압출 취입 필름 성형 공정 및 제어

다양한 유형과 사양의 플라스틱 필름을 생산하려면 적절한 압출기, 블로우 성형 다이 헤드 및 보조 장비를 선택하는 것 외에도 적절한 성형 방법 및 공정 조건을 선택해야 합니다. 그래야만 작업이 원활하게 진행되고 고품질 영화를 보장할 수 있습니다.

필름 견인 방향에 따라 블로운 필름의 생산은 평면 압출 평면 취입, 평면 압출 상향 취입, 평면 압출 하향 취입의 세 가지 유형으로 나눌 수 있으며 평면 압출 상향 취입이 가장 일반적입니다.

1. 평면 압출 평면 블로잉 방식

평면 압출 플랫 블로잉 공법의 공정 흐름은 그림 1-15에 나와 있습니다. 이 방법은 직선형 다이 헤드를 사용하며, 다이 헤드와 보조 장비 모두 비교적 간단한 구조로 되어 있어 장비 설치 및 작동이 편리합니다. 그러나 압출기는 큰 설치 공간을 차지합니다. 뜨거운 공기는 위쪽으로 흐르고 차가운 공기는 아래쪽으로 흐르기 때문에 필름 기포 상부의 냉각이 하부보다 느립니다. 플라스틱의 밀도가 높거나 기포 직경이 크면 기포가 처지는 경향이 있어 필름 두께 균일성이 떨어지고 조정이 어려워집니다. 일반적으로 이 방법은 폭이 600mm 이하인 PE 및 PVC 블로운 필름을 성형하는 데 적합합니다.

2. 평면 압출 상향 블로우 방식

평면 압출 상향 취입 공법의 공정 흐름은 그림 1-16에 나와 있습니다. 이 방법은 재료 배출 방향이 압출기 배럴의 흐름 방향에 수직인 직각 다이 헤드를 사용합니다. 압출된 튜브는 수직으로 위쪽으로 당겨지고, 팽창되고, 압축되어 견인 롤러로 공급됩니다. 이 방법의 가장 큰 장점은 전체 기포가 냉각되고 견고한 상부 세그먼트에 의해 지지되어 안정적인 필름 견인력을 보장한다는 것입니다. 다양한 두께와 폭(예: 직경이 10m를 초과하는)의 필름을 생산할 수 있습니다. 또한 압출기가 지상에 설치되어 작동 플랫폼이 필요하지 않아 작은 설치 공간으로 작동이 용이하고 상대적으로 균일한 두께로 광범위한 필름 두께가 가능합니다. 주요 단점은 기포 주변의 뜨거운 공기가 상승하는 반면 차가운 공기는 가라앉아 냉각에 불리하다는 것입니다. 다이 헤드의 90도 굽힘은 재료 흐름 저항을 증가시켜 잠재적으로 굽힘 부분에서 재료 분해를 일으킬 수 있습니다. 그리고 공장 높이는 더 커야 합니다. 또한 다이 헤드와 보조 장비의 구조가 복잡합니다.

3. 평면 압출 하향 블로우 방식

평면 압출 하향 취입 방식도 직각 다이 헤드를 사용하지만 그림 1-17과 같이 튜브가 수직으로 아래쪽으로 인발됩니다. 기포의 견인 방향은 다이 헤드의 뜨거운 공기 흐름과 반대이므로 기포 냉각이 용이합니다. 또한 워터 재킷을 사용하여 기포를 직접 냉각할 수 있어 생산 효율성과 필름 투명성이 크게 향상됩니다. 이 방법은 냉각 효과가 좋으며 필름이 중력에 의해 트랙션 롤러로 아래쪽으로 끌려가기 때문에 위쪽으로 불어내는 방법보다 편리합니다. 또한 더 빠른 생산 라인 속도와 더 높은 생산량을 가능하게 합니다. 그러나 전체 기포는 비응고형 플라스틱 부분에 의해 지지되므로 더 두꺼운 필름을 생산하거나 높은 견인력에서 특히 밀도가 높은 플라스틱의 경우 파손되기 쉽습니다. 압출기는 높은 작동 플랫폼에 설치해야 하므로 설치 비용이 증가하고 작동 불편이 증가합니다. 워터 재킷을 이용한 급속 냉각으로 인해 용융 점도가 낮고 결정성이 높은 수지(예: PP 수지)에 적합하며 투명도가 높은 포장 필름을 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

블로운 필름 제조 방법 중 가장 일반적으로 사용되는 것은 평면 압출 상향 블로우 공법이다. 다음은 그림 1-18에 표시된 대로 이 방법의 생산 작업을 설명합니다.

1.난방: Extruder와 Die Head를 히터를 사용하여 원하는 온도까지 가열하고 일정기간 유지합니다.

2. 공급 및 압출: 압출기와 다이 헤드가 단열 요구 사항을 충족하면 압출기를 시작하고 호퍼에 소량의 플라스틱(분말 또는 펠렛)을 추가합니다. 처음에는 나사가 저속으로 회전합니다. 용융된 재료가 다이 헤드를 통과하여 기포로 팽창된 후 점차적으로 스크류 속도를 높이고 호퍼를 채우고 기포 주변의 압출량이 균일한지 관찰합니다. 기포가 비뚤어지거나 두께가 고르지 않은 경우 주변 온도와 간격 폭을 조정하십시오. 방전 속도가 빠른 지역에서는 온도를 낮추고 나사를 조이십시오. 반대로 온도를 높이고 나사를 푸십시오.

3.리프팅: 다이헤드에서 나오는 용융물을 모아 들어올린 후 소량의 에어를 주입하여 접착을 방지합니다.

4.피딩 롤러: 들어 올려진 버블을 닙 롤러에 공급하면 버블이 접힌 필름으로 눌러집니다. 그런 다음 필름은 가이드 롤러를 통해 권취 장치로 안내됩니다.

5.인플레이션: 기포를 롤러에 넣은 후 공기로 부풀려 견인률과 부풀림 비율을 조정하여 필름의 접힘 폭과 두께가 요구 사항을 충족하는지 확인합니다. 기포 안의 공기는 닙 롤러로 밀봉되어 거의 빠져나오지 않고 기포 안의 압력을 일정하게 유지합니다.

6. 조정: 다이 갭, 냉각 링 위치, 공기량, 견인률을 조정하여 필름 두께 공차를 수정할 수 있습니다. 필름 폭 공차는 주로 인플레이션 크기를 제어하여 조정됩니다.

1. 성형온도

블로운 필름 공정에서는 온도 제어가 매우 중요하며 제품 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. PVC와 같은 열에 민감한 플라스틱의 경우 정밀한 온도 제어가 필수적이며 가열 온도와 시간의 적절한 조화가 중요합니다.

가공 온도는 흐름 상태에서 최적의 용융 점도를 달성하도록 설정되어 자격을 갖춘 제품을 보장합니다. 서로 다른 원료에는 서로 다른 온도가 필요합니다. 동일한 재료의 경우 필름 두께가 다르면 처리 온도도 달라야 합니다. 동일한 재료와 두께라도 압출기마다 온도가 다를 수 있습니다. 필름이 얇을수록 더 나은 용융 유동성이 필요하므로 동일한 재료의 경우 20μm 필름은 80μm 필름보다 훨씬 더 높은 가열 온도가 필요합니다.

온도 제어는 두 가지 방법으로 나눌 수 있는데, 하나는 피드부에서 다이까지 온도를 점진적으로 높이는 방법과, 다른 하나는 피드부 온도를 낮게 유지하고, 압축부 온도를 급격하게 높여(재료의 최적 가소화 온도로 제어), 계량부에서는 온도를 낮추어 용융 상태를 유지하는 방식입니다. 다이 온도는 재료를 유동성 상태로 유지해야 하며 스크류의 길이 대 직경 비율에 따라 배럴의 끝 온도와 같거나 10~20도 낮을 수 있습니다.

PVC와 같은 열에 민감한 플라스틱의 경우 배럴 온도는 다이 헤드 온도보다 낮아야 배럴 내 과열 및 분해를 방지할 수 있습니다. 과열되기 쉬운 PE 및 PP와 같은 플라스틱의 경우 다이 헤드 온도가 배럴 온도보다 낮아 버블 냉각 및 안정화에 도움이 되어 필름 품질이 향상됩니다.

온도 제어는 복잡하며 가열 온도를 최적화하려면 재료 특성과 가공 조건을 철저히 이해해야 합니다. 일반적으로 사용되는 블로운 필름의 압출 온도 제어 범위는 표 1-5에 나와 있습니다.

표 1-5 일반적으로 사용되는 블로운 필름의 압출 온도 제어 범위

배럴과 다이 헤드의 가열 온도는 성형 및 필름 특성에 큰 영향을 미칩니다. 온도가 지나치게 높으면 필름이 부서지기 쉽고 특히 세로 방향 인장 강도가 감소할 수 있습니다. 온도가 높으면 기포에 주기적인 가로 진동파가 발생할 수도 있습니다. 온도가 너무 낮으면 수지가 완전히 혼합되지 않고 가소화되지 않아 재료 흐름이 불규칙해지고 균일한 신축성, 광택 및 투명성에 영향을 줄 수 있습니다. 처리 온도가 낮으면 필름 표면에 "피쉬 아이(fish eye)"가 발생할 수도 있습니다. 즉, 결정점이 연륜 모양 패턴으로 둘러싸여 있고 결정점 주변에 얇은 필름이 있는 경우입니다. 또한, 낮은 온도는 필름의 파단 신율과 충격 강도를 감소시킵니다.

2. 부풀어 오르는 비율

팽창 비율은 필름의 접힘 폭을 결정할 뿐만 아니라 다양한 필름 특성에도 영향을 미칩니다. 따라서 팽창률 선택은 접힘 폭과 성능을 모두 고려해야 합니다. 팽창 비율은 플라스틱의 특성(예: 분자량, 결정화도, 용융 장력)에 의해서도 제한됩니다. 표 1-6에는 참고용 필름의 다양한 유형 및 응용 분야에 대한 최적의 팽창 비율 범위가 나열되어 있습니다.

표 1-6 다양한 필름에 대한 최적의 블로우업 비율 범위

팽창비가 클수록 필름의 광학적 특성이 향상됩니다. 왜냐하면 용융된 수지의 불규칙한 물질 흐름이 세로 및 가로로 확장되어 필름을 더 매끄럽게 만들 수 있기 때문입니다. 팽창률이 증가하면 충격강도, 횡인장강도, 횡인열강도도 높아지는 반면, 세로인장강도와 인열강도는 상대적으로 감소한다. 팽창 비율이 3을 초과하면 양방향 인열 강도가 안정화됩니다. 팽창 비율이 증가하면 세로 방향 연신율이 감소하는 반면, 가로 방향 연신율은 상대적으로 안정적으로 유지되어 다이의 환형 간격이 넓어질 때만 증가합니다.

3. 견인비

견인율이 증가하면(견인율이 더 커짐) 다이에서 나오는 불규칙한 재료 흐름이 냉각 및 응고되기 전에 완전히 완화될 수 없어 광학 특성이 저하됩니다. 압출율을 높여도 필름의 투명성 저하를 막을 수는 없습니다. 일정한 압출 속도에서 견인 속도를 높이면 종방향 강도와 횡방향 강도의 균형이 깨져 종방향 강도가 증가하고 횡방향 강도가 감소합니다.

팽창비와 견인비는 각각 가로 팽창과 세로 신장의 배수를 나타냅니다. 둘 다 증가하면 필름 두께는 감소하고 접힘 폭은 증가하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 팽창률과 견인비는 필름의 최종 치수와 특성을 결정하는 중요한 매개변수입니다.

4. 필름 냉각

블로운 필름 생산에서는 냉각이 매우 중요하며, 냉각 정도는 제품 품질에 큰 영향을 미칩니다. 다이에서 견인 롤러까지 기포의 이동 시간은 일반적으로 1분을 초과합니다(2.5분을 초과하지 않음). 이 짧은 시간 안에 기포는 냉각되고 굳어져야 합니다. 그렇지 않으면 견인 롤러의 압력으로 기포가 서로 달라붙어 필름 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

그림 1-19에 표시된 것처럼 분사 중 냉각 속도는 기포 모양에 영향을 미칩니다. 그림 1-19a는 냉각 속도가 느린 기포 모양을 보여줍니다. 실제 생산에서는 냉각 링이 더 낮은 위치에 있고, 공기량이 적고, 냉각 링의 공기 온도가 그다지 낮지 않을 때 이 모양이 형성됩니다. 그림 1-19b는 필름이 다이 헤드를 떠난 직후 냉각될 때의 기포 모양을 보여줍니다. 실제 생산에서는 냉각 링이 낮고 공기량이 많으며 공기 온도가 매우 낮을 때 이러한 모양이 형성됩니다. 그림 1-19c는 필름이 다이 헤드로부터 일정 거리만큼 급격하게 냉각되었을 때의 기포 형태를 보여줍니다. 실제 생산에서는 냉각 링이 더 높게 위치하고 공기량이 크고 공기 온도가 매우 낮을 때 이러한 모양이 형성됩니다.

블로운 필름 제작 시 흔히 발생하는 이상 현상과 그 원인, 해결 방법은 표 1-7에 나열되어 있습니다.

표 1-7 블로운 필름 제작 시 일반적인 이상 현상, 원인 및 해결 방법