플라스틱 압출

Plastic extrusion
나사를 표시하는 플라스틱 압출기의 단면
사출 성형 관련 짧은 비디오(9분 37초)

플라스틱 압출은 생 플라스틱을 녹여 연속적인 프로필로 형성하는 대량 제조 공정이다. 압출은 파이프/튜브, 웨더스트라이핑, 펜싱, 갑판 난간, 창틀, 플라스틱 필름 및 시트, 열가소성 플라스틱 코팅, 와이어 절연 등의 품목을 생산한다.

이 과정은 호퍼에서 압출기의 통으로 플라스틱 재질(펠릿, 과립, 박리 또는 분말)을 공급하는 것으로 시작한다. 자재는 나사를 돌려서 발생하는 기계적인 에너지와 통을 따라 배열된 히터에 의해 점차적으로 녹는다. 용해된 폴리머는 다이(die)로 강제 투입되며, 다이(die)는 냉각 중에 딱딱해지는 형태로 폴리머를 형성한다.[1]

역사

파이프 압출

현대적 압출기의 첫 전구체는 19세기 초에 개발되었다. 1820년 토마스 핸콕은 가공된 고무 찌꺼기를 회수하기 위해 고안된 고무 "마스터레이터"를 발명했고, 1836년 에드윈 채피는 고무에 첨가물을 섞는 2롤러 기계를 개발했다.[2] 최초의 열가소성 플라스틱 압출은 1935년 폴 트로이스터와 그의 아내 애슐리 거쇼프가 독일 함부르크에서 했다. 그 직후, LMP의 로베르토 콜롬보는 이탈리아에서 처음으로 트윈 스크류 압출기를 개발했다.[3]


과정

플라스틱의 압출에서, 원 화합물 물질은 일반적으로 압출기의 통으로 탑 마운트 호퍼로부터 중력을 공급받는 누들(작은 구슬, 흔히 수지라고 부른다)의 형태를 띤다. 착색제와 UV 억제제(액체 또는 펠릿 형태 중 하나)와 같은 첨가제가 자주 사용되며 호퍼에 도착하기 전에 수지에 혼합될 수 있다. 이 공정은 보통 연속 공정이라는 점에서 다르지만 압출기 기술에서 나온 플라스틱 사출 성형과 많은 공통점이 있다. 풀트루션은 대개 보강을 추가하면 연속적인 길이로 많은 유사한 프로파일을 제공할 수 있지만, 이는 다이에서 폴리머 용융을 압출하는 대신 다이에서 완제품을 빼냄으로써 달성된다.

물질은 공급 목구멍(통 뒤쪽에 있는 구멍)을 통해 들어가 나사와 접촉한다. 회전 나사(보통 120rpm에서 회전)는 플라스틱 비드를 열선내장 배럴로 전진시킨다. 원하는 압출 온도는 점성 가열 및 기타 효과로 인해 배럴의 설정 온도와 동일한 경우가 거의 없다. 대부분의 프로세스에서 3개 이상의 독립된 PID 제어 히터 구역이 후면(플라스틱이 들어가는 곳)에서 전면까지의 배럴의 온도를 점진적으로 증가시키는 통에 대해 난방 프로필을 설정한다. 이를 통해 플라스틱 구슬이 통을 통해 밀리면서 점차 녹을 수 있고 과열 위험을 낮춰 폴리머 성능 저하를 초래할 수 있다.

여분의 열은 통 안에서 일어나는 강한 압력과 마찰에 의해 기인한다. 실제로 압출선이 특정 물질을 충분히 빠르게 가동하고 있다면 히터를 차단할 수 있고 통 내부 압력 및 마찰만으로 용융 온도를 유지할 수 있다. 대부분의 압출기에서는 너무 많은 열이 발생될 경우 온도를 설정값 이하로 유지하기 위해 냉각 팬이 존재한다. 강제적인 공기 냉각이 불충분하다고 판명될 경우 캐스트인 냉각 재킷을 사용한다.

플라스틱 압출기를 반으로 잘라 구성 요소를 표시

통의 전면에서는 녹은 플라스틱이 나사를 떠나 스크린 팩을 통해 이동하여 용해된 오염물질을 제거한다. 이 시점의 압력이 5,000psi(34MPa)를 넘을 수 있기 때문에 스크린은 차단기 판(구멍이 많이 뚫린 두꺼운 금속 퍽)으로 강화된다. 스크린 팩/브레이커 플레이트 조립체는 또한 배럴에 역압을 발생시키는 역할을 한다. 균일한 용융과 적절한 폴리머 혼합을 위해 백 압력이 필요하며, 발생되는 압력은 스크린 팩 구성(스크린 수, 와이어 짜임 크기, 기타 파라미터)에 따라 "트위킹"할 수 있다. 이 차단기와 스크린 팩 조합은 용해된 플라스틱의 "회전 메모리"를 없애고 대신 "종방향 메모리"를 생성한다.

차단기 판을 통과하면 녹은 플라스틱이 다이 안으로 들어간다. 다이(die)는 최종 제품에 프로필을 제공하는 것이며 용해된 플라스틱이 원통형 프로필에서 제품의 프로필 모양으로 고르게 흐르도록 설계되어야 한다. 이 단계에서 고르지 않은 흐름은 프로필의 특정 지점에서 원치 않는 잔류 응력을 가진 제품을 생성하여 냉각 시 뒤틀림을 유발할 수 있다. 연속적인 프로파일로 제한되는 매우 다양한 형상을 만들 수 있다.

제품은 이제 냉각되어야 하며 이것은 보통 물 욕조를 통해 압출물을 당겨서 얻는다. 플라스틱은 매우 좋은 열절연체여서 빨리 식히기가 어렵다. 강철에 비해 플라스틱은 열을 2,000배 더 천천히 방출한다. 관이나 파이프 압출 라인에서 밀폐된 물 욕조는 새로 형성되고 여전히 용해된 관이나 파이프가 무너지지 않도록 세심하게 제어된 진공에 의해 작용한다. 플라스틱 시트링과 같은 제품의 경우 냉각 롤 세트를 당겨서 냉각이 이루어진다. 필름과 매우 얇은 시트의 경우, 공기 냉각은 블로우 필름 압출에서와 같이 초기 냉각 단계로 효과적일 수 있다.

플라스틱 압출기는 또한 세척, 분류 및/또는 혼합 후 재활용 플라스틱 폐기물 또는 기타 원재료를 재처리하는 데 광범위하게 사용된다. 이 재료는 일반적으로 비드 또는 펠릿 스톡에 절삭하여 추가 가공의 전조로 사용하는 데 적합한 필라멘트로 압출된다.

나사설계

열가소성 플라스틱 나사에는 다섯 개의 가능한 영역이 있다. 용어들은 산업에서 표준화되지 않기 때문에, 다른 이름들은 이 구역들을 언급할 수 있다. 다른 유형의 폴리머는 나사 설계가 다를 것이며, 어떤 것은 가능한 모든 영역을 포함하지 않는다.

간단한 플라스틱 압출 나사
보스턴 매튜스의 압출 나사

대부분의 나사에는 다음과 같은 세 가지 영역이 있다.

  • 공급 구역(고형 전달 구역이라고도 함): 이 구역은 수지를 압출기에 공급하며, 채널 깊이는 구역 전체에서 대개 동일하다.
  • 용해 구역(전환 또는 압축 영역이라고도 함): 이 절에서 폴리머의 대부분이 용해되며, 채널 깊이는 점차 작아진다.
  • 계량 구역(용융 전달 구역이라고도 함): 이 구역은 마지막 입자를 녹여 균일한 온도와 구성으로 혼합한다. 공급 구역과 마찬가지로 채널 깊이는 이 구역 전체에 걸쳐 일정하다.

또한, 환기구(2단계) 나사는 다음을 가지고 있다.

  • 압축 해제 영역. 나사를 약 3분의 2 정도 내려간 이 구역에서는 채널이 갑자기 깊어져 압력이 완화되고, 진공에 의해 갇힌 가스(흡착제, 공기, 용제 또는 반응제)가 모두 빠져나갈 수 있게 된다.
  • 두 번째 계량 구역. 이 구역은 첫 번째 계측 구역과 유사하지만 채널 깊이가 더 크다. 화면과 다이(Die)의 저항으로 용융을 억제하는 역할을 한다.

나사 길이는 종종 직경을 L:D 비로서 참조한다. 예를 들어, 24:1의 직경 6인치(150mm)의 나사는 144인치(12ft) 길이로, 32:1의 나사는 192인치(16ft) 길이로 한다. L:D 비율이 25:1인 것이 일반적이지만 동일한 나사 직경에서 더 많은 혼합과 출력을 위해 40:1까지 올라가는 기계도 있다. 2단계(벤트) 나사는 일반적으로 두 개의 추가 영역을 설명하기 위해 36:1이다.

각 구역에는 온도 조절을 위해 배럴 벽에 하나 이상의 열전대 또는 RTD가 장착되어 있다. "온도 프로파일" 즉, 각 구역의 온도는 최종 압출물의 품질과 특성에 매우 중요하다.

일반적인 압출 재료

압출 시 HDPE 파이프. HDPE 물질은 히터에서 다이로, 그리고 냉각 탱크로 유입된다. 이 Acu-Power 도관 파이프는 검은색 내부에 얇은 주황색 재킷을 입혀 전원 케이블을 지정한다.

압출에 사용되는 대표적인 플라스틱 재료로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌, 아세탈, 아크릴, 나일론(폴리아미데스),[4] 폴리스티렌, 폴리염화비닐(PVC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리카보네이트 등이 있다.

다이유형

주요 기사: 다이 성형(플라스틱)

플라스틱 압출에 사용되는 주사위는 다양하다. 다이 종류와 복잡성 사이에는 상당한 차이가 있을 수 있지만, 사출 성형과 같은 비연속적 처리와는 달리, 모든 다이에는 폴리머 용융의 연속적인 압출이 허용된다.

블로우드 필름 압출

플라스틱 필름의 압출 불기

쇼핑백, 연속 시트 등 제품용 플라스틱 필름 제조는 블로우필름 라인을 이용해 이뤄진다.[5]

이 과정은 죽을 때까지의 규칙적인 압출 과정과 같다. 이 과정에서 사용되는 다이에는 환형(또는 십자형), 거미, 나선형의 세 가지 유형이 있다. 환형 다이(Anterular die)는 가장 단순하며, 다이에서 나오기 전에 다이(Die)의 전체 단면 주위에 있는 폴리머 용융 채널링에 의존한다. 이는 고르지 않은 흐름을 초래할 수 있다. 스파이더 다이에는 다수의 "다리"를 통해 바깥쪽 다이 링에 부착된 중심 맨드렐로 구성된다. 반면 흐름은 환형 다이보다 대칭인 반면 다수의 용접 라인이 생성되어 필름이 약해진다. Spiral die는 용접선과 비대칭 흐름의 문제를 제거하지만, 단연코 가장 복잡하다.[6]

용융은 다이에서 떠나기 전에 어느 정도 냉각되어 약한 반고체 관을 산출한다. 이 튜브의 지름은 공기압을 통해 빠르게 팽창하고, 튜브는 롤러를 사용하여 위쪽으로 당겨져 플라스틱을 가로 방향과 그리기 방향으로 모두 스트레칭한다. 드로잉과 송풍은 필름을 압출관보다 얇게 만들며, 또한 고분자 분자 체인을 가장 플라스틱 변형이 많이 보이는 방향으로 우선적으로 정렬시킨다. 필름이 송풍되는 것보다 더 많이 그려지면(마지막 튜브 직경이 압출된 직경에 가까우면), 폴리머 분자는 그리기 방향과 고도로 정렬되어 그 방향에는 강하지만 가로 방향에는 약한 필름을 만든다. 돌출된 직경보다 지름이 현저히 큰 필름은 가로 방향은 강도는 더 크지만 그리기 방향은 더 작을 것이다.

폴리에틸렌과 다른 반결정 폴리머의 경우 필름이 냉각되면서 서리선이라고 알려진 곳에서 결정화된다. 필름이 계속 식으면서 여러 세트의 nip 롤러를 통해 끌어내어 레이플랫 튜브로 납작하게 만들고, 그 다음 두 개 이상의 시트 롤로 스풀링하거나 슬릿할 수 있다.

시트/필름 압출

시트/필름 압출은 플라스틱 시트나 너무 두꺼워서 날릴 수 없는 필름을 압출하는 데 사용된다. 사용되는 다이에는 두 가지 유형이 있다. T자 모양과 코트 행거. 이러한 다이의 목적은 압출기에서 나오는 단일 원형 출력에서 폴리머 용해 흐름을 얇고 평평한 평면 흐름으로 방향을 바꾸고 유도하는 것이다. 두 다이 유형 모두 다이 전체 단면적에서 일정하고 균일한 흐름을 보장한다. 냉각은 일반적으로 일련의 냉각 롤(캘린더 또는 "칠" 롤)을 통해 당기는 것이다. 시트 압출에서 이러한 롤은 필요한 냉각 기능을 제공할 뿐만 아니라 시트 두께와 표면 질감을 결정한다.[7] 종종 공동 추출은 자외선 흡수, 질감, 산소 투과 저항성 또는 에너지 반사 등과 같은 특정 특성을 얻기 위해 기본 재료 위에 한 개 이상의 층을 가하는 데 사용된다.

플라스틱 시트 스톡의 일반적인 압출 후 공정은 열성형인데, 열성형은 시트가 부드러워질 때까지 가열되며(플라스틱) 금형을 통해 새로운 형태로 형성된다. 진공을 사용할 때, 이것은 흔히 진공 형성이라고 표현된다. 방향(즉, 일반적으로 1인치에서 36인치까지 깊이가 달라질 수 있는 금형에 그릴 시트의 능력/사용 가능한 밀도)은 매우 중요하며 대부분의 플라스틱의 성형 주기 시간에 큰 영향을 미친다.

튜브 압출

PVC 파이프와 같은 압출 튜브는 송풍된 필름 압출에 사용되는 것과 매우 유사한 다이를 사용하여 제조된다. 핀을 통해 내부 공동에 양의 압력을 가하거나 진공 사이저를 이용해 외부 직경에 음의 압력을 가해 정확한 최종 치수를 확인할 수 있다. 다이(die)에 적절한 내측 맨드렐을 추가함으로써 추가적인 루멘이나 구멍을 도입할 수 있다.

보스턴 매튜스 메디컬 압출 라인

다층 배관 애플리케이션은 자동차 산업, 배관 및 난방 산업, 포장 산업에서도 존재한다.

오버재킷 압출

오버재킷 압출은 플라스틱의 외부 층을 기존의 전선이나 케이블에 적용할 수 있게 한다. 이것은 와이어를 절연하는 전형적인 과정이다.

와이어, 튜브(또는 자켓팅) 및 압력 코팅에 사용되는 두 가지 다른 유형의 다이 툴링이 있다. 자켓팅 툴링에서 폴리머 용융은 다이 립 바로 직전까지 내부 와이어에 닿지 않는다. 압력 툴링에서 용융은 다이 립에 도달하기 훨씬 전에 내부 와이어와 접촉한다. 이는 용융의 양호한 접착을 보장하기 위해 높은 압력으로 수행된다. 새로운 층과 기존 와이어 사이에 친밀한 접촉이나 접착이 필요할 경우 압력 공구를 사용한다. 접착이 필요/필요하지 않을 경우 대신 자켓 공구를 사용한다.

코우스트루션

압출은 여러 층의 물질을 동시에 압출하는 것이다. 이러한 유형의 압출은 둘 이상의 압출기를 사용하여 용해하고 원하는 형태로 물질을 압출하는 단일 압출 헤드(die)에 서로 다른 점성 플라스틱의 일정한 체적 처리량을 전달한다. 이 기술은 위에서 설명한 모든 프로세스(확장 필름, 오버재킷, 튜브, 시트)에 사용된다. 층 두께는 재료를 전달하는 개별 압출기의 상대 속도와 크기에 의해 제어된다.

5:5 화장품 "스퀴즈" 튜브의 층 공동 추출

많은 실제 시나리오에서 단일 폴리머가 애플리케이션의 모든 요구를 충족할 수는 없다. 복합 압출은 혼합 재료를 압출할 수 있게 하지만, 압출은 압출 제품의 다른 층으로 별도의 물질을 유지하여 산소 투과성, 강도, 강성, 마모 저항성 등의 성질이 다른 물질을 적절히 배치할 수 있게 한다.

압출 코팅

압출 코팅은 기존의 종이, 호일 또는 필름의 롤스톡에 추가 레이어를 코팅하기 위해 블로우드 또는 주조 필름 프로세스를 사용하는 것이다. 예를 들어 이 공정을 통해 폴리에틸렌으로 코팅해 물에 대한 내성을 높여 종이의 특성을 개선할 수 있다. 압출된 층은 또한 두 개의 다른 물질을 결합하기 위한 접착제로 사용될 수 있다. 테트라팍은 이 과정의 상업적인 예다.

복합외출

화합물 압출은 하나 이상의 폴리머에 첨가물을 섞어 플라스틱 화합물을 주는 공정이다. 피드는 펠릿, 분말 및/또는 액체가 될 수 있지만, 제품은 압출 및 사출 성형과 같은 다른 플라스틱 형성 과정에 사용하기 위해 보통 펠릿 형태로 되어 있다. 기존의 압출과 마찬가지로 용도와 원하는 처리량에 따라 기계 크기의 범위가 넓다. 전통적인 압출에는 단일 나사 또는 이중 나사 압출기를 사용할 수 있지만, 복합 압출에 적절히 혼합해야 할 필요성은 쌍둥이 나사 압출기를 의무화하지 않는다.[8][9]

압출기의 종류

트윈 스크류 압출기의 하위 유형으로는 공동 회전과 역회전 두 가지가 있다. 이 명칭은 각 나사가 다른 나사에 비해 회전하는 상대 방향을 가리킨다. 공동 회전 모드에서는 두 나사가 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전하고, 역회전에서는 한 나사가 시계 방향으로 회전하며 다른 나사는 시계 반대 방향으로 회전한다. 주어진 단면 면적과 겹침 정도(간격)의 경우, 공회전 트윈 압출기에서 축속도와 혼합 정도가 더 높은 것으로 나타났다. 그러나 역회전 압출기에서 압력 증가가 더 높다.[10] 나사 설계는 마모 또는 부식성 손상으로 인한 개별 구성 요소의 프로세스 변경 또는 교체를 위한 신속한 재구성이 가능하도록 다양한 전달 및 혼합 요소를 축에 배치한다는 점에서 일반적으로 모듈화된다. 기계 크기는 12mm에서 380mm까지 다양하다[James White에 의한 12- 고분자 혼합, 129-140페이지]

이점

압출의 큰 장점은 파이프와 같은 종단은 어느 길이나 만들 수 있다는 것이다. 재료가 충분히 유연하면 릴에 코일링까지 장시간에 걸쳐 파이프를 만들 수 있다. 고무 씰을 포함한 연결기가 통합된 파이프가 압출되는 것도 장점이다.[11]

참고 항목

참조

  1. ^ TEPPFA, The European Plastic Pipes and Fittings Association. "Production Processes".
  2. ^ 타드모어와 고고스(2006년). '중합체 가공의 원리'.' 존 와일리 앤 선즈 ISBN 978-0-471-38770-1
  3. ^ Rauwendaal, Chris (2001), Polymer Extrusion, 4th ed, Hanser, ISBN 3-446-21774-6.
  4. ^ 토드, 앨런 & 앨팅 1994 페이지 223–227.
  5. ^ "HOW TO SOLVE BLOWN FILM PROBLEMS" (PDF). Lyondell Chemical Company. Retrieved 31 August 2012.
  6. ^ John Vogler (1984). Small Scale Recycling of Plastics. Intermediate Technology Publication. pp. 6–7.
  7. ^ Process, Methods and Features of plastic extrusion technology, archived from the original on 2013-02-02, retrieved 2012-08-01
  8. ^ Rosato, Marlene G. (2000), Concise encyclopedia of plastics, Springer, p. 245, ISBN 978-0-7923-8496-0.
  9. ^ Giles, Harold F.; Wagner, John R.; Mount, Eldridge M. (2005), Extrusion: the definitive processing guide and handbook, William Andrew, p. 151, ISBN 978-0-8155-1473-2.
  10. ^ 샤, A, 굽타, M (2004) "공회전 및 역회전 트윈 스크루 압출기의 흐름 비교" ANTEC, www.plasticflow.com.
  11. ^ TEPPFA, The European Plastic Pipes and Fittings Association. "Production Processes".

참고 문헌 목록