KR102109770B1 - 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법 - Google Patents

전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트 직물에 열가소성 수지를 함침한 해상구조물용 복합재료의 제조에 관한 것으로서 본 발명에 의하면, 메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트 제직물을 플라즈마 전처리하여 상온 및 습윤 상태에서 높은 압력과 열이 없이 경화 가능한 열가소성 수지를 사용한 복합재료를 제조함으로써 물성이 고르고 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료를 제공 할 수 있는 효과가 있다.

Description

전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법{Process Of Producing Metallocene Poly-ethylene Composite For Offshore Structure Having Good Shear Strength And Flexural Strength}
본 발명은 메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트 직물에 열가소성 수지를 함침한 해상구조물용 복합재료의 제조에 관한 것이다.
폴리에틸렌(PolyEthylene)은 열가소성 플라스틱의 하나로 가볍고 유연하여 공업 재료에서부터 일회용 잡화까지 사용되고 있는 범용 플라스틱으로서, 내약품성, 자외선 내성, 내마모성 및 내충격성과 같은 화학적 특성과 기계적 특성 때문에 폭넓은 종류의 산업 제품 제조에 광범위하게 사용되어 왔으며, 중요한 산업용 플라스틱으로 여겨지고 있다.
나아가, 고강도 폴리에틸렌(High Strength PE/HSPE) 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight PE/UHMWPE) 섬유로 불리기도 하는데, 종래의 범용 폴리에틸렌을 섬유로 만들면 겨우 10GPa 정도의 탄성률 밖에 얻지 못하지만, 초고분자량의 폴리에틸렌을 젤방사법(Gel-Spinning)에 의해 섬유를 만들면 그 10배에 달하는 100GPa 정도의 탄성률을 얻을 수 있고, 밀도가 1.0g/cm3 이하이므로 매우 가볍고 특히 물을 흡수하지 않고 물에 뜰 수 있고, 특히 고강도 타입인 경우 4.0GPa 정도의 높은 강도이어서 큰 선박을 예인하여 이동하는 로프(rope), 선박의 해안 계류용 로프, 요트의 돛 등에 사용하고 있고, 4% 전후의 신도(끊어질 때까지의 신장률)를 가지고 있기 때문에 제직이나 제편 후 공정에서 작업이 용이하고 고강도와 신도의 균형이 양호하여 내충격성이 우수하기 때문에 방호 소재, 내충격 소재나 보강 소재로도 사용되고 있다.
일반적으로 사용하고 있는 해상구조물 보강소재로는 유리섬유(G-glass, S-glass) 또는 탄소섬유, 아라미드섬유를 사용중이다. 하지만 이 물질들은 강성이 너무 높으며, 유연성이 낮고, 가격이 비싸며, 해상에서 사용할 때 시간이 지날수록 내충격성 떨어지는 현상을 보인다. 특히 아라미드는 내흡습성이 낮아서 해수에 적용이 어려운 현실이다.
일반적인 복합재는 원단에 수지를 바르고 높은 압력과 열을 가해서 성형하는 제조방법이 있지만, 상기의 메탈로센 폴리에틸렌과 첨가제를 이용한 고강도 모노 필라멘트 제직물은 녹는점이 120도정도로 낮아서 인장강도나 내마모성 등의 물성이 떨어지는 문제점이 있었다.
대한민국특허공개제10-2013-0011774호(2013년01월30일공개)
그러므로 본 발명에서는 해상구조물 복합재료로서 해상에서 사용되는 구조물의 보강재 또는 현장에서 보수를 수행하여야 하는 경우 해수의 영향으로 인한 구조물의 습윤조건에서 내구성을 지속적으로 유지하고 또한 태양광에 의해 경화가 적게 일어나서 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
그러므로 본 발명에 의하면, 메탈로센 폴리에틸렌 필라멘트사로 제직된 직물을 플라즈마 전처리를 행한 후 상기 직물에 열가소성수지를 함침하는 것을 특징으로 하는 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법이 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 메탈로센 폴리에틸렌과 첨가제를 이용한 고강도 모노필라멘트사로 제직한 원단에 열가소성 수지를 함침한 복합재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물성이 고르고 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 기재인 직물은 메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트사로 제직된 것을 사용한다. 제직구조는 평직, 능직 등 통상적인 제직구조로 제직될 수 있다.
메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트사는 메틸로센 촉매 하에서 중합한 폴리에틸렌 수지와 소정 합성수지를 배합한 원료를 용융 및 압출하여 방사한 것으로서 기존의 폴리에틸렌에 비하여 투명도, 강도, 신장률 등 열적, 기계적 특성이 우수한 특성을 보인다.
이렇게 본 발명에서는 메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트사로 제직된 직물과 수지간의 계면 접착성을 최적화하기 위해서는 섬유의 젖음성을 향상시켜 섬유와 수지간의 결합력을 극대화시키기 위해 직물을 플라즈마 전처리를 행한다.
상기 플라즈마 전처리는 저온 대기압 플라즈마 처리장치에서 처리전력 3~5kW, 질소와 산소가스의 유입량을 60:1로 조절한 플라즈마 생성조건에서 1~5분간 처리하는 것이 직물의 기존물성을 확보하면서 접착성을 증대시킨다.
이렇게 플라즈마 전처리에 의해 표면처리된 직물은 처리전에 비해 인장강도가 6~10%, 탄성률은 3~5%로 감소되어 물성저하가 크게 일으키지 않으면서도 직물표면의 화학적 조성변화와 표면에너지 증가 및 표면요철 발생으로 인하여 섬유와 수지간의 접착력이 극대화될 수 있어 바람직하다. 또한, 상기 플라즈마 전처리에 의해서 직물와 수지의 사이의 Void 발생이 현저하게 줄어들어 수지의 함침성 및 접착성이 개선된다.
상기 플라즈마 전처리 후 상기 직물에 열가소성수지를 함침하게 되는데, 복합재료의 완성품 또는 현장 보수를 동시에 만족해야 되기 때문에 hand lay-up 방법을 사용하는 것이 바람직하며, 함침 후 경화조건은 실제 시공환경을 고려하여, 표준환경은 상온, 습도 30%이하이며, 습윤환경은 항온항습 챔버에서 온도 20℃, 습도 80%로 하에서 진행하는 것이 좋다.
상기 열가소성수지는 상온 및 습윤 상태에서 높은 압력과 열이 없이 경화 가능한 것을 사용하는 것을 사용하는 것이 바람직한데, 특히 저온경화 에폭시 수지가 바람직하다.
특히, 상기 열가소성 수지는 100℃에서 12시간 정도 경과 시 완전 경화되는 수지를 사용하는 것이 복합재 제조에 바람직하며, 경화제를 추가하여 경화속도를 촉진할 수 있으며, 수지:경화제의 혼합 비율 조건은 중량비 100:45가 복합재 제조에 바람직하다.
본 발명의 복합재료는 다양한 두께의 복합재료로 제공되는 경우가 발생되는 실정을 고려하여 적층형(multi-ply laminate)으로도 제조 할 수 있는데, 각 층의 적층방향은 0°/0°, 0°/90°로 10ply까지 제작할 수 있지만, 사용되는 용도 및 조건에 따라 변형할 수 있다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트 제직물을 플라즈마 전처리하여 상온 및 습윤 상태에서 높은 압력과 열이 없이 경화 가능한 열가소성 수지를 사용한 복합재료를 제조함으로써 물성이 고르고 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료를 제공 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 사진이며,
도 2는 본 발명의 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 적층방법별 층간전단강도 그래프이며,
도 3은 비교예 1 및 2의 적층방법별 층간전단강도 그래프이며,
도 3은 본 발명의 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 적층방법별 굴곡강도 그래프이며,
도 4는 비교예 1 및 2의 적층방법별 굴곡강도 그래프이다.
이하 본 발명의 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법의 비한정적인 실시예를 들어 설명하기로 한다.
[실시예 1]
메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트사(1000d)로 평직구조로 제직된 직물을 저온 대기압 플라즈마 처리장치에서 처리전력 3kW, 질소와 산소가스의 유입량을 60:1로 조절한 플라즈마 생성조건에서 5분간 처리하는 플라즈마 전처리 한 후 상기 직물에 저온경화 에폭시 수지:경화제의 혼합 비율 조건은 중량비 100:45로 혼합한 후 hand lay-up 방법을 이용하여 함침 후 상온, 습도 30%이하에서 50kg 정도의 무게를 주어 수지함침 및 고정화(경화)하여 복합재료를 제조하고 표 1과 같이 3층으로 적층하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 복합재료를 제조하고 표 1과 같이 3층으로 적층하였다.
[비교예 1 내지 2]
실시예 1에서 직물을 폴리프로필렌 필라멘트로 제직하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합재료를 제조하고 표 1과 같이 3층으로 적층하였다.
제조된 복합재료의 물성을 도 2 내지 3에 표시하였다.
구분 수지:경화제 혼합 비율 적층법 비고
적층수 적층방향
실시예 1 100:45 3 0°/0°
실시예 2 100:45 3 0°/90°
비교예 1 100:45 3 0°/0°
비교예 2 100:45 3 0°/90°

Claims (3)

  1. 메탈로센 폴리에틸렌 모노 필라멘트사로 제직된 직물을 저온 대기압 플라즈마 처리장치에서 처리전력 3~5kW, 질소와 산소가스의 유입량을 60:1로 조절한 플라즈마 생성조건에서 1~5분간 처리하는 플라즈마 전처리를 행한 후 상기 직물에 열가소성수지를 함침하는 것을 특징으로 하는 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열가소성수지는 저온경화 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 전단강도 및 굴곡강도가 우수한 해상구조물용 메탈로센 폴리에틸렌 복합재료의 제조방법.
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