KR20180029028A - 폴리머 용융물의 신장 점도를 결정하기 위한 측정 노즐 - Google Patents

폴리머 용융물의 신장 점도를 결정하기 위한 측정 노즐 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직사각형의 단면을 가지며 각기 일정 단면을 갖는 유입부(1)와 배출부(2) 사이에 전이부(3)를 갖는 유동 채널(flow channel)을 포함하며, 전이부는 두 개의 서로 대향하는 채널 벽들(6, 7)사이에서 유동 방향(8)으로 쌍곡선으로 테이퍼지는, 공정 중 폴리머 용융물의 신장 점도를 결정하기 위한 측정 노즐에 관한 것이다. 유리한 측정 조건을 제공하기 위해, 전이부(3)는 두 개의 쌍곡선 채널 벽들(6) 사이의 두 개의 채널 벽들(7)의 상호 거리가 유동의 방향(8)으로 지속적으로 감소하는 유입-측 존(4)과, 유입-측 존에 인접하고 쌍으로 서로 대향하여 배치된 두 채널 벽들(6, 7)이 서로 평행하여 연장하는 배출-측 존(5)을 포함하며, 한편 그들 사이에 배열된 두 개의 채널 벽들(7)은 유동 방향(8)으로 쌍곡선으로 수렴하도록 제안된다.

Description

폴리머 용융물의 신장 점도를 결정하기 위한 측정 노즐
본 발명은, 직사각형의 단면(rectangular cross-section)을 가지며 각기 일정 단면(constant cross-section)을 갖는 유입부(inlet section)와 배출부(outlet section) 사이에 전이부(transitional section)를 갖는 유동 채널(flow channel)을 포함하며, 전이부는 두 개의 대향하는 채널 벽들(two opposing channel walls)사이에서 유동 방향으로 쌍곡선으로(hyperbolically) 테이퍼(tapers)지는, 공정 중 폴리머 용융물(polymer melts)의 신장 점도(extensional viscosity)를 결정하기 위한 측정 노즐에 관한 것이다.
측정 노즐의 유동 채널의 테이퍼(tapering)의 상류(upstream) 및 하류(downstream)에 배열된 압력 센서에 의해 신장 점도를 결정하는 것은 유동 채널의 테이퍼링 섹션(tapering section)에서의 폴리머 용융물의 일정 평균 변형율(constant mean strain rate)을 전제로 한다. 이러한 목적을 위해, 각기 일정 단면의 유입부 및 배출부, 및 유입 단면이 배출 단면이 되도록 테이퍼를 형성하는 전이부를 갖는 측정 노즐에 있어서, 전이부는 테이퍼링을 형성하기 위한 쌍곡선 코스(hyperbolic course)를 갖는 두 개의 상호 대향하는 채널 벽들(two mutually opposite channel walls)을 포함하나, 그렇지 않으면 수렴하는(converging) 채널 벽들과 서로 평행하게 연장하는 채널 벽들 사이에 직사각형의 단면을 가지며, 채널 벽들은 서로 수렴하는 측정 노즐을 제공하는 것이 공지되어 있다 (US Pat. No. 5,357,784, US Pat. No. 6,220,083 B1).
측정 노즐의 유입부와 배출부 사이의 전이부의 이러한 기하구조의 결과로, 대체로 일정한 평균 변형율이 폴리머 용융물을 위해 확보될 수 있지만, 상대적으로 낮은 압력 강하(pressure drop)라는 단점이 있으며, 이는 측정 정확도 에서 더 높은 요구가 있는 경우에 사용되는 압력 센서의 높은 응답성(high responsiveness)을 필요로 한다. 이러한 압력 센서가 측정 노즐 내로 드릴된 측정 모세관(measuring capillaries)을 통해 유동 채널의 유입부와 유출부(inflow and outflow sections)에 연결되고 이 측정 모세관에서 디포짓(deposits)의 위험을 수반한다는 사실을 별개로 하더라도, 상용(commercially available) 압력 센서들은 측정 정확도를 위한 요건을 거의 충족시킬 수 없다.
따라서 본 발명은 상용 압력 센서들의 사용함에도 폴리머 용융물의 신장 점도를 충분한 측정 정확성이 확보될 수 있는 방식으로 결정하기 위한 측정 노즐을 설계하는 목적에 기초한다.
앞서 기재된 종류의 측정 노즐을 기반으로 하여, 본 발명은 전이부가 두 개의 쌍곡선 채널 벽들 사이의 두 개의 채널 벽의 상호 거리가 유동 방향으로 지속적으로 감소하는 유입-측 존(inlet-side zone) 및 유입-측 존에 인접하고 쌍으로 서로 대향하여 배치된 두 채널 벽이 서로 평행하게 연장하는 배출-측 존(outlet-side zone)을 포함하는 한편 그들 사이에 배열된 두 채널 벽들은 유동 방향으로 쌍곡선으로 수렴하는 것으로 주어진 문제(set problem)를 달성한다.
전이부가, 쌍으로 서로 대향하도록 배치된 채널 벽들에 대해, 한 쌍이 유동 방향으로 쌍곡선으로 다른 쌍으로 지속적으로 수렴하는 한편 일정 평균 변형율을 위한 유동 조건을 유지하는 유입-측 존 및 쌍으로 서로 대향하도록 배치된 한 쌍의 채널 벽이 또한 쌍곡선으로 수렴하는 한편 다른 쌍은 일정한 상호 거리를 갖는 배출-측 존으로 분리되는 결과, 일정 평균 변형율이 우세(prevails)한 유동부(flow section)의 연장이 가능할 수 있다. 이는 압력 손실에서 증가를 초래하며, 그로부터 신장 점도가 계산되고, 따라서 본 발명에 따른 측정 노즐과 연계되어 중등도의 응답성에도 측정 정확도를 위한 더 높은 요건을 충족할 수 있는 상용 압력 센서의 사용을 위한 설계 전제조건(prerequisites)을 제공한다.
본 발명에 따른 측정 노즐의 기하구조적 전제조건은 상용 압력 센서가 연결 스레드(connecting thread)를 통해 유동 채널의 적어도 유입-측 섹션(inlet-side section)에 직접 연결되게 한다. 만일 전이부의 배출-측 존의 평행한 채널 벽들이 유동 채널의 폭을 한정(delimit)하여 유입-측 존에서 채널 폭의 테이퍼링 이후 유동 채널의 폭에서 변화가 초래되지 않는다면, 상용 압력 센서는 상용 압력센서의 측정 모세관을 피하면서 측정 노즐의 배출-측 섹션(outlet-side section)에서 유동 채널에 직접적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 요지가 도면에서 일 예로서 도시되며:
도 1은 본 발명에 따른 폴리머 용융물의 신장 점도를 결정하기 위한 측정 노즐의 개략적이고, 부분 절취된 평면도를 도시하고,
도 2는 도 1의 II-II선을 따른 측정 노즐의 단면도를 도시하며,
도 3은 측정 노즐의 유입부 및 배출부 사이의 전이부의 길이 방향 단면에서의 확대도를 도시한다.
도시된 측정 노즐은 예를 들어 압출 성형기(extruder)에 연결될 수 있는 유입부(1), 배출부(2), 그리고 유입부 및 배출부(1, 2) 사이의 전이부(3)를 포함하는 폴리머 용융물을 위한 유동 채널을 형성한다. 유동 단면은 노즐 길이 전부에서 지속적으로(continuously) 직사각형이다. 전이부(3)에서, 유입부(1)의 유동 단면은 배출부(2)의 단면으로 줄어드는데, 유입부(1)와 비교하여 폭 및 높이 둘 다에 대해 감소하며, 즉 전이부(3)에서 일정 평균 변형율을 보장하는 유동 조건하로 감소된다. 이 목적을 위해, 전이부(3)는 각기 다른 기하구조 형태를 지닌 유입-측 존(4) 및 배출-측 존(5)으로 세분된다(subdivided). 유입-측 존(4)에서, 쌍으로 서로 대향하는 채널 벽들(6, 7)의 두 개의 채널 벽들(6)은 쌍곡선으로 수렴하는 한편 다른 채널 벽 쌍의 채널 벽들(7)의 상호 간격은 유동 방향(8)으로 점차, 바람직하게는 선형으로, 감소한다. 유입-측 존(4)에서 일정 평균 변형율을 얻기 위하여, 직사각형 단면(rectangular cross-section)의 폭 y는, 노즐 종방향에서의 위치 x에서, 다음의 조건을 만족시켜야 하며,
y = C/(a + k1.x).z
여기서 C, a 및 k1는 유동 조건에 종속적인 상수이고, z는 위치 x에서의 단면의 절반높이이다. 높이에서의 선형 감소의 경우, 도 1 및 3에서 도시되 듯, 유입-측 섹션(1)의 단면의 중심 X축 및 높이 H 및 노즐 축에 관계된 관련 채널 벽(7)의 기울기(inclination)에 대한 경사(slope) k2가 가정되었을 때, z = H/2-k2 x 가 성립된다.
채널 벽들(6, 7)의 한 쌍이 일정 평균 변형율을 유지하기 위하여 인접한 하류-측 존(downstream-side zone, 5)에 평행하게 가이드되는 한편, 다른 한 쌍은 쌍곡선 기능에 따라 유동 방향(8)으로 수렴한다. 예시적 실시예에서, 유동 채널의 높이를 결정하는 채널 벽들(7)은 수렴하여 존(5)의 영역(region)에서 테이퍼링하는 이 채널로부터 채널 폭의 감소가 초래되지 않는다. 이러한 환경은, 유입부(1) 부위(area)에서뿐만 아니라 배출부(2) 부위에서도, 상용 압력 센서를 직접적으로 유동 채널에 연결하는 것이 가능하게 한다. 예시적 실시예에서, 이는 연결 보어(9)로 표시된다.
측정 노즐의 특정한 기하구조적 형태 때문에, 전이부(3)의 길이 범위가 공지된 측정 노즐과 비교하여, 폴리머 용융물의 신장 점도의 결정을 위한 전제 조건으로서 일정 평균 변형율을 유지할 수 있게 하는 것만큼, 증가된다. 압력 강하에서의 관련된 증가는 측정 노즐을 더 민감하게 하여 상용 압력 센서를 이용하더라도 충분히 정확한 측정 결과가 얻어질 수 있다.

Claims (2)

  1. 직사각형의 단면(rectangular cross-section)을 가지며 각기 일정 단면을 갖는 유입부(inlet section, 1)와 배출부(outlet section, 2) 사이에 전이부(transitional section, 3)를 갖는 유동 채널(flow channel)을 포함하며, 전이부는 두 개의 서로 대향하는 채널 벽들(6, 7)사이에서 유동 방향(8)으로 쌍곡선으로(hyperbolically) 테이퍼(tapers)지는, 공정 중 폴리머 용융물(polymer melts)의 신장 점도(extensional viscosity)를 결정하기 위한 측정 노즐에 있어서, 전이부(3)는 두 개의 쌍곡선 채널 벽들(6) 사이의 두 개의 채널 벽들(7)의 상호 거리(mutual distance)가 유동의 방향(8)으로 지속적으로 감소하는 유입-측 존(4)과, 유입-측 존에 인접하고 쌍으로 서로 대향하여 배치된 두 채널 벽들(6, 7)이 서로 평행하여 연장하는 배출-측 존(5)을 포함하며, 한편 그들 사이에 배열된 두 채널 벽들(7)은 유동 방향(8)으로 쌍곡선으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 측정 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 전이부(3)의 배출-측 존(5)의 평행한 채널 벽들(6)은 유동 채널의 폭을 한정(delimit)하는 것을 특징으로 하는 측정 노즐.
KR1020187000384A 2015-06-08 2016-06-07 폴리머 용융물의 신장 점도를 결정하기 위한 측정 노즐 KR102231204B1 (ko)

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