KR101285764B1 - 폴리에틸렌 파이프 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에틸렌 파이프의 접합방법, 및 상기 접합방법에 사용되는 연결파이프 및 발열시트에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프를 연결파이프에 끼우고, 탄소나노튜브 및 폴리에틸렌을 포함한 접합입자를 내부에 충전한 파이프 접합재를 상기 폴리에틸렌 파이프 사이에 끼우고, 발열시트를 감싸 상기 파이프 접합재를 용융시킴으로써 폴리에틸렌 파이프를 접합시키는 방법 등에 관한 것이다. 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 파이프의 말단이 아니라 연결 부위의 외경을 발열시트로 감싸 열을 공급하고, 융착 완료 후 냉각이 종료될 때까지 상기 발열시트를 제거하지 않음으로써, 종래 맞대기 융착방법의 문제점이었던 접합 도중의 열원 제거로 인한 융착의 불완전성을 근원적으로 제거할 수 있다. 이처럼 완전한 융착과 별도의 연결파이프로 인해 내압성과 내충격성이 향상되고, 접합 부위의 기밀성 유지 기간이 연장되어 파이프의 유지, 보수 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

Description

폴리에틸렌 파이프 접합방법 {Joining Method of Polyethylene Pipe}

본 발명은 폴리에틸렌 파이프의 접합방법, 및 상기 접합방법에 사용되는 연결파이프 및 발열시트에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프를 연결파이프에 끼우고, 탄소나노튜브 및 폴리에틸렌을 포함한 접합입자를 내부에 충전한 파이프 접합재를 상기 폴리에틸렌 파이프 사이에 끼우고, 발열시트를 감싸 상기 파이프 접합재를 용융시킴으로써 폴리에틸렌 파이프를 접합시키는 방법 등에 관한 것이다.

상하수도 및 가스용 폴리에틸렌 파이프는 전식, 부식이 없고, 관석이 발생하지 않아 파이프로서 우수한 물성을 지니고 있다. 나아가, 무독무취하고, 내산성 및 내알칼리성 등 물리적, 화학적 특성이 뛰어나며 수명이 50 년 이상으로 길어 오늘날 많은 분야에서 배관 파이프로 사용되고 있다.

한편 배관의 품질은 연결부위에서 좌우되는데, 폴리에틸렌은 다른 폴리머와 접착되지 않고, 용제에 용해되지도 않아 폴리에틸렌 파이프의 연결은 오로지 용융접합으로만 가능하다.

이러한 용융접합 연결방법으로는 종래 맞대기 융착 (Butt Fusion), 소켓 융착 (Socket Fusion), 새들 융착 (Saddle Fusion) 등이 있다. 기존 방법 중 맞대기 융착은 연결시 발열판으로 파이프 말단을 용융 후 발열판을 제거하고 상기 파이프를 서로 밀착시켜 접착시키는 방법이나, 발열판 제거시 파이프 말단의 용융물 중 온도 분포가 급격하게 변화하여 이후 접착 불량을 발생시키고, 주위 환경에 따라서도 융착 조건이 변화하는 등 실제 시공에 어려운 점이 많았다. 그리고, 소켓이나 새들의 경우 그 자체로 고가이고, 모양이나 크기에 제약이 있어 적용이 쉽지 않은 문제점이 있다. 이러한 문제점의 해결을 위해 소켓 내부의 구리선을 탄소섬유로 변경하는 등의 시도가 있었으나, 경제성 측면에서 널리 받아들여지기 곤란한 단점이 있어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프를 별도의 연결파이프에 간격을 두고 끼운 다음, 폴리에틸렌과 탄소나노튜브를 포함한 파이프 접합재를 상기 간격에 끼우고, 별도의 발열시트로 상기 파이프 접합재를 용융 및 냉각시켜 폴리에틸렌 파이프를 접합시키는 폴리에틸렌 파이프 접합방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 연결파이프를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 상기 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 발열시트를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,

(A) 연결파이프의 양단에 접합하고자 하는 한 쌍의 폴리에틸렌 파이프 각각을 끼우고, 이때 연결파이프의 외면이 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 내면에 밀착되고, 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격은 폴리에틸렌 파이프 두께의 20 내지 100 % 인 단계;

(B) 외표면이 탄소나노튜브 및 열가소성 수지를 포함한 열전달층으로 코팅되고, 내부는 탄소나노튜브 및 폴리에틸렌을 포함한 접합입자들로 채워지고, 폴리에틸렌 필름으로 이루어진 밀폐형 파우치를 포함하는 파이프 접합재를 상기 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격에 끼워 넣는 단계;

(C) 보호필름으로 상기 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프 외면을 감싸는 단계;

(D) 폴리이미드 필름 일면에 열경화성 수지 및 탄소나노튜브를 포함한 발열층으로 코팅한 발열시트로 상기 보호필름을 감싸고, 이때 발열층이 보호필름에 접하도록 감싸는 단계;

(E) 상기 발열시트의 발열층에 전기를 공급하여 발열시키고, 이로 인해 상기 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프가 용융되어 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격을 메우는 단계;

(F) 상기 발열시트에의 전기 공급을 중단하고, 용융된 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프를 냉각시키는 단계; 및

(G) 상기 발열시트 및 보호필름을 제거하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 상기 단계 (B) 이후 단계 (G) 이전에, 상기 용융 후 냉각된 파이프 접합재의 외경이 상기 폴리에틸렌 파이프 외경의 95 내지 120 %가 되도록, 상기 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격을 조정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 상기 단계 (D) 이후 단계 (E) 이전에, 상기 발열시트를 덮개로 덮는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 연결파이프의 내경은 양 말단 쪽으로 갈수록 증가할 수 있다.

또한, 상기 연결파이프는 폴리에틸렌으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 연결파이프의 길이는 10 내지 200 mm일 수 있다.

또한, 상기 연결파이프의 두께는 1 내지 5 mm일 수 있다.

또한, 상기 파이프 접합재의 열전달층에 포함된 탄소나노튜브, 상기 파이프 접합재의 접합입자에 포함된 탄소나노튜브 및 상기 발열시트의 발열층에 포함된 탄소나노튜브는 서로 독립적으로, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 파이프 접합재의 열전달층에 포함된 열가소성 수지는 비닐수지, 아크릴수지, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 보호필름은 폴리이미드로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층을 구성하는 열경화성 수지는 폴리우레탄, 페놀수지, 아미노수지, 에폭시수지 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층 중 탄소나노튜브와 열경화성 수지 사이의 중량비는 탄소나노튜브 100 중량부 당 열경화성 수지 15 내지 45 중량부일 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층은 산화방지제를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 산화방지제는 하이드로퀴논일 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층 중 탄소나노튜브와 산화방지제 사이의 중량비는 탄소나노튜브 100 중량부 당 산화방지제 1 내지 2 중량부일 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층은 분산제를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 분산제는 레시틴(lecithin)일 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층 중 탄소나노튜브와 분산제 사이의 중량비는 탄소나노튜브 100 중량부 당 분산제 1 내지 2 중량부일 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층은 케톤, 툴루엔, 부틸셀로솔브, N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-Pyrrolidone, NMP) 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 용매에 탄소나노튜브 및 열경화성 수지를 첨가 및 혼합하여 코팅한 후 건조시킨 것일 수 있다.

또한, 상기 단계 (D)에서 용융된 상기 파이프 접합재의 온도는 130 내지 270 ℃일 수 있다.

또한, 상기 발열시트의 발열층은,

상기 발열시트의 서로 마주보는 두 변으로부터 이격되고 상기 두 변에 나란히 형성된 한 쌍의 도전부; 및

상기 한 쌍의 도전부 사이에 위치하고 상기 도전부를 서로 연결하는 발열부

로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 발열부는 상기 발열시트에 1 내지 100 개가 구비될 수 있다.

또한, 상기 도전부는 일부가 연장되어 상대측 도전부의 일부와 연결될 수 있다.

또한, 상기 도전부의 발열층 두께는 1 내지 100 ㎛일 수 있다.

또한, 상기 발열부의 발열층 두께는 1 내지 50 ㎛일 수 있다.

또한, 상기 도전부의 폭은 1 내지 200 mm일 수 있다.

또한, 상기 파이프 접합재의 열전달층 두께는 0.1 내지 5 ㎛일 수 있다.

또한, 상기 파이프 접합재의 열전달층에서 탄소나노튜브와 열가소성 수지의 중량비는 탄소나노튜브 : 열가소성 수지 = 0.1 내지 60 : 40 내지 99.9 중량%일 수 있다.

또한, 상기 파이프 접합재의 접합입자에서 탄소나노튜브와 폴리에틸렌의 중량비는 탄소나노튜브 : 폴리에틸렌 = 0.1 내지 30 : 70 내지 99.9 중량%일 수 있다.

한편, 본 발명의 연결파이프는 상기 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 발열시트는 상기 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 파이프의 말단이 아니라 연결 부위의 외경을 발열시트로 감싸 열을 공급하고, 융착 완료 후 냉각이 종료될 때까지 상기 발열시트를 제거하지 않음으로써, 종래 맞대기 융착방법의 문제점이었던 접합 도중의 열원 제거로 인한 융착의 불완전성을 근원적으로 제거할 수 있다. 이처럼 완전한 융착과 별도의 연결파이프로 인해 내압성과 내충격성이 향상되고, 접합 부위의 기밀성 유지 기간이 연장되어 파이프의 유지, 보수 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 소켓 융착이나 새들 융착과 같이 고가의 소켓이나 새들을 별도로 구비할 필요가 없고, 현장에 다양한 크기와 형태의 소켓이나 새들을 구비할 필요가 없어 경제성 및 작업성이 현저히 개선되는 장점이 있다. 또한, 열전도성이 뛰어난 탄소나노튜브를 도입함으로써 소켓 융착 등에 비해 접합에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있어 비용 절감 및 작업시간 단축의 효과도 누릴 수 있다.

도 1은 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 폴리에틸렌 파이프 접합재의 단면 사시도이다.
도 2는 연결파이프에 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프를 끼우고 그 사이에 폴리에틸렌 파이프 접합재를 끼운 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 끼워진 폴리에틸렌 파이프 접합재를 주변을 보호필름, 발열시트 및 덮개로 감싼 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 덮개를 제외한 상태에서 도 3을 파이프 길이 방향에서 바라본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 연결파이프의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 연결파이프의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 발열시트의 일 실시예를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 발열시트의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 발열시트의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 발열시트의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 설명되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에서 사용된 용어 '두께'는 파이프의 경우 외경과 내경의 차이의 절반을 가리킨다.

본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 먼저 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 연결파이프 (300)를 중심으로 그 양단에 접합하고자 하는 한 쌍의 폴리에틸렌 파이프 (400) 각각을 끼우는 단계로부터 시작된다. 이러한 연결파이프 (300)의 존재가 본 발명의 주요한 특징을 이루는데, 종래 맞대기 융착의 경우 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 단면에 대응하는 발열판을 적용하고 제거하는 과정 때문에 별도의 연결파이프 (300)를 개재시키기 어려웠다. 그러나, 본 발명은 파이프의 바깥을 감싸서 용융시키므로 내부에 연결파이프 (300)를 개재시키는 것이 가능하며, 이러한 연결파이프 (300) 자체의 기계적 강도 때문에 파이프 연결 부위의 내구성과 내충격성이 비약적으로 상승되는 것이다. 나아가, 본 발명의 연결파이프 (300)는 이러한 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 것을 특징으로 한다.

이때 연결파이프 (300)의 외면은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400) 내면에 밀착되고, 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400)는 서로 맞대는 것이 아니라 폴리에틸렌 파이프 (400) 두께의 20 내지 100 % 정도 서로 떨어진 상태로 끼워지는데, 이 간격에 후술할 파이프 접합재 (100)가 삽입된다. 상기 간격이 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400) 두께의 20 % 미만이면 삽입하는 파이프 접합재 (100)의 양이 적어 완전한 접합을 구현하기 곤란하고, 반대로 100 %를 초과하면 사용해야 하는 파이프 접합재 (100)의 양이 불필요하게 증가하여 경제성이 떨어진다.

여기서, 상기 연결파이프 (300)의 내경은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 연결파이프 (300) 길이 방향에 대해 일정할 수도 있으나, 도 5 또는 도 6과 같이 양 말단 쪽으로 갈수록 증가하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 따르면 파이프의 연결 부위에서는 연결파이프 (300)의 존재로 인해 관의 내경이 줄어들게 되는데, 상기 파이프 내부를 흐르는 유체는 이러한 연결파이프 (300)의 두께로 인해 흐름을 방해받게 되고, 이는 유체의 이송에 필요한 압력을 증가시켜 운전비의 상승을 가져온다. 이러한 문제점의 해결을 위해 연결파이프 (300)의 내경이 서서히 감소하게 함으로써 유체가 부드럽게 흐르고 불필요한 와류의 발생을 억제할 수 있다. 이러한 내경 감소 방식은 도 5처럼 단면이 직선일수도 있고, 도 6처럼 단면이 곡선일 수도 있다.

그리고, 상기 연결파이프 (300)의 재질은 파이프로서 사용할 수 있는 합성수지라면 제한이 없으나, 접합하고자 하는 파이프와 동일한 폴리에틸렌으로 이루어지는 더욱 바람직하다.

이러한 연결파이프 (300)의 길이는 적용하고자 하는 현장 상황에 맞추어 변경 사용하는 것이 가능하고, 특히 10 내지 200 mm인 것이 바람직하다. 상기 연결파이프 (300)의 길이가 10 mm 미만이면 양쪽의 폴리에틸렌 파이프 (400)와 접하는 길이가 짧아 이탈할 가능성이 있으며, 반대로 200 mm를 초과하면 내경이 좁아지는 구간이 불필요하게 증가하는 단점이 있다.

마찬가지로, 상기 연결파이프 (300)의 두께는 적용하고자 하는 현장 상황에 맞추어 변경 사용하는 것이 가능하고, 특히 1 내지 5 mm인 것이 바람직하다. 상기 연결파이프 (300)의 두께가 1 mm 미만이면 연결파이프 (300) 자체의 기계적 강도가 지나치게 저하될 가능성이 있고 시공시 파이프 접합재 (100)와의 과도한 용융에 의해 파이프의 모양을 잃을 수 있다. 반대로 5 mm를 초과하면 내경이 지나치게 좁아져 운전압력이 증가하는 단점이 있다.

접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400) 사이에 삽입되는 폴리에틸렌 파이프 접합재 (100)는 도 1에 도시된 바와 같이 폴리에틸렌 필름으로 이루어진 밀폐형 파우치 (120)와 그 외표면에 코팅된 열전달층 (110), 그리고 상기 파우치 (120) 내부를 충전한 접합입자 (130)를 포함한다. 상기 열전달층 (110)은 탄소나노튜브 및 열가소성 수지를 포함하고, 접합입자 (130)는 탄소나노튜브 및 폴리에틸렌을 포함한다.

종래 맞대기 융착방법이 파이프의 단면을 가열하여 파이프 자체를 용융시킨 다음 이를 융착시킴에 반해, 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 별도의 폴리에틸렌을 파이프 사이에 끼워 넣고 상기 폴리에틸렌과 혼합된 열전달 촉진물질인 탄소나노튜브를 통해 상기 폴리에틸렌을 신속하게 용융시켜 파이프 사이를 접합하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 가열에 의해 용융된 폴리에틸렌은 파이프의 접합이 완료되고 용융된 폴리에틸렌이 냉각될 때까지 계속 열원과 접촉을 유지함으로써 용융물의 온도 변화가 완만하다. 따라서, 종래 맞대기 융착에서와 같은 급격한 온도변화로 인한 접합의 불완전성을 원천적으로 차단할 수 있다.

이러한 폴리에틸렌 파이프 접합재 (100)의 기능을 달성하기 위해 외부 열원으로부터 공급된 열은 열전달층 (110)을 통해 파우치 (120) 전 표면으로 전달되고 이 열은 다시 내부의 접합입자 (130)로 고루 전달될 수 있다. 나아가, 접합입자 (130) 역시 내부에 탄소나노튜브를 함유함으로써 상기 열전달층 (110)으로부터 전달된 열을 인접한 폴리에틸렌으로 신속하게 전달할 수 있게 된다. 이렇게 전달된 열은 접합입자 (130)의 폴리에틸렌과 파우치 (120)의 폴리에틸렌을 용융시켜 폴리에틸렌 파이프 (400) 사이의 간격을 기밀하게 메운다. 이러한 용융물이 냉각되어 파이프 사이를 완벽하게 접합시키는 것이 본 발명의 접합방식인 것이다.

상기 용융된 상기 파이프 접합재 (100)의 온도는 130 내지 270 ℃인데, 130 ℃ 미만인 경우, 폴리에틸렌의 융점 근처 또는 그 미만이어서 폴리에틸렌의 용융이 일어나지 않고, 270 ℃를 초과하면 폴리에틸렌의 분해 또는 변성이 일어나 연결 부위의 내구성을 보장할 수 없다.

여기서 상기 파이프 접합재 (100)의 열전달층 (110)에는 탄소나노튜브가 열가소성 수지와 함께 혼합되어 코팅되는데, 상기 탄소나노튜브와 혼합되는 열가소성 수지에는 제한이 없으나, 염화비닐수지를 포함한 비닐수지, 아크릴수지, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 파이프 접합재 (100)의 열전달층 (110)에서 탄소나노튜브와 열가소성 수지의 중량비는 탄소나노튜브 : 열가소성 수지 = 0.1 내지 60 : 40 내지 99.9 중량%일 수 있다. 탄소나노튜브가 0.1 중량% 미만이면, 후술할 발열시트 (200)로부터의 열을 상기 접합입자 (130)로 신속하게 전달하기 어렵고, 반대로 60 중량%를 초과하면 바인더 역할을 하는 열가소성 수지에 비해 과량 함유되어 열전달층 (110)으로부터 탄소나노튜브가 손실될 가능성이 발생한다.

그리고, 상기 파이프 접합재 (100)의 열전달층 (110) 두께는 0.1 내지 5 ㎛인 것이 바람직한데, 0.1 ㎛ 미만이면 후술할 발열시트 (200)로부터의 열을 상기 접합입자 (130)로 신속하게 전달하기 어렵고, 반대로 5 ㎛를 초과하면 파이프 접합재 (100)의 유연성이 떨어져 폴리에틸렌 파이프 (400) 사이에 끼우기가 어려우며 설령 끼운다 하더라도 열전달층 (110)이 깨질 가능성이 높아진다.

한편, 상기 파이프 접합재 (100)의 접합입자 (130) 역시 탄소나노튜브와 폴리에틸렌의 중량비가 탄소나노튜브 : 폴리에틸렌 = 0.1 내지 30 : 70 내지 99.9 중량%인 것이 바람직한데, 탄소나노튜브가 0.1 중량% 미만이면, 상기 열전달층 (110)으로부터의 열을 인접한 폴리에틸렌으로 신속하게 전달하기 어렵고, 반대로 30 중량%를 초과하면 최종적으로 폴리에틸렌 파이프 (400)의 연결 부위에 폴리에틸렌 이외의 물질 함량이 지나치게 높아지는 결과를 초래하여 내구성이 떨어질 가능성이 있다.

상기 폴리에틸렌 파이프 접합재 (100)를 파이프 사이에 끼워 넣으면, 이어서 도 3에 도시된 바와 같이 보호필름 (500)으로 상기 파이프 접합재 (100) 및 인접한 폴리에틸렌 파이프 (400) 외면을 감싸게 된다. 이러한 보호필름 (500)은 상기 용융된 파이프 접합재 (100)가 후술할 발열시트 (200)를 오염시킴으로써 이후 발열시트 (200)의 제거가 곤란해지는 현상을 예방하기 위해 도입한다. 상기 발열시트 (200)는 폴리에틸렌의 융점을 훨씬 상회하는 온도까지 가열되므로 이러한 온도에서도 분해나 변성이 일어나지 않는 대단히 높은 융점을 가진 물질이어야 하며, 융점이 280 ℃ 이상이면 제한 없이 사용 가능하나, 특히 폴리이미드가 바람직하다.

이렇게 보호필름 (500)을 감싼 다음에는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 발열시트 (200)로 상기 보호필름 (500)을 감싼다.

상기 발열시트 (200)는 폴리이미드 필름 (220) 일면에 열경화성 수지 및 탄소나노튜브를 포함한 발열층 (210)으로 코팅한 것으로서, 상기 발열층 (210)이 상기 보호필름 (500)에 접하도록 감싸게 된다. 본 발명의 발열시트 (200)는 이처럼 상기 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기 발열시트 (200)의 기재로서 폴리이미드 필름 (220)을 적용한 것은 보호필름 (500)으로 폴리이미드 필름을 사용한 이유와 동일하며, 발열층 (210)을 구성하는 열경화성 수지는 고온에서도 안정한 수지라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 폴리우레탄, 페놀수지, 아미노수지, 에폭시수지 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 발열시트 (200)의 발열층 (210) 중 탄소나노튜브와 열경화성 수지 사이의 중량비는 탄소나노튜브 100 중량부 당 열경화성 수지 15 내지 45 중량부인 것이 바람직한데, 열경화성 수지가 15 중량부 미만이면 바인더 역할을 하는 열경화성 수지가 너무 적어발열층 (210)으로부터 탄소나노튜브가 손실될 가능성이 발생하고 쉽게 온도가 상승하여 온도 제어가 어려운 문제점이 있다. 반대로 열경화성 수지의 함량이 45 중량부를 초과하면 가열하는 데 시간이 오래 걸리고 원하는 온도까지 상승시키기가 어렵다.

또한, 상기 발열시트 (200)의 발열층 (210)은 산화로 인한 발열층 (210)의 기능 저하를 예방하기 위해 산화방지제를 추가로 포함할 수 있는데, 이때 사용하는 산화방지제에는 특별한 제한이 없으나, 하이드로퀴논이 특히 바람직하다. 나아가, 상기 발열시트 (200)의 발열층 (210) 중 탄소나노튜브와 산화방지제 사이의 중량비는 탄소나노튜브 100 중량부 당 산화방지제 1 내지 2 중량부가 바람직한데, 1 중량부 미만인 경우 산화방지 효과를 충분히 거두기 어렵고, 반대로 2 중량부를 초과하면 산화방지제의 양 증가에 따른 산화방지 효과의 증가가 미미하여 경제적으로나 내구성 측면에서나 불필요하다.

또한, 상기 발열시트 (200)의 발열층 (210)은 탄소나노튜브의 분산을 원활하게 하기 위해 분산제를 추가로 포함할 수 있는데, 이때 사용하는 분산제에는 특별한 제한이 없으나, 레시틴(lecithin)이 특히 바람직하다. 나아가, 상기 발열시트 (200)의 발열층 (210) 중 탄소나노튜브와 분산제 사이의 중량비는 탄소나노튜브 100 중량부 당 산화방지제 1 내지 2 중량부가 바람직한데, 1 중량부 미만인 경우 분산 효과를 충분히 거두기 어렵고, 반대로 2 중량부를 초과하면 분산제의 양 증가에 따른 분산 효과의 증가가 미미하여 경제적으로나 내구성 측면에서나 불필요하다.

상기 발열층 (210)의 형성을 위한 열경화성 수지와 탄소나노튜브, 나아가 산화방지제 내지 분산제의 혼합은 적당한 용매에 상기 성분들을 용해시켜 혼합함으로써 달성되며, 이후 폴리이미드 필름 (220)에 도포 및 건조시켜 코팅층을 형성하게 된다. 이때 사용되는 용매에는 상기 성분들을 혼합할 수 있는 물질이라면 특별한 제한이 없으나, 케톤, 툴루엔, 부틸셀로솔브, N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-Pyrrolidone, NMP) 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

한편 상기 발열시트 (200)의 발열층 (210)은, 도 7에 도시된 바와 같이 폴리이미드 필름 (220)의 서로 마주보는 두 변으로부터 이격된 형태로 상기 폴리이미드 필름 (220)에 코팅될 수도 있으나, 전류의 흐름을 담당하는 도전부 (212)와 발열을 담당하는 발열부 (214)로 구분될 수도 있다.

구체적으로, 상기 발열층 (210)은 도 8에 도시된 바와 같이 상기 발열시트 (200)의 서로 마주보는 두 변으로부터 이격되고 상기 두 변에 나란히 형성된 한 쌍의 도전부 (212); 및 상기 한 쌍의 도전부 (212) 사이에 위치하고 상기 도전부 (212)를 서로 연결하는 발열부 (214)로 이루어질 수 있다.

상기 발열층 (210) 중 도전부 (212)의 두께는 도 7에서처럼 발열부 (214)와 동일할 수도 있으나, 발열부 (214)보다 두껍게 형성함으로써 저항을 낮추고 전도율을 높여 전기 전도 효율을 높이는 것이 바람직하며, 그 두께는 1 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 도전부 (212)의 두께가 1 ㎛ 미만이면 전도 효율이 떨어지고 발열층 (210)의 박리나 끊어짐이 발생하기 쉽고, 100 ㎛를 초과하면 필요 이상으로 두꺼워져 경제성이 떨어진다.

상기 발열부 (214)의 발열층 (210) 두께는 얇게 형성함으로써 발열량을 증가시키는 것이 바람직하며, 그 두께는 1 내지 50 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 발열부 (214)의 두께가 1 ㎛ 미만이면 전도 효율이 지나치게 떨어져 효율이 낮아지며 발열층 (210)의 박리나 끊어짐이 발생하기 쉽고, 50 ㎛를 초과하면 필요 이상으로 두꺼워져 경제성이 떨어진다.

또한, 상기 도전부 (212)의 폭은 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400)의 크기에 맞게 선택할 수 있으며, 통상 1 내지 200 mm인 것이 바람직하다.

한편, 상기 도전부 (212)는 상기 발열시트 (200)의 크기가 커질 경우 상대측 도전부 (212)로의 전도 효율을 증가시키기 위해 도 10에 도시된 바와 같이 그 일부가 연장되어 상대측 도전부 (212)의 일부와 연결될 수 있다. 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400)가 커지면 발열시트 (200) 역시 커져야 하는데, 도전부 (212) 사이가 멀어지면 저항이 큰 발열부 (214)를 통한 전기 전도가 원활하지 않을 수 있다. 이 경우 도 10에서처럼 도전부 (212) 사이를 사다리처럼 도전부 (212)로 연결하면 전기 전도를 안정적으로 수행할 수 있다.

또한, 상기 발열부 (214)는 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400)가 작은 경우 발열시트 (200) 역시 작아지고 그 결과 작은 면적에서 상대적으로 많은 전류가 흐르게 되어 온도가 급격히 상승할 수 있다. 이 경우 적절한 온도 제어를 위해 도 9에 도시된 바와 같이 발열층 (210) 중간에 빈 공간을 형성하여 온도 상승을 적절히 제어하는 것이 바람직하며, 필요에 따라 도전부 (212) 사이에 상기 발열부 (214)를 1 내지 100 개 구비되도록 할 수 있다.

이렇게 발열시트 (200)로 상기 보호필름 (500)을 감싸고 나면, 상기 발열시트 (200)의 발열층 (210), 구체적으로 도전부 (212)에 도 4와 같이 전원 (250)을 연결하고 전기를 공급하여 발열시키게 된다. 공급된 전기는 발열층 (210)을 가열하고 여기서 발생한 열은 상기 폴리에틸렌 파이프 접합재 (100)의 열전달층 (110) 및 접합입자 (130)에 포함된 탄소나노튜브에 의해 신속하게 접합입자 (130) 및 파우치 (120)의 폴리에틸렌으로 전달되고 나아가 인접한 폴리에틸렌 파이프 (400)로 전달되어 폴리에틸렌을 용융시키고 이들의 용융물은 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400) 사이의 간격을 메우게 된다.

이처럼 폴리에틸렌 용융물이 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 (400) 사이의 간격을 기밀하게 메우고 나면, 상기 발열시트 (200)에의 전기 공급을 중단하고, 용융된 파이프 접합재 (100) 및 인접한 폴리에틸렌 파이프 (400)를 냉각시킨 후, 상기 발열시트 (200) 및 보호필름 (500)을 제거함으로써 폴리에틸렌 파이프 (400)의 접합이 완료된다.

또한, 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 상기 파이프 접합재 (100)를 폴리에틸렌 파이프 (400) 사이의 간격에 끼운 이후부터 냉각이 완료되기 전 적당한 시점 사이에 1 회 또는 수회에 걸쳐, 상기 용융 후 냉각된 파이프 접합재 (100)의 외경이 상기 폴리에틸렌 파이프 (400) 외경의 95 내지 120 %가 되도록, 상기 폴리에틸렌 파이프 (400) 사이의 간격을 조정하는 단계를 갖는 것이 바람직하다. 이를 통해 파이프의 접합을 신뢰할 수 있는 수준까지 담보할 수 있는데, 용융 후 냉각된 파이프 접합재 (100)의 외경이 상기 폴리에틸렌 파이프 (400) 외경의 95 % 미만이면 연결부위의 내구성이 떨어져 바람직하지 않고, 120 %를 초과할 정도로 과량 사용하는 것은 용융시켜야 하는 파이프 접합재 (100)의 양을 불필요하게 증가시키는 것이므로 비효율적이다.

나아가, 본 발명의 폴리에틸렌 파이프 접합방법은 상기 발열시트 (200)로 보호필름 (500)을 감싼 후, 불필요한 발열시트 (200)의 열손실을 방지하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 덮개 (600)로 덮는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 파이프 접합재 (100)의 열전달층 (110)에 포함된 탄소나노튜브, 상기 파이프 접합재 (100)의 접합입자 (130)에 포함된 탄소나노튜브 및 상기 발열시트 (200)의 발열층 (210)에 포함된 탄소나노튜브는 열전달을 촉진시킬 수 있는 것이라면 제한이 없으며, 서로 독립적으로, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

실시예

실시예 : 폴리에틸렌 파이프의 접합

외경 40 mm, 내경 30 mm, 길이 60 mm인 연결파이프의 양단에 외경 60 mm, 내경 40 mm, 길이 1 m인 한 쌍의 폴리에틸렌 파이프를 7 mm의 간격을 두고 끼웠다. 염화비닐수지 : 다중벽 탄소나노튜브 = 90 : 10 중량%의 열전달층으로 코팅되고, 폴리에틸렌 : 단일벽 및 이중벽 탄소나노튜브 혼합물 = 90 : 10 중량%의 접합입자를 가득 채운 밀봉형 폴리에틸렌 파우치를 포함한 파이프 접합재를 상기 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격에 끼웠다. 여기에, 폭 100 mm의 폴리이미드 재질의 보호필름으로 상기 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프를 감싸고, 다시 그 위에 폭 80 mm의 폴리이미드 필름에 도전부 및 발열부가 형성된 발열시트를 상기 도전부 및 발열부가 상기 보호필름에 접하도록 감쌌다. 별도의 덮개로 상기 발열시트를 덮은 다음 220 V의 전기를 공급하여 200 ℃까지 온도를 올리고 10 분 동안 가열함으로써 상기 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프를 용융시켰다. 전기 공급을 중단하고, 용융된 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프를 응축시킨 다음, 상기 덮개, 발열시트 및 보호필름을 제거하여 폴리에틸렌 파이프의 접합을 완료하였다. 상기 접합부위의 접합정도를 평가하기 위해, 5 kg_f/cm²의 수압으로 10 분 동안 시험한 결과 누수현상이 전혀 발생하지 않음을 확인하였다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 파이프 접합재
110 : 열전달층
120 : 밀봉형 파우치
130 : 접합입자
200 : 발열시트
210 : 발열층
212 : 도전부
214 : 발열부
220 : 폴리이미드 필름
250 : 전원
300 : 연결파이프
400 : 폴리에틸렌 파이프
500 : 보호필름
600 : 덮개

Claims (22)

1. (A) 연결파이프의 양단에 접합하고자 하는 한 쌍의 폴리에틸렌 파이프 각각을 끼우고, 이때 연결파이프의 외면이 접합하고자 하는 폴리에틸렌 파이프 내면에 밀착되고, 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격은 폴리에틸렌 파이프 두께의 20 내지 100 % 인 단계;
   (B) 외표면이 탄소나노튜브 및 열가소성 수지를 포함한 열전달층으로 코팅되고, 내부는 탄소나노튜브 및 폴리에틸렌을 포함한 접합입자들로 채워지고, 폴리에틸렌 필름으로 이루어진 밀폐형 파우치를 포함하는 파이프 접합재를 상기 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격에 끼워 넣는 단계;
   (C) 보호필름으로 상기 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프 외면을 감싸는 단계;
   (D) 폴리이미드 필름 일면에 열경화성 수지 및 탄소나노튜브를 포함한 발열층으로 코팅한 발열시트로 상기 보호필름을 감싸고, 이때 발열층이 보호필름에 접하도록 감싸는 단계;
   (E) 상기 발열시트의 발열층에 전기를 공급하여 발열시키고, 이로 인해 상기 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프가 용융되어 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격을 메우는 단계;
   (F) 상기 발열시트에의 전기 공급을 중단하고, 용융된 파이프 접합재 및 인접한 폴리에틸렌 파이프를 냉각시키는 단계; 및
   (G) 상기 발열시트 및 보호필름을 제거하는 단계
   를 포함하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (B) 이후 단계 (G) 이전에, 상기 용융 후 냉각된 파이프 접합재의 외경이 상기 폴리에틸렌 파이프 외경의 95 내지 120 %가 되도록, 상기 폴리에틸렌 파이프 사이의 간격을 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (D) 이후 단계 (E) 이전에, 상기 발열시트를 덮개로 덮는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 연결파이프의 내경은 양 말단 쪽으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 파이프 접합재의 열전달층에 포함된 탄소나노튜브, 상기 파이프 접합재의 접합입자에 포함된 탄소나노튜브 및 상기 발열시트의 발열층에 포함된 탄소나노튜브는 서로 독립적으로, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 파이프 접합재의 열전달층에 포함된 열가소성 수지는 비닐수지, 아크릴수지, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 발열시트의 발열층에 포함된 열경화성 수지는 폴리우레탄, 페놀수지, 아미노수지, 에폭시수지 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 발열시트의 발열층 중 탄소나노튜브와 열경화성 수지 사이의 중량비는 탄소나노튜브 100 중량부 당 열경화성 수지 15 내지 45 중량부인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 발열시트의 발열층은 산화방지제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열시트의 발열층은 분산제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열시트의 발열층은 케톤, 툴루엔, 부틸셀로솔브, N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-Pyrrolidone, NMP) 및 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 용매에 탄소나노튜브 및 열경화성 수지를 첨가 및 혼합하여 코팅한 후 건조시킨 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 (D)에서 용융된 상기 파이프 접합재의 온도는 130 내지 270 ℃인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열시트의 발열층은,
    상기 발열시트의 서로 마주보는 두 변으로부터 이격되고 상기 두 변에 나란히 형성된 한 쌍의 도전부; 및
    상기 한 쌍의 도전부 사이에 위치하고 상기 도전부를 서로 연결하는 발열부
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 발열부는 상기 발열시트에 1 내지 100 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 도전부는 일부가 연장되어 상대측 도전부의 일부와 연결되는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
16. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 도전부의 발열층 두께는 1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
17. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 발열부의 발열층 두께는 1 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프 접합재의 열전달층 두께는 0.1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
19. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프 접합재의 열전달층에서 탄소나노튜브와 열가소성 수지의 중량비는 탄소나노튜브 : 열가소성 수지 = 0.1 내지 60 : 40 내지 99.9 중량%인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
20. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프 접합재의 접합입자에서 탄소나노튜브와 폴리에틸렌의 중량비는 탄소나노튜브 : 폴리에틸렌 = 0.1 내지 30 : 70 내지 99.9 중량%인 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌 파이프 접합방법.
21. 청구항 1 내지 15 또는 청구항 18 내지 20 중 어느 한 청구항의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 연결파이프.
22. 청구항 1 내지 15 또는 청구항 18 내지 20 중 어느 한 청구항의 폴리에틸렌 파이프 접합방법에 사용되는 발열시트.
    

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