플라스틱 압출기의 역사

플라스틱 압출은 원료 플라스틱을 녹여 연속 프로파일로 형성하는 대량 제조 공정입니다. 압출은 파이프/튜브, 비바람막이, 울타리, 데크 난간, 창틀, 플라스틱 필름 및 시트, 열가소성 코팅, 와이어 절연과 같은 품목을 생산합니다.
이 공정은 호퍼에서 압출기 배럴로 플라스틱 재료(펠렛, 과립, 플레이크 또는 분말)를 공급하는 것으로 시작됩니다. 나사를 돌리면서 발생하는 기계적 에너지와 배럴을 따라 배열된 히터에 의해 재료가 점차적으로 녹습니다. 그런 다음 용융된 폴리머를 다이에 밀어 넣어 냉각 중에 경화되는 형태로 폴리머를 만듭니다.

역사

파이프 압출
현대식 압출기의 첫 번째 전신은 19세기 초에 개발되었습니다. 1820년에 Thomas Hancock은 처리된 고무 스크랩을 재생하기 위해 고안된 고무 "저작기"를 발명했으며, 1836년에 Edwin Chaffee는 첨가제를 고무에 혼합하는 2개의 롤러 기계를 개발했습니다. 최초의 열가소성 압출은 1935년 독일 함부르크에서 Paul Troester와 그의 아내 Ashley Gershoff에 의해 이루어졌습니다. 얼마 지나지 않아 LMP의 Roberto Colombo는 이탈리아 최초의 트윈 스크류 압출기를 개발했습니다.

프로세스
플라스틱 압출에서 원료 복합 재료는 일반적으로 상단에 장착된 호퍼에서 압출기 배럴로 중력 공급되는 너들(작은 구슬, 흔히 수지라고 함) 형태입니다. 착색제 및 UV 억제제(액체 또는 펠릿 형태)와 같은 첨가제가 자주 사용되며 호퍼에 도착하기 전에 수지에 혼합될 수 있습니다. 이 공정은 일반적으로 연속 공정이라는 점에서 다르지만 압출기 기술 측면에서 플라스틱 사출 성형과 많은 공통점을 가지고 있습니다. 인발 성형은 일반적으로 강화를 추가하여 연속 길이로 유사한 프로파일을 많이 제공할 수 있지만, 이는 다이를 통해 용융된 중합체를 압출하는 대신 완성된 제품을 다이에서 당겨서 달성됩니다.

재료는 피드 스로트(배럴 후면 근처의 구멍)를 통해 들어가고 나사와 접촉하게 됩니다. 회전하는 스크류(보통 120rpm으로 회전)는 플라스틱 비드를 가열된 배럴 안으로 밀어 넣습니다. 점성 가열 및 기타 효과로 인해 원하는 압출 온도가 배럴의 설정 온도와 거의 동일하지 않습니다. 대부분의 공정에서는 3개 이상의 독립적인 PID 제어 히터 구역이 후면(플라스틱이 들어가는 곳)에서 전면으로 배럴의 온도를 점진적으로 높이는 배럴에 대한 가열 프로필이 설정됩니다. 이렇게 하면 플라스틱 비드가 배럴을 통과하면서 점차적으로 녹을 수 있고 과열로 인해 폴리머가 분해될 위험이 낮아집니다.

배럴 내부에서 발생하는 강한 압력과 마찰로 인해 추가 열이 발생합니다. 실제로, 압출 라인이 특정 재료를 충분히 빠르게 가동하는 경우 히터를 끄고 배럴 내부의 압력과 마찰만으로 용융 온도를 유지할 수 있습니다. 대부분의 압출기에는 너무 많은 열이 발생하는 경우 온도를 설정 값 이하로 유지하기 위해 냉각 팬이 있습니다. 강제 공기 냉각이 불충분한 경우에는 주조 냉각 재킷이 사용됩니다.

구성요소를 보여주기 위해 반으로 자른 플라스틱 압출기
배럴 전면에서 용융된 플라스틱은 스크류를 떠나 스크린 팩을 통과하여 용융물에 있는 오염 물질을 제거합니다. 이 지점의 압력이 5,000psi(34MPa)를 초과할 수 있으므로 스크린은 차단기 플레이트(많은 구멍이 뚫린 두꺼운 금속 퍽)로 강화됩니다. 스크린 팩/브레이커 플레이트 어셈블리는 배럴에 배압을 생성하는 역할도 합니다. 폴리머의 균일한 용융과 적절한 혼합을 위해서는 배압이 필요하며, 생성되는 압력의 정도는 스크린 팩 구성(스크린 수, 와이어 직조 크기 및 기타 매개변수)을 다양하게 하여 "조정"될 수 있습니다. 이 차단기 플레이트와 스크린 팩 조합은 용융된 플라스틱의 "회전 메모리"를 제거하고 대신 "종단 메모리"를 생성합니다.
브레이커 플레이트를 통과한 후 용융된 플라스틱이 다이로 들어갑니다. 다이는 최종 제품에 프로파일을 제공하는 역할을 하며 용융된 플라스틱이 원통형 프로파일에서 제품의 프로파일 모양으로 균일하게 흐르도록 설계되어야 합니다. 이 단계에서 흐름이 고르지 않으면 프로파일의 특정 지점에 원치 않는 잔류 응력이 있는 제품이 생성되어 냉각 시 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 다양한 모양을 생성할 수 있으며 연속 프로파일로 제한됩니다.

이제 제품을 냉각해야 하며 이는 일반적으로 수조를 통해 압출물을 끌어당겨 냉각됩니다. 플라스틱은 매우 우수한 단열재이므로 빠르게 냉각하기가 어렵습니다. 강철에 비해 플라스틱은 열을 2,000배 더 느리게 방출합니다. 튜브 또는 파이프 압출 라인에서 밀봉된 수조는 새로 형성되고 아직 용융된 튜브 또는 파이프가 붕괴되는 것을 방지하기 위해 신중하게 제어되는 진공에 의해 작용합니다. 플라스틱 시트와 같은 제품의 경우 냉각 롤 세트를 통해 냉각이 이루어집니다. 필름과 매우 얇은 시트의 경우 블로운 필름 압출에서와 같이 초기 냉각 단계로 공기 냉각이 효과적일 수 있습니다.
플라스틱 압출기는 세척, 분류 및/또는 혼합 후 재활용 플라스틱 폐기물이나 기타 원자재를 재처리하는 데에도 광범위하게 사용됩니다. 이 재료는 일반적으로 추가 가공을 위한 전구체로 사용하기 위해 비드 또는 펠렛 스톡으로 절단하기에 적합한 필라멘트로 압출됩니다.

나사 설계
열가소성 나사에는 5개의 가능한 영역이 있습니다. 업계에서는 용어가 표준화되어 있지 않기 때문에 이러한 영역을 다른 이름으로 지칭할 수 있습니다. 다양한 유형의 폴리머는 다양한 스크류 디자인을 가지며 일부는 가능한 모든 영역을 통합하지 않습니다.

간단한 플라스틱 압출 나사

Boston Matthews의 압출기 나사
대부분의 나사에는 다음 세 가지 영역이 있습니다.
● 공급 구역(고형물 운반 구역이라고도 함): 이 구역은 수지를 압출기로 공급하며 채널 깊이는 일반적으로 구역 전체에서 동일합니다.
● 용융 영역(전이 영역 또는 압축 영역이라고도 함): 대부분의 폴리머가 이 섹션에서 녹고 채널 깊이가 점차 작아집니다.
● 계량 구역(용융 운반 구역이라고도 함): 이 구역은 마지막 입자를 녹이고 균일한 온도와 조성으로 혼합합니다. 공급 구역과 마찬가지로 이 구역 전체에서 채널 깊이가 일정합니다.
또한 통풍형(2단계) 나사에는 다음이 포함됩니다.
● 감압 구역. 나사 아래 약 2/3 지점에 있는 이 구역에서는 채널이 갑자기 깊어져 압력이 완화되고 갇힌 가스(수분, 공기, 용매 또는 반응물)가 진공에 의해 빠져나올 수 있습니다.
● 두 번째 측정 영역. 이 구역은 첫 번째 측정 구역과 유사하지만 채널 깊이가 더 큽니다. 이는 스크린과 다이의 저항을 통과하도록 용융물을 재가압하는 역할을 합니다.
종종 나사 길이는 직경을 L:D 비율로 참조합니다. 예를 들어, 24:1에서 직경 6인치(150mm) 나사의 길이는 144인치(12피트)이고, 32:1에서는 192인치(16피트)입니다. 25:1의 L:D 비율이 일반적이지만 일부 기계는 동일한 스크류 직경에서 더 많은 혼합과 더 많은 출력을 위해 최대 40:1까지 사용합니다. 2단계(환기형) 나사는 일반적으로 2개의 추가 영역을 고려하여 36:1입니다.
각 구역에는 온도 제어를 위해 배럴 벽에 하나 이상의 열전대 또는 RTD가 장착되어 있습니다. "온도 프로필", 즉 각 구역의 온도는 최종 압출물의 품질과 특성에 매우 중요합니다.

일반적인 압출 재료

압출 중 HDPE 파이프. HDPE 재료는 히터에서 다이로 들어간 다음 냉각 탱크로 들어갑니다. 이 Acu-Power 도관 파이프는 내부가 검정색이고 얇은 주황색 재킷이 있는 공압출되어 전원 케이블을 지정합니다.
압출에 사용되는 일반적인 플라스틱 재료에는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌, 아세탈, 아크릴, 나일론(폴리아미드), 폴리스티렌, 폴리염화비닐(PVC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 및 폴리카보네이트가 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.[4 ]

다이 유형
플라스틱 압출에는 다양한 다이가 사용됩니다. 다이 유형과 복잡성 사이에는 상당한 차이가 있을 수 있지만 모든 다이는 사출 성형과 같은 비연속 가공과 달리 용융수지의 연속 압출을 허용합니다.
블로운 필름 압출

플라스틱 필름의 블로우 압출

쇼핑백 및 연속 시트와 같은 제품용 플라스틱 필름의 제조는 블로운 필름 라인을 사용하여 이루어집니다.
이 공정은 다이까지의 일반적인 압출 공정과 동일합니다. 이 공정에 사용되는 다이에는 환형(또는 크로스헤드), 스파이더 및 나선형의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 환형 다이는 가장 간단하며 다이에서 빠져나오기 전에 다이의 전체 단면 주위로 폴리머 용융 채널링에 의존합니다. 이로 인해 흐름이 고르지 않을 수 있습니다. 스파이더 다이는 다수의 "다리"를 통해 외부 다이 링에 부착된 중앙 맨드릴로 구성됩니다. 흐름은 환형 다이보다 더 대칭적이지만 필름을 약화시키는 다수의 웰드 라인이 생성됩니다. 나선형 다이는 웰드라인과 비대칭 흐름 문제를 제거하지만 가장 복잡합니다.

용융물은 다이를 떠나기 전에 다소 냉각되어 약한 반고체 튜브를 생성합니다. 이 튜브의 직경은 공기 압력을 통해 빠르게 확장되고, 튜브는 롤러로 위쪽으로 당겨져 플라스틱이 가로 방향과 연신 방향으로 늘어납니다. 드로잉과 블로잉으로 인해 필름이 압출된 튜브보다 얇아지고, 또한 가장 큰 소성 변형이 나타나는 방향으로 폴리머 분자 사슬이 우선적으로 정렬됩니다. 필름이 불어지는 것보다 더 많이 연신되는 경우(최종 튜브 직경이 압출 직경에 가까움) 중합체 분자는 연신 방향에 고도로 정렬되어 해당 방향에서는 강하지만 가로 방향에서는 약한 필름을 만듭니다. . 압출된 직경보다 훨씬 더 큰 직경을 가진 필름은 가로 방향에서 더 큰 강도를 가지지만 연신 방향에서는 더 적은 강도를 갖습니다.
폴리에틸렌 및 기타 반결정성 폴리머의 경우 필름이 냉각됨에 따라 서리 선(frost line)이라고 알려진 곳에서 결정화됩니다. 필름이 계속 냉각됨에 따라 여러 세트의 닙 롤러를 통해 끌어당겨 레이플랫 튜브로 편평하게 만든 다음 두 개 이상의 시트 롤로 감거나 분할할 수 있습니다.

시트/필름 압출
시트/필름 압출은 너무 두꺼워서 불어낼 수 없는 플라스틱 시트나 필름을 압출하는 데 사용됩니다. 사용되는 다이에는 T자형과 옷걸이의 두 가지 유형이 있습니다. 이러한 다이의 목적은 압출기의 단일 라운드 출력에서 ​​용융된 폴리머의 흐름을 얇고 편평한 평면 흐름으로 방향을 바꾸고 안내하는 것입니다. 두 다이 유형 모두 다이의 전체 단면적에 걸쳐 일정하고 균일한 흐름을 보장합니다. 냉각은 일반적으로 일련의 냉각 롤(캘린더 또는 "냉각" 롤)을 통해 당겨집니다. 시트 압출에서 이러한 롤은 필요한 냉각을 제공할 뿐만 아니라 시트 두께와 표면 질감도 결정합니다.[7] 종종 공압출은 UV 흡수, 질감, 산소 투과 저항 또는 에너지 반사와 같은 특정 특성을 얻기 위해 기본 재료 위에 하나 이상의 레이어를 적용하는 데 사용됩니다.
플라스틱 시트 스톡의 일반적인 압출 후 공정은 열성형으로, 시트가 부드러워질 때까지(플라스틱) 가열되고 금형을 통해 새로운 모양으로 성형됩니다. 진공을 사용하는 경우 이는 종종 진공 성형으로 설명됩니다. 방향(즉, 일반적으로 1~36인치의 깊이로 다양할 수 있는 금형에 인발되는 시트의 능력/사용 가능한 밀도)은 매우 중요하며 대부분의 플라스틱의 성형 사이클 시간에 큰 영향을 미칩니다.

튜브 압출
PVC 파이프와 같은 압출 튜브는 블로운 필름 압출에 사용되는 것과 매우 유사한 다이를 사용하여 제조됩니다. 핀을 통해 내부 공동에 양압을 가할 수도 있고, 정확한 최종 치수를 보장하기 위해 진공 사이저를 사용하여 외부 직경에 음압을 가할 수도 있습니다. 다이에 적절한 내부 맨드릴을 추가하면 추가 루멘이나 구멍이 도입될 수 있습니다.

Boston Matthews 의료용 압출 라인
다층 튜브 응용 분야는 자동차 산업, 배관 및 난방 산업, 포장 산업에도 존재합니다.

오버재킷 압출
오버재킷 압출을 사용하면 기존 와이어나 케이블에 플라스틱 외부 레이어를 적용할 수 있습니다. 이는 절연 전선의 일반적인 공정입니다.
와이어, 튜빙(또는 재킷) 및 압력 코팅에 사용되는 다이 툴링에는 두 가지 유형이 있습니다. 재킷 툴링에서 폴리머 용융물은 다이 립 직전까지 내부 와이어에 닿지 않습니다. 압력 툴링에서 용융물은 다이 립에 도달하기 오래 전에 내부 와이어와 접촉합니다. 이는 용융물의 우수한 접착을 보장하기 위해 고압에서 수행됩니다. 새 레이어와 기존 와이어 사이에 긴밀한 접촉이나 접착이 필요한 경우 압력 도구가 사용됩니다. 접착이 바람직하지 않거나 필요하지 않은 경우 재킷 툴링이 대신 사용됩니다.

공압출
공압출은 여러 층의 재료를 동시에 압출하는 것입니다. 이러한 유형의 압출은 두 개 이상의 압출기를 사용하여 서로 다른 점성 플라스틱을 녹이고 단일 압출 헤드(다이)에 일정한 부피 처리량을 전달하여 재료를 원하는 형태로 압출합니다. 이 기술은 위에 설명된 모든 공정(블로운 필름, 오버재킷, 튜빙, 시트)에 사용됩니다. 층 두께는 재료를 전달하는 개별 압출기의 상대적 속도와 크기에 따라 제어됩니다.

화장품 "스퀴즈" 튜브의 5:5 레이어 공압출
많은 실제 시나리오에서 단일 폴리머는 응용 분야의 모든 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 복합 압출을 사용하면 혼합된 재료를 압출할 수 있지만 공압출을 사용하면 별도의 재료를 압출된 제품의 다른 층으로 유지하여 산소 투과성, 강도, 강성 및 내마모성과 같은 다양한 특성을 가진 재료를 적절하게 배치할 수 있습니다.
압출코팅
압출 코팅은 기존의 종이, 호일 또는 필름 롤스톡에 추가 층을 코팅하기 위해 블로운 또는 캐스트 필름 공정을 사용합니다. 예를 들어, 종이에 폴리에틸렌을 코팅해 물에 대한 저항력을 높임으로써 종이의 특성을 향상시키는 데 이 공정을 사용할 수 있습니다. 압출된 레이어는 두 가지 다른 재료를 결합하는 접착제로도 사용할 수 있습니다. Tetrapak은 이 공정의 상업적인 예입니다.

복합 압출
컴파운딩 압출은 하나 이상의 폴리머를 첨가제와 혼합하여 플라스틱 화합물을 만드는 공정입니다. 공급물은 펠릿, 분말 및/또는 액체일 수 있지만 제품은 일반적으로 압출 및 사출 성형과 같은 다른 플라스틱 성형 공정에 사용되는 펠렛 형태입니다. 기존 압출과 마찬가지로 응용 분야와 원하는 처리량에 따라 기계 크기가 다양합니다. 단일 또는 이중 스크류 압출기가 기존 압출에 사용될 수 있지만 복합 압출에서는 적절한 혼합이 필요하므로 이축 압출기가 거의 필수입니다.

압출기의 종류
트윈 스크류 압출기에는 동회전식과 역회전식의 두 가지 하위 유형이 있습니다. 이 명명법은 각 나사가 다른 나사와 비교하여 회전하는 상대적인 방향을 나타냅니다. 동시 회전 모드에서는 두 나사가 모두 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전합니다. 역회전에서는 나사 하나가 시계 방향으로 회전하고 다른 나사는 시계 반대 방향으로 회전합니다. 주어진 단면적과 중첩 정도(상호 맞물림)에 대해 축 속도와 혼합 정도는 동방향 트윈 압출기에서 더 높은 것으로 나타났습니다. 그러나 역회전 압출기에서는 압력 형성이 더 높습니다. 스크류 설계는 일반적으로 다양한 운반 및 혼합 요소가 샤프트에 배열되어 마모 또는 부식 손상으로 인한 개별 구성 요소의 공정 변경 또는 교체를 위한 신속한 재구성을 허용한다는 점에서 모듈식입니다. 기계 크기는 최소 12mm부터 최대 380mm까지 다양합니다.

장점
압출의 가장 큰 장점은 파이프와 같은 프로파일을 원하는 길이로 만들 수 있다는 것입니다. 재료가 충분히 유연하면 릴에 감아도 긴 길이의 파이프를 만들 수 있습니다. 또 다른 장점은 고무 씰이 포함된 통합 커플러로 파이프를 압출할 수 있다는 것입니다.