KR100909183B1 - 탄소섬유를 포함하는 폴리염화비닐수지관 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수도용 3중 합성수지관에 관한 것으로, 구체적으로는 폴리염화비닐수지에 탄소섬유를 첨가하여 인장강도와 굴곡강도를 향상시킨 보강층을 중간층으로 포함하는 상하수도용 3중관에 관한 것이다.

본 발명에 따른 합성수지관은 폴리염화비닐수지가 주성분이므로 내화학성, 내부식성, 작업성이 우수한 동시에, 탄소섬유를 포함하는 보강층으로 인하여 인장강도와 굴곡강도가 우수하므로 수도관 내부의 수압은 물론 외부의 토압에 의한 변형이 적어 사용수명이 연장되는 장점이 있다.

폴리염화비닐(PVC), 수지조성물, 탄소섬유, 합성수지관, 파이프, 수도관, 상하수도관.

Description

탄소섬유를 포함하는 폴리염화비닐수지관 및 그 제조방법 {PVC pipe including carcon fiber and manufacturing method of the same}

본 발명은 수도용 3중 합성수지관에 관한 것으로, 구체적으로는 폴리염화비닐수지에 탄소섬유를 첨가하여 인장강도와 굴곡강도를 향상시킨 보강층을 포함하는 상하수도용 3중관에 관한 것이다.

상수도 또는 하수도용 수도관은 폴리염화비닐수지나 폴리에틸렌수지 등과 같은 합성수지나 금속 소재로 이루어진다. 그 중에서도 폴리염화비닐수지는 호스, 전선, 시트, 도료, 접착제 등 다양한 용도로 사용되는 소재로서, 특히 폴리염화비닐수지의 성형물은 내화학성, 내부식성이 우수하여 오염물에 의한 손상이 매우 적어 반영구적으로 사용이 가능하며, 무게가 가벼워 작업성이 우수하고 시공비도 저렴한 장점이 있어 상하수도관의 소재로 널리 사용되고 있다. 그러나, 폴리염화비닐수지는 주철관이나 아연도강관과 같은 금속관에 비하여 강도가 떨어지는 단점이 있어, 상수도관과 같은 압력관으로 사용시 파이프 내부의 높은 수압에 의하여 관의 파열이 발생할 위험 및 토압과 같은 파이프 외부의 하중에 의하여 변형이 발생할 위험 성을 내포하고 있다.

따라서, 강도를 높인 폴리염화비닐수지관에 대한 기술이 개발되어 왔으며, 그 예로써 대한민국 공개특허 제1997-75620호 수도용 내충격 경질염화비닐관에서는 폴리염화비닐수지와 충격보강제, 열안정제, 활제, 탄산칼슘으로 이루어지되, 충격보강제의 혼합비율을 달리하여 내충격층과 경질층의 두 층으로 이루어진 합성수지관을 제공하였고, 공개특허 제2001-17363호 삼중벽 구조 내충격 수도관에서는 외부 내충격경질층과 내부 내충격경질층 및 중심 고인장경질층의 세 층으로 이루어진 수도관을 제공함에 있어서, 내충격경질층은 염화비닐수지에 염소화폴리에틸렌계(CPE) 충격보강제를 첨가하고, 고인장경질층은 경질의 염화비닐수지에 폴리메틸메타크릴레이트-부타디엔-스틸렌계(MBS) 충격보강제를 첨가하여 3중구조의 수도관을 제조하는 방법을 제공하였다. 상기 기술들에서는 CPE, MBS, ABS와 같은 수지를 혼합함으로써 폴리염화비닐수지에 탄성을 부여하여 내충격성을 향상시키고 있으나, 상하수도관으로 사용되는 파이프의 경우 대부분이 땅속에 묻힌 상태로 사용된다는 점을 고려하면, 파이프의 내구성은 단기적인 충격에 대한 저항보다는 장기적인 압력에 대한 저항력에 크게 의존하므로, 내충격성의 향상만으로는 파이프의 내구성의 향상에 미치는 영향이 제한적이라는 한계가 있었다.

본 발명에서는 내화학성, 내부식성, 작업성이 우사한 폴리염화비닐수지관의 특성에 더하여 인장강도와 굴곡강도가 우수하여 장기적인 내수압 및 외압에 의한 변형을 최소화 할 수 있는 수도용 합성수지관을 제공하고자 한다.

상기 목적의 달성을 위하여, 본 발명에서는 폴리염화비닐수지에 탄소섬유를 혼합하여 강도를 향상시킨 보강층을 포함하는 삼중구조의 수도용 합성수지관을 제공한다.

본 발명에 있어서, 합성수지관을 이루는 수지조성물은 폴리염화비닐수지를 주성분으로 한다. 폴리염화비닐수지는 제조공정에 따라 현탁중합체, 유화중합체, 용액중합체 형태로 제공되고 있으나, 본 발명에서는 가장 범용으로 사용되는 현탁중합방식으로 생산된 입상분말을 사용한다.

또한, 본 발명의 수지조성물에는 폴리염화비닐수지 외에 추가로 안정제, 가공조제, 충격보강제, 탄산칼슘 및 필요에 따라 안료 등의 보조제가 포함된다. 이때 사용되는 안정제는 열에 대한 안정성을 높임으로써 착색, 분해를 방지하고, 가공조제는 가공성을 개선하며, 충격보강제는 수지에 탄성을 부여하여 내충격성을 보강하 는 역할을 하고, 탄산칼슘은 충진제의 역할을 한다.

본 발명에 따른 합성수지관은 내층, 외층의 사이에 보강층을 포함하는 3중의 구조로 이루어져 있으며, 세 층은 모두 폴리염화비닐수지를 주성분으로 하고 있으나, 그 중에서 보강층은 특징적으로 탄소섬유를 포함하고 있다.

탄소섬유를 포함하는 폴리염화비닐수지조성물을 이용하여 제조한 성형물은 인장강도와 굴곡강도가 우수한 특징이 있는 반면, 상대적으로 충격강도가 떨어질 수 있다. 따라서, 탄소섬유를 포함하는 보강층은 합성수지관의 외측표면으로 드러나지 않는 중간층에 위치시킴으로써, 인장강도와 굴곡강도가 우수하면서도 충격강도가 떨어지지 않는 합성수지관을 제조하는 것이 가능하다.

보강층의 수지조성물에 혼합하는 탄소섬유의 경우, 혼합량이 너무 적으면 본연의 효과를 얻을 수 없고 혼합량이 너무 많으면 비용을 상승시키는 요인이 되거나 충격강도가 떨어지는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여 1~30중량부를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 수지조성물을 이용하여 제조한 3중 합성수지관은 인장강도와 굴곡강도가 우수한 특징이 있으므로, 파이프 제조시 내부의 수압은 물론 토압과 같은 외부의 장기적인 압력에 의한 변형이나 파열을 피할 수 있다.

본 발명에 따른 합성수지관은 폴리염화비닐수지가 주성분이므로 내화학성, 내부식성, 작업성이 우수한 동시에, 탄소섬유를 포함하는 보강층으로 인하여 인장강도와 굴곡강도가 우수하므로 수도관 내부의 수압은 물론 외부의 토압에 의한 변형이 적어 사용수명이 연장되는 장점이 있다.

본 발명에 따른 수도용 3중 합성수지관은 내층, 보강층, 외층의 3중구조로, 이를 형성하는 수지조성물은 폴리염화비닐수지를 기반으로 하여 안정제, 가공조제, 충격보강제, 탄산칼슘을 포함하고 필요에 따라 안료를 포함할 수 있으며, 보강층의 경우 특징적으로 탄소섬유를 추가로 포함하고 있다.

본 발명에 있어서, 폴리염화비닐수지에는 특별한 제약은 없으나, 현탁중합방식으로 생산되는 입상분말을 사용하는 것이 일반적이며, 또한, 중합도가 너무 낮으면 인장강도나 경도가 떨어지게 되고 반대로 중합도가 너무 높으면 가공성이 떨어지므로, 중합도 500~2500의 폴리염화비닐수지를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 수지조성물에는 폴리염화비닐수지 외에도 추가로 안정제, 가공조제, 충격보강제, 탄산칼슘, 안료 등이 포함될 수 있다.

이 중 안정제는 열에 대한 안정성을 높임으로써 착색, 분해를 방지하는 역할을 하는 물질로, 본 발명에서는 활제가 포함된 Pb계, Ca-Zn계, Tin계의 복합안정제 를 첨가함으로써 가공시 마찰열의 발생을 억제하고 이형을 용이하게 한다.

가공조제는 수지의 겔링을 촉진하는 역할을 하는 물질로, 본 발명에서는 아크릴계 가공조제를 사용하며, 충격보강제는 수지에 탄성을 부여하여 내충격성을 보강하는 물질로서, 본 발명에서는 메틸 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌(MBS)계, 아크릴계, 염소화폴리에틸렌(CPE)계 보강제를 혼합하여 사용한다.

탄산칼슘은 충진제로서, 제품의 성형성을 용이하게 하는 역할을 하며, 단가가 저렴한 장점을 지니고 있다.

이 외에도 필요에 따라 추가로 안료를 첨가할 수 있다.

상기 물질들은 너무 적게 혼합할 경우 본연의 첨가목적을 달성할 수 없고, 너무 많이 혼합할 경우 혼련이 곤란해지거나 성형물의 강도저하, 색상변형 등의 문제가 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여 안정제 1~10중량부, 가공조제 0.1~8중량부, 충격보강제 1~20중량부, 탄산칼슘 1~15중량부의 범위내에서 혼합하는 것이 바람직하며, 이 외에도 필요에 따라 추가로 안료를 소량 첨가할 수 있다.

한편, 합성수지관의 인장강도 및 굴곡강도를 향상시키기 위하여 보강층에 첨가하는 탄소섬유는 너무 작은 크기의 섬유는 제조의 곤란성으로 인하여 비용이 높고 물성강화효과가 미미하며 너무 큰 섬유의 경우 분산성이 떨어져 강도증진의 효과가 떨어지므로, 직경 5~10㎛, 길이 0.1~6mm의 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 혼합량이 너무 적을 경우 본연의 효과를 얻을 수 없고 혼합량이 너무 많을 경우 비용을 상승시키는 요인이 되거나 충격강도가 떨어지는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여 탄소섬유 1~30중량부를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 합성수지관의 제조과정은 혼련단계, 1차냉각단계, 압출단계, 2차냉각단계로 이루어진다.

우선, 혼련단계에서는 수지를 비롯한 원료들을 혼합하여 수지조성물을 제조한다. 이때, 보강층과 내외층은 조성에 차이가 있으므로 별도로 수지조성물을 혼련하는데, 내층과 외층의 경우 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여 안정제 1~10중량부, 가공조제 0.1~8중량부, 충격보강제 1~20중량부, 탄산칼슘 1~15중량부를 혼합하고, 보강층의 경우 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여 탄소섬유 1~30중량부, 안정제 1~10중량부, 가공조제 0.1~8중량부, 충격보강제 1~20중량부, 탄산칼슘 1~15중량부를 혼합한다. 혼련시 헨셀믹서(수퍼믹서)를 이용하여 고속으로 믹싱하는 과정에서 원료들의 마찰열이 발생함에 따라 믹서내의 온도가 상승하여 수지를 연화시키므로 균일한 조성으로 혼합될 수 있다. 이때, 지나치게 온도가 높을 경우 수지가 분해될 수 있고 온도가 너무 낮을 경우 균일한 혼련이 어려우므로 100~150℃의 온도범위가 바람직하며, 혼련시간이 너무 길면 온도가 지나치게 상승하여 수지가 분해될 수 있고 시간이 너무 짧으면 혼련이 불완전하여 성형물의 물성이 떨어지게 되므로 5~30분 동안 혼련하는 것이 바람직하다.

1차냉각단계에서는 혼련한 고온의 수지조성물을 냉각시킨다. 냉각한 수지조성물은 고형화되므로 운반 등의 작업이 보다 용이하며, 40~60℃ 수준으로 온도를 낮추기 위해서 10~20분 정도의 시간이 소요된다.

압출단계에서는 수지조성물을 압출하여 관의 형태로 성형한다. 이때, 탄소섬유를 포함하는 수지조성물이 중간층을 이루도록 각 층을 구성하는 수지조성물을 다층공압출성형기를 이용하여 공압출한다. 이때, 수지조성물은 고형화된 상태이므로 연화시키기 위하여 가열이 필요하며, 온도가 지나치게 높으면 수지가 분해될 수 있고 너무 낮으면 연화가 불충분할 수 있으므로 160~200℃ 온도로 가열하는 것이 바람직하고, 압출속도가 너무 느리거나 너무 빠를 경우에는 작업시간이 오래 걸리거나 성형물의 형태가 균일하지 못할 수 있으므로, 300~500kg/h의 속도로 압출하는 것이 바람직하다.

2차냉각단계에서는 압출성형물을 냉각하고 필요한 크기로 절단하여 합성수지관을 완성한다.

탄소섬유를 포함하는 수지조성물을 이용한 성형물의 강도향상효과를 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 실시하였다.

[시험예 1]

하기 [표 1]에 따른 배합비로 재료를 혼합하여 수지조성물 1~10을 제조하고, 이를 이용하여 3mm 두께의 평판형태의 합성수지성형물을 제조한 후 물성을 측정하 였다. 이때, 겔링타임 및 겔링토크는 160℃, 57g, 30rpm의 조건에서 측정하고, 기타 물성은 [표 2]에 따라 측정하였으며, 결과를 [표 3]에 기재하였다. 또한, 측정된 물성 중 인장강도와 굴곡강도를 각각 [도 1]과 [도 2]에 그래프로 도시하였다.

[표 1] 배합비(중량부)

	PVC	탄소섬유	안정제	가공조제	탄산칼슘	충격보강제
조성물1	100	0	4.5	2	5	8
조성물2		1
조성물3		2
조성물4		3
조성물5		5
조성물6		10
조성물7		15
조성물8		20
조성물9		25
조성물10		30
조성물11		0	2.7	0.3	4	6
조성물12		5
조성물13		10

[표 2] 측정방법

측정항목	규격	비고
인장강도	ASTM D638	test tpeed : 10mm/min
인장탄성율	ASTM D638	test tpeed : 10mm/min
굴곡강도	ASTM D790	test tpeed : 1.3mm/min
굴곡탄성율	ASTM D790	test tpeed : 1.3mm/min

[실험예 2]

상기 [표 1]에 따른 배합비로 재료를 혼합하여 수지조성물 11~13을 제조하고, 이를 이용하여 3mm 두께의 평판형태의 합성수지성형물을 제조한 후 물성을 측정하였다. 이때, 겔링타임 및 겔링토크는 190℃, 57g, 30rpm의 조건에서 측정하고, 기타 물성은 [표 2]에 따라 측정하였으며, 결과를 [표 4]에 기재하였다.

[실험예 3]

상기 [표 1]에 따른 배합비로 재료를 혼합하여 수지조성물 1~5를 이용하여 3mm 두께의 평판형태의 합성수지성형물을 각각 제조한 후, 제조된 합성수지성형물을 절단한 다음 현미경으로 확대하여 사진을 촬영하였으며, 결과물인 SEM사진을 [도 3] 내지 [도 7]로 나타내었다.

[표 3] 물성측정결과

	겔링타임 (sec)	겔링토크 (Nm)	겔링안정 화토크 (Nm)	인장강도 (kg/㎠)	인장 탄성율 (kg/㎠)	연신율 (%)	굴곡강도 (kg/㎠)	굴곡 탄성율 (kg/㎠)
조성물1	68	47.3	44.7	442	19330	172	822	27596
조성물2	60	47.0	48.2	467	19090	107	864	29439
조성물3	18	46.9	48.0	486	22570	71	875	32701
조성물4	22	50.5	50.4	516	22970	18	926	37294
조성물5	30	52.0	49.9	553	25740	5	1049	39797
조성물6	-	-	-	612	-	-	1129	-
조성물7	-	-	-	651	-	-	1162	-
조성물8	-	-	-	661	-	-	1171	-
조성물9	-	-	-	694	-	-	1186	-
조성물10	-	-	-	703	-	-	1197	-

[표 4] 물성측정결과

	겔링타임 (sec)	겔링토크 (Nm)	겔링안정화토크 (Nm)	인장강도 (kg/㎠)	인장탄성율 (kg/㎠)	연신율 (%)
조성물11	16	51.5	27.7	514	24170	184
조성물12	10	56.8	32.0	533	23610	57
조성물13	10미만	58.3	33.6	582	39410	5

상기 [표 3]과 [표 4]에 나타난 바와 같이, 탄소섬유를 포함하는 수지조성물을 이용하여 제조한 성형물은 탄소섬유가 포함되지 않은 합성수지성형물에 비하여 인장강도와 인장탄성율이 우수하며, 또한, [표 3]에 나타난 바와 같이, 굴곡강도와 굴곡탄성률도 우수한 특징이 있다. 따라서, 탄소섬유를 포함하는 수지조성물을 보강층으로하여 3중관을 제조할 경우 수도관의 강도를 향상시킬 수 있다.

[도 1]은 [표 3]에 기재된 물성 중 탄소섬유의 포함량에 따른 인장강도의 변화를 도시한 그래프로서, [도 1]에 따르면 인장강도는 탄소섬유의 포함량이 증가함에 따라 증가하나 점차 증가세가 둔화되어 포함량이 30중량부에 이르러서는 증가세가 정체되는 양상을 나타내었다. 또한, [도 2]는 [표 3]에 기재된 물성 중 탄소섬유의 포함량에 따른 굴곡강도의 변화를 도시한 그래프로서, [도 2]에 따르면 굴곡강도 역시 탄소섬유의 포함량이 증가함에 따라 증가하나 점차 증가세가 둔화되어 포함량이 30중량부에 이르러서는 증가세가 정체되는 양상을 나타내었다.

[도 3] 내지 [도 7]은 합성수지성형물 1 내지 5를 확대촬영한 SEM사진으로, 탄소섬유가 포함되지 않은 [도 3]과는 달리 [도 4] 내지 [도 7]의 경우 가늘고 긴 원통형의 탄소섬유를 사진상에서 확인할 수 있다.

[실시예]

상기 [표 1]에 제시된 배합비에 따라 내층 및 외층용 수지조성물로 조성물 1 에 TiO₂안료를 첨가하여 배합하고, 보강층용 수지조성물로 조성물 5를 배합하여 각각 약 20분 동안 혼련한 후, 약 15분 동안 냉각하여 약 50℃의 고형조성물을 각각 수득하였다. 고형화된 수지조성물을 다층공압출성형기에 내층, 외층, 보강층 용으로 각각 투입하고 약 180℃로 가열한 후 400kg/h의 속도로 공압출한 다음 냉각하여 3중 합성수지관을 제조하였다.

제조한 합성수지관은 절단하여 사진을 촬영하였으며, 결과사진은 도 8에 나타내었다.

도 1은 합성수지성형물 1 내지 10을 대상으로 탄소섬유의 혼합비에 따른 인장강도의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 2는 합성수지성형물 1 내지 10을 대상으로 탄소섬유의 혼합비에 따른 굴곡강도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 합성수지성형물 1의 SEM사진으로, 좌측은 100배, 우측은 3000배 확대사진이고,

도 4는 합성수지성형물 2의 SEM사진으로, 좌측은 100배, 우측상단은 1000배, 우측하단은 3000배 확대사진이며,

도 5는 합성수지성형물 3의 SEM사진으로, 좌측은 100배, 우측상단은 1000배, 우측하단은 3000배 확대사진이고,

도 6은 합성수지성형물 4의 SEM사진으로, 좌측은 100배, 우측상단은 1000배, 우측하단은 3000배 확대사진이며,

도 7은 합성수지성형물 5의 SEM사진으로, 좌측은 100배, 우측상단은 1000배, 우측하단은 3000배 확대사진이다.

도 8은 실시예에 따른 3중합성수지관의 사진이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 내층, 보강층, 외층의 3중 구조로 이루어지며,

   상기 내층과 외층은 중합도가 500~2500인 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여, 안정제 1~10중량부, 가공조제 0.1~8중량부, 충격보강제 1~20중량부, 탄산칼슘 1~15중량부를 포함하는 조성물로 이루어지고,

   보강층은 중합도가 500~2500인 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여, 직경 5~10㎛, 길이 0.1~6mm인 탄소섬유 1~30중량부, 안정제 1~10중량부, 가공조제 0.1~8중량부, 충격보강제 1~20중량부, 탄산칼슘 1~15중량부를 포함하는 조성물로 이루어지며,

   상기 조성물들을 공압출하여 성형한 것을 특징으로 하는 수도용 3중 합성수지관.
4. 내층 및 외층용 수지조성물로서 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여 안정제 1~10중량부, 가공조제 0.1~8중량부, 충격보강제 1~20중량부, 탄산칼슘 1~15중량부를 포함하는 수지조성물을 배합하고, 보강층용 수지조성물로서 폴리염화비닐수지 100중량부에 대하여 탄소섬유 1~30중량부, 안정제 1~10중량부, 가공조제 0.1~8중량부, 충격보강제 1~20중량부, 탄산칼슘 1~15중량부를 포함하는 수지조성물을 배합하여 혼련하는 혼련단계,

   혼련한 고온의 수지조성물들을 냉각하여 고형화하는 1차냉각단계,

   고형화한 수지조성물들을 160~200℃로 가열한 후 공압출하여 관의 형태로 성형하는 압출단계,

   압출성형물을 냉각하고 절단하는 2차냉각단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 수도용 3중 합성수지관의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 혼련단계에서는 100~150℃의 온도로 5~30분 동안 혼련하고,

   1차냉각단계에서는 40~60℃로 냉각하고,

   압출단계에서는 300~500kg/h의 속도로 압출하는 것을 특징으로 하는 수도용 3중 합성수지관의 제조방법.

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