KR100890159B1 - 균일한 발포율의 미세 발포체를 제조하는 방법 및 이를위한 압출 발포 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압출기를 이용하여 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하여, 압출 다이의 압력강하구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하고, 상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물을 압출 다이의 냉각구간으로 통과시키며 냉각시킴에 있어서, 상기 압력강하구간의 종점 온도와 냉각구간의 시점 온도가 30 내지 200℃의 온도차를 가지도록 설정하여 미세 발포체를 압출하는 과정; 및 상기 압출 다이로부터 토출되는 미세 발포체를, 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취하여, 발포율 및 경시적인 물성을 미세하게 조절하는 과정; 을 포함하는 것으로 구성된 미세 발포체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 따르면, 발포율을 미세하게 조절할 수 있고, 경시적으로 균일하고 일정한 발포율을 조절할 수 있으며, 후발포가 일어나지 않는 온도까지 압출물이 냉각되어 성형되므로, 경시적으로 압출물 단면 형상을 유지하고 조절할 수 있다.

Description

균일한 발포율의 미세 발포체를 제조하는 방법 및 이를 위한 압출 발포 시스템 {Method for Preparation of Microcellular Foam with Uniform Foaming Ratio and Extruding and Foaming System for the Same}

도 1은 일반적인 미세발포체의 제조를 위한 압출 발포 공정의 개략적인 순서도이다;

도 2는 종래의 압력강하구간만을 포함하는 압출 다이의 확대 단면도와 압출 다이 내에서의 온도변화 그래프이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 미세발포체의 제조를 위한 압출 발포 공정의 개략적인 순서도이다;

도 4는 본 발명에 따른 압력강하구간, 온도변화구간, 및 냉각구간을 함께 포함하는 압출 다이의 확대 단면도와 압출 다이 내에서의 온도변화 그래프이다.

본 발명은 균일한 미세 발포체를 제조하는 방법 및 이를 위한 압출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 압출기를 이용하여 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하여, 압출 다이의 압력강하구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하고, 상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물을 압출 다이의 냉각구간으로 통과시키며 냉각시킴에 있어서, 상기 압력강하구간의 종점 온도와 냉각구간의 시점 온도가 30 내지 200℃의 온도차를 가지도록 설정하여 미세 발포체를 압출하는 과정 및 상기 압출 다이로부터 토출되는 미세 발포체를, 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취하여, 발포율 및 경시적인 물성을 미세하게 조절하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있는 방법 및 이러한 방법을 실현할 수 있는 시스템에 관한다.

일반적으로, 발포체는 단열성, 방음성, 경량성, 내충격성, 절연성, 광학특성 등의 많은 장점을 가지므로 다양한 목적으로 방음재, 단열재, 건축재, 경량 구조재, 포장재, 절연재, 쿠션재, 방진재, 광반사판, 광학산판 등의 광범위한 분야에서 널리 이용되고 있다.

이러한 발포체를 제조하기 위한 발포 공정은, 고분자 수지를 기계적으로 발포하거나, 발포가스나 발포제를 이용하여 물리적 발포제나 화학적 발포제를 포함하는 수지 조성물을 압출 성형함으로써 제조하는 방법 등이 사용될 수 있다. 상기 물리적 발포제로는, 예를 들어, 이산화탄소, 질소, 또는 하이드로플루오르카본 등이 사용될 수 있으며, 화학적 발포제로는, 예를 들어, 아조디카본아마이드 등과 같은 기체 생성 유기 물질이 사용될 수 있다.

발포 공정에서 가장 중요한 것은 공극의 크기, 형태, 분포 함량 등을 조절하는 기술로서 다른 가공 공정에 비해 변수가 많고 조건의 조절이 매우 어렵다. 특 히, 발포율에 따라 발포체의 물성이 크게 달라지는 바, 이러한 발포율을 조절하는 것은 매우 중요한 문제이다.

종래에는 발포제의 함량 또는 온도 조절 등을 통해 발포율을 조절함으로써, 예를 들어, 10%, 20% 수준 등의 10 단위의 매우 넓은 편차 범위에서 발포율의 조절이 가능했다. 따라서, 미세한 영역의 발포율 조절은 거의 불가능한 수준이었기 때문에, 발포체의 물성을 조절하거나 발포율을 균일하게 조절해야 하는데 한계가 있었다.

도 1에는 일반적인 미세발포체의 제조를 위한 압출 발포 공정의 계략적인 순서도가 도시되어 있고, 도 2에는 종래의 압력강하구간만을 포함하는 압출 다이의 확대 단면도와 온도변화 그래프가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 압출물의 진행 방향에 따라 압출기(10), 압출 다이(20), 진공냉각기(30), 인취기(40) 및 절단기(50)의 순서로 구성되어 있다.

따라서, 발포체를 제조하기 위해서는, 먼저 발포제를 포함하는 압출 원료를 교반기(11)로 혼합하고, 혼합물이 압출기(10)를 통과함으로써 용융된 상태의 압출물이 압출되며, 상기 압출물은 소정의 형상을 형성하기 위해 노즐(21)을 따라 외부 가열 수단(22)이 장착된 압출 다이(20)를 통과하고, 압출 다이(20) 내의 압력강하구간(21)을 통과하면서 발포가 이루어지고, 압출 다이(20)에서 고온의 상태로 발포 압출물이 배출된다. 상기 고온 상태의 발포 압출물을 압출된 형상의 프로파일을 냉각하고 형상을 고화시키기 위하여 진공냉각기(30)에 통과시키고, 인취기(40)를 거쳐 절단기(50)에 의해 소망하는 길이로 절단함으로써 소망하는 형상의 발포체를 제조할 수 있다.

압출 다이(20)에서 고온 상태로 압출물이 배출되고, 진공냉각기(30)로 이동하는 과정에서 충분한 냉각이 행해지기 전에 비교적 고온 상태에서 압출물이 상압에 노출됨으로써, 내부 발포 압력에 의해 후발포되고, 또한, 압출방향뿐만 아니라 폭방향으로도 팽창이 행해짐으로써, 시간이 경과함에 따라 일정한 발포율을 갖는 발포체의 제조가 불가능하고, 발포체의 단면 형상이 불균일해지는 등의 심각한 문제들이 발생한다.

한편, 이러한 압출 냉각 시스템에서, 진공냉각기(30)는 냉각수 순환기(31)에 의해 냉매가 순환됨으로써 압출물에 냉각을 행하는 장치로서, 약 3 내지 6 m 길이의 매우 긴 공정 길이를 갖는 바, 공간적인 제약이 크고, 진공냉각기(30)를 거치는 경우 압출속도는 약 3 ~ 5 m/min 정도로서, 진공냉각에 의한 인취 속도를 늘리는 데 한계가 있으므로 생산효율을 크게 저하시킨다.

이와 관련하여, 발포율을 조절하기 위한 기술로서, 예를 들어, 일본 등록특허 제3199951호에는 기포의 성장에 의하여 형성되는 셀(cell) 벽의 강도가 유지되는 범위에 있어서는, 용융 연성이 향상함에 따라 발포 배율이 향상되는 점에 착안하여, 용융 연성 향상제 등이 포함된 조성물을 한계 인수 속도를 용융 연성으로서 측정하는 공정과 발포 배율을 측정하는 공정 및 상기 한계 인수 속도와 상기 발포 배율로부터 소망하는 발포 배율을 얻기 위한 조성물의 조성 및/또는 발포성형온도를 선택하는 공정으로 구성된 열가소성 일라스토머의 제조방법을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술은 발포제로서 물(H₂O) 만을 사용하는 경우에 한정되는 바, 물과 상용성이 없는 고분자 수지를 압출 성형하는 경우에는 적용될 수 없고, 소망하는 발포 배율을 얻기 위해서는 조성 비율 또는 성형 온도 등의 조건을 수 차례 달리하여 그에 따라 각각 용융 연성을 측정하여 발포 배율을 조절하여야 하므로 매우 우회적이고 복잡하다. 또한, 별도의 용융 연성 측정 장치를 반드시 필요로 하고, 생산 효율이 저하되며, 성형 온도는 미세한 범위에서의 조절이 까다로울 뿐만 아니라 온도 유지가 극히 난이하며, 더욱이 압출 다이에서 배출되어 냉각되기 전에 발생할 수 있는 후발포 현상을 방지할 수 없는 등 많은 문제점을 가지고 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제1997-057822호에는 포밍 다이(foaming die), 즉, 압출 다이와 발포한 압출물 사이의 마찰력에 따라 압출물이 서징(Surging)되는 현상을 방지함으로써, 발포율이 균일하고 치수 정밀도가 높은 성형체를 제조하기 위하여, 포밍 다이 내에서 발포 하는 수지와 포밍 다이와의 사이에서 생기는 마찰력을 검출하고, 그 마찰력에 대응하여 인수 속도를 제어하는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술은 마찰력을 균일하게 함으로써 비교적 균일한 발포율을 갖는 발포체를 제조할 수는 있으나, 발포율의 자체의 미세한 조절을 할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

한편, 발포율의 조절과는 무관하나, 한국 특허출원공개 제1999-0063440호에는 기포가 시트의 압출방향 또는 시트의 폭방향이나 시트의 두께 방향과 직교하는 방향으로 성장하는 것을 방지함으로써, 발포 열가소성 수지 시트의 두께를 두껍게 하기 위하여, 발포체 압출물이 압출 다이 내에 형성되어 있고, 발포 영역 및 냉각 영역으로 구성되어 있으며, 시일 부재에 의해 소정의 감압도를 유지할 수 있는 감압실을 지나게 함으로써 추가로 발포시켜 고발포화 하고, 감압실의 한 쌍의 벽면 간격을 조절함으로써 두께가 두껍고 발포 배율이 높은 발포 열가소성 수지 시트를 제조하는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술은 발포 영역과 냉각 영역이 서로 접합하고 있으므로, 열전도에 의해 완만한 온도 프로파일을 형성함으로써, 발포체의 밀도가 낮아지므로 이후 행해지는 인취 공정에서 단면 형상의 변형이 발생하기 쉽고, 상기 감압실의 벽면 간격을 조절하기 위해 별도의 구동 장치를 필요로 하므로 제조 공정이 복잡해지며, 추가 발포에 따른 압출물 자체의 물성저하 문제가 있다.

따라서, 발포율을 미세하게 조절하고, 경시적으로 균일하고 일정한 발포율을 조절할 수 있으며, 경시적으로 압출물 단면 형상을 유지할 수 있는 발포체를 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 미세 발포체의 제조 공정에서, 압력강하구간의 종점 온도와 냉각구간의 시점 온도가 소정의 온도차를 가지도록 설정하여 미세 발포체를 압출하고, 상기 압출 다이로부터 토출되는 미세 발포체를 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취하도록 구성할 경우, 발포율을 수 %의 단위로 미세하게 조절할 수 있고, 경시적으로 균일하고 일정하게 조절할 수 있으며, 또한, 경시적으로 압출물 단면 형상을 유지할 수 있는 발포체를 제조할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 미세 발포체의 제조방법은 압출기를 이용하여 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하여, 압출 다이의 압력강하구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하고, 상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물을 압출 다이의 냉각구간으로 통과시키며 냉각시킴에 있어서, 상기 압력강하구간의 종점 온도와 냉각구간의 시점 온도가 30 내지 200℃의 온도차를 가지도록 설정하여 미세 발포체를 압출하는 과정, 및 상기 압출 다이로부터 토출되는 미세 발포체를 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취하여 발포율 및 경시적인 물성을 미세하게 조절하는 과정을 포함하는 것으로 구성된다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 미세 발포체의 제조방법은, a) 압출기를 이용하여 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하는 단계, b) 상기 가소화된 혼합물을 압출 다이의 압력강하구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하는 단계, c) 상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물을 압출 다이의 냉각구간으로 통과시키며 냉각시키는 단계, 및 d) 상기 냉각된 미세 발포체를 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취하여 발포율 및 경시적인 물성을 미세하게 조절하는 단계를 포함하 고 있다.

따라서, 본 발명에 따른 미세 발포체의 제조방법은, 압출 다이 내에서 발포, 즉, 미세 공극을 형성하는 단계(b), 및 압출물의 고형화, 즉, 냉각시키는 단계(c)를 완료함으로써, 고형화된 상태의 발포 압출물이 배출될 때, 급격한 온도변화율에 의해 스킨부가 조밀한 구조의 발포 압출물이 형성되어, 상압에 노출되는 경우에도 폭 방향으로 팽창이 발생하지 않는다. 따라서, 인취기의 속도 조절을 통한 압출 방향의 속도만을 조절함으로써, 발포율의 미세한 조절이 가능하고, 발포율을 경시적으로 균일하고 일정하게 조절할 수 있다. 또한, 종래 압출 다이에서 배출된 압출물이 냉각공정을 거치기 전에 발생할 수 있었던 후발포 현상을 근본적으로 방지함으로써, 경시적으로 압출물 단면 형상을 유지할 수 있는 발포체를 제조할 수 있다.

본 발명에서 상기 압력강하구간의 끝지점의 온도와 상기 냉각구간의 시작지점의 온도는 30 내지 200℃의 온도차를 갖는 바, 더욱 바람직하게는 50 내지 150℃의 온도차를 가지도록 구성할 수 있다.

상기 온도차가 30℃ 미만인 경우에는 압력강하구간에서 형성된 미세공극이 계속 성장하게 되므로, 발포체에 조밀한 밀도를 갖는 충분한 두께의 스킨층이 형성되기 어렵고, 반대로, 상기 온도차가 200℃를 초과하게 되면, 급격한 고화로 인하여 제조공정이 진행되기 어렵기 때문이다.

상기 압력강하구간 및 냉각구간은 하나의 압출 다이에 일체형으로 포함되거나, 구간별 분리된 블록형 압출 다이에 각각 별도로 포함될 수 있으며, 일체형으로 포함되는 경우, 미세발포체의 미세공극 제어 및 스킨층 형성에 효율적일 수 있다. 후자의 경우, 압력강하구간의 종점의 압력이 냉각구간에서 유지되도록 강하게 체결하는 것이 바람직하다.

상기 압출 다이는 바람직하게는 압력강하구간의 종점 부근에 온도저하 방지를 위한 가열수단을 포함할 수 있다. 상기 가열수단은 상기 압출 다이의 내부에 형성되거나, 또는 상기 압출 다이의 내부 및 외부에 함께 형성될 수 있다. 상기 가열수단으로는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 통상의 전기 발열체 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 압출 다이는 바람직하게는 냉각구간의 시점 부근에 온도 상승 방지를 위한 냉각수단을 포함할 수 있다. 상기 냉각수단도 상기 가열수단과 마찬가지로, 상기 압출 다이의 내부에만 형성되어 있을 수도 있고, 상기 압출 다이의 내부 및 외부에 함께 형성되어 있을 수도 있다. 상기 냉각수단으로는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 냉매가 흐르는 파이프 라인 등의 냉각 장치를 사용할 수 있다.

상기 가열수단과 냉각 수단은 필요에 따라 적절한 수로 추가하여 사용할 수 있다.

상기 압력강하구간의 종점 온도는 압출되는 압출 원료의 종류에 따라 적절하게 조절될 수 있으며, 바람직하게는, 150 내지 250℃일 수 있다. 상기 압력강하구간의 종점 온도가 150℃ 미만인 경우에는 충분한 미세공극이 형성되기 어렵고, 250℃를 초과하는 경우에는 열가소성 수지의 열화 및 과발포가 일어날 염려가 있으므 로 바람직하지 않다.

상기 냉각 구간의 시점 온도는 압출 원료의 종류에 따라 적절하게 조절될 수 있으며, 압출 원료의 융점 또는 연화점보다 약간 높은 수준에서 유지되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 40 내지 150℃일 수 있다. 상기 냉각 구간의 시점 온도가 40℃ 미만인 경우, 급격한 고화로 인하여 제조공정이 진행되기 어렵게 되고, 반대로, 150℃를 초과하는 경우에는 압력강하구간에서 형성된 미세공극이 냉각구간에서도 계속 성장하게 되어 발포체에 충분한 두께의 스킨층이 형성되기 어렵기 때문이다.

상기 압력강하구간과 냉각 구간의 온도변화는 ±5℃인 것이 바람직하고, ±2℃ 이내로 유지되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 온도변화가 ±5℃를 초과하는 경우에는, 균일한 압출물을 얻을 수 없으므로 압출물의 기계적 물성이 저하되기 때문이다.

상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물의 이송 속도는 특별히 제한되지 않으며, 생산 효율의 면에서 바람직하게는 0.5 내지 20 m/min일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 압력강하구간과 냉각구간의 사이에 온도변화구간을 포함하며, 하기 식 1로 표시되는 상기 온도변화구간에서의 진행방향에 따른 온도변화율이 2 내지 40℃/mm일 수 있다.

T_L= (T_H-T_C)/L (1)

상기 식에서, T_L은 온도변화율이고, T_H는 압력강하구간의 종점 온도이며, T_C는 냉각 구간의 시점 온도이고, L은 온도변화구간의 길이이다.

여기서, 상기 "온도변화구간"이란, 상기 압력강하구간과 냉각 구간 사이에 형성되어 있는 온도가 급격히 변화하는 구간을 의미하며, 압력강하구간과 냉각 구간 사이의 열교환을 방지하는 역할을 한다. 또한, 상기 온도변화구간에서 압출물의 진행방향에 따른 온도변화를 본 명세서에서는 "온도변화율"로 칭한다.

상기 온도변화구간에서의 온도변화율이 높을수록 압출물은 밀도가 조밀한 상태로 고화가 가능하므로 표면특성이 우수한 압출물을 제조할 수 있고, 상기 온도변화율이 2℃/mm 미만인 경우에는 냉각구간에 의한 미세공극을 제어할 수 없으므로 바람직하지 않다.

또한, 상기 온도변화구간의 길이는 좁을수록 급격한 온도변화를 일으킬 수 있으므로 바람직하게는 1 내지 150 mm일 수 있다.

따라서, 상기 온도변화구간의 길이가 150 mm를 초과하는 경우에는, 상기 압력강하구간과 냉각 구간 사이에서 온도변화율이 완만해지고, 이에 따라 압출물의 고화가 서서히 일어나게 되어 압출물의 밀도가 저하되므로 바람직하지 않다.

한편, 상기 압력강하구간과 냉각 구간은 하나의 압출 다이에 일체형으로 포함되는 경우, 상기 온도변화구간의 길이를 최소화할 수 있으므로 효율적이다.

상기 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취하여 발포율 및 경시적인 물성을 미세하게 조절하는 과정(단계: d)에서, 인취기의 선속도를 미세한 범위로 조절함으로써, 발포유도비를 미세한 범위에서 조절할 수 있다. 여기서, 상기 "미세한 범위"란 10 단위 이하의 범위(예를 들어, 1% 단위)를 의미한다. 따라서, 발포유도 비를 미리 설정하면, 오차범위 내에서 소망하는 발포율을 갖는 미세발포체를 제조할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 발포율은 0 내지 80% 이내의 범위에서 조절이 가능하고, 소망하는 발포율과 최종 제조된 발포체의 발포율의 오차범위는 0.5% 이하일 수 있다.

따라서, 발포율 조절 범위는 매우 넓으면서도 소망하는 발포율의 범위에서 정확도가 높으므로, 미세한 수준에서 균일하게 발포율을 조절함으로써 발포체의 물성을 조절할 필요가 있는 분야에서도 널리 사용될 수 있다.

상기 발포율의 시간에 따른 변동 범위는 0.1 내지 1.0% 이내인 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 발포체는 시간에 따른 발포율의 변동이 없거나 미미한 수준이므로, 경시적으로 압출물의 단면 형상을 유지할 수 있으며, 균일한 발포율을 가지므로 발포체의 물성이 매우 균일하다.

상기 열가소성 고분자 수지는 폴리에틸렌, 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 비닐아세틸 수지, 폴리아마이드 수지, 셀룰로이드 수지 등의 압출 가능한 열가소성 수지라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자일 수 있다.

상기 발포제는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 불활성 기체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 이산화탄소, 질소, 또는 이들의 혼합 기체를 사용할 수 있다. 또한, 상기 발포제는 열가소성 수지 97 내지 99.9 중량%에 대하여 3 내지 0.1 중량%로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 발포제의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 압력강하구간에서 충분한 발포가 일어나지 못하여 미세공극을 형성할 수 없으며, 3 중량%를 초과하는 경우에는 열가소성 수지에 더 이상 용융되지 못하게 되므로 바람직하지 않다.

상기 발포제는 초임계 상태로 혼합되는 것이 특히 바람직한 바, 초임계 상태의 발포제는 고분자 수지에 대한 상용성이 증가하므로 수지 내부에 균일한 공극을 형성할 수 있게 하고, 공극의 크기를 감소시키며 공극 밀도를 증가시킬 수 있기 때문이다. 이때, 이미 초임계 상태인 발포제를 사용할 수도 있고, 발포제를 압출기에 투입한 후 초임계 상태로 전환할 수도 있다.

본 발명은 또한, 상기 열가소성 고분자 수지와 발포체의 혼합물을 가소화시켜 발포 압출하는 압출기, 압출 발포체를 소정의 속도로 인취하는 인취기, 및 압출 발포체를 소정의 길이로 절단하는 절단기를 포함하고 있으며; 상기 압출기의 압출 다이는 압력강하구간과 상기 압력강하구간에 연속하여 냉각구간을 포함하고 있으며, 상기 압력강하구간의 종점 온도와 냉각구간의 시점 온도가 30 내지 200℃의 온도차를 나타내도록 설정되어 있어서 미세 발포체를 압출하며; 상기 인취기는 발포유도비에 따라 인취 속도가 설정되어 있어서 상기 미세 발포체의 발포율 및 경시적인 물성을 미세 조절하는 것으로 구성된 압출 발포 시스템을 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 압출 냉각 시스템은 압출과 동시에 압출물의 냉각 및 고화를 수행할 수 있으므로, 압출 속도를 향상시킬 수 있고, 진공냉각기를 사용 하지 않거나 최소 공정 길이의 진공냉각기 만을 사용할 수 있어서, 압출 시스템의 공간 낭비를 최소화 할 수 있으며, 제조 비용을 절감하고, 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 압출 발포 시스템에서, 상기 압력강하구간의 종점 온도와 냉각 구간의 시점 온도는 앞서의 설명과 같이 소정의 온도차를 나타내도록 구성되어 있는 바, 이러한 급격한 온도차로 인하여 압출물의 스킨부가 조밀한 상태로 안정적으로 고화됨으로써, 압출물의 중심부의 일부에 미고화 부분이 존재하는 경우에도 압출물의 변형이 발생하지 않으며, 진공냉각기를 별도로 거칠 필요가 없다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 압출기와 인취기 사이에는 짧은 공정 길이의 진공냉각기를 선택적으로 포함할 수 있다.

따라서, 냉각 구간에서 고화된 상태인 압출물에 추가적으로 냉각 및 고화가 필요한 경우에 선택적으로 진공냉각기를 거치도록 구성할 수 있다. 상기 진공냉각기는 상대적으로 짧은 공정 길이를 갖는 바, 예를 들어, 동일한 생산속도에서 종래의 3 내지 6 m 인 진공냉각기의 길이와 비교하여 짧은 3 m 이하의 공정 길이를 가질 수 있으며, 바람직하게는 2 m 이하의 공정 길이를 가질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 제조방법으로 제조된 열가소성 수지의 미세 발포체를 제공한다.

본 발명에 따른 미세발포체의 바람직한 예로는 한국 특허출원 제2005-115637호에 개시되어 있는 바와 같이, 일반적인 미세발포체에 비하여 두꺼운 스킨층과 미세공극이 형성된 코어층을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 본 출원인의 상기 출 원의 내용은 참조로서 본 발명에 합체된다.

따라서, 본 발명에 따른 미세발포체는 필요에 따라 건축용 내외장재, 또는 디스플레이 장치의 광학적 반사판 등의 용도로 사용될 수 있으며, 그 중에서도 건축용 내외장재로 사용되기에 적합하며, 특히, 방음재, 단열재, 건축재, 경량구조재, 포장재, 절연재료, 쿠션재, 또는 방진재 등의 건축용 내외장재로 사용되기에 적합하다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 압출 공정이 개략적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 압출 냉각 시스템의 압출 다이의 부분 확대도 및 압출 다이에서의 온도변화율 그래프가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 압출 공정은 압출물의 진행 방향에 따라 압출기(100), 압출 다이(200), 인취기(400) 및 절단기(500)의 순서로 구성되어 있는 압출 시스템을 거침으로써 행해질 수 있다.

구체적으로, 발포제와 열가소성 수지는 교반기(110)에 의해 혼합되고 압출기(100)에서 가소화되어 용융 압출된다. 그러한 압출물은 소정의 형상을 형성하기 위해 압출 다이(200)로 이동하여, 노즐(210)을 따라 내부 가열 수단(220)이 장착된 압력강하구간(250)을 거치면서 미세 공극이 형성된다. 또한, 급격한 온도변화율을 갖는 온도변화구간(270) 및 내부에 냉각 수단(230)이 장착되어 있는 냉각 구 간(260)를 차례로 통과하여 고화된 상태로 배출된다. 그런 다음, 소정의 속도로 압출물을 인취하는 인취기(400)를 거쳐 절단기(500)에 의해 소망하는 길이로 절단됨으로써 압출 성형물을 제조할 수 있다. 이때, 상기 인취기(400)의 인취 속도는 소망하는 발포유도비에 따라 설정된다.

압출 다이(200) 내에서 냉각 및 고화된 상태로 압출물이 배출되고, 압력강하구간(250)의 종점 온도와 냉각구간(260)의 시점 온도가 30 내지 200℃의 온도차를 가지도록 설정되어 있어서, 압출물이 압출 다이(200)의 온도변화구간(270)을 거치는 동안 급격한 온도변화율에 의해, 스킨부가 조밀한 구조의 발포체가 형성된다. 따라서, 상압에 노출되는 경우에도 폭방향으로 팽창이 발생하지 않으므로, 인취기(400)의 인취 속도를 조절함으로써 소정의 발포유도비를 갖도록 압출 시스템을 조절할 수 있다. 결과적으로, 발포율을 미세한 범위에서 조절할 수 있고, 경시적으로 발포율을 균일하고 일정하게 조절할 수 있으며, 또한, 경시적으로 압출물 단면 형상을 유지할 수 있는 발포체를 제조할 수 있다.

압출물에 추가적인 냉각 및 고화가 필요한 경우에는, 압출 다이(200), 인취기(400) 사이에 진공냉각기(300)를 배치하여, 냉각구간(260)을 통과하여 나온 압출물을 진공냉각기(300)에 통과시킬 수 있으며, 이때, 진공냉각기(300)는 약 2 m 이하의 짧은 공정 길이를 가진다.

따라서, 공간적 낭비를 방지하고, 제조 비용을 절감할 수 있으며, 공정 길이가 줄어듦에 따라 압출 속도가 향상되므로 생산효율이 매우 우수하다.

한편, 저온 다이(260) 및/또는 진공냉각기(300)에는 냉각수순환기(310)가 연 결되어 있어서, 냉매가 순환됨으로써 압출물에 냉각 및 고화가 행해질 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1 ~ 4]

온도조절이 가능한 고온 다이, 온도변화구간, 및 저온 다이가 일체형으로 형성된 압출 다이와 어댑터를 이축 압출기에 장착하여 열가소성 수지를 압출 성형하는 압출장치를 준비하였다. 이 때, 상기 고온 다이의 길이는 125 mm, 온도변화구간의 길이는 27 mm, 저온 다이의 길이는 40 mm가 되도록 하였다.

경질 폴리비닐클로라이드(PVC) 컴파운드(LG 화학 제조) 98 중량부를 상기 압출기에 투입하여 상기 PVC를 완전히 가소화시킨 후, 고압펌프를 이용하여 2 중량부의 질소를 압출기의 배럴에 주입하였고, 단일상의 혼합물을 성형하여 두께 2 mm, 폭 100 mm인 PVC 시트를 제조하였다.

상기 압출기의 조건은 배럴의 온도가 190℃ - 180℃ - 175℃가 되도록 하였으며, 어댑터의 온도는 130℃를 유지하도록 하였다. 또한, 상기 고온 다이, 온도변화구간, 및 저온 다이의 조건은 하기 표 1에 나타내었다.

[비교예 1]

온도조절이 가능한 고온 다이, 온도변화구간, 및 저온 다이가 일체형으로 형성된 압출 다이를 사용하지 않고, 고온 다이만으로 구성된 종래의 압출 다이를 사 용하였고, 약 4 m 길이의 진공냉각장치를 사용하여 냉각을 행하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 PVC 시트를 제조하였다. 상기 고온 다이의 조건은 하기 표 1에 나타내었다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에서 PVC 시트를 압출 성형하는 공정에서 압출속도를 측정하였고, 그 결과를 상기 표 1에 나타내었다.

<표 1>

또한, 실시예 1 ~ 4의 PVC 시트와 비교예 1의 PVC 시트의 경시에 따른 발포율을 측정하였고, 그 결과를 상기 표 1에 나타내었다.

<표 2>

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1 ~ 4의 PVC 시트의 발포 유도비와 실제 발포율간의 오차는 비교예 1의 PVC 시트의 오차보다 매우 낮게 나타났으며, 실시예 1 ~ 4의 0.0 내지 73.2 %의 발포 유도비 영역에서 시간에 따른 발포율 변동 범위 또한 21.1 %의 발포 유도비를 가지는 비교예 1의 PVC 시트의 시간에 따른 발포율 변동 범위에 비해 매우 낮게 나타나는 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명에 따라 발포 압출물을 제조할 경우, 넓은 발포영역에서 소망하는 발포율을 가지는 발포물을 시간에 따라 안정적으로 생산할 수 있음을 확인하였다.

이상, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르면, 소정의 조건으로 압출 다이를 구성하여 미세 발포체를 압출한 후 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취함으로써, 미세 발포체의 발포율 및 경시적인 물성을 미세하게 조절할 수 있고, 경시적으로 압출물 단면 형상을 유지할 수 있으며, 짧은 공정 길이의 진공냉각기를 선택적으로 포함할 수 있으므로, 공간 및 제조비용의 낭비를 방지하고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

1. 압출기를 이용하여 가소화된 열가소성 고분자 수지와 발포제를 혼합하여, 압출 다이의 압력강하구간으로 통과시켜 미세 공극을 형성하고, 상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물을 압출 다이의 냉각구간으로 통과시키며 냉각시킴에 있어서,

   상기 압력강하구간의 종점 온도와 냉각구간의 시점 온도가 30 내지 200℃의 온도차를 가지도록 설정하여 미세 발포체를 압출하는 과정; 및

   상기 압출 다이로부터 토출되는 미세 발포체를 인취기에 의해 소정의 발포유도비로 인취하여 발포율 및 경시적인 물성을 미세하게 조절하는 과정;

   을 포함하는 것으로 구성된 미세 발포체의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압출 다이는 압력강하구간의 종점 부근에 온도저하 방지를 위한 가열수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조방법
3. 제 1 항에 있어서, 상기 압출 다이는 냉각구간의 시점 부근에 온도 상승 방지를 위한 냉각수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 압력강하구간의 종점 온도는 150 내지 250℃인 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 구간의 시점 온도는 40 내지 150℃인 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 압력강하구간과 냉각구간에서의 온도변화는 ±5℃ 이내로 유지되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 공극이 형성된 용융 혼합물의 이송 속도는 0.5 내지 20 m/min인 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 압력강하구간과 냉각구간의 사이에 온도변화구간을 포함하며, 하기 식 1로 표시되는 상기 온도변화구간에서의 진행방향에 따른 온도변화율이 2 내지 40℃/mm인 것을 특징으로 하는 제조방법:

   T_L=(T_h-T_c)/L (1)

   상기 식에서, T_L 은 온도변화율, T_h 는 압력강하구간의 종점 온도, T_c 는 냉각 구간의 시점 온도, L 은 온도변화구간의 길이다.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 온도변화구간의 길이는 1 내지 150 mm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 발포율을 조절하는 과정에서 발포율의 조절 범위는 0 내지 80% 이내인 것을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 발포율을 조절하는 과정에서, 발포율의 오차범위는 0.5% 이하인 것을 특징으로 하는 제조방법.
12. 제 1 항에 있어서, 시간에 따른 상기 발포율의 변동 범위는 0.1 내지 1.0% 이내인 것을 특징으로 하는 제조방법.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 열가소성 고분자 수지는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자인 것을 특징으로 하는 제조방법.
14. 열가소성 고분자 수지와 발포체의 혼합물을 가소화시켜 발포 압출하는 압출기, 압출 발포체를 소정의 속도로 인취하는 인취기, 및 압출 발포체를 소정의 길이로 절단하는 절단기를 포함하고 있으며;

    상기 압출기의 압출 다이는 압력강하구간과 상기 압력강하구간에 연속하여 냉각구간을 포함하고 있으며, 상기 압력강하구간의 종점 온도와 냉각구간의 시점 온도가 30 내지 200℃의 온도차를 가지도록 설정되어 있어서 미세 발포체를 압출하며;

    상기 인취기는 발포유도비에 따라 인취 속도가 설정되어 있어서 상기 미세 발포체의 발포율 및 경시적인 물성을 미세 조절하는 것을 특징으로 하는 압출 발포 시스템.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 압출기와 인취기 사이에는 짧은 공정 길이의 진공냉각기가 선택적으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 압출 발포 시스템.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 진공냉각기는 2 m 이하의 공정 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 압출 발포 시스템.
17. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 열가소성 수지의 미세 발포체.

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