KR20000032383A

KR20000032383A - 초미세 발포성형용 가스 공급장치

Info

Publication number: KR20000032383A
Application number: KR1019980048822A
Authority: KR
Inventors: 김한구
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1998-11-14
Filing date: 1998-11-14
Publication date: 2000-06-15

Abstract

본 발명은 종래의 초미세 발포 성형장치는 초임계유체의 주입을 정확하게 제어할 수 없어 초임계유체가 필요한 시점에 단속적으로 공급을 받아야 하는 사출공정에서는 사용이 불가능한 문제점이 있기 때문에; 배럴의 내부에 설치되어 용용물질을 사출하는 사출 스크류와, 상기 배럴의 내부로 초임계유체를 공급하여 용융물질의 내부에 극히 미세한 기포가 형성되도록 하는 가스 공급수단을 포함하는 초미세 발포성형 장치에 있어서, 상기 가스 공급수단은 유체가 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 공급된 유체를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 유체가 일시 저장되는 압력탱크와, 상기 압축기와 압력 탱크 사이의 배관에 설치된 제1밸브와, 상기 압력탱크로부터 공급된 유체가 일시 저장되고 가열에 의해 저장된 유체가 초임계유체로 변화되는 고압탱크와, 상기 압력탱크와 고압탱크 사이의 배관에 설치된 제2밸브와, 상기 고압탱크의 주위에 설치된 가열히터와, 상기 고압탱크의 온도를 감지하여 상기 가열히터를 제어하는 히터 컨트롤러와, 상기 고압탱크의 초임계유체를 상기 배럴의 내부로 공급하는 공급배관에 설치된 제3밸브와, 상기 성형장치 제어부의 신호 및 각 탱크의 압력을 감지하여 각 밸브와 상기 압축기의 동작을 제어하는 컨트롤러부로 구성된 것을 특징으로 하는 초미세 발포성형용 가스 공급장치에 관한 것이다.

Description

초미세 발포성형용 가스 공급장치

본 발명은 플라스틱의 사용량을 줄이기 위하여 미세한 기포를 고분자 재료 내부에 형성시키는 초미세 발포성형 기술에 관한 것으로서, 특히 압축가스를 초임계유체로 만든 후 성형 장치의 신호에 따라 성형장치의 실린더 내로의 압축가스 공급을 제어할 수 있는 초미세 발포성형용 가스 공급장치에 관한 것이다.

플라스틱은 인류가 개발한 발명품 중에서 가장 유용하게 사용되고 있는 제품이다. 플라스틱은 여러 가지의 고분자재료를 이용하여 필요한 물품의 모양으로 성형하여 사용하고 있으며, 최근 플라스틱의 사용량을 줄이고 플라스틱 제품의 무게를 줄이기 위하여 고분자재료의 내부에 극히 미세한 크기, 요컨대 0.1∼30㎛ 크기의 기포를 생성하여 제품을 성형하는 초미세 발포성형 기술이 개발되었다. 초미세 발포성형 기술은 플라스틱 제품의 무게를 가볍게 하고 재료비를 절감시키기 때문에 사용빈도가 점차 증대되고 있다.

초미세기포를 생성시키는 공정은 이산화탄소(CO₂)와 같은 기체를 초임계상태에서 고분자재료에 침투시켜 포화시킨 후 압력을 저하시키고 온도를 상승시키면 열화학적 불안정이 야기되어 고분자재료에 포화되어 있는 이산화탄소가 핵이되어 팽창됨으로써 기포가 생성되는 원리를 이용한 것이며, 기포의 성장을 억제하기 위해서 냉각공정을 추가로 거치게 된다. 이러한 원리를 연속공정에 적용하여 개발된 것이 압출공정에 의한 초미세 발포성형 기술이다.

도 1은 종래의 초미세압출 성형장치를 도시한 도면으로서, 초미세압출 성형장치는 압출기 배럴(11)의 내부에 설치된 압출기 스크류(14)와, 상기 배럴(11)의 내부로 고분자 물질을 공급하기 위한 호퍼(13)와, 상기 배럴(11)의 주위에 설치되어 배럴(11) 내부의 고분자물질을 용융시키는 히터(12)와, 유체가 저장되어 있는 저장탱크(15)와, 저장탱크(15)로부터 공급된 유체를 초임계상태로 압축하여 상기 배럴(11)로 공급하는 압축기(16)와, 초임계유체가 포화된 고분자재료가 압출되는 압출기 금형(17)으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 초미세압출 성형장치는 초임계유체가 포함된 고분자 용융물질을 압출하여 압출성형된 제품 내부에 미세한 기포가 형성되도록 하고 있다.

히터(12)에 의해 가열되고 있는 압출기 배럴(11)의 내부로 고분자재료가 호퍼(13)를 통해 공급되면, 압출기 스크류(14)에 의해 고분자재료가 혼련 용융된다. 이때, 저장탱크(15)에서 유체(CO₂)가 압축기(16)를 통해 배럴(11) 내부로 공급되는데, 유체는 압축기(16)를 통과하면서 초임계 상태가 된다. 초임계 상태의 유체가 배럴(11)의 내부로 주입되어 압출기 스크류(14)에 의해 고분자재료와 혼련되면, 초임계유체인 이산화탄소가 포화된 고분자재료가 만들어진다.

이산화탄소가 포화된 고분자 재료가 압출기 금형(17)에 주입되면, 압출기 금형(17)은 압력 컨트롤러(25)에 의해 상기 저장탱크(15)와 동일한 포화압력이 유지되는 압력용기(24) 내부에 고분자재료를 공급한다. 이후, 고분자재료는 일정한 온도를 가지는 로울러(21)를 통과한 후, 낮은 압력을 가지는 제2압력용기(20)에 공급되어 고분자 재료 내부에 기포가 생성되어 팽창되도록 한다. 발포된 고분자재료의 발포상태가 유지되도록 고분자재료는 냉각로울러(23)를 거쳐 가열히터(22)를 통과하고, 그에 따라 초미세 발포가 이루어진 압출제품이 만들어진다.

도 2는 종래의 초미세사출 성형장치가 도시된 도면으로서, 초미세사출 성형장치는 압력용기(33)에 저장된 초임계유체 CO₂가 밸브(33')를 통해 사출기 배럴(30) 속으로 주입되어 호퍼(32)에서 공급된 고분자재료와 사출 스크류(31)에 의해 혼합된다. 고분자재료에 혼합된 CO₂는 혼합기(34)를 거치면서 더욱 작은 크기로 만들어지고, 확산장치(36)에서 CO₂가 고분자재료에 확산되면서 단상(single phase)의 CO₂가 포화된 고분자재료가 얻어진다. 이 고분자재료를 가열히터(35)를 이용하여 급속히 가열하면 고분자재료의 내부에 기포가 형성된다. 이때, 사출기 배럴(30)의 내부에서 생성된 기포가 성장되지 않도록 고압을 유지시켜야 하는 것은 주지의 사실이다.

내부에 기포가 생성된 용융된 고분자재료가 금형(38)의 캐비티(38')에 주입되어 응고되면 요구되는 사출제품을 얻을 수 있다. 물론, 상기 캐비티(38') 내부는 충진공정 도중에 기포가 성장되지 않도록 일정 압력을 유지시켜야 하며, 이는 압력용기(37)의 고압 가스를 이용하여 해결할 수 있다. 즉, 충진공정이 진행되는 도중에는 압력용기(37)의 밸브를 열어 캐비티(38')에 고압이 인가되도록 하여 기포의 성장을 억제한다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 초미세 발포 성형장치는 초임계유체의 주입을 정확하게 제어할 수 없어 초임계유체가 필요한 시점에 단속적으로 공급을 받아야 하는 사출공정에서는 사용이 불가능한 문제점이 있다.

초미세압출 성형장치에서의 가스 공급장치의 요소인 저장탱크(15)와 압축기(16)는 압출성형이 연속공정에 의해 초임계유체와 고분자재료의 혼련을 수행하므로 가스공급이 연속적으로 이루어더라도 관계없으나, 초미세사출 성형장치의 경우는 성형공정이 단속적으로 이루어지므로 초임계유체의 공급을 제어할 필요가 있다.

즉, 초임계사출 성형장치에서는 초임계유체가 포화된 고분자재료가 금형(38)의 캐비티(38')에 사출되어 충진된 후 냉각공정을 거쳐야 하므로 단속성형이 이루어진다. 따라서, 호퍼(32)를 통해 공급된 고분자재료와 압력용기(33)를 통해 주입되는 초임계유체를 혼련하기 위해서는 사출 성형장치의 공정에 따라 초임계유체의 공급 타이밍을 일치시킬 필요가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 초미세 발포성형 장치를 이용한 성형 작업에서 요구되는 타이밍에 맞추어 초임계유체가 배럴에 공급되도록 제어할 수 있도록 함으로써, 연속 성형작업이 가능하도록 하고 대량생산 공정에 활용할 수 있으며 에너지의 절감 및 연속성형 작업에 대한 안정성을 확보할 수 있는 초미세 발포성형용 가스 공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 초미세압출 성형장치가 도시된 구성도,

도 2는 종래의 초미세사출 성형장치가 도시된 구성도,

도 3a는 이산화탄소의 압력-비체적선도,

도 3b는 이산화탄소의 온도-비엔트로피선도,

도 4는 본 발명에 의한 초미세 발포성형용 가스 공급장치가 도시된 구성도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

50 : 배럴 51 : 사출 스크류

52 : 히터 53 : 호퍼

54 : 저장탱크 55 : 압축기

56 : 압력탱크 57 : 고압탱크

58 : 가열히터 59 : 히터 컨트롤러

60a,60b,60c,60d : 밸브 61 : 성형장치 제어부

62 : 컨트롤러부 63,56',57' : 압력센서

57" : 온도센서 70 : 고분자물질

상기함 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배럴의 내부에 설치되어 용용물질을 사출하는 사출 스크류와, 상기 배럴의 내부로 고분자물질을 공급하는 호퍼와, 상기 배럴의 주위에 설치되어 배럴 내부의 고분자 물질을 용융시키는 히터와, 상기 사출 스크류의 동작을 제어하는 성형장치 제어부와, 상기 배럴의 내부로 초임계유체를 공급하여 용융물질의 내부에 극히 미세한 기포가 형성되도록 하는 가스 공급수단으로 구성된 초미세 발포성형 장치에 있어서, 상기 가스 공급수단은 유체가 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 공급된 유체를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 유체가 일시 저장되는 압력탱크와, 상기 압축기와 압력 탱크 사이의 배관에 설치된 제1밸브와, 상기 압력탱크로부터 공급된 유체가 일시 저장되고 가열에 의해 저장된 유체가 초임계유체로 변화되는 고압탱크와, 상기 압력탱크와 고압탱크 사이의 배관에 설치된 제2밸브와, 상기 고압탱크의 주위에 설치된 가열히터와, 상기 고압탱크의 온도를 감지하여 상기 가열히터를 제어하는 히터 컨트롤러와, 상기 고압탱크의 초임계유체를 상기 배럴의 내부로 공급하는 공급배관에 설치된 제3밸브와, 상기 성형장치 제어부의 신호 및 각 탱크의 압력을 감지하여 각 밸브와 상기 압축기의 동작을 제어하는 컨트롤러부로 구성된 것을 특징으로 한다.

일반적으로 초미세 발포성형 장치에서 초미세기포를 가진 성형품을 제조하기 위해서는 성형장치의 배럴 내로 일정량의 초임계유체를 성형장치의 요구 타이밍에 맞게 공급하여야 한다. 성형장치의 배럴에 초임계 상태로 공급되는 유체는 고분자재료의 종류에 따라 각기 다른 종류가 사용되고 있다. 초임계유체로 사용되는 여러 가지 유체의 임계 상태를 나타내면 다음의 표 1과 같다.

또, 도 3에는 초임계유체로 사용되는 이산화탄소의 압력-비체적 선도와, 온도-비엔트로피 선도가 도시되어 있다.

초임계 유체	임계온도(℃)	임계압력(psi)
이산화탄소(CO₂)	31.1	1071.3
에탄(C₂H₆)	32.3	708.3
에틸렌(C₂H₄)	9.3	742.1
질소(N₂)	-147.0	492.3
프레온-12	115.7	581.9
산소(O₂)	-118.6	736.2
암모니아(NH₃)	132.5	1635.7
물(H₂O)	374.2	3208.1

상기한 표 1에 나타낸 바와 같이 성형장치의 배럴에 공급되는 초임계유체는 종류에 따라 임계온도와 임계압력이 다르므로, 초임계유체를 만드는 가스 공급장치는 유체의 임계온도와 압력을 조절할 수 있어야 한다. 또, 고분자재료에 주입되는 초임계유체의 비율, 즉 용해도는 고분자재료의 종류에 따라 다르므로 성형장치의 배럴 내부로 주입되는 초임계유체의 공급량을 고분자재료의 종류에 따라 조절할 수 있어야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 초미세 발포성형용 가스 공급장치는 도 4에 도시된 바와 같이 배럴(50)의 내부에 설치되어 용용물질을 사출하는 사출 스크류(51)와, 상기 배럴(50)의 내부로 고분자물질을 공급하는 호퍼(53)와, 상기 배럴(50)의 주위에 설치되어 배럴(50) 내부의 고분자 물질을 용융시키는 히터(52)와, 상기 사출 스크류(51)의 동작을 제어하는 성형장치 제어부(61)와, 상기 배럴(50)의 내부로 초임계유체를 공급하여 용융물질의 내부에 극히 미세한 기포가 형성되도록 하는 가스 공급수단으로 구성된 초미세 발포성형 장치에 사용된다.

본 발명의 요부인 상기 가스 공급수단은 유체가 저장되는 저장탱크(54)와, 상기 저장탱크(54)로부터 공급된 유체를 압축시키는 압축기(55)와, 상기 압축기(55)에서 압축된 유체가 일시 저장되는 압력탱크(56)와, 상기 압축기(55)와 압력 탱크(56) 사이의 배관에 설치된 제1밸브(60a)와, 상기 압력탱크(56)로부터 공급된 유체가 일시 저장되고 가열에 의해 저장된 유체가 초임계유체로 변화되는 고압탱크(57)와, 상기 압력탱크(56)와 고압탱크(57) 사이의 배관에 설치된 제2밸브(60b)와, 상기 고압탱크(57)의 주위에 설치된 가열히터(58)와, 상기 고압탱크(57)의 온도를 감지하여 상기 가열히터(58)를 제어하는 히터 컨트롤러(59)와, 상기 고압탱크(57)의 초임계유체를 상기 배럴(50)의 내부로 공급하는 공급배관에 설치된 제3밸브(60c)와, 상기 성형장치 제어부(61)의 신호 및 각 탱크(56,57)의 압력을 감지하여 각 밸브(60a,60b,60c)와 상기 압축기(55)의 동작을 제어하는 컨트롤러부(62)와, 상기 제3밸브(60c)와 가스주입구 사이에 설치되어 상기 고압탱크(57) 내부의 초임계유체 압력이 배럴(50) 내부의 압력에 비해 낮을 경우 배럴(50)로부터의 역류를 차단하는 제4밸브(60d)로 구성된다.

상기 압력탱크(56)에는 압력을 감지하기 위한 제1압력센서(56')가 설치되고, 상기 고압탱크(57)에는 제2압력센서(57')와 온도를 감지하는 온도센서(57")가 설치되며, 상기 배럴(50)의 가스주입구 주위에는 배럴(50) 내부에서의 용융된 고분자재료의 압력을 감지하는 제3압력센서(63)가 설치된다. 상기 컨트롤러부(62)는 상기 제1압력센서(56')의 신호에 따라 상기 압축기(55) 및 제1밸브(60a)를 제어하는 컨트롤러 A와, 상기 제2압력센서(57')의 신호에 따라 상기 제2밸브(60b)를 제어하는 컨트롤러 B와, 상기 성형장치 제어부(61)의 신호에 따라 제3밸브(60c) 및 제4밸브(60d)를 제어하는 컨트롤러 C와, 상기 제2압력센서(57')의 신호와 제3압력센서(63)의 신호를 비교하여 상기 제4밸브(60d)를 제어하는 컨트롤러 D로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 초미세 발포성형용 가스 공급장치는 성형장치의 요구에 따라 초임계유체를 공급하여 사출성형 및 압출성형과 같이 대량생산 공정이 가능하도록 한다.

성형장치 제어부(61)의 신호를 받아 사출 스크류(51)가 좌측으로 이동되면, 호퍼(53)의 고분자재료(70)가 성형장치의 배럴(50) 내부로 공급된다. 배럴(50) 내부로 공급된 고분자재료는 사출 스크류(51)의 회전과 히터(52)에 의한 가열에 의해 용융되고, 배럴(50)의 가스주입구를 통해 가스공급수단으로부터 공급된 초임계유체인 이산화탄소와 혼련된다. 이때, 가스주입구를 통해 배럴(50) 내부로 주입된 이산화탄소는 초임계 상태로 만들어져야 하므로 가스공급수단에서는 저장탱크(54)에 저장된 이산화탄소를 초임계유체로 변화시킨다.

저장탱크(54)의 이산화탄소는 압축기(55)로 유입되어 압축된 후 제1밸브(60a)를 통해 압력탱크(56)에 저장된다. 이때, 상기 제1밸브(60a)는 압력탱크(56)의 압력에 따라 개폐동작이 이루어진다. 즉, 컨트롤러 A가 압력탱크(56)의 압력을 감지한 제1압력센서(56')의 신호를 받아 제1밸브(60a)와 압축기(55)의 동작을 제어한다.

압력탱크(56)에 저장된 이산화탄소는 컨트롤러 B에 의해 개폐되는 제2밸브(60b)를 통해 고압탱크(57)로 이동된다. 즉, 제2압력센서(57')가 고압탱크(57)의 압력을 감지하여 컨트롤러 B에 신호를 보내게 되고, 컨트롤러 B는 제2밸브(60b)의 개폐동작을 제어하여 압력탱크(56)에 저장되어 있던 압축된 이산화탄소를 고압탱크(57)로 공급한다.

고압탱크(57)는 압력탱크(56)로부터 공급된 이산화탄소를 초임계유체 상태로 변화시킨다. 즉, 온도센서(57")를 통해 이산화탄소의 온도를 감지한 히터 콘트롤러(59)가 가열히터(58)를 제어하여 이산화탄소를 가열함으로써 고압탱크(57) 내부의 이산화탄소가 초임계상태가 되도록 한다.

성형장치 제어부로(61)부터 신호를 받은 컨트롤러 C는 공급배관상의 제3밸브(60c)와 제4밸브(60d)를 개폐시켜 고압탱크(57)에 저장된 초임계유체 상태의 이산화탄소를 배럴(50)의 가스주입구를 통해 배럴(50) 내로 주입하게 되고, 초임계유체의 주입이 완료되면 제3밸브(60c)와 제4밸브(60d)는 자동적으로 닫혀져 초임계유체의 공급을 중지시킨다.

이때, 가스주입구 부근에 설치된 제3압력센서(63)가 가스주입구 부근의 용융된 고분자재료의 압력을 감지하여 컨트롤러 D에 전달하고, 컨트롤러 D는 제2압력센서(57')를 통해 전달된 고압탱크(57)의 압력과 가스주입구 주위의 압력을 비교하여 고압탱크(57) 측의 압력이 더 낮을 경우, 배럴(50) 내부의 이산화탄소 혼합 고분자재료가 고압탱크(57) 측으로 역류되지 않도록 제4밸브(60d)를 폐쇄하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 초미세 발포성형용 가스주입장치는 성형장치의 요구에 따라 적절한 시기에 적절한 양의 초임계유체를 공급하여 초미세 발포성형이 원활하게 이루어지도록 하는 이점이 있다.

압축기와 압력탱크 및 유체를 초임계유체 상태로 변화시키는 고압탱크가 일괄적으로 구성되어 연속 성형작업이 가능하고 사출성형 및 압출성형과 같은 대량생산 공정에의 활용이 가능하다.

압축기로부터 공급받은 압축가스가 압력탱크 압력의 정해진 범위를 초과하면 압축기의 동작을 중지시켜 압축가스의 공급을 차단하므로 압력탱크는 항상 일정한 용량을 유지하면서 고압탱크로의 압축가스 공급을 안정적으로 시행하고, 압축기의 불필요한 작동을 방지하여 에너지를 절감하고 압축기의 수명을 연장시킨다.

고압탱크에 보관된 초임계유체를 성형장치의 작동과 연관하여 필요한 시점에 성형장치로 공급이 가능하고, 성형장치로부터 고압탱크로의 역류를 방지하여 연속성형 작업에 대한 안정성을 가질 수 있다.

성형장치의 압력이 주입되는 초임계유체의 압력보다 높을 경우에 제4밸브가 차단되어 성형장치에서 역류된 고분자재료가 공급배관을 막는 것을 방지하여 연속성형작업이 이루어지도록 한다.

Claims

배럴의 내부에 설치되어 용용물질을 사출하는 사출 스크류와, 상기 배럴의 내부로 고분자물질을 공급하는 호퍼와, 상기 배럴의 주위에 설치되어 배럴 내부의 고분자 물질을 용융시키는 히터와, 상기 사출 스크류의 동작을 제어하는 성형장치 제어부와, 상기 배럴의 내부로 초임계유체를 공급하여 용융물질의 내부에 극히 미세한 기포가 형성되도록 하는 가스 공급수단으로 구성된 초미세 발포성형 장치에 있어서,

상기 가스 공급수단은 유체가 저장되는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 공급된 유체를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 유체가 일시 저장되는 압력탱크와, 상기 압축기와 압력 탱크 사이의 배관에 설치된 제1밸브와, 상기 압력탱크로부터 공급된 유체가 일시 저장되고 가열에 의해 저장된 유체가 초임계유체로 변화되는 고압탱크와, 상기 압력탱크와 고압탱크 사이의 배관에 설치된 제2밸브와, 상기 고압탱크의 주위에 설치된 가열히터와, 상기 고압탱크의 온도를 감지하여 상기 가열히터를 제어하는 히터 컨트롤러와, 상기 고압탱크의 초임계유체를 상기 배럴의 내부로 공급하는 공급배관에 설치된 제3밸브와, 상기 성형장치 제어부의 신호 및 각 탱크의 압력을 감지하여 각 밸브와 상기 압축기의 동작을 제어하는 컨트롤러부로 구성된 것을 특징으로 하는 초미세 발포성형용 가스 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 고압탱크 내부의 초임계유체 압력이 배럴 내부의 압력에 비해 낮을 경우 배럴로부터의 역류를 차단하는 제4밸브가 상기 제3밸브와 가스 주입구 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 초미세 발포성형용 가스 공급장치.
제 1 항에 있어서,

상기 압력탱크에는 제1압력센서가 설치되고, 상기 고압탱크에는 제2압력센서와 온도를 감지하는 온도센서가 설치되며, 상기 배럴의 가스주입구 주위에는 배럴 내부에서의 초임계유체 압력을 감지하는 제3압력센서가 설치된 것을 특징으로 하는 초미세 발포성형용 가스 공급장치.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 컨트롤러부는 상기 제1압력센서의 신호에 따라 상기 압축기 및 제1밸브를 제어하는 컨트롤러 A와, 상기 제2압력센서의 신호에 따라 상기 제2밸브를 제어하는 컨트롤러 B와, 상기 성형장치 제어부의 신호에 따라 제3밸브 및 제4밸브를 제어하는 컨트롤러 C와, 상기 제2압력센서의 신호와 제3압력센서의 신호를 비교하여 상기 제4밸브를 제어하는 컨트롤러 D로 구성된 것을 특징으로 하는 초미세 발포성형용 가스 공급장치.