KR20080062070A - 경량화 내열 ｐｅｔ 음료 용기의 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate,이하 PET라고 칭함)수지를 이축 연신 블로우 성형(biaxial stretch blow molding)하여 얻어지는 경량화, 박육화된 음료 용기의 성형방법에 관한 것이다.

더욱 자세하게는 PET 수지를 용융 사출하여 만들어진 프리폼(Preform, 이하 프리폼라고 칭함)을 2축연신 블로우 성형하여 1차성형품을 성형하는 1차 블로우 성형공정과, 이 1차 성형품을 가열 오븐에서 가열하여 강제적으로 수축시키는 2차공정과, 이 수축성형품을 원하는 디자인으로 최종 블로우성형하는 3차 블로우 성형공정으로 이루어지는 기존의 널리 알려진 블로우성형공정에 있어서, 1차성형품의 높이를 경량화 이전 금형 대비 각각 최소 10mm ~최대 40mm로 높게 설정하며 직경을 경량화 이전 금형 대비 각각 최소5mm ~ 최대20mm 높게 설정하는 것에 의해 길이방향 연신비(Machine direction ratio)는 최소 2.5이상 최대 2.8이하, 직경방향 연신비(transverse direction ratio)는 최소 3.5이상 최대 3.8이하 연신비율을 높여 박육화에 의한 물성 저하를 결정화도 향상으로 극복하게 되며 더불어 가열로에서 수축한 2차 성형품의 높이 및 직경을 3차 성형품의 높이 및 직경과 유사하게 조절할 수 있어 잔류 응력 발생을 최소화 할 수 있어 요구되는 내열 음료용기를 경량화, 박육화된 상태로 제공할 수가 있다.

폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 내열(Heat resistant), 보틀(Bottle), 용기(Container), 이축연신블로우(Biaxial stretch blow molding), 열고정(Heat-set), 프리폼(Preform), 감압 흡수 패널(Pressure reduction panel), 경량화(light weighting)

Description

경량화 내열 ＰＥＴ 음료 용기의 성형 방법{Molding method of light weighting and heat resistant PET container}

도 1은 더블 블로우 2축연신성형법에 의한 내열 PET 용기 성형시 각 단계별 중간 성형품의 형태 및 모습을 나타내는 개략도이다.

본 발명은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate,이하 PET라고 칭함) 음료용기의 성형방법에 관한 것으로서, 상세하게는 PET 수지를 이축 연신 블로우 성형(biaxial stretch blow molding)하여 얻어지는 경량화, 박육화된 음료 용기의 성형방법에 관한 것이다.

폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate,이하 PET라고 칭함)수지는 안정한 물성, 무공해성, 우수한 투명성 그리고 높은 기계적 강도 등에 의해 2축 연신 블로우 성형 용기로서 각 방면에서 다량으로 사용되고 있으며, 특히 음료용 용기로써 극히 유용한 것으로 되어 있다.

이와 같이 PET 용기는 우수한 다수의 특성을 효과적으로 발휘하지만, 열처리 를 실시하지 않은 PET 2축연신 블로우 성형 용기는 열에 약하고 70℃ 이상의 고온 하에서는 용이하게 변형한다.

이 때문에, 내열성이 높은 PET 음료 용기의 제조를 위하여 내열성을 주는 방법으로서, 더블 블로우(Double Blow)로 알려진 기술이 US6224817B1(SIDEL) 및 관련 특허에 소개되어 현재까지도 적용되어 오고 있다. 이 더블 블로우 성형기술은 예비성형품 프리폼을 유리전이온도 이상으로 가열시켜 최종 음료 용기 볼륨의 1.5배 이상으로 하여 1차중간성형품으로 2축연신 블로우성형하는 1차 블로우 성형공정과, 이 1차중간성형품을 150℃온도 이상의 오븐에서 열수축시켜 2차 중간성형품으로 성형하는 공정과 마지막으로 이 2차중간성형품을 최종 음료용기 형상으로 블로우성형하는 3차블로우성형공정으로 이루어지고 있으며, 1차중간성형품을 가열하여 열수축시킴으로써 잔류응력을 소멸시키고 결정화도를 높여 85℃이상에서 충전할 수 있는 내열성이 높은 용기를 얻을 수 있다.

그러나, 근래에 유가 상승 추세가 수지 원재료의 가격 상승으로 이어지면서 원가절감 및 생산성 확대라는 주제는 업계에 있어서 중요과제로서 취급되고 있고, 정부 및 시민단체의 재활용 인식이 증가하면서 당사와 같은 보틀 메이커의 입장에서도 재활용 정책에 대응하기 위해서 PET 보틀 수지 사용 총량을 줄이는 것이 중요한 과제로서 인식되고 있다. 그러나, 내용물 가열충전 필요성으로부터 80℃~95℃정도의 내열성이 요구되는 용기 필요성이 높기 때문에, 생산성 확보 및 수지절감 관점에서, 경량화 되면서도 내열성은 높은 PET 음료 용기에 대한 성형법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 요구에 대응하기 위해 창안된 것으로, 용기에 요구되는 내열성에 따른 더블 블로우성형법의 제시를 기술적 과제로 하여 이로써 요구되는 내열성의 제공하는 것에 있다.

본 발명은 경량화 되면서도 내열성이 높은 PET 음료 용기의 블로우 성형법의 제시를 목적으로 하는 것으로, 구체적으로는 더블 블로우성형과정중에 1차블로우 금형의 치수를 확대 개선시킴으로써 2차블로우성형품의 높이 및 직경을 최종블로우성형품의 치수와 유사하게 하여 최종 제품의 부형성 개선, 잔류 응력을 최소화하고 열수축 조건을 최적화함으로써 내열성을 확보하면서도 환경부담 저하 효과를 가져 올 수 있는 내열성 PET 음료용기의 성형방법을 제공함에 그 목적으로 한다.

본 발명에 의한 경량화 내열 PET 음료 용기의 성형 방법은, 예비성형품 프리폼을 1차 블로우 성형하는 공정, 상기 1차 블로우 성형 공정에서의 1차 성형품을 고온의 수축오븐에서 강제적으로 열수축시키는 2차 성형공정, 상기 2차 성형공정에서 열고정된 2차 성형품을 최종제품 형태로 2축연신 블로우 성형하는 3차 블로우 성형 공정을 거치는 더블 블로우 성형공정 방법을 사용하여 내열 PET 용기를 제조함에 있어서,상기 1차성형품의 높이를 경량화 이전 금형 대비 각각 최소 10mm ~최대 40mm 높게 설정하며, 직경을 경량화 이전 금형 대비 각각 최소5mm ~ 최대20mm 높게 확대하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 1차블로우 성형품의 연신비(Machine direction ratio)를 최소 2.5이상 최대 2.8이하, 직경방향 연신비(transverse direction ratio)는 최소 3.5이상 최대 3.8이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 고온의 수축 오븐에서 강제적으로 열수축 시킨 상기 2차 성형품에 있어서 온도를 160℃이상, 200℃이하의 온도로 하여 열고정 하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 대하여 자세히 설명한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 예비성형품 프리폼을 2축연신 블로우 성형하여 1차중간성형품으로 성형하는 1차 블로우 성형 공정과, 1차 중간성형품을 가열하여 2차 중간성형품으로 강제적으로 수축성형하는 공정과, 2차중간성형품을 블로우 성형하여 병체로 성형하는 3차 블로우 성형 공정으로 이루어지는 더블 블로우 성형법에 있어서 특히 기존 대비 경량화, 박육화된 내열용 PET 음료 용기에 대한 것으로써 1차블로우성형 금형의 높이와 직경을 기존 대비 연신비를 고려하여 적절한 수준으로 확대하여 연신비를 기존 대비 향상시키며 가열 오븐에서 수축률 보상하게 되어 최종에는 수축성형품의 치수를 최종 제품의 그것과 유사하게 할 수 있게 됨으로써 3차 블로우 성형시 잔류 응력을 감소시켜 내열성을 확보하고 부형성을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.

1차블로우성형 공정에서는, 예비성형품 프리폼을 적외선 히터(Heater, 이하 히터라 칭함)로 PET의 열결정화 직전의 온도인 120℃를 포함하는 연신 효과를 나타낼 수 있는 블로우성형 가능한 온도인 110~125℃로 가열한 다음, 1차 블로우 금형으로 이송하여 연신로드 및 고압으로 2축연신블로우 성형을 진행한다. 이 때 1차 블로우 금형에 있어서 높이를 기존 대비(경량화 대비) 최소 10mm ~최대 40mm로 하고, 직경을 기존 대비 최소5mm ~ 최대20mm 확대한 금형을 사용한다. 상기 최소치보다 작을 경우 경량화, 박육화된 내열 PET용기를 성형함에 있어서 수축오븐에서 나오는 용기의 치수가 최종 제품의 치수보다 작게 되기 때문에 최종 연신 블로우 성형시 잔류응력의 재발생으로 인하여 내열성이 감소하게 된다. 반대로 최대치이상으로 설정하는 경우 과연신으로 인하여 1차성형품에 냉백화 현상이 발생하여 최종 성형 용기가 불투명하여 외관이 손상되거나 또는 수축성형품의 치수가 최종제품의 그것보다 높게되어 몰드내부로 이송이 어렵거나 성형이 어렵게 된다. PET용기는 경량화,박육화됨에 따라서 내열성, 강도 및 취급안정감이 급격히 감소하게 된다. 따라서, 경량화에 따른 물성 감소를 보상하는 것이 필요한데 제조공정내에서 결정화도 및 잔류응력감소을 최대한 확보하는 것이 중요하다. 이에 본 발명에서는 기존 금형 대비 직경 및 높이를 확대하였으며 길이방향 연신비(Machine direction ratio)는 최소 2.5 이상 최대 2.8 이하이며 직경방향 연신비(transverse direction ratio)는 최소 3.5 이상 최대 3.8 이하로 되게 하였다. 상기 최소 연신비보다 낮을 경우 기존 대비 결정화도 상승효과가 없으며 최대 연신비보다 높을 경우 과다 연신에 의하여 용기 찢어짐 또는 백화(whitening)현상이 발생하여 제대로 성형 할 수 없게 된다. 상기 금형 치수에 대한 확대 폭을 설정하는데 있어서는 음료의 형태, 디자인, 블로우성형기의 특성에 따라 적절히 선택할 수 있다.

상기와 같이 성형된 1차 중간 성형품은 수초내에 열수축오븐내로 이송하여 고온수축하여 2차 중간성형품을 제조하였다. 이 때 수축공정에서 오븐내 온도는 160℃~230℃로 설정하는 것이 중요하며, 최종제품에서 89℃이상의 내열성을 확보하기 위해서는 160℃~200℃사이 온도에서 열 수축시키는 것이 필요하다. 160℃이하의 온도에서는 잔류 응력 수축과 결정화도 향상이 충분하게 일어나지 않게 되며 230℃이상의 고온에서는 생성된 결정이 재용융되어 결정화도가 감소하게 된다. 또한 열수축에 필요한 시간은 최소 1분 이상 최대 3분 이하로 설정하는 것이 필요하다. 기존의 경우 경량화 예비성형품 프리폼을 사용하면 1차 블로우 성형제품의 평균두께가 감소하게 되므로 열수축오븐안에서 160℃이상의 고온에서도 열수축이 크게 발생하게 된다. 따라서, 높이 및 직경방향으로의 수축률이 20%이상 과다 수축이 발생하게 되며 최종 제품 치수와도 그 만큼 차이가 더 발생하게 된다. 이러할 경우 3차 블로우 성형으로 최종 2축연신 성형할 경우 다시 발생하게 되는 잔류응력이 커지게 되어 내열성이 감소하게 되며 또한 바닥부 중량이 감소하게 되어 중량분포 균형이 무너지고 부형성이 불량하며 전체적으로 물성이 떨어지게 되는 원인을 제공하게 된다.

경량화, 박육화된 내열 PET 용기를 성형함에 있어 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 본 발명에서는 상기에 의한 과다 수축률을 보상하기 위하여 1차 블로우 금형의 높이 및 치수를 그 만큼 확대 적용한 블로우 금형을 사용하여 2축연신 블로우 성형하여 2차 수축성형품의 치수를 확인한 결과, 기존 대비 직경 및 높이에 있어서 동등한 수준의 치수를 확보할 수 있었으며 그에 따른 원할한 부형성 및 내열성을 확보 할 수 있었다. 이 때 1차 중간성형품 몰드에 있어서 높이는 기존 대비 최소 10mm에서 최대 40mm, 직경은 최소 5mm에서 최대 20mm까지 설정하는 것이 중요하며 상세 치수는 각 제품의 형상, 디자인, 성형기기의 특성에 따라서 결정하게 된다.

상기와 같이 성형된 2차 중간 성형품은 바로 최종 제품의 몰드가 설치되어 있는 2축연신블로우성형기로 이송된 다음 2축 연신 블로우 함으로써 최종 제품으로써 성형하게 된다. 이 때 2축연신 블로우성형되면서 PET 용기는 고온의 몰드벽과 접촉하게 된다. 2축연신된 PET 용기가 접촉하게 되면 열고정(Heat-set)처리가 가해지게 되며, PET 용기내의 분자사슬의 결정화도가 상승하고 최종 2축연신에 의한 긴장이 완화하게 된다.

금형온도는 최소 110℃에서 최대 160℃ 의 범위의 온도로 설정하였으며 이는 최종 제품이 원하는 디자인의 양호한 부형성을 갖추면서 동시에 89℃이상의 내열성을 확보하기 위함이다. 즉, 110℃미만에서는, 열고정에 의한 결정화도 상승 효과를 실현하기 어렵고 160℃이상의 온도에서는 결정화도 상승효과는 높으나 높은 온도 효과로 냉각 효과를 주기 어려워 최종 제품에 있어서 양호한 두께의 균일성, 볼록오목부, 각부 등의 형상의 재현성을 얻기 어려워진다.

이와 같이 본 발명의 방법에 의해 블로우성형된 PET용기는 35%이상, 바람직하게는 40%이상의 결정화도를 가지게 되고, 그와 동시에 잔류 수축 응력이 감소하여 89℃이상의 음료를 충진하더라도 열수축 및 냉각에 의한 감압변형이 없는 우수 한 내열성을 발현할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

[ 발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

이하 본 발명을, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 본 발명의 2축연신블로우 성형방법의 실시 형태인 프리폼, 1차 중간 성형품, 2차 중간성형품 및 최종제품을 나란히 나타낸 것이다.

본 발명에 의한 2축연신 블로우성형 방법은, 프리폼을 1차 중간성형품으로 2축연신 블로우성형하는 1차 블로우 성형공정과, 이 1차중간성형품을 160℃이상의 고온에서 열수축시켜 2차중간 성형품으로 수축 성형시키는 공정과, 2차 중간성형품을 최종제품형태로 블로우 성형하는 3차블로우 성형공정으로 이루어진다.

1차 블로우성형 공정은, 통상의 2축연신 블로우성형 조작과 동일하게 되며 다만, 연신배율이 기존 대비 높아지게 됨에 따라서 그에 따른 적절한 성형조건 설정은 중요하다. 1차중간성형품을 열수축시켜서 2차중간성형품으로 성형하는 공정은 2축연신 블로우 성형품내에 생기는 잔류응력을 해소하게 함과 동시에 결정화를 촉진시키기 위한 것으로, 2차 수축성형품의 크기가 최종제품의 직경 및 높이가 유사하면서 조금 작은 크기가 되도록, 프리폼으로부터 1차중간성형품에의 연신성형배율 및 1차중간성형품의 치수가 설정하여야 된다.

표 1에 나타내는 성형조건에 따라서 더블 블로우 성형을 실시하였으며, 실시예 1 내지 실시예 2의 PET제 병체를 얻었다. 비교예의 경우, 현재 양산하고 있는 블로우 금형을 사용하여 1.5L 내열 PET 음료 용기를 제조 실시한 결과이다.

1차블로우 금형 온도는 1차블로우성형시 금형 표면온도를, 2차수축오븐가열온도는 수축오븐에서 나온 직후의 2차 중간성형품의 온도를 그리고 3차블로우 금형 온도는 3차블로우 금형 표면온도를 각각 나타낸다.

최종 제품 및 2차수축성형품의 높이 및 직경은 모두 버니어 캘리퍼스로 측정하였으며 최종 제품 대비 2차 수축품 치수 차이는 하기와 같이 계산하였다.

최종 제품 대비 2차 수축품 치수 차이 = (최종 제품의 높이 - 2차 수축성형품의 높이) / 최종제품성형품의 높이

최종제품의 내열온도는 하기와 같은 측정방법으로 실시하였다.

내열 PET 용기를 물의 온도가 50℃로 유지되는 수조(water bath)에 6시간동안 완전히 침지시켜 내열 PET 용기의 수분율이 4000ppm이상 함유시킨 다음에 용기를 꺼낸다. 이후에 90℃부터 시작하여 1℃씩 온도를 내려가면서 용기에 물을 충진한 다음 뚜껑으로 밀봉하여 상온으로 냉각시킨 다음 충진된 PET용기의 외관 이상 및 변형의 유무를 체크하여 한계 온도를 내열온도로써 판정하였다.

최종제품의 부형성의 경우 내열 PET용기의 각 부분에 있어서 도면상 치수와 실제 측정 치수가 2mm이하로 차이가 나는 경우 ‘양호(Good)’로 판정하였으며 2mm 이상 차이가 나는 경우는 ‘불량(Not Good)’으로 판정하였다.

하기 실시예 및 비교예의 경우 모두 1.5 내열 PET 용기에 대하여 실시한 것이다.

< 실시예 >

기존과 동일한 수축온도를 부여하고 동시에 치수(직경 및 높이)를 확보하기 위하여 기존 1차블로우성형금형의 높이 및 직경을 확대하여 적용한 것을 실시예 1에 나타내었다. 기존과 유사한 2차 수축성형품의 치수(높이 및 직경)를 확보 할 수 있는 것을 알 수 있었으며 경량화, 박육화 되었으면서도 원하는 부형성 및 내열온도를 확보 할 수 있었다. 실시예 2에서는 실시예 1에서 1차블로우금형의 직경 및 높이를 더 확대하여 테스트 한 것으로 실시예 1보다 최종 제품과 유사한 높이 및 직경을 확보 할 수 있었고 이로써 실시예 1보다 높은 내열온도를 확보 할 수 있었다.

< 비교예 >

비교예 1은 경량화 이전의 61gr 프리폼 양산제품에 대한 것이다. 비교예 2에서는 경량화된 57gr 프리폼을 사용한 것으로 기존 몰드 치수를 그대로 사용하여 생산하여 테스트 한 것으로 수축율이 높아지고 이로 인해 2차 수축성형품의 높이 및 직경이 크게 작아지게 되었으며 원하는 내열성 및 부형성을 갖는 최종 제품을 제조 할 수 없었다.

표 1

	1차 블로우 금형온도 (℃)	프리폼 중량 (g)	1차 블로우 금형치수 (mm)	2차 수축오븐 가열온도 (℃)	최종제품 대비 2차 수축품 치수 차이(%)	3차 블로우 금형 온도 (℃)	최종제품 부형성	최종제품 내열온도 (℃)
비교예 1	70	61	높이:365 직경:98	190	3이하	130	양호	89
비교예 2	70	57	높이:365 직경:98	190	20 이상	140	불량	80
비교예 3	70	57	높이:365 직경:98	160	5 이하	140	양호	82
실시예 1	70	57	높이:375 직경:105	190	10 이하	140	양호	86
실시예 2	70	57	높이:385 직경:110	190	5 이하	140	양호	89

2차 수축성형품의 높이 및 직경이 최종제품의 그것과 대비하여 작기 때문에 수축오븐의 온도를 낮추어서 수축률을 작게 함으로써 높이 및 직경을 최종제품의 그것과 유사하게 조절하는 것을 비교예 3에 나타내었다. 2차 수축오븐의 온도조건을 낮추어서 블로우 성형하였을 경우 2차 수축성형품의 치수는 확보 할 수 있을지는 모르지만 이로 인하여 결정화도 및 잔류응력해소 측면에서는 좋지 않은 영향을 미쳐서 결과적으로 내열온도가 떨어지는 결과를 보여주고 있다.

더블 블로우성형법을 통하여 내열 PET 용기를 제조함에 있어서,1차 블로우금형의 직경 및 높이를, 가열오븐에서 가열하여 강제적으로 수축시킬 때의 수축률을 고려하여 확대함으로써 연신비를 높여 결정화도를 높이게 되고 동시에 2차 수축품의 치수가 최종 제품의 그것과 유사하게 된다. 이를 통해서 경량화, 박육화되면서 동시에 우수한 내열온도 및 금형 형상을 양호하게 재현한 용기를 제공할 수가 있다.

Claims (3)

1. 예비성형품 프리폼을 1차 블로우 성형하는 공정, 상기 1차 블로우 성형 공정에서의 1차 성형품을 고온의 수축오븐에서 강제적으로 열수축시키는 2차 성형공정, 상기 2차 성형공정에서 열고정된 2차 성형품을 최종제품 형태로 2축연신 블로우 성형하는 3차 블로우 성형 공정을 거치는 더블 블로우 성형공정 방법을 사용하여 내열 PET 용기를 제조함에 있어서,

   상기 1차성형품의 높이를 경량화 이전 금형 대비 각각 최소 10mm ~최대 40mm 높게 설정하며, 직경을 경량화 이전 금형 대비 각각 최소5mm ~ 최대20mm 높게 확대하는 것을 특징으로 하는 경량화 내열 PET 음료 용기의 성형 방법
2. 제1항에 있어서,

   상기 1차블로우 성형품의 연신비(Machine direction ratio)를 최소 2.5이상 최대 2.8이하, 직경방향 연신비(transverse direction ratio)는 최소 3.5이상 최대 3.8이하로 하는 것을 특징으로 하는 경량화 내열 PET 음료 용기의 성형 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 고온의 수축 오븐에서 강제적으로 열수축 시킨 상기 2차 성형품에 있어 서 온도를 160℃이상, 200℃이하의 온도로 하여 열고정 하는 것을 특징으로 하는 경량화 내열 PET 음료 용기의 성형 방법.

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