KR101484168B1 - 물성균형 및 경제성이 향상된 유리섬유 복합관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경제성 및 물성균형이 향상된 유리섬유 복합관에 관한 것으로, 본 발명의 경제성 및 물성균형이 향상된 유리섬유 복합관은 주재 100 중량부에 대하여 시멘트 경화제 1 내지 2 중량부로 이루어진 혼합물 20 wt% 내지 55 wt%, 및 버텀애쉬 소재를 포함하는 충전재 45 wt% 내지 80 wt%로 구성된 모르타르층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

물성균형 및 경제성이 향상된 유리섬유 복합관{Glass Fiber Reinforced Plastic Fiber Pipe with Balanced Physical Properties and Economic Efficiency}

본 발명은 물성균형 및 경제성이 향상된 유리섬유 복합관에 관한 것이다. 구체적으로는 버텀애쉬 또는 버텀애쉬와 모래의 혼합물을 충전재로 사용함으로써 물성균형 및 경제성이 향상된 유리섬유 복합관에 관한 것이다.

화력발전소에서 석탄원료를 연소한 후 발생하는 버텀애쉬(bottom ash)는 이제까지 폐기물로 취급되어 매립지에 매립되어 왔다.

버텀애쉬는 Si, Al, Fe 등이 주성분을 이루는 것으로, 그 중에서도 Si가 약 30∼60 중량%를 차지하고, Al 및 Fe가 각각 10∼30 중량%를 차지하며, Zn, Ni, Co 등의 원소들을 미량 포함하고 있다. 특히 인체에 유해한 성분인 Cd 및 Pb는 모두 0.0001 중량% 미만으로 극소량 포함하고 있어 버텀애쉬가 인체에 유해하지 않음을 알 수 있다.

버텀애쉬의 입자 크기는 매우 넓은 범위로 분포하는데, 보통 5 내지 100 μm 범위 크기의 분포를 갖는다. 그리고 버텀애쉬의 입자크기는 분쇄를 통해 조절할 수 있다. 버텀애쉬의 분쇄 시간을 10 시간, 15 시간, 20 시간으로 증가시켜 입자분포도를 확인한 결과 분쇄시간이 증가함에 따라 입자 크기가 감소하고 0.5 내지 22 μm 범위의 입자크기로 분포하는 것을 알 수 있었다.

버텀애쉬와 관련하여, 본 발명의 발명자는 인체에 유해한 성분도 함유하지 않으면서 분쇄를 통해 입자크기도 조절할 수 있는 버텀애쉬를 고분자 수지와 함께 혼합하여 사용할 경우, 폐기물로 매립하지 않고 재활용하여 새로운 자원으로 사용할 수 있다는 점에 착안하여 버텀애쉬/PE 고분자 복합소재 조성물에 관한 한국특허출원 제2012-0081791호와 버텀애쉬/PP 고분자 복합소재 조성물에 관한 한국특허출원 제2012-092054호를 발명 및 출원한 바 있다.

한편, 종래에는 상·하수도관 또는 그 외 배관 용도로서 강관 또는 주철관이 주로 사용되었으나, 상기 관들은 부식이 잘 되고 강도가 약한 단점을 나타낸다. 또한, 상기 단점을 보완하기 위하여 에폭시기 또는 아스팔트 콘크리트를 코팅하는 기술이 적용되기도 하였으나, 코팅으로 인한 배관의 중량증가 및 원가상승 문제가 여전히 남아 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 유리섬유 복합관이 도입되었다. 유리섬유복합관은 예를 들어 도 1과 같이 관의 안쪽부터, 내면 보호층, 내면강화 GRP 층(Glass Reinforced Plastic layer), 모르타르층, 외면강화 GRP 층, 및 외면 보호층의 5개 층으로 구성된 관으로서, 다층구조의 유리섬유 강화 플라스틱(GRP)을 사용하기 때문에 경량이면서도 부식에 강하고 내구성이 우수한 특성이 있다. 또한, 상기 유리섬유 복합관의 모르타르층은 유리섬유복합관의 내면강화 GRP층 및 외면강화 GRP층 사이에 위치하여 관의 강성을 증대시키는 역할을 하는 것으로, 폴리머 수지, 시멘트 및 모래(sand)를 혼합하여 제조할 수 있다. 다만, 모르타르층의 경화를 위해 시멘트와 함께 혼합되는 모래는 무분별한 채취에 따른 환경파괴 문제로 그 수급이 어려워지고 있는 상황이고 그에 따라 가격이 상승하는 추세이므로, 모래를 대체할 만한 물질의 개발이 필요하다.

이와 같은 상황에서, 본 발명의 발명자는 폐기물로 취급되던 버텀애쉬를 유리섬유 복합관의 모르타르층 제조에 사용되는 모래 대체물로 활용함으로써, 모래 사용 감소에 따른 비용절감, 환경파괴 방지와 자원재활용, 및 물성균형이 우수한 유리섬유 복합관의 제조와 같은 일석삼조 효과를 기대할 수 있는 본원발명을 개발하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 제조비용 절감 효과가 크고 물성균형이 향상된 유리섬유 복합관을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 버텀애쉬 소재를 포함하는 모르타르층으로 이루어진 유리섬유 복합관을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명에 따라 물성 균형 및 경제성이 향상된 다층구조의 유리섬유 복합관은 관 안쪽부터 차례로 내면보호층, 내면강화 GRP층, 모르타르층, 외면강화 GRP 층 및 외면 보호층이 적재되어 형성되는 것으로서, 상기 모르타르층은 주재 100 중량부에 대하여 시멘트 경화제 1 내지 2 중량부로 이루어진 혼합물 20 내지 55wt%와, 버텀애쉬를 포함하는 충전재 45 내지 80 wt%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 버텀애쉬의 입자 크기는 1 ㎛ 내지 500 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.

상기 충전재는 입자 크기가 1.8 mm 내지 2.0 mm 인 모래를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 충전재의 모래 및 버텀애쉬의 중량비는 1:1.5~2인 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 구체적인 내용을 하기에 상세히 설명한다.

본 발명은 유리섬유복합관 제조시 모르타르층에 사용되는 충전재를 버텀애쉬 소재로 대체하여 모래만으로 이루어진 충전재 사용대비 제조비용 절감효과가 큰 유리섬유 복합관을 제공한다. 또한, 모르타르층 제조에 사용되는 모래와 버텀애쉬의 입자 크기를 조절하여 물성균형이 우수한 유리섬유 복합관을 제공하는 효과도 갖는다.

제1도는 유리섬유복합관의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
제2도는 주재와 경화제의 혼합물 50 wt%와 충전재 50 wt%로 모르타르층을 제조한 경우, 실시예 및 비교예의 유리섬유복합관이 갖는 물성강도를 비교한 것으로, 도 2a는 굴곡강도를 도 2b는 압축강도를, 도 2c는 충격강도의 비교 결과를 도시한다.
제3도는 주재와 경화제의 혼합물 25 wt%와 충전재 75 wt%로 모르타르층을 제조한 경우, 실시예 및 비교예의 유리섬유복합관이 갖는 물성강도를 비교한 것으로, 도 3a는 굴곡강도를 도 3b는 압축강도를, 도 3c는 충격강도의 비교 결과를 도시한다.

본 발명은 모르타르층의 충전재로서 버텀애쉬를 단독으로 사용하거나, 또는 모래와 버텀애쉬의 혼합물을 모르타르층의 충전재로 사용함으로써 제조비용이 절감되고 물성균형이 향상된 유리섬유 복합관에 관한 것이다.

본 발명에 따라 물성강도가 향상된 유리섬유 복합관은 다층 구조로 관 안쪽부터 차례로, 내면 보호층, 내면강화 GRP층(Glass Reinforced Plastic layer), 모르타르층, 외면강화 GRP 층 및 외면 보호층이 적재되어 형성된다.

내면 보호층 또는 외면 보호층은 관의 내층 또는 외층에서 관의 형태를 지지하는 것으로 성형후 그 형태가 변형되지 않는 열경화성 수지로 제조하는데, 열경화성 수지로는 불포화 폴리에스테르계 수지를 사용하였다.

내면 강화 GRP 층 또는 외면 강화 GRP 층은 경량이면서도 유리섬유 복합관의 내구성, 내충격성을 향상시키기 위한 것으로 유리섬유강화 플라스틱(Glass Reinforced Plastic, GRP)을 사용하여 제작된다. 불포화 폴리에스터에 지름 0.1mm 이하로 가공한 유리섬유를 보강하여 제조하였다.

모르타르층은 유리섬유복합관에 강성을 부여하는 것으로 주재, 시멘트 경화제 및 충전재의 혼합물을 경화시켜 제조하였다.

모르타르층에 사용되는 주재는 유리섬유 복합관 제조에 사용 가능하다고 공지된 모든 수지로서 어느 한 종류의 수지에 제한되지 않는다. 예를 들어 비닐에스테르 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지를 들 수 있으며, 바람직하게는 불포화 폴리에스터 수지를 주재로 사용할 수 있다.

모르타르층을 제조하는 경우 주재, 경화제 및 충전재를 혼합하여 경화시키는데, 그 혼합 비율은 주재와 경화제의 혼합물 20 wt% 내지 55 wt% 및, 버텀애쉬(bottom ash) 소재를 포함하는 충전재 45 wt% 내지 80 wt%이다. 이때 경화제는 주재 100 중량부에 대하여 1 내지 2 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다.

모르타르층의 충전재는 버텀애쉬를 단독으로 사용할 수도 있고, 또는 모래와 버텀애쉬의 혼합물을 사용할 수도 있는데, 충전재로서 버텀애쉬만을 사용하는 경우 모르타르층을 제조하기 위한 혼합 비율은 주재와 경화제의 혼합물 45-55 wt%, 충전재 45-55 wt%인 것이 바람직하다. 또한, 충전재로서 버텀애쉬와 모래를 모두 사용하는 경우 그 혼합 비율은 주재와 경화제의 혼합물 20-30 wt%, 충전재 70-80 wt%인 것이 바람직하다.

버텀애쉬와 모래의 혼합물을 충전재로서 사용하는 경우 입자간 혼합이 균일하게 이루어지도록 모래와 버텀애쉬의 입자크기를 조절하는 것이 중요하다. 버텀애쉬는 1 um 내지 500 um 입자크기를 갖는 것이 바람직한데 이는 1 um 미만일 경우 입자가 작아 주재 또는 모래와의 혼합이 원활하지 못하고 입자간의 엉킴 현상이 발생하기 때문이며 1,500 um 초과일 경우 모르타르층의 공극이 많이 발생하기 때문이다. 또한, 버텀애쉬와 혼합되는 모래의 입자 크기는 1.8 mm 내지 2.0 mm 인 것이 바람직한데, 이는 모래 입자 크기가 1.8 mm 미만이면 주재와의 혼합이 원활하지 못하기 때문이고, 2.0 mm를 초과하면 모르타르층의 공극이 많아지기 때문이다.

충전재로서 혼합되는 버텀애쉬와 모래는 모래 1 : 버텀애쉬 1.5~2로 혼합되는 것이 바람직하다. 이는 상기 비율인 경우에 저가의 버텀애쉬로 고가의 모래를 대체하면서도 충전재의 공극을 균일하게 조절하여 모르타르층의 강도를 균형있게 유지할 수 있기 때문이다.

본 발명은 하기 실시예에 의하여 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것일 뿐 특허청구범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1-2 및 비교예 1-5

(1) 실험재료

모르타르층의 주재로서 불포화 폴리에스터 수지를 사용하였다. 또한 모르타르층의 충전재로서 입자 크기가 0.7 내지 0.9 mm인 모래(이하 S-sand)와 1.8 mm 내지 2.0 mm인 모래(이하 L-sand)를 사용하였으며, 버텀애쉬는 한국 중부 보령 화력본부에서 건식 회수에 의해 얻어진 것을 전처리 공정 없이 사용하였다.

(2) 모르타르층의 제조

모르타르층을 제조하기에 앞서 모래와 버텀애쉬의 수분을 제거하고자 60℃의 진공 오븐에 24시간 동안 건조시켰다. 사용된 경화제는 세기아케아社의 MEKPO이며, 하기 [표 1]의 실시예 및 비교예와 같은 함량으로 각 성분을 다이(die)에서 혼합하고 상온에서 경화시켜 복합재료를 제조하였다. 혼합에 사용된 다이는 가로 80mm, 세로 15mm, 높이 3mm 인 틀을 사용하였다.

(단위 wt%)

		혼합물 (불포화 폴리에스터 + 경화제 )	충전재
			버텀애쉬	S-sand	L-sand
혼합물 50 +충전재 50	실시예 1	50	50	-	-
	비교예 1	50	-	50	-
	비교예 2	50	-	-	50
혼합물 25 +충전재 75	비교예 3	25	-	75	-
	비교예 4	25	-	-	75
	비교예 5	25	37.5	-	37.5
	실시예 2	25	45	-	30

(3) 물성측정 방법

상기 실시예 및 비교예의 혼합비로 제조된 모르타르층을 포함하는 유리섬유 복합관을 제조한 뒤 물성측정을 하였다. 유리섬유 복합관 제조시 사용한 불포화 폴리에스테르 수지는 CCP社의 3420BF이다.

압축강도는 Universal Testing Machine (UTM: LR 50K, Lloyd Instrument, UK)을 이용하여 ASTM D6112 방법에 따라 UTM을 이용하여 시료를 7번 반복 측정 후 평균값을 사용하였다. 굴곡강도는 KS M3008 규격에 따라 측정하였으며, 충격강도는 ASTM D256 방법의 Unnotched izod impact strength 방법에 따라 측정하였다.

(4) 측정 결과

혼합물 50 wt %와 충전재 50 wt %를 사용한 경우: 각 모르타르층에는 단일종의 충전재만을 사용하였다. 즉, 실시예 1은 버텀애쉬만을 충전재로 사용하였으며, 비교예 1 및 2는 각각 S-sand와 L-sand만을 충전재로 사용하였다.

도 2a에 도시된 바와 같이 굴곡 강도의 경우 S-sand 만을 충전재로 사용한 비교예 1이 가장 높은 수치를 보이고, 버텀애쉬를 충전재로 사용한 실시예 1의 굴곡강도는 약 60MPa로 L-sand만을 충전재로 사용한 비교예 2보다 높은 결과를 보였다. 반면, 도 2b의 압축강도 및 도 2c의 충격강도의 경우 실시예 1이 비교예 1 및 2보다 높은 수치를 나타내었다.

상기 결과로부터 버텀애쉬만을 충전재로 사용하는 실시예 1의 물성강도가 비교예 1 및 2보다 더욱 균일할 뿐 아니라, 모래를 사용하지 않기 때문에 비교예 1 및 2보다 비용절감 효과가 크다는 점을 확인할 수 있다.

혼합물 25 wt %와 충전재 75 wt %를 사용한 경우: 실시예 2는 버텀애쉬와 L-sand를 1.5 : 1로 혼합한 충전재를 사용하였다. 비교예 3 및 4는 각각 S-sand와 L-sand만을 충전재로 사용하였고, 비교예 5는 버텀애쉬와 L-sand를 1 : 1로 혼합한 충전재를 사용하였다.

도 3a에 도시한 바와 같이 굴곡강도의 경우 S-sand만을 충전재로 사용한 비교예 3이 가장 높은 수치를 보이고, 버텀애쉬와 L-sand를 1.5 : 1의 비율로 혼합하여 충전재로 사용한 실시예 2의 굴곡강도는 약 40MPa로 L-sand만을 충전재로 사용한 비교예 4 및, 버텀애쉬와 L-sand를 1 : 1의 비율로 혼합하여 충전재로 사용한 비교예 5 보다 높은 결과를 보였다. 도 3b의 압축강도는 충전재의 종류에 따른 결과의 차이가 크게 나타나지 않았다. 또한, 도 3c의 충격강도는 실시예 2의 강도가 비교예 3-5의 강도보다 높은 수치를 나타내었다.

상기 결과로부터 버텀애쉬와 L-sand를 1.5 : 1의 비율로 혼한하여 충전재로 사용한 실시예 2의 물성강도가 비교예 3-5보다 더욱 균일할 뿐 아니라, 모래사용량의 감소로 인해 비교예 3-5 보다 비용절감 효과가 크다는 점을 확인할 수 있다.

본 발명은 특허청구범위뿐 아니라, 상기 본 발명의 요지에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상을 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형실시도 포함하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (4)

1. 내면보호층, 내면강화 GRP층(Glass Reinforced Plastic layer), 수지 모르타르층, 외면강화 GRP층(Glass Reinforced Plastic layer), 및 외면 보호층을 포함하는 유리섬유 복합관에 있어서, 상기 수지 모르타르층은;
   주재 100 중량부에 대하여 시멘트 경화제 1 내지 2 중량부로 이루어진 혼합물 20 내지 55wt%; 및
   버텀애쉬(bottom ash)를 포함하는 충전재 45 내지 80 wt%;
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합관.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 버텀애쉬는 입자 크기가 1㎛ 내지 500 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합관.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 충전재는 입자 크기가 1.8 mm 내지 2.0 mm 인 모래를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합관.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 모래 및 버텀애쉬의 중량비는 1:1.5~2인 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합관.
   
   
   
   
   

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