KR102515624B1 - 판상구조 흑연복합체를 포함하는 비금속 사출물 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 판상구조 흑연복합체를 포함하는 비금속 사출물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사출물을 이루는 기지물질인 플라스틱 재료와 판상 구조를 갖는 흑연을 혼합하여 컴파운딩하여 이음관으로 성형함으로써 사출물을 제조하는 공정으로서, 플라스틱 원료와 판상구조를 갖는 흑연을 혼합하는 단계; 및 혼합된 원료를 금형에 주입하여 사출물을 제조하는 단계;를 포함하되, 상기 판상구조를 갖는 흑연은 플라스틱 재료 중량을 100중량부로 하였을 때, 0.01~0.5중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 판상구조 흑연복합체를 포함하는 비금속 사출물의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 판상구조 흑연복합체를 포함하는 비금속 사출물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비금속 사출물에 판상구조의 흑연이 포함되어 열전도율을 높임으로써, 이음관 제조과정에서 냉각속도를 줄이고, 생산속도를 향상시키는 한편, 냉각속도의 지연으로 인하여 발생되는 이음관 제품의 결함율을 줄이고, 내구성 및 내화학성을 향상시키도록 하는 이음관 및 그 제조방법을 제공한다.
국내 관로시설의 총길이는 2018년 기준 217,150km이며, 지방 상수도는 97.5% (211,771km), 광역상수도는 2.5% (5,379km)가 설치되어 있다. 2020년 기록적 폭우 및 증가하는 지진 및 지반 침하로 인하여 발생한 하수관 사고사례(땅꺼짐, 누수, 도로 유실 등)가 급증하여 국민들의 생활안전이 위협을 받고 있다. 특히 2019년 '땅꺼짐' 등 지반침하 사고 2건 중 1건은 비금속 하수도관 및 이음관(연결부)의 노후화 때문에 발생한 것으로 나타났으며, 연간 전체 사고 건수는 줄었지만 상하수도관 손상으로 인한 사고비중은 늘었고 노후화 속도가 급격히 빨라지고 있다. 전국에서 발생한 지반침하 사고 건수는 총 192건이며, 이 중 98건(51%)이 노후 비금속 및 이음관(연결부)의 손상에 기인한 것으로 조사되었다. 기존 상수도관의 노후화는 수돗물 품질의 신뢰성 저하 및 사고 발생 시 대규모 단수를 유발하기 때문에 사회적 및 경제적으로 큰 영향을 미치게 된다.
국내 관로시설의 총 연장은 2018년 기준 217,150km이며, 지방상수도는 97.5% (211,771km), 광역상수도는 2.5% (5,379km)가 설치되어 있다. 국내 상수관로시설 중 매설연수가 21년 이상 경과된 관은 33.0%(71,686㎞)이며, 총 관로 중 큰 비중을 차지하고 있다. 또한, 16~20년 경과된 관은 12.9%(27,908km), 11년~15년 경과된 관은 16.4%(35,704km)으로 조사되었다.
하수관 및 이음관(연결부)는 일반적으로 비금속인 폴리머(비금속)로 구성되며 유체는 이러한 파이프에서 존재한다. 이때 이산화탄소, 황화수소 등이 파이프관의 보호 장벽층을 침투하는 부식으로 파이프는 점점 기계적 강도를 잃게 되어서 치명적인 사고를 유발한다. 최근 산업단지 및 주거생활 속에서 증가하는 화학제품 사용으로 인해 시공당시 계획했던 예측기간보다 실 사용기간이 단축되어 이로 인한 중대 결함사례(관 파손, 관 천공, 관 붕괴, 관 단절, 관 변형, 표면손상)가 급증하고 있다. 특히 지반 지형 및 설계에 따라 비금속들을 연결시켜주는 이음관(연결부)의 경우 직선 구간보다 더 많은 유체의 흐름이 진행되거나 또는 유체의 정체 구간이므로, 더 높은 화학적 내구성을 필요로한다.
경북 포항에서는 지름 1m 크기의 싱크홀이 발생하였으며, 그 원인으로 지하에 매설된 하수관을 지목하였고 산성토 및 내부 하수의 강한 화학물질에 의한 하수관 이음관의 부식이 일어난 것으로 확인되었다. 즉, 하수관 이음관의 낮은 내화학성으로 인한 사고사례가 급증하고 국민들의 생활안전을 위협받고 있는 바, 비금속 사출물의 내화학성 품질향상이 절실히 요구된다.
사출성형기는 호퍼(hopper)라고 하는 칩을 넣는 곳과 원료를 가열하여 녹이는 가열통, 녹인 플라스틱을 밀어내는 스크루, 목적한 형태로 성형하는 금형의 여러 부분으로 이루어진다. 사출성형 공정은 충전 ▶ 사출 ▶ 보압 ▶ 냉각 ▶ 이형의 과정을 반복하면서 제품 생산이 이루어진다. 성형이 모두 끝난 후에는 제품이 일정한 모양으로 굳어지도록 냉각공정을 하게 되며, 이러한 냉각 과정에서 용융된 수지는 수축하기 때문에 정밀한 성형을하기 위해서는 이에 대한 대처가 매우 중요ㅎ하다. 특히, 결정성 수지는 결정화를 이루면서 냉각의 조건에 따라 수축에 크게 편차를 보이기 때문에 세심한 주의가 필요하다. 위와 같은 이유로 인하여 해당 제품생산 과정 중 긴 냉각 공정과정은 제품의 생산량 및 불량률에 가장 밀접한 관계를 가지고 있으며 이에 대한 공정개선이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 기계적 내구성, 내후성 및 내화학성이 우수하여 장기적 내구성이 확보된 이음관을 제조하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이음관의 제조공정 중 냉각공정에서 냉각속도를 높여 냉각시간을 단축하며, 이로써 이음관의 수율과 생산속도를 높일 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 판상구조 흑연을 적용하고, 컴파운딩 공정을 통해 원료를 가공함으로써 최종 이음관 제품의 물성, 특히 내화학성 및 탄성률을 증진시키도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 판상구조 흑연을 이용하여 원료의 혼합성, 분산성 및 유동성을 확보하도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 탄산칼슘을 더 첨가하여 사출물의 강도를 확보하는 한편, 판상구조의 흑연이 열전달하는데 있어서 조력할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 사출물을 이루는 기지물질인 플라스틱 재료와 판상 구조를 갖는 흑연을 혼합하여 컴파운딩하여 사출물로 성형함으로써 사출물을 제조하는 공정으로서, 플라스틱 원료와 판상구조를 갖는 흑연을 혼합하는 단계; 및 혼합된 원료를 금형에 주입하여 사출물을 제조하는 단계;를 포함하되, 상기 판상구조를 갖는 흑연은 플라스틱 재료 중량을 100중량부로 하였을 때, 0.01~0.5중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 판상구조 흑연복합체를 포함하는 비금속 사출물의 제조방법을 제공한다.
상기 흑연은 50~500나노미터의 평균크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 판상 구조를 갖는 흑연은 그래핀인 것이 바람직하다.
상기 혼합된 원료에는 탄산칼슘(CaCO3)이 0.5~5.0중량부 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 탄산칼슘(CaCO3)의 표면은 소수성 물질로 코팅되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 플라스틱 재료를 기지로 하고, 여기에 판상구조를 갖는 흑연이 플라스틱 재료 중량을 100중량부로 하였을 때, 0.01~0.5중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 판상구조 흑연복합체를 포함하는 비금속 사출물을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 기계적 내구성, 내후성 및 내화학성이 우수하여 장기적 내구성이 확보된 이음관을 제조하는 효과가 기대된다.
또한, 본 발명은 이음관의 제조공정 중 냉각공정에서 냉각속도를 높여 냉각시간을 단축하며, 이로써 이음관의 수율과 생산속도를 높일 수 있도록 하는 효과가 기대된다.
또한, 본 발명은 판상구조 흑연을 적용하고, 컴파운딩 공정을 통해 원료를 가공함으로써 최종 이음관 제품의 물성, 특히 내화학성 및 탄성률을 증진시키도록 하는 효과가 기대된다.
아울러, 본 발명은 판상구조 흑연을 이용하여 원료의 혼합성, 분산성 및 유동성을 확보하도록 하는 효과가 기대된다.
또한, 본 발명은 탄산칼슘을 더 첨가하여 사출물의 강도를 확보하는 한편, 판상구조의 흑연이 열전달하는데 있어서 조력할 수 있도록 하는 효과가 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이음관에 판상구조 흑연이 함유된 것을 나타내는 모식도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 플라스틱 기지와 판상구조 흑연이 컴파운딩되는 과정을 나타내는 공정모식도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 판상구조 흑연과 기존의 무정형 흑연의 물성을 비교하여 나타낸 그림 및 도표,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 판상구조 흑연의 함량에 따른 냉각온도와 냉각시간간의 관계 이력을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 플라스틱 기지와 판상구조 흑연이 컴파운딩되는 과정을 나타내는 공정모식도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 판상구조 흑연과 기존의 무정형 흑연의 물성을 비교하여 나타낸 그림 및 도표,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 판상구조 흑연의 함량에 따른 냉각온도와 냉각시간간의 관계 이력을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
본 발명에서 사출물은 예를 들어 좁게는 이음관 등 관류, 오수받이 등 플라스틱을 이용한 건설자재를 의미하며, 넓게는 사출된 기물을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이음관에 판상구조 흑연이 함유된 것을 나타내는 모식도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 플라스틱 기지와 판상구조 흑연이 컴파운딩되는 과정을 나타내는 공정모식도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 판상구조 흑연과 기존의 무정형 흑연의 물성을 비교하여 나타낸 그림 및 도표, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 판상구조 흑연의 함량에 따른 냉각온도와 냉각시간간의 관계 이력을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 사출물은, 사출물을 이루는 기지물질인 플라스틱 재료와 판상 구조를 갖는 흑연을 혼합하여 컴파운딩하여 사출물로 성형함으로써 사출물을 제조하는 공정으로서, 플라스틱 원료와 판상구조를 갖는 흑연을 혼합하는 단계; 및 혼합된 원료를 금형에 주입하여 사출물을 제조하는 단계;를 포함하되, 상기 판상구조를 갖는 흑연은 플라스틱 재료 중량을 100중량부로 하였을 때, 0.01~0.5중량부 함유도 하여 제조한다.
여기서, 판상구조의 흑연은 그래핀, 탄소 나노 튜브, 탄소섬유 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 그러므로, 흑연이 판상구조를 갖는 한, 가공된 형태에 대한 제한은 없다.
아울러, 플라스틱 재료는, 바람직하게는 PVC를 채택할 수 있으나, 판상구조의 열전도율을 활용하여 빠르게 냉각함으로써 보다 우수한 물성을 획득할 수 있는 한, 특정 플라스틱 재료로 한정되는 것은 아니다.
특히 판상구조의 흑연은 플라스틱 재료 중량을 100중량부로 하였을 때, 0.01~0.5중량부 함유되도록 하는데, 만일 위 범위의 하한 미만으로 적게 넣으면 열전도 효과가 떨어져서 사출물의 형태를 형성한 후 냉각시 시간이 길어지며, 기존에서와 같이 사출물의 불량률이 높아지고, 내화학성, 내후성, 기계적 내구성 등 물성도 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
만일 위 상한을 초과하여 판상구조의 흑연을 많이 투입하는 경우에는 열전도도는 더욱 우수해질 수 있고, 그만큼 냉각속도도 더 빨라질 수 있으나, 오히려, 인장강도 등 기계적 내구성이 저하되는 문제점이 존재한다.
그러므로, 판상구조의 흑연은 위 함량범위에서 그 임계적 의의가 존재한다.
특히, 본 발명은 사출물의 제조과정에서 가열된 사출물을 냉각할 때, 냉각속도를 제고하여 생산성을 향상시킴과 동시에, 냉각시간이 길어지면서 발생되는 뒤틀림 등 사출물의 내외적 결함(defect)이 증가하는 경향을 억제할 수 있다.
그러므로, 본 발명에서는 판상 흑연의 정량 첨가가 냉각속도의 향상, 사출물의 결함제거라는 다수의 장점이 동시에 발현될 수 있어 그 첨가와 첨가량이 매우 중요하다고 할 수 있다.
여기서 원료를 혼합하는 과정(컴파운딩 과정)은 그 자체로는 공지의 방법에 따른다.
상기 흑연은 50~500나노미터의 평균크기를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 판상구조의 흑연이 위 평균크기 하한 미만인 경우에는 원료 자체가 고가라서 비경제적인 문제점이 있으며, 위 평균크기 상한을 초과하는 경우에는 열전도성을 저하시켜 냉각속도를 완화하는 기능이 실질적으로 떨어진다. 즉, 판상구조의 흑연 첨가의 의미가 없어진다. 그러므로, 상기 판상구조의 흑연은 위 크기범위에서 임계적 의의가 존재한다.
한편, 상기 혼합된 원료에는 탄산칼슘(CaCO3)이 0.5~5.0중량부 더 포함되는 것이 바람직하다. 탄산칼슘(CaCO3)이 포함되면 탄산칼슘(CaCO3)이 판상구조의 흑연에 대한 열전도 가교구조를 이룰 수 있으며, 따라서 보다 더 빠른 냉각속도의 구현이 가능하다. 그 밖에도 탄산칼슘(CaCO3)이 포함됨으로써 플라스틱-흑연 복합체의 내구성을 더 향상시키는 바람직한 면도 존재한다. 탄산칼슘이 위 중량부 하한 미만으로 첨가되면, 판상구조의 흑연의 열전도도를 보조상승시키는 효과가 없고, 위 상한을 초과하여 투입하는 경우에는 탄산칼슘에 의한 내화학성이 저하되는 문제점이 있어 탄산칼슘의 첨가량은 위 범위에서 임계적 의의가 있다.
한편, 탄산칼슘(CaCO3)은 소수성 물질로 코팅될 수 있는데, 이 경우 판상구조 흑연이 플라스틱 원료와 잘 혼합되며, 양질의 컴파운드를 생성할 수 있는 장점이 존재한다. 이는 사출물의 균일성을 향상시키는 작용을 한다는 점에서 그 의의가 존재한다. 소수성 물질 및 그 코팅방법은 공지의 기술이므로 별도의 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 제조되는 사출물은 도 4에서 도시된 바와 같이, 판상구조의 흑연을 첨가하지 않은 경우에 비하여 첨가한 경우가 조금씩 더 냉각시간이 짧아지는 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
또한, 판상구조의 흑연을 적용한 사출물과 그렇지 않은 사출물의 내화학성을 반응용액에 대한 무게 변화량을 토대로 실험한 결과 아래 표와 같이 정리되었다. 여기서, 각 반응용액을 이용하여 사출물을 각각 5시간 동안 반응시키고, 무게 변화량을 측정하였는데, 무게의 변화폭이 클수록 내화학성(내후성)이 약한 것으로 정의될 수 있다.
| 시험항목 | 단위 | 비교예 | 실시예 |
| 10% 염화나트륨 | mg/cm2 | 0.13 | 0.11 |
| 30% 황산용액 | mg/cm2 | 0.13 | 0.10 |
| 40% 질산용액 | mg/cm2 | 0.17 | 0.13 |
| 40% 수산화나트륨용액 | mg/cm2 | 0.13 | 0.10 |
| 물 | mg/cm2 | 0.1 | 0.1 |
위 표는 아래의 식에 의하여 도출한 것이며, 실시예의 경우 다음과 같이 판상구조의 흑연의 함량을 달리하였다.
염화나트륨 용액을 이용하여 시험한 경우, 판상구조의 흑연은 플라스틱 원료 100중량부를 기준으로 0.01중량부 투입한 것이다.
황산 용액을 이용하여 시험한 경우, 판상구조의 흑연은 플라스틱 원료 100중량부를 기준으로 0.1중량부 투입한 것이다.
질산 용액을 이용하여 시험한 경우, 판상구조의 흑연은 플라스틱 원료 100중량부를 기준으로 0.3중량부 투입한 것이다.
수산화나트륨 용액을 이용하여 시험한 경우, 판상구조의 흑연은 플라스틱 원료 100중량부를 기준으로 0.5중량부 투입한 것이다.
물을 이용하여 시험한 경우, 판상구조의 흑연은 플라스틱 원료 100중량부를 기준으로 0.5중량부 투입한 것이다.
위 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 경우 비교예보다 무게 변화량이 더 적은 것을 알 수 있다. 즉, 내후성(내화학성)이 더 우수함을 알 수 있다.
한편, 동일한 두께 조건으로 약 50mm2의 면적을 갖는 시편을 제작하되, 판상구조의 흑연을 첨가한 것과 그렇지 않은 것을 각각 실시예와 비교예로 하여 굴곡강도(MPa)를 측정하였다. 이 때, 시편은 완전냉각된 시편으로서, 판상구조의 흑연을 첨가한 것이 그렇지 않은 것에 비하여 더 빠른 냉각속도를 구현하였다.
| 시험항목 | 실시예의 판상구조 흑연 함량(%) | 비교예 | 실시예 |
| 굴곡강도(MPa) | 0.01 | 91.67 | 101.35 |
| 0.1 | 90.88 | 101.82 | |
| 0.3 | 90.96 | 104.65 | |
| 0.5 | 91.98 | 106.67 | |
| 1.0 | 92.24 | 96.44 |
위 표로부터 알 수 있는 바와 같이 판상구조의 흑연 0.01~0.5중량부(플라스틱 원료 100중량부 기준)의 범위에서 비교예에 비하여 실시예의 굴곡강도가 더 높음이 확인되었다. 아울러, 판상구조의 흑연 1.0중량부의 경우 비교예1에 비하여 오히려 더 낮은 굴곡강도는 나타내어, 바람직한 범위 밖의 판상구조 흑연의 첨가는 바람직하지 않음을 확인할 수 있었다.
그러므로, 본 발명에 따르면 판상구조의 흑연을 플라스틱 원료와 컴파운딩함으로써, 냉각속도를 높여 생산성을 향상시킴은 물론, 내구성과 내후성(내화학성)을 향상시킬 수 있는 사출물을 제조할 수 있다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (6)
- 사출물을 이루는 기지물질인 플라스틱 재료와 판상 구조를 갖는 흑연을 혼합하여 컴파운딩하여 사출물으로 성형함으로써 사출물을 제조하는 공정으로서,
플라스틱 원료와 판상구조를 갖는 흑연을 혼합하는 단계; 및
혼합된 원료를 금형에 주입하여 사출물을 제조하는 단계;
를 포함하되, 상기 판상구조를 갖는 흑연은 플라스틱 재료 중량을 100중량부로 하였을 때, 0.01~0.5중량부, 탄산칼슘(CaCO3)이 0.5~5.0중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 비금속 사출물의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 흑연은 50~500나노미터의 평균크기를 갖는 것을 특징으로 하는 비금속 사출물의 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탄산칼슘(CaCO3)의 표면은 소수성 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 비금속 사출물의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 판상 구조를 갖는 흑연은 그래핀인 것을 특징으로 하는 비금속 사출물의 제조방법. - 플라스틱 재료를 기지로 하고, 여기에 플라스틱 재료 중량을 100중량부로 하였을 때, 판상구조를 갖는 흑연이 0.01~0.5중량부, 탄산칼슘이 0.5~5.0중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 판상구조 흑연복합체를 포함하는 비금속 사출물.
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