KR101548600B1 - 내마모성이 우수한 다중 복합관 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철소, 화학 산업 또는 에너지 개발 산업 등에서 수송관으로사용 가능하며, 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyetylene, UHMWPE) 섬유 또는 직물을 포함하는 내관 및 수지를 포함하는 외관을 포함하여 내마모성이 우수한 다중 복합관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 초고분자 폴리에틸렌 섬유 또는 직물을 포함하는 내관을 포함함으로써, 이송되는 물질에 의해 관벽이 마모되는 것을 최소화시킬 수 있고, 이로 인하여 수송관의 교체 주기 또한 길어져 생산성을 향상시키며, 공정 운영 시 필요한 원가가 절감됨에 따른 경제적인 효과도 거둘 수 있다.

Description

내마모성이 우수한 다중 복합관 및 그 제조방법{Muli-layer tube having high abrasion resistance and the method for preparing thereof}

본 발명은 제철소, 화학 산업 또는 에너지 개발 산업 등에서 수송관으로 사용 가능하며, 내마모성이 우수한 다중 복합관 및 그 제조방법에 관한 것이다.

수송관은 그 안에 흘러가는 물질에 따라 특성이 정해지며, 그 예시로 석탄을 부원료 또는 화력으로 사용하는 제철소나 화력 발전소의 경우 석탄 수송으로 인해 수송관에 마모가 많이 발생하게 되는데, 이러한 마모가 반복적으로 일어나면, 결국 관이 닳게 되고, 언젠가는 설비를 중지시켜서 교체해야 하는 경우가 발생한다.

그 외에도 석유나 가스 산업 등에서는 에너지 개발을 위하여 석유나 천연 가스를 땅 속으로부터 많은 불순물들과 함께 퍼올려야 하는데, 이 과정에서 관의 손상이 심각하므로, 내마모성이 매우 뛰어난 수송관이 요구된다.

현재 국내에서는 이러한 수송관과 관련하여, 석유 산업보다는, 특히 석탄 및 화학 산업에서 많이 사용되는 석탄 미분과 슬러지의 이송관, 또는 화학용 파이프 등이 많이 요구되고 있다. 그런데, 파이프 중 특히 수송관은 그 안에 수송되는 미분 석탄, 슬러지 및 분진 등이 수송관의 표면과 마찰하여 그 표면에 마모가 발생하게 되므로, 약 1년 정도의 주기로 교환이 필요하고, 교환 시에는 설비를 정지시키므로 생산에 차질이 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 종래부터 수송관의 수명 연장을 위하여 금속의 주철관에서부터 세라믹 코팅관을 사용하여 왔고, 최근에는 유리섬유와 수지를 혼합하여 강화시킨 복합수지로 GRP(Glass Reinforced Plastic)관을 개발되어 이용 중이지만, 하기 표 1에 기재된 상기 수송관들의 특성을 보는 바와 같이, 아직까지는 다른 특성면에 있어서 기대에 충분히 미치지 못하고 있다.

구 분	1세대 금속(주철관)	2세대 세라믹코팅관	3세대 GRP관
가격	고	고	고
평균수명	1년	2년	2년
내마모성	불량	양호	양호
기술의 특이점	열처리	세라믹코팅	유리 섬유 이용 복합관 수지
작업성	단순	중간	복잡
응력집중 으로 인한 파괴가능성	없음	있음	있음

더욱이, 상기 GRP관을 제조하는 공정은, 유리 섬유를 원주방향으로 감은 후, 수지를 섬유 상에 결합시키므로, 제조 시간이 길고, 감는 방향이 일 방향이므로, 응력 분포에 불균일화가 발생하여, 특히 관의 수직 방향 응력에 매우 취약한 문제점이 발생하므로, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 내마모성이 우수한 수송관이 요구되어 왔다.

한편, 이렇게 내마모성이 우수한 수송관의 수요와 관련하여서는, 국내뿐만 아니라 해외에서도 셰일 가스 등 새로운 형태의 에너지 개발 프로젝트가 급증함에 따라, 이와 함께 수송관 수요량은 증가하고 있는 실정이다. 파이프 라인 산업 자체가 세계적인 천연가스 생산량 증가와 함께 파이프라인 건설산업과 관련 인프라산업이 지속해서 성장할 것으로 전망되고 있으며, 그 외 응용 분야 또한 매우 다양한 점에서 수요가 점차 더 급증할 것으로 보인다.

본 발명은 제철소, 화학 산업 또는 에너지 개발 산업 등에서 사용 가능한 수송관으로, 내마모성이 우수하여 이송되는 물질에 의해 관벽이 마모되는 것을 최소화하여, 수송관의 교체 주기가 매우 길어진 다중 복합 수송관 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 섬유를 포함하는 내관; 및

상기 내관의 외측에 적층되며, 수지를 포함하는 외관

을 포함하는 내마모성이 우수한 다중 복합관을 제공한다.

상기 내관은 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 이용한 직물을 포함할 수 있다.

상기 직물은 무이음새(seamless) 구조일 수 있다.

상기 섬유 또는 직물의 표면은 개질 처리된 것일 수 있다.

상기 섬유 또는 직물의 표면은 플라즈마 또는 메카노 케미컬(mechano-chemical) 처리된 것일 수 있다.

상기 내관의 내측에는 수지를 포함하는 베이스관을 더 포함할 수 있다.

상기 내관의 두께는 외관 두께의 1/4 내지 1배일 수 있다.

상기 베이스관의 두께는 내관 두께의 1/100 내지 1/10배일 수 있다.

상기 외관 및 베이스관에 포함되는 수지는 각각 독립적으로 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 수지를 포함하는 베이스관을 준비하는 단계;

상기 베이스관의 외측에 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 섬유를 포함하는 내관을 적층하는 단계; 및

상기 내관의 외측에 수지를 포함하는 외관을 적층하는 단계를 포함하는 내마모성이 우수한 다중 복합관의 제조방법을 제공한다.

상기 내관을 적층하는 단계는,

초고분자 폴리에틸렌 섬유를 이용하여 직물을 직조하는 단계; 및

상기 직물을 베이스관의 외측에 적층하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 직조하는 단계는 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 이용하여 무이음새 직물을 직조하여 수행될 수 있다.

상기 내관을 적층하는 단계에 앞서, 초고분자 에틸렌 섬유의 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 직물을 베이스관의 외측에 적층하는 단계에 앞서, 직조된 직물의 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 섬유의 표면은 플라즈마 처리 또는 메카노 케미컬 처리될 수 있다.

상기 직물의 표면은 플라즈마 처리 또는 메카노 케미컬 처리될 수 있다.

상기 내관을 적층한 후 베이스관을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 베이스관 및 외관에 포함되는 수지는 각각 독립적으로 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 발명은 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyetylene, UHMWPE) 섬유 또는 직물을 포함하는 내관을 포함하는 다중 복합 수송관으로, 내마모성이 우수하여, 이송되는 물질에 의해 관벽이 마모되는 것을 최소화시킬 수 있고, 이로 인하여 수송관의 교체 주기 또한 길어져 생산성을 향상시키며, 공정 운영 시 필요한 원가가 절감됨에 따른 경제적인 효과도 거둘 수 있다.

도 1은 본 발명의 다중 복합관 단면의 개념도를 도시한 것이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 일 예시로, 본 발명에서 사용되는 무이음새 직물의 제조 과정 및 구조의 사진을 도시한 것이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명에서 적용할 수 있는 플라즈마 표면 처리 전, 후로 얻어지는 직물 표면의 형상 및 젖음성의 변화를 사진 및 개념도로 도시한 것이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명에서 적용할 수 있는 메카노 케미컬 표면 처리 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명에서 내관을 이루는 초고분자 폴리에틸렌 직물의 적층 형태의 개념도를 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

수송관이란 특정한 물질을 한 장소에서 다른 장소로 수송하는 데에 사용되는 파이프로, 제철소, 화학 산업 또는 에너지 개발 산업 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있지만, 수송관 내부로 이송되는 물질, 예를 들어 석탄, 석유 또는 고압의 가스나 그와 함께 수송되는 불순물에 의해 관벽의 마모가 심각하여 매우 짧은 주기로 수송관의 교체가 필요하고, 교체 시에는 전체 공정을 중단해야 하므로, 그에 따라 생산성 또한 매우 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 수송관에 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE) 섬유를 포함하는 내관을 포함하여 내마모성이 우수한 다중 복합관을 제공함으로써, 이송되는 물질에 의한 관벽의 마모를 최소화시켜 수송관의 수명을 연장시키고, 생산성의 향상과 더불어 원가 절감에 따른 경제적인 효과를 획득할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 일 구현 예인 내마모성이 우수한 다중 복합관은 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 섬유를 포함하는 내관 및 상기 내관의 외측에 적층되며 수지를 포함하는 외관을 포함한다.

본 발명의 다중 복합관은 기본적으로 2층으로 이루어진 형태이나, 선택적으로 상기 내관의 내측에 수지를 포함하며, 상기 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 내관이 형성되는 데에 기본 뼈대로 작용할 수 있는 베이스관을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다중 복합관의 단면의 개념도를 도시한 것으로, 가장 내측에 수지를 포함하는 베이스관(1)이 존재하고, 그 외측으로 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 내관(2)이 적층되며, 그 외측으로 수지를 포함하는 외관(3)이 존재할 수 있다.

그런데, 본 발명에서 베이스관은 상기한 바와 같이, 내관이 형성되는 데에 기본적인 뼈대로써 사용되므로, 선택적으로 포함될 수 있는 것이고, 이하 기재하겠지만, 다중 복합관 제조 시, 내관의 외측에 외관이 형성되어, 내관의 파이프 형상이 외관에 의해 유지될 수 있다면, 베이스관은 생략하여도 무방하다.

한편, 본 발명에서 상기 베이스관과 외관에 포함되는 수지의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 본 발명에서 제공되는 다중 복합관이 사용되는 분야에 따라 달리 선택될 수 있지만, 기계적 물성과 작업성 용이 및 내마모성 향상을 위하여 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

더욱이, 본 발명에서 베이스관 및 외관에 포함되는 수지는 같거나, 다른 종류의 수지를 사용하여도 무방하며, 각각 독립적으로 불포화 폴리에스테르 수지(Unsaturated Polyester Resin, UPR), 에폭시 수지(Epoxy Resin) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있고, 상기 불포화 폴리 에스테르 수지로는 오쏘프탈릭(Orthophthalic), 이소프탈릭(Isophthalic), 비스페놀릭(Bisphenolic) 및 비닐에스터(Vinylester)계 수지가 존재할 수 있지만, 파이프의 우수한 내식성을 확보하기 위해 비닐에스터계 수지가 바람직하다.

나아가, 본 발명에서 베이스관 및/또는 외관에는 수지 외에, 다중 복합관이 사용되는 산업 분야나 환경 조건에 따라, 선택적으로 강도 향상 또는 기타 다른 물성의 확보를 위하여 모래, D-오르벤, 글라스버블, 에어로실, 경질 마그네슘 카보네이트, 저수축제 및 소포제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 다중 복합관에 포함되는 내관은 상기한 바와 같이 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 포함할 수 있는데, 상기 초고분자 폴리에틸렌은 분자량이 3,500,000 내지 10,500,000g/mol 정도로 일반적인 수지가 대략 10,000 내지 50,000인 것에 비하여 매우 높은 값을 가져, 열편향 온도, 응력 균열 저항성, 저온에서의 강인도 및 인장강도가 매우 뛰어나며, 특히는 내마모성과 내충격성이 강철보다도 우수한 특성을 갖는다.

따라서, 본 발명의 다중 복합관에서는 수송되는 물질이 접하는 외관의 내측에 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 내관을 포함함으로써, 이송되는 물질에 의해 베이스관이 모두 마모되거나, 혹은 베이스관이 존재하지 않더라도, 내관의 우수한 내마모성과 내충격성으로 인하여, 관벽에 대한 마모를 최소화시킬 수 있고, 다중 복합관의 수명을 최소 3년 이상으로 연장시켜, 기존의 GRP관의 수명이 대략 2년 정도인 것에 비할 때, 교체 주기가 매우 길어져, 최종적으로는 생산성과 관련한 큰 경제적인 효과를 거둘 수 있다.

본 발명에서 다중 복합관에 포함되는 내관은 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 포함할 수 있는데, 이러한 섬유는 초고분자 폴리에틸렌 수지를 고온에서 용융하고, 섬유 형태로 방사(spinning)함으로써, 스트랜드(strand), 얀(yarn) 또는 로빙(roving)의 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 섬유가 코일과 같이 감겨진 형태로 내관에 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에서 내관은 초고분자 폴리에틸렌 섬유로 직조된 직물 (이하, '초고분자 폴리에틸렌 직물'이라 한다.)을 포함할 수 있고, 이러한 직물은 기본적으로 파이프 형상을 이루되, 코일로 감겨진 형태를 이룰 수 있고, 또는 그 외의 다양한 형태로 외관의 내벽을 감싸는 형태를 취함으로써, 수송관에 대하여 수직으로 가해지는 응력에 대하여 강하게 견디는 내구성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 초고분자 폴리에틸렌 직물을 이루는 조직은 특별히 한정하지는 않으며, 기본적으로 직물을 이루는 조직인 평직, 능직 또는 수자직일 수 있고, 혹은 이음새가 존재하지 않는 무이음새(seamless) 구조에 의할 수 있다.

한편, 상기 무이음새 구조는 일반적으로 환편기를 이용하여 통짜의 실린더 형태로 제조할 수 있으며, 직물의 두께 조절이 가능하고, 직경의 변화에도 대응할 수 있으며, 길이에 제한이 없이 제조될 수 있다.

본 발명에서 상기 환편기에 의해 무이음새 구조를 제조할 때에는 기본 수는 특별히 한정하지는 않으나, 기본 수가 많을수록 직물을 촘촘하고, 두껍게, 그러나 빠르게 직조할 수 있다. 다만, 기본 수가 100가닥을 초과하는 경우 경제적인 점에서 문제가 될 수 있으므로, 본 발명에서는 1 내지 100가닥의 실을 이용하여 직조할 수 있다.

도 2는 일 예시로, 본 발명에서 사용할 수 있는 무이음새 직물의 제조 공정과 구조의 사진을 도시한 것으로, 구체적으로 도 2의 (a)는 환편기를 사용하여 기본 수로 4가닥의 섬유를 이용하여 무이음새 직물을 제조하는 모습이고, (b)는 이와 같은 방법을 통하여 제조된 실린더 형태의 무이음새 직물의 모습이다.

또한, 본 발명에서 상기 초고분자 폴리에틸렌 직물을 이루는 조직 중 평직은 제조되는 직물의 표면이 상대적으로 거칠게 형성되어, 외관에 포함되는 수지와 강한 결합력을 가질 수 있고, 마찰에 강한 특성을 가지므로 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 본 발명에서 직물은 무이음새 구조로 되어 있는 것이, 직물을 이용하여 파이프 형상을 이룰 때, 직물의 말단 부분끼리 이어서 형성되는 이음새 부분이 형성되지 않아, 내관의 어느 방향에도 관계없이 균일한 강도를 얻을 수 있어, 물질의 반복적인 수송에 의해 특정한 부분이 터지는 문제점이 발생하지 않으며, 이하, 기재하겠으나, 다중 복합관 제조 시 베이스관 외측에 역시 파이프 형상으로 된 직물을 덮어 씌우기만 하면 되므로, 제조 공정이 매우 단순하여 생산성을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서 다중 복합관에 포함되는 베이스관, 내관 및 외관의 길이와 직경은 특별히 한정하지 않으나, 일반적으로 사용되는 수송관과 같이, 길이가 5 내지 30m, 직경이 150 내지 1000mm일 수 있다. 이때, 다중 복합관의 길이 및 직경이 상기 범위 미만에 해당하는 경우, 상기 복합관이 쓰이는 환경에서 관 사이의 이음새가 많아져, 수송관의 설치 작업성이 떨어질 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우, 취급이 용이하지 않을 수 있다. 다만, 본 발명에서 제공하는 다중 복합관의 길이 및 직경은 상기 범위로 한정할 것은 아니고, 사용되는 환경 조건이나, 산업 분야에 따라 적절한 수준으로 조절하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 다중 복합관에 포함되는 외관의 두께는 특별히 한정하지는 않으며, 복합관이 사용되는 목적이나, 환경 조건에 따라 적절한 수준으로 조절하여 사용할 수 있다. 다만, 상기 다중 복합관에 포함되는 내관은 외관 두께의 1/4 내지 1배의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 내관의 두께가 외관 두께의 1/4 배 미만인 경우, 관벽 마모 방지의 효과가 미미할 수 있고, 1배를 초과하는 경우, 내관 제조 공정 시 원가와 관련한 경제적인 점에서 문제가 될 수 있다.

또한, 상기 다중 복합관에 포함될 수 있는 베이스관은 상기한 바와 같이, 내관이 외관과의 결합이 완료될 때까지, 그 형태를 유지시키기 위하여 사용되는 것이므로, 내관 두께의 1/100 내지 1/10배의 두께를 가지는 것이 바람직하고, 베이스관의 두께가 내관 두께의 1/100 미만인 경우, 형태 유지가 어려울 수 있으며, 1/10배를 초과하는 경우, 원가와 관련한 경제적인 점에서 문제가 될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 내관에 포함되는 초고분자 폴리에틸렌 섬유 또는 직물은 외관에 포함되는 수지와의 결합력을 보다 향상시키기 위하여, 표면이 개질 처리된 것일 수 있다.

이때, 상기 섬유나 직물의 표면을 개질하는 방법으로는 표면 처리를 통하여 외관 수지와의 결합력을 향상시킬 수 있는 방법이면 어느 것이든 무방하고, 외관에 포함되는 수지의 종류나, 공정 조건에 따라 적절한 방법을 선택할 수 있으나, 예를 들어, 약품 개질, 증기처리에 의한 개질, 플라즈마 개질, 저온 플라즈마 개질, UV 개질, 엑시머레이저 개질, 프라이머 개질 또는 메카노 케미컬(Mechano-chemical) 개질 방법 등을 사용할 수 있고, 본 발명에서는 특히 처리 대상이 섬유 또는 직물인 점을 고려할 때, 플라즈마 처리 또는 메카노 케미컬(mechano-chemical) 처리에 의하는 것이, 표면의 화학 및 물리적 에너지를 변경하여, 수지와의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있어 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 메카노 케미컬 처리 방법에 의하는 것이 경제성 대비 우수한 개질 효율을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에서 표면 개질 방법으로 플라즈마 개질 처리에 의하는 경우, 상기 섬유나 직물에 대한 플라즈마 처리 시 스파크(Spark)나 아크(Arc)의 발생은 그 표면을 개질시키는 정도를 넘어서, 심각히 파괴하기 때문에, 방전 조건을 엄격히 제어하는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명에서 이를 제어하며 사용할 수 있는 플라즈마 처리 방법으로는 감압방전(Low Pressure Discharge), 펄스 방전(Short Pulse Discharge), 코로나 방전(Corona Discharge) 또는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge) 등을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 펄스 방전에 의하는 것이 코로나가 스파크나 아크로 성장하지 못하도록 제어하며, 섬유나 직물의 표면을 효율적으로 개질시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 플라즈마 처리를 진공 또는 대기압 하에서 수행할 수 있는데, 대기압 플라즈마(atmospheric pressure plasma)에 의하는 것이 별도의 반응 챔버 없이 기존의 생산라인에 직접 적용이 가능하므로, 연속적인 공정으로 처리가 가능하여 바람직하며, 더욱이 최근에 주로 사용되는 저온 플라즈마 처리가 결합력을 보다 향상시킬 수 있어 바람직하고, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 대한민국 등록 특허공보 제0414130호에 기재된 플라즈마 처리 방법에 의할 수 있다.

구체적으로, 도 3은 본 발명에서 사용되는 초고분자 폴리에틸렌 직물의 표면에 플라즈마 개질 처리 시 얻어지는 효과를 보여주는 도면으로, 도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 플라즈마 처리 시 그 직물 표면에 요철 형상이 다수 생성되어, 표면 거칠기가 크게 향상되는 것을 볼 수 있고, 도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 플라즈마 표면 처리 시, 표면이 개질 처리된 직물 위의 잉크 방울의 접촉각은 감소하여, 젖음성이 크게 향상되고, 수지와의 결합력이 보다 향상될 수 있음을 용이하게 예측할 수 있다.

본 발명에서는 상기 섬유나 직물의 표면을 개질하는 방법으로 플라즈마 개질 처리 외에 메카노 케미컬(mechano-chemical) 처리를 수행할 수 있는 데, 상기 메카노 케미컬 처리는 섬유나 직물에 압축, 전단의 기계적인 힘을 가하여, 그 표면의 물리 화학적 에너지을 변화시킴으로써, 그 주변에 존재하는 기체나 액체와 더불어 직접적인 반응을 유도 또는 촉진시킴으로써, 친수성의 성질을 보다 향상시키고, 결과적으로는 외관 수지와의 결합력을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에서 섬유 또는 직물의 표면 개질에 적용될 수 있는 메카노 케미컬 처리의 예시를 도시한 것으로, 도 4의 (a)에 의하면, 받침대(10) 상에 존재하는 섬유 또는 직물(100)에 충격봉(11)이 상하로 움직이면서 수직 응력을 가하며, 이때 섬유 또는 직물(100)의 표면에는 수직응력 에너지가 축적되면서 표면 에너지가 높아질 수 있고, 상기 충격봉(11)의 표면 충돌 시 표면 조도를 더욱 거칠게 함으로써, 섬유 또는 직물(100)의 친수성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 표면 에너지 축적 효과를 보다 높이기 위하여, 부가적으로 하우징 전체에 초음파 진동자(12)로부터 초음파를 가하여 진동을 발생시킬 수 있다.

또한, 도 4의 (b)에 의하면, 섬유 또는 직물의 상, 하면에 직경이 상이한 롤(20)이 배치되어, 섬유 또는 직물은 상,하면에 위치하는 롤 사이를 통과하면서, 두 롤의 곡률 반경의 차이로 인하여 전단응력을 받게 되며, 이러한 전단응력 에너지가 축적되면서 표면 에너지는 더욱 높아지게 된다.

본 발명에서는 메카노 케미컬 처리로 충격봉에 의하는 방법과 롤에 의하는 방법을 모두 사용하는 것이 수직응력과 전단응력에 의해 섬유 또는 직물 표면의 에너지 변화를 최대화시켜, 표면을 극도로 활성화시켜, 수지와의 결합력 또한 현저히 향상시킬 수 있어 바람직하다.

또한, 본 발명에서 초고분자 폴리에틸렌 섬유 또는 직물은 상기 기재한 표면 처리 방법 중 어느 한 가지의 처리 공정에 의해 그 표면이 개질된 것일 수 있고, 또는 복수 개의 처리 공정을 순차적으로 수행하여 표면이 개질된 것일 수 있으나, 복수의 공정에 의해 처리된 것이 표면의 물리적, 화학적 에너지를 다각적으로 변화시켜, 외관 수지와의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 내관이 외관으로부터 쉽게 분리되지 않아, 내마모성을 더욱 향상시키는 데에 바람직하다.

본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 내마모성이 우수한 다중 복합관의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 수지를 포함하는 베이스관을 준비하는 단계, 상기 베이스관의 외측에 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 섬유를 포함하는 내관을 적층하는 단계 및 상기 내관의 외측에 수지를 포함하는 외관을 적층하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 베이스관을 준비하는 단계는 우선 파이프 압출기의 호퍼에 베이스관에 포함될 수 있는 수지를 투입한 뒤, 압출금형을 이용하여 파이프 형태로 압출 성형함으로써, 베이스관을 형성할 수 있다.

이렇게 베이스관이 준비되면, 상기 베이스관의 외측에 내관을 적층할 수 있고, 본 발명에서 상기 내관은 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 포함할 수 있다. 이때, 상기 초고분자 폴리에틸렌 섬유는 초고분자 폴리에틸렌 수지를 고온에서 용융한 뒤, 방사(spinning)를 통해 스트랜드(strand), 실(yarn) 또는 로빙(roving)의 형태로 제조될 수 있고, 이렇게 제조된 섬유는 상기 베이스관의 외측에 코일 형태로 감겨 내관을 형성할 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용하는 초고분자 폴리에틸렌은 분자량이 3,500,000 내지 10,500,000g/mol 정도로 일반적인 수지가 대략 10,000 내지 50,000인 것에 비하여 매우 높은 값을 가져, 열편향 온도, 응력 균열 저항성, 저온에서의 강인도 및 인장강도가 매우 뛰어나며, 특히는 내마모성과 내충격성이 강철보다도 우수한 특성을 갖는다.

따라서, 본 발명의 다중 복합관에서는 수송되는 물질이 접하는 외관의 내측에 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 포함하는 내관을 포함함으로써, 이송되는 물질에 의해 베이스관이 모두 마모되거나, 혹은 베이스관이 존재하지 않더라도, 내관의 우수한 내마모성과 내충격성으로 인하여, 관벽에 대한 마모를 최소화시킬 수 있고, 다중 복합관의 수명을 최소 3년 이상으로 연장시켜, 기존의 GRP관의 수명이 대략 2년 정도인 것에 비할 때, 교체 주기가 매우 길어져, 최종적으로는 생산성과 관련한 큰 경제적인 효과를 거둘 수 있다.

한편, 본 발명에서 상기 내관을 적층하는 단계는 상기한 바와 같이, 준비된 베이스관의 외측에 초고분자 폴리에틸렌 섬유를 코일 등의 방법으로 베이스관의 원주를 따라 외측을 감싸는 형태로 형성할 수 있으나, 그 외에도 상기 섬유를 이용하여 직물(이하, '초고분자 폴리에틸렌 직물'이라 한다.)을 직조한 뒤, 베이스관의 외측에 적층하여 수행될 수도 있다.

또한, 본 발명에서 상기 초고분자 폴리에틸렌 직물을 이루는 조직은 상기 특별히 한정하지는 않으며, 기본적으로 직물을 이루는 조직인 평직, 능직 또는 수자직일 수 있고, 혹은 이음새가 존재하지 않는 무이음새(seamless) 구조에 의할 수 있다.

한편, 상기 무이음새 구조는 일반적으로 환편기를 이용하여 통짜의 실린더 형태로 제조할 수 있으며, 직물의 두께 조절이 가능하고, 직경의 변화에도 대응할 수 있으며, 길이에 제한이 없이 제조될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 초고분자 폴리에틸렌 직물은 기본적으로 파이프 형상을 이루되, 상기 직물을 베이스관의 외측에 적층하는 방법으로, 구체적으로는 도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 평직, 능직 또는 수자직에 의하며, 긴 직사각형의 형태로 된 직조된 직물(2)을 베이스관(1)의 외측에 코일 형태로 감을 수 있고(a), 혹은 상기 직물(2)이 실린더 형태로 베이스관(1)의 외벽을 감싼 뒤 직물의 끝단을 이어줄 수 있고, 더 나아가서는 베이스관 보다 더 큰 직경을 가지며, 이미 실린더 형태로 제조된 무이음새 구조의 직물을 베이스관 외측에 덮어 씌우는 방법으로 내관을 적층할 수 있다.

또한, 상기 직물을 이루는 조직 중 평직은 제조되는 직물의 표면이 상대적으로 거칠어 외관과의 결합력이 크고, 마찰에 강한 성질을 부여하므로 바람직하다.

더욱 바람직하게는 무이음새 구조에 의하는 것이 이음새 부분을 포함하지 않아, 내관의 어느 방향에도 관계없이 균일한 강도를 얻을 수 있어, 물질의 반복적인 수송에 의해 특정한 부분이 터지거나, 마모가 집중되는 문제점이 발생하지 않으며, 상기한 바와 같이 적층 시 베이스관 외측에 이미 파이프 형상으로 된 직물을 덮어 씌우기만 하면 되므로, 제조 공정이 매우 단순하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 내관과 외관에 포함되는 수지와의 결합력을 보다 향상시키기 위하여, 상기 내관에 포함되는 초고분자 폴리에틸렌 섬유 또는 직물의 표면을 개질 처리할 수 있다.

이때, 상기 섬유나 직물의 표면을 개질하는 방법으로는 특별히 한정하지 않고, 표면 처리를 통하여 외관 수지와의 결합력을 향상시킬 수 있는 방법이면 어느 것이든 무방하고, 외관에 포함되는 수지의 종류나, 공정 조건에 따라 적절한 방법을 선택할 수 있으나, 예를 들어, 약품 개질, 증기처리에 의한 개질, 플라즈마 개질, 저온 플라즈마 개질, UV 개질, 엑스마레이저 개질, 프라이머 개질 또는 메카노 케미컬(Mechano-chemical) 개질 방법 등을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명에서는 처리 대상이 섬유 또는 직물인 점을 고려할 때, 플라즈마 처리 또는 메카노 케미컬(mechano-chemical) 처리에 의하는 것이 표면의 화학 및 물리적 에너지를 변경하여, 수지와의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있어 바람직하고, 더욱 바람직하게는 메카노 케미컬 처리에 의하는 것이 경제성 대비 우수한 표면 개질 효율을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서 섬유 또는 직물의 표면을 개질하기 위하여 플라즈마 개질 처리에 의하는 경우, 상기 섬유나 직물에 대한 플라즈마 처리 시 스파크(Spark)나 아크(Arc)의 발생은 그 표면을 개질시키는 정도를 넘어서, 심각히 파괴하기 때문에, 방전 조건을 엄격히 제어하는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명에서 이를 제어하며 사용할 수 있는 플라즈마 처리 방법으로는 감압방전(Low Pressure Discharge), 펄스 방전(Short Pulse Discharge), 코로나 방전(Corona Discharge) 또는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge) 등을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 펄스 방전에 의하는 것이 코로나가 스파크나 아크로 성장하지 못하도록 제어하며, 섬유나 직물의 표면을 효율적으로 개질시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 플라즈마 처리 시 진공 또는 대기압 하에서 수행할 수 있는데, 대기압 플라즈마(atmospheric pressure plasma)에 의하는 것이 별도의 반응 챔버 없이 기존의 생산라인에 직접 적용이 가능하므로, 연속적인 공정으로 처리가 가능하여 바람직하며, 더욱이 최근에 주로 사용되는 저온 플라즈마 처리가 결합력을 보다 향상시킬 수 있어 바람직하고, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 대한민국 등록 특허공보 제0414130호에 기재된 플라즈마 처리 방법에 의할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 섬유나 직물의 표면을 개질하는 방법으로 상기 플라즈마 개질 처리 외에, 메카노 케미컬(mechano-chemical) 처리를 사용할 수 있는 데, 상기 메카노 케미컬 처리는 섬유나 직물에 압축, 전단의 기계적인 힘을 가하여, 그 표면의 물리 화학적 에너지를 변화시킴으로써, 그 주변에 존재하는 기체나 액체와 더불어 직접적인 반응을 유도 또는 촉진시킴으로써, 친수성의 성질을 보다 향상시키고, 결과적으로는 외관 수지와의 결합력을 향상시킬 수 있다.

상기 메카노 케미컬 처리로는, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 섬유 또는 직물에 충격봉을 상하로 움직이며 수직응력을 가하여, 섬유 또는 직물의 표면의 에너지를 높이거나, 부가적으로 하우징 전체에 초음파를 가하여 진동을 발생시켜 표면 에너지 축적 효과를 높일 수 있다. 또는 섬유 또는 직물의 상, 하면에 직경이 상이한 롤을 배치하여, 섬유 또는 직물을 그 롤 사이로 통과시킴으로써, 두 롤의 곡률 반경의 차이로 인하여 섬유 또는 직물의 표면 에너지를 높일 수 있다.

또한, 본 발명에서는 메카노 케미컬 처리로 충격봉에 의하는 방법과 롤에 의하는 방법을 모두 사용하는 것이 수직응력과 전단응력에 의해 섬유 또는 직물 표면의 에너지 변화를 최대화시켜, 표면을 극도로 활성화시켜, 수지와의 결합력 또한 현저히 향상시킬 수 있어 바람직하다.

더욱이, 본 발명에서 초고분자 폴리에틸렌 섬유 또는 직물의 표면에 대하여 표면 개질 처리는 하나의 공정만을 수행할 수 있지만, 복합적인 공정을 수행하는 것이 상기 표면의 화학 및 물리적 에너지를 모두 향상시킬 수 있어, 외관 수지와의 결합력 또한 보다 향상시킬 수 있어, 최종적으로 내마모성 향상에 바람직하다. 이에 한정할 것은 아니지만 예를 들어, 플라즈마 처리와 메카노 케미컬 처리를 각각 수행할 수도 있지만, 두 공정을 순차적으로 수행할 수도 있고, 혹은 그 외의 다른 표면 개질 공정 또한 함께 수행할 수도 있다.

본 발명에서 상기와 같이 내관이 적층되면 내관의 외측에 수지를 포함하는 외관을 적층할 수 있고, 구체적으로는 베이스관의 제조와 마찬가지로, 외관에 포함될 수 있는 수지를 파이프 압출기의 호퍼에 투입한 뒤, 압출금형을 이용하여 파이프 형상으로 압출성형하며 상기 내관의 외측에 적층할 수 있다.

한편, 본 발명에서 본 발명에서 상기 베이스관과 외관에 포함되는 수지의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 본 발명에서 제공되는 다중 복합관이 사용되는 분야에 따라 달리 선택될 수 있지만, 기계적 물성과 작업성 용이 및 내마모성 향상을 위하여 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

더욱이, 본 발명에서 베이스관 및 외관에 포함되는 수지는 같거나, 다른 종류의 수지를 사용하여도 무방하며, 각각 독립적으로 불포화 폴리에스테르 수지(Unsaturated Polyester Resin, UPR), 에폭시 수지(Epoxy Resin) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 수지로부터 선택될 수 있고, 상기 불포화 폴리 에스테르 수지로는 오쏘프탈릭(Orthophthalic), 이소프탈릭(Isophthalic), 비스페놀릭(Bisphenolic) 및 비닐에스터(Vinylester)계 수지가 존재할 수 있지만, 파이프의 우수한 내식성을 확보하기 위해서는 비닐에스터계 수지가 바람직하다.

나아가, 본 발명에서 베이스관 및/또는 외관에는 수지 외에 다중 복합관이 사용되는 산업 분야나 환경 조건에 따라, 선택적으로 강도 향상 또는 기타 다른 물성의 확보를 위하여 모래, D-오르벤, 글라스버블, 에어로실, 경질 마그네슘 카보네이트, 저수축제 및 소포제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 베이스관은 섬유 또는 직물을 포함하는 내관이 파이프 형상을 유지할 수 있도록 기본적인 뼈대로 작용할 뿐이며, 수지를 주로 포함하여 내마모성이 매우 취약해, 이송되는 물질에 의해서도 쉽게 마모되어 제거될 수 있으므로, 상기와 같이 베이스관 외측에 내관이 적층되어 내관이 파이프 형상을 유지할 수 있다면, 베이스관을 제거하는 단계를 수행할 수 있다.

이때, 상기 베이스관을 제거하는 단계는 상기한 바와 같이 내관이 베이스관의 외측에 적층되어 파이프 형상을 유지할 수 있다면 바로 수행할 수 있고, 혹은 상기 내관 적층 후, 외관이 내관의 외측에 적층된 뒤에 수행할 수도 있다.

단, 본 발명에서 상기 베이스관을 제거하는 단계는 반드시 수행할 필요는 없고, 베이스관이 내관으로부터 분리되는 것이 용이한 경우에만 선택적으로 수행할 수 있다. 또한, 그 제거 방법은 특별히 한정하지는 않으며, 내관이 실린더 형태로 된 무이음새 직물을 이루는 경우, 상기 내관은 베이스관의 외측에 덮어 씌운 형태이므로, 베이스관만을 용이하게 분리할 수 있다.

더욱이, 분리된 베이스관은 추후에 본 발명의 다중 복합관을 제조하거나, 다른 수송관을 제조할 때에 다시 베이스관으로 재이용할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

1: 베이스관
2: 내관
3: 외관
10: 받침대
11: 충격봉
12: 초음파 진동자
20: 롤
100: 초고분자 폴리에틸렌 섬유, 초고분자 폴리에틸렌 직물

Claims (18)

1. 분자량이 3,500,000 내지 10,500,000 g/mol인 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 섬유를 이용한 직물을 포함하는 내관; 및
   상기 내관의 외측에 적층되며, 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물로 이루어진 외관을 포함하며,
   상기 내관에 포함된 직물은 무이음새(seamless) 구조이며, 상기 내관의 두께는 외관 두께의 1/4 내지 1배이고, 상기 외관의 직경은 150 내지 1000 mm이며, 고체상 물질을 운반하는 내마모성이 우수한 다중 복합관.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 섬유 또는 직물의 표면은 개질 처리된 것인 내마모성이 우수한 다중 복합관.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 섬유 또는 직물의 표면은 플라즈마 또는 메카노 케미컬(mechano-chemical) 처리된 것인 내마모성이 우수한 다중 복합관.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 내관의 내측에는 수지를 포함하는 베이스관을 더 포함하는 내마모성이 우수한 다중 복합관.
   
7. 삭제
8. 제6항에 있어서, 상기 베이스관의 두께는 내관 두께의 1/100 내지 1/10배인 내마모성이 우수한 다중 복합관.
   
9. 제6항에 있어서, 상기 베이스관에 포함되는 수지는 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물을 포함하는 내마모성이 우수한 다중 복합관.
   
10. 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물로 이루어진 베이스관을 준비하는 단계;
    분자량이 3,500,000 내지 10,500,000 g/mol인 초고분자 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 섬유를 이용하여 무이음새(seamless) 구조의 직물을 직조하여 두께가 외관 두께의 1/4 내지 1배인 내관을 형성하는 단계;
    상기 내관을 베이스관의 외측에 적층하는 단계; 및
    상기 내관의 외측에 직경은 150 내지 1000 mm이며, 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물로 이루어진 외관을 적층하는 단계를 포함하며, 고체상 물질을 운반하는 내마모성이 우수한 다중 복합관의 제조방법.
    
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 제10항에 있어서, 상기 내관을 베이스관의 외측에 적층하는 단계에 앞서, 직조된 직물의 표면을 개질하는 단계를 더 포함하는 내마모성이 우수한 다중 복합관의 제조방법.
    
15. 삭제
16. 제14항에 있어서, 상기 직물의 표면은 플라즈마 처리 또는 메카노 케미컬 처리되는 내마모성이 우수한 다중 복합관의 제조방법.
    
17. 제10항에 있어서, 상기 내관을 적층한 후 베이스관을 제거하는 단계를 더 포함하는 내마모성이 우수한 다중 복합관의 제조방법.
    
18. 삭제

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