KR101986947B1

KR101986947B1 - 열경화성 에프알피(frp) 파이프의 제조방법

Info

Publication number: KR101986947B1
Application number: KR1020180074416A
Authority: KR
Inventors: 황수원
Original assignee: 황수원
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2019-06-07

Abstract

본 발명은 열경화성 에프알피(FRP) 파이프의 제조방법에 관한 것으로, 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관으로 사용되는 에프알피 파이프의 제조방법에 있어서, 원통 또는 봉상의 몰드 외주면에 이형제를 도포하는 단계; 상기 이형제가 도포된 몰드 외주면에는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 페놀수지(Phenol resin)를 함침시킨 유리섬유 부직포를 2 ~ 5회 래핑하여 페놀수지 함침 유리섬유층을 형성하는 단계; 상기 형성된 페놀수지 함침 유리섬유층을 60 ~ 80℃의 온도에서 6 ~ 12시간 동안 가열하여 1차 경화시키는 단계; 상기 경화된 페놀수지 함침 유리섬유층 위에는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 불포화폴리에스테르수지(Unsaturated polyester resin)를 함침시킨 유리섬유 부직포를 3 ~ 10회 래핑하여 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 형성하는 단계; 상기 형성된 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 상온에서 24 ~ 48시간 동안 건조하여 2차 경화시키는 단계; 상기 2차 경화된 성형체를 몰드로부터 탈형시키는 단계; 상기 탈형된 성형체를 필요한 길이로 절단하고 후처리하는 단계(S700)로 이루어진다.
본 발명의 제조방법으로 제조되는 열경화성 에프알피 파이프는 이형제가 도포된 몰드를 이용하여 파이프를 구성하는 내측에는 페놀수지 함침 유리섬유층을 형성하고 외측에는 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 형성한 2층 구조의 복합재질을 일체로 결합시켜 파이프 내부의 내열성과 아울러 외부의 기계적 강도가 보완되게 조합함으로써 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관 등의 용도로 사용되는 에프알피 파이프의 내식성, 내구성 등의 특성이 탁월한 효과가 있으며, 종래의 콘크리트관 또는 강관 등에 비해 경량일 뿐만 아니라 복잡한 배관설비에 대한 가공이나 수리가 용이한 장점이 있다. 또한, 본 발명은 제조공정이 간단하기 때문에 제품의 용도에 따라 몰드의 직경만을 조절하여 관의 직경을 폭넓은 범위까지 용이하게 제조할 수 있어 소량 다품목, 맞춤 생산에 적합하며, 또한 몰드 형상에 따라 엘보관(elbow tube), 단면이 다각형인 관과 같은 다양한 형태로의 파이프 제조가 가능하다.

Description

열경화성 에프알피(FRP) 파이프의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF A THERMOSETTING FIBER REINFORCED PLASTIC PIPE}

본 발명은 열경화성 에프알피(FRP) 파이프의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관 등의 용도로 사용되는 에프알피 파이프를 제조함에 있어, 파이프를 구성하는 내측에는 페놀수지 함침 유리섬유층을 형성하고 외측에는 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 형성하여 2층 구조의 복합재질을 일체로 결합시킴에 따라 파이프 내부의 내열성과 외부의 기계적 강도가 보완되게 조합됨으로써 내식성, 내구성 등의 특성이 탁월한 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 굴뚝은 보일러나 소각로의 마지막 설비로 발생된 연기를 외부로 방출하는 역할을 하는 것으로, 통상 내화성의 콘크리트, 스테인리스 스틸 등과 같은 금속재로 덕트 설비와 굴뚝을 설치한다. 그러나 보일러와 소각로에서 발생하는 가스에는 황산산화물인 아황산가스가 상기 재질의 덕트와 굴뚝을 지속적으로 통과함으로써 급격한 부식을 초래하게 되고 이로 인하여 크랙 발생 등 내구성이 저하된다.

또한, 보일러와 소각로에서 배출되는 가스의 온도는 보통 180 내지 350℃ 정도의 고열을 수반하여 가스와 함께 굴뚝의 부식을 심화하는 요인이 되므로 설비의 수명이 짧아지고 잦은 보수와 교체를 요하게 되는 문제점이 있으며, 이러한 현상은 일반 보온용 파이프, 열병합 발전소의 유체 이송배관, 증기용 보온관, 보일러 등 기계장비 내부의 단열 배관분야, 에너지 및 수송업체 등에도 그와 유사한 트러블이 발생되고 있는 실정이다.

이에 따라 굴뚝, 덕트, 유체 수송관 등의 특성을 개선하고자 하는 연구가 다양하게 진행되고 있으며, 그 중에서 최근에는 에프알피(FRP, Fiber Reinfored Plastics, 섬유 강화 플라스틱)를 많이 적용하고 있는데, 이는 보강재인 유리섬유나 탄소섬유 등을 충진재로 사용하고 이에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침하여 적층 경화한 재질을 적용하고 있다. 이와 같은 에프알피(FRP) 소재로 제조한 굴뚝 등은 경량의 재료로 형성되어 조립과 보수가 용이하며, 내부식성, 내열성, 내구성을 향상시킴에 의해 부식성을 유발하는 고열의 가스가 통과하더라도 장기간 그 수명을 유지할 수 있다.

현재까지 에프알피(FRP)의 재질과 특성을 향상시키면서 제조공정을 개선하기 위한 다양한 양태의 연구가 지속적으로 이루어지고 있는데, 본 발명과 관련된 에프알피 파이프에 관한 종래기술을 살펴보면, 본 발명자는 대한민국 등록특허공보 제10-0638547호(황수원)를 통해 내부식성과 내열성이 높은 굴뚝을 제공하기 위하여, 평판(11a)을 둥글게 말아서 링(11b)으로 고정한 일자관몰드(11); 통상 ‘L’자 형상 관의 길이 방향을 따라 절단된 형상의 한 쌍의 반쪽관몰드(12a)를 결합하고, 이를 링(12b)으로 고정한 엘보몰드(12); 그 중앙이 관통된 원판형의 플랜지몰드(13)로 구성된 몰드(10)를 각각 구비하는 몰드 준비 공정(S1); 상기 각 몰드(10)에 이형제를 바르는 이형제 도포 공정(S2); 상기 각 몰드(10) 내부로, 유리섬유에 열경화성 수지를 함침하면서 적층·경화로 에프알피를 형성하는 에프알피 형성 공정(S3); 상기 각 몰드(10)에서 에프알피를 탈형하되, 각각 일자관몰드(11)에서 일자관(21), 엘보몰드(12)에서 엘보형관(22), 플랜지몰드(13)에서 플랜지(23)를 탈형하여, 각 가장자리를 깨끗이 정리하는 탈형 및 정리 공정(S4); 상기 일자관(21) 및 엘보형관(22)의 각 양단 외측에 플랜지(23)를 각각 끼워 그 틈새를 따라 유리섬유에 열경화성 수지를 함침하면서 적층·경화를 통한 에프알피의 형성으로 이음하여, 각각 아이관(31)과 엘보관(32)을 구성하는 이음 공정(S6); 상기 다수개의 아이관(31)과 엘보관(32)을 연결하여 일정 높이의 굴뚝을 구성하되, 각 맞댄 플랜지(23)에 관통된 조립공(23´)을 다수개 형성하고 이에 볼트, 너트의 결합으로 일정 높이로 구성하는 조립 공정(S7)으로 굴뚝을 제조하는 것을 특징으로 하는 에프알피로 구성된 굴뚝의 제조방법을 개시하였다.

한편, 본 발명에서는 상기 종래기술을 응용하여 파이프 내측에 페놀수지 함침 유리섬유층을 형성하고 파이프 외측에 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 형성한 2층 구조의 복합재질을 일체로 결합시킴에 따라 파이프 내부의 내열성과 외부의 기계적 강도가 보완되도록 구성함으로써 내식성과 내구성 등의 특성이 탁월한 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성한 것이다.

또한, 동 공개특허공보 제10-2009-0129541호(이종호)에 의한 유리섬유 강화 지중 매설용 고강도 다중 하수관은 내층과 외층으로 구분되도록 이중으로 압출되어 성형되되, 상기 내층은 PVC 수지 80~95중량%, 안정제 1~6중량% 및 M.B.S. 3~15중량%를 혼합된 수지혼합물이고, 상기 외층은 PVC 수지 80~95중량%, 안정제 1~6중량% 및 M.B.S. 3~15중량%를 혼합된 수지혼합물 70~99.5중량%와 유리섬유 0.5~30중량%가 혼합되어 압출 성형됨으로써 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 파이프의 외면이 깨끗하고 수밀성이 우수하며, 제조공정이 간단하면서도 파이프를 연속적으로 생산할 수 있어 생산비가 절감된다고 기재되어 있으나, 이는 소량의 유리섬유를 1~15㎜의 쵸핑된 스트랜드 형태로 포함하고 있는 정도에 불과한 것이다.

그리고 동 등록특허공보 제10-1191529호(정찬기)를 보면, 제조하고자 하는 관체에 맞는 몰드를 회전 가능하게 준비하는 몰드준비단계와; 준비된 몰드의 표면에 관체 완성시 몰드와의 분리가 용이하도록 이형수단을 부착하는 이형수단부착단계와; 몰드를 회전시키면서 이형수단의 표면에 페놀수지와 유리섬유 및 로빙사를 권취하여 관체의 내경부를 형성하는 내경부형성단계와; 몰드를 회전시키면서 내경부의 외면에 불포화폴리에스텔수지와 유리섬유 및 로빙사를 권취하여 관체의 외경부를 형성하는 외경부형성단계와; 성형 완료된 관체를 몰드와 분리하는 탈형단계와; 탈형된 관체의 내경부와 외경부 표면을 고르게 마무리하는 마감단계로 이루어지고; 상기 이형수단부착단계에서 부착하는 이형수단은 필름 또는 골판지이고; 상기 내경부형성단계에서는, 이형수단의 표면에 페놀수지를 고르게 도포하여 완성되는 관체의 내표면에 기포 발생을 배제할 수 있도록 하는 탈포과정과; 페놀수지의 표면에 유리섬유를 권취하여 페놀수지를 도포하여 기초적인 형상을 유지하는 형상유지과정과; 형상이 유지된 상태에서 외표면에 페놀액을 통과한 로빙사를 고르게 권취하면서 기포를 제거하면서 표면을 고르게 하는 두께조절과정과; 두께가 조절된 외표면에 페놀액이 도포되지 않은 로빙사를 1회전 와인딩으로 권취하는 접합면형성과정과; 접합면형성이 완료된 후 열경화시키는 경화과정을 포함하고; 상기 외경부형성단계에서는, 폴리에스텔액을 통과한 로빙사를 외경부의 두께가 완성될 때까지 권취한 후 열경화 과정을 거쳐 완성하는 것을 특징으로 하는 에프알피를 이용한 관체 제조방법이 기재되어 있는바, 이는 제조공정상의 번거로움을 개선함으로써 제조비용이 절감되고 품질이 우수한 열경화성 에프알피 파이프를 제조할 수 있다고 한다.

대한민국 등록특허공보 제10-0638547호(공고일자 2006년10월27일) 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0129541호(공개일자 2009년12월17일) 대한민국 등록특허공보 제10-1191529호(공고일자 2012년10월15일)

본 발명의 목적은 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관 등의 용도로 사용되는 에프알피 파이프를 제조함에 있어, 이형제가 도포된 몰드를 이용하여 파이프를 구성하는 내측에는 페놀수지 함침 유리섬유층을 형성하고 외측에는 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 형성한 2층 구조의 복합재질을 일체로 결합시켜 파이프 내부의 내열성과 외부의 기계적 강도가 보완되게 조합함으로써 내식성, 내구성 등의 특성이 탁월한 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법은, 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관으로 사용되는 에프알피 파이프의 제조방법에 있어서, 원통 또는 봉상의 몰드 외주면에 이형제를 도포하는 단계; 상기 이형제가 도포된 몰드 외주면에는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 페놀수지(Phenol resin)를 함침시킨 유리섬유 부직포를 2 ~ 5회 래핑하여 페놀수지 함침 유리섬유층을 형성하는 단계; 상기 형성된 페놀수지 함침 유리섬유층을 60 ~ 80℃의 온도에서 6 ~ 12시간 동안 가열하여 1차 경화시키는 단계; 상기 경화된 페놀수지 함침 유리섬유층 위에는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 불포화폴리에스테르수지(Unsaturated polyester resin)를 함침시킨 유리섬유 부직포를 3 ~ 10회 래핑하여 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 형성하는 단계; 상기 형성된 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 상온에서 24 ~ 48시간 동안 건조하여 2차 경화시키는 단계; 상기 2차 경화된 성형체를 몰드로부터 탈형시키는 단계; 상기 탈형된 성형체를 필요한 길이로 절단하고 후처리하는 단계(S700)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 이형제는 실리콘수지, 스테아린산염, 폴리비닐알코올, 파라핀, 왁스류, 테플론(Polytetrafluoroethylene) 분산액 중에서 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상 혼합하여 40 ~ 50㎛ 두께로 도포하며, 상기 유리섬유 부직포는 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트를 사용한다.

또한, 상기 불포화폴리에스테르수지로는 비닐에스테르수지(Vinyl ester resin)를 사용하며, 상기 페놀수지 함침 유리섬유층 및 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층은 유리섬유 부직포에 대하여 각각의 액상수지를 2 ~ 4배의 중량비율로 함침시키는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제조방법으로 제조되는 열경화성 에프알피 파이프는 이형제가 도포된 몰드를 이용하여 파이프를 구성하는 내측에는 페놀수지 함침 유리섬유층을 형성하고 외측에는 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층을 형성한 2층 구조의 복합재질을 일체로 결합시켜 파이프 내부의 내열성과 아울러 외부의 기계적 강도가 보완되게 조합함으로써 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관 등의 용도로 사용되는 에프알피 파이프의 내식성, 내구성 등의 특성이 탁월한 효과가 있으며, 종래의 콘크리트관 또는 강관 등에 비해 경량일 뿐만 아니라 복잡한 배관설비에 대한 가공이나 수리가 용이한 장점이 있다.

본 발명에 의한 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법은 제조공정이 간단하기 때문에 제품의 용도에 따라 몰드의 직경만을 조절하여 관의 직경을 폭넓은 범위까지 용이하게 제조할 수 있어 소량 다품목, 맞춤 생산에 적합하며, 또한 몰드 형상에 따라 엘보관(elbow tube), 단면이 다각형인 관과 같은 다양한 형태로의 파이프 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 열경화성 에프알피 파이프의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 열경화성 에프알피 파이프의 단면도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법에 관하여 상세하게 설명하기로 하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법은, 원통 또는 봉상의 몰드 외주면에 이형제를 40 ~ 50㎛ 두께로 도포하는 단계(S100); 상기 이형제가 도포된 몰드 외주면에는 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트에 대하여 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 페놀수지(Phenol resin)를 2 ~ 4배의 중량비율로 함침시킨 유리섬유 부직포를 2 ~ 5회 래핑하여 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 형성하는 단계(S200); 상기 형성된 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 60 ~ 80℃의 온도에서 6 ~ 12시간 동안 가열하여 1차 경화시키는 단계(S300); 상기 경화된 페놀수지 함침 유리섬유층(10) 위에는 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트에 대하여 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 불포화폴리에스테르수지(Unsaturated polyester resin)를 2 ~ 4배의 중량비율로 함침시킨 유리섬유 부직포를 3 ~ 10회 래핑하여 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 형성하는 단계(S400); 상기 형성된 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 상온에서 24 ~ 48시간 동안 건조하여 2차 경화시키는 단계(S500); 상기 2차 경화된 성형체를 몰드로부터 탈형시키는 단계(S600); 상기 탈형된 성형체를 필요한 길이로 절단하고 후처리하는 단계(S700)의 순으로 이루어진다.

제1공정은 원통 또는 봉상의 몰드 외주면에 이형제를 도포하는 단계(S100)로서, 일자몰드나 엘보몰드, 단면이 다각형인 몰드 등의 형상에 따라 그 표면에 이형제를 도포함으로써 그 외주면에 형성되어 경화된 후의 파이프 성형체를 용이하게 탈형되게 한다. 본 발명에서는 실리콘수지, 스테아린산염, 폴리비닐알코올, 파라핀, 왁스류, 테플론(Polytetrafluoroethylene) 분산액 중에서 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상 혼합된 이형제를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 종래에 사용하였던 셀로판 필름과 같은 이형지에 비해 작업 효율성이 좋고 제품의 품질을 향상시키게 된다.

본 발명에서 사용하는 이형제는 에멀젼 타입으로 점성이 비교적 높고 이형성이 우수하여 스프레이에 의한 도포방식이 적용되지 않기 때문에 브러시(brush)와 같은 도구를 이용하여 40 ~ 50㎛ 두께로 도포하며, 이로 인하여 이형제가 성형체로 이행되어 오염되는 현상을 최대한 방지할 수 있고 치수 정밀도를 향상시킨다.

제2공정은 상기 이형제가 도포된 몰드 외주면에는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 페놀수지(Phenol resin)를 함침시킨 유리섬유 부직포를 2 ~ 5회 래핑하여 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 형성하는 단계(S200)로서, 상기 액상 페놀수지를 함침시킨 유리섬유 부직포는 제품의 종류와 제조하고자 하는 파이프의 직경에 따라 적층 두께가 다르겠지만, 적어도 2회 이상 적층하여 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 형성하는 것이 제조공정 및 제품의 품질 특성상 바람직하다.

한편으로, 보강섬유로 사용되는 유리섬유 부직포는 특정 용도에 따라 탄소섬유, 아라미드섬유, 보론섬유 등을 포함하는 부직포를 사용할 수도 있다. 예를 들면, 파이프 전체길이에 대한 높은 치수정밀도가 요구되는 고강성 파이프를 제작하는 경우에는 탄소섬유를 사용하며, 경량화가 요구되는 고강도 경량 파이프를 제작하는 경우에는 아라미드 섬유를 사용하는 것이 좋다.

상기 유리섬유 부직포는 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트를 사용하는 것이 용융점이 약 750℃ 정도의 고온에도 충분히 견딜 수 있으며, 그 두께가 0.2㎜ 미만일 경우 유리섬유 부직포에 페놀수지가 과도하게 함침되어 몰드 외주면에 유리섬유 부직포의 래핑작업을 원활하게 할 수 없어 작업성이 저하되며, 두께가 1㎜를 초과할 경우에는 유리섬유 부직포에 페놀수지가 충분히 함침되지 못하는 경우가 발생되어 제품의 성능에 문제가 생길 우려가 있다.

이때, 수지를 공급하는 공급조 내의 페놀수지 온도는 20 ~ 40℃ 정도로 유지하는 것이 유리섬유 부직포에 대한 액상 페놀수지의 함침이 적절하게 이루어지게 되며, 작업 공간의 온도에 따라서 몰드를 예열시킨 상태에서 공정을 수행할 수도 있다.

상기 페놀수지 함침 유리섬유층(10)은 유리섬유 부직포에 대하여 액상 페놀수지를 2 ~ 4배의 중량비율로 함침시키는 것이 작업성 및 내열성 등을 고려할 때 가장 좋으며, 또한 상기 액상 페놀수지는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유할 수도 있는데, 이로 인하여 요변성이 생겨 겔화되기 전까지 수지가 쉽게 흘러내리지 않아서 작업성이 개선되며, 또한 경화 시 수축계수를 낮추어 성형체의 치수안정성을 부여할 수 있을 뿐만 아니라 유리섬유와 수지와의 박리현상과 크랙 발생을 방지하고 성형되는 파이프 내측 표면에 매끄러운 촉감을 주게 된다.

상기 활석(Talc)은 매우 약한 성질 때문에 다른 광물과 쉽게 구별되는 규산염광물로서, 화학식은 Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂이고 치밀한 집합체로 산출되어 비누처럼 미끄러운 촉감을 주는 것은 비누석이라고 한다. 활석은 전기에 대하여 절연성이고 분말상태일 때 흡수성과 고착성이 강하며, 요업제품의 수축계수를 낮추거나 페인트, 종이, 고무의 충전제로 사용되고 있고 내화성도 우수하다. 또한, 실리카(Silica)는 지각에서 가장 풍부한 원소인 규소와 산소로 이루어진 화합물로 이산화규소(SiO₂)라고 하며, 유리, 세라믹스, 탄화규소, 페로규소, 규소를 제조하는데 쓰이고 내화물로도 사용된다.

그리고 상기 유리섬유 부직포를 구성하는 유리섬유(Glass Fiber)는 매우 가늘고 길게 성형한 후에 급냉시켜 만든 섬유형태의 유리를 말한다. 유리섬유는 그 형태와 생산방법에 따라 단열흡음재로 사용하는 단섬유와 각종 수지보강재로 사용되는 장섬유로 구분되며, 일반적으로 단섬유를 글라스 울(Glass Wool), 장섬유를 글라스 파이버(Glass Fiber)라고 부른다. 그 조성에 따라 E-Glass, C-Glass, S-Glass, 석영유리로 구분하고 인장율이 높은 M-Glass도 있다. 장섬유인 글라스 파이버 가운데 가장 먼저 개발된 E-Glass는 조성 중 알칼리성분이 거의 없어 고온에서의 안정성이 우수하고 전기전도도가 낮아 절연성이 우수한 재료로 평가되고 있다. E-Glass는 열경화성 수지가 개발된 1930년대부터 수지를 보강시켜 주는 수지강화제로 사용되기 시작하여 전기절연성을 이용한 각종 전기전자 제품부터 고강도가 요구되는 항공기 부품에까지 사용되고 있다.

상기 유리섬유 부직포에 함침되는 페놀수지(Phenol resin)는 페놀과 포름알데히드와의 부가축합물로 이루어지는 가장 오래된 고분자재료 중의 하나로서, 그로 인하여 파이프 내측의 내열성이 향상되어 품질이 탁월한 열경화성 에프알피 파이프를 제조할 수 있으며, 내열성, 난연성, 전기절연성, 내용제성, 내산성 등의 성능이 우수할 뿐만 아니라 고온에서도 강성을 유지하여 크리프(creep)되지 않는 특성은 다른 고분자 재료보다 우수하다고 할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 일렉트로닉스(Electronics), 항공, 우주 등의 용도와 같은 하이테크분야에 이르기까지 그 용도가 다양해지고 있으며, 이 페놀수지는 유무기 충전재와 융화가 잘되기 때문에 단독으로 사용하기 보다는 각종 충전재와 복합해서 사용함으로써 그 특성을 향상시킬 수 있다.

일반적으로, 페놀수지의 생성은 부가반응과 축합반응의 조합으로 이루어지는데, 페놀과 포름알데히드를 단순히 혼합하여 가열하는 것만으로는 반응이 늦기 때문에 촉매로써 산 또는 염기를 소량 가하여 반응시킨다. 그러나 첨가하는 촉매의 종류에 따라서 반응의 진행상황이 변화하고 생성되는 수지의 성질이 대폭 달라진다. 더욱이 원료의 배합비나 사용하는 페놀의 종류 등을 바꾸면 수지의 성상을 폭넓게 조절할 수 있는 것이 페놀수지의 커다란 특색 중의 하나이다. 예컨대 산을 촉매로 하여 페놀을 과잉 몰비로 반응시키면 부가보다도 축합쪽의 반응속도가 크기 때문에 노볼락이라 불리는 안정된 열가소성 수지가 얻어지고, 염기촉매에서는 부가반응쪽이 우세하게 진행되기 때문에 포르말린을 과잉하게 배합하면 열경화성의 레졸을 얻을 수 있다.

제3공정은 상기와 같이 형성된 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 60 ~ 80℃의 온도에서 6 ~ 12시간 동안 가열하여 1차 경화시키는 단계(S300)로서, 그 가열수단은 전기 또는 스팀가열오븐을 사용하여 수행할 수 있는데, 일반적인 열경화성 수지의 경화온도는 수지의 종류에 따라 통상 100 ~ 200℃의 온도에서 1 ~ 4시간 동안 실시하지만, 상기 페놀수지의 경화는 60 ~ 80℃의 온도로 유지되는 열경화 챔버에서 6 ~ 12시간 동안 가열하는 것이 제품의 우수한 성능을 유지하기에 가장 좋은 것으로 확인되었다.

제4공정은 상기와 같이 경화된 페놀수지 함침 유리섬유층(10) 위에는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 불포화폴리에스테르수지(Unsaturated polyester resin)를 함침시킨 유리섬유 부직포를 3 ~ 10회 래핑하여 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 형성하는 단계(S400)인데, 이로 인하여 제3공정에 의해 경화된 페놀수지의 결점인 충격강도 등의 물성을 대폭 개선할 수 있다. 또한, 상기 유리섬유 부직포는 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트를 사용하며, 상기 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유(20)층은 유리섬유 부직포에 대하여 액상 불포화폴리에스테르수지를 2 ~ 4배의 중량비율로 함침시키는 것이 작업성 및 내열성 등을 고려할 때 가장 바람직하다.

상기 불포화폴리에스테르수지는 성형 시에 고압을 필요로 하지 않고 촉진제를 사용하여 상온에서 성형 가능하며, 또한 유리섬유에 의해 보강된 강화 플라스틱은 인장강도와 충격강도가 동일 중량으로 이루어진 일반적인 금속재료보다 뒤떨어지지 않을 만큼 강하고 비중이 작으므로 경량 구조재료로 많이 사용되고 있다. 불포화폴리에스테르는 분자 내에 다수의 에스테르기(-COO-)를 포함하는데, 이 에스테르기를 사이에 두고 글리콜과 2염기산이 교대로 연결된 구조를 가지고 있으며, 분자 내에 도입된 불포화결합은 불포화 2염기산인 무수말레인산 또는 푸마르산 등을 사용함에 따라 도입된다.

상기 불포화폴리에스테르수지의 특징은 다른 열경화성 수지와 달리 용제의 증발이 거의 없는 무용제형이며, 경화 시 저분자물의 부생성물이 거의 없고 자연건조 또는 필요시 가열 건조하여 단시간에 경화한다. 또한, 액상 불포화폴리에스테르수지는 유리섬유와 같은 보강섬유와의 함침 점착성이 양호하며, 글리콜, 산, 비닐모노머의 조합에 따라 내약품성, 내열성, 가소성이 우수한 수지를 얻을 수 있다.

본 발명에서 가장 바람직한 불포화폴리에스테르수지로는 비닐에스테르수지(Vinyl ester resin)를 들 수 있는데, 이는 불포화 선상폴리에스테르와 비닐단량체가 가교하여 3차원 구조를 형성함으로써 불용불융의 성형체로 되며, 이 경우 액상수지는 일정한 유도기간 중 점도가 상승하여 겔화되고 경화되면 최후에는 화학적으로 안정한 성형체가 된다. 경화반응은 기구적으로 불포화폴리에스테르와 비닐단량체와의 부가중합으로 경화제로부터 자유라디칼(Free radical)에 의해 개시반응(Initiation Reaction)에서 성장반응(Chain propagation reaction)을 지나 정지반응(Termination reaction)에 이르는 과정을 거치게 된다.

즉, 상기 비닐에스테르수지는 비스페놀A를 기본으로 하여 만들어지는 비닐에스테르 타입(Vinyl Ester Type)의 불포화폴리에스테르수지로서, 이는 내약품성 및 내식성이 우수하고 충격강도 등 기계적 특성이 뛰어하고 연신율도 크기 때문에 덕트 등을 제조할 때 많이 사용되고 있다.

또한, 본 발명에서 사용되는 액상 불포화폴리에스테르수지는 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량부 범위로 함유할 수도 있는데, 이로 인하여 요변성이 생겨 수지가 겔화되기 전까지 흘러내리지 않아서 작업성이 개선되며, 경화 시 수축계수를 낮추어 성형체의 치수안정성을 부여할 수 있을 뿐만 아니라 유리섬유와 수지와의 박리현상과 크랙 발생을 방지하고 성형되는 파이프의 외측 표면에 매끄러운 촉감을 준다.

제5공정은 상기와 같이 형성된 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 상온에서 24 ~ 48시간 동안 건조하여 2차 경화시키는 단계(S500)로서, 여기에서 상온은 15 ~ 25℃의 온도범위를 의미하며, 상기 불포화폴리에스테르수지는 상온에서 24 ~ 48시간 동안 건조됨에 따라 경화가 이루어진다. 이때, 상기 불포화폴리에스테르수지는 필요에 따라 통상적으로 사용되는 촉진제, 경화제 등을 첨가함으로써 수지의 유동성을 조절하여 가사시간을 증감할 수 있음은 물론이다. 참고로, 상온경화 시에는 메틸에틸케톤퍼옥사이드(MEKPO)와 같은 유기과산화물 촉매와 코발트나 프탈레이트와 같은 촉진제를 조합하여 경화시키게 된다.

상기와 같이 제조되는 열경화성 에프알피 파이프는 내측이 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 형성하고 그 외측에 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 형성하여 경화되는 성형체로서, 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트로 구성되는 유리섬유 부직포를 이용하여 액상수지에 함침시키고 성형 및 경화되기 때문에 종래의 유리단섬유를 충진재로 사용하여 제조되는 FRP 파이프, 필라멘트 래핑(filament wrapping) 및 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 제조되는 FRP 파이프, 수지층 위에 유리섬유층을 적층하여 제조되는 FRP 파이프 등에 비해 내열성, 내식성, 기계적 강도가 매우 우수한다는 사실을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 2층 구조의 복합재질로 형성되는 에프알피 파이프는 용도에 따라 몰드의 외경만을 조절하여 20㎜ 정도의 소구경 관체에서 3,000㎜ 정도의 대구경 관체에 이르기까지 다양한 크기로 제조할 수 있어 소량 다품목, 맞춤 생산에 특히 적합하며, 그 직경의 크기에 따라 파이프 벽체의 두께는 3 ~ 20㎜ 정도로 형성하는 것이 외부의 충격에 적절하게 대응되는 강도를 갖게 된다.

그리고 본 발명과 같은 2층 구조의 복합재질 파이프를 형성함에 있어 주로 사용되는 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관의 내열성과 내식성, 그리고 기계적 강도 등을 고려해 보면, 파이프의 내측을 형성하는 페놀수지 함침 유리섬유층(10)에 대한 외측을 형성하는 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)의 두께는 2 ~ 3배의 비율로 형성하는 것이 에프알피 파이프의 기계적 강도 및 내구성을 최대한 유지하는데 유리한 것으로 연구되었다.

제6공정은 상기 2차 경화된 성형체를 몰드로부터 탈형시키는 단계(S600)이고, 제7공정은 상기 탈형된 성형체를 필요한 길이로 절단하고 후처리하는 단계(S700)로서, 상기 탈형공정(S600)은 기계적인 분리수단을 이용하여 몰드와 관체 사이에 개재된 이형제에 의한 낮은 마찰계수 및 수축으로 생긴 미세한 갭(gap)으로 인하여 쉽게 분리될 수 있게 되며, 상기 절단 및 후처리공정(S700)은 통상적으로 가장자리 부분을 절단하고 가공함으로써 본 발명에 따른 열경화성 에프알피 파이프가 얻어진다.

상기와 같은 공정을 거쳐 제조되는 열경화성 에프알피 파이프는 파이프의 내측을 형성하는 페놀수지 함침 유리섬유층(10)과 파이프의 외측을 형성하는 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 일체로 결합시켜 이루어지는 2층 구조의 복합재질 파이프로서, 우수한 내열성, 난연성, 전기절연성, 내용제성, 내산성 등의 성능을 갖는 페놀수지의 특성을 보유하면서 우수한 충격강도, 내알칼리성, 착색성 등의 성능을 갖는 불포화폴리에스테르수지의 특성을 보완함에 따라 파이프의 외측 표면에 대한 도장성도 매우 우수하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의해 제조되는 열경화성 에프알피 파이프는 수많은 실험을 거쳐 완성되었으나, 이하에서는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 용이하게 이해하고 실시할 수 있을 정도의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

[실시예]

(페놀수지 함침 유리섬유층 형성)

외경 150㎜인 원통 형상의 몰드 외주면에 왁스 이형제를 브러쉬로 도포하고 탈크 분말을 5중량% 함유하는 페놀수지(Phenol resin) 용액을 함침시킨 유리장섬유 매트(0.3T)를 3회 래핑하여 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 형성한 후, 60 ~ 80℃의 온도로 유지되는 열경화 챔버에서 6시간 동안 가열하여 1차 경화시킨다.

(불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층 형성)

상기 경화된 페놀수지 함침 유리섬유층 위에 탈크 분말을 5중량% 함유하는 비닐에스테르수지(Vinyl ester resin)를 함침시킨 유리장섬유 매트(0.3T)를 7회 래핑하여 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 형성한 후, 20℃의 실내온도에서 24시간 동안 건조하여 2차 경화시킨다.

(탈형 및 후처리)

상기 2차에 걸쳐 경화된 성형체를 몰드로부터 탈형시키고 가장자리부를 절단하여 관벽이 약 3㎜ 두께인 열경화성 에프알피 파이프를 제조하였다.

[실험예]

상기 실시예에 따라 제조된 열경화성 에프알피 파이프를 대구광역시 달서구 죽전1길 39(죽전동) 소재, 한국건설생활환경시험연구원(KCL)에 의뢰하여 열간수축온도를 시험한 결과, 아래 표 1과 같은 시험결과를 나타내었다.

시험항목	단위	시험방법	시험결과
열간수축온도	℃	KS L 9102:2011	747

이상과 같이, 본 발명에 의한 열경화성 에프알피 파이프는 최소 350℃ 내지 최대 700℃의 고온에서도 기계적 강도와 구조적 안정성을 장기간 확보하는 효과가 있다. 특히 본 발명의 FRP 파이프는 2층 구조의 복합재질이 사용 중 분리되는 현상이 전혀 관찰되지 않았으며, 또한 몰드의 외경만을 조절하여 소구경에서 대구경 파이프에 이르기까지 간편하게 제조할 수 있고 파이프의 직경에 따라 관벽의 두께를 적절히 조절하여 외부의 충격에 효율적으로 견딜 수 있다.

따라서 본 발명에 따라 제조된 열경화성 에프알피 파이프는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능한 것으로, 굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관용으로 사용되는 파이프 내측의 내열성과 아울러 외측의 기계적 강도가 서로 보완되는 특성을 발휘함으로써 내식성, 내구성이 탁월하며, 또한 제조공정이 간단하기 때문에 몰드 형상에 따라 일자관, 엘보관(elbow tube), 단면이 다각형인 관과 같은 다양한 형태로의 제조가 용이하므로 소량 다품목, 맞춤 생산에 특히 적합한 장점을 갖는다.

10 : 페놀수지 함침 유리섬유층
20 : 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층

Claims

굴뚝, 덕트, 유체 수송용 배관으로 사용되는 에프알피 파이프의 제조방법에 있어서,
원통 또는 봉상의 몰드 외주면에 이형제를 40 ~ 50㎛ 두께로 도포하는 단계(S100);
상기 이형제가 도포된 몰드 외주면에는 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트에 대하여 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 페놀수지(Phenol resin)를 2 ~ 4배의 중량비율로 함침시킨 유리섬유 부직포를 2 ~ 5회 래핑하여 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 형성하는 단계(S200);
상기 형성된 페놀수지 함침 유리섬유층(10)을 60 ~ 80℃의 온도에서 6 ~ 12시간 동안 가열하여 1차 경화시키는 단계(S300);
상기 경화된 페놀수지 함침 유리섬유층(10) 위에는 0.2 ~ 1㎜ 두께의 유리장섬유(E-Glass Fiber) 매트에 대하여 활석(Talc) 또는 실리카(Silica) 분말을 1 ~ 10중량% 범위로 함유하는 액상 불포화폴리에스테르수지(Unsaturated polyester resin)를 2 ~ 4배의 중량비율로 함침시킨 유리섬유 부직포를 3 ~ 10회 래핑하여 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 형성하는 단계(S400);
상기 형성된 불포화폴리에스테르수지 함침 유리섬유층(20)을 상온에서 24 ~ 48시간 동안 건조하여 2차 경화시키는 단계(S500);
상기 2차 경화된 성형체를 몰드로부터 탈형시키는 단계(S600);
상기 탈형된 성형체를 필요한 길이로 절단하고 후처리하는 단계(S700);
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 이형제는 실리콘수지, 스테아린산염, 폴리비닐알코올, 파라핀, 왁스류, 테플론(Polytetrafluoroethylene) 분산액 중에서 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 불포화폴리에스테르수지는 비닐에스테르수지(Vinyl ester resin)인 것을 특징으로 하는 열경화성 에프알피 파이프의 제조방법.
삭제