KR20170002043A

KR20170002043A - 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20170002043A
Application number: KR1020150091919A
Authority: KR
Inventors: 한정구
Original assignee: 주식회사 에이유; 한정구
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-01-06
Also published as: KR101699727B1

Abstract

본 발명은 바이오 플라스틱 생산 시스템에 관한 것으로, 식물체 원료인 바이오 매스와 합성수지 원료인 베이스 수지를 혼합하여 베이스재를 형성하는 혼합 장치와, 상기 혼합 장치로부터 상기 베이스재를 공급받아 2중으로 용융 및 압출하는 복합 압출기 유닛과, 상기 복합 압출기 유닛으로부터 배출된 대상물을 이송 및 공기 중에 노출시켜 냉각시키는 공냉식 컨베이어와, 상기 공냉식 컨베이어에 의해 이송된 상기 대상물을 커팅하는 커팅기와, 상기 혼합 장치, 복합 압출기 유닛, 공냉식 컨베이어 및 커팅기에 전원을 공급하는 전원제어모듈과, 상기 혼합 장치, 복합 압출기 유닛, 공냉식 컨베이어 및 커팅기를 제어하는 제어장치를 포함하며, 상기 복합 압출기 유닛은, 싱글 압출기 및 트윈 압출기가 상호 연결되며, 상기 싱글 압출기로부터 배출된 상기 베이스재가 상기 트윈 압출기로 투입되는 것이 특징이다. 본 발명에 따르면, 트윈 압출기 및 싱글 압출기를 하나의 모듈로 구성함으로써 바이오 플라스틱 소재의 베이스재가 이송 중 공기 중에 노출되는 것을 방지할 수 있어 과도한 냉각에 따른 제품 성형의 어려움을 해결할 수 있다.

Description

바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법{System and method manufacturing for bio plastic}

본 발명은 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합 압출기 유닛을 이용해 고품질의 바이오 플라스틱을 생산할 수 있는 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법에 관한 것이다.

플라스틱은 일상에서 매우 다양하게 사용되는 소재로 사용량이 매년 기하급수적으로 증가하고 있으나, 사용 양에 비해 재활용이 제대로 이루어지지 못하고 자연에서 분해되지 않아 공해의 원인이 되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법의 일환으로 대체 플라스틱 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 바이오 플라스틱 소재에 대한 관심이 커지고 있다.

바이오 플라스틱은 석유계 고분자 물질 및 천연 식물체를 베이스로 하여 생산되는 플라스틱으로, 토양 중의 세균에 의해 분해되므로 공해 문제에 대한 해결책으로 각광을 받고 있는 소재이다.

이렇게 플라스틱 관련 산업이 발전하면서 플라스틱의 압출 성형을 위해 압출기(extruder)가 등장하였다.

압출기란 원료를 가열 및 유동시켜 연속적으로 압출하는 기계로, 플라스틱의 압출 성형용으로 개발되어 식품 용기, 산업용 건축자재, 생활용품 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

일반적으로 압출기는 본체 입구에 설치되는 원료공급기, 본체 내에서 원료를 운반하는 스크류(screw), 스크류를 둘러싸는 실린더인 바렐(barrel), 본체 출구의 다이(die)로 구성된다. 또한, 압출기는 스크류의 개수에 따라 구분할 수 있으며, 한국특허공개 2004-0017222호에 개시된 바와 같은 1축(single) 압출기, 한국특허공개 2006-0044878호에 개시된 바와 같은 2축(twin) 압출기로 구분할 수 있다.

1축 압출기는 원료 형상 및 조성에 제약이 있으나 구조가 간단하고 저렴한 장점이 있다. 2축 압출기는 1축 압출기보다 처리할 수 있는 재료 농축율의 범위가 넓고 여러 제어 조건에 따라 예민하게 반응을 제어할 수 있으며 소비전력이 적은 장점이 있다. 그러나 1축 압출기보다 비싸고 내구성이 다소 떨어지는 단점이 있다.

전술한 종래의 1축 또는 2축 압출기는 플라스틱 제품의 생산 공정에서 수냉식 냉각 방식을 사용하여 플라스틱 제품을 생산하고 있다. 그러나 바이오 플라스틱 소재는 수냉식 냉각 공정 시 식물체 분말이 수분을 흡수하고 기포가 발생하여 베이스재 또는 완제품에 기포 자국이 남아 품질이 저하되는 문제가 있다.

한국특허공개 2004-0017222호 (공개일 2004. 02. 26) 한국특허공개 2006-0044878호 (공개일 2006. 05. 16)

본 발명의 목적은 복합 압출기 유닛을 이용해 고품질의 바이오 플라스틱소재를 생산할 수 있는 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 바이오 플라스틱 생산 시스템은, 식물체 원료인 바이오 매스와 합성수지 원료인 베이스 수지를 혼합하여 베이스재를 형성하는 혼합 장치와, 상기 혼합 장치로부터 상기 베이스재를 공급받아 2중으로 용융 및 압출하는 복합 압출기 유닛과, 상기 복합 압출기 유닛으로부터 배출된 대상물을 이송 및 공기 중에 노출시켜 냉각시키는 공냉식 컨베이어와, 상기 공냉식 컨베이어에 의해 이송된 상기 대상물을 커팅하는 커팅기와, 상기 혼합 장치, 복합 압출기 유닛, 공냉식 컨베이어 및 커팅기에 전원을 공급하는 전원제어모듈과, 상기 혼합 장치, 복합 압출기 유닛, 공냉식 컨베이어 및 커팅기를 제어하는 제어장치를 포함하며, 상기 복합 압출기 유닛은, 싱글 압출기 및 트윈 압출기가 상호 연결되며, 상기 싱글 압출기로부터 배출된 상기 베이스재가 상기 트윈 압출기로 투입되는 것이 특징이다.

상기 복합 압출기 유닛은 상기 싱글 압출기의 토출단과 상기 트윈 압출기의 유입단을 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.

상기 연결부는 상기 싱글 압출기의 토출단인 실린더의 단부에 결합되는 어댑터와, 일단이 상기 어댑터에 결합되고 타단이 상기 트윈 압출기의 유입단인 배럴의 일측에 결합되는 연결관을 포함할 수 있다.

상기 연결관은 직선의 관 형태인 복수의 직선관과, 곡선의 관 형태인 곡선관을 포함하며, 상기 곡선관의 양단부 중 적어도 하나는 횡단면이 사선 형태를 갖고 상기 직선관에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

상기 복합 압출기 유닛은 상기 연결관이 위치한 상기 배럴의 타측에 설치되어 상기 싱글 압출기 및 트윈 압출기의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함할 수있다.

상기 제어장치는 상기 압력센서의 측정값을 입력받고, 상기 싱글 압출기의 압력과 상기 트윈 압출기의 압력 차이가 설정값을 초과하면 상기 싱글 압출기의 구동부를 정지시키는 것이 바람직하다.

상기 혼합 장치에 투입되는 상기 바이오 매스는 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 일부인 것을 특징으로 한다.

상기 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 나머지는 상기 트윈 압출기로 투입되는 것을 특징으로 한다.

상기 트윈 압출기로의 상기 바이오 매스의 투입을 위한 사이드 피더를 더 포함할 수 있다.

상기 싱글 압출기 및 트윈 압출기는 상기 베이스재의 용융 시 발생되는 가스를 제거하는 가스제거장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 바이오 플라스틱 생산 방법은, 혼합 장치에서 식물체 원료인 바이오 매스와 합성수지 원료인 베이스 수지를 혼합하여 베이스재를 형성하는 원료 혼합 단계(S100)와, 복합 압출기 유닛의 싱글 압출기에서 상기 베이스재가 용융 및 1차 가스 배출이 이루어지는 1차 용융 단계(S200)와, 상기 복합 압출기 유닛의 트윈 압출기에서 상기 1차 용융된 베이스재가 2차 용융 및 2차 가스 배출이 이루어지는 2차 용융 단계(S300)와, 상기 2차 용융 단계를 거친 상기 용융된 베이스재가 상기 트윈 압출기에서 압출되는 압출 단계(S400)와, 상기 압출 단계를 거친 바이오 플라스틱 소재가 공냉식 컨베이어에서 이송되면서 냉각되는 냉각 단계 (S500)와, 상기 바이오 플라스틱 소재가 커팅되는 커팅 단계 (S600)를 포함할 수 있다.

상기 원료 혼합 단계(S100)에서 상기 혼합 장치에 투입되는 상기 바이오 매스는 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 일부인 것을 특징으로 한다.

상기 원료 혼합 단계(S100)에서 상기 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 나머지는 상기 트윈 압출기로 투입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법은 트윈 압출기 및 싱글 압출기를 하나의 모듈로 구성함으로써 바이오 플라스틱 소재의 생산 시 베이스재가 이송 중 공기 중에 노출되는 것을 방지할 수 있어 과도한 냉각에 따른 제품 성형의 어려움을 해결할 수 있다.

또한, 수냉식이 아닌 공냉식 냉각을 채택함으로써 바이오 플라스틱 소재 및 완제품에 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있어 제품의 품질이 저하되는 것을 방지하여 고품질의 바이오 플라스틱 제품을 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템을 도시한 사시도,
도 2는 도 1에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템 중 복합 압출기 유닛을 도시한 확대도,
도 3은 도 2에 따른 복합 압출기 유닛 중 싱글 압출기의 스크류를 도시한 사시도,
도 4는 도 2에 따른 복합 압출기 유닛의 연결 부위를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 방법을 도시한 순서도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에서는 식물체 원료를 바이오 매스, 석유계 수지 원료를 베이스 수지, 바이오 매스 및 베이스 수지를 혼합한 혼합물을 베이스재, 베이스재가 복합 압출기 유닛을 거쳐 압출된 것을 바이오 플라스틱 소재라고 정의하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템 중 복합 압출기 유닛을 도시한 확대도이며, 도 3은 도 2에 따른 복합 압출기 유닛 중 싱글 압출기의 스크류를 도시한 사시도이다. 도 4는 도 2에 따른 복합 압출기 유닛의 연결 부위를 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템(10)은 크게 바이오 매스와 베이스 수지를 혼합하는 혼합 장치(110)와, 혼합 장치(110)로부터 바이오 매스 및 베이스 수지의 혼합물인 베이스재를 공급받아 압출하는 복합 압출기 유닛(200)과, 복합 압출기 유닛(200)으로부터 배출된 바이오 플라스틱 소재를 냉각시키는 공냉식 컨베이어(300)와, 바이오 플라스틱 소재를 적당한 크기로 커팅하는 커팅기(400)를 포함하여 구성된다. 또한, 전원 공급을 위한 전원제어모듈(500) 및 각 구성품의 제어를 위한 제어장치(600)를 추가로 구비한다.

혼합 장치(110)는 바이오 매스의 표면 개질 및 베이스 수지와의 혼합을 위한 장치로, 바이오 매스와 베이스 수지에 활제 및 코팅제를 배합하여 가열함으로써 베이스재를 형성한다. 바이오 매스는 대두피나 옥수수대나 옥수수심, 왕겨 등의 식물 원료를 포함할 수 있다. 베이스 수지는 PP(Polypropylene), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), PS(Polystyrene), PC(Polycarbonate) 등 결정성 폴리머 소재를 포함할 수 있다. 이러한 바이오 매스와 베이스 수지는 미분 또는 펠릿 형태로 공급되고 활제 및 코팅제와 혼합되어 베이스재가 된다.

혼합 장치(110)에서 혼합된 베이스재는 복합 압출기 유닛(200)으로 공급되며, 복합 압출기 유닛(200)으로 베이스재를 공급하기 위한 이송관(112) 및 베이스재를 임시로 수용하는 수납용기(114)가 구비된 공급기(110)를 추가로 구비할 수 있다.

복합 압출기 유닛(200)은 스크류가 1개인 싱글 압출기(210)와, 스크류가 2개인 트윈 압출기(230)로 구성되며, 싱글 압출기(210)의 토출단과 트윈 압출기(230)의 유입단은 연결부(270)에 의해 상호 연통된다. 싱글 압출기(210)와 트윈 압출기(230)가 서로 연결되어 있으므로 베이스재가 공기 중에 노출되지 않아 과도한 경화에 따른 작업성 저하를 방지할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 싱글 압출기(210)는 원료 투입을 위한 호퍼(212) 및 원료 투입구(212a)와, 구동력을 제공하는 구동부(214)와, 구동부(214)로부터 구동력을 제공받아 스크류(218a)를 구동시키는 복수의 기어로 구성된 기어 모듈(216)과, 기어 모듈(216)에 의해 회전하여 베이스재를 압출하는 스크류(218a) 및 스크류(218a)를 감싸는 실린더(218)를 포함하여 구성된다. 또한, 실린더(218)에는 호퍼(212)에 인접하여 가스제거장치(219)가 장착된다.

구동부(214) 및 기어 모듈(216)은 호퍼(212)를 중심으로 일측에 위치하고 실린더(218)의 일단부 쪽에 연결되며, 실린더(218)의 타단부는 호퍼(212)를 중심으로 타단을 향해 연장되어 트윈 압출기(230)에 연결된다.

혼합 장치(110)로부터 공급된 베이스재는 호퍼(212) 및 하부의 메인 피더(212b)에 의해 필요한 양 만큼 원료 투입구(212a)로 투입됨으로써 싱글 압출기(210) 내부로 투입된다. 투입된 베이스재는 실린더(218) 내부에서 소정의 온도로 가열해 용융된다. 용융된 베이스재는 일정 압력으로 유지된 상태에서 스크류(218a)에 의해 트윈 압출기(230)에 연결된 실린더(218)의 타단을 향해 이송된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 스크류(218a)는 실린더(218)의 길이 방향을 따라 배치되어 회전하는 샤프트에 스크류날이 나선형으로 구비되며, 스크류날의 간격(피치)와 높이가 구간 별로 상이하게 형성된다.

호퍼(212)에 가까운 스크류(218a)의 L1 구간은 전체 스크류(218a)를 기준으로 볼 때 다른 구간보다 스크류(218a)의 피치가 넓고, 스크류날의 높이는 중간 높이로 형성된다. L1 구간에서는 원료 투입구(212a)를 통해 베이스재가 공급되고 스크류날의 회전에 의해 가압된다.

스크류(218a)의 L2 구간은 전체 스크류(218a)를 기준으로 볼 때 다른 구간보다 스크류(218a)의 피치가 좁고, 스크류날의 높이는 낮은 높이로 형성된다. 또한, 스크류(218a)의 직경은 L1에서 L2 구간으로 갈수록 커진다. 베이스재가 유입되어 L1 구간에서 서서히 압축 및 이송되어 L2 구간으로 이송되면서 스크류(218a)의 피치가 조밀해지고 스크류(218a)의 직경이 커지므로 베이스재가 해당 구간에서 천천히 이송되면서 가압되며, 압력을 받은 상태로 가열되어 용융 된다.

스크류(218a)의 L3 구간의 피치는 L2 구간의 피치와 동일하지만, 스크류날의 높이는 전체 스크류(218a)를 기준으로 볼 때 다른 구간보다 높게 형성된다. L3 구간은 L2 구간보다 스크류(218a)의 직경이 작게 형성되며, 이에 따라 L2 구간보다 상대적으로 낮은 압력에서 용융된 베이스재가 가압되면서 빠르게 압출된다.

L3 구간에서 베이스재가 압출되면서 베이스재의 용융 시 발생된 가스가 용융된 베이스재 외부로 배출되고, 배출된 가스는 가스제거장치(219)를 통해 실린더(218)의 외부로 배출된다. 이를 위해 가스제거장치(219)는 스크류(218a)의 L3 구간에 대응하는 실린더(218) 내측에 설치되는 것이 바람직하다.

가스제거장치(219)는 진공 펌프 등을 적용할 수 있으며, 실린더(218) 내부의 가스를 실린더(218) 외부로 강제 배기시킴으로써 바이오 플라스틱 소재 및 이를 활용한 최종 사출물(시트, 필름, 완제품 등)을 성형할 때 성형품의 물리적 강도를 높일 수 있다. 가스 제거 과정에서 용융되지 않고 남아있는 저분자의 첨가제(활제 및 코팅재 등) 역시 배기되어 최종 사출물의 물리적 강도 향상 및 품질 향상이 가능해진다.

베이스재를 용융 및 압출할 때, 베이스재의 용융 시 혼합된 베이스 수지마다 용융점이 다르기 때문에 가열온도가 너무 높으면 바이오 매스가 연소될 수 있다. 따라서 가열 온도를 적절히 유지해야 하며, 베이스재의 용융 시 발생되는 가스를 배출하기 위해 실린더(218) 내부의 압력을 적절히 유지해야 한다. 이를 위해, 본 발명에서는 스크류(218a)의 피치 및 스크류날의 높이를 조절하여 실린더(218) 내부의 압력을 조절한다. 싱글 압출기(210)에서 1차로 베이스재를 용융시키고 가스 제거 과정을 거친 후 후술할 트윈 압출기(230)에서 2차로 베이스재의 용융 및 가스 제거 과정을 다시 한번 거치게 된다.

스크류(218a)의 L4 구간에서는 다시 피치가 L1 구간과 마찬가지로 넓어지며, 스크류날의 높이 또한 L1 구간과 같이 중간 높이로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 L4 구간에서 지나치게 빠른 압출이 일어나면 트윈 압출기(230)의 유입단에 지나친 압력이 가해지는 것을 방지하고, 트윈 압출기(230)의 작동 압력에 맞추어 베이스재를 공급하기 위함이다. 또한, 베이스재의 역류를 방지하기 위해 스크류(218a)의 직경이 L3 구간에서 멀어지는 방향으로 커지도록 형성된다.

L5 구간은 L1 구간과 피치 및 스크류날의 높이가 동일하고 스크류(218a)의 직경은 L4 구간의 단부와 동일하게 형성된다. L4구간을 거친 베이스재는 L5 구간을 거쳐 트윈 압출기(230)로 공급된다.

트윈 압출기(230) 역시 원료 투입을 위한 호퍼(232)와, 구동력을 제공하는 구동부(234)와, 구동부(234)로부터 구동력을 제공받아 스크류를 구동시키는 복수의 기어로 구성된 기어 모듈(236)과, 기어 모듈(236)에 의해 회전하여 베이스재를 압출하는 스크류 및 스크류를 감싸는 배럴(238)을 포함하여 구성된다(전술한 싱글 압출기의 구성과 동일한 기능을 하는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다).

트윈 압출기(230)는 싱글 압출기(210)로부터 이송된 용융된 베이스재에 추가로 바이오 매스를 공급함으로써 목표로 하는 바이오 매스량을 갖는 용융된 베이스재를 형성한다. 이러한 과정은 호퍼(232)를 통해 바이오 매스를 추가 공급하거나, 별도의 사이드 피더(250)를 구비하여 추가적인 바이오 매스를 공급하도록 할 수 있다(도 1 및 도 2 참조). 트윈 압출기(230)에도 가스 제거를 위한 가스제거장치(미도시)가 구비될 수 있으며, 이는 주지관용의 기술이므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.

호퍼(232)는 트윈 압출기(230)를 단독으로 사용할 때 베이스재의 공급을 위해 사용되며, 트윈 압출기(230)의 단독 사용 시 후술할 연결부(270)를 결합 해제하여 싱글 압출기(210)와의 연결을 해제하는 것이 바람직하다. 이는 압력이 새어 나가거나 바이오 매스가 역류하는 것을 방지하기 위해서이다.

바이오 매스의 추가 공급을 위해 호퍼(232)를 사용하는 경우, 호퍼(232)의 위치가 싱글 압출기(210)와 연결된 연결부(270)에 대응하는 위치로 변경되는 것이 바람직하다.

그러나 별도의 사이드 피더(250)가 구비된다면 호퍼(232)의 위치를 변경하지 않아도 추가적인 바이오 매스를 공급할 수 있다. 사이드 피더(250)는 연결부(270)의 위치에 대응하는 부분의 배럴(238)에 연결되는 것이 바람직하다.

배럴(238) 내부에는 2개의 스크류가 배럴(238)의 길이 방향을 따라 서로 인접해서 배치되며, 배럴(238)의 배출단 쪽으로 갈수록 2개의 스크류간 거리가 감소하므로 싱글 압출기(210)로부터 이송된 용융 상태의 베이스재와 추가 투입된 바이오 매스가 혼합 및 용융되어 압출된다.

목표로 하는 바이오 매스의 전량을 투입하여 용융시키는 것보다, 목표로 하는 바이오 매스의 일부를 싱글 압출기(210)에 투입하고, 트윈 압출기(230)에서 나머지 양을 투입하는 것이 용융 효율이 더 좋아진다.

그 이유는 본 발명에서 만들고자하는 베이스재는 농축율이 높은 고농도의 혼합물이므로, 처음부터 농축율이 높은 베이스재를 만드는 것 보다 바이오 매스의 일부를 혼합하여 저농도의 베이스재를 만든 후 추가적인 바이오 매스를 혼합함으로써 고농도의 베이스재를 만드는 것이 훨씬 더 쉽게 혼합 및 용융이 가능하기 때문이다.

따라서 본 발명에서는 혼합 장치(110)를 통해 싱글 압출기(210)로 투입되는 바이오 매스의 양을 목표로 하는 바이오 매스의 양의 50~60% 내외로 투입하고, 트윈 압출기(230)로 투입되는 바이오 매스의 양을 나머지 양으로 투입하여 베이스재의 용융액을 만드는 방법을 제안한다(이에 대해서는 후술하기로 한다).

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 싱글 압출기(210)와 트윈 압출기(230)의 연결부(270)는 싱글 압출기(210) 실린더(218)의 타단부에 결합된 어댑터(272)와, 어댑터(272)와 트윈 압출기(230)의 배럴(238)을 연결하는 연결관(274)으로 구성된다.

어댑터(272)는 실린더(218)의 타단에 위치한 다이스(미도시)에 결합되며, 싱글 압출기(210)를 사용하지 않을 때 어댑터(272)의 결합을 해제하고 밀봉함으로써 싱글 압출기(210) 쪽으로 압력이나 베이스재가 유출되는 것을 방지할 수 있다.

연결관(274)은 싱글 압출기(210)로부터 배출되는 용융된 베이스재를 트윈 압출기(230)로 이송하는 관으로, 일단이 어댑터(272)에 결합되고 타단이 트윈 압출기(230)의 배럴(238)에 결합된다. 연결관(274)이 배럴(238)에 결합되는 부분은 기존의 원료 투입구 위치에 대응하는 것이 바람직하다.

연결관(274)은 어댑터(272)와 배럴(238)의 단차에 따라 직선 또는 곡선 형상의 관으로 구비될 수 있으며, 곡선 형상의 관으로 구비되는 경우 복수의 직선관(274a)과 곡선관(274b)이 연결될 수 있다. 이 경우, 곡선관(274b)의 결합력을 높이기 위해 직선관(274a)에 삽입되는 부분이 사선으로 연장되어 직선관(274a) 내부에 삽입될 수 있다.

일반적으로 바이오 플라스틱의 제조에 사용되는 베이스 수지는 올레핀계 수지 계열인 LDPE(Low Density Polyethylene)나 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene)를 사용했으나, 고경도 및 고강성이 요구되는 사출용 바이오 플라스틱의 경우에는 전술한 바와 같은 PP, ABS, PS, PC 등의 결정성 폴리머를 사용하게 된다. 결정성 폴리머 재질의 경우 결정화(경화) 속도가 빠르고, 바이오 매스를 첨가하면 비표면적이 커져 결정화 속도가 가속화되는 특성이 있다. 따라서 공정 중간에 공기에 노출되거나 노출 시간이 길어지면 후속 공정 진행이 어려워지는 문제가 발생한다. 따라서 고품질의 바이오 플라스틱을 생산하기 위해서는 베이스 수지가 공기 중에 노출되는 시간을 최소화하거나 공기 중에 노출되지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위해 본 발명에서는 싱글 압출기(210)와 트윈 압출기(230)가 서로 연결되어 바이오 매스 및 베이스 수지의 혼합물은 베이스재가 공정 중 공기 중에 노출되지 않도록 함으로써 고품질의 바이오 플라스틱을 생산할 수 있다.

또한, 연결관(274)과 연결되는 배럴(238) 상에는 압력센서(290)가 설치될 수 있다. 압력센서(290)는 제어장치(500)와 전기적으로 연결되며, 제어장치(500)에 측정한 압력값을 전송함으로써 싱글 압출기(210)의 구동부(214)가 제어되도록 한다. 압력센서(290)는 싱글 압출기(210)와 트윈 압출기(230)의 압력차를 측정하며, 측정된 값은 제어장치(500)로 전송된다. 제어장치(500)는 싱글 압출기(210)의 압력이 트윈 압출기(230)의 압력보다 3Bar 이상 높아지면 싱글 압출기(210)의 구동부(214)를 정지시킴으로써 높은 압력차에 따른 연결부의 파손을 방지할 수 있다.

전술한 과정을 거쳐 용융 및 압출된 베이스재는 트윈 압출기(230)의 배럴(238)로부터 배출되면서 공냉식 컨베이어(300) 위로 이송되며, 공냉식 컨베이어(300)를 따라 커팅기(400)로 이송되면서 서서히 냉각된다.

일반적으로 바이오 플라스틱의 재료가 되는 천연 식물체 베이스의 바이오 매스는 생산 과정에서의 온도 조건 및 수분에 다소 취약한 특징이 있다. 일반적인 플라스틱 재질의 경우 압출 후 물을 사용해 수냉식으로 냉각하지만, 바이오 매스의 경우 수냉 공정을 거치면 바이오 매스가 수분을 흡수하는 문제가 있다. 또한, 발포 현상이 발생되어 바이오 플라스틱 시트나 완제품의 표면이 균일하지 못한 문제가 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해, 기존 수냉식 냉각 방법이 아닌 공냉식 컨베이어(300)를 이용해 공기 중에 노출시킴으로써 바이오 플라스틱 소재가 서서히 냉각되도록 하는 것이 바람직하다.

냉각이 완료된 바이오 플라스틱 소재는 커팅기(400)에서 적당한 크기로커팅되어 펠릿 형태의 바이오 플라스틱 소재가 된다. 도면에 도시하지는 않았으나 바이오 플라스틱 소재는 사출장치에서 필요한 형상으로 사출되어 시트나 필름 형태, 또는 특정 형태의 바이오 플라스틱 완제품(최종 사출물)이 된다.

이하에서는 전술한 바와 같은 구성을 갖는 바이오 플라스틱 생산 시스템에 있어서, 바이오 플라스틱 생산 방법에 대해 구체적인 예를 들어 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 방법을 도시한 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 방법은 먼저 혼합 장치(110)를 통해 원료 혼합 단계(S100)를 거치게 된다.

바이오 플라스틱 소재로 만드는 최종 사출물은 규격에 따라 25% 이상의 바이오 매스를 함유해야 하므로, 이를 위해 원료 혼합 단계(S100)에서는 예를 들어, 바이오 매스는 30㎛ 크기의 대두피 미분 30kg가 투입될 수 있다. 또한, 베이스 수지는 PP(J380A)로 80kg가 투입되며, 활제 5.5kg 및 코팅제 1.75kg이 투입되어 배합 및 표면 개질이 이루어질 수 있다.

그 후 배합된 베이스재는 복합 압출기 유닛(200)의 싱글 압출기(210)에서 용융 및 분산되고 1차로 가스 배출 작업이 이루어진다(1차 용융 단계, S200).

싱글 압출기(210)에서 용융된 베이스재는 2차 용융 단계(S300)를 거치면서 트윈 압출기(230)에서 용융된다. 이 때, 트윈 압출기(230)의 호퍼(232) 또는 사이드 피더(250)를 통해 표면에 전처리가 된 35㎛의 옥수수대 분말 30kg이 바이오 매스로 투입될 수 있다. 2차로 바이오 매스가 투입됨으로써 활제를 제외한 총 141.75kg의 베이스재 중 바이오 매스는 60kg으로, 바이오 매스의 최종 함량은 42.3%가 될 수 있다. 또한, 이 단계에서 2차 가스 배출 역시 이루어진다.

2차 용융 단계(S300)에서 추가적인 바이오 매스가 혼합되어 용융된 베이스재는 트윈 압출기(230)의 배럴(238) 내에서 2개의 스크류에 의해 용융 압출된다(압출 단계, S400). 트윈 압출기(230)에서 압출된 베이스재는 소재속이 꽉 차있는 가늘고 긴 원통 형태로 배출된다.

배출된 바이오 플라스틱 소재는 공냉식 컨베이어(300)에 실려 이송되면서 냉각 단계(S500)를 거치게 되고, 적당한 크기로 커팅되는 커팅 단계(S600)를 거쳐 펠릿 형태의 바이오 플라스틱 소재가 된다. 이렇게 생산된 바이오 플라스틱 소재는 별도의 최종 사출 공정을 거쳐 다양한 형태의 바이오 플라스틱 완제품이 된다.

별도의 최종 사출 공정에서 바이오 플라스틱 소재는 원하는 형상으로 사출되어 최종 바이오 플라스틱 완제품이 생산된다. 최종 사출 공정에서는 예를 들어, 바이오 플라스틱 원료 70kg과 사출용 PP(J380A) 30kg이 투입될 수 있으며, 바이오 플라스틱 완제품의 바이오 매스 최종 함량은 29.61%가 될 수 있다(바이오 매스 함량 25% 이상의 규격을 만족함).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법은 트윈 압출기 및 싱글 압출기를 하나의 모듈로 구성함으로써 있어 과도한 냉각에 따른 제품 성형의 어려움을 해결할 수 있다. 바이오 플라스틱 소재의 베이스재가 이송 중 공기 중에 노출되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 플라스틱 생산 시스템 및 제조 방법은 바이오 플라스틱 완제품을 사출하면서 발생된 사이드 스크랩을 활용하여 재생 바이오 플라스틱 소재를 생산할 수 있다. 재생 바이오 플라스틱 소재는 펠릿 형태를 가질 수 있으며, 전술한 것과 동일한 과정을 거쳐 재생 바이오 플라스틱 시트나 필름 등의 완제품으로 만들어질 수 있다.

좀더 상세히 설명하면, 전술한 실시 예에서 바이오 플라스틱 완제품을 만드는 과정에서 발생된 사이드 스크랩이 바이오 매스 함량 30%라고 한다면, 사이드 스크랩 80kg과 PP(J380A) 10kg을 혼합 장치(110)에 투입하여 분쇄 및 배합할 수 있으며, 이 경우 바이오 매스의 함량은 약 26.6%(총 90kg 중 바이오 매스는 24kg)가 된다(원료 혼합 단계, S100).

원료 혼합 단계(S100)를 거친 베이스재는 복합 압출기 유닛(200)의 싱글 압출기(210)로 투입되어 용융 및 분산된다(1차 용융 단계, S200).

그 후 용융된 베이스재는 트윈 압출기(230)로 이송되며, 호퍼(232) 또는 사이드 피더(250)를 통해 표면 전처리가 된 35㎛의 옥수수대 분말 10kg을 추가로 투입되어 용융될 수 있다(2차 용융 단계, S300). 이 때, 총 100kg의 베이스재 중 바이오 매스의 최종 함량은 34%가 된다.

2차 용융 단계(S300)에서 추가적인 바이오 매스가 혼합되어 용융된 베이스재는 트윈 압출기(230)의 배럴(238) 내에서 2개의 스크류에 의해 용융 및 압출된다(압출 단계, S400). 압출된 베이스재는 펠릿 형태로 커팅되기 이전 속이 꽉 차있는 가늘고 긴 원통 형상으로 트윈 압출기(230)로부터 배출된다.

긴 원통 형상의 압출된 바이오 플라스틱 소재는 공냉식 컨베이어(300)에 의해 이송되면서 냉각되고(냉각 단계, S500), 커팅기(400)에서 펠릿 형태로 커팅되어(커팅 단계, S600) 바이오 플라스틱 소재가 된다.

이와 같이, 사이드 스크랩을 이용해 생산된 바이오 플라스틱 소재 85kg과 시트용 PP(J380A) 15kg을 별도의 사출 공정에 투입하여 바이오 플라스틱 시트를 형성할 수 있으며, 이 때 완성된 바이오 플라스틱 시트의 최종 바이오 매스 함량은 28.9%가 된다(바이오 매스 함량 25% 이상의 규격을 만족함).

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 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 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 바이오 플라스틱 생산 시스템
100: 혼합 장치 200: 복합 압출기 유닛
210: 싱글 압출기 230: 트윈 압출기
250: 사이드 피더 270: 연결부
272: 어댑터 274: 이송관
290: 압력센서 300: 공냉식 컨베이어
400: 커팅기 500: 전원제어모듈
600: 제어장치

Claims

식물체 원료인 바이오 매스와 합성수지 원료인 베이스 수지를 혼합하여 베이스재를 형성하는 혼합 장치와,
상기 혼합 장치로부터 상기 베이스재를 공급받아 2중으로 용융 및 압출하는 복합 압출기 유닛과,
상기 복합 압출기 유닛으로부터 배출된 대상물을 이송 및 공기 중에 노출시켜 냉각시키는 공냉식 컨베이어와,
상기 공냉식 컨베이어에 의해 이송된 상기 대상물을 커팅하는 커팅기와,
상기 혼합 장치, 복합 압출기 유닛, 공냉식 컨베이어 및 커팅기에 전원을 공급하는 전원제어모듈과,
상기 혼합 장치, 복합 압출기 유닛, 공냉식 컨베이어 및 커팅기를 제어하는 제어장치를 포함하며,
상기 복합 압출기 유닛은 상기 싱글 압출기 및 트윈 압출기가 상호 연결되며, 상기 싱글 압출기로부터 배출된 상기 베이스재가 상기 트윈 압출기로 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복합 압출기 유닛은 상기 싱글 압출기의 토출단과 상기 트윈 압출기의 유입단을 연결하는 연결부를 더 포함하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제2항에 있어서,
상기 연결부는 상기 싱글 압출기의 토출단인 실린더의 단부에 결합되는 어댑터와, 일단이 상기 어댑터에 결합되고 타단이 상기 트윈 압출기의 유입단인 배럴의 일측에 결합되는 연결관을 포함하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제3항에 있어서,
상기 연결관은 직선의 관 형태인 복수의 직선관과, 곡선의 관 형태인 곡선관을 포함하며, 상기 곡선관의 양단부 중 적어도 하나는 횡단면이 사선 형태를 갖고 상기 직선관에 삽입되는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제4항에 있어서,
상기 복합 압출기 유닛은 상기 연결관이 위치한 상기 배럴의 타측에 설치되어 상기 싱글 압출기 및 트윈 압출기의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 압력센서의 측정값을 입력받고, 상기 싱글 압출기의 압력과 상기 트윈 압출기의 압력 차이가 설정값을 초과하면 상기 싱글 압출기의 구동부를 정지시키는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 혼합 장치에 투입되는 상기 바이오 매스는 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 일부인 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제7항에 있어서,
상기 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 나머지는 상기 트윈 압출기로 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제8항에 있어서,
상기 트윈 압출기로의 상기 바이오 매스의 투입을 위한 사이드 피더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
제8항에 있어서,
상기 싱글 압출기 및 트윈 압출기는 상기 베이스재의 용융 시 발생되는 가스를 제거하는 가스제거장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 시스템.
혼합 장치에서 식물체 원료인 바이오 매스와 합성수지 원료인 베이스 수지를 혼합하여 베이스재를 형성하는 원료 혼합 단계(S100)와,
복합 압출기 유닛의 싱글 압출기에서 상기 베이스재가 용융 및 1차 가스 배출이 이루어지는 1차 용융 단계(S200)와,
상기 복합 압출기 유닛의 트윈 압출기에서 상기 1차 용융된 베이스재가 2차 용융 및 2차 가스 배출이 이루어지는 2차 용융 단계(S300)와,
상기 2차 용융 단계를 거친 상기 용융된 베이스재가 상기 트윈 압출기에서 압출되는 압출 단계(S400)와,
상기 압출 단계를 거친 바이오 플라스틱 소재가 공냉식 컨베이어에서 이송되면서 냉각되는 냉각 단계 (S500)와,
상기 바이오 플라스틱 소재가 커팅되는 커팅 단계 (S600)를 포함하는 바이오 플라스틱 생산 방법.
제11항에 있어서,
상기 원료 혼합 단계(S100)에서 상기 혼합 장치에 투입되는 상기 바이오 매스는 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 일부인 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 방법.
제12항에 있어서,
상기 원료 혼합 단계(S100)에서 상기 목표로 하는 바이오 매스 투입량의 나머지는 상기 트윈 압출기로 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오 플라스틱 생산 방법.