KR20120061141A - 발포 성형 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공질 부재를 이용한 발포 성형 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 용융 수지와 발포제를 균일하게 혼합하고, 성형하기 전에 혼합된 용융상태 혼합물에서 부분적으로 발포가 일어나는 것을 방지할 수 있는 발포 성형 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발포 성형장치는, 노즐과, 상기 노즐의 상류 측에 설치된 오픈 셀(open cell) 구조의 기공을 갖는 다공질 부재와, 상기 다공질 부재에 용융 수지를 공급하기 위한 용융 수지 공급유닛과, 상기 다공질 부재에 발포제를 공급하기 위한 발포제 공급유닛을 포함하고, 상기 용융 수지 공급유닛과 상기 발포제 공급유닛은 동시에 용융 수지와 발포제를 다공질 부재에 공급하여, 용융 수지와 발포제가 다공질 부재를 동시에 흘러서 통과하면서 혼합되도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 다공질 부재는 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 배출하기 위한 노즐의 내부에 설치하거나, 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 배출하기 위한 노즐의 상류 측 전방에 설치할 수 있다.

Description

발포 성형 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR EXPANSION MOLDING}
본 발명은 다공질 부재를 이용한 발포 성형 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 용융 수지와 발포제를 균일하게 혼합하고, 성형하기 전에 혼합된 용융상태 혼합물에서 부분적으로 발포가 일어나는 것을 방지할 수 있는 발포 성형 방법 및 장치에 관한 것이다.
발포 성형은 사출성형 또는 압출성형 공정 중에 기포를 생성시키고 이를 고분자 수지 내에 균일하게 분산시켜 제품을 제조하는 방법이다. 발포 성형물은 부피의 많은 부분을 기포가 차지하므로, 재료비를 대폭 절감할 수 있고, 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기포로 인한 단열성이나 탄성력을 얻을 수 있는 장점이 있다.
발포 성형에는 물리적 발포제나 화학적 발포제가 사용된다. 화학적 발포제로는 임계온도에서 분해되고, 질소, 이산화탄소, 또는 일산화탄소와 같은 기체를 방출하는 저분자량의 유기화합물이 사용된다. 물리적 발포제로는 이산화탄소, 질소와 같은 기체를 사용한다. 종래의 물리적 발포제를 사용하여 발포 사출하는 방법은, 용융된 폴리머 스트림에 물리적 발포제를 주입하고, 발포제를 폴리머에 분산시켜서 혼합물을 형성한 후에 목적하는 주형에 사출하고 응고시켜서 성형한다.
일반적으로 발포 사출성형은 수지와 발포제, 기타 첨가제를 미리 배합하여 사출하거나, 수지를 용융하는 배럴(BARREL)의 적당한 위치에 발포제를 주입하고 고압 하에서 고분자 수지 내에 균일하게 분산시킨 후 사출한다. 이렇게 사출되는 고분자 수지와 발포제의 혼합물은 금형 내의 성형 공간인 캐비티로 주입된 후 생성된 가스가 팽창하면서 발포가 이루어진다.
발포 사출성형 중에서 물리적 발포제를 사용하는 발포 기술은 이산화탄소나 질소 등 무해 가스를 사용할 수 있고, 기포를 성형물 전체에 고르게 분포시킬 수 있으며, 기포의 크기를 작게 할 수 있는 장점이 있다. 가스 발포제를 이용하는 발포 사출성형은 용융 고분자 수지에 가스 발포제를 공급하여 혼합하고, 배럴 내부의 스크류를 회전시켜 고분자 수지-가스 혼합물을 밀어내면서 압력차를 발생시켜서, 고분자수지-가스 혼합물의 내부에서 압력차에 의해 발포가 하는 것이다. 물리적 발포제를 이용하는 사출성형에 있어서 용융된 고분자 수지와 가스 발포제를 균일하게 혼합하는 것과, 동시에 성형 전에 부분적으로 발포가 일어나지 않도록 균일하게 혼합된 상태를 유지하는 것이 중요하다.
가스 발포제를 이용하는 발포 기술의 일예로 미국특허 US7,198,748호에 배럴 내에서 용융 수지와 가스 발포제를 혼합하는 사출성형 장치가 개시되어 있다. 상기 특허에 개시된 사출성형 장치는, 실린더 내에 설치되고 외주면에 투과성부(Permeable section)가 마련된 스크류, 발포제를 공급하기 위한 발포제공급장치(Blowing agent feed device), 스크류의 끝단에 연결된 절단부재(Shearing element) 및 혼합부재(Mixing element)를 포함한다. 이러한 사출성형 장치는 스크류 내부에 형성된 보어(Bore)를 통해 발포제를 스크류의 외주면에 설치된 투과성부로 공급한다. 투과성부로 공급된 발포제는 실린더 내부의 용융 수지로 주입되어 실린더 내부에서 용융 수지와 혼합된다. 용융 수지-발포제의 혼합물을 절단부재 및 혼합부재를 통과시키면서 혼합하여 금형에 주입한다. 투과성부는 다공질 재질로 되어 있고, 발포제를 용융 수지에 넓은 면적에서 균일하게 공급하는 노즐 기능을 한다.
그러나, 상술한 종래 사출성형 장치는 고점도의 유체인 용융 수지와 저점도의 가스 발포제를 혼합한 후 압력 및 온도 등의 조건을 만족시킨 상태로 일정한 시간 체류시켜서 용융상태 혼합물의 상태를 안정화시키는 과정이 필요하다. 그런데, 용융상태 혼합물을 외부로 배출하기 전에 일정 시간 동안 체류시키면 일정 압력을 유지하더라도 계면에서 발생하는 압력 차이에 의한 압력 손실이 유발되어 발포제의 일부가 조기 발포되는 것을 방지할 수 없어서, 부분적으로 발포된 상태의 용융 상태 혼합물 형성된다. 이를 압출 또는 사출하여 금형의 캐비티에 충전하면, 성형물의 외면이 발포되어 성형물의 표면이 거칠어지고, 성형물의 강도가 떨어지게 된다.
특히, 부분적으로 발포된 용융상태 혼합물을 사출하는 경우 사출과정에서 이미 발포된 가스의 일부가 외부로 누출되어 균일한 발포 배율을 갖는 성형품을 제조하기가 어렵다. 또한, 부분적으로 발포된 용융상태 혼합물을 캐비티에 충전하는데 필요한 압력이 부분적으로 발포되지 않은 용융상태 혼합물 충전할 때 필요한 압력보다 높아지게 되어, 높은 압력으로 용융 수지를 충전하게 되면 과량의 용융 수지가 충전되므로 발포 배율이 낮아 지게 된다. 또한, 부분적으로 발포된 용융 수지는 발포 상태가 불균일하기 때문에 연속적으로 안정적인 생산 공정을 유지하기 어렵다. 상기와 같은 이유로 종래의 발포 성형장치의 경우 불량률이 30% 내외로 알려져 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 발포 성형 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 용융 수지와 발포제의 용융상태 혼합물이 성형 전에 부분적으로 발포되는 것을 방지하여, 성형물의 표면이 미려하고, 불균일 발포에 의한 성형품의 강도 저하를 방지할 수 있는 발포 성형 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 용융 수지와 발포제를 성형 전에 순간적으로 균일하게 혼합하는 방법 및 장치를 제공하여, 용융 수지와 발포제를 혼합한 후 일정 시간 체류시켜 안정화시키는 공정을 생략하여, 고배율로 발포할 수 있는 발포 성형 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발포 성형장치는, 노즐과, 상기 노즐의 상류 측에 설치된 오픈 셀(open cell) 구조의 기공을 갖는 다공질 부재와, 상기 다공질 부재에 용융 수지를 공급하기 위한 용융 수지 공급유닛과, 상기 다공질 부재에 발포제를 공급하기 위한 발포제 공급유닛을 포함하고, 상기 용융 수지 공급유닛과 상기 발포제 공급유닛은 동시에 용융 수지와 발포제를 다공질 부재에 공급하여, 용융 수지와 발포제가 다공질 부재를 동시에 흘러서 통과하면서 혼합되도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 다공질 부재는 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 배출하기 위한 노즐의 내부에 설치하거나, 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 배출하기 위한 노즐의 상류 측 전방에 설치할 수 있다.
본 발명에 따른 발포 성형장치는, 유체 상태의 용융수지와 발포제가 동시에 다공질 부재의 오픈 셀을 통과하면서 혼합되도록 되어 있다. 용융수지와 발포제는 다공질 부재의 미세한 기공을 난류(TURBULANCE) 상태로 흘러서 통과하면서 넓은 면적에서 접촉하여 균일한 혼합물이 형성된다. 또한, 다공질 부재에서 혼합이 완료된 용융상태 혼합물은 노즐을 통하여 즉시 배출되도록 하여, 용융 수지와 발포제를 챔버 내에서 혼합한 후 일정시간 체류시켜 안정화시키는 공정에서 생기는 부분 발포에 의한 결함을 방지할 수 있다. 본 발명에 따른 발포 성형장치는 발포 사출성형품 제조 또는 발포 압출 성형품 제조에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 발포 성형장치는 용융수지와 발포제의 혼합을 간편하고 효율적으로 하기 위해, 상기 용융 수지 공급유닛은 용융 수지를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부면으로 공급하고, 상기 발포제 공급유닛은 발포제를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부의 외주면에 공급하도록 하는 것이 바람직하다. 발포제 공급유닛은 실린더 형상의 다공질 부재의 외주면 둘레를 따라서 일정한 간격으로 복수의 위치에서 발포제를 공급하도록 구성하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 발포 성형장치는, 보다 균일한 혼합을 위하여, 상기 용융 수지 공급유닛은 용융 수지를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부면으로 공급하고, 상기 발포제 공급유닛은 발포제를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부면에 공급하도록 할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라서 발포 성형 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 발포 성형 방법은, 용융 수지와 발포제를 혼합하고, 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 노즐을 통하여 배출하여 성형하는 발포 성형 방법에 있어서, 상기 용융 수지와 발포제의 혼합은, 용융 수지와 발포제를 오픈 셀(open cell) 구조의 기공을 갖는 다공질 부재로 동시에 통과시켜서 혼합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발포 성형 장치는 용융 수지와 발포제를 다공질 부재의 내부에 마련되는 오픈 셀 구조의 기공으로 고속으로 통과시켜 신속하게 혼합시킴과 동시에 성형장치로부터 외부로 배출시킬 수 있어, 종래에 비해 표면 상태가 좋고, 강도가 우수한 발포성형물을 제조할 수 있다.
또한, 종래 발포 성형장치와 달리 용융 수지와 발포제를 혼합한 후 일정 시간 체류시켜 안정화시키는 공정을 생략할 수 있어 생산성을 높일 수 있고 기존의 일반 성형장치인 압출성형기 또는 사출성형기를 간단한 개조를 통해 발포 성형장치로 사용할 수 있어 경제적이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 발포 성형 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 발포 성형 장치의 일부 구성을 나타낸 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 의한 발포 성형 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 발포 성형장치는 발포 압출장치 또는 발포 사출장치일 수 있다. 통상, 압출기와 사출기는 노즐의 형태와 노즐에 금형이 연결되어 있는지 여부에 의해 구분되어 지는 것이 일반적이며, 따라서 이하의 실시예에서는 편의를 위해 발포 사출장치에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 실시예에 의한 발포 성형 장치는 노즐(22)과, 노즐(22)의 상류 측에 설치된 다공질 부재(40)와, 다공질 부재(40)에 용융 수지를 공급하기 위한 용융 수지 공급유닛과, 상기 다공질 부재에 발포제를 공급하기 위한 발포제 공급유닛을 포함한다. 용융 수지 공급유닛은, 용융 수지(R)를 수용하는 배럴(20), 용융 수지(R)를 사출하기 위해 배럴(20) 내부에 설치되는 스크류(30)를 포함한다. 다공질 부재(40)는 배럴(20)의 노즐(22)에 설치되어 있다. 발포제 공급유닛(50)은 발포제 공급관(51)를 통하여 발포제(E)를 공급할 수 있도록 다공질 부재(40)에 연결되어 있다. 제어장치(60)는 밸브들(24, 52, 53)과 스크류 구동장치(35) 등을 제어한다.
배럴(20)은 용융 수지(R)를 수용하기 위한 용융실(21)을 구비하고, 일단에 용융실(21)의 용융 수지(R)를 금형(10)에 주입하기 위한 노즐(22)이 설치되어 있다. 배럴(20)에는 고체 수지를 공급하기 위한 호퍼(23)가 결합된다. 호퍼(23)를 통해 용융실(21)에 투입되는 고체 수지는 용융실(21)에서 용융되며, 용융 수지(R)는 스크류(30)에 의해 교반되면서 노즐(22) 쪽으로 압송된다. 도시되지는 않았으나, 배럴(20)에는 고체 수지를 용융시키기 위한 열을 제공하는 히터가 설치된다.
노즐(22)의 끝단은 금형(10)과 연결되며, 노즐(22)의 끝단에는 금형(10)과 배럴(20)를 연결하는 통로를 개폐하기 위한 개폐 밸브(24)가 설치될 수 있다. 개폐 밸브(24)는 제어장치(60)에 의해 제어되며, 용융 수지(R)와 발포제(E)의 혼합물을 금형(10)으로 공급하는 동작을 제어한다.
스크류(30)는 용융실(21)에 회전 가능하게 설치되며, 용융 수지(R)를 교반하면서 노즐(22) 쪽으로 압송하는 역할을 수행한다. 스크류(30)는 스크류 구동장치(35)로부터 구동력을 제공받아 회전한다. 스크류 구동장치(35)는 제어장치(60)에 의해 제어된다.
상기 다공질 부재(40)는 용융 수지(R)와 발포제(E)를 균일하게 혼합하기 위한 혼합기의 기능을 하는 것으로 노즐(22)에 일체형으로 설치되거나 그 전면부에 설치된다. 상기 다공질 부재(40)는 그 내부로 유체가 원활하게 유동할 수 있도록 유체의 유동 저항이 작은 오픈 셀(Open cell) 구조의 기공(Pore)을 갖는다. 상기 다공질 부재(40)에 형성된 공극의 형태나 크기는 특별히 제한되는 것은 아니나, 용융수지와 발포제가 통과하기에 충분한 공극 크기와 용융 수지와 발포제가 다공질 부재 통과시 균일하게 혼합되기에 충분한 길이의 유로를 확보할 수 있을 정도의 구조인 것이 바람직하다. 또한, 상기 다공질 부재(40)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니나, 성형장치 내부의 높은 압력과 온도를 고려하면 내열성, 내마모성 및 내구성이 우수하고 기계적 강도가 높은 소재인 세라믹 또는 금속재질이 바람직하다. 다공질 금속은 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, FeCrAl 합금 등을 이용하여 소결 성형(Sintering), 압축 성형, 가스 주입(Gas injection) 등의 방법으로 제조할 수 있다. 본 실시예에서 다공질 부재(40)가 노즐의 내부에 억지끼워 맞춤되어 설치되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 노즐의 전방에 설치되어 용융수지와 발포제를 혼합할 수 있는 위치면 어느 위치라도 무방하다.
본 발명에 있어서, 상기 발포제는 특별히 제한되는 것은 아니고 공지의 물리적 또는 화학적 발포제 모두 사용가능하나, 전술한 이유로 물리적 발포제, 예를 들면 질소, 이산화탄소, 초임계 유체, 물 등이 보다 바람직하다.
발포제 공급유닛(50)은 발포제(blowing agent, E)를 다공질 부재(40)에 공급하기 위한 것으로, 발포제(E)를 저장하고 발포제(E)를 고압으로 다공질 부재(40)로 공급한다. 상기 발포제 공급유닛(50)에서 연장된 발포제 공급관(51)은 용융 수지(R)가 진입하는 다공질 부재(40)의 입구(41), 중앙부 또는 주변부 쪽에 연결될 수 있다. 상기 발포제 공급관(51)이 다공질부재(40)의 상류 측 입구(41)쪽에 위치하는 경우에는 분산이 잘되는 구조인 샤워헤드(shower head) 형태의 말단을 통해 다공질 부재(40)에 발포제를 공급할 수 있고, 발포제(E)는 다공질 부재(40)의 입구(41) 쪽에서 용융 수지(R)와 혼합되기 시작하여 용융 수지(R)와 함께 다공질 부재(40)의 출구(42) 쪽으로 유동하면서 충분히 혼합된다. 발포제 공급관(51)에는 발포제(E)의 공급 동작을 제어하기 위한 발포제 주입제어 밸브(52)와 다공질 부재(40)로 공급된 발포제(E)가 역류하는 것을 방지하기 위한 체크 밸브(53)가 설치될 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 제어장치(60)는 개폐 밸브(24), 스크류 구동장치(35), 발포제 공급장치(50) 및 발포제 주입제어 밸브(52)를 제어함으로써, 혼합물의 공급, 용융 수지(R)의 압송, 발포제(E)의 공급 등 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
이하, 본 발명의 일실시예에 의한 발포성형 장치의 한 예인 발포 사출장치를 이용한 발포 사출성형 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 고체 수지를 호퍼(23)를 통해 용융실(21)에 투입하고 열을 가하면서 스크류(30)를 작동시켜, 고체 수지를 용융하고 용융 수지(R)를 교반하면서 노즐(22) 쪽으로 압송한다. 압송되는 용융 수지(R)가 다공질 부재(40) 내부의 오픈 셀 구조의 기공을 통과할 때, 발포제 주입제어 밸브(52)를 개방하고 발포제 공급장치(50)로부터 발포제(E)를 노즐(22)에 공급한다.
노즐(22)로 공급되는 발포제(E)는 다공질 부재(40) 내부의 오픈 셀 구조의 기공으로 유동하면서 용융 수지(R)와 혼합된다. 다공질 부재(40)로 압송되는 용융 수지(R)와 발포제(E)는 난류 형태로 다공질 부재(40) 내부의 오픈 셀 구조의 기공을 고속으로 통과하면서 균일하게 혼합된다.
이렇게 용융 수지(R)와 발포제(E)가 다공질 부재(40)를 통과하면서 혼합되면 개폐 밸브(24)를 개방하여 용융 수지(R)와 발포제(E)의 혼합물이 유동할 수 있는 통로를 확보한다. 다공질 부재(40)를 통과한 혼합물은 스크류(30)의 작동에 의한 압송력으로 금형(10) 쪽으로 전진하여 금형(10)의 주입구(14)를 통해 캐비티(11)로 사출된다. 캐비티(11) 내로 일정량의 혼합물이 주입되면 개폐 밸브(24)를 닫아 캐비티(11)로 주입된 혼합물이 누출되지 못하게 막는다. 캐비티(11) 내로 주입된 혼합물은 압력차이로 인해 발포되어 외면은 매끈한 솔리드 스킨(Solid skin) 상태이고 내부는 발포 배율이 높은(예컨대, 50% 이상) 발포 사출물이 만들어진다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 발포 사출성형 장치는 용융 수지(R)와 발포제(E)를 다공질 부재(40) 내부에 마련되는 오픈 셀 구조의 기공으로 고속으로 통과시켜 신속하게 혼합시킴과 동시에 금형(10)의 캐비티(11)에 주입함으로써, 균일한 품질의 발포 사출물을 낮은 불량률로 제조할 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10 : 금형 11 : 캐비티
12, 13 : 금형판 14 : 주입구
20 : 배럴 21 : 용융실
22 : 노즐 23 : 호퍼
30 : 스크류 35 : 스크류 구동장치
40 : 다공질 부재 41 : 입구
42 : 출구 50 : 발포제 공급유닛
51 : 발포제 공급관 52 : 발포제 주입제어 밸브
53 : 체크 밸브 60 : 제어장치

Claims (6)

  1. 노즐과,
    상기 노즐의 상류 측에 설치된 오픈 셀(open cell) 구조의 기공을 갖는 다공질 부재와,
    상기 다공질 부재에 용융 수지를 공급하기 위한 용융 수지 공급유닛과,
    상기 다공질 부재에 발포제를 공급하기 위한 발포제 공급유닛을 포함하고,
    상기 용융 수지 공급유닛과 상기 발포제 공급유닛은 동시에 용융 수지와 발포제를 다공질 부재에 공급하여, 용융 수지와 발포제가 다공질 부재를 동시에 흘러서 통과하면서 혼합되도록 하는 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용융 수지 공급유닛은, 용융 수지를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부면으로 공급하고,
    상기 발포제 공급유닛은, 발포제를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부의 외주면에 공급하도록 된 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용융 수지 공급유닛은, 용융 수지를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부면으로 공급하고,
    상기 발포제 공급유닛은, 발포제를 상기 다공질 부재의 유동의 상류 측 단부면에 공급하도록 된 것을 특징으로 하는 발포 성형장치.
  4. 용융 수지와 발포제를 혼합하고, 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 노즐을 통하여 배출하여 성형하는 발포 성형 방법에 있어서,
    상기 용융 수지와 발포제의 혼합은, 용융 수지와 발포제를 오픈 셀(open cell) 구조의 기공을 갖는 다공질 부재로 동시에 통과시켜서 흐르도록 하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 발포 성형 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다공질 부재는, 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 배출하기 위한 노즐의 내부에 설치된 것을 특징으로 하는 발포 성형 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 다공질 부재는, 발포제가 혼합된 용융상태 수지를 배출하기 위한 노즐의 상류 측 전방에 설치된 것을 특징으로 하는 발포 성형 방법.
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