KR890002599B1 - 금속 용기의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 끼워 맞추기전의 하부체와 상부체를도시하는 단면도.
제2도는 본 발명에 의한 금속용기의 부분 단면도.
제3-a도는 끼워 맞춰진 부분의 가열 공정 및 냉각공정을 설명하기위한 단면도.
제3-b도는 가열 및 냉각시에 끼워 맞춰진 부분의 각부의 온도와 시간의 관계를 도시한 선도.
제4도는 2종류의 제착제 수지의 비용적과 온도의 관계를 나타낸 선도.
제5도는 덴팅테스트의 설명을 위한 개략도.
제6도는 본 발명의 1실싱예에 있어서의 가열코일의 끼워 맞춤부에의 배치를 도시한 단면도.
제7도 내지 제11도는 각각 실시예 1, 비교예 1, 실시예 5 내지 7, 비교예 2 및 비교예 3에 있어서의 가열 냉각 공정의 온도-시간 곡선을 나타낸 선도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 하부체(내측부재) 2 : 상부체(외측부재)
3,4 : 개방단부 5 : 이음매
5a : 끼워 맞춰진 부분 11 : 접착제층
13 : 피복 14 : 고주파 유도 가열코일
21a,21b : 냉각노즐
본 발명은, 금속용기의 제종방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 각각 금속제의 컵 모양의 성형체인 상부체와 하부체를 원주 끝부분에서 접착제를 개재하여 랩 접합(Lap Bond)하여 금속제 병을 제조할때 접착제층 내에 인장응력의 발생을 방지하고 이음매의 접착성과 밀봉성 및 그 지속성이 우수한 금속용기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속 소재의 드로우잉 가공 또는 드로우잉-아이어닝 가공으로 형성된 컵 모양의 성형체들인 상부체와 하부체를 원주상의 열린 끝부분을 서로 랩접합시켜서 원주상의 측면이음매를 형성한 병 모양의 금속제 용기는 이른바 캔형태의 금속제 용기와 비교해서 많은 잇점을 지니고 있다.
종래의 포장용 금속제 용기중, 쓰리피이스캔(Three Piece Can)으로호칭되는 것은 측면 이음매를 가지는 캔 몸통의 위 아래에 각각의 캔 뚜껑을 2중으로 감아 조여서 밀봉부를 형성하고, 또 투우피이스 캔(Two Piece Can)으로 호칭되는 것은 금속소재의 드로우잉 가공 또는 드로우잉-아이어닝 가공으로 성형된 컵모양의 캔몸통의 열린 끝부분과 캔 뚜껑과의 사이에서 2중으로 감아조여 밀봉부를 형성하고 있다.
그러나, 이와같은 2중으로 감아 조인 구조의 금속제용기에서는 밀봉부의 내압성 면에서 그리고 금속소재의 재료 절약면에서 큰 제약을 받는다. 즉, 2중으로 감아 조인 이음매에 있어서는 이음매에 가해지는 하중에 의해 이음매를 구성하는 소재가 먼저 변형되게 되어 이 변형으로 인해 비교적 작은 하중에 의해서도 이음매에서의 누설이나 이음매의 파괴가 발생하게 된다. 이것을 방지하기 위해서는 소재 자체의 두께를 상당히 크게 정하여야 한다. 또, 포장용기에 있어서는, 경제성의 견지에서나 용기 경량화의 견지에서도 사용 금속소재두께를 얇게할 필요가 항상 있으나 용기의 몸통 벽 두께를 얇게할 경우에는 2중으로 감아 조이는 공정 또는 플랜지 가공 등의 준비 공정에 있어서 용기의 축방향으로 가해지는 하중에 의하여 좌굴(Buckling)이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.
하나 하나가 컵모양의 성형체로 구성되는 상부체와 하부체를 그 열린 끝부분에서 랩접합해서 제조하는 금속제병은 이음매를 형성하는 소재가 현저히 얇은 경우에도 용기의 내외압차 내지는 축방향 하중에 의한 이음매의 변형은 전혀 발생하지 않고, 소재의 두께에 관계없이 이음매의 전단 강도내의 응역을 견뎌낼 수 있고, 또 감아 조이는 공정이 필요없기 때문에 좌굴이 일어날 염려가 없어 용기 측벽을 얇게 할 수 있다는 잇점이 있다.
그러나, 상부체와 하부체를 그 열린 끝부분에서 접착제를 개재하여 랩접합에서 원주상의 측면 이음매를 형성할 경우에는 이음매의 접착력 및 밀봉성을 장기간에 걸쳐서 안정되게 유지하기 위해서는 아직도 많은 문제점을 해결해야만 한다.
즉, 그 하나는 접착제를 사용하는 랩접합에 있어서는 접착할 부분 사이에 접착제층을 눌러서 일정한 가압하에 접착을 하지 아니하면 만족할 만한 접착력을 얻을 수 없다는 문제이고, 다른 하나는 접착제층 내에 응력, 특히 랩방향의 인장응력이 잔류하면 이음매의 접착력이나 밀봉성이 시간이 경과함에 따라 또는 외력이 가해졌을때에 현저히 저하한다는 문제가 있다.
즉, 통상의 캠몸통의 이음매와 같이 랩이음매가 곧게 뻗은(Straignt)경우에는 랩부의 가압은 비교적 용이하다 해도, 컵모양의 성형체의 원주상 트인 끝 부분을 랩접합할 경우에는 랩부에 압력을 가하는 것 자체가 극히 곤란하다. 종래, 이 랩부에 접착에 필요한 압력을 부여하기 위해서는 이음매의 바깥쪽이 되는 부재(이하 단순히 외측부재라고 함)의 끝부분을 가열해서 지름이 증대된 상대에서 이음매의 내측이 되는 부재(이하 단순히 내측부재라고 함)와 외측부재를 접착제 층을 개재해서 끼워 맞추고, 이어서 내측부재의 끝부분을 가열해서 내측부재 끝부분을 외측부재 끝부분의 안에서 팽창시켜서 접착제에 의한 열접착을 실시하는것이 알려져 있다.(일본국 특개소56-32228호).
이 방법에 의하면, 용융 상태에 있는 접착제층에 대하여 내측부재 및 외측부재의 양 끝부분을 누르는 것은 가능하나, 이 누르는 압력에 의해 용융 접착제가 양끝부분의 랩부 바깥쪽으로 비어져 나와서 접착제층의 두께가 끼워맞춤부의 정상 상태에서의 접착에 필요한 두께보다 얇아지는 경향이 있다. 또한, 접합시에 내측부재의 끝부분이 더 고온으로 가열되기 때문에, 냉각시에 있어서 내측부재 끝부분의 지름 방향으로의 수축이 외측부재 끝부분의 수축보다도 커진다. 이러한 원인으로 양 열린 끝부분간의 접착제층에는 정상상태에 있어서 랩방향의 인장응력이 잔류하고, 이 인장방향에 의해 계면에서의 접착열화나 계면에서의 누설이 생기게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 원둘레의 랩접합에 의한 이음매를 갖춘 금속용기를 제고하는데 있어서 이 이음매의 접착제층에 인장응력이 잔류하는 것을 방지하고 이음매의 접착력, 밀봉성 및 이들의 지속성이 우수한 금속용기를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 원들레의 측면 이음매가 없는 금속용기를 비교적 간단한 조작으로 그리고 생산성이 높게 제조할 수 있는 방법을 제고하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 접착제층에 인장응력이 잔류하는 것을 접착시의 온도제어 또는 접착제의 선택에 의해 방지할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 각각 금속제의 이음매가 없는 컵 성형체인 외측부재와 내측부재를 그 원주상의 열린 끝부분(Cirumferential Open End Portion)에서 소정의 접착제를 개재하여 랩접합(Lap Bond)시켜 금속 용기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 외측부재 및 내측부재를 이들의 상기 열린 끝부분 사이에 접착제 층이 기재하는 상태에서 서로 끼워 맞추는 단계와, 이 끼워 맞춰진 부분을 가열하여 상기 접착제층을 용융시키는 단계, 이 접착제 층이 응고되기 직전의 상기 끼워 맞춰진 부분에서의 내측부재와 외측부재의 온도가 실질적으로 같은 상태가 되도록하며 상기 양 열린 끝부분 사이에 접착제가 충만된 상태에서 상기 끼워 맞춰진 부분을 냉각하는 단계로써 구성되는 것을 특징으로 하는 금속용기의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명을 이하에 상세히 설명한다.
금속 용기의 한 예를 도시하는 제1도 및 제2도에 있어서, 이 용기는 예를들면 주석도금강판 등의금속으로 만든 이음매가 없는 컵모양의 성형체인 하부체(1)과, 금속제의 이음매가 없는 컵모양의 성형체인 상부체(2)로써 구성되고, 이 컵상 성형체들은 열린 끝부분(3)과 열린 끝부분(4)에서 랩접합되어 원주상 측면 이음매(5)를 형성하므로써 일체적으로 하나의 용기를 이룬다.
이 실시예에 있어서 하부체(1)은 금속소재의 고도의 드로우잉-아이어닝 가공으로 형성된 높고 얇은 측벽부(6)과 실질상 아이어닝 가공을 받지 아니한 두꺼운 바닥부(7)로써 구성되는 컵이고, 한편상부체(2)는 금속소재를 얕은 드로우잉 가공으로 형성한 짧은 측벽(8)과 상벽(9)로써 구성되는 컵이다. 상부체(2)의 측벽부(8)의 높이는 이음매(5)의 폭과 동일하거나 또는 이음매 폭보다 약간 큰 범위내에 있다. 또, 상부체(2)의 상벽(9)는 위쪽으로 볼록한 테이퍼 면으로 되어 있고, 그 중앙에는 내용물의 충전 내지는 취출용의 주입구(10)이 형성된다. 이리하여 상부체(2)는 이른바 병의 어깨와 목의 형태로 하부체상에 접합되고 있다.
제1도 및 제2도에 도시하는 실시예에서는 하부체(1)의 열린 끝부분(3)은 그것에 근접한 부분에서의 네킹(Necking)가공으로 그 이외의 몸통부에 비해서 지름이 작게되도록 드로우잉 가공되고 이 보다 지름이 더큰 상부체 끝부분(4)내에 끼워져 있다. 하부체의 열린 끝부분(3)의 외면과 상부체의 열린 끝부분(4)의 내면의 사이에는 접착제층(11)이 형성되어 하부체와 상부체가 접합, 고착되게 된다. 접착제(11)의 일부는 이음매(5)로 부터 비어져 나와서 이음매의 내측에 위치하는 금속소재 절단면(12)에 대한 피복층(13)을 형성하도록하는 것이 내부식성의 관점에서 더 바람직하다. 이와같이, 첨부도면의 실시예에서는 하부체(1)의 내측부재, 상부체(2)가 외측부재로 되어 있으나, 물론 반대구성 즉 하부체를 외측부재, 상부체를 내측부재로 하는 구성을 취해도 무방하다.
본 발명에 의한 금속용기의 제조공정에 있어서, 끼워 맞추기 전의상태를 도시하는 제1도에서, 우선 끼워 맞춤 공정에서 내측부재(1) 및 외측부재(2)를 그들의 끝부분(3), (4)간에 접착제층(11)이 개재하는 상태로 끼워 맞춘다. 이 도면의 실시예에서는 내측부재 끝부분(3)이 외주면에 접착제층(11)이 형성되어 있으나 외측부재끝부분(4)의 내주면에 접착제층을 형성해도 좋고, 또는 양자에 모두 접착제층을 형성할 수도 있다.
이어서, 가열공정에서는 끝부분(3), (4)의 끼워 맞춤부(5a)를 가열해서 접착제층(11a)을 용융시킨다. 이 끼워맞춤부(5a)의 가열은 제3-a도와 같이 고주파 유도가열 코일(14)의 자력선을 끼워 맞춤부(5a)에 작용시켜서 양 열린 끝부분(3), (4)에 와전류(Eddy Current)를 유도하므로써 바람직하게 실시할 수 있으나, 그밖의 가열기구, 예를들면 열풍로, 적외선 가열, 직화가열, 열매체 또는 가열기구외의 접촉에 의한 가열을 이용할 수 도있다.
마지막으로, 냉각공정에서는, 끼워맞춤부(5a)의 바깥쪽에 노즐(21a)를, 이음매의 안쪽에는 노즐(21b)를 위치시키고, 이들 노즐(21a)(21b)로 냉각공기 또는 냉각수를 끼워 맞춤부(5a)에 분사해서 접착제층(11a)가 용융상태로 있는 끼워맞춤부(5a)를 냉각해서 접착제층을 응고시켜서 이음매를 형성한다. 압축공기, 물의 분사제어는 전자밸브(22a), (22b)에 의해서 하고 가열 종료후의 소정시간동안만 분사시킨다.
본 발명의 중요한 특징은, 접착제층(11a)가 고화하기 직전에 있어서의 끼워맞춤부(5a)의 양 부재(3), (4)의 온도가 실질적으로 같은 상태이고, 또한, 양끝부분(3), (4)간에 접착제(11a)가 충만된 상태에서 끼워 맞춤부(5a)의 냉각을 실시하면, 끝부분간의 접착력을 충분히 높이면서 정상상태에 있어서 접착제층 내에 인장 응력이 잔류되는 현상을 유효하게 방지할 수 있게 되고, 그 결과로서 이음매의 접착력, 밀봉성 및 그들의 지속성을 현저히 향상시킬 수 있다는 견지에 기인하는 것이다.
끼워 맞춤부(5a)의 양부재(3) 및 (4)가 접착제의 용융시에 있어서 실질상 동일 온도에 있었다해도, 통상의 냉각조작에 있어서 그 외측부재(4)쪽으로 부터 냉각이 실시되고, 또 개재하는 접착제층(11a)가 단열층으로서 작용하기 때문에, 접착제층(11a)가 고화하기 직전에서는 내측부재(3)이 외측부재(4)보다 상당히 고온으로 되는 경향이 있다. 이 경향은 이미 설명한 바와같이 접합시에 내측부재(3)을 가열하는 종래 방법에서는 특히 현저하다. 이와같이 내측부재(3)이 고온인 상태에서는 내측부재(3)의 지름방향으로의 팽창에 의하여 접착제가 랩부의 바깥쪽으로 비어져 나와서 접착제 층의 두께가 감소되는 동시에끼워 맞춤부(5a)가 실온으로 냉각될때 외측부재(4)의 수축량에 비해서 내측부재(3)의 수축량이 커서 접착제층에 랩부 방향으로의 인장응력이 잔류하게 된다.
한편, 끼워 맞춤부의 접착시에 외측부재(4)의 온도가 내측부재 (3)의 온도보다 상당히 높은 경우나 접합후에 끼워맞춤부를 용기 내측으로 부터 냉각하는 경우에는 접착제층(11a)이 고화하기 직전에서는 외측부재(4)가 내측부재(3)보다 상당히 공온이 되는 경우도 있다. 이러한 경우에는 외측부재(4)의 지름 바깥쪽으로의 팽창이 커져서 양 부재(3) 및 (4)간에서의 접착제층(11a)에 대한 누르는 압력이 감소되어 그 결과 이음매의 접착력 그 자체가 현저히 작아지고, 또 극단적인 경우에는 접착계층(11a)와 외측부재(4)의 사이에 간극이 생기게 된다.
그러나, 본 발명에 있어서는 접착제층(11a)가 고화되기 직전에 있어서의 끼워맞춤부(5a)의 양 단부(3)과 (4)의 온도를 실질적으로 서로 같게유지하며 냉각을 하므로써 이음매의 접착에 필요한 압력을 유지하면서 아울러 접착제 중에 인장응력이 잔류하는 현상을 유효하게 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 양단부(39, (4)의 온도가 실질적으로 동일하다는 것은 양자의 온도차가 ±20℃ 이내 특히 ±10℃ 이내의 범위에 있음을 뜻한다. 보다 상세히 설명하면, 내측부재의 끝부분(3)의 온도(T1)은 외측 부재의 끝부분(4)의 온도(T2)의 비해서 낮은 쪽으로는 허용범위가 넓고, 높은 쪽으로는 허용범위가 좁아서, 하기식
T2+10℃
T1 
T2-5℃……………………………………………………………(1)
의 범위내에 있는 것이 가장 바람직하다.
상기 상태로끼워 맞춤부(5a)의 냉각을 실시하기 위해서는 내측부재의 끝부분(3)측으로 부터의 가열이나 외측부재의 끝부분(4)측으로 부터의 가열이 부적당함은 이미 지적한 바와 같고, 본 발명에서는 끼워 맞춤부의 가열을 내측부재(3)의 온도가 외측부재(4)의 온도와 실질적으로 같거나, 또는 외측부재의 온도보다 약간 낮은 상태로 실시하는 것이 좋다. 내측부재의 온도는 외측부재의 온도보다 50℃낮은 온도까지, 특히 10℃ 낮은 온도까지는 허용된다.
예를 들면, 끼워 맞춤부의 각부의 온도와 시간과의 관계를 도시하는 제3-b도에서도 끼워 맞춤부에 존재하는 내측부재(3)과 외측부재(4)를 양측에서 가열하고 내측부재(3)의 온도(T1)가 외측부재(4)의 온도(T0)보다 약간 낮든가 또는 거의 동일하도록 시간 t1까지 가열하고, 이 시간에서 가열을 정지한다. 가열정지에 의해 끼워 맞춤부(5a)는 냉각되어서 양 부재(3) 및 (4)의 온도는 점차 저하하여 시간 t2경과후에는 접착제층(11a)의 응고가 시작된다. 본 발명의 이 바람직한 예에 있어서는, 가열시에 있어서의 내측부재의 온도를 제어하므로써 접착제층(11a)이 고화되기 직전에 있어서의 양 부재의 온도를 실질상 동일한 범위로 유지하는 것이 용이해 진다.
또, 가열후, 냉각시에 내측부재 및 외측부재의 온도를 실질상 동일하게 되도록 하기 위하여 냉각시키기 쉬운 외측부재(4)의 냉각속도를 지연시키는 것이 좋고, 이를 위해 용기 외측의 분위기를 보온하거나 또는 냉각시키기 어려운 내측부재의 냉각속도를 빨리하기 위해 용기의 내측을 강제적으로 냉각하는 등의 수단을 채용할 수 있다. 또, 접합부에 냉풍을 불어서 냉각을 실시할때, 외측부재에 분사하는 냉풍보다 온도가 낮은 냉풍을 내측부재에 분사하는 것이 효과적이다.
요컨대, 본 발명에 있어서는 접착제층(11a)가 고화되기 직전에서의 끼워맞춤부(5a)의 양 단부(3)과 (4)의 온도가 동일해지도록 냉각 조건을 형성하면 되고, 이를 위해 임의의 가열 조건 조절수단 및/또는 임의의 냉각조건 조절수단을 단독으로 또는 조합으로 사용할 수 가 있다.
또, 본 발명에서는 접착제층(11a)이 고화되기 직전에서의 양 열린 끝부분(3)과 (4)의 사이에 용융된 접착제층이 틈이 없이 충만되어야 한다. 이와같이 접착제를 틈없이 충전시키기 위해서는, 내측부재의 끼워맞춤부, 즉 끝부분(3)의 외경을 D1, 외측부재의 끼워맞춤부, 즉 끝부분(4)의 내경을 D0, 접착제층(11a)도포두께를 dy로 했을때, 이들이
D0 
D1………………………………………………………………………………(2)
D1+2dA＞D0…………………………………………………………………………(3)
의 치수관계 만족 하면 된다.
한편, 형성되는 이음매의 접착제층에서의 인장응력의 발생을 방지하기 위해서는, 용융고화 시이클에 따른 체적 변화가 적은 열가소성 수지 접착제를 사용하는 것이 유용하다. 본 발명의 바람직한 예에 있어서는, 접착제가 실질적으로 고화하는 온도를(Ts)라고 할 때, 하기식
식중, Va는 Ts+10°의 온도에서의 비용적(Specific Volume ; cc/g)을, 또 Vb는 Ts-10°c의 온도에서의 비용적(cc/g)을 나타낸다.)
로 정의되는 체적 변화율(δ)가10%이하, 특히 8%이하이고, 연화점이 80 내지 280℃, 특히 90 내지 240℃의 범위에 있는 열가소성 접착제를 사용한다.
본 명세세에 있어서 접착제가 실질적으로 고화하는 온도(Ts)란 다음의 방법으로 측정되는 값(온도)를 말한다. 즉, 용융상태에 있는 접착제수지를 냉각시키면서 온도-비용적곡선을 팽창계(Dilatometer)로 측정하고, 이 온도-비용적 곡선의 기울기가 최대가 되는 온도중 안쪽의 낮은 온도를 접착제가 실질적으로 고화되는 온도(Ts)로 한다. 이 온도(Ts)는 결정성 수지의 경우에는 시차(Differential)열분석에 있어서의 결정화에 따르는 발열 피이크 위치의 온도에 거의 대응한다.
이와같이, 상기식에 있어서 비용적 Va는 접착제의 용융상태에서의 비용적, 비용적 Vb는 접착제의고화상태에서의 비용적을 나타내는 것으로, 따라서 체적 변화율(δ)는 접착제가 용융상태에서 응고 상태로 이행할때의 체적변화, 즉 체적 감소를 나타낸다. 접착제 수지도당연히 온도가 높아짐에 따라 체적이 증대되나, 특히 온도 Ts+10°c부터 온도 Ts-10°c까지의 범위에서의 체적 변화가 특히 크고, 또 이 온도범위에서의 체적 변화가 접착제층의 인장응력 잔류에 중요한 영향을 준다. 온도 Ts+10°c이상의 온도에서는 수지에 발생하는 응력은 비교적 단시간내에 거의 전부가 완화되나, 상기 온도 범위에서의 체적감소는 수축에 따르는 인장응력으로서 응고 후 접착제 층에 잔류하는 경향을 나타낸다. 본 발명에서는 이 체적수축을(δ)가 10% 이하인 수지를 선택하므로써 접착층에의 인장응력의 잔류를 한층 더 유효하게 방지할 수 있다.
이음매가 없는 컵을 구성하는 금속소재로는 미처리 강판(블랙 플레이트), 각종 표면처리 강판, 예를들면 주석 도금강판, 아연 도금강판, 알루미늄 도금강판, 니켈도금강판, 크롬 도금강판 등의 도금강판 : 전해크롬산 처리강판등의 전해 처리 강판 : 인산 및/또는 크롬산 처리강판등의 화학처리 강판이나 알루미늄등의 경금속판 또는 이들의 복합재등이 사용된다.
이음매 없는 컵을 제조하기 위해, 상기한 금속소재를 원판등의 형상으로 타발(Punch)하여 드로우잉 펀치와 다이로 1단 또는 다단의 드로우잉 가공을 하고, 필요에 따라 드로우잉된 컵을 아이어닝 가공한다. 드로우잉 가공이나 아이어닝 가공의 조작이나 조건은 그 자체가 공지된 것이다.
가공하는 금속소재의 소재 두께는 병의 최종치수나 소재의 종류에 따라서도 다르나, 일반적으로 0.2 내지 0.5mm, 특히 0.2 내지 0.35mm의 범위에 있는 것이 바람직하고, 한편 아이어닝 가공을 할 경우에는 그 측벽부의 두께는 0.05 내지 0.20mm 특히 0.06 내지 0.17mm 가 되도록 하는 것이 좋다.
이 금속소재에는 컵을 성형하기에 앞서서 미리 내부식성의 보호도막을 도장하거나, 또는 성형후의 컵을 트리밍하고 필요에 따라서는 세척처리, 예를들면 인산 및/또는 크롬산에 의한 표면 화학처리를 실시한 후 적어도 그 내면에는 내부식성의 보호도료를 도장한다. 이 보호도료로서는 열경화성 및 열가소성수지로 구성되는 임의의 도료 : 예를들면 페노올·에폭시도료, 아미노-에폭시도료등의 변성 에폭시도료 : 예를들면 염화비닐-초산비닐공중합체, 염화비닐-초산비닐 공중합체 부분 비누화물, 염화비닐-초산비닐-무수말레인산 공중합체, 에폭시변성-에폭시아민변성-또는 에폭시페노올변성-비닐수지도료등의 비닐 또는 변성비닐도료 : 아크릴 수지계도료 : 스티렌-브타디엔계 공중합체 등의 합성고무계도료등이 사용된다.
이들의 도료는 에나멜 또는 래커 등의 유기 용매용액의 형태로, 또는 수성분산액 또는 수용액의 형으로 스프레이도장, 침지(Dipping)도장, 정전도장, 전기영동도장등의 방법으로 컵에 도장한다. 물론, 상기수지도로가 열경화성인 경우에는 필요에 따라 도료를 열처리 도장한다.
접착제로서 사용되는 열가소성 수지가 이음매를 구성하는 금속소재 내지는 그 위의 프라이머 도막등을 비교적 작은 압력하에서도 그 표면을 충분히 적셔서, 단시간 내에 이들과 강고한 밀착을 이루고 이 접착력이 장기간에 걸쳐서 지속되게 하기 위해서는 수지의 주사슬(Main Chain)내지는 곁사슬(Side Chain)에 일정한 농도의 극성기를 지니는 것이 좋다. 본 발명에 있어서는 이러한 견지에서 주사슬 또는 곁사슬에 10 내지 1400 밀리당량(meq)/100g의 접착제, 바람직하기로는 12 내지 1200mgq/100g의 접착제 농도로 t2 기(이하, 카르보닐기)를 가지는 것을 사용하는 것이 좋다. 이 카르보닐기는 카르본산, 카르본산염, 카르본산무수물, 카르본산에스테르, 카르본산아미드, 케톤, 탄산에스텔, 우리어(요소), 우레탄 등에 유래하는 것으로 이와같은 열가소성 중합체는 상기한 관능기를 가지는 단량체를, 중합 또는 공중합과 같은 수단으로 중합체의 주쇄중에 인서트하거나 또는 중력중합 내지는 말단 처리와 같은 형으로 열가소성 중합체에 결합시키므로써 얻어진다. 또 올레핀 수지와 같은 탄화수소계 중합체에 있어서는 이 중합체를 산화처리 하므로써, 상기한 범위의 카르보닐기를 함유하는 열가소성 수지로 할 수 있다.
카르보닐기 농도가 상기 범위보다 낮은 경우에는 이음매를 구성하는 소재에의 밀착성 내지는 접착력이 특히 비교적 작은 압력하에서 불만족한 것이 되고, 한편 상기 범위보다 높은 경우에는 접착제 층이 온도 내지는 수분에 대하여 민감해져서 이음매의 내수성, 내열수성이 저하되고, 또 접착제수지의 응집력이 지나치게 커져서 열융착 조작이 곤란해지거나 강인성이 상실되는 문제가 발생되기 쉽다. 본 발명에서는 중합체 중의 카르보닐기 농도를 상기 범위로 하므로써 비교적 작은 압력하에서도 접착력이 현저히 향상되고, 접착제를 필름이나 그밖의 형으로 접합부에 도포하는 조작이나 접합시의 열융착 조작을 쉽게 실시할 수 있다.
본 발명에 사용하는 열가소성수지접착제의 적당한 예를 이하에 설명하는 바, 이들 수지의 단량체조성, 분자량, 분자량분포, 혼합비(Blend Ratio)등은 상기 요건이 충족되도록 선택해야 함은 당연하다.
이와같은 열가소성중합체의 적당한 예는 이것에 한정되는 것은 아니다. 다음과 같다.
(a)일반식
( O-R1n)-O-C-R2C ) ……………………………………………………(1-1)
또는
( O-R1)n -O-C-R2C ) ……………………………………………………(1-2)
(식중( ( O-R1) )n )는 탄소수 2 내지 6의 옥식알킬렌기 및 이들의 중합물, R2는 탄소수 2 내지 24의 알킬렌기 또는 아릴렌기이다.)
로 표시되는 반복단위로 구성되는 폴리에스테르.
여기에서, 2염기산 성분으로서 테레프탈산, 이소프탈산, 아지핀산, 세바린산, 말레인산, 프마르산등, 글리콜성분으로서 에틸렌글리콜, 테트라메틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌글리콜, 다시 이들의 중합체로 구성되는 폴리알킬렌글리콜들 중 각각 1개씩의 성분으로 구성되는 호모 폴리머, 또는 어느한쪽, 또는 쌍방의 성분이 복수인 공중합 폴리에스테르이고 예를들면, 폴리에틸렌아지페이트, 폴리에텔렌세바 테이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트 라메틸렌 이소프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트/이소프탈레이트, 폴리테트라메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌/테트 라메틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌/옥시벤조에이트, 또는 이들의 코폴리에스테르 내지는 혼합물. 여기에서 접착제의 성상을 변경시킬 목적으로 이들의 몇몇을 혼합하거나, 또는 다른 수지 예를들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아이오노머, 에틸렌토산비닐 공중합체, 변성폴리프로필렌등의 폴리오래핀계의 수지를 일부 혼합에서 사용하는 경우도 있다.
(b)일반식
(식중, R3는 수소원자 또는 저급알킬기, R4는 수소원자 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이다.)의 단량체의 호모중합체 또는 공중합체, 또는 상기(2)의 단량체와 올레핀류, 또는 다른 비닐모노머와의 공중합체 또는 아크릴변성 폴리올래핀류.
예를들면 폴리아크릴산에스테르, 폴리메타클린에스테르, 에틸렌/아크릴산에스테르 공중합체, 아크릴산 에스테르/아크릴산 공중합체, 에틸렌/아크릴산에스테르/아크릴산 공중합체, 에틸렌/아크릴산공중합체, 스틸렌/메타크릴산에스테르/아크릴산공중합체, 아크릴산그래피트 폴리에틸렌, 아크릴산그래피트폴리프로필렌, 아클릴산에스테르/염화비닐공중합체, 아크릴산에스테르 그래피트폴리에틸렌, 메타크릴산에스테르/염화비닐 공중합체, 스틸렌/메타크릴산에스테르/브타디엔 공중합체, 메타크릴산에스테르/아크리로니트릴 공중합체.
(c)일반식
(식중, R3는 수소원자, 알킬기, 또는 페닐기이다.)의 비닐에스테르와 올레핀류 또는 다른 비닐모노머와의 공중합체 또는 그 부분 비누화물.
예를들면 에틸렌-초산비닐공중합체 부분 비누화물, 에틸렌-프로피온산비닐공중합체, 에틸렌/초산비닐 공중합체, 아크릴산에스테르/초산비닐 공중합체, 염화비닐/초산비닐공중합체.
(d)아이오노머
올레핀류와 불포화 카르본산, 또는 다시 다른 비닐모노머와의 공중합체를 알칼리금속, 알칼리토류금속, 또는 유기염기로 중화해서 얻어지는 수지.
예를들면 미국 듀퐁상에 의해 시판되는 서린류(Surlyns).
(e)무수말레인산과 다른 비닐모노머와 공중합체 또는 무수말레인산 변성폴리올레핀.
예를들면 무수말레인산/스티렌공중합체, 무수말레인산 변성폴리프로필렌, 무수말렌인산 변성 폴리에틸렌.
(f)일반식
(식중 R6는 탄소수 8 내지 15의 탄화수소기.)
로 타나내는 폴리카아보네이트, 또 지방족 디옥시화합물, 방향족 디옥시화합물등과의 코플리카아보네이트.
예를들면 폴리-p-키실렌글리콜비스카아보네이트, 폴리-디옥시디페닐-메탄카아보네이트, 폴리-디옥시디페닐에탄카아보네이트, 폴리-디옥시페닐 2,2-프로판카아보네이트, 폴리-디옥시디페닐 1,1-에탄카아보네이트.
(g)일반식
또는
(식중n는 3 내지 13의 수, m는 4 내지 11의 수이다.)
로 표시되는 반복단위로 구성되는 폴리아미드 및 코풀리아미드류.
예를들면 폴리-w-아미노카프론산, 폴리-w-아미노펩톤산, 폴린-w-아미노카프릴산, 폴리-w-아미노펩랄고인산, 폴린-w-아미노도데칸산, 폴리-w-아미노트리데칸산, 폴리-w-아미노도데칸산, 폴리-w-아미노트리데칸산, 폴리헥사메틸렌아디파미드, 폴리헥사 메틸렌세바카미드, 폴리헥사메틸렌드데카디드, 폴리헥사메틸렌트리데카미드, 폴리데카메릴렌아미파미드, 폴리데카메틸렌세바카미드, 폴리데카메틸렌드데카미드, 폴리데카메틸렌메틸렌트리데카미드, 폴리드데카메틸렌아디파미드, 폴리데카메틸렌세바카미드, 폴리드데카메틸렌드데카미드, 폴리드데카메틸렌트리데카미드, 폴리트리데카메틸렌아디파미드, 폴리트리데카메틸렌세바카미드, 폴리트리데카메틸렌드데카미드, 폴리트리데카메틸렌트리데카미드, 폴리헥사메틸렌아제라미드, 폴리데카메틸아제라미드, 폴리드데카메틸렌아제라미드, 폴리트리데카메틸렌아제 라미드.
여기어서 접착제로서 강인성을 개량하고 또 취급성, 활성등의 향상을 고려하여 상기 성분으로 구성되는 공중합 폴리아미드 에 다른 폴리올레핀등의 수지를 일부혼합해서 사용하는 경우도 있다.
(h)일반식
또는
식중R7및 R8각각은 탄소수 1 내지 13의 알킬렌기이다.)
로 나타내는 반복단위로 구성되는 폴리우레아.
예를들면, 폴리헥사메틸렌우레아, 폴리헵타메틸렌우레아, 폴리운데카메틸우레아, 폴리노나메틸렌우레아.
(i)일반식
또는
(식중, R9는 탄소수 3 내지 24의 알킬렌기, 폴리에테르잔기, 또는 폴리에스테르잔기 : R10는 탄소수 3 내지 24의 알킬렌기 또는 알리렌기 : R11는 탄소수 1 내지 13의 알킬렌기 또는 알리렌기 : K는 0또는 1의 수이다.)로 나타내는 폴리우레탄 또는 폴리우레아우레탄.
예를들면, 폴리테트 라메틸렌헥사메틸렌우레탄, 폴리헥사메틸렌테트라메틸렌우레탄, 이소시아네이트 말단 폴리에스테르 또는 폴리에테르를 디아민 또는 물로 사슬을 신장시킨 폴리우레아우레탄
(j)폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 결정성에틸렌프로필렌 공중합체를 산소산화, 오존산화 또는 그 밖의 산화제 등으로 산화해서 얻어지는 수지.
본 발명에 특히 바람직한 수지는 중요한 순으로. 폴리에스테르, 특히 코폴리에스테르, 폴리아미드, 아이오노머, 산변성폴리올레핀, 폴리카아보네이트류이다.
적당한 코폴리에스테르는 2염기산성분으로서 테레프탈산 단위 및 다른 2염기산 단위를 함유하고, 또 디올성분으로서 데트라에틸렌글리콜단위를 함유하는 코폴리에스테르, 또는 2염기산 성분으로서 벤젠디카르본산단위를 함유하고, 또 디올성분으로서 테트라메틸렌글리콜 단위와 다른 디올단위를 함유하는 코폴리에스테르이고, 적당한 폴리아미드는 탄소수 100개당의 아미드기의 수가 4 내지 12의 범위에 있는 적어도 1종류의 나일론류이다.
본 발명에 사용하는 열가소성 수지는 충분히 고분자량이라야 하고, 일반적으로 6000이상, 특히 9000 내지 500,000의 수평균분자량을 가지는 것이 바람직하다. 또, 이 수지는 열융착성이나 열접착조작의 용이성의 견지에서 80 내지 280℃ 특히 90 내지 240℃의 연화점(융점)을 가지는 것이 바람직하다.
이들 수지에는 필요에 따라 주지의 배합제, 예를 들면 자외선 흡수제, 안정제, 윤활제, 산화방지제, 충전제, 안료, 염료, 대전 방지제들을 공지의 처방에 따라 배합시킬 수 있다.
본 발명에서 상기접착제는 컵의 접합할 열린끝부분에서 컵을 서로 끼워맞추기 전에 도포한다. 이 접착제층은 수지 층의 두께가 10 내지 200μm 특히 20 내지 150μm가 되도록 도포하는 것이 좋고, 또 랩접합부의 폭, 즉 랩폭이 1 내지 30mm, 특히 2 내지 20mm가 되도록 도포하는 것이 좋다.
접착제 수지는 여러가지의 형태, 예를들면 필름, 분말체, 슬러리, 용액, 프라스티졸 내지는 에멀션의 형태로 컵의 필요한 부분에 도포할 수 있고, 특히 이 접착제는 취급과 도포조작이 용이하고 건조 등의 조작이 용이한 필름의 형태로 사용하는 것이 좋다.
접착제의 사용은 접착제의 형태에 따라 라미네이트, 압출(엑스트루드), 정전분체도장, 전착도장, 스프레이코우트, 노즐분출, 딥코우트, 로울코우트, 브러싱(솔로 칠함)등의 도포방식을 취할 수 있다.
금속소재의 접할할 부분에 상기 보호도료가 도포된 경우에는 이 도료는 접착제에 대하여 프라이머로서 작용하여 좋은 접착성을 얻을 수 있다. 물론 접착제의 도포에 앞서 프라이머가 되는 도료를 급속소재에 미리 도포할 수도 있다.
또, 컵의 원주상 열린 끝부분을 랩 접합할 경우에는 이음매의 안쪽에 필연적으로 금속소재의 절단면의 노출된다. 이 절단면을 컵을 끼워 맞추기 전에 접착제 테이프로 싸거나 또는 잡착제의 분말, 슬러리, 용액을 이 절단면에 도포하여 절단면의 보호를 할 수도 있다.
접착제는 이음매의 안쪽 또는 외측이 되는 컵의 열린 끝부분의 외면 또는 내면에 도포할 수 있고, 또 양면 도포할 수도 있다.
접착제를 도포 한 컵에 다른쪽 컵을 끼워맞추고, 이어서 랩부에 존재하는 접착제를 용융시키고, 필요에 따라 이음매를 냉각시켜 이음매를 형성한다.
랩부의 가열은 고주파유도가열, 적외선 가열, 열풍가열, 가열체로 부터의 전열가열 등에 의하고, 또 이음매의 냉각은 방냉, 공냉, 수냉등의 임의의 조작에 의할 수 있다. 가열 및 냉각은 상기한 조건을 만족하도록 해야함을 당연하다.
본 발명에 의한 용기는 탄산음료, 맥주, 발포주등의 자생 압역을 가지는 내용물에 대한 용기로서, 또는 질소가스, 액체질소 등을 내용물과 함께 충전하는 내압용기등으로써 특히 바람직하게 사용할 수 있다.
본 발명의 금속제용기는 종래의 플라스틱병(폴리에틸렌 테레프탈레이트 2축 연신병)이나 유리병에 비해서도 현저한 잇점을 갖는다. 이들 잇점을 정리하면 표와 같다.
[표 A]
본 발명을 다음의 예로써 설명한다. 우선, 본 발명의 방법에 따라 금속용기를 제작하는데 사용되는 열가소성 접착제의 실질적인 고화 온도(Ts℃)전후에 있어서의 체적변화율(δ)는 다음 방법으로 측정했다.
[체적 변화율(δ)의 측정법]
체적변화율의 측정은 팽창계에 의한 Bekkedahl의 방법(J.Res.Netl.Bus.Standards,42,154(1949))에 의해 실시했다. 즉, 체적 0.5~1.5㎤의 열가소성수지 접착제 블록을 소정의 팽창계에 넣고, 통상적인 방법에 따라 수은을 봉입한후 각각의 접착제수지의 연화점 이상 50℃의 온도로 유지했다. 그 다음에 0.5℃/분의 속도로 냉각하면서 모세관 중의 메니스커즈(Meniscus)의 변화를 카세토 미터(Cathetometer)에 의하여 일정 시간 간격마다 직접 읽어냈다. 유리의 체팽창, 온도계 등의 각종 보정을 실시하여 각각의 시료의 비용적-온도 곡선을 얻었다. 제4도에는 ① 나일론 12, ② 스티렌·메타클릴산 에틸공중합체의 비용적-온도곡선의 기울기(절대값)이 최대가 되는 온도중 낮은쪽을 이 접착제가 실질적으로 고화하는 온도(Ts)로 했다. 나일론 12의 경우에는 바로 곡선의 변곡점에 상당하는 150℃, 스티렌·메타크릴산 메틸공중합체의 경우에는 고온측의 직선부분이 굴곡을 시작하는 110℃가 Ts가 된다. 그리고, 이 Ts+10℃ Ts-10℃에서의 비용적 Va, Vb를 각각 곡선에서 구하고, (Ⅳ)식에 의해 이 접착제 수지의 체적변화율(δ)을 계산해냈다. 또, 혼합물로 구성되는 접착제수지의 경우, 비용적-온도곡선에 몇개의 굴곡점이 관찰되는 일이 많고, 이 경우, 가장 비용적 변화가 큰 영역에서 기울기가 최대인 것을 알고, 역시 그점을 Ts로 했다.
또, 이하의 실시예에 있어서는 다음에 설명하는 방법에 따라 금속용기의 평가를 실시했다.
[금속용기의 평가]
A. 접합강도시험
a. 인장응력(접합부의 변형의 측정법)
제작된 금속용기로부터 접합부를 폭 30mm의 띠모양으로 접합부에 힘이 가해지지 않게하며 레이저 절단기로 절취한다. 다음에, 띠 모양의 접합부재의 외측 및 내측에 변형게이지를 주위에 등간격으로 8매씩 부착한다. 변형게이지의 길이방향을 띠모양의 접합부재의 원주방향에 맞추어서 변형게이지를 부착한다. 띠모양의 접합부재의 외측 및 내측부재에 가해지고 있는 변형을 측정하기 위해서는 접착제를 용해시켜야만 하나, 접착제를 용해시키는 용제는 각각의 접착제에 따라서 선택하고 실온 내지 90℃의 온도로 한다.
다음에, 용제가 들어 있는 비이커내에 변형게이지가 부착된 띠모양의 접합부재를 담그어 접합부의 접착제가 용해되기까지의 각 변형게이지의 저항치를 연속적으로 측정한다.
외측부재는 내측 부재보다 두꺼우므로 외측부재의 변형은 작다. 따라서 접착제에 응력이 가해지고 있는 상태에서는 내측부재의 변형게이지의 저항변화가 외측부재의 것보다 크다. 내측부재의 변형게이지의 저항치가 증가된 경우에는 내측부재의 주위가 연신된 것이되고, 접착제에는 압축응력이 가해져 있고, 저항치가 감소된 경우에는 접착제에는 인장응력이 가해져 있던 것이 된다.
외측부재의 변형게이지의 저항변화는 내측부재의 변형게이지의 저항변화와는 반대부호의 값이되나, 절대치는 상당히 작았다.
이와같같이 금속용기의 접합부의 접착제에 가해지는 응력을 외측 및 내측부재의 접합부의 주위 길이의 증감으로 측정했다.
표 1 내지 3의 인장응력은 내측부재에 부착된 8장의 변형게이지의 저항치의 변화율, 즉 변형율(연신율(+), 수축율(-))로 환산한 양의 평균치를 기재한 것이다.
b. 피일(Peel)강도
접합후의 금속용기로부터 그 접합부를 절취하여 텐실론(Tensilon Tester)을 사용해서 실온하에서 100mm/분의 인장속도로 T피일강도를 거의 전둘레에 걸쳐서 측정했다. 여기에서, 시험편이 원호상이기 때문에 정확한 T피일 시험과는 약간 다르나, 인장속도를 비교적 늦게 하므로서 재현상이 있는 정확한 측정치를 얻을 수 있다. 각 측에서 3개의 용기에 대해서 측정하고, 그 산출평균치를 채용했다. 측정치는, 피일강도 곡선의 면적을 산정하므로써 얻어지는 평균치 X와, 그 곡선의 최대치, 최소치의 폭 Y를 가지고 5mm폭의 강도로 환산해서 X±Y(Kg/5mm폭)으로 표기했다.
c. 변형전단강도
접합공정후의 금속용기와 이것에 물을 충전해서 70℃에서 10시간 경과후 진공 건조시킨 것에 대해서, 각각 높이 방향 7cm원주방향 2cm의 접합부를 포함하는 시료편을 절취하고 이를 텐실론(Tensilon)시험기를 사용하여 실온에서 인장속도 100mm/분으로 잔단파괴 시험을 실시하여 랩접합부의 접착면적을 고려해서 전단강도를 측정했다. 각각 3개씩의 병에 대하여 측정하고 그들의 산술평균치를 이 예의 측정치로 정했다. 또, 여기에서 55-58kg/㎠이상으로 기록된 것은 판의 파단이 발생한 것으로서, 실제의 강도는 이 이상의 값이라는 것을 나타내고 있다.
B. 덴팅(Denting)테스트
금속 용기에 각각 소정의 내용물을 충전한후, 제5도와 같이 수평방향에 대해서 22.5°의 각도로 기울어진 금속제병(B) 접합부의 외부체 단부에서 0.3mm떨어진 위치에 무게 4kg의 추(A)를 일정높이(6mm)에서 수직으로 자연 낙하시켰다.
이 시험에서 상부체와 저부체가 분리되거나 접합부에 간극이 발생한 것을 '파단', 23℃에서 48시간 방치후에 내압을 측정했을때 충전직후에 비해서 5%이상의 저하를 보이는 것 및 접합부 근방에서 내용물의 누출이 관찰되는 것을 '누출'로 간주했다. 표에는 상기 누출율과 파단율의 총합계를 누출율(%)로 표시하고, 괄호내에는 그중의 파단율을 도시했다.
또, 시험조건으로서 0℃와 25℃를 선택하여, 시험체전체가 충분히 그 온도에 도달하고 있는 것을 확인한 후에 각각 50개씩의 시험을 실시했다.
C. 50℃, 3개월 방치시험(누출 및 통의 파단율)
상부체와 하부체가 서로 이탈되거나 또는 어느쪽인가가 변형되어서 접합부에 간극이 생기는 것을 통의 파단으로 간주했다. 또, 25℃에서의 내압이 충전직후에 비해서 5%이상 저하된것, 그리고, 접합부 근방에 어떠한 내용물이 스며나오는 것이 관찰되는 것을 누출로 간주했다. 표에는 50개중의 누출수와 통의 파단수의 합을 누출율(%)로서 표시하고, 괄호내에는 그중의 통의 파단율(%)을 표시했다.
[실시예 1~7, 비교예 1~4]
소재 두께가 0.23mm인 알루미늄판(3004, H19)의내외면에 변성비닐계 도료를 각각 전체의 도막량이 150mg/d㎡, 60mg/d㎡가 되도록 도포하고 열처리를 한후 94mm경의 원판으로 타발하고, 통상의 프레스가공으로 성형을 실시하여 접합부끝부분의 내경이 64.20mm이고, 중심부에 직경 25mm의 주입구가 있는 상부체를 제작했다.
한편, 소재두께가 0.30mm인 알루미늄판(3004,H19)을 약 142mm의 경으로 타발하여 드로우잉 펀치와 다이로 안지름이 약 85mm의 컵모양으로 성형했다. 이 컵상의 성형물을 다시 드로우잉 가공한 후 직경 66.1mm의 아이어닝 펀치와 다이로 아이어닝 가공을 실시했다. 이 외면에 변성비닐계도료를 도막량이 60mg/d㎡가 되도록 맨드렐 코우터로 도포한후 열처리하고, 다시 내면에도 동일한 도료를 도막량 150mg/d㎡가 되도록 스프레이 코우트하고, 열처리를 실시했다. 이어서 낵인가공을 실시하여 그 원주 끝부분의 바깥지름이 64.14mm의 하부체를 제작했다.
이 하부체의 끝부분 전둘레에 걸쳐서 그 외면측 약 4mm폭, 내면측 약 1.5mm폭으로 이하와 같이 접착제를 도포했다. 즉, 2염기산 성분으로서 테레프탈산과 이소프탈산이 몰비로 7 : 3, 글리콜 성분으로서 테트라메틸렌글리콜으로 구성되는 공중합 폴리에스테르 A(고화 온도 145℃, 체적변화율 3.0%, 연화점 175℃)의 필름, 막의 두께 60μm, 폭 약 6mm를 미리 고주파 가열한 하부체 외면 단연전주에 걸쳐서 약 2mm비어져 나오도록 접착하여, 그 다음에 재차 끝부분을 고주파 가열하면서 이 비어져 나온 부분을 다시 접어서 내면측에 접착시키고 끝부분이 접착제로 피복된 하부체를 제작했다.
이상과 같이 제작한 상부체와 접착제를 도포한 하부체를 끼워 맞춘후, 가열공정, 그리고 이것과 동일 스테이션에서 냉각공정을 실시해서 끼워 맞춤부의 접착제를 용융, 냉각 고화시켜서 접합하여, 상부체와 하부체가 접합된 용량 약 500ml의 금속용기를 제작했다. 또, 가열공정에서는 파가열부재를 480회전/분으로 회전시키면서 0.5초간 가열하고, 냉각공정에서는 가열종료와 동시에 압축에어용 노즐을 사용해서 물을 분무할때는 0.3초간, 공기분사는 1초간 끼워맞춤부에 분사해서, 냉각을 했다.
또, 가열공정에 있어서의 가열코일의 형상은 제6도와 같이 가열코일의 도체(15), (16)의 경은 3mm이고 상부체(2)와 하부체(1)에 전자(Electromagnetic)결합하고 있는 편평 나선형 가열코일의 권수는 7회이고, 그 폭 Wc는 25mm, 중공부의 폭은 20mm이다.
외측부재의 냉각용 노즐은 용기의 끼워맞춤부에 대하여 가열코일에 대응하는 반대측에 끼워맞춤부를 에워싸도록 형성하고 내측부재의 냉각용 노즐은 외측부재의 열린구멍부로부터 삽입되고, 외측의 노즐과 대응되는 위치를 냉각하도록 설치된다.
각 예에서 채용한 가열공정, 냉각공정을 상세히 설명하면 이하와 같다.
[실시예 1]
외측부재와 내측부재의 온도상승이 동이해지도록 가열코일의 중심을 기워맞춤부의 중심에서 2mm만 내린 상태(△l=2mm)로 가열코일을 세트했다. 냉각공정에서는 외측 및 내측부재에 공기분사를 실시했다. 이때의 끼워맞춤부의 온도는 제7도와 같다. 곡선(a)는 외측부재의 끼워맞춤부의 온도, 곡선(b)는 내측부재의 끼워맞춤부의 온도, 곡선(c)는 접착제의 온도이다.
가열 종료시의 외측부재, 내측부재의 끼워맞춤부의 온도는 어느쪽이나 230℃이고, 접착제의 온도는 195℃이었다. 접착제가 응고하는 온도 145℃에 도달하기까지의 시간은 가열 종료로부터 0.5초후이었다.
접착제가 응고되는 시각에서는 외측부재와 외측부재의 온도는 다같이 115℃이었다. 따라서 접착제에는 필요이상의 압압력은 작용되지 않고 접착제는 끼워맞춤부에서 밀려 나오지 않고, 끼워맞춤부가 상온이 되어도 접착제에는 인장 응력이 작용되지 않는다.
[실시예 2]
외측부재의 끼워맞춤부의 온도가 내측부재의 것보다 높아지도록 가열코일의 중심을 끼워맞춤부의 중심에서 1mm만 높힌 상태(△l=±1mm)로 가열코일을 고정했다. 냉각공정은 실시예 1과 같다. 가열종료시(t=t1)의 외측부재의 온도는 245℃, 내측부재의 온도는 215℃, 접착제의 온도는 195℃이었다.
접착제가 응고되는 온도 145℃에 도달되기까지의 시간은 가열종료로부터 0.5초후였다. 이 시점(t=t2)에서의 내측부재의 온도는 110℃, 외측부재의 온도는 120℃이고, 외측부재의 온도쪽이 약간 더 높기 때문에 접착제의 체결력이 약화되나 이 정도의 온도차는 실용상에는 지장이 없다.
[실시예 3]
가열코일의 설치상태는 실시예 2의 경우와 동일하게 하고, 접착제의 응고시의 외측부재와 내측부재가 끼워 맞춰진 부분의 온도가 동일해지도록 외측의 끼워 맞춤부를 냉각하는 냉각용 노즐의 공기 유량을 내측의 것보다 많게 했다.
가열종료시(t=t1)의 외측부재의 온도는 245℃, 내측부재의 온도는 215℃, 접착제의 온도는 195℃이었다. 접착제가 응고하는 온도 145℃에 도달하기까지의 시간은 가열종료에서 0.45초후이었다. 이 시점(t=t2)에서의 내측부재, 외측부재의 온도는 동일하게 115℃이었다.
이 경우에는 가열종료시에는 외측부재의 온도가 내측부재의 것에 비교해서 높기때문에 접착제에는 체결력이 거의 작용하지 아니하나, 접착제의 고화시에는 외측부재와 내측부재와의 온도등이 같기 때문에 충분한 체결력이 작용해서 양호한 접착이 이루어진다.
[실시예 4]
외측부재의 감합부의 온도가 내측부재의 것보다 낮아지도록 가열코일의 중심을 끼워맞춤부의 중심에서 3mm만 낮춘상태(△l=-3mm)로 가열코일을 고정했다. 냉각공정은 실시예 1과 동일하다. 가열종료시(t=t1)의 외측부재의 온도는 220℃ 내측부재의 온도는 240℃, 접착제의 온도는 195℃이었다.
접착제가 응고되기까지에 도달하는 시간은 가열종료로부터 0.5초후이었다. 이때의 외측부재의 온도는 115℃, 내측부재의 온도는 120℃이었다. 이 경우에는 약간 외측부재의 온도쪽이 내측부재의 것보다 낮기 때문에 접착제에 체결력이 작용해서 용융상태의 접착제가 비어져 나오는 염려는 있으나 실용상으로는 지장이 없다.
[비교예 1]
가열 공정은 실시예 1과 동일하게 하고, 냉각공정에 있어서의 압축공기의 분사를 용기의 바깥쪽에서만 실시했다. 그때의 온도를 제8도에 도시했다. 곡선 d는 외측부재의 감합부의 온도, 곡선 e는 내측부재의 감합부의 온도, 곡선 f는 접착제의 온도이다. 외측부재의 온도의 하강의 양태는 실시예 1의 경우와 거의 동일하나 접착제가 응고하는 온도(145℃)에 도달하기까지의 시간은 가열종료후 1.0초이고, 그때 접착제와 내측부재의 온도는 같고, 외측부재와의 차는 75℃이었다.
이 끼워맞춤부의 냉각곡선으로 보아 명확하듯이, 접착제가 용융하고 있는 상태에서 내측부재의 끼워맞춤부의 온도가 외측부재의 것보다 높아지므로 접착제에는 압압력이 작용해서 접착제가 비어져 나온다. 따라서, 이 시각까지 상당한 접착제가 끼워맞춤부로부터 비어져 나오기 때문에, 상온이 되었을때는 접착제에는 상당한 인장응력이 작용한다. 이 경향은 접착제의 용융시의 점도가 낮은 경우에 특히 심하다.
[실시예 5, 6, 7]
가열 공정을 실시예 1과 동일하게 한 것(실시예 5), 가열종료시에 끼워맞춤부의 외측부재와 내측부재의 온도가 각각 245℃, 215℃가 되도록 가열한것(실시예 6) 마찬가지로 끼워맞춤부의 외측부재와 내측부재의 온도가 각각 225℃, 235℃가 되도록 가열한것(실시예 7)등 각기 다른 가열공정을 채용하고 냉각공정에 있어서는 압축공기 대신에 물을 분사했다. 즉, 가열종료와 동시에 전자밸브를 열어 압력이 가해진 상태로 물을 노즐로 부터 분출시켜서 외측부재 및 내측부재가 끼워맞춰진 부분에 물을 분무상태로 분사했다. 이때의 끼워맞춤부의 온도곡선을 제9도에 도시한다. 곡선 g, g', g"는 외측부재의 온도, 곡선 h, h', h"는 내측부재의 온도, 곡선 i, i', i"는 접착제의 온도를 나타내고, g, h, i는 실시예 5, g', h', i'는 실시예 6, i, i', i"는 실시예 7의 경우를 나타낸다.
230℃로 가열된 외측부재 및 내측부재의 끼워맞춤부의 온도는 급격히 하강하고, 그때 접착제의 온도는 약간 늦게 하강한다. 가열종료후, 0.1초 경과했을때 접착제는 응고 온도 145℃로 되고, 그때 외측부재와 내측부재의 온도는 수온이 되었다. 따라서 이때 접착제에는 압축응력이 발생되나 이 접착제의 체적변화율이 3.0% 정도로 작기 때문에 접착강도에는 거의 영향이 없다. 이 경우에는, 접착제의 냉각은 외측부재와 내측부재가 끼워맞춰진 부분의 냉각보다 늦어지나 상당히 급격히 냉각되고, 접착제가 특히 결정성인 경우에는 접착력이 강고해진다.
[비교예 2]
가열가공은 실시예 1과 동일하게 하고, 냉각공정에 있어서의 물 분사를 바같쪽으로만 하여 캔을 제작했다. 이때의 각부의 온도는 제10도의 도시와 같다. 곡선 j는 외측부재의 끼워맞춤부의 온도, 곡선 k는 내측부재의 끼워맞춤부의 온도, 곡선 l는 접착제의 온도이다. 도면에서 보는 바와같이 외측부재의 끼워맞춤부의 온도는 실시예 5의 경우와 거의 동일하나 접착제 및 내측부재의 온도는 상당히 늦게 하강한다. 접착제가 응고되는 온도 145℃에 도달되는 시간은 가열종료 후 0.3초이었다. 이때의 내부재의 온도는 접착제의 온도보다 높아, 160℃이고, 외부재의 온도는 수온(20℃)부근까지 하강했다. 이 경우는 접착제가 응고하기까지의 시간은 극히 짧으나, 외측부재와 내측부재와의 끼워맞춤부에서의 온도차가 심하므로 접착제가 응고되기까지 상당한 접착제가 끼워맞춤부로부터 비어져 나오기 때문에 감합부가 상온이 되었을때는 접착제에는 상당히 인장응력이 작용한다.
[비교예 3]
가열공정에 있어서의 가열코일의 위치를 끼워맞춤부에 대해서 상대적으로 7mm내린 상태(△l=7mm)로 하고, 0.5초간 끼워맞춤부를 가열했다. 가열종료시의 외측부재의 끼워맞춤부의 온도는 200℃, 내측부재의 끼워맞춤부의 온도는 260℃이고, 접착제의 온도는 195℃이었다. 냉각공정은 실시예 1과 동일하게 했다. 이때의 각부의 온도는 제11도에 도시했다. 곡선(m)은 외측부재의 끼워맞춤부의 온도, 곡선(n)은 내측부재의 끼워맞춤부의 온도, 곡선(o)는 접착제의 온도이다. 접착제가 응고하기 (145℃)까지의 시간 t1은 가열종료후 0.5초 경과되었을 때이고, 그때의 외측부재의 온도는 115℃ 내측부재의 온도는 150℃이었다.
접착제가 응고하는 시각에서의 외측부재와 내측부재와의 온도치는 35℃이고, 이 경우에는 가열 종료시에서 접착제가 고화되기까지 비어져 나오는 접착제의 양은 적으나 가열종료시에 내측부재의 끼워맞춤부의 온도는 외측부재의 것보다 60℃높기 때문에 경은 외측부재, 내측부재의 재질이 알루미늄의 경우에는 외측부재의 내경은 64.50mm, 내측부재의 외경은 64.2mm가 되고, 접착제가 용융되고 있는 상태에서 상당한 압압력이 접차제에 가해지기 때문에 상당량의 접착제가 비어져 나오게 된다. 이로인해 끼워맞춤부가 상온이 되었을때에 접착제에는 상당한 인장응력이 작용하게 된다.
[비교예 4]
냉각공정에 있어서의 압축공기의 분사를 바깥쪽에서만 실시할 경우에는 외측 부재쪽이 급속히 냉각되기 때문에 끼워맞춤부의 냉각시에도 접착제에는 압압력이 작용해서 상당량의 접착제가 비어져 나와서 끼워맞춤부의 온도가 상온이 되었을때는 보다 큰 인장력이 접착제에 작용하게 된다.
이들 금속용기의 접합부의 인장응력 및 피일강도를 측정하고, 또 코카콜라를 충전하여 주입구를 밀봉한후, 캔워머로 42℃에서 살균해서 50℃에서의 방치 시험을 실시하는 동시에 0℃와 25℃에서의 덴팅테스트를 실시해서 용기의 실용 강도를 평가했다. 표 1에 이 결과를 기재했다.
[실시예 8-11, 비교예 5, 6]
소재 두께가 0.23mm인 브라이트 주석도금강판(T1, 도금량=#50/#50)의 내외면에 에폭시 페노올계 도료를 각각 전체의 도막량이 150mg/d㎡, 60mg/d㎡가 되도록 도포, 열처리를 실시한후, 94mm경의 원판으로 타발하여, 통상의 프레스가공에 의하여 성형을 하여, 접합부 모서리의 내경이 64.60mm이고 중심부에 직경 25mm의 주입구가 있는 상부제를 제작했다.
한편, 소재 두께가 0.30mm인 주석도금강판을 약 143mm경으로 타발하고 드로우잉 펀치와 다이로 내경이 약 85mm인 컵으로 성형한다. 이어서, 이 컵상 성형물을 재차 드로우잉 가공한 다음 직경이 약 66.1mm인 아이어닝 펀치와 다이로 아이어닝 가공을 실시했다. 이 외면에 에폭시페노올계 도료를 도막량이 60mg/d㎡가 되도로 맨드렐코우터로 도포한후 열처리하고, 다시 내면에도 에폭시 페노올계도료를 도막량 150mg/d㎡가 되도록 스프레이코우트하고, 열처리했다.
이어서 넥인가공을 실시해서 그 원두단연의 외경이 각각 64.45, 64.48, 64.63, 64.60mm(실시예8-11), 64.68mm(비교예 5), 64.36mm(비교예 6)의 6종류의 하부체를 제작하였다.
이 하부체의 외면측 단연전주에 걸쳐서 폭 약 4mm, 두께 80μm로 다이머산과 폴리알킬렌폴라아민 및 헥사메틸렌디아민에서 축합중합시켜서 얻어진 폴리아미드 A를 기어펌프가 부속된 핫멜트 애플리케이터로 도포했다.
이와같이 얻어진 상부체와 접착제를 도포한 하부체를 끼워맞추고 실시예 1과 동일한 가열 및 냉각 조건에 따라서 상부체와 하부체를 접착제를 개재해서 접합시킨 용량 약 500ml의 금속용기를 제작했다. 또한, 끼워맞춤에 있어서, 실시예 10에서는 상부체를 약 150℃, 비교예 5에서는 상부체를 약 230℃로 가열해서 끝부분을 팽창시킨후 끼워맞추고 비교예 6에서는 접합시에 주입구로부터 공기를 불어넣어 내압을 약 5kg/㎠로 유지하고 양부체를 팽창시킨후 접착제를 용융해서 냉각고화시켰다.
이들 금속용기의 접합부의 인장응력을 측정하고, 또, 이들의 금속용기에 합성 탄산 음료를 충전하고 주입구를 밀봉한후 캔워머로 42℃로 살균을 실시하고, 50℃에서의 방치 시험을 실시하는 동시에 0℃와 25℃에서의 덴팅테스트를 실시해서 용기의 강도를 평가했다. 표 2에는 이들의 결과를 보인다. 또 접착제의 물성 및 양부체끝부분의 치수도 같이 표기했다.
[실시예 12-16, 비교예 7]
소재 두께가 0.23mm인 알루미늄판(3004,H19)의 내외면에 변성비닐계 도료를 각각 전체의 도막량이 180mg/d㎡, 80mg/d㎡가 되도록 도포, 열처리한후, 250mm경의 원판으로 타발하고, 통상의 프레스 가공으로 성형을 해서 접합부 끝부분의 내경이 110.60mm이고 중심부에 직경 30mm의 주입구가 있는 상부체를 제작했다.
한편, 동일한 도장판으로 역시 250mm의 경의 원판을 타발하여 프레그가공에 의해서 성형을 하여 접합부 끝부분의 외경이 110.50mm의 하부체를 제작했다.
이 하부체의 끝부분 전 원주에 걸쳐서 그 외면측 약 6mm폭, 내면측 약 2mm폭으로 다음과 같이 접착제를 도포했다. 즉, 실시예 12에서는 나일론(12)의 분말을 하부체의 끝모서리의 면측 6mm, 내면측 2mm만이 노출되도록 마스킹한후에 정전도장을 실시하고, 다시 그 부분을 적외선 히이타로 가열하고 분말제를 용융시키고 약 85μm의 막후로 접착제 피막을 형성했다. 또 실시예 13에서는 테레프탈산을 2염기산성분으로하여 글리콜성분으로 해서 테트라메틸렌글리콜과 트리에틸렌글리콜이 몰비로 해서 10대 1이 되는 조성의 공중합 폴리에스테르 B필름, 막후 80μm, 폭 8mm를 미리 고주파 가열한 하부체 외면 끝부분 전원주에 걸쳐서 약 2.5mm비어져 나오도록 붙이고, 그 다음에 다시 끝부분을 고주파 가열하면서 이 비어져 나온 부분을 되접어서 내면측으로 붙여서 끝부분이 접착제로 피복된 하부체를 제작했다. 또 실시예 14에서는 2염산 성분으로서 테레프탈산과 이소프탈산이 8.5 : 1.5의 몰비의 것과 에틸렌글리콜으로 구성되는 공중합 폴리에스테르(PET/I), 2염산 성분으로서 테레프탈산과 이소프탈산이 6.5 : 3.5의 몰비의 것과 테트라메틸렌글리콜으로 구성되는 공중합 폴리에스테르(PBT/I), 다시 아이오노머의 3성분으로 구성되는 공중합폴리에스테르 블랜드(블렌드비 PET/I : PBT/I : 아이오노머=1 : 7 : 2)필름, 막두께 80μm, 폭 8mm를 앞의 실시예 13과 같은 방법으로 소정의 형상으로 도포했다. 또, 실시예 15에서는 무수말레인 변성폴리프로필렌분말, 입경 약 30μm을 앞의 실시예 12와 동일한 방법으로 하부 끝부분에 소정의 형상으로 도표했다.
또 실시예 16에서는 염화비닐, 초산비닐 공중합체(염화비닐 : 초산비닐=9 : 1)의 30%용액이 충만된 욕에 하부체를 수직방향으로 약 70℃경사시키고, 완만히 회전시키면서 그 끝부분의 일부를 용액에 담근후, 열풍 오븐으로 용제를 비산시키고 다시 수지를 용융하여 막 두께가 약 80μm인 상기 형상의 접착제 피막을 하부재 끝부분에 형성했다. 한편, 비교예 7에서는 에틸렌-초산 비닐공중합체(EVA공중합비에틸렌 : 초산비닐=8.5 : 1.5)와 고밀도 폴리에틸렌(HIPE)의 블렌드비 EVA : HDPE=1 : 9, 입경 약 25μm인 분말을 앞의 실시예 12와 동일한 방법으로 하부체 끝부분에 소정의 형상으로 도포했다.
이상과 같이 제작한 상부체와 접착제를 도포한 하부체를 끼워 맞춘후, 실시예 5와 동일한 가열 및 냉각조건에 따라 상부체와 하부체가 접합된 용량 약 2ℓ인 금속용기를 제작했다.
이들 금속 용기의 접합부의 인장응력을 측정하고 다시 변형전단강도를 접합직후의 것과, 이것에 물을 가득채워 70℃에서 10시간 방치시킨 것에 대하여 측정했다. 또, 이들에 맥주를 충전하여 주입구를 밀봉한후, 65℃에서 30분의 살균을 실시한후, 0℃ 및 25℃에서 덴팅테스트를 실시하고, 다시 50℃에서 저장하여 3개월후에 누출, 파단의 유무를 관찰했다. 표 3에는 이들의 결과를 각종 접착제의 물성치와 같이 표시했다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
Claims (7)
- 각각 금속제의 이음매가 없는 컵성형체인 외측부재(2)와 내측부재(1)을 그 원주상의 열린 끝부분(Circumferential Open End Portion)(4), (3)에서 접착제를 개재하여 랩접합(Lap Bond)시켜 금속용기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 외측부재(2) 및 내측부재(1)을 이들의 상기 열린 끝부분(4), (3)사이에 접착제층(11,11a)가 개재하는 상태에서 서로 끼워 맞추는 단계와, 이 끼워 맞춰진 부분(5a)를 가열하여 상기 접착제층(11a)를 용융시키는 단계와, 이 접착제층(11a)가 응고되기 직전의 상기 끼워맞춰진 부분(5a)에서의 내측부재(1)와 외측부재(2)의 온도가 실질적으로 같은 상태가 되도록 하며 상기 양 열린 끝부분(4), (3)사이에 접착제가 충만된 상태에서 상기 끼워맞춰진 부분(5a)를 냉각하는 단계로써 구성되는 것을 특징으로 하는 금속용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 끼워 맞춰진 부분(5a)을 가열하는 단계에서, 내측부재(1)의 끼워 맞춰진 부분(3)의 온도가 외측부재(2)의 끼워 맞춰진 부분(4)의 온도와 같거나 그보다 약간 더 낮은 것을 특징으로 하는 금속용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, DODI및 DI+2dA＞DO의 치수관계(여기서, DI는 내측부재(1)의 끼워 맞춰진 부분에서의 외경, DO는 외측부재(2)의 끼워 맞춰진 부분에서의 내경, dA는 접착제층(11a)의 도포 두께이다.)가 만족된 상태로 상기 접착제층이 상기 끼워맞춤부의 안에 개재하는 것을 특징으로 하는 금속용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 접착제의 TS±10℃(여기서, TS는 접착제의 실질적인 응고온도)의 온도 범위에서의 체적 변화율(δ)는 10%미만이고 연화점(Softening Point)은 80 내지 280℃이며, 상기 체적 변화율(δ)는
(여기서, Va는 Ts+10℃에서의 접착제의 비용적(Speicfic Volume, cc/g), Vb는 Ts-10℃에서의 접착제의 비용적(cc/g)이다.)의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 금속용기의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 끼워 맞춰진 부분(5a)의 냉각단계에, 상기 외측부재(2) 및 상기 내측부재(1)에 소정의 유체 냉매(Cooling Fluid Medium)를 적용하는 공정이 포함되는 것을 특징으로 하는 금속 용기의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 내측부재(1)에 적용된 상기 냉매의 온도가 외측부재(2)에 적용된 상기 냉매의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 금속용기의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 끼워 맞춰진 부분(5a)에서의 내측부재(1)의 온도 T1과 상기 끼워 맞춰진 부분(5a)에서의 외측부재(2)의 온도 T2가T2+10℃T1
T2-5℃
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속용기의 제조방법.
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