KR20170051450A - 충진된 고분자 복합 재료를 만드는 장치 및 방법 - Google Patents

충진된 고분자 복합 재료를 만드는 장치 및 방법 Download PDF

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KR20170051450A
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크리스티안 로브라니치
안드레아스 페치하케르
마르틴 발네르
크리스토프 웨베르호퍼
스테판 오베르뮐러
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스타링거 운트 콤파니 게젤샤프트 엠 베하
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Abstract

본 발명은 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 방법 및 장치(1)에 관한 것이며, 고분자 기질 재료(2)는 바람직하게는 주 부분으로서 재활용 고분자 폐기물(3)을 포함한다. 상기 장치(1)는 고분자 기질 재료(2)를 위한 주입구(11) 및 용융된 고분자 기질 재료(2)를 위한 배출구(12)를 가진 제1 압출 장치(10), 제1 압출 장치(10)의 배출구(12)에 연결된 용융된 고분자 기질 재료(2)를 정제하는 멜트 준비 장치(40), 및 제2 압출 장치(20)를 포함한다. 상기 제2 압출 장치(20)는 멜트 준비 장치(40)의 출구(42)에 연결된 멜트 주입구(26), 및 멜트 주입구(26)의 상류측에 배치된 섬유 재료(5)를 위한 섬유 재료 주입구(27)를 포함한다. 상기 제2 압출 장치(20)는 적어도 하나의 탈기 장치(31, 32)를 포함한다.

Description

충진된 고분자 복합 재료를 만드는 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A FILLED POLYMERIC COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 충진 재료로서 섬유 재료 및 고분자 기질 재료를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료의 생산 장치 및 방법에 관한 것이며, 이 고분자 기질 재료는 주 부분으로서 재활용 고분자 폐기물을 포함하는 것이 바람직하다. 이 장치는 고분자 기질 재료를 위한 주입구 및 용융된 고분자 기질 재료를 위한 배출구를 가진, 고분자 기질 재료를 용융시키는 제1 압출 장치를 포함한다. 용융된 고분자 기질 재료를 정제하기 위한 멜트(melt) 준비 장치는 제1 압출 장치의 출구에 연결된 입구를 가지고, 제2 압출 장치에 연결된, 정제된 고분자 기질 재료를 위한 출구를 가진다.
섬유로 충진된 고분자의 생산 방법은 종래기술을 통해 이미 알려져 있다. 예를 들어, 문헌 EP 2 525 951 B1에서, 우드 프로세싱(wood processing)으로 얻은 섬유 재료, 또는 종이 및 펄프 컨버전(paper and pulp conversion)은 반응로 또는 커터 컴팩터(cutter compactor) 내에서 용융되지 않은 기질 재료와 충진 재료로서 혼합되고, 방사 장치로 운반된다. 이러한 목적으로, 필라멘트 충진 재료는 용융 범위 아래의 온도에서 아직 용융되지 않은 기질 재료와, 예컨대 천연 또는 합성 고분자와 혼합된다.
인쇄된 공개물, US 5,916,932 A에는, 고분자의 압출된 혼합물, 예컨대 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 섬유 재료, 예컨대 유리 섬유로부터 복합 재료를 생산하기 위한 재활용 물질의 사용이 서술되어 있다. 서술된 복합 재료는, 예컨대 철로용 침목(railway sleeper)의 제조를 위해 사용될 수 있다. 고분자의 준비 및 정제는 모두 이러한 제조 프로세스의 과정에서 고려되지 않는다.
뿐만 아니라, 문헌, DE 10 2011 117 760 A1에도, 폴리올레핀 및 유리 섬유 다발을 재활용하여 만들어지고, 철로용 침목과 같은 큰 하중을 받는 몰딩된 바디의 생산에 사용될 수 있는 재료가 서술되어 있다. 이러한 재료의 생산을 위해, 복합 재료가 먼저 절단되고, 바람직하게는 유리 섬유와 함께 혼합되고, 펠레타이징(pelletized)되거나 뭉쳐진다. 이어서, 이 혼합물은, 예컨대 170℃ 내지 230℃의 온도로 압출되고 재과립화된다. 또는, 이러한 프로세싱은 직접, 즉 재과립화 없이, 냉각식 프로파일 툴을 통해, 고체 프로파일로 이어질 수 있다. 이러한 경우에도, 시재료(starting material)의 준비 및 정제는 고려되지 않는다.
고화된 고분자 스크랩은 통상적으로 고분자 폐기물로부터, 예컨대 금속 조각 또는 비교 가능한 불순물을 제거할 수 있도록 준비 동안 세척되어야 한다. 문헌 EP 2 525 951 B1에 따른 경우처럼, 필라멘트 충진 재료가 아직 용융되지 않은 고분자 폐기물에 이미 혼합되어 있다면, 혼합된 섬유가 여과 장치에 남게 되고 여과 장치가 급격히 막혀버리게 될 것이므로, 용융 후 여과에 의해 그 혼합물은 더 이상 정제될 수 없다.
그러므로, 본 발명의 목적은 장치 내에서 고분자 기질 재료가 준비될 수 있고, 특히 주 부분으로서 재활용 고분자 폐기물을 포함하는 경우 정제될 수 있고, 필라멘트 충진 재료가 고분자 기질 재료 내로 주입될 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 뿐만 아니라, 본 발명의 하나의 목적은 고분자 기질 재료 및 충진 재료로서 섬유 재료를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료의 제조 방법을 제공하는 것인데, 이 고분자 기질 재료는 주 부분으로서 재활용 고분자 폐기물을 포함하는 것이 바람직하고, 여기서, 고분자 기질 재료의 준비 및 섬유의 주입은 하나의 결합된 제조 방법에서 함께 수행될 수 있다.
상기 목적들은 청구항 제1 항의 특징을 가지는 장치에 의해, 그리고 청구항 제13 항의 특징을 가지는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항들에 정의되어 있다.
고분자 기질 재료 및 충진 재료로서 섬유 재료를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료를 생산하기 위한 본 발명에 따른 장치로서, 바람직하게는 고분자 기질 재료가 주 부분으로서 재활용 고분자 폐기물을 포함하는 것인, 이 장치는 고분자 기질 재료를 위한 주입구 및 용융된 고분자 기질 재료를 위한 배출구를 가진, 고분자 기질 재료를 용융시키는 제1 압출 장치, 제1 압출 장치의 배출구에 연결된 입구 및 정제된 고분자 기질 재료를 위한 출구를 가지는, 용융된 고분자 기질 재료를 정제하는 멜트 준비 장치, 및 제2 압출 장치를 포함한다. 상기 제2 압출 장치는 멜트 준비 장치의 출구에 연결된 멜트 주입구를 포함하고, 멜트 주입구의 상류에 배치되어 있는 섬유 재료를 위한 섬유 재료 주입구를 포함하고, 상기 제2 압출 장치는 적어도 하나의 탈기(degasification) 장치를 가진다.
멜트 준비 장치를 이용하여, 용융된 고분자 기질 재료는, 예컨대 금속 조각과 같은 고체 불순물로부터 정제될 수 있다. 바람직하게는, 멜트 준비 장치는, 예컨대 회전식 필터 및/또는 역류 피스톤 필터(reversible flow piston filter)와 같은 여과 장치를 포함한다.
멜트 준비 장치에서의 정제 후, 고분자 멜트는 옵션의 멜트 펌프를 가진 서플라이 라인을 통해 제2 압출 장치로 안내된다. 섬유 재료는 고분자 멜트의 상류에 있는 제2 압출 장치로 주입되고, 그로 인해 섬유 재료는 더 작은 조각으로 나누어지지 않고 고분자 기질 재료와 혼합되고, 가능한 한 오랫동안 섬유 길이가 유지될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 장치는 섬유 재료가 멜트 준비 장치의 하류에서만 용융된 고분자 기질 재료에 추가된다는 이점을 포함한다. 섬유와 혼합된 고분자의 정제는 그 외에는 가능하지 않을 것이다.
또한, 고분자 기질 재료 및 공급된 섬유 재료의 혼합물은 제2 압출 장치 내에서 탈기 되고, 그로 인해 생산되는 복합 재료의 품질이 향상된다.
본 발명의 범위 내에서, 다양한 복합 재료들이 사용될 수 있고, 고분자 기질 재료로서 프로세싱될 수 있다. 본 발명은 고분자 기질 재료로서 아래의 타입의 복합 재료들에 특히 적합하다.
- 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET),
- 폴리프로필렌(PP),
- 폴리에틸렌(PE),
- 폴리아미드(PA),
- 폴리스티렌(PS).
기본적으로, 본 발명의 범위 내에서, 여러 종류의 섬유 재료들이 고분자 기질 재료 내에 충진 재료로서 주입될 수 있다. 유리 섬유, 카본 섬유, 아라미드 섬유, 및/또는 천연 섬유, 예컨대 아마(flax) 섬유와 같은 무기물 및/또는 유기물 섬유가 고분자 기질 재료 내로 혼합될 수 있다. 섬유 재료는 직물 섬유, 레이드 웹(laid web), 매트, 및 플리스(fleece), 밴드(band), 조방사(roving), 예컨대 3mm의 섬유 길이의 섬유 칩, 및/또는 예컨대, 0.2mm의 섬유 길이의 절단된 섬유의 형태로 장치에 공급될 수 있다. 이와 마찬가지로, 섬유 재료는 (0.1mm 내지 1mm의 섬유 길이를 가지는) 단섬유, (1mm 내지 50mm의 섬유 길이를 가지는) 장섬유, (50mm 초과의 섬유 길이를 가지는) 연속 섬유 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이 때문에, 섬유는 정제되거나 기질 재료와 미리 혼합될 수 있다. 그러므로, 예컨대 섬유 보강 플라스틱 스크랩도 본 발명의 범위 내에서 섬유 재료로 사용될 수 있다.
본 발명을 이용하여, 특히 유리 섬유 플리스도 섬유 재료로서 프로세싱될 수 있다. 문헌 DE 195 03 632 C1에서 이미 언급한 바와 같이, 유리 섬유 플리스는 아세테이트 및 아크릴레이트를 포함하는데, 이는 만들어지는 복합 재료에 긍정적인 영향을 준다. 유리 섬유 플리스 내에 함유된 이러한 성분들은, 유리 섬유와 더불어, 호환성을 부가하고, 강성을 보강하고, 연신율(elongation at break)을 증가시키고, 및/또는 내충격성을 증가시키는 측면에서 만들어지는 복합 재료의 특정한 특성의 긍정적인 변화를 야기한다.
본 발명에 따른 장치는 고분자 기질 재료 및 첨가되는 섬유 재료 모두에 대하여 높은 비율의 재활용 재료가 사용될 수 있다는 점에서 특히 유리하고, 이러한 이유로 매우 자원 효율적인 복합 재료가 본 발명에 따른 장치를 통해 생산 가능하다. 본 발명에 따른 장치를 이용함으로써, 최대 100%의 재활용 고분자 폐기물 함량을 가지는 고분자 기질 재료, 및 최대 100%의 재활용 섬유 폐기물 함량을 가지는 섬유 재료가 프로세싱될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 장치는 과립 생산용, 및 복합 재료의 직접 압출용으로 모두 적합하다.
더욱이, 본 발명의 범위 내에서, 시재료인 고분자 기질 재료가 제1 압출 장치로 공급되기 전에 선택적으로 추가 준비 단계를 거치는 것도 가능하다. 이러한 목적으로, 예컨대 적어도 하나의 응집기(agglomerator) 및/또는 적어도 하나의 커터 컴팩터, 및/또는 적어도 하나의 SSP 반응기(SSP: Solid State Polycondensation의 약자)가 고분자 기질 재료의 전처리를 위해 제1 압출 장치의 상류에 배치될 수 있는데, 이러한 장치들 내에서 시재료는 진공 하에서 열처리를 거치게 된다.
생산되는 복합 재료의 품질을 향상시키기 위해, 본 발명에 따라 수 개의 탈기 장치가 제공될 수 있고, 여기서 제2 압출 장치는 멜트 주입구의 하류에 배치된 길이 부분에 제1 탈기 장치를 포함한다. 제1 탈기 장치는 용융된 고분자 기질 재료가 섬유 재료와 혼합되는 동안 용융된 고분자 기질 재료로부터 기체를 제거한다. 또한, 제2 탈기 장치가 제1 탈기 장치의 하류에 제공될 수 있는데, 제2 탈기 장치는 상류측의 제1 탈기 장치로부터 측정된 때, 제2 압출기의 스크류 길이 대 스크류 직경의 비율이 15 내지 20으로 형성된 압출기의 한 영역 내에 놓이는 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제2 탈기 장치는 고분자 기질 재료와 섬유 재료의 혼합물이 제2 압출 장치로부터 방사되기 전에 그것들로부터 기체를 제거하며, 특히 시재료가 심하게 오염된 경우에 채용된다. 필요하다면, 특히 심하게 오염되거나 또는 흡습성인 시재료를 위해 추가 탈기 장치가 제공될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 제1 압출 장치는 고분자 기질 재료가 제1 압출 장치에서 용융되는 동안 이미 기체 제거되게 하는 탈기 장치를 포함하고, 이로 인해 고분자 멜트의 추가 처리가 멜트 준비 장치에서의 정제 동안 특히 더 용이하게 된다.
제2 압출 장치는 별도의 장치로 장착되는 것이 바람직하고, 예컨대 싱글-스크류 압출기 및 동일 방향 또는 반대 방향으로 회전하는 병렬식 또는 테이퍼드 압출기 스크류를 가지는 트윈-스크류 압출기로 설계될 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 설계 변형에서, 상기 장치는 또한 섬유 재료가 제2 압출 장치로 공급될 수 있게 하는 강제 차징 시스템(forced charging system)을 포함한다. 소위 강제 주입(force feeding)을 통해, 섬유 재료의 최적의 계량된 첨가를 보장할 수 있다. 예를 들어, 강제 차징 시스템은 섬유 재료가 제2 압출 장치로 일관 되게 공급될 수 있도록 돕는 하나 또는 수 개의 트윈 스크류를 포함할 수 있다.
특히 유리한 것은, 본 발명에 따른 장치 내의 강제 차징 시스템이 브릿지 방지 장치 및/또는 섬유 절단 장치 및/또는 건조 장치를 포함하는 것이다. 재활용 섬유 스크랩을 이용하는 경우에는 특히, 섬유가 일정 길이로 공급된다는 보장이 없다. 상이한 섬유 길이로 인해, 이러한 재료는 특히 계량 첨가 영역에서 원하지 않는 브릿지가 형성되기 쉽다. 브릿지 방지 장치는 계량 첨가되는 섬유 재료의 브릿지 형성 및 그로 인한 오작동을 방지하는 역할을 한다. 또한, 섬유 재료의 최적의 공급을 보장하는 것을 가능하게 하기 위해, 섬유 재료가 공급되는 제2 압출 장치의 상류측 길이 부분과, 제2 압출 장치의 나머지 길이 부분의 압출기 스크류의 형상 또는 비행 심도(flight depth)가 상이하도록 구성하는 것이 바람직할 수 있다.
뿐만 아니라, 섬유 재료는 공급되기 전에 준비되어야 한다는 것은 필수적일 수 있다. 이러한 목적으로, 이 장치는, 예컨대 절단 장치 및/또는 건조 장치와 같은 추가적인 준비 장치를 포함할 수 있다.
예컨대, 밀(mill) 또는 길로틴(guillotine) 등과 같은 절단 장치는 섬유 매트, 섬유 플리스, 직물 섬유와 같은 재활용 섬유 스크랩, 또는 섬유 보강 복합 재료를 사용하는 경우에, 예컨대, 풍차의 제조 동안 상당히 많은 양의 폐기물로 축적되기 때문에 특히 유리하다. 섬유 재료의 사전 건조는 흡습성 재료, 또는 젖은 섬유 재료에 특히 유리하다.
본 발명의 특정 설계 변형에서, 강제 차징 시스템은 하나의 장치 내에 마모 보호 기능을 구비한다. 강제 차징 시스템의 마모 보호 실시예는 분말 야금 강을 이용함으로써, 및/또는 강화된, 피복된(armoured), 및/또는 히프드(hipped) 표면을 제공함으로써 실현될 수 있는데, 이러한 표면은 강제 차징 시스템에 적어도 특히 뉴럴직(neuralgic) 표면 부분에 또는 전체에 장착된다.
본 발명에 따른 장치에서, 강제 차징 시스템에는 쓰루풋 컨트롤이 제공되는 것이 유리한데, 여기서 공급되는 섬유 재료의 실제 쓰루풋은 쓰루풋 탐지 장치를 이용하여 탐지 가능하고, 쓰루풋 컨트롤은 실제 쓰루풋과 선택 가능한 희망 쓰루풋을 비교하여 희망 쓰루풋과 실제 쓰루풋의 편차를 최소화하도록 강제 차징 시스템의 재료 쓰루풋을 조절한다. 재료 쓰루풋의 조절은 스크류, 예컨대 트윈 스크류가 재료의 강제 운반을 위해 제공된다면, 차징 속도를 제어함으로써 유효화될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다른 유리한 실시예에서, 강제 차징 시스템에는 복합 재료의 실제 밀도의 측정을 수행하고, 측정된 실제 밀도와 선택 가능한 희망 밀도를 비교하여 실제 밀도와 희망 밀도의 편차를 최소화하도록 강제 차징 시스템의 재료 쓰루풋을 조절하는 쓰루풋 컨트롤이 제공된다.
본 발명의 개선된 실시예에서, 다이내믹 멜트 혼합기가 제2 압출 장치의 하류 단부에 배치되는데, 이를 이용하여 간격이 조절 가능하다. 그러므로, 다이내믹 멜트 혼합기를 통해 제2 압출 장치의 길이가 그 하류에 있는 과립화 장치의 후속한 과립화 헤드 바로 앞까지 연장되는 것이 유리하다. 다이내믹 멜트 혼합기에서 간격을 선택함으로써, 섬유 재료의 최대 섬유 길이가 조절 가능하다.
이 장치의 다른 실시예에서, 안전 여과 유닛은 과립화 유닛으로, 또는 다른 방사 장치로 용융되고 정제된 고분자 기질 재료와 섬유 재료의 혼합물을 공급하는 서플라이 앞에 제공되고, 상기 여과 유닛의 개구부는 뒤에 배치된 과립화 다이 또는 다른 방사 개구부의 구멍보다 더 작다. 그러나, 안전 여과 유닛의 개구는 혼합된 섬유가 혼합물로부터 여과되지 않도록 적어도 0.5mm의 크기를 가져야 한다. 상기 안전 여과 유닛을 통해, 재활용 섬유 재료의 프로세싱을 통한 덩어리 다지기(lump stemming), 또는 프로세싱 동안 압출기 내에서의 성형(forming)은 고분자-섬유 혼합물을 걸러내어, 생산 안전성을 향상시킨다.
뿐만 아니라, 본 발명의 상기 언급된 목적은 고분자 기질 재료 및 충진 재료로서 유리 섬유를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료의 제조 방법을 통해 달성되는데, 고분자 기질 재료는 그 주부분으로서 재활용 고분자 폐기물(3)을 포함하는 것이 바람직하고, 이 방법은 아래의 단계들을 포함한다.
- 고분자 기질 재료를 제1 압출 장치에 주입하는 단계;
- 제1 압출 장치 내에서 고분자 기질 재료를 용융 및 선택적으로 탈기 시키는 단계;
- 바람직하게는 여과 장치를 포함하는 멜트 준비 장치를 이용하여 용융된 고분자 기질 재료를 정제하는 단계;
- 용융되고 정제된 고분자 기질 재료를 제2 압출 장치로 공급하는 단계;
- 용융되고 정제된 고분자 기질 재료의 서플라이의 상류에 있는 제2 압출 장치로 섬유 재료를 주입하는 단계;
- 섬유 재료와 용융되고 정제된 고분자 기질 재료를 제2 압출 장치 내에서 혼합하는 단계;
- 섬유 재료와 용융되고 정제된 고분자 기질 재료의 혼합물을 제2 압출 장치 내에서 탈기시키는 단계.
본 발명에 따른 장치의 앞서 언급한 장점들은 또한 본 발명에 따른 제조 방법에도 동일하게 적용된다.
본 발명에 따른 방법에서, 제2 압출 장치 내에서, 공급된 섬유 재료는 용융되고 정제된 고분자 기질 재료의 서플라이의 상류에서 적절하게 탈기되고, 및/또는 용융되고 정제된 고분자 기질 재료와 섬유 재료의 혼합물은 적절하게 탈기된다.
본 발명의 다른 유리한 변형에서, 섬유 재료는 강제 차징 시스템을 통해 제2 압출 장치로 공급되는데, 여기서 강제 차징 시스템에는 선택적으로 쓰루풋 컨트롤이 제공된다. 쓰루풋 컨트롤은 용융되고 정제된 고분자 기질 재료의 실제 쓰루풋을 판정할 수 있고, 실제 쓰루풋을 선택 가능한 희망 쓰루풋과 비교하여 실제 쓰루풋과 희망 쓰루풋의 편차를 최소화하도록 강제 차징 시스템의 재료 쓰루풋을 조절할 수 있다. 이를 보충하여 또는 대안으로서, 쓰루풋 컨트롤은 복합 재료의 실제 밀도의 측정을 수행할 수 있고, 측정된 실제 밀도와 선택 가능한 희망 밀도를 비교하여 실제 밀도와 희망 밀도의 편차를 최소화하도록 강제 차징 시스템의 재료 쓰루풋을 조절할 수 있다.
쓰루풋 컨트롤을 가진 강제 차징 시스템을 제공함으로써, 공급되는 섬유 재료의 양이 섬유 재료의 벌크 밀도를 모를 때에도 미리 설정된 식을 따를 것임이 보장된다.
본 발명의 다른 세부사항, 특징 및 이점들은 도면에 개략적으로 도시된 예시적인 실시예의 아래의 설명을 통해 명백해 질 것이다.
- 도 1은 섬유 재료로 충진된 고분자 기질 재료를 포함하는 복합 재료의 제조를 위한 본 발명에 따른 장치를 프로세스 흐름도로 도시한다.
- 도 2는 추가적인 설계 변형을 도시한다.
도 1은 고분자 기질 재료(4) 및 섬유 재료(5)로부터 복합 재료(7)를 생산하는 본 발명에 따른 장치(1)를 도시한다. 이러한 목적으로, 특히 재활용 고분자 폐기물(3)을 주 성분으로 가지는 고분자 기질 재료(2)가 시재료로서 사용되고, 고분자 기질 재료가 적절히 준비 또는 정제된 후, 정제된 고분자 기질 재료(4)와 섬유 재료(5)가 혼합되어 혼합물(6)이 형성된다.
장치(1)는 제1 압출 장치(10) 내에 용융된 고분자 기질 재료(2)를 위한 주입구(11), 및 용융된 고분자 기질 재료(2)를 위한 배출구(12)를 가진 제1 압출 장치(10)를 포함한다. 배출구(12)는 고분자 기질 재료(2)가 정제되는 멜트 준비 장치(40)의 입구(41)에 연결된다. 상기 실시예에서, 멜트 준비 장치(40)는 여과 장치(45)를 포함하는데, 여기서, 예컨대 역류 싱글-피스톤 필터(46)(도 2 참조), 및/또는 연속식 회전 필터(47)가 여과 장치(45)로서 사용될 수 있다. 멜트 준비 장치(40)의 출구(42)는 제2 압출 장치(20)의 멜트 주입구(26)에 직접, 또는 라인을 통해 연결된다. 멜트 주입구(26)의 상류측에, 섬유 재료(5)를 위한 섬유 재료 주입구(27)가 제2 압출 장치(20)에서 제공된다. 제2 압출 장치(20)는 멜트 주입구(26)의 하류에 배치된 제2 압출 장치의 길이 부분(22)에 제1 탈기 장치(31)를 가진다. 하류측 길이 부분(22)에서, 고분자 기질 재료(2) 및 섬유 재료(5)는 서로 혼합되어 복합 재료(7)의 혼합물(6)을 형성한다. 복합 재료(7)는 제2 압출 장치(20)의 하류 단부(25)에서 방출되고, 선택적으로 추가 프로세싱될 수 있다.
도 2의 설계 변형에서, 또한 제2 탈기 장치(32)가 제1 탈기 장치(31)의 하류에 있는 제2 압출 장치(20)에 제공되고, 이 제2 탈기 장치(32)는 제1 탈기 장치(31)로부터 측정된 때, 제2 압출 장치(20)의 스크류(24)의 길이(L) 대 스크류(24)의 직경의 비율이 15 내지 20으로 형성된 압출기의 한 영역에 위치한다. 그 결과, 특히 심하게 오염된 재활용 스크랩도 프로세싱될 수 있다. 여기서, 상기 탈기 장치(31, 32)는 기본적으로 동일하게 구성된다.
제1 압출 장치(10)에서, 탈기 장치(30)가 또한 후속 멜트 준비 장치(40)의 상류에 제공된다.
제품 및/또는 소비자 폐기물을 포함하는 고분자 폐기물(3)을 높은 함량으로 포함하는 고분자 기질 재료(2)는 저장소(8)로부터 고분자 기질 재료(2)를 용융시키는 제1 압출 장치(10)의 주입구(11)로 화살표 방향으로 공급된다. 여과 장치(45)에서 정제된 후, 고분자 멜트(4), 즉 이미 정제되고 용융된 고분자 기질 재료(2)는 후속하여 제2 압출 장치(20)로 안내된다. 필요하다면, 하나 또는 수 개의 멜트 펌프(P)가 이러한 목적으로 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 제2 압출 장치(20)로의 공급 라인에 제공된다. 제2 압출 장치(20)로의 섬유 재료(5)의 주입은 고분자 멜트(4)를 제2 압출 장치(20) 내로 주입시키는 멜트 주입구(26)의 상류측의 제2 압출 장치(20)의 상류측 길이 부분(21)에서 발생한다. 제2 압출 장치(20)의 하류측 길이 부분(22)에서, 고분자 멜트(4) 및 섬유 재료(5)는 혼합물(6)로 혼합되고, 상기 탈기 장치(31, 32)를 이용하여 탈기 된다. 제2 압출 장치(20)로의 섬유 재료(5)의 주입은 섬유가 제1 압출 장치(10)를 통해 운반되지 않고, 그로 인해 훨씬 더 작은 조각으로 부서져 훨씬 더 짧아진다는 이점을 가진다.
여기서, 2개의 압출 장치(10 및 20)는 각각 서로 독립적으로 모터 드라이브(M)를 포함한다.
계량 유닛(50)은 섬유 재료(5)가 선택 가능한 또는 미리 설정된 식에 따라 제2 압출 장치(20)로 계량에 의해 정밀하게 추가될 수 있음을 보장하는 기능을 제공한다. 이러한 목적으로, 잘못 계량된 섬유 재료(5)의 결과로서 가능한 막힘 또는 고장을 방지하기 위해, 브릿지 방지 장치(56), 섬유 절단 장치(57), 및 건조 장치(58)를 포함하는 강제 차징 시스템(55)이 제공된다.
뿐만 아니라, 쓰루풋 컨트롤(60)이 제공되는데, 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)의 실제 쓰루풋은 쓰루풋 탐지 장치를 이용하여 판정되고, 쓰루풋 컨트롤(60)은 실제 쓰루풋과 선택 가능한 희망 쓰루풋의 비교를 수행하고, 그에 따라 강제 차징 시스템(55)의 차징 속도를 조절한다.
뿐만 아니라, 다이내믹 멜트 혼합기(70)가 제2 압출 장치(20)의 하류 단부(25)에 제공되는데, 이에 의해 인접한 과립화 장치(80)의 과립화 헤드 바로 앞까지 제2 압출 장치(20)가 연장된다. 다이내믹 멜트 혼합기(70)에서의 간격(71)을 조절함으로써, 섬유 재료(5)의 최대 섬유 길이가 결정될 수 있다.
본 명세서에 서술된 장치(1) 및 그것으로 실현 가능한 제조 방법은 복합 재료(7)의 직접 압출용으로 및 과립 형태의 복합 재료(7)의 생산용으로 모두 적합하다. 과립화 장치(80), 예컨대 본 명세서에 도시된 워터 링 펠레타이징(water ring pelletizing)에 대한 대안으로서, 바람직하게는 자동화된 스트랜드 펠레타이징(strand pelletizing) 장치(85)가 이러한 목적으로 사용될 수도 있다.
게다가, 이미 앞서 언급한 바와 같이, 시재료로서 고분자 기질 재료(2)가 제1 압출 장치(10)로 공급되기 전에 추가적인 준비 단계를 거치게 하는 것 및 그러한 목적을 위해 응집기, 커터 컴팩터 및/또는 SSP 반응기 내에서 그것을 처리하는 것이 가능하다. 이러한 추가 유닛들은 도면에 명확하게 도시되지는 않았다.
마찬가지로, 섬유 재료(5)는 필요하다면, 추가 준비 단계를 거칠 수 있고, 예컨대 제2 압출 장치(20)로 공급되기 전에 브릿지 방지 장치(56), 섬유 절단 장치(57), 및/또는 건조 장치(58)를 이용하여 건조 및/또는 더 절단될 수 있다.
1 장치
2 고분자 기질 재료
3 재활용 고분자 폐기물
4 정제된 고분자 기질 재료의 고분자 멜트
5 섬유 재료
5a 재활용 섬유 재료
6 고분자 기질 재료와 섬유 재료의 혼합물
7 복합 재료
8 저장소
10 제1 압출 장치
11 제1 압출 장치의 주입구
12 제1 압출 장치의 배출구
20 제2 압출 장치
21 제2 압출 장치의 상류측 길이 부분
22 제2 압출 장치의 하류측 길이 부분
23 탈기 장치의 위치
24 압출기 스크류
25 제2 압출 장치의 하류측 단부
26 멜트 주입구
27 섬유 재료 주입구
28 복합 재료 배출구
30 탈기 장치(또는 각각 31, 32)
40 멜트 준비 장치
41 멜트 준비 장치의 입구
42 멜트 준비 장치의 출구
45 여과 장치
46 역류 싱글-피스톤 필터
47 연속 회전식 필터
50 계량 유닛
55 강제 차징 시스템
56 브릿지 방지 장치
57 섬유 절단 장치
58 건조 장치
60 쓰루풋 컨트롤
70 멜트 혼합기
71 간격
80 과립화 장치
85 스트랜드 펠레타이징 장치
90 안전 여과 장치
L 압출기 스크류(24)의 길이
D 압출기 스크류(24)의 직경
M 모터 드라이브
P 멜트 펌프

Claims (15)

  1. 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1)로서, 상기 고분자 기질 재료(2) 또는 상기 섬유 재료(5)는 각각 바람직하게는 주 부분으로서 재활용 고분자 폐기물(3) 또는 재활용 섬유 재료(5a)를 포함하고, 상기 장치는:
    상기 고분자 기질 재료(2)를 위한 주입구(11) 및 용융된 고분자 기질 재료(2)를 위한 배출구(12)를 가진, 상기 고분자 기질 재료(2)를 용융시키기 위한 제1 압출 장치(10),
    상기 제1 압출 장치(10)의 상기 배출구(12)에 연결된 입구(41) 및 정제된 고분자 기질 재료(4)를 위한 출구(42)를 가지는, 상기 용융된 고분자 기질 재료(2)를 정제하기 위한 멜트 준비 장치(40), 및
    제2 압출 장치(20)를 포함하고,
    상기 제2 압출 장치(20)는 상기 멜트 준비 장치(40)의 상기 출구(42)에 연결된 멜트 주입구(26)를 포함하고, 상기 멜트 주입구(26)의 상류에 배치된 상기 섬유 재료(5)를 위한 섬유 재료 주입구(27)를 포함하고,
    상기 제2 압출 장치(20)는 적어도 하나의 탈기 장치(31, 32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 멜트 준비 장치(40)는 여과 장치(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2 압출 장치(20)는 제1 탈기 장치(31)의 하류에, 제1 탈기 장치(31)로부터 측정된 때 제2 압출 장치(20)의 스크류(24)의 길이(L) 대 스크류(24)의 직경(D)의 비율이 15 내지 20으로 형성된 상기 압출기의 한 영역 내에 놓인 위치(23)에 바람직하게 배치된 제2 탈기 장치(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압출 장치(10)는 탈기 장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 압출 장치(20)의 섬유 재료 주입구(27)로 섬유 재료(5)를 공급하기 위한 강제 차징 시스템(55)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 강제 차징 시스템(55)은 브릿지 방지 장치(56) 및/또는 섬유 절단 장치(57) 및/또는 건조 장치(58)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 강제 차징 시스템(55)은 분말 야금 강 및/또는 강화된, 피복된, 또는 히프드 표면을 이용함으로써 마모 보호 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강제 차징 시스템(55)에는 쓰루풋 컨트롤(60)이 제공되어 있고, 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)의 실제 쓰루풋은 쓰루풋 탐지 장치를 이용하여 판정 가능하고, 상기 쓰루풋 컨트롤(60)은 상기 실제 쓰루풋과 선택 가능한 희망 쓰루풋을 비교하여, 상기 실제 쓰루풋과 상기 희망 쓰루풋의 편차가 최소화되도록 상기 강제 차징 시스템(55)의 재료 쓰루풋을 조절하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  9. 제 5항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강제 차징 시스템(55)에는 쓰루풋 컨트롤(60)이 제공되어 있고, 상기 쓰루풋 컨트롤(60)은 상기 복합 재료(7)의 실제 밀도의 측정을 수행하고, 측정된 실제 밀도와 선택된 희망 밀도를 비교하여, 상기 실제 밀도와 상기 희망 밀도의 편차가 최소화되도록 상기 강제 차징 시스템(55)의 재료 쓰루풋을 조절하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 압출 장치(20)의 하류 단부(25)에 배치된 다이내믹 멜트 혼합기(70)를 더 포함하고, 이를 이용하여 간격(71)이 조절 가능한 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 섬유 재료(5)의 최대 섬유 길이는 상기 다이내믹 멜트 혼합기(70)에서의 간격(71)을 선택함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융되고 정제된 고분자 기질 재료 및 섬유 재료의 혼합물을 과립화 유닛 또는 다른 방사 장치로 공급하는 서플라이 앞에 안전 여과 유닛(90)이 제공되고, 상기 여과 유닛은 한편으로는 뒤에 배치된 과립화 다이 또는 다른 방사 개구부의 구멍보다 작지만, 다른 한편으로는 적어도 0.5mm의 크기를 가지는 개구를 가지는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2)와 충진 재료로서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)를 생산하는 장치(1).
  13. 고분자 기질 재료(2) 및 충진 재료소서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)의 제조 방법으로서,
    상기 고분자 기질 재료(2)는 바람직하게는 주 부분으로서 재활용 고분자 폐기물(3)을 포함하고, 상기 방법은:
    - 상기 고분자 기질 재료(2)를 제1 압출 장치(10)로 주입하는 단계;
    - 상기 고분자 기질 재료(2)를 상기 제1 압출 장치(10) 내에서 용융 및 선택적으로 탈기(30)시키는 단계;
    - 바람직하게는 여과 장치(41)를 포함하는 멜트 준비 장치(40)를 이용하여 용융된 고분자 기질 재료(2)를 정제하는 단계;
    - 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)를 제2 압출 장치(20)로 공급하는 단계;
    - 섬유 재료(5)를 상기 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)의 서플라이의 상류측에서 제2 압출 장치(20)로 주입하는 단계;
    - 상기 섬유 재료(5) 및 상기 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)를 상기 제2 압출 장치(20) 내에서 혼합하는 단계;
    - 상기 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)와 상기 섬유 재료(5)를 상기 제2 압출 장치(20) 내에서 탈기(30)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2) 및 충진 재료소서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제2 압출 장치(20) 내에서,
    - 공급된 섬유 재료(5)는 상기 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)의 서플라이의 상류측에서 탈기(31)되고; 및/또는
    - 상기 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4) 및 상기 섬유 재료(5)의 혼합물(6)이 탈기(32)되는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2) 및 충진 재료소서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)의 제조 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 섬유 재료(5)는 강제 차징 시스템(55)을 이용하여 상기 제2 압출 장치(20)로 공급되고, 상기 강제 차징 시스템(55)에는 선택적으로 쓰루풋 컨트롤(60)이 제공되며, 상기 쓰루풋 컨트롤(60)은
    - 상기 용융되고 정제된 고분자 기질 재료(4)의 실제 쓰루풋을 판정하고, 상기 실제 쓰루풋을 선택 가능한 희망 쓰루풋과 비교하여, 상기 실제 쓰루풋과 상기 희망 쓰루풋의 편차가 최소화되도록 상기 강제 차징 시스템(55)의 재료 쓰루풋을 조절하고; 및/또는
    - 상기 복합 재료(7)의 실제 밀도의 측정을 수행하고, 측정된 실제 밀도와 선택 가능한 희망 밀도를 비교하여, 상기 실제 밀도와 상기 희망 밀도의 편차가 최소화되도록 상기 강제 차징 시스템(55)의 재료 쓰루풋을 조절하는 것을 특징으로 하는 고분자 기질 재료(2) 및 충진 재료소서 섬유 재료(5)를 포함하는 충진된 고분자 복합 재료(7)의 제조 방법.
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