KR890000987B1

KR890000987B1 - 열가소성 수지제품의 고상 성형용 압축분의 성형방법

Info

Publication number: KR890000987B1
Application number: KR1019860700329A
Authority: KR
Inventors: 제이.클리어맨 케네드; 칼 래스포 오.; 에프. 버메스터 알란
Original assignee: 더 다우 케미칼 캄파니; 리차드 지. 워터맨
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1989-04-15
Also published as: US4510108A; KR870700479A; EP0179171A3; WO1986002034A1; EP0179171A2; EP0179171B1

Abstract

내용 없음.

Description

열가소성 수지제품의 고상 성형용 압축분의 성형방법

열가소성 수지제품의 고성 성형용 압축분의 성형방법

미합중국 특허 제4,323,531호에는 중합체 수지분말을 브리케트(briquette)로 압축시키고 소결시킨후 단조시키고, 필요한 경우 제품으로 성형시켜, 중합체 수지 분말로부터 열가소성 수지제품을 제조하는 방법이 기술되어 있다. 이 방법은 필수적으로 스크랩이 발생치 않으며 용융성형 단계를 수행할 필요가 없다. 전술한 방법에서는 대부분의 열가소성 수지분말로부터 만족스러운 제품을 용이하게 성형할 수 있지만, 어떤 수지분말을 사용할 경우 및 대부분의 경우에는 허용된 생산속도로 성형하는데 난관에 봉착할 수 있다. 본 발명은 이 방법을 개선하여 압축분(blanks : 壓縮粉)(브리케트로부터 수득함)을 단조하여 필수적으로 공극, 균열 또는 결점이 없으며 강인한 예비성형물로 만드는 공정이 대부분의 수지분말을 사용할 경우에도 만족스럽게 신속한 속도로 수행될 수 있도록 한 것이다. 따라서, 본 발명은 성형 작업 단계를 단순화시킨, 필수적으로 스크랩이 없는 개선된 방법에 관한 것이다. 본 발명 방법에서는, 열가소성 수지 분말을 근본적으로 성형시키기 어려운 수지분말일 경우에도 직접 생산속도로 성형시켜 고품질의 생성물을 제조한다.

더욱 특히, 본 발명은 열가소성 수지분말을 완전한 용융단계를 거쳐 처리할 필요없이 생산속도로 직접 제품으로 성형시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명 방법의 하나의 특이한 이점은 대부분의 수지제품을 용이하게 제조할 수 있다는 점에 있다. 본 발명 방법은 목적하는 제품을 제조하기에 충분한 양의 열가소성 중합체 수지분말을 압축시켜 브리케트(briquette)를 제조하고, 브리케트를 최초 수지분말의 결정도의 약 20%이상 약 90%이하를 용융시키기에 충분한 시간 및 온도로 소결시키고, 브리케트를 온화한, 바람직하게는 통풍식 재가압장치 내에서 재압축시켜 압축분을 성형시킨 후 압축분을 단조시켜 표준 열성형법에 의해 열성형될 수 있는 예비성형물로 성형시키고, 생성된 예비 성형물이 목적하는 최종제품의 형태가 아닐 경우에는 완제품으로 성형시키는 단계를 포함한다. 소결단계에서 용융비율은 20 내지 90%이어야 하며 소결단계에서의 바람직한 용융범위는 40 내지 80%일 수 있다. 브리케트로 성형되는 분말은 실온에서 존재할 수 있거나 예열할 수 있으며 총처리 작업을 촉진시킬 수 있도록 온도를 결정한다. 본 발명의 또하나의 방법에서는 재압축 단계전에 브리케트를 예열시킴으로써 재압축후에 소결반응이 일어날 수 있다.

본 발명은 특히 (a) 미처리 강도(green strength)를 갖는 브리케트를 예열시켜 브리케트 중심부의 온도가 브리케트를 구성하는 열가소성 중합체 수지분말의 용융온도보다 낮게 되도록 하고, (b) 브리케트가 현저하게 가소화되지 않고 브리케트의 기본적인 형상이 변화되지 않게 브리케트를 단계(a)에서의 온도와 동일한 온도에서 재가압하여 압축분을 형성시키고, (c) 압축분을 더욱 가열하여 압축분의 중심부의 온도가 (a)단계의 온도보다 높고 용융온도보다는 낮게 되도록 하며, (d)열가소성 중합체 수지 분말이 완전히 용용되지 않은 압축분을 연화시키고 소결시키기에 충분한 시간동안 보다 고온으로 유지시키고, (e) 압축분을 현저히 플러그 유동변형시키고 압축분을 형성하는 열가소성 중합체 수지분말을 현저히 융합시키는, 상기 온도보다 높은 온도에서 압축분을 유지하면서 압축분을 제품으로 단조시키는 단계를 포함하여, 제품을 제조하기에 충분한 양의 열가소성 중합체 수지물질 분말을 미처리 강도를 갖는 브리케트로 압축시킴으로써 열가소성 중합체 수지물질 분말로부터 제품을 성형하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 (a) 브리케트를 실온이상 내지 열가소성 중합체 수지물질의 용융온도 미만의 온도범위로 가열하고, 브리케트를 연화시키고 소결시키기에 충분한 시간동안 동일한 온도를 유지하고, (b) 브리케트가 현저하게 가소화되지 않고 브리케트의 기본적인 형상이 변화되지 않게 브리케트를 단계 (a)에서의 온도와 동일한 온도에서 재가압하여 압축분을 형성시키고, (c) 압축분을 현저히 플러그 유동변형시키며 압축분을 구성하는 열가소성 중합체 수지물질 분말을 현저히 융합시키는 온도범위내의 온도에서 압축분을 유지하면서 압축분을 제품으로 단조시키는 단계를 포함하여, 제품을 제조하기에 충분한 양의 열가소성 중합체 수지물질 분말을 미처리 강도를 갖는 브리케트로 압축시킴으로써 수지물질 분말로부터 제품을 성형하는 방법에 관한 것이다.

제1도는 본 발명이 그에 비하여 개선된 선행 발명의 단계를 나타내는 개략도이다. 단계는 (A) 내지 (E)로 표시되며, 여기에서 수지물질의 분말을 예비성형물로 성형한후 용기로 성형한다.

제2도는 본 발명의 단계를 (AA) 내지 (GG)로서 표시하는 유사한 개략도이며, 여기에서 수지물질의 분말을 예비성형물로 성형한후, 필요한 경우, 이어서 제1도의 (E)단계에서와 같이 용기로 성형한다.

제3도는 단계 (AAA) 내지 (FFF)로 표시되는, 본 발명의 변형 방법의 단계를 나타내는 유사한 개략도이다. 여기에서는 후속하는 용기로의 열성형법은 필요한 경우 제1도의 (E)단계에서와 같이 수행할 수도 있다.

제4도 내지 제6도는 소결 단계에 의해 영향받는, 본 발명에 의해 제조된 제품의 여러가지 기계적 특성을 나타낸다.

본원에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다 : “소결법(sintering)”은 가압하에 압축된 입자들의 퇴적물을 입자 계면 또는 경계를 접촉시켜 일반적으로 완전히 용융시키지 않고 일정한 시간동안 상승온도의 영향하에서 이들 입자를 물리적으로 및/또는 화학적으로 결합시켜 응집체(coherent body)를 제조하는 방법이다.

“단조법(forging)”은 수지 입자를 융합시켜 예비성형물 또는 제품이 통상적인 용융성형법에 의해 제조될 경우 보유하는 것과 동일한 밀도 및 동일하거나 개선된 기계적 특성을 일반적으로 갖는 예비성형물 또는 제품을 제조하는 방법이다.

“플러그 유동(plug flow)”은 압축분이 필수적으로 다축 만곡형으로 변형되어 물질의 두께를 통하여 속도구배가 비교적 일정한 상태이다. 이는 속도가 성형면에서 0으로부터 성형 중심 부근에서 최대까지 변동하는 점성상태의 중합체의 통상적인 성형에서 관찰되는 통상적인 포물선 유동 형태와 비교된다. 플러그 유동은 물질의 두께를 통하여 비교적 일정한 속도가 성형면에서의 마찰력을 감소시킴으로써 달성되는 상태이다. 이는 압축분과 접촉 금속 표면 사이에 윤활제를 가하면 통상적으로 이루어질 수 있다. 왜냐하면 현재 알려져 있는 수지들은 거의 이러한 목적에 충분할만큼 자활성(self-lubricating)이 없기 때문이다.

“미처리 강도(green strength)”는 브리케트내의 수지분말이 지지물 없이 하나의 단위로서 이동할 수 있을만큼 충분한 치밀성 및 접착력을 가짐을 의미한다.

“결정도(crystallinity)”는 주어진 시료중의 물질이 일반적으로 규칙적이며 주기적인 배열(통상 결정으로 알려져 있음)로 배열된 정도를 의미한다. 결정도는 통상적으로 시료 밀도, 용융시 흡수되는 열 또는 불연속 X-선 회절무늬의 강도를 측정함으로써 측정한다.

“용융도(degree of melting)”는 열처리 단계에서 용융된 결정성 열가소성 수지물질중에서의 최초결정도의 %를 의미한다. 예를들어, 미가열 시료는 0%의 용융도를 가지는 반면, 완전히 용융된 시료는 100%에 상당하는 용융도를 가진다.

“재가압(repressing)”또는“재압축(recompressing)”은 원래의 브리케트를 현저히 변형시키지 않고 브리케트로 최초 압축시킨 수지물질 분말을 재압축시키는 것을 의미한다. 브리케트의 물질은 따뜻할 동안 재압축시키면 더욱 조밀화되어 압축분이 형성된다.

“융점”또는“피크 용융온도”(Tp)는 통상적인 차동주사열량계(differenti al scanning calorimeter : DSC) 측정에서 알 수 있는 바와같이 흡열 용융 피크의 극대치에 의해 표시되는 온도를 의미한다.

무정형 중합체의 “알파 전이온도”(Tα)는 유리전이점인 것으로 생각된다. 결정성 중합체의 경우에 알파전이온도는 중합체의 융점 이하의 50 내지 100℃의 온도에서 종종 관찰되는 결정 영역과 관련된 에너지 손실 피크로서 인정된다.

“예비가열(preheating)”은 Tp이하의 온도에서, 바람직하게는 수지물질 분말의 결정 구조의 용융이 거의 또는 전혀 일어나지 않는 온도에서 브리케트를 가열함을 의미한다.

제1도는 미합중국 특허 제4,323,531호에 상세히 기술되어 있는 바와 같이 수지물질 분말로부터 예비성형물을 직접 성형시키는 고상법을 도시하는 개략도이다. 이러한 방법은 방법(Ⅰ)로서 간주된다. 간단히 말하면, 완성품을 제조하는데 충분한 양의 수지물질 분말(10)은 (A)단계에서 측정하며 그후 (B)단계에서 브리케트(12)로 압축한다. 브리케트를 (C)단계에서 약 알파전이온도 내지 그의 용융온도 미만의 범위의 온도로 가열한후 브리케트를 연화시키기에 충분한 시간동안 상기 온도에서 유지시키고 현저히 융합되지 않은 브리케트를 소결시키면 압축분이 형성된다. 그후 압축분(12)을 (D)단계에서 압축반(16) 사이에서 단조시켜 예비성형물(18)(또는 예비성형물이 목적하는 완성품의 형태를 가질 수 있을 경우에는 최종제품)로 성형시킨다. 압축분은 단조시킬 경우 압축분을 현저히 플러그 유동변형시키며 압축분을 구성하는 분말을 현저히 융합시키는 전술한 온도범위내의 온도로 유지되면 예비성형물 또는 최종 제품이 생성된다. 예비성형물(18)은, 예비성형물로서 성형될 경우에는 열성형 다이(22)로 운반시킬 수 있으며, 그후 (E)단계에서 예시된 바와 같이 통상적인 열성형법에 의해 용기(20) 또는 기타 생성물로 성형시킬 수 있다.

방법(Ⅰ)은 약간의 수지물질 분말에 대하여는 잘 적용되지만 특정 수지분말로부터 생성물을 성형시킬 경우에는 약간의 한계가 있음이 발견되었다. 어떤 분말은 브리케트로 압축시키기 어렵다. 어떤 분말은 단조시 공극을 발생시킨다. 수지 입자들의 조밀화 전에 수지가 팽창되므로 장시간 가열할 필요가 있다. 방법(Ⅰ)의 공정은 때로는 제조분야에 적용할 경우 바람직한 것보다 느릴 수 있다. 후술하는 본 발명의 방법들은 이들 처리하기 어려운 열가소성 수지물질 및 특히 동시에 성형법의 능률을 올릴 경우에는 대부분의 열가소성 수지물질을 성형시킬 수 있다.

본 발명 방법의 하나의 형태로는 제2도에 도시되어 있는 방법(Ⅱ)가 있다. 이 방법에서는 목적하는 제품을 형성시키기에 충분한 양의 수지분말(24)가 (AA)단계에서 제공된다. 이 분말을 실온에서 유지시키고 (BB)단계에서 미처리 강도를 갖는 브리케트 (26)으로 압축시킨다. 압축압력 및 압축 체류시간은 근본적으로 선행기술, 즉 제1도의 방법(Ⅰ)에서 사용되는 것과 같다. 브리케트(26)를 순환용 공기 오븐, 적외선 오븐 또는 고주파 가열장치와 같은 가열 조건에 투입하고, (CC)단계에서 이를 예열시킨다. 브리케트(26)의 중심온도가 바람직하게는 Tp이하, 즉 15 내지 35℃의 온도에 도달할 경우 예열된 브리케트를 오븐에서 제거하고 재가압 장치내에서 (DD)단계에서 실온이상의 온도하에 재가압시키면 압축분이 형성된다. 재가압장치는 또한 브리케트 자체와 거의 동일한 온도일 수 있다. 압축 또는 재가압 단계에서 통기(Venting)시키거나 감압 배기시킬 수 있다.

(DD)단계에서 수득한 가열 압축분(26)은 재가압후 즉시 (EE)단계에서 냉각시켜 추가 처리할 수 있거나, 예를 들면 (CC)단계에서 사용되는 압축분과 같이 또하나의 오븐에 직접 사용할 수 있다. 그러나, 압축분(26)은 압축분내의 수지물질의 용융도가 20 내지 90%에 도달할때까지 오븐내에서 유지한다. 그러므로, 정상적으로 압축분의 중심이 Tp보다 1 또는 2℃이하만큼 낮은 온도로 유지될 수 있으며 현저한 용융물 유동이 전혀 일어나지 않는다. 다음에 소결된 압축분을 (GG)단계에서 단조시켜(고체상 성형) 예비성형물 또는 제품(28)을 생성시킬 수 있다. 예비성형물(28)이 (GG)단계에서 완성품의 모양이 아닐경우에는 전통적인 열성형 단계를 추가할 수 있다. 예를들면, 전형적인 고분자량의 고밀도 폴리에틸렌의 경우에 재가압 장치를 100 내지 135℃의 온도로 가열할 수 있다. 재가압 압력은 통상적으로 210 내지 700Kg/cm²이며 체류시간은 약 5초이다. 재가압 장치 온도는 재가압되기 전에 압축분이 냉각되지 않을 경우 중요하지 않다. 재가압 장치가 고온인 것은, 가능하다면, 압축분이 재가압 장치에 접착될 수 있고 그러므로 제거되기 어려우므로 바람직하지 않을 수 있다. 그러나, 실리콘 피복물과 같은 윤활제를 사용하여 장치 표면에 윤활성을 부여함으로써 점착성을 현저히 제거할 수 있다.

본 발명의 방법(Ⅱ) 및 제1도의 방법(Ⅰ) 사이의 주요한 차이점은 소결시키기 전에 브리케트를 예열시키며 가온장치에서 재가압시킨다는 점에 있다. 용융물상 온도에서 재가압시키지 않는 이유는 본 발명의 고상성형법의 재가압 단계에서 현저한 가소화 작용이 일어나지 않기 때문이다. 그러므로, 브리케트의 기본 모양은 재가압 조작 단계에서는 변동되지 않는다. 재가압 단계는 브리케트를 치밀하게 하는 역할을 하여(압축분성형) 그렇지 않을 경우 생성될 수 있는 공극, 균열 또는 결점을 극소화시킨다. 이로 인하여 보다 짧은 소결시간을 필요로 하는 압축분이 생성된다.

상기 방법에 의해 제조된 보다 큰 브리케트는 아직도 가끔 균열되는 경향이 있으며, 여분의 예열시간 및 추가의 가열장치는 아직도 큰 압축분의 생산 조작에 있어서 불리한 점이 약간 있다. 작은 압축분 뿐아니라 만족스럽게 큰 압축분도 제조할 수 있는 더욱 신속한 본 발명의 변형된 방법은 제3도의 방법(Ⅲ)에 나타낸다. 이 방법에서는, 제품을 제조하기에 충분한 수지물질 분말(30)을 (AAA)단계에서 제조하고 전술한 방법(Ⅱ)에서와 같이 (BBB)단계에서 브리케트(32)로 압축시킨다. 그러나, 소결단계(CCC)를 재가압 단계(DDD) 후에 수행하는 대신 재가압 단계 이전에 수행함으로써 한단계 이상의 공정을 제거한다. 재가압 및 소결단계는 방법(Ⅱ)에서와 거의 같은 조건으로 수행할 수 있을 뿐아니라 반대의 순서로도 수행할 수 있다. 이후의 단계(FFF)에서 재가압 압축분(32)를 예비 성형물로 단조시키는 것이 바람직한 경우에는 임의의 냉각 단계 (EEE)를 수행할 수 있다. 그렇지 않을 경우, 단계(DDD)로부터 얻은 압축분(32)를 제품 또는 예비성형물을 단조시키는 단계(FFF)의 단조용 장치로 직접 옮긴다. 예비성형물을 용기로 성형하는 후속 열성형법은 필요한 경우 방법(Ⅰ)의 (E)단계에 예시한 바와 같이 수행할 수 있다.

본 발명의 방법(Ⅲ)(제3도)을 사용하여, 분말형태의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE ) 50 내지 100g씩을 압축 성형시켜 직경 6.35cm의 브리케트를 제조한다. 브리케트를 133 내지 137℃온도의 순환용 공기오븐내에서 가열시키고 소결시킨다(CCC단계). 다음에 시료(하기 표 1에 표시함)를 재가압 단계전 및 중에 진공상태의 가압 장치내에서 130℃의 온도하에 재가압시킨다(DDD단계에서). 이 순환과정을 진공중에서 15초 동안, 700Kg/cm²압력하에서 15초동안 재가압시키면서 수행한다. 50g의 브리케트를 80분동안 가열 및 소결시키고 100g의 브리케트를 120분동안 가열 및 소결시킨다. 브리케트로부터 형성된 가열 압축분을 재가압시킨후 손으로 운반하여 19.7cm직경의 단조용 장치내에 주입하고 예비성형물로 단조시킨다. 조건 및 결과는 다음 표 1에 요약한다.

[표 1]

방법(Ⅲ)에 의해 단조된 예비성형물의 외관

1-약간의 소공극, 완전한 입술모양.

Ⅰ-약간의 소공극, 불완전한 입술모양.

2 또는 Ⅱ-공극없음. 완전한 입술모양, 우수한 예비성형물.

Ⅲ-공극없음. 완전한 입술모양. 과열 압축분.

조건 : 물질-HDPE

재가압 장치 온도-130℃

단조용 압축반 온도-130℃

단조력-91메트릭톤

단조 체류 시간-1초

이 특정물질 및 단조 장치의 경우, 135℃의 온도가 소결시 이상적인 오븐온도인 것으로 나타났다. 135℃의 온도에서 제조한 추가의 150g의 단조된 예비성형물은 분명한 입술모양, 광택 표면을 지니며, 엷은 반점 및 공극은 지니지 않는다. 고속 장치 및 통합압형에 의한 본 실시에서 보다 낮은 재가압 다이온도를 사용하지 않을 경우에는 보다 낮은 재가압 다이온도로 인하여 압축분의 표면을 냉각시키지 않고서도 점착성이 전혀 나타나지 않을 것으로 기대된다.

일련의 추가 실험을 행하면 유사한 결과가 나타난다. 100g 및 50g의 압축분간에는 거의 차이가 없는것 같다. 진공 상태의 가온 재가압 장치중에서 가열된 브리케트를 재가압 시키면 밀도가 약 18%증가된다. 재가압된 시료는 냉각시킬 경우 압축 성형시킬 경우처럼 보인다. 재가압 시료는 단단하며, 광택표면을 가지며 볼록한 상부 및 하부표면 및 오목한 수직표면을 갖는다. 이들 압축분을 재가압후 즉시 예비성형물로 단조시킬 경우 우수한 예비성형물이 수득된다. 그후 단조된 예비성형물을 어려움 없이 일부분씩 성형한다. 이들 부분은 일반적으로 단면이 균일하며 공극이 없다. 재가압 압축분을 실온으로 냉각시킨후 충분한 시간동안 오븐내에서 재가열하고 단조시키고 성형시킬 경우 생성된 부분은 백색 흠을 가진다. 그러나, 이들 홈은 중심에 공극의 모양을 함유하지 않는다. 이러한 차이점의 원인은 알려져 있지 않다.

예비성형물을 제조하는데 사용되는 압축압력이 70 내지 약 350Kg/cm²로 증가됨에 따라 단조된 예비성형물의 품질이 개선됨이 발견되었다. 이러한 압력 이상에서는 약 1750Kg/cm²이하의 압축압력이 브리케트를 더욱 강하고 더욱 내마모성으로 만들 수 있지만 처리 시간에는 거의 차이가 나타나지 않는다.

제조단계에서 가열시간을 최소로 유지하는 것이 바람직하다. 시료의 내부를 가열하기 위해 고주파(RF)를 사용하고 외부표면을 가열하기 위해 순환용 공기오븐을 사용하는 것은 상당히 성공적이었다. 순환용 공기오븐내에서 각각 가열한후 이들을 쌓아올려 하나의 전중량의 압축분을 형성하는 조밀하지 않은 압축분들을 사용하여 가열시간을 감소시킬 수도 있다. 유일한 문제점은 조밀하지 않은 가열 압축분들은 서로 접촉하면 적절한 배열이 유지되도록 점착하는 경향이 있다는 점이다.

본 발명에서, 가열 브리케트는 성형하지 않고 압축분으로 재가압하여 현저한 공극-없는 단조된 예비성형물은 압축분으로부터 제조할 수 있으며 이 예비성형물은 다음에 고급의 예비성형물 또는 제품으로 성형시킬 수 있다. 예비성형물이 제조되면 그후 이들 예비성형물은 통상적인 열성형법에 의해 용기 및 기타 제품으로 열성형할 수 있다.

본 발명의 수행에서 사용되는 고밀도 폴리에틸렌 수지는 미세한 솜털같은 저벌크밀도의 분말이다. 이 분말은 성형하는데 약간의 어려움이 있는 것으로 나타났지만 아직도 아주 실시가능하며 실용적이다. 초고분자량의 분말을 포함하는 기타의 고밀도 폴리에틸렌 분말은 만족스러운 것으로 평가되었고 나타났다. 이러한 분말을 본 발명에 따라 브리케트로 압축시키고 가열한후 브리케트를 재가압하여 압축분을 제조할 경우, 흠 없는 부분을 단조시키고 성형하는 것이 만족스럽다. 특정 실시예에 사용되는 이 수지는 냉각 압축다이 및 비진공을 이용하여 브리케트로 압축시킬 수 있다. 그러나, 더 따뜻한 압축다이 및 약간의 진공을 사용할 경우, 더 우수한 결과가 종종 수득된다.

약간의 비교시험은 약간 상이한 수지분말을 사용하여 방법(Ⅰ),(Ⅱ) 및 (Ⅲ)에 대하여 수행한다. 40g의 초고분자량의 폴리에틸렌(UHMW) 분말을 직경이 약 6.35cm이고 높이가 약 2.54cm인 브리케트로 압축시킨다. 그 조건은 다음과 같다 :

방법 Ⅰ

A. 브리케트를 피크 용융온도(143℃)에서 고정된 환류 오븐중에 주입하여 120분동안 소결시킨다.

방법 Ⅱ

A. 브리케트를 110℃의 온도의 환류오븐내에 주입하여 60분동안(약 Tp-33℃) 예열시킨다.

B. 다음에 브리케트를 136℃의 온도의 압축 장치내에서 15초동안 700Kg/cm²의 압력으로 재가압하면 압축분이 생성된다.

C. 그후 압축분을 실온으로 냉각시킨다.

D. 압축분 소결작용은 상기 방법(IA)에서와 같다.

방법 Ⅲ

A. 브리케트를 상기 방법(IA)에서와 같이 소결시킨다.

B. 다음에 브리케트를 136℃의 압축장치내에서 15초 동안 700Kg/cm²의 압력으로 재가압하여 압축분을 형성한다.

상기 각 방법을 완결한후, 압축분을 온도 136℃의 평평한 금속제 접시 사이에서 315Kg/cm²의 압력을 적용시켜 19.1cm직경의 디스크형 부분으로 단조시킨다. 다음에 인장 시험 시료를 이들 디스크형 부분으로부터 절단하고 표준 ASTM법 D-638에 따라 시험한다. 그 결과는 다음과 같이 표시한다 :

상기 3가지 방법의 시험은 또한 상이한 가열 주기로 행하며 그중 어떤 것은 가열시간이 너무 짧기 때문에 또는 가열시간이 너무길어 그 부분을 용융시킬 수 없기 때문에 불만족스러운 단조품을 제조한다. 상기 시험은 모든 3가지 방법의 경우에 만족스러운 단조품이 수득되는 비교 결과를 나타내도록 선택한다. 상기 시험이 나타내는 것은 방법 (Ⅱ) 및 (Ⅲ)는 일반적으로 특정한 물질을 사용하는 방법(Ⅰ)에 의해 제조된 단조품보다 나은 특성을 갖는 단조품을 제조한다는 것이다. 방법(Ⅱ)는 방법(Ⅲ)보다 일반적으로 약간 더 나은 특성을 갖게 하는 것으로 나타났지만, 방법(Ⅲ)은 우수한 특성을 갖는 압축분을 제조하여 방법(Ⅱ)보다 덜 복잡하다는 이점이 있다.

고상 성형시 예비성형물의 기계적 특성에 대한 소결시 용융도의 효과는 현저한 것으로 나타난다. 소결과정은 3단계가 확인될 수 있는 진보된 과정이다. 첫단계에서는, 전 브리케트를 Tp의 온도 정도이내 또는 용융범위로 가열한다. 이 단계에서 소결시킨후, 단조시킨 압축분은 통상적으로, 압축분이 금형을 가득하게 하지 않는 경향이 있고 최종 확장치가 매우 낮으며 입자들의 불완전한 융합으로 인하여 일반적으로 매우 탁하다는 점에서 크게 결함이 있는 예비성형물을 제조한다. 제2단계에서, 용융도가 약 20%에 도달할 경우, 브리케트의 외부표면 입자들은 완전히 용융되어 현저히 많은 열을 내부에 전달하기 시작한다. 이 제2단계에서 압축분으로부터 제조된 단조품은 정상적으로 잘 성형되며 일관된 물리적 특성을 갖는다. 단조품이 용융된 최초 결정도의 약 80%를 초과하며 약 90%정도에 도달하는 제3단계로 소결과정이 진행될 경우, 물리적 특성은 정상적으로 추가로 소결시킴으로써 신속히 변동된다고 밝혀졌다. 최종 신장율(제6도)은 현저히 증가하는 반면, 인장응력(제5도)은 30%만큼 감소될 수 있다. 최종 소결 단계에서 이러한 극적인 변화가 나타나는 이유는 명확하지 않지만 수지물질 분말중에 원래 존재하는 결정조직의 완전한 손실 때문일 수 있다. 소결시 인장강도에 대한 용융도의 영향은 제4도에 나타낸다. 제1도 내지 제3도에서 각각 예비성형물(18),(28) 또는 (34)와 같은 예비성형물은 단조후 측정된 인장강도를 가질 것이며, 이때 소결단계말의 용융도는 제4도에 표시된 결과와 같이 측정된다. 시료내 결정의 용융도가 20 내지 90%일 경우 최대 인장강도에 도달함이 발견되었다.

이들 동일 시료의 인장응력은 또한 소결 공정중에 측정한다. 제5도로부터 용융도가 약 90%에 이를 때까지 인장응력이 높게 유지됨이 명백하다.

시료의 인장 신장율을 또한 측정하였으며, 제6도에서 명백히 알 수 있는 바와 같이 용융도가 약 20%내지 약 90%에 달할때 만족스러운 신장율 수준에 도달함을 발견하였다.

가장 바람직한 인장강도, 인장응력 및 인장 신장율 기계적 특성의 균형을 맞추면 물리적 매개변수들이 거의 변동하지 않으며 20 내지 90%의 용융수준에서 만족스러운 범위에 있음이 명백하다. 용융도가 약 90%를 초과할 경우 3가지의 물리적 매개변수들은 모두 현저하게 변동하는 것으로 나타났다. 예를들면, 90 내지 100%일 경우, 최종 신장율은 2의 비율로 증가하는 반면 강도는 거의 1/2의 비율로 감소한다. 이러한 관찰결과, 방법(Ⅰ) 및 본 발명의 방법(Ⅱ) 및 (Ⅲ)에서 고밀도 폴리에틸렌의 성질과 유사한 성질의 브리케트에 대한 최적 소결조건은 용융도가 20 내지 90%일 경우라는 결론에 도달한다. 본 발명 방법의 최대 이익을 확보하기 위하여, 도달한 용융도가 40 내지 80%일 경우 소결시키는 것이 바람직하다. 강제 공기 환류오븐을 가열용으로 사용할 경우 오븐온도는 공정을 방해하지 않으면서 보다 빠른 가열 주기에 대해 Tp보다 약 3℃ 높게 고정시킬 수 있지만 예비성형물의 체류시간은 Tp가 브리케트의 중심에 도달하는 그런 시간이어서는 안된다.

이전에 용이하게 성형할 수 없는 많은 물질들은 본 발명에 의해 고상계에서 많은 결정성 및 아마 약간의 무정형 수지물질 분말로부터 열가소성 수지 예비성형물 및 제품으로 직접 성형될 수 있다. 특정한 대표적인 형태 및 상세한 내용은 본 발명을 설명할 목적으로 나타낸 것이지만 본 분야의 전문가에게는 본 발명의 내용 및 범주를 벗어나지 않으면서 변경 및 수식을 가할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims

(a) 미처리 강도를 갖는 브리케트(briquette)를 예열하여 브리케트 중심부의 온도가 브리케트를 구성하는 열가소성 중합체 수지분말의 용융온도보다 낮게 되도록 하고, (b) 브리케트가 현저하게 가소화되지 않고 브리케트의 기본적인 형상이 변화되지 않게 브리케트를 단계(a)에서의 온도와 동일한 온도에서 재가압하여 압축분(blank)을 형성시키고, (c) 압축분을 더욱 가열하여 압축분의 중심부의 온도가 (a)단계의 온도보다 높고 용융온도보다는 낮게 되도록 하며, (d) 열가소성 중합체 수지분말이 완전히 용융되지 않은 압축분을 연화시키고 소결시키기에 충분한 시간동안 보다 고온으로 유지시키고, (e) 압축분을 현저히 플러그 유동변형시키고 압축분을 형성하는 열가소성 중합체 수지분말을 현저히 융합시키는, 상기 온도보다 높은 온도에서 압축분을 유지하면서 압축분을 제품으로 단조시키는 단계를 포함하여, 제품을 제조하기에 충분한 양의 열가소성 중합체 수지물질 분말을 미처리 강도를 갖는 브리케트로 압축시킴으로써 열가소성 중합체 수지물질 분말로부터 제품을 성형하는 방법.
제1항에 있어서, 브리케트의 중심부에서의 예열온도가 수지물질 분말의 용융온도 이하인 15 내지 35℃인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 소결단계에서 발생하는 용융도가 20 내지 90%인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 재가압 단계를 70Kg/cm²이상의 압력하에서 수행하는 방법.
(a) 브리케트를 실온 이상 내지 열가소성 중합체 수지물질의 용융온도 미만의 온도범위로 가열하고, 브리케트를 연화시키고 소결시키기에 충분한 시간동안 동일한 온도를 유지하고, (b) 브리케트가 현저하게 가소화되지 않고 브리케트의 기본적인 형상이 변화되지 않게 브리케트를 단계(a)에서의 온도와 동일한 온도에서 재가압하여 압축분을 형성시키고, (c) 압축분을 현저히 플러그 유동변형시키며 압축분을 구성하는 열가소성 중합체 수지물질 분말을 현저히 융합시키는 상기 온도범위내의 온도에서 압축분을 유지하면서 압축분을 제품으로 단조시키는 단계를 포함하여, 제품을 제조하기에 충분한 양의 열가소성 중합체 수지물질 분말을 미처리 강도를 갖는 브리케트로 압축시킴으로써 열가소성 중합체 수지물질 분말로부터 제품을 성형하는 방법.
제5항에 있어서, 소결단계에서 발생하는 용융도가 20 내지 90%인 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 가압단계를 70Kg/cm²이상의 압력하에서 수행하는 방법.
제1항 또는 제5항에 있어서, 재가압단계 이후에 압축분을 실온으로 냉각시키는 방법.
제6항에 있어서, 용융도가 40 내지 80%인 방법.
제5항에 있어서, 가열을 보다 빠른 순환주기용 고주파장치로 수행하는 방법.