KR100792111B1 - 내크리프 특성을 갖는 파이프용 폴리에틸렌 수지조성물 - Google Patents

내크리프 특성을 갖는 파이프용 폴리에틸렌 수지조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내크리프 특성을 갖는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) ASTM D1505에 따라 23℃에서 측정했을 때 표준밀도가 930kg/㎥ ∼ 1000kg/㎥ 인 폴리에틸렌 100중량부, (B) 탈크 0.01∼5중량부, (C) 에틸렌계 불포화 카르복실산, 에틸렌계 불포화 카르복실산 에스테르 및 에틸렌계 불포화 카르복실산 안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 그라프팅 단량체가 폴리에틸렌 주쇄에 그라프팅된 상용화제 0.01∼20중량부를 포함하는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물에 관한 것이며, 본 발명은 현저히 개량된 내크리프 특성을 갖는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물을 제공한다.
내크리프 특성, 파이프, 폴리에틸렌, 탈크, 에틸렌계 불포화 카르복실산, 에틸렌계 불포화 카르복실산 에스테르, 에틸렌계 불포화 카르복실산 안하이드라이드,상용화제

Description

내크리프 특성을 갖는 파이프용 폴리에틸렌 수지조성물{Polyethylene Resin Composition For Pipe With High Creep Resistance}
본 발명은 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고밀도 폴리에틸렌과 미세 무기 첨가제를 주성분으로 하고, 이들 사이의 접착성을 높여 주는 상용화제를 함유하는 수지 조성물에 관한 것이다.
가압유체 수송용 파이프 또는 파이프 이음구 제조시 폴리에틸렌, 특히 고밀도 폴리에틸렌을 사용하는 것은 널리 알려져 있으며, 이러한 유체수송 파이프가 안전성과 장기 수명을 갖기 위해서는 유체정압에 대하여 매우 높은 내성을 지닐 것이 필수적으로 요구된다.
이탈리아 특허 719,725에는 폴리에틸렌을 주성분으로 하는 성형품 제조시 탈크, 카올린 또는 실리카와 같은 미세 무기물을 혼합하여 필름의 안티블로킹 성질을 개량하는 방법이 개시되어 있다.
대한민국 공개특허 1999-013671에는 고밀도 폴리에틸렌 100중량부당 0.02~1중량부인 소량의 탈크를 첨가하여 내크리프 특성을 개량하는 방법이 개시되어 있 다.
그러나, 고밀도 폴리에틸렌과 탈크의 단순 혼합시 두 물질사이의 상용성이 떨어져 내크리프 특성의 개량 효과가 크지 않고, 탈크 입자의 크기가 5㎛이상으로 커지고, 탈크의 함량이 1 중량부 이상으로 많아지면 그 효과가 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고밀도 폴리에틸렌에 탈크를 혼합하고, 폴리에틸렌과 탈크 사이의 상용성을 향상시키기 위하여, 에틸렌계 불포화 카르복실산, 에틸렌계 불포화 카르복실산 에스테르 및 에틸렌계 불포화 카르복실산 안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 그라프팅 단량체가 폴리에틸렌 주쇄에 그라프팅된 화합물(이하, 상용화제라 한다)을 이용하여, 현저히 개량된 내크리프 특성을 갖는, 폴리에틸렌을 주성분으로 한 파이프용 조성물을 제공함을 그 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 (A) ASTM D1505에 따라 23℃에서 측정했을 때 표준밀도가 930kg/㎥ ∼ 1000kg/㎥ 인 폴리에틸렌 100중량부, (B) 탈크 0.01∼5중량부, (C) 에틸렌계 불포화 카르복실산, 에틸렌계 불포화 카르복실산 에스테르 및 에틸렌계 불포화 카르복실산 안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 그라프팅 단량체가 폴리에틸렌 주쇄에 그라프팅된 상용화제 0.01∼20중량부를 포함하는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물에 관한 것이다.
이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 있어서, (A)폴리에틸렌은 에틸렌 단독중합체, 에틸렌과 다른 1종 이상의 혼성 단량체와의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이 때 상기 혼성 단량체로는 예를 들어 부텐, 헥센과 4-메틸펜텐과 같은 3~8개의 탄소원자를 함유하는 선형 또는 분지형 올레핀과 4-비닐사이클로헥센, 디사이클로펜타디엔, 1,3-부타디엔 등과 같은 4~18개의 탄소원자를 갖는 디올레핀 등을 사용할 수 있으며, 부텐과 헥센이 바람직하다.
에틸렌 공중합체에서 혼성 단량체의 전체 함량은 일반적으로 10몰% 이하 바람직하게는 7몰% 이하로 한다. 좋은 결과는 부텐 또는 헥센 0.05~5몰%, 바람직하게는 0.3~2몰% 함유된 에틸렌 공중합체에서 얻어진다.
보다 바람직하게는 에틸렌과 부텐 또는 헥센 혼합물의 연속 중합에 의하여 얻은 두 가지 분자량 분포를 갖는 공중합체가 적합하다.
상기 폴리에틸렌의 표준밀도는 930kg/㎥ ∼ 965kg/㎥, 바람직하게는 940kg/㎥ ∼ 960kg/㎥ 의 범위가 되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 파이프용 조성물에 사용되는 폴리에틸렌은 ASTM D1238에 따른 5kg 하중하에 190℃에서 측정했을때, 용융지수가 3g/10분이하이고, 대체로 1g/10분이하이다.
본 발명에서 (B)탈크는 일반적으로 3MgO·4SiO2·H2O의 자연산인 규산 마그네슘 수화물을 이야기하며, 알루미늄, 철과 탈슘 산화물과 같은 소량의 금속 산화물을 함유할 수 있다. 상기 탈크는 층상조직를 가지며, 평균 입자 크기가 1~15 ㎛인 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 탈크는 폴리에틸렌 100중량부 대비 0.01 ∼ 5 중량부, 바람직하게는 0.05∼3중량부의 범위로 첨가된다. 탈크의 함량이 5 중량부를 초과하면 탈크가 폴리에틸렌의 결정구조를 파괴하면서 열간내압 크리프 내성을 오히려 감소시키고, 0.01 중량부 이하에서는 탈크의 첨가 효과가 없다.
본 발명에서 (C)상용화제는 에틸렌계 불포화 카르복실산, 에틸렌계 불포화 카르복실산 에스테르 및 에틸렌계 불포화 카르복실산 안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 그라프팅 단량체를 폴리에틸렌 주쇄에 통상의 방법으로 그라프팅하여 제조할 수 있다.
예를 들어 선형 저밀도 폴리에틸렌 또는 저밀도 폴리에틸렌 또는 고밀도 폴리에틸렌에 상기 그라프팅 단량체 중 1종 이상을 반응 개시제를 이용하여 폴리에틸렌의 용융온도 이상에서 일축 또는 이축 압출기를 통해 압출하거나 배치형 믹서 등과 같은 통상의 용융혼합방식을 이용한 반응압출법에 의해 그라프팅시켜 제조될 수 있으며, 또는 반응기에서 에틸렌 단량체와 상기 그라프팅 단량체 중 1종 이상과 반응개시제를 혼합하여 화학반응 등에 의해 제조될 수 있다.
상기 상용화제는 폴리에틸렌 100중량부 대비 0.01∼20중량부, 바람직하게는 0.05∼6중량부의 범위로 첨가된다. 상용화제를 20중량부 초과하여 첨가하여도, 탈크와의 상용성은 크게 증가하지 않아 열간내압 크리프 내성의 증가가 없으며, 상용화제 함량이 0.01 중량부 이하에서는 탈크와 폴리에틸렌과의 상용성을 높이지 못해 열간내압 크리프 내성의 증가 효과가 나타나지 않는다.
본 발명에 따른 파이프용 조성물은 탈크와 상용화제 이외에 내산제, 산화방지제, 자외선 안정화제, 가공보조제와 같은 첨가제를 함유할 수 있는데, 전체 조성물중 함량은 1중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.5중량% 이하로 한다.
또한 본 발명에 따른 조성물은 안료를 함유할 수 있는데, 조성물중 5중량%이하, 보다 바람직하게는 3중량% 이하로 한다.
본 발명에 따른 조성물의 제조방법은 한정적인 것은 아니다. 조성물은 적당한 공지의 수단으로 얻을 수 있다. 예를 들면, 분말 혼합물 형태로 보통 첨가제와 동시에 폴리에틸렌에 탈크와 상용화제를 혼합할 수 있다. 바람직한 다른 방법은 폴리에틸렌을 실온에서 탈크와 상용화제를 보통 첨가제와 혼합한 다음 이를 예를 들어 기계 혼합기 또는 압출기에서 폴리에틸렌의 융점 이상의 온도에서 혼합하는 것이다. 또한, 폴리에틸렌, 보통의 첨가제와 탈크 및/또는 상용화제를 함유하는 주 마스터배취를 제조하고, 이 주마스터배취를 폴리에틸렌 분말 또는 과립과 계속적으로 혼합한 다음 이를 통상의 용융혼합방식으로 폴리에틸렌의 융점 이상의 온도에서 혼합하여 조성물을 얻는다. 조성물은 압출된 과립형태인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 일반적으로 930kg/㎥ ∼1000kg/㎥의 표준밀도를 나 타내고, ASTM D1238에 따라 5kg 하중하에 190℃에서 측정했을 때, 0.07g/10분 ∼ 3g/10분의 용융지수를 나타낸다.
본 발명에 따른 조성물은 압출법, 압출-발포 성형법, 압출-열성형법과 사출법과 같은 폴리에틸렌 성형품의 일반적 제조방법에 따라 사용될 수 있으며, 특히, 물, 가스 등과 같은 가압유체의 수송용 파이프의 압출성형 또는 파이프 이음구의 사출성형에 매우 적합하다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하나, 이들 실시예는 예시적인 목적이며 이에 의해 본 발명의 보호범위가 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
이 실시예와 비교예에 사용된 기호의 의미, 단위는 다음과 같다.
1)MI5[g/10분] : ASTM D1238에 따라 190℃에서 5kg의 하중하에 측정한 용융지수.
2)SD[㎏/㎥] : ASTM D1505에 따라 23℃에서 측정한 표준밀도.
3)t[sec] : 32mm의 직경과 3mm의 두께를 갖는 파이프로 20℃에서 12.4MPa의 후프스 트레스(hoop stress)하에 ISO 1167에 따라 측정한, 파괴시간으로 표시된 내크리프 특성.
4)SCG(Slow Crack Growth)[sec] : 110mm의 직경과 10mm의 두께를 갖는 파이프로 ISO 13479에 기술된 방법에 따른 노치 파이프(notch pipe)에서 80℃에서 4.6MPa의 변형력 하에 측정한, 파괴시간으로 표시된, 균열의 저속성장에 대한 내성.
5)RCP(Rapid Crack Propagation)[bar] : 110mm의 직경과 10mm의 두께를 갖는 파이프로 ISO 13477에 기술된 S4 방법에 따라 0℃의 온도에서 측정한, 압력단위로 표시되는, 균열의 빠른 전파에 대한 내성.
<실시예 1>
에틸렌 공중합체 96.8중량%, 카본블랙 2.3중량%, 산화방지제 0.5중량%, 스테아르산 칼슘 0.1중량%, KC-2000(한국 KOCH사 제품) 탈크 0.1중량% 및 말레익안하이드라이드 그라프팅 폴리에틸렌 0.2중량%를 배합하여, 이축압출기(JSW사 제품, 스크류 직경 50mm)로 210℃의 온도에서 과립화한 후, 과립을 190℃에서 단일-스크류형(바텐필드)의 압출기로 압출하여 파이프를 제조하였다.
상기 에틸렌 공중합체는 50중량부의 에틸렌 동종 중합체와 50중량부의 1몰%의 1-부텐과 에틸렌의 공중합체로 이루어지고, 0.26g/10분의 MI5와 953kg/㎥의 SD를 나타내며, 이봉(Bimodal) 형태의 분자량 분포를 가지는 것을 사용하였다.
상기 말레익안하이드라이드 그라프팅 폴리에틸렌는 말레익안하이드라이드와 SD 950kg/㎥, MI5 0.6g/10분인 고밀도 폴리에틸렌에 반응개시제를 혼합하여 이축압출기에서 용융혼합하여 제조하였으며, 0.4g/10분의 MI5, 951kg/㎥의 SD를 나타내는 것을 사용하였다.
상기 탈크는 층상구조이며, 평균입자 크기가 3㎛인 것을 사용하였다.
조성물의 기본물성 및 파이프의 특성은 표 1에 나타내었다.
<실시예 2>
실시예 1의 경우와 동일한 에틸렌 공중합체 92.1 중량%, 카본블랙 2.3 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 스테아르산 칼슘 0.1 중량%, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 탈크 2 중량% 및 실시예 1의 경우와 동일한 말레익안하이드라이드 그라프팅 폴리에틸렌 3중량%를 함유하는 조성물을 제조하였다.
상기 조성물의 과립화와 과립의 파이프 제조는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 조성물의 기본물성 및 파이프의 특성은 표 1에 나타내었다.
<실시예 3>
실시예 1의 경우와 동일한 에틸렌 공중합체 96.8 중량%, 카본블랙 2.3 중량%, 산화방지제 0.5 중량%, 스테아르산 칼슘 0.1 중량%, KCM-6100(한국 KOCH사 제품) 탈크 0.1 중량% 및 실시예 1의 경우와 동일한 말레익안하이드라이드 그라프팅 폴리에틸렌 0.2중량%를 함유하는 조성물을 제조하였다.
상기 탈크는 층상구조이며, 평균입자 크기가 6㎛인 것을 사용하였다.
조성물의 기본물성 및 파이프의 특성은 표 1에 나타내었다.
상기 조성물의 과립화와 과립의 파이프 제조는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 조성물의 기본물성 및 파이프의 특성은 표 1에 나타내었다.
<비교예 1∼3>
상용화제를 함유하지 않는 것을 제외하고, 실시예 1∼3과 동일한 조성물을 제조하였다. 상기 조성물의 과립화와 과립의 파이프 제조는 실시예1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 조성물의 기본물성 및 파이프의 특성은 표 1에 나타내었다.
Figure 112001034034212-pat00002
표 1의 결과에서 보면, 실시예 1과 비교예 1, 실시예 2와 비교예 2, 실시예 3과 비교예 3을 각각 비교해 보면, 상용화제를 가미한 경우, 유체 정압 내성(내크리프 특성)이 현저히 개량된 파이프를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
더욱이, 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2를 비교해 보면 1중량부 이상의 탈크가 함유된 비교예 2의 경우는 약 0.1중량부의 탈크가 함유된 비교예 1의 경우에 비하여 내크리프 특성이 떨어지는 반면 상용화제까지 가미한 실시예 2의 경우는 내크리프 특성이 개량됨을 알 수 있다.
또한, 실시예 3과 비교예 3을 비교해 보면, 평균입자크기가 6㎛인 탈크를 함 유하는 경우에도 상용화제를 사용한 경우 개량된 내크리프 특성을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명에 따른 조성물은 상용화제없이 탈크만을 함유하는 조성물에 비하여 현저히 개량된 내크리프 특성을 파이프 및 파이프 이음관을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. (A) ASTM D1505에 따라 23℃에서 측정했을 때 표준밀도가 930kg/㎥ ∼ 1000kg/㎥ 인 폴리에틸렌 100중량부, (B) 탈크 0.01∼5중량부, (C) 에틸렌계 불포화 카르복실산, 에틸렌계 불포화 카르복실산 에스테르 및 에틸렌계 불포화 카르복실산 안하이드라이드로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 그라프팅 단량체가 폴리에틸렌 주쇄에 그라프팅된 상용화제 0.01∼20중량부를 포함하는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, (B)탈크가 층상 조직이며, 1~15 ㎛의 평균입자 크기를 가짐을 특징으로 하는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물.
  3. 제 1항 있어서, 상기 (A)폴리에틸렌은 ASTM D1238에 따라 5kg의 하중하에 190℃에서 측정했을 때, 용융 지수가 3g/10분 이하이고, 표준 밀도가 930kg/㎥∼965kg/㎥ 인 것을 특징으로 하는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 (A)폴리에틸렌이 0.05~5몰%의 부텐 또는 헥센을 함유하는 에틸렌 공중합체인 것을 특징으로 하는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물.
  5. 제 1항 있어서, 상기 조성물이 930kg/㎥ ∼1000kg/㎥의 표준밀도, ASTM D1238에 따라 5kg 하중하에 190℃에서 측정시 0.07g/10분 ∼ 3g/10분의 용융지수를 가짐을 특징으로 하는 파이프용 폴리에틸렌 수지 조성물.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 조성물로 압출 성형된 파이프.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 조성물로 사출 성형된 파이프.
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