KR100603812B1 - 파이프 - Google Patents

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Abstract

다양한 형태의 관의 외면에 연속 섬유를 열가소성 수지에 함침된 연속 섬유 열가소성 수지 프리프레그를 열 융착시켜 접착하여 제조한 강성 또는 수직 강도 및 내구성이 우수한 연속 섬유 열가소성 수지 파이프가 개시되어 있다. 연속 섬유 열가소성 수지 파이프는 나선형 관 형상 프로파일을 포함한다. 접착 수지층은 나선형 관 형상 프로파일을 도포 및 접착한다. 열가소성 수지로 함침된 연속 섬유층은 접합 수지층의 표면 및 나선형 관 형상 프로파일의 표면 중 적어도 하나에 와인딩 및 접착된다.
파이프, 프로파일

Description

파이프{PIPE}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파이프를 길이 방향을 따라 일부 절단하였을 때 나타나는 한 단면 구조 및 전체 형상을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 파이프의 접합 구조를 나타낸 부분 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 요철형 내벽을 갖는 프로파일을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 내부가 충전재로 채워진 프로파일을 나타낸 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 도 1 내지 도 4에 도시된 연속 섬유층으로 사용되는 열가소성 수지에 함침된 연속 섬유 프리프레그 테이프에 대한 상세 사진들이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 성형된 파이프의 사진이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파이프를 길이 방향을 따라 일부 절단하였을 때 나타나는 한 단면 구조 및 전체 형상을 보여주는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 파이프의 접합 구조를 나타낸 부분 확대 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
102: 프로파일 104: 접착층
106: 연속 섬유층 108: 열가소성 수지층
202: 공간부 204: 보강대
302: 프로파일 304: 요철형 내벽
402: 프로파일 404: 충전재
902: 프로파일 904: 접합 수지층
906: 연속 섬유층
본 발명은 파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 형태의 관의 외면에 연속 섬유를 열가소성 수지에 함침시켜서 제조된 연속 섬유 열가소성 수지 프리프레그를 얇게 열융착시켜 접착하여 제조한 연속 섬유 열가소성 수지 파이프에 관한 것이다.
종래 하수관이나 배수관으로 사용되는 합성 수지관은 대한민국 특허 등록 번호 제 0136249 호로 제안된 "합성 수지 이중벽 평활관의 제조 방법 및 제조 장치"에서 개시된 바와 같이, 회전하는 다수의 회전 롤러에 원자재를 공급하면서 권취하도록 하며, 원자재 사이의 내, 외측면에 접착 원료를 공급하면서 상기 롤러를 접착시키고 냉각수 분사 노즐을 통해 냉각수를 분사시키는 것에 의해 겔 상태의 원자재 접착 원료를 냉각시켜 관을 형성하는 것으로, 관의 내, 외부에 요철이 없는 I 자형 접착 구조를 이루는 것이다. 하지만, 대한민국 특허 등록 번호 제 0136249 호에 개시된 평활관은 외부에서 가해지는 압력, 하중, 및 충격에 그 접착 부위가 매우 취 약하여 쉽게 판단 및 분리될 수 있는 문제점이 있다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 특허 공개번호 제 2000-71714 호에는 접착 수지층을 일체형의 H 빔 형태로 성형함으로써 외압, 충격, 및 하중에 견고하여 쉽게 파손되지 않고, 강성 계수가 현저히 향상되며, 파이프의 파손으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있고, 제품 수명이 연장되어 경제적이며, 기존의 제품에 비해 외관이 미려한 제품들을 얻을 수 있도록 된 스파이럴 파이프 접착 방법이 개시되어 있다. 또한 대한민국 특허 등록 번호 제 10-0352997 호에는 폐 플라스틱과 농업 부산물 및 임업 부산물 또는 플라이 애쉬와 같은 충전재를 용융 혼련하여 사각 형태의 프로파일을 성형함으로써 산업 페기물을 귀중한 자원으로 재활용할 수 있고, 프로파일을 수지 및 접착 수지로 완전히 감싸서 프로파일 사이의 수지 접착면이 H 빔 형태가 되도록 함으로써 외압, 충격, 및 하중에 견고한 스파이럴 파이프 및 그 성형 장치가 개시되어 있다. 대한민국 특허 공개번호 제 2000-71714 호 및 대한민국 특허 등록 번호 제 10-0352997 호는 상기와 다른 구조를 가지는 하수관, 즉, 코어부가 폐플라스틱, 플라이 애쉬 등과 같은 충전재로 형성된 복수의 관 형상 프로파일들이 H빔 형태의 접합수지에 의하여 서로 접합되어 형성되는 하수관을 개시하고 있다. 이러한 하수관은 폐 자재를 재 사용하는 것과 강성을 높이는 것에 목적을 두고 있어 강성은 높지만, 제조 공정상에서 사용되는 장치의 개수가 증가하고 제조 공정이 복잡하며, 재료의 사용량이 지나치게 많고 필요 이상으로 관의 두께가 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래의 결점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 다양한 형태의 관의 외면에 연속 섬유를 열가소성 수지에 함침된 연속 섬유 열가소성 수지 프리프레그를 열 융착시켜 접착하여 제조한 강성 또는 수직 강도 및 내구성이 우수한 연속 섬유 열가소성 수지 파이프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 열가소성 수지와 열가소성 재생 수지중 어느 하나로 만들어지는 나선형 관 형상 프로파일; 상기 나선형 관 형상 프로파일들 사이에서 상기 나선형 관 형상 프로파일을 도포 및 접착하며, 상기 나선형 관 형상 프로파일과 동일한 재료로 만들어진 접착 수지층; 및 상기 나선형 관 형상 프로파일 및 상기 접착 수지층 중 하나 이상의 표면에 와인딩 및 접착되고, 관두께의 2 내지 5%의 범위의 두께를 가지는 열가소성 수지로 함침된 연속 섬유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프를 제공한다.
상기 연속 섬유층이 유리 섬유, 아라미드섬유, 및 폴리에스터 섬유 중 적어도 하나에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상기 파이프는 상기 연속 섬유층을 보호하기 위하여 상기 연속 섬유층 위에 도포되는 열가소성 수지층을 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파이프를 길이 방향을 따라 일부 절단하였을 때 나타나는 한 단면 구조 및 전체 형상을 보여주는 도면이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 파이프는 나선형 관 형상 프로파일(102), 접착 수지층(104), 연속 섬유층(106), 및 열가소성 수지 층(108)을 포함한다. 도 2는 도 1에 도시된 파 이프의 접합 구조를 나타낸 부분 확대 단면도이다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 프로파일(102)은 열 가소성 수지 또는 열 가소성 재생 수지에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상기 프로파일(102)은 열 가소성 수지인 폴리에틸렌에 의해 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 프로파일(102)은 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 공간부(202)가 형성된 중공형이다. 상기 공간부(202)의 내부에 열십자 형태를 갖는 다수의 보강대(204)가 형성된다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 요철형 내벽(304)을 갖는 프로파일(302)을 나타낸 단면도이다. 상기 프로파일(302)은 요철형 내벽(304)을 포함한다. 상기 프로파일(302)은 접착 수지층이 발포된 형태로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 내부가 충전재로 채워진 프로파일을 나타낸 단면도이다. 상기 프로파일(402)의 내부는 충전재(404)에 의해 채워진다. 상기 충전재(404)는 발포 수지 또는 복합 수지, 또는 상기 프로파일(402)과 동일한 수지로 형성된다. 상기 복합 수지는 열가소성 수지, 열가소성 재생 수지, 무기물 충전제, 또는 탄산칼슘을 포함한다.
상기 프로파일(402) 및 상기 충전재(404)로서 사용되는 열 가소성 수지는 동일한 종류의 것이고, 이와 같이 동일한 열가소성 수지를 프로파일(402) 및 충전재(404)에 공통적으로 사용함으로써 프로파일(402) 및 충전재(404)의 결합은 다른 종류의 열가소성 수지를 사용할 때 보다 강해진다.
접착 수지층(104)은 상기 나선형 관 형상 프로파일(104)을 도포 및 접착한다. 상기 접착 수지층(104)은 열 가소성 수지 또는 열 가소성 재생 수지, 특히 프로파일(102)에 사용되는 것과 동일한 재료에 의해 형성된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 접합 수지층(104)은 I빔 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 프로파일(102)은 통상적으로 압출기에 의하여 소정 길이의 막대 형상으로 압출된 후에 와인더에 감겨져 양단이 통상적으로 접착 수지에 의하여 접합됨으로써 관 형상이 된다.
연속 섬유층(106)은 상기 나선형 관 형상 프로파일(102)의 표면 및 상기 접합 수지층(104)의 표면에 연속 섬유를 열 가소성 수지에 함침시켜 제조된 연속 섬유 열가소성 수지 프리프레그(테이프 또는 시트)를 열 융착 방법으로 와인딩 및 접착하여 형성한다.
상기 연속 섬유층(106)은 유리 섬유, 아라미드섬유, 또는 폴리에스터 섬유, 나일론 섬유 등의 유기 섬유, 또는 셀룰로스계 천연 섬유에 의해 형성되지만, 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene; 이하 HDPE라 함)를 기재로 한 유리섬유 연속 로빈을 함침한 두께 0.5 mm 이하의 프리프레그 테이프인 것이 바람직하다. 도 5 내지 도 7은 도 1 내지 도 4에 도시된 연속 섬유층(106)의 재료로 사용되는 열가소성 수지에 함침된 연속 섬유 프리프레그 테이프에 대한 상세 사진들이다. 도 5 내지 도 7에 도시된 연속섬유 열가소성수지 프리프레그 테이프로 구성된 연속 섬유층(106)의 두께는 관벽 두께의 5% 이내이거나 0.5 mm이내 이며 바람직하게는 2% 또는 0.3 mm로써도 충분한 성능을 발휘한다. 또한, 상기 연속 섬유층(106)을 보호하기 위하여 열가소성 수지층(108)을 연속 섬유층(106)위에 도포할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파이프를 길이 방향을 따라 일부 절단하였을 때 나타나는 한 단면 구조 및 전체 형상을 보여주는 도면이다. 도 10은 도 9에 도시된 파이프의 접합 구조를 나타낸 부분 확대 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 파이프는 나선형 관 형상 프로파일(902), 접합 수지층(904), 및 연속 섬유층(906)을 포함한다.
상기 프로파일(902)은 열 가소성 수지 또는 열 가소성 재생 수지에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상기 프로파일(902)은 열 가소성 수지인 폴리에틸렌에 의해 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 프로파일(902)은 도 10에 도시된 바와 같이, 내부에 공간부(908)가 형성된 중공형이다.
접착 수지층(904)은 상기 나선형 관 형상 프로파일(902)을 도포 및 접착한다. 상기 접착 수지층(904)은 열 가소성 수지 또는 열 가소성 재생 수지, 특히 프로파일(902)에 사용되는 것과 동일한 재료에 의해 형성된다. 이러한 프로파일(902)은 통상적으로 압출기에 의하여 소정 길이의 막대 형상으로 압출된 후에 와인더에 감겨져 양단이 통상적으로 접착 수지에 의하여 접합됨으로써 관 형상이 된다.
연속 섬유층(906)은 상기 나선형 관 형상 프로파일(902)의 표면에 연속 섬유를 열 가소성 수지에 함침시켜 제조된 연속 섬유 열가소성 수지 프리프레그(테이프 또는 시트)를 열 융착 방법으로 와인딩하고 접착하여 형성한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 제시하고, 실시예에 따라 얻어진 파이프의 수직 강도(pipe stiffness)를 측정하였다.
(실시예 1)
상기에서 설명한 방법에 따라 본 발명의 파이프를 제조한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 성형된 파이프의 사진이다. 이 때, 프로파일(102)은 열가소성 수지인 폴리에틸렌(HDPE)에 의해 형성한다. 그리고 상기 프로파일(102)은 내부에 공간부가 형성된 중공 프로 파일을 사용한다. 접착 수지층(104)은 상기 프로파일(102)에 사용되는 것과 동일한 HDPE를 사용한다.
상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 표면에 유리섬유 40 중량%로 폴리에틸렌에 함침된 두께 0.25mm, 폭 25mm의 연속섬유 프리프레그 테이프를 열 융착시키며 균일하게 연속 섬유층(106)이 형성되도록 감는다. 이때 상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 외면과 연속섬유 프리프레그의 접착이 매우 중요하다. 이렇게 하여 제조된 강화 파이프의 수직강도를 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.
프로파일 연속섬유층 중량 (kg) 치 수 중량 증가율 수직강도 (Kgf/cm2)
실시예 1 HDPE 40% 연속 유리 섬유 1.3 외경; 333.5mm 두께; 14.5mm 길이; 150mm 약 1.1% 7.1
비교예 1 HDPE 없음 1.2 외경; 333 mm 두께; 14.5mm 길이; 150mm 3.6
(비교예 1)
상기에서 설명한 방법과 유사하게 하수관을 제조한다. 다만, 관의 표면에 연속섬유 프리프레그를 감지 않는다. 이렇게 하여 제조된 하수관의 수직 강도를 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.
상기 [표 1]에서 보는 바와 같이, 실시예의 경우 중량이 단지 0.1kg 증가하였으나 수직 강도가 두 배로 증가하였다. 이는 종래의 하수관(비교예)에 비하여 두 배의 강성을 갖도록 하는 효과적이고 경제적인 개선 방법임을 보여 준다. 또한 중량을 낮추어도 오히려 높은 수직강도 값을 유지할 수 있게 해 준다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일하나, 이 때, 상기 나선형 관의 치수가 [표 2]와 같이 KS 규격에 따른 1종 300호에 부합한 시편에 대하여 실시하였다.
상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 표면에 유리섬유 40 중량%로 폴리에틸렌에 함침된 두께 0.25mm, 폭 25mm의 연속섬유 프리프레그 테이프를 열 융착시키며 균일하게 연속 섬유층(106)이 형성되도록 감는다. 이때 상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 외면과 연속섬유 프리프레그의 접착이 매우 중요하다. 이렇게 하여 제조된 강화 파이프의 수직강도를 측정하고, 그 결과를 [표 2]에 나타낸다.
프로파일 연속섬유층 중량 (kg) 치 수 중량 증가율 수직강도 (Kgf/cm2)
실시예 2 HDPE 40% 연속 유리 섬유 1.75 외경; 333.5mm 두께; 20.2 mm 길이; 150mm 약 3% 10
비교예 2 HDPE 없음 1.7 외경; 333 mm 두께; 20 mm 길이; 150 mm - 6.6
(비교예 2)
상기 실시예 2에서 설명한 방법과 유사하게 하수관을 제조한다. 다만, 관의 표면에 연속섬유 프리프레그를 감지 않는다. 이렇게 하여 제조된 하수관의 수직 강도를 측정하고, 그 결과를 [표 2]에 나타낸다.
상기 [표 2]에서 보는 바와 같이, 실시예의 경우 중량이 단지 0.05kg으로 약 3% 증가하였으나 수직 강도가 50 % 증가하였다.
(실시예 3)
나선형 관의 치수는 실시예 2와 동일하나, 이 때, 상기 나선형의 프로파일 내에 중공부가 형성되지 않았으며, 중공부를 대신하여 20 중량 %의 탄산 칼슘을 충진한 폴리에틸렌수지를 원료로하여 발포시켜 채워 넣은 구조이다. 이때, 중심부의 발포율은 약 5 %이었다.
상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 표면에 유리섬유 40 중량%로 폴리에틸렌에 함침된 두께 0.25mm, 폭 25mm의 연속섬유 프리프레그 테이프를 열 융착시키며 균일하게 연속 섬유층(106)이 형성되도록 감는다. 이때 상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 외면과 연속섬유 프리프레그의 접착이 매우 중요하다. 이렇게 하여 제조된 강화 파이프의 수직강도를 측정하고, 그 결과를 [표 3]에 나타낸다.
프로파일 연속섬유층 중량 (kg) 치 수 중량 증가율 수직강도 (Kgf/cm2)
실시예 3 HDPE 40% 연속 유리 섬유 3.65 외경; 333.5mm 두께; 20.2 mm 길이; 150 mm 약1.4% 10
비교예 3 HDPE 없음 3.60 외경; 333 mm 두께; 20 mm 길이; 150 mm - 6.6
(비교예 3)
상기 실시예 2에서 설명한 방법과 유사하게 하수관을 제조한다. 다만, 관의 표면에 연속섬유 프리프레그를 감지 않는다. 이렇게 하여 제조된 하수관의 수직 강도를 측정하고, 그 결과를 [표 3]에 나타낸다.
상기 [표 3]에서 보는 바와 같이, 실시예의 경우 중량이 단지 0.05kg으로 약 3% 증가하였으나 수직 강도가 30 % 증가하였다.
(실시예 4)
나선형 관의 치수는 실시예 2와 동일하나, [표 4]에 게시된 바와 같이 KS 하수관 규격에 따른 1종 600호에 부합한 시편에 대하여 실시하였다.
상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 표면에 유리섬유 40 중량%로 폴리에틸렌에 함침된 두께 0.25mm, 폭 25mm의 연속섬유 프리프레그 테이프를 열 융착시키며 균일하게 연속 섬유층(106)이 형성되도록 감는다. 이때 상기 나선형 관 형상 프로파일(102) 및 상기 접착 수지층(104)의 외면과 연속섬유 프리프레그의 접착이 매우 중요하다. 이렇게 하여 제조된 강화 파이프의 수직강도를 측정하고, 그 결과를 [표 4]에 나타낸다.
프로파일 연속섬유층 중량 (kg) 치 수 중량 증가율 수직강도 (Kgf/cm2)
실시예 4 HDPE 40% 연속 유리 섬유 5.5 외경; 167.7mm 두께; 40.2 mm 길이; 155 mm 약 2.8% 8.0
비교예 4 HDPE 없음 5.3 외경; 167.5 mm 두께; 40 mm 길이; 155 mm - 5.6
(비교예 4)
상기 실시예 4에서 설명한 방법과 유사하게 하수관을 제조한다. 다만, 관의 표면에 연속섬유 프리프레그를 감지 않는다. 이렇게 하여 제조된 하수관의 수직 강도를 측정하고, 그 결과를 [표 4]에 나타낸다.
상기 [표 4]에서 보는 바와 같이, 실시예의 경우 중량이 단지 0.15kg으로 약 2.8% 증가하였으나 수직 강도가 43 % 증가하였다.
이는 종래의 하수관(비교예)에 비하여 두 배의 강성을 갖도록 하는 효과적이고 경제적인 개선 방법임을 보여 준다. 또한 중량을 낮추어도 오히려 높은 수직강도 값을 유지할 수 있게 해 준다.
본 발명은 관 제조에 사용되는 재료의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 하수관 뿐 아니라 수도관 및 일반관의 강성 또는 수직강도 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 적은 양의 보강 재료를 사용함에도 불구하고 관의 강성 또는 수 직강도 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 관의 제조에 사용되는 재료의 사용량을 줄일 수 있어 오히려 가벼울 수 있다. 따라서, 본 발명은 재료의 사용량을 적게 할 수 있고 무게가 더욱 가볍게 하면서도 지중 매설시 토압에 견딜 수 있는 충분한 강성을 가지는 관을 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 열가소성 수지와 열가소성 재생 수지중 어느 하나로 만들어지는 나선형 관 형상 프로파일;
    상기 나선형 관 형상 프로파일들 사이에서 상기 나선형 관 형상 프로파일을 도포 및 접착하며, 상기 나선형 관 형상 프로파일과 동일한 재료로 만들어진 접착 수지층; 및
    상기 나선형 관 형상 프로파일 및 상기 접착 수지층 중 하나 이상의 표면에 와인딩 및 접착되고, 관두께의 2 내지 5%의 범위의 두께를 가지는 열가소성 수지로 함침된 연속 섬유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 프로파일이 중공형인 것을 특징으로 하는 파이프.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 프로파일의 내부가 충전재에 의해 채워지는 것을 특징으로 하는 파이프.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 프로파일의 내부에 열십자 형태를 갖는 다수의 보강대가 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 프로파일의 내벽이 요철형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프로파일은 폴리에틸렌으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 접착 수지층은 폴리에틸렌으로 의해 형성되고, I빔 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 파이프.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연속 섬유층이 유리 섬유, 아라미드섬유, 폴리에스터 섬유, 유기 섬유, 및 셀룰로스계 천연 섬유 중 적어도 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프.
  10. 제1항에 있어서, 상기 연속 섬유층을 보호하기 위하여 상기 연속 섬유층 위에 도포되는 열가소성 수지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프.
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