 등 보틀(bottle)용으로서의 PET사용량은 매우 급격히 증가되고 있다. 병, 투명 쉬트 등의 용도의 경우를 PET 최종 성형 제품의 결정화도 측면에서 보면, 무정형상 또는 1차로 무정형상(amorphous phase)의 형태로 성형된 제품을, 2차로 연신(延伸)하는 방식이 대부분이며, 이 경우 제품의 사용 가능 온도는 약 60℃이하이다. 상대적으로 높은 내열도가 요구되는 고온 충진용 보틀(hot fillable bottle)의 경우에는, 프리폼의 병구 부분을 결정화시키고 블로우(blow)공정의 몰드(mold)의 온도를 높여 열 고정 (heat setting) 공정을 시행하기도 한다.

이 밖의 일반적인 사출품의 경우에, 최종 제품의 내열도가 요구되는 경우에는 사출성형 중 몰드의 온도를 올려, 몰드 내부에서 결정화시키는 경우도 이론적으로는 가능하지만, PET가 상대적으로 낮은 결정화 속도를 가지고 있어 실제 생산성이 떨어지는바, 이러한 방법은 사용되고 있지 않다. 또한 1차 성형으로서 압출 공정을 통하여 투명한 쉬트를 생산한 후, 2차로 열 성형(Thermoforming) 또는 진공성형을 시행하여 컵, 블리스터 패키지(blister package)등을 생산하는 경우, 2차로 열성형의 몰드를 냉각할 경우에는 내열도가 일반 PET와 비슷한 (열변형 온도 60℃ 부근의) 투명한 제품을 얻을 수 있고, 열성형 공정의 몰드의 온도를 120 내지 200℃로 높게 유지하여 성형할 경우에는 몰드 내에서 결정화가 일어나 최종 제품의 내 열도를 향상시킬 수 있다. 특히 이러한 내열용 PET 제품 또는 이를 위한 PET재료를, 업계에서 'C-PET'라고 부르며, 재료적인 측면에서 PET재료의 결정화 속도를 향상시키기 위해 결정화 핵제가 포함된 경우가 있다.

한편, PET 최종 제품의 내열도를 올리는 방법으로 열에 의한 결정화 방법이 폭넓게 사용되고 있는데, PET의 결정화 속도가 충분히 빠르지 않은 문제를 극복하기 위하여 여러 가지 공정과 설비가 개발되어 왔으나, 아직 대부분의 용도에서 PET는 내열도가 높지 못한 재료로서 인식되고 있다.

특히 고분자량의 PET재료는 고상중합(solid state polymerization)이라는 중합공정을 통하여 생산되며, 이때 PET 재료는 50% 이상의 비교적 높은 결정화도의 펠렛상태이며, 따라서 고상중합된 PET펠렛은 PET결정이 녹기 시작하는 약 220℃이상이 되기까지는 열적으로 안정한 상태이지만, 성형 가공을 위해 270~300℃의 온도에서 용융과정을 통해 펠렛내의 결정은 모두 녹아 무정형의 용융상태(amorphous melt state)가 되고 이를 전술한 바와 같이, 몰드 및 냉각롤(cooling roll) 등을 통해 냉각시킴으로써 결국 내열도가 확보되지 않은 무정형 상태의 투명한 PET제품을 얻을 수 밖에 없게 된다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 다양한 연구를 거듭한 결과, 고상중합을 통해 생산된 높은 결정화도를 갖는 PET 펠렛 및 분말을 예열 몰드를 이용한 압축 성형(compression molding)의 방법을 통하여, PET 재료가 본래 가지는 높은 결정화도를 완전히 녹여 없애지 않고, 내열도가 우수한 결정성 PET 제품을 성형할 수 있다는 점을 착안하였는 바, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 결정화도를 가진 PET펠렛 또는 분말을 이용한 압축 성형을 통하여 결정화도의 감손을 최소화한 고 내열도의 PET용기 또는 필름을 제조할 수 있는 성형 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 방법을 이용한 성형품을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고 내열도의 PET 용기 또는 필름의 성형방법은:

a) 결정화도가 적어도 20%이상인 PET 성형재를 제공하는 단계;

b) 상기 PET 성형재를 직경 0.5mm 이하의 분말 또는 팰럿 형태로 가공시키는 단계;

c) 상기 가공된 PET를 220 내지 260℃로 가열된 하부 몰드에 충진시키는 단계; 및

d) 상기 하부몰드와 대응되는 형상 또는 상기 하부몰드와 합쳐져 일정형상을 형성하는 상부몰드로 상기 하부몰드를 가압시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 상기 성형품은 상기 방법으로 제조되어, 적어도 180℃까지의 온도에서 내열도를 유지하는 특징을 갖는다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고 내열도를 가지는 PET수지의 제조방법 및 이에 따른 성형품을 제공하고자 함이며, 본 발명에 따른 성형품의 내열도는 압축 성형시의 열처리에 따른 결정화도의 유지 또는 감손의 최소화에 기초한다.

먼저, 본 발명에 따른 압축성형방법은 먼저, a) 결정화도가 적어도 20%이상인 PET 성형재를 제공하는 단계를 포함한다.

필름이나 섬유 용도는 액상중합으로 얻은 중합도로 충분할 수 있으나, 본 발명에 따른 내열도가 우수한 성형품을 얻기 위해서는 더욱 중합도를 증가시킬 필요가 있는바, 바람직하게는 고상중합이 사용된다. 이는 액상중합에서 얻은 무정형(amorphous)의 칩을 결정화공정(工程)으로 결정화시킨 후, 190~230℃ 정도의 불활성 기체 (질소 등) 분위기 중의 고상중합탑을 통과시켜 중축합 시키는 것을 포함하여 진행된다.

상기 고상중합의 결과 생성되는 PET수지의 결정화도는 상술한 바와 같이, 약 50%정도로서, 본 발명에 따른 압축성형공정의 수행을 위해서는 적어도 20%이상의 결정화도, 바람직하게는 40%이상의 결정화도를 가지는 것이 좋다. 결정화도가 20%미만인 성형재를 사용하면, 본 발명에 따른 압축성형에 의하더라도 충분한 결정화가 수행되지 않아 성형품의 내열도의 개선이 부족하게 된다.

상기 고상중합과 같은 중합단계를 거친 폴리에스테르의 압축 성형의 원료는 생 펠릿 형태로 되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 원료는 사용 전에 건조되는 것 이 바람직하며, 이는 열 성형 할 때에 일어날 수 있는 폴리에스테르의 가수 분해를 방지하기 위함이다.

다음으로, b) 상기 PET 성형재를 직경 0.5㎜ 이하의 분말 또는 팰럿 형태로 가공시킨다. 상기 a)단계에서 제공된 PET성형재를 약 0.5㎜이하의 분말로 분쇄하여 열전달 표면적 및 가공성을 확보하도록 하며, 바람직하게는 상기 분말 또는 팰럿의 크기를 0.2㎜이하로 가공하도록 한다. 0.5㎜를 초과하는 입자크기는 지나치게 높은 온도가 필요하고 입자들 사이에 공극(void)이 발생될 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

그리고, c) 상기 가공된 PET를 220 내지 260℃로 가열된 하부 몰드(20)에 충진시킨다. 성형품 일부의 모양으로 음각되어 있는 하부몰드(20)의 동공(cavity)(30)에 상기 분말 또는 팰럿형 PET성형재가 수용되며, 하부몰드(20)는 상기 성형재가 충진되기 전에 약 220 내지 260℃로 가열되어 있게 되는데, 예열 온도가 260℃를 초과하면, 상기 성형재가 무정형상으로 변환되어 본원발명이 추구하는 내열도를 충족할 수 없고, 예열온도가 220℃미만이면 성형재의 가공성이 불량해진다.

마지막으로, d)상기 하부몰드(20)와 대응되는 형상 또는 상기 하부몰드(20)와 합쳐져 일정형상을 형성하는 상부몰드(10)를 상기 하부몰드(20)에 대하여 4~20 Kg/cm²의 압력으로 10분 내지 30분 동안 가압시킨다.

상기 c)단계에서의 성형재가 예열된 하부몰드(20)에 충진되면, 상기 하부몰드(20)와 합쳐지거나, 하부몰드(20)에 대응되는 형상, 하부몰드(20)에 대향되는 형상 등으로 일정한 성형품의 형상을 구성하는 상부몰드(10)로 약 4 Kg/cm² 내지 20 Kg/cm²의 압력으로 5분 내지 30분 동안 가압함으로써 성형품을 형성하게 된다.

이때 4 Kg/cm²의 압력 미만이면, 제품의 소결 상태가 불충분한 문제가 생기며, 20 Kg/cm² 의 압력을 초과하면 제품의 내열성이 감소되어 바람직하지 않게 된다. 또한, 가압시간이 5분 미만이면 제품의 소결상태 및 완성도가 충분히 이루어지지 않으며, 30분을 초과하면 제품의 생산성 및 내열성이 훼손되어 성형품으로서 적합하지 않게 된다.

이렇게 얻어진 성형품은 적어도 180℃까지의 내열도를 구비하게 된다.

이하의 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범주가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

PET 스푼의 제조

SK케미칼에서 생산한 PET수지인 SKYPET BL8050(결정화도: 55~60%)을 동결분쇄기를 사용하여 0.2㎜ 이하의 분말 형태로 분쇄하였다. 이렇게 만들어진 PET 분말 100g을 230℃로 가열된 열압축기(hot press)의 몰드 아래판(22) 위의 놓여진 스푼 모양의 몰드 동공(30)에 채워 넣고, 이 분말 위에 다시 아래 층과 짝을 이루는 스푼 모양의 몰드 윗판(12)으로 덮고, 그 위에 부착되어 있는 열압축기 상부판(11)을 아래로 이동하여, 10Kg/㎠의 압력을 가하여 5분간 압축하였다. 열압축기의 상부판(11)을 열고, 스푼 모양의 몰드 윗판(12)을 열어, 만들고자 하였던 '내열도가 우수한 PET 스푼'을 제작할 수 있었다.

이렇게 제조된 PET 스푼의 일부를 샘플로 취하여 오븐 안 내벽에 스푼의 한 쪽 끝을 오븐 벽과 수직이 되도록 (동시에, 스푼은 오븐 바닥면과 수평을 유지하도록) 고정하고 일정한 온도에서 5 시간 동안 유지한 결과, 180℃까지 열적으로 안정하여, 수평으로 매달린 스푼에 아무런 변형이 없음을 확인할 수 있었다.

비교예

일반 PET 스푼의 제조

SK케미칼에서 생산한 PET수지인 SKYPET BL8050을 압출하여 두께 1mm의 투명한 시트를 만들고, 이 투명 PET 시트를 스푼 모양의 몰드에서 열성형하여 투명한 PET 스푼을 제작하였다.

이렇게 제조된 PET 스푼의 일부를 샘플로 취하여 재료의 열변형 온도를 실시예와 동일한 방법으로 측정한 결과, 70℃ 부근에서는 열에 의한 변형이 일어나 오븐의 내벽에 수평으로 고정된 스푼이 자체 하중으로 'ㄱ' 자로 휘어진 것을 확인하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 고결정성 PET수지내에 함유된 PET 결정을 별도의 승온 가공단계 없이 결정성이 유지되는 온도 범위 내에서의 압축 공정을 통하여 최소한 180℃까지의 온도에서 열적으로 안정하여, 열에 의한 변형이 생기지 않는 PET의 성형방법 및 이에 따른 PET성형품이 제공된다.

Claims (5)

1. a)결정화도가 적어도 20%이상인 PET 성형재를 제공하는 단계;

   b)상기 PET 성형재를 직경 0.5mm 이하의 분말 또는 팰럿 형태로 가공시키는 단계;

   c)상기 가공된 PET 성형재를 220 내지 260℃로 가열된 하부 몰드에 충진시키는 단계; 및

   d)상기 하부몰드와 대응되는 형상 또는 상기 하부몰드와 합쳐져 일정형상을 형성하는 상부몰드로 가압시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열도가 우수한 PET수지의 압축성형방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 a)단계에서 가공된 PET성형재의 결정화도가 40% 이상인 것을 특징으로 하는 내열도가 우수한 PET수지의 압축성형방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 b)단계에서의 가공 PET 분말 또는 팰럿 크기가 0.2mm인 것을 특징으로 하는 내열도가 우수한 PET수지의 압축성형방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 d)단계에서의 상부몰드는 상기 하부몰드에 대하여 4 Kg/cm² 내지 20 Kg/cm²의 압력으로 5분 내지 30분 동안 가압하는 것을 특징으로 하 는 내열도가 우수한 PET수지의 압축성형방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나에 따른 성형 방법을 이용하여 제조되어 적어도 180℃까지의 온도에서 열적으로 안정한 것을 특징으로 하는 PET 성형품.

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