KR102182425B1 - Mixing head for in-mold coating based on two-component polyurethane with a high difference in mixing ratio - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 폴리우레탄을 사용하여 금형 안에서 표면코팅을 구현하기 위한 인몰드 코팅 공정에 사용되는 믹싱헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인몰드 코팅 공정에서 혼합비율 차이가 큰 2액형 폴리우레탄을 균일하게 혼합하기 위한 믹싱헤드에 관한 것이다.The present invention relates to a mixing head used in an in-mold coating process to implement surface coating in a mold using polyurethane, and more particularly, to uniformly prepare a two-component polyurethane having a large difference in mixing ratio in the in-mold coating process. It relates to a mixing head for mixing.
열가소성 수지의 사출성형품은 자동차, 가전, 디스플레이 등 매우 다양한 분야에 사용되고 있다. 그러나 많은 성형품에서 내구성, 내후성 등을 높이거나 도료 접착성을 향상시키기 위하여 별도의 코팅 공정이 요구된다. Thermoplastic injection molding products are used in a wide variety of fields such as automobiles, home appliances, and displays. However, in many molded products, a separate coating process is required to increase durability and weather resistance or to improve paint adhesion.
이 과정에서 휘발성 용제 사용에 의한 환경오염, 코팅 두께의 불균일, 후공정에 의한 제조비용 상승 등 다양한 문제가 발생한다. 인몰드 코팅은 열가소성 수지를 사출성형한 후 액체 상태의 경화형 코팅소재를 금형 안에 주입하고 수 MPa 의 압력을 유지하여 금형에 압착한 상태로 경화시키는 새로운 코팅 방법이다. In this process, various problems arise such as environmental pollution due to the use of volatile solvents, non-uniform coating thickness, and increase in manufacturing cost due to post-processing. In-mold coating is a new coating method in which a thermoplastic resin is injection-molded, and then a liquid curable coating material is injected into the mold, and a pressure of several MPa is maintained to cure it in a compressed state.
인몰드 코팅에서 사용되는 소재는 휘발성 유기용제를 포함하지 않으며, 공정 중 어떠한 유기화합물을 배출하지 않기 때문에 친환경적이며, 주입된 코팅소재가 두 성형품 표면에 부착되기 때문에 두꺼운 코팅에 유리하고, 균일한 두께를 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다. The material used in in-mold coating does not contain volatile organic solvents and is eco-friendly because it does not emit any organic compounds during the process, and it is advantageous for thick coating because the injected coating material adheres to the surfaces of both molded products. It has the advantage of getting
금형 표면의 전사성이 우수하여 미세한 형상을 재현할 수 있으며, 유리섬유 강화 수지를 적용할 경우 섬유가 없는 수지 성형품과 유사한 표면 상태를 구현할 수 있다. 뿐만 아니라 웰드라인, 싱크마크 등과 같은 성형 불량이 코팅 표면에 나타나지 않도록 할 수 있다. 최근 열가소성 기재 표면에 고광택, 내스크래치성 등을 구현하기 위하여 폴리우레탄을 적용한 인몰드 코팅 기술이 유럽의 선진 자동차 분야에서 적용되고 있는 상황이다. 폴리우레탄은 투명도, 광택도, 내구성, 복원력 등이 매우 우수하고, 대량생산이 가능하다는 큰 장점을 갖고 있다The transferability of the mold surface is excellent so that a fine shape can be reproduced, and when a glass fiber reinforced resin is applied, a surface condition similar to that of a resin molded article without fibers can be realized. In addition, it is possible to prevent molding defects such as weld lines and sink marks from appearing on the coating surface. In recent years, in order to realize high gloss and scratch resistance on the surface of a thermoplastic substrate, in-mold coating technology applied with polyurethane is being applied in advanced automobile fields in Europe. Polyurethane has very good transparency, gloss, durability, and resilience, and has a great advantage that mass production is possible.
폴리우레탄은 온도가 낮은 경우 점도가 매우 높기 때문에 유동성이 좋지 않고 혼합이 제대로 이루어지지 않으며, 반대로 온도가 너무 높을 경우에는 경화로 인해 성형이 힘들어진다. 따라서 주제와 경화제의 혼합, 그리고 혼합된 원료의 토출이 용이하도록 하기 위해서는 각각의 탱크와 이동 파이프라인의 온도를 일정하게 유지하는 것이 필요하며, 금형 안으로 토출이 종료된 후 믹싱헤드에 잔류하는 혼합된 원료를 완전히 제거하여야 한다.Polyurethane has a very high viscosity when the temperature is low, so it has poor fluidity and is not properly mixed. On the contrary, when the temperature is too high, molding becomes difficult due to hardening. Therefore, in order to facilitate the mixing of the main material and the hardener and the discharging of the mixed raw material, it is necessary to keep the temperature of each tank and the moving pipeline constant, and the mixed material remaining in the mixing head after discharging into the mold is completed. Raw materials must be completely removed.
도 1a 및 도 1b를 참조, 일반적인 폴리우레탄의 제조믹싱 및 주입과정을 보면, 하나의 탱크에 액상의 폴리올(polyol)이 수용되고, 또 다른 탱크에는 액상의 이소시아네이트(isocynate)가 수용된 상태에서 상기 폴리올(polyol) 저장탱크와 이소시아네이트(isocynate) 저장탱크와 연결된 공급펌프(Feed Pump)를 작동시키면 폴리올(polyol) 원액과 이소시아네이트(isocynate) 원액이 각각의 공급관을 통하여 믹싱헤드(Mixing head)로 이송된다.Referring to Figures 1a and 1b, looking at the manufacturing mixing and injection process of a general polyurethane, a liquid polyol is accommodated in one tank, and a liquid isocyanate is accommodated in another tank. When the feed pump connected to the (polyol) storage tank and the isocyanate storage tank is operated, the polyol stock solution and the isocyanate solution are transferred to the mixing head through each supply pipe.
일반적으로 믹싱헤드는 L자형 구조이며, 기존 믹싱헤드는 2개의 노즐로 구성되어 있다. 믹싱헤드로 이송된 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate) 원액은 믹싱헤드의 내부에서 서로 충돌하면서 난류유동이 발생하고, 운동에너지에 의하여 서로 혼합되고 정해진 형상을 갖는 금형 내부로 주입되어 1차 사출성형 기재의 표면을 금형 안에서 코팅하게 된다. In general, the mixing head has an L-shaped structure, and the existing mixing head consists of two nozzles. The polyol and isocyanate solution transferred to the mixing head collide with each other in the mixing head to generate turbulent flow, are mixed with each other by kinetic energy, and injected into the mold having a predetermined shape for primary injection molding. The surface of the substrate is coated in the mold.
적용제품이 요구하는 표면특성에 따라 사용하는 원료의 점도가 다양하며, 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)의 혼합비율이 크게 다르다. 특히 하드코팅의 경우와 같이 높은 경도가 필요할수록 폴리올(polyol)에 비하여 이소시아네이트(isocynate)의 혼합비율이 매우 크다. 이때 노즐이 2개인 믹싱헤드는 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)의 균일한 혼합이 어렵고, 또한 혼합을 위하여 높은 노즐압력을 발생시켜야 하는 문제가 있다. The viscosity of the raw material used varies according to the surface characteristics required by the applied product, and the mixing ratio of polyol and isocyanate is greatly different. In particular, as in the case of hard coating, the higher the hardness is required, the higher the mixing ratio of isocyanate is compared to polyol. At this time, the mixing head having two nozzles has a problem in that it is difficult to uniformly mix polyol and isocyanate, and a high nozzle pressure must be generated for mixing.
상술한 바와 같이 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)의 균일한 혼합을 구현하기 위한 선행기술로는 하기의 특허문헌 (1)에 기재된 “혼합성능이 개선된 믹싱헤드 및 그 토출장치”를 들 수 있다. 상기 특허문헌 (1)의 발명은 관통 유동로의 중심축선이 토출 유동로의 중심축선과 일치될 수 있는 상태로 설치되고, 구동기를 제어하는 제어기가 설치되며, 제어기는 클리닝피스톤이 전진동작하기 전에 회전체를 회전시켜 관통 유동로의 중심축선을 토출 유동로의 중심축선과 일치시키는 방식이다. 믹싱헤드 안에 별도의 회전체와 이를 구동시키기 위한 구동기 및 제어기가 별도로 설치되어야 하며, 추가적인 회전공간이 소요되는 단점이 있다. As described above, as a prior art for achieving uniform mixing of polyol and isocyanate, the “mixing head with improved mixing ability and its discharging device” described in Patent Document (1) below may be mentioned. have. The invention of the patent document (1) is installed in a state in which the central axis of the through flow path can coincide with the central axis of the discharge flow path, and a controller to control the actuator is installed, and the controller is installed before the cleaning piston moves forward. By rotating the rotating body, the central axis of the through flow path is matched with the center axis of the discharge flow path. In the mixing head, a separate rotating body, a driver and a controller for driving it must be separately installed, and there is a disadvantage that an additional rotating space is required.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 높은 경도가 요구되는 하드코팅의 경우와 같이 폴리올(polyol)에 비하여 이소시아네이트(isocynate)의 혼합비율이 매우 클 때 낮은 노즐압력으로 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)를 균일하게 혼합할 수 있는 믹싱헤드 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. Therefore, the present invention was conceived to solve the conventional problems as described above, and according to an embodiment of the present invention, the mixing ratio of isocyanate compared to polyol, as in the case of hard coating requiring high hardness It is an object of the present invention to provide a mixing head structure capable of uniformly mixing polyol and isocyanate at low nozzle pressure when this is very large.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. It will be understandable.
본 발명의 목적은, 인몰드 코팅 공정에서 혼합비율 차이가 큰 2액형 폴리우레탄을 균일하게 혼합하기 위한 믹싱헤드로서, 클리닝 실린더; 상기 클리닝 실린더 내에서 구동되는 피스톤 머리부와, 상기 피스톤 머리부와 연결되며 혼합홀 내에서 구동되는 피스톤 핀을 갖는 클리닝 피스톤; 중앙에 상기 혼합홀이 형성되며, 외측으로 방사형으로 3개의 원료분배기를 갖는 믹싱블록; 및 상기 원료분배기 각각에 구비되며 끝단이 상기 혼합홀에 연결되어 상기 혼합홀 측으로 주제 또는 경화제를 분사시키는 유입노즐;을 포함하여, 상기 주제와 상기 경화제의 혼합비율 차가 클 때, 3개의 노즐을 구비하여 낮은 노즐압력으로 주제와 경화제를 균일하게 혼합하는 것을 특징으로 하는 혼합비 차이가 큰 2액형 폴리우레탄 적용 인몰드 코팅을 위한 믹싱헤드로서 달성될 수 있다. An object of the present invention is a mixing head for uniformly mixing a two-component polyurethane having a large difference in mixing ratio in an in-mold coating process, comprising: a cleaning cylinder; A cleaning piston having a piston head driven in the cleaning cylinder and a piston pin connected to the piston head and driven in a mixing hole; A mixing block having the mixing hole formed in the center and having three raw material distributors radially outward; And an inlet nozzle provided in each of the raw material distributors and having an end connected to the mixing hole to inject a main material or a curing agent toward the mixing hole; including, when the mixing ratio difference between the main material and the curing agent is large, three nozzles are provided. Thus, it can be achieved as a mixing head for in-mold coating applied with a two-component polyurethane having a large difference in mixing ratio, characterized by uniformly mixing the main material and the curing agent at a low nozzle pressure.
그리고 상기 주제는 폴리올이고, 상기 경화제는 이소시아네이트이며, 상기 클리닝 실린더와 상기 클리닝 피스톤 사이에 설치되어 액체의 누설을 방지하기 위한 실 플레이트;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the subject is polyol, the curing agent is isocyanate, the seal plate is installed between the cleaning cylinder and the cleaning piston to prevent leakage of liquid; may further include a.
또한, 피스톤 핀 외면 일측에 길이방향으로 순환채널이 형성되며, 상기 원료분배기 각각에 토출홀이 형성되어, 원료를 토출하지 않을 경우에는 유입노즐을 통해 유입된 원료는 순환채널을 거쳐 상기 토출홀을 통해 순환되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, a circulation channel is formed in the longitudinal direction on one side of the outer surface of the piston pin, and discharge holes are formed in each of the raw material distributors. When the raw material is not discharged, the raw material introduced through the inlet nozzle passes through the circulation channel and passes through the discharge hole. It may be characterized by being circulated through.
그리고 폴리올과 이소시아네이트의 비율이 100:200인 경우, 입력부를 통해 공급된 폴리올은 1개의 특정 유입노즐을 통해 혼합홀로 분사되고, 이소시아네이트는 상기 특정 유입노즐 외의 2개의 유입노즐을 통해 상기 혼합홀로 분사되도록 하여, 3개의 유입노즐에서 분사된 각각의 원료가 혼합홀의 중앙 부위에서 서로 충돌하며 혼합되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다. And when the ratio of polyol and isocyanate is 100:200, the polyol supplied through the input unit is injected into the mixing hole through one specific inlet nozzle, and the isocyanate is injected into the mixing hole through two inlet nozzles other than the specific inlet nozzle. Thus, it may be characterized in that the raw materials injected from the three inlet nozzles collide with each other at the center of the mixing hole and are mixed.
본 발명의 실시예에 따른 3개의 노즐을 갖는 믹싱헤드에 따르면, 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)의 혼합비 차이가 클 때 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)를 균일하게 혼합시킬 수 있다는 이점을 갖는다.According to the mixing head having three nozzles according to the embodiment of the present invention, the advantage of being able to uniformly mix polyol and isocyanate when the mixing ratio difference between polyol and isocyanate is large. Have.
또한 본 발명의 실시예에 따른 3개의 노즐을 갖는 믹싱헤드에 따르면, 100bar이하의 낮은 노즐압력으로 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)를 균일하게 혼합시킬 수 있기 때문에, 저장탱크에서 믹싱헤드까지 코팅소재를 공급하기 위한 장치를 저압용으로 구축할 수 있어 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다. In addition, according to the mixing head having three nozzles according to the embodiment of the present invention, since polyol and isocyanate can be uniformly mixed at a low nozzle pressure of 100 bar or less, coating from the storage tank to the mixing head There is an advantage of reducing cost because a device for supplying materials can be built for low pressure.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description. I will be able to.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1a는 2액형 폴리우레탄 공급 시스템을 나타낸 도면,
도 1b는 도 1a에 도시된 믹싱헤드의 동작단계를 나타낸 도면,
도 2는 2개의 노즐을 갖는 경우(a)와 3개의 노즐을 갖는 경우(b)의 믹싱헤드 모델,
도 3은 믹싱헤드의 주요 설계변수를 나타낸 도면,
도 4는 노즐직경 변화에 따른 노즐압력과 출구에서 폴리올의 혼합비율 그래프,
도 5는 노즐직경이 각각 0.17mm, 0.21mm인 2개의 노즐을 갖는 경우에 대한 출구에서 폴리올의 혼합비율 분포(a)와 노즐직경이 모두 0.17mm인 3개의 노즐을 갖는 경우에 대한 출구에서 폴리올의 혼합비율 분포(b)를 나타낸 도면,
도 6은 2개의 노즐을 갖는 경우 출구에서 폴리올과 이소시아네이트의 속도벡터(a)와 3개의 노즐을 갖는 경우 출구에서 폴리올과 이소시아네이트의 속도벡터(b)를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3개의 노즐을 갖는 믹싱헤드의 길이방향 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3개의 노즐을 갖는 믹싱헤드의 사시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 믹싱헤드에서 3개의 노즐이 장착된 영역(길이 직각방향)의 단면도를 도시한 것이다. The following drawings attached to the present specification illustrate a preferred embodiment of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the present invention, so the present invention is limited to the matters described in such drawings. It is limited and should not be interpreted.
1A is a view showing a two-component polyurethane supply system,
1B is a view showing an operation step of the mixing head shown in FIG. 1A;
Figure 2 is a mixing head model in the case of having two nozzles (a) and three nozzles (b),
3 is a view showing the main design parameters of the mixing head,
4 is a graph of the mixing ratio of the polyol at the nozzle pressure and the outlet according to the nozzle diameter change,
5 is a polyol mixing ratio distribution (a) at the outlet for two nozzles each having a nozzle diameter of 0.17 mm and 0.21 mm, and a polyol at the outlet for three nozzles having both nozzle diameters of 0.17 mm. A diagram showing the mixing ratio distribution (b) of,
6 is a view showing the velocity vector (a) of polyol and isocyanate at the outlet when having two nozzles and the velocity vector (b) of polyol and isocyanate at the outlet when having three nozzles;
7 is a longitudinal cross-sectional view of a mixing head having three nozzles according to an embodiment of the present invention;
8 is a perspective view of a mixing head having three nozzles according to an embodiment of the present invention,
9 is a cross-sectional view illustrating an area (length perpendicular direction) in which three nozzles are mounted in a mixing head according to an embodiment of the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In the present specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on the other component or that a third component may be interposed between them. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the exemplary diagram may be modified by manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include a change in form generated according to the manufacturing process. For example, an area shown at a right angle may be rounded or may have a shape having a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a device region and are not intended to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first and second are used to describe various elements, but these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used in the specification, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, a number of specific contents have been prepared to explain the invention in more detail and to aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific contents. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not largely related to the invention are not described in order to prevent confusion without any reason in describing the invention.
도 1a에 도시된 바와 같이 일반적인 폴리우레탄의 제조믹싱 및 주입과정을 보면, 하나의 탱크에 액상의 폴리올(polyol)이 수용되고, 또 다른 탱크에는 액상의 이소시아네이트(isocynate) 가 수용된 상태에서 상기 폴리올(polyol) 저장탱크와 이소시아네이트(isocynate) 저장탱크가 연결된 공급펌프(Feed Pump)를 작동시키면 폴리올(polyol) 원액과 이소시아네이트(isocynate) 원액이 각각의 공급관을 통하여 믹싱헤드(Dynamic mixing head)로 이송된다.As shown in FIG. 1A, in a general polyurethane manufacturing and mixing process, a liquid polyol is accommodated in one tank, and a liquid isocyanate is accommodated in another tank, and the polyol ( When the feed pump connected between the polyol) storage tank and the isocyanate storage tank is operated, the polyol stock solution and the isocyanate solution are transferred to the dynamic mixing head through each supply pipe.
도 1b는 L자형 믹싱헤드의 동작상태를 나타낸다. 코팅제 토출이 이루어지는 않을 경우에는 (a)와 같이 클리닝 피스톤과 믹싱챔버 피스톤이 모두 전진상태에 있게 된다. 주제인 폴리올과 경화제인 이소시아네이트가 각각 원액 저장 탱크에서 피드펌프 및 고압펌프를 지나 파이프 라인을 통해 믹싱헤드의 노즐을 통과해 다시 탱크로 순환을 한다. 1B shows the operating state of the L-shaped mixing head. When the coating agent is not discharged, both the cleaning piston and the mixing chamber piston are in the advanced state as shown in (a). Polyol as the main material and isocyanate as the hardener are circulated back to the tank through the feed pump and the high pressure pump from the stock solution storage tank, passing through the nozzle of the mixing head through the pipeline.
특히, 각 원료가 믹싱 챔버 피스톤의 플런저 안에 있는 재순환 홈을 통과하도록 하여 180bar 정도의 높은 압력을 형성할 수 있도록 하였다. 코팅제 토출 신호를 받으면 도 1b의 (b)와 같이 클리닝 피스톤이 후진하고, 이어서 그림 (c)와 같이 믹싱 챔버 피스톤이 후진하면서 각각의 노즐이 개방상태로 되고 주제와 경화제가 노즐을 통해 믹싱 챔버안으로 분사되며 서로 충돌하게 된다. 이때 충돌에너지에 의하여 서로 혼합된 원료가 토출부(Outlet)를 통해 금형 안으로 주입된다. 이후 믹싱 챔버 피스톤이 전진하면서 주제와 경화제의 노즐을 밀폐시켜 더 이상 원료가 토출되지 않도록 하고, 이어서 클리닝 피스톤이 전진하면서 토출부안에서 잔류하고 있는 원료를 밀어낸다. In particular, each raw material passes through the recirculation groove in the plunger of the mixing chamber piston, so that a high pressure of about 180 bar can be formed. When receiving the coating agent discharge signal, the cleaning piston moves backward as shown in (b) of Fig. 1b, and then the mixing chamber piston moves backward as shown in Fig. (c), and each nozzle is opened, and the main material and hardener enter the mixing chamber through the nozzle. They are sprayed and collide with each other. At this time, the raw materials mixed with each other by the collision energy are injected into the mold through the outlet. Thereafter, the mixing chamber piston moves forward and seals the nozzles of the main material and the hardener so that the raw material is not discharged anymore, and the cleaning piston moves forward and pushes out the raw material remaining in the discharge part.
본 발명의 실시예에서는 노즐 수가 3개인 믹싱헤드를 적용하고, 유동해석을 적용하여 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)의 믹싱특성을 분석하였다. In the embodiment of the present invention, a mixing head having 3 nozzles was applied, and flow analysis was applied to analyze the mixing characteristics of polyol and isocyanate.
유동해석을 위하여 ANSYS-CFX를 사용하였으며, k-ε 난류모델을 적용하였다. ANSYS-CFX was used for flow analysis, and the k-ε turbulence model was applied.
도 2는 노즐 수가 2개인 경우(a)와 3개인 경우(b)에 대한 해석 모델을 각각 나타낸 것이다. 해석에 적용된 주제와 경화제의 점도는 230 mPa·s로 동일하며, 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocynate)의 혼합비율은 하드코팅에서 요구되는 100:200으로 설정하였다. FIG. 2 shows analysis models for the case where the number of nozzles is two (a) and three cases (b), respectively. The viscosity of the subject and curing agent applied to the analysis was the same as 230 mPa·s, and the mixing ratio of polyol and isocyanate was set to 100:200 required for hard coating.
도 3은 믹싱헤드의 주요 설계변수를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 믹싱챔버의 직경(DM)과 클리닝실린더의 직경(DC)은 각각 3.5mm와 5mm이며, 믹싱챔버의 길이(LM)와 클리닝실린더의 길이(LC)는 각각 8.5mm와 11mm로 설계하고, 해석모델을 구성하였다.3 shows the main design parameters of the mixing head. As shown in FIG. 3, the diameter of the mixing chamber (DM) and the diameter of the cleaning cylinder (DC) are 3.5 mm and 5 mm, respectively, and the length of the mixing chamber (LM) and the length of the cleaning cylinder (LC) are 8.5 mm, respectively. And 11mm, and an analysis model was constructed.
도 4는 노즐 직경변화에 따른 노즐압력과 출구에서의 혼합비율을 예측한 결과이다. 노즐이 2개 또는 3개인 경우 모두 노즐 직경이 증가할수록 노즐압력은 거의 선형적으로 감소하고 있으며, 노즐 직경이 0.15mm이상일 때 노즐압력은 170bar이하로 낮아짐을 알 수 있다. 4 is a result of predicting the nozzle pressure and the mixing ratio at the outlet according to the nozzle diameter change. In the case of two or three nozzles, as the nozzle diameter increases, the nozzle pressure decreases almost linearly, and it can be seen that when the nozzle diameter is 0.15mm or more, the nozzle pressure decreases to 170bar or less.
한편 출구단면에서 폴리올이 차지하는 체적비는 노즐 개수에 따라 크게 차이가 있음을 알 수 있다. 노즐이 2개인 경우에는 노즐 직경이 증가함에 따라 폴리올의 체적비는 0.5보다 더욱 커지고 있으며, 이는 혼합이 불균일해지고 있음을 나타낸다. 그러나 노즐이 3개인 경우에는 노즐 직경에 따라 폴리올 체적비가 거의 0.5를 유지하고 있음을 볼 수 있다. On the other hand, it can be seen that the volume ratio occupied by the polyol at the exit cross-section varies greatly depending on the number of nozzles. In the case of two nozzles, as the nozzle diameter increases, the volume ratio of the polyol is larger than 0.5, indicating that the mixing is becoming non-uniform. However, in the case of three nozzles, it can be seen that the polyol volume ratio is maintained at almost 0.5 depending on the nozzle diameter.
도 5는 노즐직경이 각각 0.17mm, 0.21mm인 2개의 노즐을 갖는 경우에 대한 출구에서 폴리올의 혼합비율 분포(a)와 노즐직경이 모두 0.17mm인 3개의 노즐을 갖는 경우에 대한 출구에서 폴리올의 혼합비율 분포(b)를 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 노즐이 3개인 경우에는 직경이 0.17mm이고 노즐압력이 100bar 이하인 낮은 압력에서도 균일한 혼합을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 5 is a polyol mixing ratio distribution (a) at the outlet for two nozzles each having a nozzle diameter of 0.17 mm and 0.21 mm, and a polyol at the outlet for three nozzles having both nozzle diameters of 0.17 mm. The mixing ratio distribution (b) of is shown. As shown in FIG. 5, when there are three nozzles, it can be seen that uniform mixing can be implemented even at a low pressure of 0.17 mm in diameter and 100 bar or less of nozzle pressure.
도 6은 2개의 노즐을 갖는 경우 출구에서 폴리올과 이소시아네이트의 속도벡터(a)와 3개의 노즐을 갖는 경우 출구에서 폴리올과 이소시아네이트의 속도벡터(b)를 나타낸 것이다. 도 6에서 보여진 바와 같이 노즐이 2개인 경우에는 주제와 경화제의 충돌위치가 편심되어 노즐압력이 낮을 때 혼합이 불균일하게 된다. 반면에 노즐이 3개인 경우에는 주제와 경화제가 중앙에서 충돌하므로 낮은 노즐압력에서도 균일한 혼합을 이룰 수 있음을 알 수 있다. FIG. 6 shows the velocity vectors (a) of polyol and isocyanate at the outlet when having two nozzles and the velocity vectors (b) of polyol and isocyanate at the outlet when having three nozzles. As shown in FIG. 6, when there are two nozzles, the collision position between the main material and the hardener is eccentric, and the mixing becomes uneven when the nozzle pressure is low. On the other hand, in the case of three nozzles, it can be seen that uniform mixing can be achieved even at low nozzle pressure because the main material and the hardener collide in the center.
정리하면 노즐이 2개인 경우에는 노즐 직경이 증가함에 따라 혼합이 불균일해졌으나, 노즐이 3개인 경우에는 노즐직경이 크고, 노즐압력이 100bar이하로 낮은 상태에서도 균일한 혼합을 구현할 수 있다.In summary, in the case of two nozzles, the mixing becomes uneven as the nozzle diameter increases, but in the case of three nozzles, the nozzle diameter is large, and even when the nozzle pressure is less than 100 bar, uniform mixing can be implemented.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 혼합비 차이가 큰 2액형 폴리우레탄 적용 인몰드 코팅을 위한 믹싱헤드의 구성에 대해 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3개의 노즐을 갖는 믹싱헤드의 길이방향 단면도를 도시한 것이다. Hereinafter, a configuration of a mixing head for in-mold coating applied with a two-component polyurethane having a large difference in mixing ratio according to an embodiment of the present invention will be described. 7 is a longitudinal cross-sectional view of a mixing head having three nozzles according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 믹싱헤드는 믹싱블록(1), 클리닝 실린더(3), 클리닝 피스톤(4)로 구성되며, 클리닝 실린더(3)와 상기 클리닝 피스톤(4) 사이에 실 플레이트(2)를 설치하여 액체의 누설을 방지하도록 구성됨을 알 수 있다. 또한, 더미센서(5)와, 가이드핀(6)을 포함하여 구성될 수 있다. 7, the mixing head according to the embodiment of the present invention is composed of a mixing block (1), a cleaning cylinder (3), a cleaning piston (4), a cleaning cylinder (3) and the cleaning piston (4) ), it can be seen that it is configured to prevent leakage of liquid by installing the
클리닝 피스톤(4) 위치에 노즐(7)을 설치하고, 원료를 토출하지 않을 경우에는 그루브 형상의 순환채널(9)을 통해 원료가 계속적으로 순환한다. 노즐(7)은 원료분배기(8)안에 설치된다. When the
본 발명의 실시예에 따른 혼합비 차이가 큰 2액형 폴리우레탄 적용 인몰드 코팅을 위한 믹싱헤드는 클리닝 실린더(3), 클리닝 실린더(3) 내에서 구동되는 피스톤 머리부와, 피스톤 머리부와 연결되며 혼합홀 내에서 구동되는 피스톤 핀을 갖는 클리닝 피스톤(4)과, 중앙에 혼합홀이 형성되며, 외측으로 방사형으로 3개의 원료분배기(8)를 갖는 믹싱블록(1), 그리고 원료분배기(8) 각각에 구비되며 끝단이 혼합홀에 연결되어 혼합홀 측으로 주제 또는 경화제를 분사시키는 유입노즐(7);을 포함하여, 주제와 상기 경화제의 혼합비율 차가 클 때, 3개의 노즐을 구비하여 낮은 노즐압력으로 주제와 경화제를 균일하게 혼합하는 것을 특징으로 한다. The mixing head for in-mold coating applied with a two-component polyurethane having a large difference in mixing ratio according to an embodiment of the present invention is connected to a
본 발명의 실시예에 따른 주제는 폴리올이고, 경화제는 이소시아네이트로 구성될 수 있다. The subject according to an embodiment of the present invention is a polyol, and the curing agent may be composed of isocyanate.
또한, 클리닝 실린더(3)와 클리닝 피스톤(4) 사이에 설치되어 액체의 누설을 방지하기 위한 실 플레이트(2)를 포함하여 구성될 수 있다. Further, it may be configured to include a
그리고 피스톤 핀 외면 일측에 길이방향으로 순환채널(9)이 형성되며, 원료분배기 각각에 토출홀이 형성되어, 원료를 토출하지 않을 경우에는 유입노즐(7)을 통해 유입된 원료는 순환채널(9)을 거쳐 토출홀을 통해 순환되도록 구성된다. In addition, a
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3개의 노즐을 갖는 믹싱헤드의 사시도를 도시한 것이다. 3개의 노즐(7)을 갖는 믹싱헤드는 믹싱블록(1), 클리닝 실린더(3), 클리닝 피스톤(4), 원료분배기(8)등과 함께 조립됨을 알 수 있다. 8 is a perspective view of a mixing head having three nozzles according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the mixing head having three
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 믹싱헤드에서 3개의 노즐이 장착된 영역의 단면도를 도시한 것이다. 폴리올과 이소시아네이트의 비율이 100:200인 경우, 입력부(10)를 통해 공급된 폴리올은 1개의 노즐(7)을 통해 분사되고, 이소시아네이트는 2개의 노즐(7)을 통해 분사된다. 결국 3개의 노즐에서 분사된 각각의 원료가 중앙 부위에서 서로 충돌하며 혼합된다. 9 is a cross-sectional view of a region in which three nozzles are mounted in a mixing head according to an embodiment of the present invention. When the ratio of polyol and isocyanate is 100:200, the polyol supplied through the
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the above-described apparatus and method are not limitedly applicable to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each of the embodiments may be selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. It can also be configured.
1: 믹싱블록
2: 실 플레이트
3: 클리닝 실린더
4: 클리닝 피스톤
5: 더미센서
6: 가이드 핀
7: 노즐
8: 원료분배기
9: 순환채널
10: 입력부 1: mixing block
2: thread plate
3: cleaning cylinder
4: cleaning piston
5: dummy sensor
6: guide pin
7: nozzle
8: raw material distributor
9: circulation channel
10: input
Claims (4)
클리닝 실린더;
상기 클리닝 실린더 내에서 구동되는 피스톤 머리부와, 상기 피스톤 머리부와 연결되며 혼합홀 내에서 구동되는 피스톤 핀을 갖는 클리닝 피스톤;
중앙에 상기 혼합홀이 형성되며, 외측으로 방사형으로 3개의 원료분배기를 갖는 믹싱블록; 및
상기 원료분배기 각각에 구비되며 끝단이 상기 혼합홀에 연결되어 상기 혼합홀 측으로 주제 또는 경화제를 분사시키는 유입노즐;
상기 클리닝 실린더와 상기 클리닝 피스톤 사이에 설치되어 액체의 누설을 방지하기 위한 실 플레이트;를 포함하여,
상기 주제와 상기 경화제의 혼합비율 차가 클 때, 3개의 노즐을 구비하여 낮은 노즐압력으로 주제와 경화제를 균일하게 혼합하고, 상기 주제는 폴리올이고, 상기 경화제는 이소시아네이트이며,
상기 피스톤 핀 외면 일측에 길이방향으로 순환채널이 형성되며, 상기 원료분배기 각각에 토출홀이 형성되어, 원료를 토출하지 않을 경우에는 유입노즐을 통해 유입된 원료는 순환채널을 거쳐 상기 토출홀을 통해 순환되며,
폴리올과 이소시아네이트의 비율이 100:200인 경우, 입력부를 통해 공급된 폴리올은 1개의 특정 유입노즐을 통해 혼합홀로 분사되고, 이소시아네이트는 상기 특정 유입노즐 외의 2개의 유입노즐을 통해 상기 혼합홀로 분사되도록 하여, 3개의 유입노즐에서 분사된 각각의 원료가 혼합홀의 중앙 부위에서 서로 충돌하며 혼합되도록 하는 것을 특징으로 하는 혼합비 차이가 큰 2액형 폴리우레탄 적용 인몰드 코팅을 위한 믹싱헤드.
As a mixing head for uniformly mixing two-component polyurethane with a large difference in mixing ratio in the in-mold coating process,
Cleaning cylinder;
A cleaning piston having a piston head driven in the cleaning cylinder and a piston pin connected to the piston head and driven in a mixing hole;
A mixing block having the mixing hole formed in the center and having three raw material distributors radially outward; And
An inlet nozzle provided in each of the raw material distributors and having an end connected to the mixing hole to inject a main material or a curing agent toward the mixing hole;
Including; a seal plate installed between the cleaning cylinder and the cleaning piston to prevent leakage of liquid
When the difference in the mixing ratio between the main material and the curing agent is large, three nozzles are provided to uniformly mix the main material and the curing agent at low nozzle pressure, the main material is polyol, and the curing agent is isocyanate,
A circulation channel is formed in the longitudinal direction on one side of the outer surface of the piston pin, and a discharge hole is formed in each of the raw material distributors. When raw material is not discharged, the raw material introduced through the inlet nozzle passes through the circulation channel through the discharge hole. Cycle,
When the ratio of polyol and isocyanate is 100:200, the polyol supplied through the input unit is injected into the mixing hole through one specific inlet nozzle, and the isocyanate is injected into the mixing hole through two inlet nozzles other than the specific inlet nozzle. , Mixing head for in-mold coating applied with two-component polyurethane having a large difference in mixing ratio, characterized in that each raw material sprayed from the three inlet nozzles collides with each other at the center of the mixing hole.
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- 2019-05-22 KR KR1020190059959A patent/KR102182425B1/en active IP Right Grant
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