KR20190113343A - 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캘린더 성형 법에서 표면 평활성과 특히 표면 광택이 우수하며 투명한 시트/필름을 생산하기 위한 열가소성 수지 시트/필름 제조 장치에 관한 것으로,
얇은 시트 성형에서 캘린더 롤 이후 탄성 롤과 금속 롤로 이루어지는 성형 롤 및 냉각 롤을 거치면서 두께 정밀도 및 표면 평활성이 향상되고 특히 표면 광택이 우수하며 특히 투명한 시트/필름을 제조하는 제조 장치에 관한 것이다.

Description

열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치 {THE DEVICE FOR MANUFACTURING THERMOPLASTIC-RESIN SHEET/FILM}

본 발명은 캘린더 성형 법에서 표면 평활성과 특히 표면 광택이 우수하며 투명한 시트/필름(이하, '시트'라고 한다)을 생산하기 위한 열가소성 수지 시트 제조 장치에 관한 것으로,

보다 구체적으로는 얇은 시트 성형에서 캘린더 롤 이후 탄성 롤과 금속 롤로 이루어지는 성형 롤 및 냉각 롤을 거치면서 두께 정밀도 및 표면 평활성이 향상되고 특히 표면 광택이 우수하며 투명한 시트를 제조할 수 있는 제조 장치에 관한 것이다.

열가소성 수지 시트를 성형하는 제조 방법은 광폭의 슬릿 다이 즉, 용융된 열가소성 수지를 얇은 막 상태로 압출하여 성형 롤 사이에서 협압과 동시에 냉각시켜 시트를 제조하는 T-다이 성형 법과, 서로 반대 방향으로 회전하는 4개의 캘린더 롤을 이용하여 수지 시트를 연속적으로 제조하는 캘린더 성형 법이 알려져 있다.

T-다이 성형 법은 얇은 막 상태로 압출되는 용융 수지 시트의 폭 전체 두께를 제어하기 위해서 수동 또는 자동의 다이 립 조정 장치가 이용된다. 용융 수지 시트의 평활한 표면을 얻기 위해서는 온도 조절된 성형 롤이 이용된다. T-다이 성형 법은 다른 성형 법에 비해 두께 정밀도 및 표면 평활성이 양호한 시트를 제조할 수 있는 이점이 있다.

캘린더 성형 법은 가소화 및 폴리염화비닐 (PVC)및 열가소성 수지를 고속으로 다품종 소량 생산할 수 있어 경제적으로 효율이 높은 수단으로 시트의 제조에 이용되고 있다. 특히 원료를 교체할 때 압출기에 비해 매우 짧은 시간에 교체할 수 있으므로 비용 절감 효과가 크고 생산성 및 경제적인 이점이 있다.

그러나 위 성형 방법은 다음과 같은 문제점들을 갖는다.

T-다이 성형 법은 캘린더 성형 법에 비해 생산성 및 경제적인 이점을 갖지 못하는데, 더욱이 다품종 소량 생산이 어렵고 두께가 얇고 폭이 넓은 시트를 제조하기에는 어려움이 있다. 즉, 용융된 열가소성 수지가 T-다이를 통해 압출되어 성형 롤 사이에서 협압과 동시에 냉각 고화되는 과정에서 두께가 얇고 폭이 넓은 시트의 제조가 곤란하다.

특히 T-다이 성형 법은 얇은 두께의 폭이 넓은 시트의 물성 향상이나 강성이 요구될 때 첨가되는 첨가제나 첨가량에 의해 T-다이로부터 압출되는 용융 수지에 줄이 나타나는 다인 라인이나, 피쉬 아이 등이 발생된다. 또한 T-다이 닙의 간격이 일정하고 정밀하게 조절되어야 하는 어려움이 있다.

캘린더 성형 법은 복수의 캘린더 롤에 의해 열가소성 수지를 압연하여 시트를 제조하는 방식으로, 폴리프로필렌 수지를 성형하기에는 어려움이 있었다. 폴리프로필렌 수지를 캘린더 성형기에서 성형할 경우 캘린더 롤 표면에 수지가 점착되어 롤 간 시트의 전이가 어렵고, 이로 인해 시트의 두께 정밀도 및 평활한 시트를 성형하는 것이 곤란하였다, 특히, 결정성 수지의 투명한 시트 또는 표면 광택이 우수한 시트를 제조하는 것이 불가능 하였다.

한편으로, 시트를 연소 폐기할 때 유해가스 발생 등의 환경 보호를 위하여 폴리염화비닐을 대신하여, 근래에는 폴리프로필렌 시트를 사용하는 것이 요구되고 있어 이러한 폴리프로필렌 시트 등을 생산성이 뛰어난 캘린더 성형기를 이용하여 제조하는 것이 검토되고 있다.

한편 종래 성형 방법들의 문제점을 해결하고자 다양한 시트의 제조 장치 및 제조 방법들이 제안되고 있는데, 등록특허 제10-585541호(2006.05.24.등록)가 있다.

등록특허 제10-585541호는 캘린더가 가능한 투명 필름 및 시트용 폴리프로필렌계조성물 및 이를 이용한 폴리프로필렌 투명 필름 및 시트의 제조 방법에 관한 것으로, 캘린더가 가능하도록 하기 위한 별도의 폴리프로필렌 수지를 준비하고 이를 210~270℃로 유지된 압출기에서 용융시키는 단계와, 제조된 용융물을 캘린더 롤 표면온도가 180~250℃로 유지된 캘린더를 이용하여 필름 및 시트로 제조하는 단계와, 형성된 필름 및 시트를 80~110℃로 급속 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그러나 등록특허 제10-585541호에 따른 제조 방법으로는 투명한 시트를 얻기에는 어려움이 있다.

그리고 일본 스미또모 사에서 등록받은 등록특허 제10-0860731호(2008.09.23.등록)가 있다.

등록특허 제10-0860731호는 한 쌍의 롤러로 구성된 제1 회전 성형 부재를 포함하는 성형장치를 사용하여 열가소성 수지를 함유하는 열가소성 수지 물질을 압연 성형함으로써 수지로 제조된 필름상 물질을 제조하기 위한 수지의 필름상 물질 제조방법을 제공하는 것으로, 열가소성 수지에 가해지는 선압, 제1 회전 성형 부재의 롤러의 주속도 및 표면 온도, 압연 후 수지로 제조된 필름상 물질의 두께 등을 조정하여 표면 평활성이 우수하고 필름 두께 정밀도가 높은 필름 제조를 위한 제조방법을 제안하고 있다.

특히 등록특허 제10-0860731호는 성형되는 시트/필름의 표면 평활성이 우수하고 미려한 외관을 갖춘 시트/필름의 제조가 어렵다는 종래 캘린더 성형법의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 열가소성 수지에 가해지는 선압, 제1 회전 성형 부재의 롤러의 주속도 및 표면 온도, 압연 후 수지로 제조된 시트/필름상 물질의 두께 등을 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명은 캘린더 성형 법에서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 캘린더 성형기를 사용하면서 이후 배치되는 성형 롤 및 냉각 롤을 거치도록 하여 얇은 시트 특히, 열가소성 수지의 폴리프로필렌 수지 시트를 제조하더라도 두께 정밀도 및 표면 평활성이 향상되고 특히 표면 광택이 우수하며 투명한 시트를 제조 할 수 있는 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치는,

캘린더 롤과 상기 캘린더 롤 이후 배치되는 성형 롤을 포함하고, 상기 성형 롤 중 하나는 탄성 롤인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 성형 롤 이후 적어도 2개 이상의 냉각 롤이 배치되어, 성형 롤 사이를 통과한 시트는 상기 적어도 2개 이상의 냉각 롤 표면을 거치면서 시트의 양면을 번갈아 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

시트의 양면을 번갈아 냉각시키되, 상기 적어도 2개 이상의 냉각 롤은 시트가 냉각 롤과 냉각 롤 사이를 통과할 때 냉각 롤 표면과 시트가 밀착되어 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 제조 장치에 있어, 상기 성형 롤의 표면온도가 80℃ 이상 ~ 결정화 온도 이하에서 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 제조 장치에 있어, 상기 성형 롤의 표면 온도가 10℃ 이상 30℃ 이하에서 급냉시켜 투명한 시트/필름이 제조되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 제조 장치에 있어, 상기 성형 롤의 표면을 경면으로 처리하여 표면 광택을 갖춘 시트/필름이 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 열가소성 수지의 폴리프로필렌 수지를 종래의 캘린더 성형기를 이용하여 얇은 시트를 성형할 수 있으며, 시트의 두께 정밀도 및 표면 평활성이 향상되고 특히 표면 광택이 우수하며 투명한 고품질의 시트를 고속으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시트의 제조 장치의 개략적 형상도.
도 1는 본 발명에 따른 성형 롤의 개략적 형상도.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열가소성 수지 시트의 제조 장치에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명은 특히 두께가 얇은 열가소성 수지 시트를 성형하기 위한 것으로, 박막 시트(예를 들면, 시트의 두께가 0.08 이상 0.6mm 이하의 시트)라고 칭한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열가소성 수지 시트의 제조 장치는 캘린더 롤(R) 및 테이크 오프 롤(D) 이후 배치되는 성형 롤(F)과 2개 이상의 냉각 롤(C)을 포함하는 것으로, 상기 성형 롤은 탄성 롤(T)을 포함한다.

한편 열가소성 수지를 종래의 캘린더 성형기를 이용하여 시트를 제조 할 때 수지가 캘린더 롤 표면에 점착되는 것을 방지하는 수단으로, 특히, 폴리프로필렌의 원료에 점착을 방지하거나 열 안정 효과를 높이기 위해서 첨가물을 혼합하는 방법이 제안되고 있다. 점착 방지제는 스테아린 산, 스테아릴 알코올, 스테아린 산 부틸, 왁스, 저분자량 폴리에틸렌, 유동 파라핀 등이 적용될 수 있다.

그러나 첨가물을 과다하게 첨가하면 오히려 혼련이 곤란하게 되거나 제품 표면에 배어 나오거나 투명성이 손상되거나 하는 등 열가소성 수지 시트 본래의 성능이 손상되는 문제가 있어 적당량으로 첨가하는 것이 바람직하다.

도 1을 참조하여, 압출기는 수지 원료(폴리프로필렌 수지)와 첨가물이 혼합된 조성물을 200 ~ 280℃로 용융 혼련하여 믹싱 밀 등을 거쳐 용융 수지를 캘린더 성형기로 공급한다.

전형적으로 캘린더 성형기는 3개의 뱅크가 형성되는 것으로 4개의 롤을 이용한다. 예를 들면, 롤은 L자형, 역L자형, Z자형 등으로 배치할 수 있다. 각 롤은 온도 제어 및 속도 제어를 할 수 있다.

압출기에서 용융 혼련된 용융 수지는 캘린더 성형기의 제1 롤(R1)과 제2 롤(R2)에 사이로 공급되고, 제1 롤(R1)과 제2 롤(R2) 간의 사이(간격)에서 압연하여 뱅크가 형성되어 통과된다. 제1 롤(R1)과 제2 롤(R2)은 공급되는 용융 수지를 롤 폭 전체에 고르게 펼치는 것을 돕기 위해서 서로 반대 방향으로 회전한다.

제1 롤(R1)과 제2 롤(R2) 사이를 통과한 용융 수지는 제2 롤(R)과 제3 롤(R) 사이로 이송되고, 제2 롤(R)과 제3 롤(R) 사이에서 압연하여 혼련이 이루어진 수지는 뱅크가 형성되어, 제3 롤(R)과 제4 롤(R4) 사이로 이송되고, 제3 롤(R)과 제4 롤(R) 사이에서 수지를 압연하여 혼련이 이루어진 용융 수지는 뱅크가 형성되어, 제3 롤과 제4 롤을 통과하고, 제4 롤(R4) 표면을 따라 접촉하면서 이송되는 과정에서 용융 수지는 용융 수지 시트로 형성된다.

캘린더 롤(R) 이후 테이크 오프 롤(D)을 배치하여 최종 롤(R4)로부터 용융 수지 시트가 원활하게 박리되도록 하고, 테이크 오프 롤(D)을 거친 용융 수지 시트는 이후 성형 롤(F)로 협압되고, 2개 이상의 냉각 롤(C)을 거치면서 제조된다.

시트의 두께는 캘린더 성형기의 제1 롤(R1)에서 제4 롤(R4)의 각 롤 사이(간격)와, 각 롤의 회전 속도를 순차적으로 빠르게 조절하는 것과, 테이크 오프 롤(D)과 성형 롤(F)의 회전 속도를 조절하여 시트의 두께를 결정할 수 있다.

일반적으로 캘린더 성형기에서 캘린더 롤(R)을 거치면서 수득된 시트는 표면이 우수하지 않다. 본 발명에서는 캘린더 롤(R)을 거친 용융 수지 시트를 탄성 롤(T)이 포함되는 성형 롤(F) 사이를 통과하는 과정을 거치면서 두께 정밀도 및 표면 평활성이 향상되고 특히 표면 광택이 우수하며 투명한 시트를 제조할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 성형 롤(F)은 탄성 롤(T)을 포함하는 것으로 탄성 롤(T)과 고강성의 금속 롤(S)로 이루어진다.

제3 및 제4 롤(R3, R4) 사이를 통과하면서 압연 성형되고 테이크 오프 롤(D)을 거친 용융 수지 시트는 탄성 롤(T)과 금속 롤(S) 사이를 통과하는데, 용융 수지 시트를 탄성 롤(T)과 금속 롤(S) 사이에서 협압하면, 탄성 롤(T)이 용융 수지 시트를 개제하여 금속 롤(S)의 외주 표면을 따라 접촉하면서 오목한 형상으로 탄성 변형된다. 이에 의해 탄성 롤(T)과 금속 롤(S) 사이에서 협압되는 용융 수지 시트는 면 접촉하여 성형되기 때문에 탄성 롤(T)과 금속 롤(S) 사이에서 협압되는 용융 수지 시트는 균일하게 협압된다. 이와 같은 방법으로 시트를 제조하면 두께가 일정하고 표면 평활성이 향상된 시트를 제조할 수 있다.

탄성 롤(T)의 시트 면접촉 거리는 2 ~10 mm가 바람직하고, 탄성 롤(T)과 금속 롤(S) 사이의 압력은 시트 성형의 적절한 접촉 길이가 제공되는 범위 내에서 적절하게 조절될 수 있다.

시트를 협압하는 선 압은 탄성 롤(T)을 금속 롤(S)에 가압하는 압력에 의해 결정될 수 있다. 시트를 협압할 때의 선 압을 제어하는 방법으로서는 탄성 롤(T)을 금속 롤(S)에 가압하는 부분 사이에 코터를 설치하고, 이 코터를 조정하여 롤 간격을 조절할 수 있다. 탄성 롤(T)을 금속 롤(S)에 가압하는 방법으로는 유압, 에어 등을 사용하여 코터에 접촉할 때까지 가압하는 일반적인 방법을 적용할 수 있다.

탄성 롤(T)은 금속 박막 외통(T10)을 구비한 탄성 롤(T)이 바람직하고, 한국등록특허 제10-1604402호 (2016.03.11.등록)에 개시된 탄성 롤이 사용될 수 있다.

박막 시트의 성형에서는 시트 양단부의 가장자리가 네크인(Necked-in) (용융 수지 시트의 폭 감소)에 의해 두꺼워져, 종래 고강성의 금속 롤에서는 시트 양단부의 두꺼운 부분만 협압되기 때문에 시트의 중앙 부분을 협압하지 못하게 된다.

본 발명의 탄성 롤(T)은 금속 박막 외통(T10)을 구비한 탄성 롤(T)로 하여 금속 박막 외통의 탄성 작용에 의해 시트 두께가 고르지 못한 상태에서도 유연하게 대응하여, 시트의 폭 전체를 균일하게 협압 할 수 있어 두께가 일정하고 표면을 평활하게 성형할 수 있다.

특히, 종래 고강성의 성형 롤로 협압하여 용융 수지 시트를 성형할 경우에 시트와 성형 롤 표면과의 밀착성이 저해되어 시트 폭 방향의 냉각에 불균일한 부분이 생길 수 있어, 얇은 시트의 성형에는 유연성 있는 탄성 롤(T)이 유용하고 유효하다.

탄성 롤(T)의 금속 박막 외통(T10)은 탄소강이나 스테인리스강 등으로 형성되고, 그 두께는 0.6 ~ 3mm 정도가 바람직하다. 그리고 가요성을 갖추고, 용접 이음매가 없는 심리스 구조이다.

금속 박막 외통(T10)의 표면을 경면으로 처리하여 표면 광택을 갖춘 시트를 얻을 수 있다. 그리고 표면을 요철이나 패턴 처리하면 시트 표면에 그 형상을 전사할 수 있다. 금속 박막 외통(T10)의 표면조도는 0.2S 이하가 바람직하다.

금속 롤(S)의 표면 조도는 0.2S 이하가 바람직하고, 금속 롤(S)의 표면은 요철 또는 패턴을 형성시킬 수 있고, 또는 경면으로 처리하여 시트의 표면이 경면으로 전사되어 표면 광택을 갖춘 시트를 얻을 수 있다.

탄성 롤(T)과 금속 롤(S)의 내부로는 유체가 순환하고, 온도 조절 장치에 의해 유체의 온도를 조절함으로써 탄성 롤(T)과 금속 롤(S)의 표면 온도가 조절된다.

시트의 두께가 0.6 mm이하의 박막 시트는 냉각이 빠르게 이루어지므로 탄성 롤(T)과 금속 롤(S) 사이에 밀착하여 시트 양면을 동시에 면 접촉시켜 냉각하는 것이 필요하다.

그리고 탄성 롤(T)과 금속 롤(S)은 모터에 연결되고 회전 속도 조정 장치(도시하지 않음)에 의해 각 롤의 회전 속도를 조정할 수 있도록 구성된다.

다음으로 본 발명에 따른 열가소성 수지 시트 제조 장치에서, 캘린더 롤(R)과 테이크 오프 롤(D)을 거친 용융 수지 시트는 성형 롤(F)에서 협압과 동시에 냉각이 이루어지면서, 이후 냉각 롤(C)을 거치면서 최종 냉각되어 두께 정밀도 및 평활성이 향상되고 표면 광택이 우수한 시트를 제조할 수 있다.

특히 본 발명에 따른 열가소성 수지 시트 제조 장치에서, 성형 롤(F)의 표면 온도에 따라 투명한 시트 또는 불투명한 시트를 얻을 수 있다.

구체적으로, 성형 롤(F)에서 협압과 동시에 냉각이 이루어지는 시트를, 표면온도가 10℃ 이상 30℃ 이하로 설정된 성형 롤(F)을 거치면서 급냉시켜 표면 평활성이 향상되고 표면 광택이 우수한 투명한 시트를 얻을 수 있고,

표면 온도가 80℃ 이상 결정화 온도 이하로 설정된 성형 롤(F)을 거치면서 냉각이 이루어져 표면 평활성이 향상되고 표면 광택이 우수한 강성의 시트를 얻을 수 있다.

다음으로 성형 롤(F)을 통과한 수지 시트는 금속 롤(S) 표면을 따라 접촉하면서 이송되고, 이후 배치된 적어도 2개 이상의 냉각 롤(C)을 거치면서 시트의 양면이 번갈아 냉각되는데,

본 발명에서는 성형 롤(F) 이후 적어도 2개 이상의 냉각 롤(C)을 배치하여 시트가 냉각 롤(C) 표면을 거치면서 시트의 양면을 번갈아 냉각하여 시트 양면의 온도 편차를 최소화할 수 있어 평활한 시트를 고속으로 제조할 수 있다.

냉각 롤(C)은 고강성의 금속 롤로서 성형 롤(F)을 거친 시트를 최종 냉각하는 롤로서, 롤 내부를 순환하는 유체에 의해 냉각 롤의 표면 온도가 조절된다. 냉각 롤(C)은 2중관 구조의 일반적으로 사용되는 롤을 사용할 수 있다. 냉각 롤(C)은 유체 온도 조절 장치(도시하지 않음)에 의해 표면 온도가 조절된다. 각 냉각 롤(C)은 모터에 연결되어 구동 장치(도시하지 않음)에 의해 회전 속도를 조정할 수 있다.

상기 냉각 롤(C)은 성형 롤(F)에서 성형 및 냉각이 이루어지는 시트를 성형 롤(F) 이후 배치되는 냉각 롤(C)과 냉각 롤(C) 사이를 통과할 때 시트의 양면을 냉각 롤(C) 표면에 밀착시켜 냉각할 수 있다.

시트 양면을 냉각 롤(C) 표면에 밀착시켜 그 사이로 공기가 빨려 들어가지 않도록 하여 공기층을 개재시키지 않고 수지 시트를 냉각시킬 수 있어 냉각 롤(C)에 의한 시트와의 열 교환이 빠르게 이루어지도록 하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

시트를 냉각 롤(C)에 밀착시킬 때 냉각 롤과 냉각 롤 간의 간격 조절은 냉각 롤(C)을 가압 하는 부분에 코터를 조정함으로써 롤 간격을 조절할 수 있다. 냉각 롤(C)과 냉각 롤(C)의 간격 조절은 유압, 에어 등을 사용하여 소정의 압력으로 코터에 접촉할 때까지 가압하는 방법을 적용할 수 있다.

상기 냉각 롤(C)의 표면 온도는 20℃이상 50℃이하인 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
R: 캘린더 롤 D: 테이크 오프 롤
F: 성형 롤
T: 탄성 롤 S: 금속 롤
C: 냉각 롤

Claims (6)

1. 캘린더 롤과,
   상기 캘린더 롤 이후 배치되는 성형 롤을 포함하고,
   상기 성형 롤 중 하나는 탄성 롤인 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 성형 롤 이후 적어도 2개 이상의 냉각 롤이 배치되어,
   성형 롤 사이를 통과한 시트는 상기 적어도 2개 이상의 냉각 롤 표면을 거치면서 시트의 양면을 번갈아 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치.
3. 제 2 항에 있어서.
   상기 적어도 2개 이상의 냉각 롤은 시트가 냉각 롤과 냉각 롤 사이를 통과할 때 냉각 롤 표면과 시트가 밀착되어 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 성형 롤의 표면온도가 80℃ 이상 ~ 결정화 온도 이하에서 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 성형 롤의 표면 온도가 10℃ 이상 30℃ 이하에서 급냉시켜 투명한 시트/필름이 제조되는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 성형 롤의 표면을 경면으로 처리하여 표면 광택을 갖춘 시트/필름이 제조되는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지 시트/필름의 제조 장치.

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