KR20150078000A - 에어나이프를 구비하는 압출 발포 장치 및 이를 이용한 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에어나이프를 구비하는 압출 발포 장치 및 이를 이용한 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 종래 발포가 어려운 열가소성 고분자 수지를 포함하는 용융 혼합물에 가스를 분사시켜 냉각시킴에 따라 미세기공을 유도할 수 있으므로 미세기공 발포체의 대량생산에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 에어나이프를 구비하는 압출 발포 장치 및 이를 이용한 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 상용화된 포화 폴리에스테르의 대표적인 물질로서, 고결정성 고분자로 높은 연화점과 강도, 내약품성, 내열성, 내후성 및 전기 절연성이 우수하며 인쇄성, 가공성, 투명성 또한 뛰어날 뿐만 아니라 수지의 가격이 상대적으로 저렴하다는 장점을 가지고 있어 현재 합성섬유, 필름, 병(bottle), 타이어 코드, 테이프류 및 포장재 등으로 널리 이용되고 있다.
특히 PET 발포체는 건축용 및 포장용 자재로 널리 이용되고 있는 PS, PE 발포체에 비해 내열성이 우수할 뿐만 아니라 물리적 특성도 뛰어나 식품용기, 포장용기 및 건축용 단열재 등으로 사용이 가능하며, PS, PVC 사용에서 문제가 되는 환경호르몬 유발이 없기 때문에 환경개선 효과가 매우 크다.
그러나 PET 발포체를 제조하는 데에 있어 PET의 가수분해 반응은 온도 변화에 따른 점도변화를 급격하게 하여 발포가공을 매우 어렵게 하고, 발포체를 제조하기 위해서는 적정 발포 환경 하에서 발포체 기포(cell)이 성장, 안정화할 수 있도록 고분자 물질이 적정한 용융 점도를 유지해야 하지만 PET는 고결정성 고분자로 용융온도 부근에서 용융점도의 변화가 심한 공의 성질로 인해 발포가공이 곤란하다고 알려져 왔다.
상기 문제점을 해결하기 위해 종래 이탈리아의 UOP사의 경우 PET 중합 반응에서 다관능기를 가지는 모노머를 투입하고 있지만 이 경우 제조 원가가 비싸고, 충분한 용융 강도를 가지지 못하여 고배율의 발포제품을 얻지 못하고 있는 실정이다.
일본등록특허 제2,713,556호에서는 열가소성 폴리에스테르 수지 시트와 separator를 겹쳐 감아 롤을 형성한 후, 롤을 가압 불활성 가스 분위기중 으로 유지해 열가소성 폴리에스테르 수지 시트에 불활성 가스를 함유 시키는 공정과 불활성 가스를 함유 시킨 열가소성 폴리에스테르 수지 시트를 상압 하에서 그 수지의 연화 온도 이상으로 가열해 발포시키는 공정을 개시하고 있으나, 제조 공정이 복잡하고, 가스를 함침 시키는 공정이 24시간 이상으로 공정시간이 긴 문제점이 있으며, 가압용기 및 발포로 설비가 고가인 단점이 있다. 또한, 대한민국공개특허 제2008-0038468호에서는 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하여, 압출 다이의 압력 강하 구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하고, 상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물을 압출 다이의 냉각구간으로 통과시켜 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 다이 제작이 어렵고, 고온의 압력 강하 구간과 냉각 구간이 붙어 있어 제대로 된 온도 제어가 힘든 문제점이 있으며, 냉각구간에서 고화되어 다이 막힘 현상이 발생할 수 있다. 이외에도 또 다른 PET 발포체를 제조하는 기술로는 고유점도가 0.95 dl/g 이상의 고분자 PET를 사용하여 내부 핵제와 N2 기체 발포제를 사용하여 중밀도의 발포체를 제조하는 기술이 있고, PET에 중합체를 녹여 혼합하고 물리, 화학적 발포제를 사용하여 발포체를 제조하는 기술이 있으며, PET에 분지화제(branching agent)를 사용하여 PET를 강화시킨 후 발포체를 제조하는 기술이 알려져 있으나, 여전히 PET의 낮은 점도로 인해 발포가 어려워 쉽게 발포될 수 있고, 편리한 발포 시스템에 의한 PET 발포체 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래 발포가 어려운 열가소성 고분자 수지에 미세기공을 유도할 수 있는 장치 및 이를 이용한 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, (1) 발포핵제가 첨가된 열가소성 고분자 수지와 초임계 유체의 용융 혼합물을 압출 다이의 다이립으로 토출시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계와 동시에 상기 압출 다이의 다이립 말단에 구비된 에어나이프를 통해 가스를 분사시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 열가소성 고분자 수지와 초임계유체의 용융 혼합물을 발포 압출하는 (A) 압출기, 상기 압출 발포체를 소정의 속도로 인취하는 (B) 인취기, 및 상기 압출 발포체를 소정의 길이로 절단하는 (C) 절단기를 포함하는 압출 발포 장치에 있어서,
상기 (A) 압출기는 압출 다이의 다이립 하단에 가스를 분출하는 분출구를 갖는 제1 에어 공급 장치 및 제2 에어 공급 장치로 구성되는 에어나이프를 포함하고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구는 압출 다이의 다이립 하단에 간격을 두고, 서로 마주보도록 배치되며;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이 간격은 1 cm 이하이고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이로 가스가 분사되어 가스 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 압출 발포 장치를 제공한다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 종래 발포가 어려운 열가소성 고분자 수지를 포함하는 용융 혼합물에 가스를 분사시켜 냉각시킴에 따라 미세기공을 유도할 수 있으므로 미세기공 발포체의 대량생산에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 발포수지의 제조 장치로서, 에어나이프가 구비된 발포수지의 제조 장치를 이용한 발포체 제조 방식을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 에어나이프가 구비된 발포수지의 제조 장치를 이용하여 제조된 발포 시트의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 에어나이프가 구비되지 않는 발포수지의 제조 장치를 이용하여 제조된 발포 시트의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 발포수지의 제조 장치로서, 에어나이프가 구비된 다른 발포체 제조 방식을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 발포수지의 제조 장치로서, 에어나이프가 구비된 또 다른 발포체 제조 방식을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 에어나이프가 구비된 발포수지의 제조 장치를 이용하여 제조된 발포 시트의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 에어나이프가 구비되지 않는 발포수지의 제조 장치를 이용하여 제조된 발포 시트의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 발포수지의 제조 장치로서, 에어나이프가 구비된 다른 발포체 제조 방식을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 발포수지의 제조 장치로서, 에어나이프가 구비된 또 다른 발포체 제조 방식을 나타내는 모식도이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (1) 발포핵제가 첨가된 열가소성 고분자 수지와 초임계 유체의 용융 혼합물을 압출 다이의 다이립으로 토출시키는 단계; (2) 상기 (1) 단계와 동시에 상기 압출 다이의 다이립 말단에 구비된 에어나이프를 통해 가스를 분사시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법이 개시된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 종래 발포가 어려운 열가소성 고분자 수지를 포함하는 용융 혼합물에 가스를 분사시켜 냉각시킴에 따라 미세기공을 유도할 수 있으므로 미세기공 발포체의 대량생산에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 압출 다이의 온도는 200 - 300 ℃이고, 상기 용융 혼합물의 압출 다이 통과 속도는 0.5 - 30 m/min이며, 토출 압력은 20 - 200 bar인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 토출 압력은 다이 내부와 외부와의 압력 변화에 의해 기공이 성장하게 되는데 기공 성장을 제어하기 때문에 토출 압력이 중요하게 작용하는데, 상기 압출 다이의 토출 압력이 20 bar 미만인 경우에는 발포율이 낮아져 발포체의 성장효율이 떨어지는 문제점이 있을 수 있고, 200 bar 초과인 경우에는 발포체가 다이내부에서 외부로 토출되면서 과도하게 팽창하여 시트 두께 및 형상이 불균일해 질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 (2) 단계의 에어나이프는 가스를 분출하는 분출구를 갖는 제1 에어 공급 장치 및 제2 에어 공급 장치로 구성되고; 상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구는 압출 다이의 다이립 하단에 간격을 두고, 서로 마주보도록 배치되며; 상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이 간격은 1 cm 이하이고; 상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이로 가스가 분사되어 가스 통로가 형성되며; 상기 가스가 분사되는 분출구 사이로 압출 다이의 다이립을 통해 토출된 용융 혼합물이 지나가면서 발포체가 형성되는데, 이때 상기 에어나이프의 가스 분사 압력은 3-20 kgf/cm2인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 에어나이프는 도 4 또는 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 에어 공급 장치만으로 구성될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 에어나이프의 가스 분사 압력 조건은 발포체 제조 시, 발포체의 급속한 팽창을 억제하고 기공 사이즈를 미세하게 조절하기 위해서 매우 중요한 조건이고, 상기 가스 분사 압력이 3 kgf/cm2 미만인 경우에는 기공 사이즈가 커지는 문제점이 있을 수 있고, 20 kgf/cm2 초과인 경우에는 분사되는 가스의 과도한 고압으로 인해 시트 형상이 파괴되는 문제점이 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 열가소성 고분자 수지는 발포체의 형성이 가능한 열가소성 수지면 모두 가능하고, 바람직하게 상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 아크릴수지(acrylic polymer), 폴리아미드(PAm), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 불소수지(fluoropolymer) 중에서 선택되는 1종 이상이거나, 이들 2종 이상의 블랜드 또는 공중합체 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열가소성 고분자 수지에 첨가되는 발포핵체로는 무기미분말을 사용할 수 있는데, 탈크, CaCO3, SiO2, MgO, ZnO 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 발포핵제는 입자크기가 50 ㎛ 이하인 무기미분말을 사용하면 더 나은 외관을 가진 발포체를 제공할 수 있고, 첨가량은 0.01-40 중량%이고, 바람직하게는 0.1-5 중량%이다.
나아가, 상기 불활성 기체는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 네온 중에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 불활성 기체는 0.001-1 중량%로 될 수 있고, 바람직하게는 0.01-0.5중량%로 첨가될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 불활성 기체는 용융 혼합물에 첨가되어 발포제 역할을 하는 것으로서, 0.001 중량% 미만으로 첨가되는 경우에는 충분한 발포율을 얻을 수 없는 문제점이 있을 수 있고, 1 중량% 초과하여 첨가되는 경우에는 발포체 표면에 수포와 같은 결함성 외관의 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 열가소성 고분자 수지와 초임계유체의 용융 혼합물을 발포 압출하는 (A) 압출기, 상기 압출 발포체를 소정의 속도로 인취하는 (B) 인취기, 및 상기 압출 발포체를 소정의 길이로 절단하는 (C) 절단기를 포함하는 압출 발포 장치에 있어서,
상기 (A) 압출기는 압출 다이의 다이립 하단에 가스를 분출하는 분출구를 갖는 제1 에어 공급 장치 및 제2 에어 공급 장치로 구성되는 에어나이프를 포함하고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구는 압출 다이의 다이립 하단에 간격을 두고, 서로 마주보도록 배치되며;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이 간격은 1 cm 이하이고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이로 가스가 분사되어 가스 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 압출 발포 장치가 개시된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 압출 발포 장치는 종래 고온 구간과 냉각 구간이 일체화된 다이를 통해 기공을 미세화 시키는 장치보다 제작이 쉽고, 온도 구간 제어가 쉬우며, 다이 막힘 현상을 줄일 수 있고, 본 발명의 압출 발포 장치를 사용하여 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체를 제조하는 경우에는 발포체의 제조비용을 절감할 수 있으며, 특히 압출 다이의 하단에 위치한 에어나이프를 밀집시킴에 따라 미세기공을 구현할 수 있다.
한편, 상기 압출 다이의 하단에 위치한 에어나이프의 설치 위치는 발포체의 기공사이즈를 조절하기 위해 가스 분산 조절을 위해서 매우 중요한데, 상기 압출 다이의 다이립과 에어나이프가 1 cm 초과의 간격으로 설치되는 경우에는 가스 분산에 의한 냉각이 잘 이루어지지 않아 미세기공을 구현할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 방법으로 제조된 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체로서,
상기 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 기공 크기는 0.5-300 ㎛인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체가 개시된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 방법으로 제조된 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체로서,
상기 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 인장강도는 20-50 N/mm2인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체가 개시된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 빛은 미세기공과 계면을 거쳐 확산반사를 극대화시키는데, 본 발명의 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체는 다수의 미세기공을 가지고 있으므로 LCD 백라이트용 반사시트 또는 LED 조명용 반사시트로 유용하게 사용될 수 있고, 이 외에도 절연재, 건축재, 단열재, 방음재, 포장재 등으로 유용하게 이용될 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
제조예
1
PET 100 중량부에 탈크 3 중량부와 증점제 1 중량부를 혼합한 수지를 250 ℃ 및 80 bar 용융조건하에서, 0.2 중량% 질소 기체를 첨가한 후, 혼합하여 용융 혼합물을 얻었다.
실시예
1
상기 제조예 1에서 얻은 용융 혼합물을 도 1의 모식도와 같이 에어나이프가 구비된 압출기를 이용하여 압출 다이 토출 이전 압력을 70-80 bar로 유지하면서 에어나이프를 이용하여 5 kgf/cm2의 압력으로 에어를 불면서 발포시트를 제조하였다.
비교예
1
상기 실시예 1에서 상기 제조예 1에서 얻은 용융 혼합물을 에어나이프가 구비되지 않은 압출기를 이용하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수행하여 발포시트를 제조하였다.
도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 발포 시트의 단면을 확인한 결과, 에어나이프의 장착 유무에 따라 기공형성에 차이가 있는 것으로 확인된다. 이는 에어나이프를 통해 공급되는 에어에 의해 발포 수지의 급속한 팽창을 억제할 수 있고, 기공 사이즈를 미세하게 제어할 수 있기 때문이다.
따라서 종래 발포가 어려운 열가소성 고분자 수지를 포함하는 용융 혼합물에 가스를 분사시켜 냉각시킴에 따라 미세기공을 유도할 수 있으므로 미세기공 발포체의 대량생산에 유용하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 빛은 미세기공과 계면을 거쳐 확산반사를 극대화 시키는데, 본 발명의 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체는 다수의 미세기공을 가지고 있으므로 LCD 백라이트용 반사시트 또는 LED 조명용 반사시트로 유용하게 사용될 수 있고, 이 외에도 절연재, 건축재, 단열재, 방음재, 포장재 등으로 유용하게 이용될 수 있다.
Claims (10)
- (1) 발포핵제가 첨가된 열가소성 고분자 수지와 초임계 유체의 용융 혼합물을 압출 다이의 다이립으로 토출시키는 단계;
(2) 상기 (1) 단계와 동시에 상기 압출 다이의 다이립 말단에 구비된 에어나이프를 통해 가스를 분사시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (2) 단계의 에어나이프는 가스를 분출하는 분출구를 갖는 제1 에어 공급 장치 및 제2 에어 공급 장치로 구성되고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구는 압출 다이의 다이립 하단에 간격을 두고, 서로 마주보도록 배치되며;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이 간격은 1 cm 이하이고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이로 가스가 분사되어 가스 통로가 형성되며;
상기 가스가 분사되는 분출구 사이로 압출 다이의 다이립을 통해 토출된 용융 혼합물이 지나가는 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 압출 다이의 토출 압력은 20-200 bar인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 에어나이프의 가스 분사 압력은 3-20 kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 아크릴수지, 폴리아미드, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 불소수지 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 발포핵제는 탈크, CaCO3, SiO2, MgO, ZnO 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 초임계 유체는 질소, 이산화탄소, 아르곤, 네온, 헬륨 중에서 선택되는 1종 이상이고,
상기 불활성 기체는 0.001-1 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 제조방법.
- 열가소성 고분자 수지와 초임계유체의 용융 혼합물을 발포 압출하는 (A) 압출기, 상기 압출 발포체를 소정의 속도로 인취하는 (B) 인취기, 및 상기 압출 발포체를 소정의 길이로 절단하는 (C) 절단기를 포함하는 압출 발포 장치에 있어서,
상기 (A) 압출기는 압출 다이의 다이립 하단에 가스를 분출하는 분출구를 갖는 제1 에어 공급 장치 및 제2 에어 공급 장치로 구성되는 에어나이프를 포함하고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구는 압출 다이의 다이립 하단에 간격을 두고, 서로 마주보도록 배치되며;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이 간격은 1 cm 이하이고;
상기 제1 에어 공급 장치의 분출구와 제2 에어 공급 장치의 분출구 사이로 가스가 분사되어 가스 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 압출 발포 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체로서,
상기 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 기공 크기는 0.5-300 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체로서,
상기 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체의 인장강도는 20-50 N/mm2인 것을 특징으로 하는 미세기공 열가소성 고분자 수지 발포체.
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