KR101169147B1 - 하수관용 폴리에틸렌 재생수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환경문제의 해결 및 자원의 재활용을 활성화시키고 하수관용으로 적합한 물성을 가진 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물에 관한 것으로 보다 상세하게는 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 100중량부 당 카본블랙을 혼합한 고밀도 폴리에틸렌 마스터뱃치 3~20중량부, 페놀계 산화방지제 0.01~0.1중량부, 자외선 안정제 0.15~12중량부, 가교제 0.5~3.0중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물에 관한 것으로, 특히 가교제로서는 말레익 안하이드라이드가 그라프팅된 선형 저밀도 폴리에틸렌계 또는 폴리프로필렌계 접착성수지 또는 과산화물을 사용하고 강화제로서는 제2인산칼슘 또는 제3인산칼슘 1~10중량부를 더 포함하여 순수한 고밀도 폴리에틸렌 수지보다 우수한 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성, 외압강도를 가진 재생수지를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

하수관용 폴리에틸렌 재생수지 조성물{Composition of Polyethylene Compounds for Sewer Pipe}
본 발명은 하수관용 폴리에틸렌 재생수지 조성물에 관한 것으로서 보다 상세하게는 지하에 매설되는 하수관의 인장강도, 굴곡강도 및 외압강도를 향상시킬 수 있는 하수관용 폴리에틸렌 재생수지 조성물에 관한 것이다.
종래에는 하수관은 시멘트를 원료로 제조되었으나 제조원가에 비해 운반 및 매설의 비효율성으로 인해 최근 20여년 동안에는 합성수지 소재로 대체되고 있는 실정이다.
또한 합성수지로 만들어진 하수관은 폴리에틸렌수지, 폴리염화비닐(PVC), 폴리프로필렌 등이 사용되고 있으며 무게가 가볍고 융착이 용이하여 설치하기가 간편하며 설치 및 유지비용이 저렴하고 수명이 50년 이상으로 길며 인성 및 내마모성, 내약품성이 강하다는 특징이 있다.
다만, 최근 환경문제와 자원의 재활용이라는 관점에서 폐합성수지의 재생에 관해 활발한 연구와 투자가 이루어지고 있으나, 국내에서는 재생되는 합성수지는 20%내외에 불과하고 나머지 80%는 매립 또는 소각되고 있으나 높은 비용과 소각시 발생하는 유해가스로 인한 환경오염의 문제로 인해 전 세계적으로 점차 금지되어 가고 있는 추세이다.
그에 따라 재생수지를 사용하는 방안을 모색할 수 있으나 재생된 합성수지가 순수 합성수지에 비해 낮은 물성과 품질을 가지고 있으며, 특히 하수관용 플라스틱의 경우에는 지하에 매설되기 때문에 환경응력균열저항성을 유지하면서 지반의 모래나 흙의 하중을 견디는 외압강도 및 굴곡강도, 굴곡탄성, 충격강도, 인장강도를 갖추어야 하기 때문에 재생수지의 활용이 미미한 실정이다.
한편 가교제란 고분자 사슬의 얽힘 또는 계면상의 가교도를 높여 고분자의 계면장력을 낮춤으로써 고분자 사이의 계면 결합력을 상승시켜 물성을 향상시키는 작용을 하는 것이다.
종래에는 상기한 물성 및 품질의 저하를 해결하기 위해 각종 첨가물을 명확한 기준 없이 사용함으로 인해 장기적인 사용이 예정된 하수관의 품질이 저하되는 문제가 있었다.
또한 가교제의 연구가 대부분 폐합성수지가 아닌 순수 수지에 대해서만 사용하고 물성의 저하와 가공의 어려움이 따르는 다성분계 재생수지에 대한 적용시킬 기준이 모호한 실정이다.
따라서 고밀도 폴리에틸렌 재생수지를 이용한 하수관의 안전성과 장기간의 수명을 갖기 위한 가교제 및 강화제의 성분 및 함량에 대한 최적의 기준 마련이 문제된다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 폐합성수지의 매몰과 소각으로 인한 환경문제를 해결하고 자원의 재활용에 의한 원가절감에 이바지할 수 있는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 하수관에 필수적으로 요구되는 외압강도 및 굴곡강도를 유지시킬 수 있는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 각종 불순물이 함유되어 있는 고밀도 폴리에틸렌 재생수지에 적합한 강화제와 가교제의 성분과 함량을 조절함으로써 안전성과 내압성이 향상된 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 하수관용으로 사용되는 고밀도 폴리에틸렌 재생수지에 있어서 가장 큰 문제점인 상기 기계적 물성저하를 최소화하고 순수 고밀도 폴리에틸렌 수지보다 더 우수한 기계적 강도를 가질 수 있는 최적의 혼합비를 가진 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하수관용 폴리에틸렌 재생수지 조성물은 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 100중량부 당 카본블랙을 혼합한 고밀도 폴리에틸렌 마스터뱃치 3~20중량부, 페놀계 산화방지제 0.01~0.1중량부, 자외선 안정제 0.15~12중량부, 가교제 0.5~3.0중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 상기 자외선 안정제는 2-(2‘하이드록시-5’-메틸페닐)벤조트리아졸인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 상기 마스터뱃치는 마스터뱃치 100중량부 당 1~5중량부의 카본블랙을 혼합한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 상기 페놀계 산화방지제는 테트라키스(3-(3,5-디테트라부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 상기 가교제는 말레익 안하이드라이드가 그라프팅된 선형 저밀도 폴리에틸렌계 또는 폴리프로필렌계 접착성수지인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 상기 가교제는 과산화물인 케톤 퍼록사이드(ketone peroxide), 퍼록시케탈스(peroxyketals), 하이드로퍼록사이드(hydroperoxide, 디알릴 퍼록사이드(dialyl peroxide), 디아실 퍼록사이드(diacyl peroxide) 중 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 제2인산칼슘 또는 제3인산칼슘 1~10중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물은 환경오염의 방지 및 자원의 재활용을 활성화시킬 수 있다.
또한, 하수관에 필수적으로 요구되는 외압강도, 인장강도, 굴곡강도 등 물성의 향상시키는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 재생수지에 대한 활용을 극대화할 수 있는 가교제와 강화제의 성분 및 함량을 정량화하여 원가절감 및 하수관의 품질을 향상시킬 수 있는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물을 제공할 수 있다.
이하에서, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 있어서, 고밀도 폴리에틸렌 재생수지는 유기 또는 무기 불순물의 총량이 상기 고밀도 폴리에틸렌 재생수지의 15wt%이하인 것이 바람직하다. 이는 불순물의 양이 15wt%를 초과하면 오히려 강도가 약해지고 물러지기 때문이다.
본 발명에서 마스터뱃치는 마스터뱃치 100중량부, 1~5중량부의 카본블랙을 혼합한 것으로서 3~20중량부인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5~10중량부이다. 이는 상기 재생수지에 포함되어 있는 불순물의 양에 따라 마스터뱃치의 혼합량을 조절할 필요성이 있기 때문이다. 한편 고밀도 폴리에틸렌 재생수지는 ASTM D1238에 따라 200℃, 5kg 하중 하에서 측정한 용융지수(MI)가 2.56g/10분이고, 밀도가 0.959kg/m3인 것이 적합하다.
본 발명에 있어서, 산화방지제는 페놀계 산화방지제로서 테트라키스(3-(3,5-디테트라부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트)로서 0.01~0.1중량부인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 가교제는 말레익 안하이드라이드가 그라프팅된 선형 저밀도 폴리에틸렌계 또는 폴리프로필렌계 접착성수지인 것을 특징으로 하는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물로서 0.5~5중량부인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 2~3중량부이다.
상기 접착성수지는 일반적으로 이종기재와의 접착력을 증진시키기 위해 그라프트 공중합을 통해 극성기를 도입한 변성폴리올레핀 수지로 일반 폴리올레핀 수지와 유사한 성질을 가지고 있으며, 일반적인 순수한 고밀도 폴리에틸렌 수지와는 다르게 폴리에틸렌 재생수지의 경우에는 수거과정 또는 처리과정에서 자연적으로 포함되는 무기 및 금속 소재가 포함되어 있는 특성으로 인해 3중량부를 초과하여 혼합하여도 물성이 더 이상 향상되지 못하는 특성이 있고 0.5중량부 이하인 경우에는 가교에 의한 물성증가의 효과를 나타내지 못한다.
본 발명에 있어서, 가교제는 과산화물인 케톤 퍼록사이드(ketone peroxide), 퍼록시케탈스(peroxyketals), 하이드로퍼록사이드(hydroperoxide, 디알릴 퍼록사이드(dialyl peroxide), 디아실 퍼록사이드(diacyl peroxide) 중 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 한다. 상기한 과산화물 가교제를 이용하여 가지가 적은 고밀도 폴리에틸렌에 부분적인 가교를 시켜 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성, 외압강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 강화제로서 제2인산칼슘(Ca3O8P2) 또는 제3인산칼슘(Ca3(PO4)2)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물로서 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 100중량부, 1~10중량부인 것이 바람직하다.
강화제의 역할은 폴리에틸렌의 사슬을 더욱 증가시켜 기계적 강도를 향상시킬 수 있으나, 10중량부를 초과하는 경우에는 오히려 외압강도 등이 줄어들고 물러지기 때문에 하수관용으로 부적합하게 되므로 10중량부를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 강화제의 함량은 재생수지에 포함된 불순물의 양에 따라 조절함으로써 더욱 우수한 물성을 가진 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물은 하기 표1에 기재된 조성에 따라 각 성분들을 평량하여 믹서로 균일하게 혼합한 다음 이축 압출기로 220℃의 온도에서 용융 압출하여 펠렛화하였다. 수득된 수지 펠렛은 용융지수가 2.56g/10분이고 0.959kg/m3의 밀도를 나타내었다.
특히 가교제로서 말레익 안하이드라이드가 그라프팅된 선형 저밀도 폴리에틸렌계 또는 폴리프로필렌계 접착성수지 0.5중량부를 사용하였다.
상기 수지 펠렛을 압축하여 쉬트로 성형하고, 아울러 단일 스크류형 압출기로 200℃의 가공온도에서 파이프를 성형하였다. 상기 쉬트 및 파이프의 물성을 후술할 시험규격에 따라 측정하였으며, 그 결과는 하기 표2와 같다.
상기 가교제로서 말레익 안하이드라이드가 그라프팅된 선형 저밀도 폴리에틸렌계 접착성수지 1.5중량부인 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표2와 같다.
상기 가교제로서 말레익 안하이드라이드가 그라프팅된 선형 저밀도 폴리에틸렌계 접착성수지 3.0중량부인 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표2와 같다.
상기 가교제로서 케톤 퍼록사이드(ketone peroxide) 0.5중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표3과 같다.
상기 가교제로서 케톤 퍼록사이드(ketone peroxide) 1.5중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표3과 같다.
상기 가교제로서 케톤 퍼록사이드(ketone peroxide) 3.0중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표3과 같다.
상기 강화제로서 제2인산칼슘 5중량부를 더욱 포함하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표4와 같다.
상기 강화제로서 제2인산칼슘 10중량부를 더욱 포함하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2과 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표4와 같다.
상기 강화제로서 제2인산칼슘 15중량부를 더욱 포함하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표4와 같다.
인장강도(kg/cm2)는 2mm 시편으로 ASTM D638에 의해 측정됨.
신율(%)은 2mm 시편으로 ASTM D638에 의해 측정됨.
굴곡강도(kg/cm2)는 4mm 시편으로 ASTM D747에 의해 측정됨.
굴골탄성(kg/cm2)는 4mm 시편으로 ASTM D747에 의해 측정됨.
IZOD충격강도(kg ㆍm/m, 23℃)는 4mm 시편으로 ASTM D256에 의해 측정됨.
외압강도(kN/m2) 외경 110mm 두께 10mm의 파이프로 ISO9969에 의해 측정됨.
비교예 1은 상기 가교제 및 강화제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1~9와 동일한 방식으로 수지 펠렛을 제조하고, 쉬트 및 파이프로 성형한 다음 물성을 측정하였다. 그 결과는 하기 표1과 같다.
항목 비교예1
함량
(중량부)		 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 100
마스터뱃치 10
산화방지제 0.05
자외선안정제 0.2
가교제 -
강화제 -
수지 조성물의 기본물성 용융지수 2.56
밀도 0.959
파이프 및 쉬트의 물성 인장강도 166
신율 386
굴곡강도 169
굴곡탄성 6779
충격강도 7.8
외압강도 115
항목 실시예1 실시예2 실시예3
함량
(중량부)		 고밀도 폴리에틸렌
재생수지		 100 100 100
마스터뱃치 10 10 10
산화방지제 0.05 0.05 0.05
자외선안정제 0.2 0.2 0.2
가교제(LLDPE계
접착성 수지)		 0.5 1.5 3.0
수지 조성물의 기본물성 용융지수 2.55 2.53 2.52
밀도 0.952 0.957 0.959
파이프 및 쉬트의 물성 인장강도 170 178 189
신율 461 477 478
굴곡강도 175 185 191
굴곡탄성 7100 7215 7398
충격강도 10.2 11.0 12.2
외압강도 119 128 137
상기 실시예 1~3에 의하면 가교제로서 접착성 수지를 0.5, 1.5, 3.0중량부를 혼합함에 따라 인장강도, 신율, 굴곡강도, 굴곡탄성, 충격강도, 외압강도가 증가함을 확인할 수 있다.
항목 실시예4 실시예5 실시예6
함량
(중량부)		 고밀도 폴리에틸렌
재생수지		 100 100 100
마스터뱃치 10 10 10
산화방지제 0.05 0.05 0.05
자외선안정제 0.2 0.2 0.2
가교제(케놀 퍼록사이드) 0.5 1.5 3.0
수지 조성물의 기본물성 용융지수 0.255 2.53 2.51
밀도 0.951 0.958 0.962
파이프 및 쉬트의 물성 인장강도 169 178 199
신율 399 394 381
굴곡강도 177 188 194
굴곡탄성 7115 7210 7445
충격강도 9.3 13.5 13.7
외압강도 121 135 147
상기 실시예 4~6에 의하면 가교제로 과산화물로서 케놀 퍼록사이드을 사용한 경우, 재생수지와 부분가교에 의하여 주사슬의 유연성이 감소되어 신율은 감소하였으나 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성, 충격강도, 외압강도는 비교예1보다 현저히 향상됨을 알 수 있다.
항목 실시예7 실시예8 실시예9
함량
(중량부)		 고밀도 폴리에틸렌
재생수지		 100 100 100
마스터뱃치 10 10 10
산화방지제 0.05 0.05 0.05
자외선안정제 0.2 0.2 0.2
가교제(LLDPE계 접착성수지) 0.5 1.5 3.0
강화제(제2인산칼슘) 5 10 15
수지 조성물의 기본물성 용융지수 2.51 2.45 2.40
밀도 0.963 0.975 0.981
파이프 및 쉬트의 물성 인장강도 182 183 189
신율 443 451 452
굴곡강도 181 195 190
굴곡탄성 9200 9500 9510
충격강도 13.4 14.6 13.9
외압강도 131 148 146
상기 실시예 7~9에 의하면 강화제를 5~10중량부까지 혼합함으로써 인장강도, 신율, 굴곡강도, 굴곡탄성, 충격강도, 외압강도가 증가하나, 10중량부를 초과하는 경우에는 상기한 신율은 약간 증가 하였으나, 굴곡강도, 굴곡탄성, 충격강도, 외압강도가 향상되지 못하고 오히려 저하되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 강화제인 인산칼슘의 비율은 1~10중량부인 것이 바람직하다.
상기 실험예1~9에서 알 수 있듯이 비교예1에 비하여 본 발명에 따른 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물은 하수관용으로 적합하도록 인장강도, 충격강도 및 외압강도 등이 현저히 증가하였고, 이는 순수한 고밀도 폴리에틸렌 수지보다 더욱 향상된 물성을 나타낸다.

Claims (4)

  1. 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 100중량부, 카본블랙을 혼합한 고밀도 폴리에틸렌 마스터뱃치 3~20중량부, 페놀계 산화방지제 0.01~0.1중량부, 자외선 안정제 0.15~12중량부, 가교제 0.5~3.0중량부 및 제2인산칼슘 5~10중량부를 포함하여 이루어지되,
    상기 카본블랙은 상기 고밀도 폴리에틸렌 마스터뱃치 100중량부를 기준으로 1~5중량부가 혼합되고,
    상기 가교제는 과산화물인 케톤 퍼록사이드, 퍼록시케탈스, 하이드로퍼록사이드, 디알릴 퍼록사이드, 디아실 퍼록사이드 중 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 하수관용 고밀도 폴리에틸렌 재생수지 조성물.



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