KR101214800B1

KR101214800B1 - 중심층에 ｃ-ｐｖｃ를 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관

Info

Publication number: KR101214800B1
Application number: KR1020100066856A
Authority: KR
Inventors: 유수택; 김낙주
Original assignee: 주식회사 고리
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-12-24
Also published as: KR20120006231A

Abstract

본 발명은 PVC 레진 분말 100중량부에 대하여 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산을 0.1~20.0중량부로 구성된 마스터배치 혼합물을 삼중관의 내외층 및 중심층의 수지 조성물에 첨가하고 또한 내외층의 수지 조성물에 항균제인 은(Ag)을 함유하는 다공성 실리카 복합체 분말을 첨가하였으며 중심층에는 염소화염화비닐(CPVC: Chlorinated Poly Vinyl Cloride) 레진을 함유하는 상수도용 3층 구조관으로 본 발명의 상수도관은 관 성형 시 정전기 현상이 일어나지 않아 분산성이 뛰어나고 스크류 내의 과부하를 억제하여 압출량이 증대되며, 금형(코엑스)에서의 탄화 현상이 발생하지 않아 생산성의 향상과 인장강도 및 내충격성이 우수하고 수압 및 외압에 의한 변형을 최소화할 수 있고 항균성이 뛰어난 것을 특징으로 한다.

Description

중심층에 Ｃ-ＰＶＣ를 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관{3 LAYER STRUCTURE IMPACT WATER PIPE WITH C-PVC CENTER LAYER}

상수도관용 합성 수지관은 고압을 견뎌내야 하나 인장강도나 내충격이 약하다는 단점이 있어, 이를 극복하기 위해 수지관을 내층, 중심층 및 외층을 갖는 삼중관으로 형성하고, 또한 각층의 수지 성분이나 수지의 조성비율을 달리하여 제작하는 것이 일반적이다.

그러나 상기와 같은 3중관은 각층의 수지 상호간에 정전기가 발생되어 스크류 내의 과부하가 일어나 압출량이 저하되며 탄화현상이 나타나 생산성이 떠어지는 것은 물론 인장 강도나 내충격 강도가 약해져 수압이나 외압에 의한 변형을 초래하는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

본 발명은 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산(2--octyl dodecyl stearate)과 PVC레진을 마스터 배치화(이하 "마스터배치 혼합물"이라 정의한다)하여 이를 삼중관의 내외층 및 중심층의 수지 조성물에 첨가하고 또한 내외층의 수지 조성물에 항균제인 은(Ag)을 함유하는 다공성 실리카 복합체 분말을 함유함을 특징으로 하는 상수도관에 관한 것으로 본 발명의 상수도용 수지관은 가공성 및 내충격성이 뛰어나고 물리적 특성 및 항균성이 우수한 특징을 가지고 있다.

염화비닐 수지는 저렴한 가격에 비해 물리, 화학적 성질이 우수하여 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있으나, 내열성, 인장강도 및 내충격성에 취약하고 열변형이나 시간이 경과하면 변색되는 등의 단점이 있어 이를 보완하기 위하여 열안정제, 가공조제, 자외선방지제, 충격보강제, 충진제 등의 첨가제를 사용하고 있다.

종래의 기술들을 살펴보면. 국내 등록특허 제877201호에는 수지관을 외층(1), 중층(2) 및 내층(3)의 3중벽구조로 형성하고 내층과 외층 및 중심층의 수지 조성 비율을 달리한 합성수지관의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기와 같은 3중관은 각층의 수지 상호간에 정전기가 발생되어 스크류 내의 과부하가 일어나 압출량이 저하되어 탄화현상이 나타나 생산성의 저하는 물론 인장 강도나 내충격 강도가 약해져 수압이나 외압에 의한 변형을 초래하는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

또한, 일본 공개특허공보 소60-255813호에는 단독 중합체의 유리 전이 온도가 -10℃ 이하인 아크릴 단량체와 다관능성 단량체로 이루어진 아크릴계 공중합체에 염화비닐을 그래프트 공중합시켜 내충격성, 내후성, 굽힘 탄성이 우수한 염화비닐계수지를 제조하는 기술이 개시되어 있고,

국내 등록특허 제909183호에는 폴리염화비닐수지에 탄소섬유를 혼합하여 강도를 향상시킨 보강층을 포함하는 삼중구조의 수도용 합성수지관에 관한 기술이 개시되어 있다. 그리고, 국내 등록특허 제601004호에는 비납계 안정제와 레진(PVC원료)으로 이루어진 혼합분말을 사용하여 피브이시 성형관을 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이들 기술에서는 염화비닐계 수지의 내충격성은 향상되고 있지만, 합성 수지관의 강도가 증가함에 따라 도리어 크랙이 발생하여 통수시 관이 찢어지는 경우가 다수 발생되고, 이음관 접합시 외면의 단단함과 미끄러움 때문에 본드 접합시 접착부위가 분리되고 조임식 금속제 이음관을 체결한 경우에도 관이 미끄러져 이음관이 이탈하는 경우가 다발적으로 발생하는 문제점이 발생되었다. 또한, 수돗물에 다량으로 존재하는 대장균 등의 세균을 살균 소독하기 위하여 염소를 사용하고 있지만 수돗물에 잔존하는 잔류 염소가 인체에 해를 줄 수도 있다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 정체된 수돗물에서 증식하는 세균의 번식을 억제하기에는 현재 사용하고 있는 주철관이나 합성수지관은 많은 문제점을 가지고 있어, 우리나라의 일반 가정에서 수돗물을 그대로 식수로 음용하는 예는 찾아볼 수 없는 실정이다. 따라서, 수돗물에 잔존하는 잔류 염소의 양을 현저히 줄이면서도 수도관 내에서의 세균번식을 방지하기 위한 상수도관의 개발이 절실히 요구되고 있다.

이에 본 발명자는 상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 마스터배치 혼합물을 삼중관의 내외층 및 중심층의 수지 조성물에 첨가하고 또한 내외층의 수지 조성물에 항균제인 은(Ag)을 함유하는 다공성 실리카 복합체 분말을 첨가하였으며 중심층에는 염소화염화비닐(CPVC: Chlorinated Poly Vinyl Cloride) 레진을 함유하는 수지 조성물로 상수도용 3층 구조 관을 제조한 결과 수도관 성형 시 정전기 현상이 일어나지 않아 분산성이 뛰어나고 스크류 내의 과부하를 억제하여 압출량이 증대되며, 금형(코엑스)에서의 탄화 현상이 발생하지 않아 생산성의 향상과 인장강도 및 내충격성이 우수하고 수압 및 외압에 의한 변형을 최소화할 수 있고 항균성이 뛰어난 것을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 상수도용 3층 구조관에 사용되는 수지 조성물은 3층 구조관의 내외층에는 PVC 레진, 마스터 배치 혼합물 및 나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체 분말을 포함하고 중심층에는 PVC 레진, CPVC 레진 및 마스터 배치 혼합물을 함유함을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 상수도용 3층 구조관을 제조하기 위한 수지 조성물은 외층(1) 및 내층(3)과 중심층(2)과는 수지의 조성성분이나 조성비율을 달리한 것으로 이를 구체적으로 살펴보면, 내층 및 외층은 PVC레진, 마스터 배치 혼합물, 안정제, 충진제, 지당, 가공조제, 충격보강제 및 항균제인 나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체 분말로 조성되어 있으며, 중심층은 PVC 레진, CPVC 레진, 마스터 배치 혼합물, 가공조제, 충격보강제, 안정제 및 활제를 함유함을 특징으로 한다.

중심층에는 PVC 레진 및 CPVC 레진과 마스터 배치 혼합물을 함유하고 또한, 내외층은 나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체 분말을 함유하는 본 발명의 상수도관은 정전기 현상 및 스크류 내의 과부하를 억제하여 정전기 현상이 방지되며, 분산성이 뛰어나고, 탄화현상이 방지되며, 압출량의 증대로 생산성의 향상과 인장강도 및 내충격성이 높고, 수압 및 외압에 의한 변형을 최소화할 수 있으며, 인체에 무독하면서도 내화학성 및 항균성이 뛰어난 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 CPVC를 중심층에 함유하는 3층 구조를 갖는 내충격 상수도관의 사시도.

본 발명에 따른 상수도용 합성수지관 조성물의 조성성분 및 조성 비율은 아래의 [표 1]과 같다.

원 료	내외층(중량부)	중심층	비 고
PVC 레진	100	100	1차 H-Mixer 온도: 100-140 2차 C- Blander온도: 상온-60
CPVC		5.0~1,000
마스터 배치 혼합물	1.0~20.0	1.0~30
안정제	1.5~4.0	2.0~10.0
충진제	0.1~3.0	-
지당	1.0~4.0	-
가공조제	0.1~2.0	0.1~4.0
충격보강제	5.0~8.0	1.0~5.0
나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체	0.1~1.0	-
활제	0.1~2.0	0.1~4.0

상기 PVC 레진 및 CPVC레진의 평균 중합도는 800～1,200의 범위 내인 것을 사용함을 특징으로 한다. 상기 PVC 레진의 중합도가 800 미만으로 되는 경우, 충격강도 및 인장강도와 같은 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 1,200을 초과하는 경우, 일반적인 가공온도에서 가공이 어려우며, 가공온도를 높일 경우, 열안정성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다. 상기의 PVC 레진은 염화 비닐 단량체 단독, 또는 염화 비닐 단량체 및 염화 비닐 단량체와 공중합 가능한 다른 단량체의 혼합물을 공지의 방법으로 중합하여 이루어지는 레진으로 상기 염화 비닐 단량체와 공중합 가능한 다른 단량체로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 초산 비닐 등의 알킬 비닐 에스테르류 ; 에틸렌, 프로필렌 등의 α-모노올레핀류 ; 염화비닐리덴 ; 스티렌 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 좋고, 2종류 이상을 병용해도 좋다.

상기의 마스터 배치 혼합물은 PVC 레진 분말 100중량부에 대하여 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산을 0.1~20.0중량부로 구성되거나, PVC 레진 분말 100중량부에 대하여 지당 0.1~10중량부, 활제 0.1~10.0중량부, 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산을 0.1~20.0중량부로 구성되어 있다. 마스터 배치(master batch)란 기본 플라스틱 원료와 투입하고자 하는 첨가제를 고농도로 농축하여 분산시켜 펠렛(PELLET)화 한 것을 말하고, 플라스틱 원료와 첨가제를 마스터 배치화하는 이유는 첨가제들은 대부분이 가루 상태이거나 액체 상태이므로 직접 플라스틱 원료와 섞어서 사용하기가 어려울 뿐만 아니라, 기본플라스틱 원료와의 혼련성이 나빠져서 첨가제의 분산불량이 발생하므로 이를 방지하기 위하여 마스터 배치화하고 있다.

본 발명의 마스터배치 혼합물의 조성은 [표 2]와 같다.

원 료	조성 1 (중량부)	조성 2 (중량부)	비 고
PVC레진(분말)	100	100	1차H-Mixer온도: 40-120℃ 2차C-Blander온도: 상온 - 60℃
2-옥틸도데실스 테아린산(액상)	0.1~20	0.1~20
지당		0.1~10
활제		0.1~10

본 발명에서 사용하는 항균제는 나노 은(Ag) 0.1~5중량%와 다공성 실리카 95~99.9중량%로 이루어진 나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체 분말 0.1 내지 1.0중량부를 사용한다. 상기 항균제의 첨가량이 0.1중량부 미만이면 항균효과가 미비하며, 1.0중량부를 초과할 경우 제조원가의 상승의 요인이 된다. 안정제로는 Pb계를 제외한 통상의 Ba의 유기산 금속염, Ca의 유기산 금속염, Cd의 유기산 금속염 및 Mg의 유기산 금속염으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 복합 열안정제를 1.5~4.0중량부 사용한다. 상기의 복합 열안정제는 가공을 위해 가해지는 열에 의한 PVC 레진의 탄화를 방지해 주는 역할을 한다. 이러한 복합 열안정제는 수득되는 제품의 내후성 및 안정성을 향상시키는 기능을 한다. 상기 복합 열안정제가 1.5중량부 미만으로 사용되는 경우, 열안정성이 저하되어 가공 중에 탄화가 일어나는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 4.0중량부를 초과하는 경우, 충격강도가 저하되고, 생산원가가 상승되는 문제점이 있을 수 있다. 충격보강제로는 MBS(Methyl Methacrylate-Butadiene Styrene), CPE(chlorinated polyethylene) 중 어느 하나이거나 양자를 혼용한 것을 1~8중량부를 사용할 수 있다. 충진제로는 통상의 탄산칼슘 또는 탈크 중 어느 하나로 0.3~5중량부를 사용한다.

지금까지의 합성수지 조성물에 있어서 충진제는 다른 첨가제에 비해 조성비율이 높은 것이 일반적이나 본 발명에서는 내외층의 수지 조성물은 0.1~3중량부로 한정한 점에도 특징이 있다. 즉, 충진제의 첨가량이 3중량부를 초과할 경우, 물성 및 가공성이 저하되고 충격강도가 약해지는 단점이 있기 때문이다.

<실시예1>

<내외층 수지 조성물의 제조>

중합도 1,000의 폴리염화비닐 레진 100중량부에 대하여, 마스터 배치 혼합물 10중량부, 나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체 분말 0.3중량부, Ca의 유기산 금속염 3중량부, CPE(chlorinated polyethylene) 5중량부, MBS(Methyl Methacrylate- Butadiene Styrene) 1중량부, 탄산칼슘 2중량부, 지당 2중량부, 가공조제 1중량부 및 활제 1중량부로 구성된 폴리염화비닐 수지 조성물을 제조하였다.

<중심층 수지 조성물의 제조>

중합도 1,000의 폴리염화비닐 레진 100중량부에 대하여, 중합도 1,000의 CPVC 레진 5 내지 1,000중량부, 마스터 배치 혼합물 10중량부, Ca의 유기산 금속염 4중량부, CPE(chlorinated polyethylene) 1중량부, 가공조제 1중량부 및 활제 1중량부로 구성된 CPVC를 함유하는 수지 조성물을 제조하였다.

<실시예2>

3층 구조관의 외층(1)과 내층(3)은 실시예1의 내외층 수지 조성물로 중심층은 실시예1의 중심층 수지 조성물을 이용하여 이들 수지 조성물을 각각 110~140℃로 Heating Mixer 한 후 압출기에서 압출 성형하여 중심층에 CPVC를 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관을 제조하였다.

상기의 실시예2와 같이 제조된 중심층에 CPVC를 함유하는 3층 구조 내충격 상수도용 합성수지관의 인장강도, 수압시험, 편형 시험, 연화온도 시험 및 낙추충격시험을 KS M 3401의 시험기준에 따라 시험한 결과 [표 3]과 같다.

시험항목	KS M 3401	실시예2의 상수도관
인장 시험	23℃에서 43MPa(439Kgf/㎠) 이상	50MPa(510Kgf/) 이상
수압시험	40Kgf/㎠에서 1분간 유지시 누수 및 그 밖의 결점이 없을 것	60Kgf/㎠ 이상에서도 누수 및 그 밖의 결점이 나타나지 아니함
편평시험	1/2압축시 균열, 파열, 층간 분리 및 기공 등이 없을 것	4/5압축시 균열, 파열, 층간 분리 및 기공 등이 없음
비카트 연화온도시험	76℃ 이상일 것	82℃ 이상
낙추충격시험(100mm)	9Kg의 원뿔추로 높이 1.5M에서 떨어뜨릴 경우 이상이 없을 것	9Kg의 원뿔추로 높이 2.5M에서 떨어뜨려도 이상 없음

상기 [표 3]에 의하면 본 발명의 실시예2로부터 제조된 상수도용 3층 구조관은 인장강도나 충격강도, 수압시험, 편평시험 및 연화온도시험에서 KS 기준치보다도 월등히 높은 것을 확인할 수 있다.

<압출량의 시험>

본 발명의 실시예1과 같이 제조된 중심층에 CPVC를 함유하는 3층 구조 내충격 상수도용 합성수지관 조성물로 3층 구조관을 압출 성형할 시 압출량과 마스터 배치 혼합물을 사용하지 아니한 종래의 수지 조성물로 삼중관을 압출 성형할 시의 압출량을 시험하기 위하여 주식회사 고리의 정읍공장 1~9호기의 압출기를 사용하여 압출 성형 시 원료의 압출량을 비교한 결과는 [표 4]와 같다.

호 기	관의 종류	마스트배치 혼합물(×)	실시예1의 조성물 사용	변화량	비 고(%)
1	HI -3P 25	1.368	1.555	0.169	12.19
2	HI -3P 75	3.846	5.146	1.300	33.80
3	HI -3P 50	3.627	4.544	0.917	25.28
5	HI -3P 150	3.580	4.194	0.614	17.15
7	HI -3P 150	3.485	4.289	0.804	23.07
9	HI -3P 300	5.072	5.698	0.626	12.34
계		20.996ton/day	25.426ton/day	4.430ton/day	21.10

[표 4]에서 알 수 있듯이 마스터 배치 혼합물을 첨가한 본 발명의 수지 조성물을 사용하여 압출 형성 시 원료의 압출량이 종래의 수지 조성물을 사용하여 압출 성형 시 원료의 압출량에 비하여 20% 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.

<항균성 시험>

실시예2의 수지관과 통상의 항균제를 함유하지 아니한 합성수지 상수도관을 가로 30cm, 세로 50cm 크기로 절단하여 항균성에 대한 시험을 실시하였다. 시험균주로는 대장균(Escherichia Coil)을 사용하였다. 상기의 시험균주는 고체 배지에 배양한 균주를 상기의 대조시편과 본 발명의 실시예2의 시험편 및 항균제가 미첨가된 시험편에 접종한 후 초기 대장균수와 24시간 경과 후의 대장균수를 측정하였다.

	대조시편	실시예2 시험편	항균제 미첨가 시험편
접촉직후 (세균수/ml)	6.1 * 10³	6.1 * 10³	6.1 * 10³
24시간 후 (세균수/ml)	2.5 * 10⁵	1.5 * 10³	2.3 * 10⁵
감소율	-	99.4	8.0

정균율(%) = (A-B)/A×100

여기에서, A: 대조편에서 대장균을 24시간 배양한 후의 세균수

B: 시험편에서 24시간 배양후의 균수(실시예 1, 항균제 미첨가 시험편)

상기 [표 5]에 나타난 바와 같이, 시험 결과 대장균은 초기 6.1×10³에서 24시간 경과하였을 때, 대조편의 경우 2.5 ×10⁵, 본 발명의 항균제를 사용한 실시예1의 시험편은 1.5 × 10³로 항균제를 사용하지 않은 시험편 경우 2.3 × 10⁵로 항균제를 넣지 않은 대조편이나 비교예2에 비하여 본 발명의 조성물은 91~99% 이상의 항균 억제 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

1: 외층 2: 중심층 3: 내층

Claims

외층(1), 중심층(2) 및 내층(3)의 3층 구조를 갖는 CPVC를 중심층에 함유하는 내충격성 상수도관에 있어서,
외층(1) 및 내층(3)의 수지조성물은 PVC 레진 100중량부에 대하여, 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산(2--octyl dodecyl stearate)과 PVC레진을 마스터 배치화한 마스터배치 혼합물 1.0~20.0중량부, 안정제 1.5~4.0중량부, 충진제 0.1~3.0중량부, 지당 1.0~4.0중량부, 가공조제 1.0~2.0중량부, 충격보강제 5.0~8.0중량부, 활제 0.1~2.0중량부 및 나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체 0.1~1.0중량부로 조성되고,
중심층(2)의 수지조성물은 PVC 레진 100중량부에 대하여, 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산(2--octyl dodecyl stearate)과 PVC레진을 마스터 배치화한 마스터배치 혼합물 1.0~30중량부, 안정제 2.0~10중량부, 가공조제 0.1~4.0중량부, 충격보강제 1.0~5.0중량부 및 활제 0.1 내지 4.0중량부로 조성되는 것을 특징으로 하는 CPVC를 중심층에 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관.
제1항에 있어서,
마스터 배치 혼합물은 PVC 레진 분말 100중량부에 대하여 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산을 0.1~20.0중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CPVC를 중심층에 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관.
제1항에 있어서,
마스터 배치 혼합물은 PVC 레진 분말 100중량부에 대하여 액상의 2-옥틸 도데실 스테아린산을 0.1~20.0중량부, 지당 0.1~10중량부, 활제 0.1~10중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 CPVC를 중심층에 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관.
제1항에 있어서 PVC레진 및 CPVC레진은 중합도가 800 내지 1,200인 것을 특징으로 하는 CPVC를 중심층에 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
외층(1) 및 내층(3)의 수지조성물 중 나노 은(Ag) 다공성 실리카 복합체는 나노 은(Ag) 0.1~5중량%와 다공성 실리카 95~99.9중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 CPVC를 중심층에 함유하는 3층 구조 내충격 상수도관.