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KR101425039B1 - 발포성형방법, 발포제 및 발포 플라스틱 - Google Patents

발포성형방법, 발포제 및 발포 플라스틱 Download PDF

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KR101425039B1
KR101425039B1 KR20130009294A KR20130009294A KR101425039B1 KR 101425039 B1 KR101425039 B1 KR 101425039B1 KR 20130009294 A KR20130009294 A KR 20130009294A KR 20130009294 A KR20130009294 A KR 20130009294A KR 101425039 B1 KR101425039 B1 KR 101425039B1
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KR
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gas
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barrel
foaming agent
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Inventor
정창훈
정대진
김강연
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 배럴 내에 구비된 스크류를 회전시키는 (a)단계; 입자 또는 분말 상태의 원재와 함께 화학적 반응을 통해 기체를 생성하는 발포제를 상기 배럴 내로 투입하는 (b)단계; 상기 (b)단계에서 투입된 원재가 용융되고, 상기 발포제로부터 기체가 생성되는 (c)단계; 및 상기 (c)단계에서 생성된 기체가 초임계 유체로 상변화하여 상기 용융된 원재와 혼합되는 (d)단계를 포함하는 발포성형방법 및 이를 통해 성형된 발포 플라스틱과 성형 과정에서 사용되는 발포제에 관한 것이다.

Description

발포성형방법, 발포제 및 발포 플라스틱{Method of foaming plastic, blowing agent and foamed plastic}
본 발명은 발포성형방법, 발포제, 발포 플라스틱에 관한 것이다.
발포성형은 성형공정 중에 기포를 생성케하여 이를 고분자 수지내에 균일하게 분산시켜 발포 플라스틱을 제조하는 기술이다. 일반적으로 이러한 발포 성형은 배럴 내부로 플라스틱 원재와 가스를 동시에 공급한 후 플라스틱/가스 혼합물을 만들어 금형 내부로 사출함으로써 발포 플라스틱 제품을 성형하는 방법이 잘 알려져 있다.
그런데, 일반적으로 가스의 용해도는 매우 낮기 때문에 용융된 수지에 가스를 강제로 용해시킬 수 있는 방법이 필요하며, 배럴 내로 가스를 주입하기 전에 미리 가스를 초임계 유체 상태로 상변화시키고 이를 원재와 함께 공급하는 방식이 이용되고 있다. 그러나, 이러한 방식은 기체를 초임계 유체로 상변화시키기 위한 복잡한 구조의 장치가 필요하며, 또한, 이러한 장치들은 매우 고가이기도 하다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는 발포 플라스틱 내에 기공이 고르게 형성된 발포 플라스틱과, 이러한 발포 플라스틱의 성형과정에서 용융수지 중에 기체성분이 고르게 용해, 분산될 수 있도록 하는 발포성형방법 및 이에 사용되는 발포제를 제공하는 것이다.
본 발명의 발포성형방법은, 배럴 내에 구비된 스크류를 회전시키는 (a)단계와, 입자 또는 분말 상태의 원재와 함께 화학적 반응을 통해 기체를 생성하는 발포제를 상기 배럴 내로 투입하는 (b)단계와, 상기 (b)단계에서 투입된 원재가 용융되고, 상기 발포제로부터 기체가 생성되는 (c)단계와, 상기 (c)단계에서 생성된 기체가 초임계 유체로 상변화하여 상기 용융된 원재와 혼합되는 (d)단계를 포함한다.
본 발명의 발포성형방법은 스크류가 회전되는 중에 배럴 내의 제 1 구간에 입자 또는 분말 상태의 원재와 함께 발포제가 공급되는 (a)단계와, 상기 스크류 회전에 따라 원재와 함께 발포제가 상기 배럴을 따라 진행하는 중의 제 2 구간에서, 상기 원재의 용융이 이루어지고 상기 발포제로부터 기체가 생성되는 (b)단계와, 상기 제 2 구간 이후의 제 3 구간에서, 상기 제 2 구간에서 기체를 생성하고 남은 상기 발포제의 잔사물로부터 상기 기체가 더 생성되는 (c)단계를 포함한다.
본 발명의 발포제는 발포 성형될 플라스틱 원재가 용융되는 중에 기체를 생성하여 발포 플라스틱을 형성시키는 발포제에 있어서, 상기 발포제는 입자 또는 분말상의 발포 화합물와, 소정량의 상기 발포 화합물이 수용되며 상기 원재의 용융과정에서 분해되는 셀을 포함한다.
본 발명의 발포 플라스틱은 발포 성형될 원재와 함께 화학적 반응을 통해 기체를 생성시키는 발포제를 용융시켜 형성된 발포 플라스틱에 있어서, 상기 발포 플라스틱은 상기 기체에 의해 형성된 기공들이 분산 배치된 발포 형성된 원재와, 상기 발포제로부터 기게가 생성되고 남은 잔사물로 산화나트륨(Na2O) 및 탄산나트륨(Na2CO3) 중 적어도 하나를 포함하는 발포 플라스틱을 포함한다.
본 발명의 발포성형방법은 기공이 고르게 분산된 발포 플라스틱을 형성할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 단열성, 내구성, 경량화에 유리하다.
또한, 본 발명의 발포성형방법은 수지 내에 기체를 주입하기 위한 별도의 장치(예를들어 초임계 유체 생성기)를 필요로 하지 않으며, 따라서 간단한 방법으로 양품의 발포 플라스틱을 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 발포제는 배럴 내의 온도 조건에 따라 발포 화합물을 감싸고 있는 셀의 용융이 이루어지기 때문에, 발포성형공정 중에 발포제로부터 기체가 생성되는 시기를 조절하는데 유리하다.
본 발명의 발포 플라스틱은 기공의 분포가 고르게 산포되어 단열성, 내구성이 뛰어나고 경량화에 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출성형장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포성형방법을 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 스크류의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 이산화탄소의 상선도(phase diagram)를 도시한 것이다.
도 5는 온도와 압력에 따라 용융수지에 용해된 기체의 농도를 도시한 그래프이다
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사출성형장치(1)를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 사출성형장치(1)는 원재(m)와 발포제(b)가 함께 투입되는 호퍼(20)와, 호퍼(20)를 통해 투입된 원재와 발포제가 내부에 충진되는 배럴(10)과, 배럴(10) 내에 배치되어 회전됨으로써 배럴(10) 내에서 원재와 발포제를 혼합시키고, 배럴(10)을 따라 이동되면서 원재가 용융된 수지(이하, 용융수지라고 함.)와 발포제로부터 생성된 기체 성분이 혼합된 혼합물을 배럴(10)의 선단에 구비된 노즐(13)을 통해 금형(40) 내로 사출시키는 스크류(30)와, 배럴(10) 내 수지의 용융을 위한 열을 가하는 히터(50)를 포함한다. 스크류(30)는 배럴(10) 내에서 회전 또는 전후진 가능하게 지지되는 스크류 축(31)과 스크류 축(31) 둘레를 따라 연장되는 블레이드(32)를 포함할 수 있다.
노즐(13)의 선단 또는 금형(40)의 입구측에는 셧-오프 밸브(shut-off valve, 15)가 구비될 수 있다. 셧-오프 밸브(15)는 점도가 낮은 용융수지가 노즐(13)을 통해 흘러내리는 코흘림 현상을 기계적으로 제어하기 위한 것으로, 사출시에는 개방되어 금형(40) 내로 용융수지가 공급되고, 금형(40) 열림 시 또는 계량(metering)을 위해 스크류(30)가 후진한 상태에서는 차단되어 노즐(13)을 통해 용융수지가 누설되는 것이 방지된다. 핫-런너(hot runner) 금형과 같은 경우에는 별도로 셧-오프 밸브(15) 을 설치하지 않고 핫-런너의 끝부분에 설치된 밸브로 하여금 셧-오프 밸브(15)의 기능을 대신하도록 할 수도 있다.
원재(m)는 중합 플라스틱 물질(polymer plastic material)로써 비- 열경화성(non-thermosetting) 물질인 것이 바람직하다. 또한, 원재(m)는 입자 또는 분말상태로 투입되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정될 필요는 없으며, 용융된 상태로 투입되는 것도 가능하다.
발포제는 배럴(10) 내에서 가열, 가압되는 과정에서 화학적 반응을 일으켜 기체를 생성하며, 이때 생성된 기체는 배럴(10) 내에서 용융수지에 용해된다. 즉, 발포제(b)는 소정의 온도 또는 압력 조건이 갖춰진 상태에서 반응하여 분자 구조가 변경되며 기체를 생성하는 것으로 화학 발포제에 해당한다. 본 발명은 원재와 배합된 화학 발포제가 사출 과정에서 가해지는 열에 의해 분해되며 기체(gas)를 발생시켜, 최종적으로 미세한 기공이 성형된 발포 플라스틱을 성형한다. 발포제로는 주로 폴리우레탄(polyurethane)을 발포시키는 용도로 사용되는 이소시안산염(isocyanate)이나 물, 열가소성 플라스틱 또는 탄성 중합체(elastomeric foams)를 발포시키는 용도로 사용되는 아조기(azo-), 히드라진(hydrazine), 질소(nitrogen-) 기반의 화합물이나 중탄산수소나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3) 등의 무기발포제, 금속재를 발포시키는 용도로 사용되는 분말상의 titanium hydride, zirconium(II) hydride 등의 발포 화합물을 기반으로 한다. 이러한 발포 화합물로부터 기체가 발생되는 화학적 반응은 비가역적이어서, 용융수지 내에서 다시 본래의 물질로 환원되지는 않는다.
화학적 발포제의 종류와 특성에 대해서 좀 더 설명하면, ADC(Azodicarbonamide)는 분해온도(Decomposition Temperature)가 200 내지 230 도(℃)이고, 분해로 인해 생성되는 가스는 N2 또는 NH3, CO2이며, 가스 생성량(gas yield)은 온도, 압력 조건에 따라 220ml/g까지 이르고, 분해는 발열반응이다 (Exothermic).
THS(p-toluenesulfonylhydrazide)는 분해온도가 110 내지 140도(℃)이고, 분해로 인해 생성되는 가스는 N2, H20이며, 가스 생성량은 온도, 압력 조건에 따라 120ml/g까지 이르고, 분해는 발열반응이다 (Exothermic).
OBSH(4,4-oxybisbenzenesulfonylhydrazide)는 분해온도가 140 내지 165 도(℃)이고, 분해로 인해 생성되는 가스는 N2, CO2, H20이며, 가스 생성량은 온도, 압력 조건에 따라 125ml/g까지 이르고, 분해는 발열반응이다 (Exothermic).
5-PT(5-phenyltetrazole)는 분해온도가 240 내지 250 도(℃)이고, 분해로 인해 생성되는 가스는 N2이며, 가스 생성량은 온도, 압력 조건에 따라 200ml/g까지 이르고, 분해는 발열반응이다 (Exothermic).
중탄산수소나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3)은 분해온도가 150 내지 230 도(℃)이고, 분해로 인해 생성되는 가스는 CO2, H20이며, 가스 생성량은 온도, 압력 조건에 따라 165ml/g까지 이르고, 분해는 흡열반응이다 (Endothermic). 반응을 위한 촉매로서 구연산 또는 시트르산(citric acid)이 필요하다.
원재에 배합되는 발포제들은 이상의 다양한 종류의 것들일 수 있으나, 이들 중에서 특히, 중탄산수소나트륨은 스크류(30) 회전에 의해 배럴(10) 내에서 이송되는 과정에서 용융수지의 온도와 압력 조건을 적절하게 조절함으로써 반응 제어 또는 기체 발생 기작의 조절 측면에서 이점을 제공한다. 이에 대해서는 보다 상세하게 후술하기로 한다.
또한, 발포제는 1)발포성형 공정의 설정 시간과 온도에서 가스를 방출할 것, 2)입도가 균일하고 배합물 내에서 분산성이 우수 할 것, 3)발열이 크지 않으며 분해온도 조절이 가능할 것, 4)분해 가스가 부식성이 없을 것, 5)발포제와 그 분해 잔사물이 독성이 낮고 및 비오염성일 것, 5)분해 잔사물이 화학적, 물리적 특성에 영향을 끼치지 않을것, 6)고분자들(Polymers)의 가교(crosslinking) 또는 가류에 영향을 미치지 않을 것, 7)발생 가스가 많고 경제적일 것, 8)발포 성형될 수지 및 가공 방법별로 범용적으로 사용될 것 등과 같은 다양한 요구조건을 만족시키는 것이 바람직하며, 중탄산수소나트륨은 이러한 요구조건에 적합한 특성을 갖는다.
원재에 대한 발포제의 비율(중량비)는 5%를 넘지 않는 것이 바람직하고, 본 실시예는 100:1 내지 100:3 을 제안한다. (중량비 기준으로 원재:발포제)
이러한 발포제는 화합물 자체로 원재와 배합될 수도 있으나(예를들어, 분말 또는 입자상의 중탄산수소나트륨을 원재와 함께 혼합), 원재와 함께 농축하여 분산시켜 놓은 마스터 배치(master batch)의 펠렛(pellet) 형태로 투입되는 것도 가능하며, 다르게는 상기 화합물을 소정의 수용체(carrier)에 담는 형태로 구성될 수도 있다. 상기 수용체는 일반적으로 셀(cell)이라고 불리우는 형태, 즉 임의의 단면의 형상이 수용체의 외주면과 내주면에 의해 형성되는 2 개의 동심원 구조로 이루어진 밀폐구조로, 상기 내주면에 의해 정의되는 밀폐된 공간 내에 발포 화합물이 수용된다. 상기 수용체는 LDPE(저밀도 폴리에틸렌, low-density polyethylene), PE(polyethylene), PP(polypropylene) 등의 플라스틱으로 형성될 수 있다.
발포제의 열분해로 생성된 기체는 배럴(10) 내에 용융수지와 고르게 혼합되어야 하고, 이를 위해서는 스크류(30) 구동에 따른 물리적 혼합 뿐만 아니라, 발포제의 화학분해로 인해 생성된 물질의 상(phase)이 중요하다. 배럴(10) 내에서의 압력과 온도 조건에 따라 발포제로부터 생성된 물질이 기체 상태로 용융수지와 혼합되는 것도 가능할 것이나, 이 경우, 상기 기체가 용융수지에 고르게 분산되도록 혼합하는데에는 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 기체의 낮은 용해도를 고려할 때 쉽지 않은 일이다.
일반적으로, 물질은 온도와 압력 조건에 따라 고체, 액체, 기체로의 상태 변화가 이루어지며, 적당한 온도와 압력 조건 하에서는 초임계 유체(SCF, super critical fluid)라고 불리는 상태에 이른다. 도 4를 참조하면, 초임계 유체란 임계 압력(Pc) 및 임계 온도(Tc) 이상의 조건을 갖는 상태에 있는 물질로 정의되며 일반적인 액체나 기체와는 다른 고유의 특성을 갖는다. 임계점(critical point)은 물질이 액체 또는 기체 상(phase)으로 평형(equilibrium)을 이루며 존재할 수 있는 한계점을 의미한다. 도 4의 상선도(phase diagram)로부터 이러한 현상을 설명할 수 있다. 임계점 이하의 압력 및 온도 조건에서는 이산화탄소가 기체, 액체 또는 고체 상으로 존재하고 있으며 각 곡선은 두 가지 상이 평형을 이루며 공존하는 압력이나 온도 조건을 의미한다. 즉, 액체와 기체 사이의 곡선은 각 압력 조건 하의 끓는 점을 의미하며 이 선을 따라 온도나 압력을 증가시키면 임계점에 도달하게 된다. 온도나 압력의 증가에 따라 액체 상은 열팽창(thermal expansion)으로 인하여 밀도가 감소하고 기체 상은 압력 증가에 따라 밀도가 증가하는 상반된 변화를 계속하다가 임계점 이상의 고온, 고압 조건에 도달하게 되면 두 상의 밀도가 동일한 값을 가지게 되고 두 가지 상 간의 구분이 없어지게 된다. 이러한 상태를 초임계 상태(supercritical state)라고 하며 고체와 달리 변형이 쉽고 자유로이 흐르며 유체의 특성을 갖으며, 용해도와 확산도가 높다. 참고적으로 이산화탄소의 임계점은 73.8 bar, 31.1 ℃이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포 성형이 이루어지는 공정도이다. 도 3은 도 1에 도시된 스크류의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이하, 도 2를 참조하여 설명하는 발포성형공정은 계량(S3 참조)이 이루어지고, 금형(40)이 닫혀진 상태(S1)에서부터 설명한다. 이러한 상태는 사출성형장치(1)를 이용한 전체 사출 공정 중의 어느 한 과정이면 족한 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 실시가 반드시 S1 단계에서부터 시작되어야 하는 것은 아니다. 이러한 취지에서, 사출(S2)은 계량(S3)이 이루어진 상태에서 스크류(30)가 전진되면 족한 것으로, 이는 반복되는 사출 사이클들 중의 어느 한 사이클에서 이루어지는 경우나, 최초의 사출 사이클에서 이루어지는 경우나 마찬가지라 할 것이다.
배럴(10) 내에 용융수지가 채워진 상태, 즉 용융수지의 계량이 완료된 후, 스크류(30)가 전진되고, 노즐(13)로부터 금형(40) 내로 용융수지가 주입된다.(S2) 금형(40) 내로 용융수지가 주입되며서 압력 강하가 이루어지기 때문에, 용융수지 내에 용해되어 있던 가스성분이 기화되어 플라스틱 내부에 기포가 형성된다. 따라서, 금형(40) 내에서 냉각되어 굳어진 최종품은 미세한 기공이 균일하게 형성된 발포 플라스틱이 된다.
계량단계(S3)는 사출이 끝난 이후 다음 사출을 위해 수지를 가소화하는 과정(prasticating process)으로, 스크류(30)가 회전되면서 기 설정된 계량량(one-shot)에 대응하여 후퇴되고, 원재와 발포제의 혼합물(S4 참조)이 호퍼(20)를 통해서 상기 계량량 만큼 투입된다(S5). 히터(50)로부터 가해지는 열과, 스크류(30) 회전에 따른 마찰작용으로 원재의 용융이 이루어진다. 특히, 스크류(30)가 회전되면서 원재와 발포제는 혼합과 용융이 이루어지면서 노즐(13)측으로 점점 이송되어 배럴(10)과 스크류(30) 사이의 공간에 채워진다.
한편, 도 3을 참조하면, 배럴(10) 내 투입된 원재와 발포제는 스크류(30)의 회전에 따라 제 1 구간(A)과, 제 2 구간(B) 및 제 3 구간(C)을 차례로 지나게되며, 이하, 각 구간에 대해 보다 상세하게 설명한다.
제 1 구간(A)은 호퍼(20)를 통해 투입된 원재와 발포제가 배럴(10) 내로 유입되는 구간이다. 히터(50)의 가열 작용에 의해 배럴(10) 내의 원재와 발포제가 가열된다. 이 구간에서는 원재의 용융은 이루어지나, 아직 발포제의 화학반응은 이루어지지 않는다. 원재로써 폴리프로필렌(Polypropylene)이 사용되는 경우, 제 1 구간(A)에서의 온도는 180 내지 220도(℃)에 이를 수 있다.
특히, 발포제가 셀형태로 투입된 경우, 제 1 구간(A)에서는 발포 화합물을 둘러싼 셀을 구성하는 수지는 용융되지 않도록 상기 셀을 구성하는 수지(이하, 캐리어 레진이라고 함.)의 종류, 배럴(10) 내 온도와 압력이 조절되는 것이 바람직하다. 제 1 구간(A)은 주로 다음번 사출을 위한 원재와 발포제의 투입과 혼합, 그리고 원재의 용융이 이루어지는 점에서 이를 공급구간(feeding zone)이라고 한다.
제 2 구간(B)에서는 원재의 용융이 이루어짐과 아울러, 열반응에 의해 발포제 또는 발포 화합물로부터 기체가 생성된다. 발포 화합물로써 중탄산수소나트륨이 이용되는 경우, 아래 식 1에 따라 중탄산나트륨의 1차 반응이 이루어져 CO2가 생성되며, 잔사물로써 탄산나트륨(Na2CO3), CO2, H2O가 남는다. 이때, 촉매로써 시트르산(C6H8O7H2O)이 사용된다. 촉매로써의 시트르산은 전술한 바와 같이 셀 형태의 발포제에 배합된 상태로 투입될 수 있으며, 다르게는 원재와 발포 화합물 또는 발포제와 함께 혼합된 상태로 투입될 수도 있다.
[식 1]
2NaHCO3 ->Na2CO3 + CO2 + H2O
특히, 셀 형태의 발포제가 사용되는 경우, 제 2 구간(B)에서는 캐리어 레진의 용융이 이루어지며 발포 화합물의 화학반응이 촉진될 뿐만 아니라, 생성된 기체가 용융수지 중으로 용해된다. 제 2 구간(B)에서는 용융수지와 기체가 함께 존재하는 2 상 유체상태(2 phase state fluid)이다.
한편, 제 2 구간(B)에서 스크류(30)를 따라 유체가 이동되는 중에 압축이 이루어진다. 용융수지 중에 용해되는 기체의 양이 증가될 뿐만 아니라, 압력의 상승으로 상선도 상에서의 기체의 상태가 초임계상태로 접근한다.
제 2 구간(B)에서의 압력 상승을 위해, 본 실시예에서는 스크류 축(31a)과 배럴(10) 내주면 사이의 간격이 유체의 진행 방향을 따라 점차적으로 좁아지도록 형성되었으나, 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니며, 실시예에 따라 스크류(30)의 블레이드(32a)의 형태, 블레이드의 피치(pitch) 간격, 블레이드(32a) 팁과 배럴(10) 사이의 간격이 조절될 수 있으며, 별도의 가압 수단이 추가되는 것도 가능하다. 제 2 구간에서는 유체의 압축이 이루어지므로 이를 압축구간(compression zone)이라고 한다. 원재로써 폴리프로필렌(Polypropylene)이 사용되는 경우, 제 2 구간(B)에서의 온도는 180 내지 220도(℃)에 이를 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기체의 용해도는 압력이 증가할수록 높아지는 특성을 보이며, 따라서, 제 2 구간(B)에서의 압력 상승은 발포제로부터 생성된 기체가 용융수지에 보다 잘 용해되도록 한다.
제 3 구간(C)에서는 대부분의 원재가 용융상태에 이를 뿐만 아니라, 발포제로부터 생성된 기체가 초임계 상태에 이르러 배럴(10) 내 유체가 하나의 상(1 phase)을 이루는 구간이다. 제 3 구간(C)에서의 온도와 압력은 기체의 임계점 이상이다.
특히, 발포 화합물로써 중탄산수소나트륨이 사용된 경우, 제 3 구간(C)에서는 다음의 식 2에 따라 2차 반응으로써 탄산나트륨의 분해가 이루어지며 이산화탄소가 생성되며, 잔사물로는 산화나트륨(Na2O)이 남는다.
[식 2]
Na2CO3 -> Na2O + CO2
제 3 구간(C)은 기체가 초임계 상태에 이를 수 있도록 충분한 시간동안 가압, 가열이 이루어져야하며, 특히 유체 중에 기체성분이 고르게 혼합될 수 있어야 한다. 이를 위해 스크류(30)를 따라 유체가 천천히 진행될 수 있도록, 블레이드(32a)의 형상, 블레이드의 피치 간격, 스크류의 회전 속도 등이 정해질 수 있다. 제 3 구간(C)에서의 온도는 제 2 구간(B)에서의 온도보다 높을 수 있으며, 바람직하게는 200 내지 240도(℃)에 이를 수 있다. 여기서, 제 3 구간(C)의 온도를 제 2 구간(B)에서의 온도보다 유지하는 경우에 있어서, 제 3 구간(C)의 온도는 상기 온도 구간 중에서 제 2 구간(B)에서의 온도에 대응하여, 그보다 높은 온도 구간이 취해지는 것으로 이해되어야 할 것이다.
제 3 구간(C)에서는 대부분의 원재의 용융이 이루어져 노즐(13)을 통해 사출되기 충분한 상태에 이르기 때문에, 이를 용융구간(metering zone)이라고 한다.
전술한 바와 같이, 공급구간(A), 압축구간(B) 및 용융구간(C)을 차례로 거치며 원재의 계량과 용융이 완료되면, 스크류(30)가 전진되어 용융된 유체가 노즐(13)을 통해 금형(40) 내로 주입되는 사출이 이루어진다.(S2) 금형(40)내에서의 급격한 압력 강하로 인해, 유체 중에 용해된 기체성분이 다시 기체 상태로 환원되며, 따라서 플라스틱을 발포시킨다. 이때, 셧- 오프 밸브(15)는 개방된 상태이며, 셧-오프 밸브(15) 통과 시의 압력강하율(ΔP/ Δt)에 따라 발포가 이루어진다. 실시예에 따라 셧-오프 밸브(15)는 압력강하율의 조절이 가능한 밸브로 구현될 수 있다.
계량(S3)이 이루어지는 동안, 금형(40)이 열리며(S6) 이전 사출 사이클에서 발포된 플라스틱이 금형(40)으로부터 취출된다.(S7) 이후, 다시 금형(40)이 닫히고(S1), 사출(S2)과 계량(S3)이 이루어지며 반복적으로 발포 플라스틱의 성형이 이루어진다.
한편, 금형(40) 내에서 수지가 냉각되는 동안 발포에 기여한 기체의 대부분은 발포 플라스틱으로부터 배출된다. 예를들어, 적정 조건하에서 이산화탄소의 경우 48시간 이내에 80% 이상이 배출될 수 있다. 그러나, 발포제로부터 기체가 생성되고 남은 잔사물은 여전히 발포 플라스틱에 존재하며, 이러한 잔사물로는 셀을 이루는 캐리어 레진, 중탄산수소나트뮬의 1차 반응의 잔사물로서 탄산나트륨, 2차 반응의 잔사물로써 산화 나트륨, 그리고 촉매로써의 시트르산을 들 수 있다.
전술한 발포성형방법은 사출 성형만이 아니라 압출 성형에도 사용될 수 있다. 압출성형은 용융수지의 냉각이 금형 내에서 이루어지지 않는다는 차이만 있을 뿐, 호퍼, 배럴, 스크류를 구비하며, 배럴 내에서 수지의 용융과 혼합, 발포제의 화학반응이 유도될 수 있음은 사출성형과 마찬가지이기 때문이다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (23)

  1. 배럴 내에 구비된 스크류를 회전시키는 (a)단계;
    입자 또는 분말 상태의 원재와 함께 화학적 반응을 통해 기포를 생성하는 발포제를 상기 배럴 내로 투입하는 (b)단계;
    상기 (b)단계에서 투입된 원재가 용융되고, 상기 발포제로부터 기체가 생성되는 (c)단계;
    상기 (c)단계에서 생성된 기체가 상기 배럴을 따라 진행되는 중에 상기 스크류에 의해 가압되는 (d)단계; 및
    상기 가압된 기체가 초임계 유체로 상변화되고, 상기 용융된 원재와 혼합되는 (e)단계를 포함하는 발포성형방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (e)단계에서는,
    상기 (c)단계에서 기체가 생성되고 남은 상기 발포제의 잔사물이 분해되며 상기 기체를 더 생성하는 발포성형방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (e)단계에서 상기 배럴 내의 온도는 상기 (c)단계에서보다 높은 발포성형방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발포제는,
    열반응에 의해 기체를 생성하는 발포 화합물; 및
    내측으로 상기 발포 화합물이 수용되는 공간을 형성하는 셀을 포함하고,
    상기 (c)단계에서 상기 배럴 내부의 온도는 상기 셀의 용융점보다 높은 발포성형방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서는 상기 스크류의 회전에 따라 상기 원재와 발포제의 혼합물이 진행되는 중에 상기 배럴과 스크류 사이에서 점점 가압되는 발포성형방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발포제는 중탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 발포성형방법.
  7. 스크류가 회전되는 중에 배럴 내의 제 1 구간에 입자 또는 분말 상태의 원재와 함께 발포제가 공급되는 (a)단계;
    상기 스크류 회전에 따라 원재와 함께 발포제가 상기 배럴을 따라 진행하는 중의 제 2 구간에서, 상기 원재의 용융이 이루어지고 상기 발포제로부터 기체가 생성되며, 상기 생성된 기체가 상기 스크류에 의해 가압되어 상기 기체의 압력이 임계 압력을 향해 점점 상승되는 (b)단계; 및
    상기 제 2 구간 이후의 제 3 구간에서, 상기 (b)단계에서 가압된 기체의 압력이 상기 임계 압력 이상으로 상승되어 초임계 유체로 상변화되는 (c)단계를 포함하는 발포성형방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 구간에서는 상기 제 1 구간에 비해 상기 원재와 발포제의 혼합물에 가해지는 압력이 증가되는 발포성형방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 구간에서 상기 배럴 내의 온도는 상기 제 2 구간에서 상기 발포제로부터 기체가 생성되는 온도보다 높은 발포성형방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 발포제는 중탄산수소 나트륨을 포함하고,
    상기 제 2 구간에서는 상기 중탄산수소나트륨의 열분해 잔사물인 탄산나트륨(Na2CO3)이 생성되고, 상기 제 3 구간에서는 상기 탄산나트륨의 열분해 잔사물인 산화나트륨(Na2O)이 생성되는 발포성형방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 구간에서의 온도는 180 내지 220도(℃)이고,
    상기 제 3 구간에서의 온도는 200 내지 240도(℃)인 발포성형방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 발포제는,
    열반응에 의해 기체를 생성하는 발포 화합물; 및
    내측으로 상기 발포 화합물이 수용되는 공간을 형성하는 셀을 포함하고,
    상기 제 2 구간에서의 온도는 상기 셀의 용융점 이상인 발포성형방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 구간에서는 상기 셀은 미용융 상태인 발포성형방법.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 구간에서는,
    상기 제 2 구간에서 기체를 생성하고 남은 상기 발포제의 잔사물로부터 기체가 더 생성되는 발포성형방법.
  16. 발포 성형될 플라스틱 원재가 용융되는 중에 기체를 생성하여 발포 플라스틱을 형성시키는 발포제에 있어서,
    상기 발포제는,
    입자 또는 분말상의 발포 화합물; 및
    내측으로 상기 발포 화합물이 수용되는 공간을 형성하고, 상기 원재의 용융과정에서 분해되는 셀을 포함하는 발포제.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 발포 화합물은 중탄산수소나트륨을 포함하는 발포제.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 셀은 LDPE, PE 및 PP 중 적어도 하나를 포함하는 발포제.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 발포제는 상기 발포 화합물의 반응 활성을 위한 촉매를 더 포함하는 발포제.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 촉매는 시트르산인 발포제.
  21. 화학 발포제와 혼합된 원재가 투입되는 배럴;
    상기 화학 발포제와 혼합된 원재가 용융되도록 상기 배럴 내부를 가열하는 히터; 및
    상기 배럴 내에서 회전하며, 상기 화학 발포제와 혼합된 원재를 상기 배럴을 따라 이송시키는 스크류를 포함하고,
    상기 원재의 이동방향을 따라 상기 스크류의 축과 상기 배럴의 내주면 사이가 점점 좁아지는 구간이 형성되어, 상기 화학 발포제로부터 생성된 기체가 상기 구간을 통과하며 가압되어 초임계 유체로 상변화되는 사출성형장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 구간에서 상기 배럴 내부 온도는 180 내지 220도(℃)인 사출성형장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 화학 발포제는 중탄산수소나트륨을 포함하는 사출성형장치.
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