KR100782953B1 - 비투멘을 포함하는 복합 부재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 층 구조를 포함하는 복합 부재에 관한 것이다.
(i) 2-20 mm의 금속, 플라스틱, 또는 목재 층,
(ii) 10-300 mm의 비투멘을 포함하는 혼합물 층,
(iii) 2-20 mm의 금속, 플라스틱 또는 목재 층.

Description

비투멘을 포함하는 복합 부재{BITUMINOUS COMPOSITE ELEMENTS}
본 발명은 하기 층 구조를 포함하는 복합 부재에 관한 것이다;
(i) 2-20 mm, 바람직하게는 3-10 mm, 특히 바람직하게는 5-10 mm의 금속, 목재, 또는 플라스틱(예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS, 열가소성 폴리우레탄, ASA, 또는 PVC), 바람직하게는 금속 층,
(ii) 10-300 mm, 바람직하게는 10-100 mm의 비투멘을 포함하는 혼합물 층,
(iii) 2-20 mm, 바람직하게는 3-10 mm, 특히 바람직하게는 5-10 mm의 금속, 목재, 또는 플라스틱(예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, ABS, 열가소성 폴리우레탄, ASA, 또는 PVC), 바람직하게는 금속 층.
본 발명은 이러한 복합 부재를 제조하는 방법 및 이의 용도에 관한 것이다.
선박, 예를 들면 선체 및 선하 지지 카버, 또는 교량, 지붕 또는 다층 빌딩을 제작하는 데 사용되는 구성물들은 외압으로부터 오는 상당한 스트레스를 견딜 수 있어야 한다. 이러한 요구 조건 때문에, 상기 유형의 구성물들은 일반적으로 적당한 기하형상 또는 지주(支柱)에 의해 강화된 금속판 또는 금속 지지체로 이루어진다. 안전 기준치가 강화되었기 때문에, 유조선 선체는 내외부의 선체로 이루어지되, 각 선체는 강철판으로부터 15 mm의 두께의 높이를 지니고, 약 2m 길이의 강철 지주를 통하여 선체끼리 서로 연결하도록 제작되어 있다. 이러한 강철판은 상당한 힘을 받도록 되어 있기 때문에, 외부 및 내부 강철 쉘은 용접된 강화성 부재로 보강되어 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 구성물이 지닌 단점은 상당량의 강철을 필요로 하고, 제조공법이 시간 소비적이면서 노동 집약적이라는 데 있다. 또 이 유형의 구성물은 또한 무게가 많이 나가기 때문에, 선박의 용적 톤 수를 감소시킬뿐 아니라 연료 소비도 증가시킨다. 또한, 강철이 주 구성 성분인 이러한 유형의 구성물은 또한 견고하게 유지되어야 하는데, 그 이유는 외부 쉘과 내부 셀 사이의 강철 성분의 표면과 외면 둘다에 부식 보호 물질이 정기적으로 제공되어야 하기 때문이다.
강철이 주 구성 성분인 제작물에 대해서 공지된 대체물로는 SPS 부재(Sandwich Plate systems)가 있는데, 이는 금속 및, 플라스틱(일반적으로 폴리이소시아네이트 중합 부가 생성물)으로부터 만든 복합재를 포함한다. 이 플라스틱을 두개의 금속층에 부착하면 강철이 주 구성 성분인 기존 제작물보다 뛰어난 장점을 가진 복합 부재가 제조된다. 미국 특허 제6 050 208호, 미국 특허 제5 778 813호, 독일-A 198 25 083, 독일-A 198 25 085, 독일-A-198 25 084, 독일-A 198 25 087, 및 독일- A 198 35 727은 이러한 유형의 SPS 부재를 기술하고 있다.
SPS에서 합성 탄성 중합체가 지닌 중요한 특성은 이의 가공성, 비용 효율성 과 고온 특성에 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 사용 및 설치가 쉽고, 또한 우수한 내열성을 지니며, 비용이 저렴한 신규의 복합 부재를 개발하는 데에 있다.
본 발명가는 이러한 본 발명의 목적이 복합 부재에 의해 달성됨을 발견하였다.
본 발명의 목적에 부합되는 비투멘은 원유 처리시에 얻은 저휘발성 혼합물로서 다양한 유기 성분을 함유하며, 또 온도에 따라 변하는 점탄성 거동을 지닌다. 비투멘의 기타 정의는 Rompp Chemie Lexikon, 9th 수정판(Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York), 특히, DIN 55 946 파트 1에 기술되어 있는데, 이는 비투멘에 대한 의구심을 풀어주는 문헌이다. 비투멘은 널리 알려진 물질로서 다양한 유형이 시판되고 있다. 비투멘, 이의 다양한 유형, 첨가제, 가공 및 취급과 관련한 정보의 예는 "Shell Bitumen fur den Strassenbau und andere Anwendungsgebiete", 7판, 1994, Deutsche Shell Aktiengesellschaft, Hamburg 및 "The Shell Bitumen Industrial Handbook"(Shell Bitumen, Chertsey, Surrey, UK, 1995(ISBN-0-95 16625-1-1에서 출판)에서 찾을 수 있다.
원칙적으로, 어떠한 타입의 비투멘도 본 발명의 용도에 맞게끔 복합 부재에 사용할 수 있다. 복합 부재의 다양한 용도 및 가능한 제조 과정을 고려할 때, 연화점, 사용 온도에서의 점도, (i)층 및 (iii)층에 대한 접착력, 그리고 탄성 특성의 관점에서 유리한 것으로 알려지고 제시된 비투멘으로부터 얻은 생성물을 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 선택 또는 비투멘 또는 비투멘 혼합물이 매치될 가능성은 당업자에게는 익숙한 문제이다. 예를 들면, 특히 높은 열응력에 노출되는 복합 부재에는 높은 연화점을 지닌 비투멘을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
DIN 52010에 따른 바늘 투과도가 0.1 내지 80 mm이고 DIN 55 946에 따른 비투멘을 (ii)층으로서 사용하는 것이 바람직하다.
또한, DIN 52011에 따른 연화점이 50℃ 이상, 바람직하게는 80℃ 이상인 비투멘을 포함하는 복합 부재가 더욱 바람직하다.
더 나아가, 아스팔텐 함량이 8-30 중량%인 비투멘을 포함하는 복합 부재가 바람직하다.
또한, 산화 비투멘을 포함하는 복합 부재가 바람직하다. 이 산화 비투멘은 공지된 공정에 따라 제조할 수 있으며, 이는 상업적으로 시판되고 있다.
복합 부재는 바람직하게는 (i)층과 (iii)층 사이에 존재하는 (ii)층으로서 무기 충진제 및/또는 플라스틱과의 혼합물로 존재하는 비투멘을 포함한다. 비투멘 혼합물의 특성에 적합한 첨가제의 장점은 잘 알려져 있고 또한 널리 소개되어 있다. 그러므로, 혼합물의 공지된 특성을 이용하여, 당업자는 복합 부재로서 매우 광범위하게 다양한 임의 용도에 유리한 블랜드, 예를 들어 기계적 응력 또는 열 응력에 적합한 블랜드를 이용할 수 있다.
(ii)층으로서 바람직하게 사용할 수 있는 재료는 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌), SBR(스티렌-부타디엔 고무), SIS(스티렌-이소프렌-스티렌), EPDM(에틸렌-프로필렌-디엔 고무), 에틸렌-부틸 아크릴레이트, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 및/또는 폴리올레핀, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체와의 혼합물로 존재하는 비투멘이다. 이들 플라스틱과의 혼합물로 존재하는 비투멘은 널리 소개되어 있으며, 또 일반적으로 당업자에게 알려져 있다. 첨가제로서 적당한 플라스틱으로는 Elenac GmbH(독일), 예를 들면 상표명 Lucobit(등록상표)로 시판되는 것을 들 수 있다. 플라스틱, 특히 폴리올레핀은 20,000 내지 1,000,000 g/mol의 수 평균 몰 질량을 지니는 것이 바람직하다. 비투멘과의 혼합물로 존재하는 플라스틱 함량은 일반적으로 (ii)층의 총 중량을 기준으로 각 경우에 0 내지 30 중량%, 바람직하게는 0 내지 13 중량%로 존재할 수 있다.
본 발명의 목적상, 적합한 무기 충진제의 예로는 석고, 황산 바륨, 샌드, 시멘트 및/또는 암석 가루가 있다. 이들 무기 첨가제는 널리 소개되어 있으며 비투멘용 첨가제로 잘 알려져 있다. 이들 첨가제의 입도는 일반적으로 1 내지 75㎛이며, 또는 0.08 내지 2 mm(샌드의 경우)이다. 그러나, 이보다 커다란 크기의 입자도 적절히 사용될 수 있는데, 그러한 예로는 그레인의 크기가 4 mm이상, 바람직하게는 4-10 mm인 것으로 알려진 치핑제(Chippings)를 들 수 있다. 비투멘과의 혼합물 중에 존재하는 무기 충전제의 양은 일반적으로 (ii)층의 총 중량을 기준으로 0 내지 90 중량%, 바람직하게는 0 내지 50 중량%이다.
비투멘용 첨가제로 상술한 것 외에도, 본 발명의 목적에 따라 잘 알려진 섬유로 만든 첨가제를 사용할 수 있다, 그 예로는 유리 섬유, 셀룰로오스 및/또는 암석 섬유, 및/또는 추가의 공지된 첨가제, 예를 들면 염료, 오일, 왁스 또는 지방 등을 들 수 있다.
가능한 첨가제의 예 및 비투멘과 함께 사용하는 이들 첨가제의 용도는 독일 A 199 03 314, 유럽 A 1 008 630 및 미국 제6 133 350호에 기재되어 있다.
비투멘은 140℃ 내지 240℃에서 전술한 기타 가능한 구성물과 혼합되는 것이 일반적이며, 상기 온도는 사용된 비투멘과 소정의 첨가제에 따라서 선택된다. 첨가제에 따라 잘 알려진 방법으로 혼합을 수행할 수 있다.
상술한 첨가제와 비투멘과의 혼합물은 널리 소개되어 있으며, 이들의 다양한 유형들이 상업적으로 시판되고 있다.
하기 층 구조를 포함하는 복합 부재가 바람직하다:
(i) 2-20 mm, 바람직하게는 3-10 mm, 특히 바람직하게는 5 내지 10 mm의 금속 층,
(ii) 10-300 mm, 바람직하게는 10-100 mm의 비투멘 층,
(iii) 2-20 mm, 바람직하게는 3-10 mm, 특히 바람직하게는 5-10 mm의 금속 층.
이러한 바람직한 구체예에서, "비투멘"이란 용어는 비투멘 및 비투멘과의 혼합물로 존재하는 잘 알려진 기타 구성물(예, 전술한 첨가제)을 포함하는 혼합물을 의미한다.
본 발명의 복합 부재를 제조하는 한 방법은 비투멘(일반적으로는 연화되거나 또는 용융된 것)을 포함하는 혼합물을 바람직하게는 140℃ 내지 240℃의 비투멘 온도에서 (i)층과 (iii)층 사이에 도입하는 것이다. (i)층과 (iii)층 사이에 충전될 공간이 충전되기도 전에 이 두 층 사이에서 비투멘이 조기 냉각 및 경화되는 것을 방지하기 위해서, 비투멘을 도입하기 전에, 및/또는 도입하는 동안에 (i)층 및 (iii)층을 바람직하게는 40℃-240℃, 특히 바람직하게는 60℃-150℃의 온도로 가열하는 것이 유리하다. 이것은 (i)층 및 (iii)층이 금속으로 구성될 때 특히 그러한데, 이는 금속이 높은 열함량을 가지고 있어 냉각시 고온의 비투멘을 급속히 냉각시킬 수 있기 때문이다.
복합 부재를 제조하는 예는 밀폐된 주형, 즉, (ii)층으로 충전하기 전의 (i)층 및 (iii)층의 위치는 (ii)층이 도입된 후 밀폐된 주형내인 공정이다. 복합 부재는 (ii)층이 경화된 후에 주형으로부터 분리할 수 있다.
한 예로서, (i)층 및 (iii)층은 예를 들면 서로 나란한 방향과 같은 적절한 배열로 부착시킬 수 있다. 일반적으로, (i)층 및 (iii)층 사이에 10-300 mm 두께의 공간을 가지도록 분리를 선택한다. (i)층 및 (iii)층을 부착시키는 방식은 스페이서를 사용한다. (i)층과 (iii)층간의 공간을 (ii)층으로 충전시키되 구성물들의 이탈이 일어나지 않게 하는 방식으로 중재성 공간의 연부를 밀봉하는 것이 바람직하다. 밀봉 과정은 통상의 플라스틱 필름 또는 금속박을 사용하거나 및/또는 금속판을 사용할 수도 있으며, 이들은 또한 스페이서로서의 기능을 담당한다.
(i)층 및 (iii)층간의 공간을 (ii)층으로 충전하기 위해서 (i)층 및 (iii)층의 수직 배향 또는 수평 배향 중 하나를 사용할 수 있다.
(i)층과 (iii)층 사이의 공간을 (ii)층으로 채우기 위해서, 고온의 비투멘을, 바람직하게는 연속적으로 수송하거나 붓는데 적합한 통상의 장치를 사용할 수있다. 충전 과정시에 (ii)층의 점도에 따라, (ii)층을 간단이 부어 버리거나 또는 가압하에 주입할 수 있다. (i)층 및 (iii)층 사이 공간의 충전은 (ii)층이 경화되기 전에 완전히 끝내는 것이 바람직하다.
복합 부재를 제조하는 또 다른 방법으로서, (i)층의 표면에 용융된 또는 연화된 (ii)층을 도포한 후, 용융된 또는 연화된 (ii)층에 (iii)층을 부착한다. 예를 들면, 비투멘(용융된 것 또는 연화된 것)을 포함하는 혼합물을 (i)층 상에 캘린더링하거나, 흙손 처리하거나 또는 스프레딩 처리할 수 있다. 이후, (iii)층은 (ii)층과 접촉하여 (ii)층이 경화될 때까지 소정의 위치로 부착되는 것이 바람직하다. (ii)층이 (i)층에 도포되는 경우에 균일한 두께의 (ii)층이 가능한 바람직한 대상이 되는데, 여기서 두께는 복합 부재의 소정의 크기에 따라 다르다. 과량의 비투멘은 (i)층 및/또는 (iii)층에서 준비된 개구부에서 또는 여백에서 사출되거나 흘러나올 수 있다.
또는, (i)층 및 (iii)층에 대해서 고체인 상태로 (ii)층을 이들 층과 접착제로 결합시키는 것으로 (ii)층을 미리 제조하는 것도 가능하다. (i)층 및 (iii)층에 (ii)층이 접착제에 의해 결합하는 이러한 공정은 이들 재료에 적합하다고 널리 알려진 접착제를 사용하여 수행할 수 있다. 당업자는 단순한 통상의 실험을 통해 적당한 접착제를 선택 할 수 있다.
복합 부재가 제조되면 (ii)층이 부착되는 (i)층 및/또는 (iii)층의 표면은 샌드 또는 강철 쇼트로 블라스트 처리하는 것이 바람직하다. 이러한 샌드 브라스팅 과정에는 통상적인 절차를 이용할 수 있다. 예를 들면, 통상의 샌드를 사용하여 고압에서 표면을 샌드 블라스트시킨 후, 예컨대 표면을 세정 및 조도화한다. 이러한 유형에 적합한 처리 장치는 상업적으로 시판되는 것들이다.
일단 (a)가 (b)와 반응한 후 (ii)층과 접촉되어 있는 (i)층과 (iii)층의 표면을 처리하는 것은 (i)층 및 (iii)층에 대한 (ii)층의 개선된 접착력을 제공할 수 있다. 샌드 블라스팅은 (i)층과 (iii)층의 공간 내에서 (ii)층을 제조하기 위해 구성물들을 도입하기 전에 직접 수행하는 것이 바람직하다. (ii)층이 부착될 (i)층 및 (iii)층의 표면에는 접착력을 감소시키는 무기 및/또는 유기 성분(예를들면, 오일 또는 지방, 또는 이형제로 공지된 임의 성분)이 없는 것이 바람직하다.
사용된 (i)층 및 (iii)층, 일반적으로 시이트인 이들 층은 통상의 금속(예, 철, 통상의 강철, 임의의 정련 강철, 알루미늄 및/또는 구리)인 것이 바람직하다.
사용하기 전에 (i)층 또는 (iii)층은 피복처리될 수 있는데, 예를 들면 프라임 처리되거나, 페인트칠 되거나, 및/또는 통상의 플라스틱으로 피복한 후 본 발명의 복합 부재를 생산한다. (i)층 및 (iii)층은 피복시키지 않는 것이 바람직하며, 이들을 사용하기 전에 통상의 샌드 블라스팅에 의해 세정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 복합 부재는 큰 힘에도 견딜 수 있는 구성물을 필요로 하는 분야에서 주로 사용되는데, 그러한 예로는 조선 분야에서의 구성물, 예를 들면 배의 선창, 예컨대 내외부벽을 지닌 이중 선창 또는 선하 지지 카버, 선하 지지 파티션 또는 선하 도어, 또는 토목 공학물, 예들 들면 교량 또는 빌딩(특히, 다층 빌딩) 제조시에 사용되는 구성물의 제조를 들 수 있다.
동일 용도의 공지된 복합 부재에 대해서 본 발명의 복합 부재가 지닌 장점은 적절한 비투멘의 내열성, 복합 부재의 설치를 비롯한 취급상의 간단함, 및 비용 효율적인 제조공정을 들 수 있다.

Claims (11)

  1. 하기 층 구조를 포함하는 복합 부재:
    (i) 2-20 mm의 금속, 플라스틱, 또는 목재 층,
    (ii) 10-300 mm의 비투멘을 포함하는 혼합물 층,
    (iii) 2-20 mm의 금속, 플라스틱, 또는 목재 층.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (ii)층으로서 무기 충전제 및/또는 플라스틱과의 혼합물로 존재하는 비투멘을 포함하는 복합 부재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (ii)층으로서 SBS, SBR, SIS, EPDM, 폴리올레핀, 에틸렌-부틸 아크릴레이트, 에틸렌-비닐 아세테이트 및/또는 에틸렌-메틸 아크릴레이트와의 혼합물로 존재하는 비투멘을 포함하는 복합 부재.
  4. 제1항에 있어서, DIN 52 010에 따른 바늘 투과도가 0.1-80 mm인 DIN 55 946 파트 1에 따른 비투멘을 포함하는 복합 부재.
  5. 제4항에 있어서, DIN 52011에 따른 연화점이 50℃ 이상인 비투멘을 포함하는 복합 부재.
  6. 제1항에 있어서, 아스팔텐 함량이 8-30%인 비투멘을 포함하는 복합 부재.
  7. 제1항에 있어서, 산화된 비투멘을 포함하는 복합 부재.
  8. (i)층과 (iii)층 사이에 용융 또는 연화된 비투멘을 포함하는 혼합물을 도입하는 것을 포함하는, 제1항에 따른 복합 부재의 제조 방법.
  9. (i)층의 표면에 용융 또는 연화된 (ii)층을 도포한 다음, 용융 또는 연화된 (ii)층에 (iii)층을 부착하는 것을 포함하는, 제1항에 따른 복합 부재의 제조 방법.
  10. (i)층 및 (iii)층에 (ii)층을 접착제로 결합시키는 것을 포함하는, 제1항에 따른 복합 부재의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복합 부재를 포함하는 토목 공학물 또는 선박.
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