블로운 필름 압출

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그림 1: 폴리에틸렌 ^W Wikipedia 기사 의 폴리에틸렌 사슬 모델 .

블로운 필름 압출은 특히 포장 산업에서 플라스틱 ^W 필름을 만드는 가장 일반적인 방법인 기술입니다 ^[1] . 이 공정에는 용융된 폴리머 ^W 튜브를 다이를 통해 압출하고 초기 직경의 몇 배로 팽창시켜 얇은 필름 버블을 형성하는 과정이 포함됩니다. 이 버블은 붕괴되어 레이플랫 필름으로 사용되거나 가방으로 만들어질 수 있습니다. 일반적 으로 이 공정에는 폴리에틸렌 ^W 가 사용되며, 다른 재료도 이러한 폴리머와 혼합하여 사용할 수 있습니다. ^[1] 폴리에틸렌 사슬의 다이어그램이 오른쪽 그림 1에 나와 있습니다.

고분자의 배경이론

블로운 필름 압출의 냉각 단계에서 무정형 ^W 투명 용융물은 ^W를 결정화하여 반투명, 흐릿하거나 불투명한 필름을 형성합니다. 거품에서 불투명이 시작되는 지점을 서리 선이라고 합니다.

서리선 높이는 공기 흐름, 필름 속도, 필름과 주변 환경 사이의 온도 차이 등 여러 매개변수에 의해 제어됩니다. ^[2] 인장강도, 굴곡강도, 인성, 광학적 성질 등 필름의 성질은 분자의 방향에 따라 크게 변화한다. ^[2] 횡방향 또는 후프 방향 특성이 증가할수록 기계 방향 또는 세로 방향 특성은 감소합니다. 예를 들어 모든 분자가 기계 방향으로 정렬되어 있으면 해당 방향으로 필름을 찢는 것은 쉽지만 가로 방향으로 찢기는 것은 매우 어렵습니다.

필름 부는 과정

그림 2: 사용자:J.Chiang 의 설정 도식 .

일반적으로 블로운 필름 압출은 수직으로 위쪽으로 수행되지만 수평 및 아래쪽 압출 공정이 점점 더 보편화되고 있습니다. ^{[3] [2]} 그림 2는 블로운 필름 압출을 위한 설정의 개략도를 보여줍니다. 이 절차는 다음 네 가지 주요 단계로 구성됩니다.

1. 폴리머 재료는 펠렛 형태로 시작하여 연속적으로 압축되고 용융되어 연속적인 점성 ^W 액체를 형성합니다. ^[4] 이 용융된 플라스틱은 환형 다이를 통해 강제로 압출되거나 ^W 압출됩니다 .
2. 다이 ^W 중앙의 구멍을 통해 공기가 주입되고 , 압력으로 인해 압출된 용융물이 버블로 팽창합니다. 기포에 들어가는 공기는 기포에서 나가는 공기를 대체하므로 균일하고 일정한 압력이 유지되어 필름의 균일한 두께를 보장합니다. ^[삼]
3. 기포는 다이에서 위쪽으로 지속적으로 당겨지고 냉각 링이 필름에 공기를 불어넣습니다. 내부 버블 냉각을 사용하여 필름을 내부에서 냉각할 수도 있습니다. 이는 기포 직경을 유지하면서 기포 내부의 온도를 감소시킵니다. ^[2]
4. ^{서리선에서 W가} 응고된 후 필름은 기포를 붕괴시키고 두 개의 평평한 필름 층으로 편평하게 만드는 닙 롤러 세트로 이동합니다. 풀러 롤은 필름을 와인드업 롤러 위로 끌어당깁니다. 이 과정에서 필름은 아이들러 롤을 통과하여 필름에 균일한 장력이 유지되도록 합니다. 닙 롤러와 와인드업 롤러 사이에서 필름은 용도에 따라 처리 센터를 통과할 수 있습니다. 이 단계에서 필름은 쪼개져 하나 또는 두 개의 필름을 형성하거나 표면 처리될 수 있습니다. ^[2]

장점

블로운 필름은 일반적으로 가로 방향과 기계 방향 모두로 연신되기 때문에 주조 필름이나 압출 필름보다 기계적 특성의 균형이 더 좋습니다. 박막의 기계적 성질에는 인장강도, 굴곡강도, 인성이 포함됩니다. 양방향에서 거의 균일한 특성으로 인해 필름의 인성이 극대화됩니다. ^{[1] [5]}

블로운 필름 압출을 사용하면 하나의 큰 필름, 두 개의 작은 필름 또는 가방으로 만들 수 있는 튜브를 만들 수 있습니다. 또한 하나의 다이는 상당한 트리밍 없이도 다양한 너비와 크기를 만들 수 있습니다. 프로세스의 이러한 높은 수준의 유연성으로 인해 스크랩 자재가 줄어들고 생산성이 높아집니다. 또한 블로운 필름은 주조 압출보다 낮은 용융 온도를 요구합니다. 다이 개구부에서 측정한 캐스트 필름의 온도는 약 220°C인 반면, ^[6] 블로운 필름의 온도는 약 135°C입니다. ^또한 , 장비 비용은 주조 ^W 라인의 약 50% 수준이다. ^[2]

단점

블로운 필름은 평면 필름에 비해 냉각 과정이 덜 효과적입니다. 평판 필름 냉각은 냉각 롤이나 물을 사용하여 이루어지며 ^[5] 이는 블로운 필름 냉각 공정에 사용되는 공기보다 비열 용량이 상당히 높습니다. 비열 용량 ^W가 높을수록 물질 온도의 변화가 적으면서 물질이 더 많은 열을 흡수할 수 있습니다. 캐스트 필름에 비해 블로운 필름은 필름 두께를 제어하는 ​​방법이 더 복잡하고 덜 정확합니다. 캐스트 필름의 두께 편차는 1~2%인 반면, 블로운 필름의 두께 편차는 3~4%입니다. ^[2] 주조에 사용되는 수지는 일반적으로 낮은 용융 흐름 지수를 가지고 있습니다. ^[2] 이는 표준 절차에 따라 10분 안에 표준 다이를 통과할 수 있는 폴리머의 양입니다. ^[8] 캐스트 필름의 용융 흐름 지수는 약 5.0g/10분 이며 ^[9] , 블로운 필름의 경우 약 1.0g/10분입니다. ^[10] 결과적으로, 캐스트 필름의 생산 속도는 더 높습니다. 캐스트 필름 라인은 최대 300m/min의 생산 속도에 도달할 수 있지만, 블로운 필름 라인은 일반적으로 이 값의 절반 미만입니다. ^{그리고 마지막} 으로 캐스트 필름은 투명성 ^W , 헤이즈 및 광택을포함한 더 나은 광학 특성을 갖습니다 .

일반적인 문제

• 필름 층과 롤러 사이에 공기가 갇히면 필름 긁힘이나 주름이 발생하거나 마찰 감소로 인해 필름을 감을 때 처리 문제가 발생할 수 있습니다. 이에 대한 가능한 해결책은 진공을 사용하여 갇힌 공기를 제거하거나 고무 커버에 다이아몬드 모양의 홈이 있는 감기 롤을 사용하여 표면적을 늘리고 필름에 갇힌 공기의 양을 줄이는 것입니다. ^[2]
• 다이의 출력 변동이 크면 두께 변동이 발생하며 압출기를 깨끗하게 유지하고 압출기에서 보다 일관된 모양의 펠렛을 사용하면 이를 방지할 수 있습니다. ^[12]
• 용융 균열 – 이는 필름 표면에 거칠기 또는 물결 모양 선으로 나타나며 용융 폴리머의 점도를 낮추면 제거될 수 있습니다. 이는 용융 온도를 높이거나 재료 구성에 내부 윤활제를 추가하여 수행할 수 있습니다. ^[12]
• 필름의 두께 변화 – 매 실행 전에 압출 라인에서 다이를 중심에 두거나 냉각 시스템의 공기 속도를 조정하거나 가열된 다이 립을 사용하여 이를 방지할 수 있습니다. ^[12]
• 필름 표면의 다이 라인 – 이 결함은 필름의 미적 매력을 감소시키고 광학 특성을 감소시키며 인열 강도와 같은 기계적 특성을 약화시킵니다. 이는 일반적으로 다이 내부 표면을 정기적으로 청소하고 긁혔거나 거칠어진 유동 표면을 다시 마무리함으로써 피할 수 있습니다. ^[12]
• 젤 – 이러한 결함은 필름에 캡슐화되거나 필름 표면에 붙어 있는 작고 단단한 소구체로, 필름의 미적 매력을 감소시키고 조기 고장을 초래할 수 있는 응력 집중 지점을 유발합니다. 이는 다이의 폴리머 분해 지점까지의 과열로 인해 발생하므로 정기적으로 다이의 내부 표면을 청소하면 방지할 수 있습니다. ^[12]

프로세스 최적화

공압출

블로운 필름 압출의 라인 효율성을 향상시키는 한 가지 방법은 공압출을 구현하는 것입니다. 이는 단일 다이를 통해 두 개 이상의 재료를 동시에 압출하는 프로세스입니다. 다이의 오리피스는 냉각 전에 층이 서로 합쳐지도록 배열됩니다. ^[2] 이 공정은 동시에 2개 이상의 층을 압출하기 때문에 시간을 절약하고, 다층 필름을 생산하는 데 더 적은 단계를 제공하는 방법을 제공합니다. 3층 공압출 다층 필름의 생산 속도는 약 65m/분이고, ^[13] 블로운 필름 단일층의 생산 속도는 약 130m/분이다. ^따라서 3층 다층 필름 10,000m를 생산하는 데 단층 블로운 필름 공정을 사용하면 거의 4시간이 걸리고, 공압출 공정을 사용하면 2시간 30분만 소요됩니다. 더욱이, 단일 레이어 공정으로 생산된 필름은 일종의 접착제를 사용하여 레이어를 서로 접착하는 추가 단계가 필요합니다. 공압출은 적층 필름을 생산하는 가장 저렴한 방법이며 공압출 시스템은 빠른 전환이 가능하여 생산 라인 가동 중단 시간을 최소화할 수 있습니다. ^[14]

용융 온도 최소화

블로운 필름 압출의 효율성은 폴리머 용융물의 온도를 최소화함으로써 향상될 수 있습니다. 용융 온도를 낮추면 용융물을 압출기에서 가열할 필요가 줄어듭니다. 용융 온도가 약 135°C이면 된다는 사실에도 불구하고 일반적인 압출 조건의 용융 온도는 약 190°C입니다 ^{[15] . 그러나} 용융온도를 그만큼 낮추는 것이 항상 실용적인 것은 아니다. 용융 온도를 2~20°C 낮추면 모터 부하를 약 1~10% 줄일 수 있습니다. ^또한 , 용융 온도를 낮추면 냉각 필요성이 줄어들어 냉각 시스템의 사용이 줄어듭니다. 또한, 기포에서 열을 제거하는 것은 일반적으로 이 압출 공정의 속도를 제한하는 요소이므로 제거할 폴리머의 열을 적게 함으로써 공정 속도를 높여 생산성을 높일 수 있습니다. 용융 온도를 최소한으로 유지하는 방법은 용융 재료, 압력, 처리량 등 특정 가공 조건에 맞는 압출기를 선택하는 것입니다. ^[12]

가열 압출 다이 립

일반적으로 용융 파괴에 대한 해결책은 출력을 줄이거나 용융 온도를 높여 압출기의 전단 응력을 줄이는 것입니다. 이 두 방법 모두 블로운 필름 라인의 효율성을 감소시키기 때문에 이상적이지 않습니다. 가열 압출 다이 립은 이 문제를 해결할 수 있습니다. 이 목표 가열 방법을 사용하면 필름 압출기를 더 좁은 다이 간격으로 더 높은 생산 속도로 가동하는 동시에 용융 균열을 제거할 수 있습니다. 폴리머 용융물이 다이에서 나올 때 폴리머 용융물의 표면에 직접적인 열이 가해져 점도가 감소됩니다 ^. 따라서 한 번에 너무 많은 양의 폴리머를 압출하려고 할 때 발생하는 용융 균열이 더 이상 생산 속도를 높이는 데 제한 요소로 작용하지 않습니다. ^더욱이 가열된 다이 립은 용융 온도를 높이는 것보다 에너지를 덜 사용합니다. 그 이유는 용융물의 표면만 가열되고 액체의 대부분은 가열되지 않기 때문입니다. 가열된 다이 립을 사용하는 또 다른 이점은 다이 둘레를 따라 특정 영역에 열을 추가하여 해당 위치의 필름을 더 얇게 만들어 두께 변화를 제어할 수 있다는 것입니다. 이렇게 하면 초과된 재료가 사용되지 않습니다. ^[18]

응용

그림 3: Wikipedia의 소비자 식품 포장: 플라스틱 포장 .

• 농업 영화
• 바지
• 산업 포장, 수축 필름 ^W , 스트레치 필름
• 소비자 포장, 식품 포장, 운송 포장(그림 3 참조)
• 라미네이팅 ^W 필름
• 배리어 필름
• 다층필름 ^W
• 탄소 나노튜브 ^W 및 나노와이어 ^W 필름 의 대규모 제조에 블로운 필름 압출을 통합하는 방법을 모색하기 위한 연구가 수행 ^{되었습니다 .}

참고자료