KR20010113978A

KR20010113978A - 광물질 집합체로 강화된 환경친화적 배관자재

Info

Publication number: KR20010113978A
Application number: KR1020000033757A
Authority: KR
Inventors: 이우일; 한경섭
Original assignee: 박원용; 골든리버 주식회사
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2001-12-29
Also published as: KR200205294Y1; KR200204554Y1

Abstract

본 발명은 환경친화적 배관자재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리올레핀 수지에 유리섬유 및 칼펫을 보강하거나, 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨의 광물질 집합체를 보강함으로써, 환경친화적이면서도 PVC 파이프 이상의 물리적, 기계적 강도와 높은 굴곡강도, 굴곡탄성율, 인장강도, 열변형온도, 내마모성, 내치수성을 가지도록 한 새로운 개념의 배관자재에 관한 것이다.

현재 건물 내외부의 배관재로서 PVC 파이프가 널리 사용되고 있으나, 동 제품의 가공 등 처리시에 발생되는 다이옥신, 환경호르몬 및 염소가스 등의 환경 유해 물질은 환경과 인체에 치명적으로 해를 끼치고 있으며, 이와 함께 근래 들어 전세계적으로 환경보호에 대한 관심과 우려가 높아지면서, 그 대체재의 시급한 개발이 요구되고 있는 형편이다.

상기와 같은 상황하에서, PVC의 대체재로서 환경유해 성분을 유발시키지 않는 폴리올레핀계의 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 제품이나 ABS 제품으로 전환이 이루어지고 있으나, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 수지는 그 특성상 충격강도와 인장강도 및 높은 열변형 온도와 높은 경도를 동시에 발휘할 수 없기 때문에, 건물 내외부의 오수 및 배수용 배관재로 사용되어지고 있는 PVC 파이프에 대해서는 적절한 대체재가 되지 못하는 문제점이 있으며 ABS 수지도 기존의 PVC 제품과 대비하여 너무 높은 생산비와 제조원가로 인하여 대량으로 보급하기에는 적절치 않은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 폴리올레핀 수지의 분자구조에 적합한 광물질 집합체를 보강, 폴리올레핀 수지의 문제점인 낮은 물리적, 기계적 강도를 강화시킴으로써 건물 내외부의 상수용 및 오배수용 배관으로 사용할 수 있는 환경친화적 파이프를 제공하는 것이다.

Description

광물질 집합체로 강화된 환경친화적 배관자재{The environment-friendly pipe reinforced by mineral}

본 발명은 환경친화적 배관자재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리올레핀 수지에 유리섬유 및 칼펫을 보강하거나, 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨로 구성된 광물질 집합체를 보강함으로써, 환경친화적이면서도 PVC 파이프 이상의 물리적, 기계적 강도와 높은 굴곡강도, 굴곡탄성율, 인장강도, 열변형온도, 내마모성, 내치수성을 가지도록 한 새로운 개념의 배관자재에 관한 것이다.

일반적으로 하수 등을 배출하는 파이프는 도 1에 도시된 바와 같이 일정한 두께를 갖는 원통형의 직선형 파이프(1)로 형성되어 있으며, 직선형 파이프(1)들을 연결하는 파이프 이음관(2)은 다양한 형상으로 제조되는데 그 한 예로서 파이프 이음관(2)을 도 2에 도시하였다.

이와 같은 건물 내외부의 배관재로서는 현재 PVC 파이프가 널리 사용되고 있다. 이는 PVC 파이프가 다른 제품과 비교할 때 가격은 저렴한 반면 높은 물리적, 기계적 특성을 지니고 있기 때문이다. 그러나, PVC 수지 제품의 가공 등 처리시에 발생되는 다이옥신, 환경호르몬 및 염소가스 등의 환경 유해 물질은 환경과 인체에 치명적으로 해를 끼치고 있으며, 이와 함께 근래 들어 전세계적으로 환경보호에 대한 관심과 우려가 높아지면서, 그 대체재의 시급한 개발이 요구되고 있는 형편이다.

상기와 같은 상황하에서, PVC 수지제품 중 가정용 생활용품 및 가전제품 등은 환경유해 성분을 유발시키지 않는 폴리올레핀계의 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 제품과 ABS 제품 등으로 거의 대체가 이루어졌다.

그러나, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 수지는 그 특성상 충격강도와 인장강도 및 높은 열변형 온도와 높은 경도를 동시에 발휘할 수 없기 때문에, 건물 내외부의 오수 및 배수용 배관재로 사용되어지고 있는 PVC 파이프에 대해서는 적절한 대체재가 되지 못하는 문제점이 있으며, ABS 수지도 기존의 PVC 제품과 대비하여 너무 높은 생산비와 제조원가로 인하여 대량으로 보급하기에는 적절치 않은 문제점이 있었다.

도 1은 직선형 파이프를 나타낸 단면도

도 2는 파이프 이음관을 나타낸 단면도

도 3은 본 발명에 따른 일실시예를 나타낸 단면도

도 4는 본 발명에 따른 다른 일실시예를 나타낸 단면도

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 직선형 파이프 2 : 파이프 이음관

3 : 폴리올레핀 수지, 유리섬유 및 칼펫의 복합층

4 : 폴리올레핀 수지, 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크 및 탄산칼륨의 복합층

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자는 환경 비친화적인 PVC 배관재를 대체한다는 개념하에 환경친화적인 폴리올레핀 수지에 유리섬유 및 칼펫을 합성하거나, 또는 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨로 이루어진 광물질 집합체를 합성하여 PVC 파이프 이상의 물리적, 기계적 강도와 높은 굴곡강도, 굴곡탄성율, 인장강도, 열변형온도, 내마모성, 내치수성을 극대화시키는 새로운 개념의 배관재를 안출하였다.

전술한 바와 같이, 폴리올레핀 수지는 환경유해 성분을 유발시키지 않는 열가소성 수지로서 재생 및 재활용이 가능하다. 그러나 PVC와 비교할 때, 폴리올레핀 수지는 물성이 취약하여 단독으로 사용할 경우 유체의 흐름과 자체의 하중을 견디지 못하여 수평 및 수직 배관으로 사용하기에는 불충분하다는 약점이 있다.

나아가, 폴리올레핀 수지는 경화시 약 10% 정도의 수축률을 보이는데, 그로 인하여 제품 성형이 원활하지 못하며, 점도가 매우 높아 흐름이 원활하지 못한 단점이 있다.

따라서 폴리올레핀 수지의 물리적, 기계적 성질을 향상시키는 한편, 전술한 수축률을 커버하기 위해서는 별도의 충진제가 필요한데, 본 발명자는 폴리올레핀 수지에 유리섬유 및 칼펫을 함유시키거나, 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨의 광물질 집합체를 함유시킴으로써 상기 목적을 달성할 수 있음을 확인하였다.

즉, 상기와 같은 광물질 집합체의 함유를 통하여 폴리올레핀 수지의 물리적, 기계적 성질이 향상됨은 물론, 폴리올레핀 수지가 거의 수축을 하지 않게 되어 원하는 디자인대로 제품을 성형할 수 있으며, 수지의 흐름을 원활하게 하여 생산성을높일 수 있음을 발견하였다.

또한 각 광물질은 열에 강하며 약품에 대해 강한 특성을 갖는 재료로써, 배관자재의 내열성과 내약품성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 폴리올레핀 수지만으로 제품을 성형하는 것보다 생산단가를 낮출 수 있게 됨을 발견하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도표 및 첨부한 도면과 함께 상세히 설명한다.

도표 1은 순수 폴리올레핀계의 물리적 특성에 관한 지표를 나타낸 것으로서, 이로부터 순수 폴리올레핀계 물질의 물리적, 기계적 성질이 PVC에 비하여 취약함을 알 수 있다.

도표 1. 여러 물질들의 인장강도(Tensile strength)와 신장률(Tensile modulus)

물질	PVC	PP	LDPE	HDPE
인장강도(Tensile strength,10⁶psi)	0.0075	0.0045	0.0014	0.0035
신장률(Tensile modulus,10⁶psi)	0.3~0.55	0.18	0.03	0.15

PP : 폴리프로필렌(Polypropylene)

LDPE : 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyetylene)

HDPE : 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyetylene)

상기와 같은 폴리올레핀 수지의 약한 물성은 다음과 같은 광물질의 보강에 의해 극복할 수 있는 것으로 확인되었다.

즉, 폴리올레핀 수지에 도 3과 같이 유리섬유 및 칼펫을 보강하거나, 도 4와 같이 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨의 광물질 집합체를 보강하였을 경우 인장강도, 휨강성도 그리고 내열성이 향상됨으로써 PVC의 대체재로서 기능을 발휘하는 것으로 나타났다.

그리고 이 경우, 광물질 집합체는 바람직하게는 부피비로 대략 3.5% 내지 60%, 더욱 바람직하게는 5% 내지 30%의 광물질 집합체를 함유시킴으로써 PVC와 동등하거나 그 이상의 기능을 발휘할 수 있음을 실험에 의하여 확인할 수 있었다.

도표 2는 유리섬유 및 칼펫의 부피비율을 10%로 하였을 경우와 20%로 설정하였을 경우의 각 물성의 변화를 나타낸 것이다.

도표 2. 유리섬유 및 칼펫의 부피분율에 따른 특성의 변화

	PVC	폴리올레핀 수지	폴리올레핀 수지+10% 유리섬유 및 칼펫	폴리올레핀 수지+20% 유리섬유 및 칼펫
밀도, g/cc	1.28~1.56	0.89~0.91	0.91~1.45	0.91~1.46
경도, Rockwell	107~113	80~90	84~107	53~58
항복 인장강도, Mpa		17.5~28	44~50	52~63
파단 인장강도, Mpa	14~52	18.6~34.5	21~50	21~83
탄성계수, Gpa	1.124~4.827	0.67~1.24	2.8~5.2	3.5~6.2
연성계수, Gpa	1.296~4.689	0.62~1.38	1.52~4.1	1.03~5.5
연성 항복강도, Mpa	28~97		48~72	50~100
충격강도, Izod, J/cm	0.3~12.9	1.4	0.32~1.28	2.4
압축 항복강도, Mpa	50~56		48~52	48~170
처짐 온도 at 0.46Mpa, C	73	71~115	98~202	79~190
처짐 온도 at 1.8Mpa, C	51~79	43~56	121~184	130~179
최대 사용온도, C	51~79	45~115	98~202	79~179
열전도도, W/m-K	0.14~0.19		0.16~0.29	0.19~0.3
절연 상수	3.3		2.5~2.9	2.5~3
발산 계수	0.033~0.04		0.001	0.001~0.002

위 도표에서 나타나듯이, 유리섬유 및 칼펫의 부피비율을 10%로 하였을 경우와 20%로 하였을 경우만 하더라도 인장강도, 탄성계수, 충격강도, 최대 사용온도 등의 물성이 PVC에 비하여 훨씬 우수함을 알 수 있다.

도표 3은, 폴리올레핀 수지에 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨로 이루어진 광물질 집합체를 10% 함유한 경우의 강성도 변화에 관한 실험결과이다.

도표 3. 자중에 의한 하중시의 굴곡률 비교

자중에 의한 하중

길이 = 4 m

실험에 사용한 재료 (PVC, PP 및 폴리올레핀+10%의 유리섬유 등 광물질 집합체)

실험조건: 파이프의 외경= 88.8 mm파이프의 내경= 84.8 mm파이프의 두께= 2.5 mm 휨 강성도 PVC = 1.296 GpaPP = 0.62 Gpa폴리올레핀+10%의 유리섬유 등 광물질 집합체 = 1.52 Gpa 비중 PVC =1400 kg/㎥PP = 901 kg/㎥폴리올레핀+10%의 유리섬유 등 광물질 집합체 = 1010 kg/㎥

상기의 실험결과에서도, 폴리올레핀 수지에 10%의 광물질 집합체를 강화시킨 신개발품은 일반 폴리올레핀보다 휨 강성도가 월등하게 뛰어날 뿐만 아니라 PVC보다도 높은 휨 강성도를 나타내고 있음이 확인된다.

또한, 상기 실험 외에 각 재료의 자중에 의한 하중시 최대 굴곡 정도를 실험해 본 결과, 도표 4에서와 같이 폴리올레핀 수지에 10%의 광물질 집합체를 강화시킨 신개발품의 굴곡 정도가 가장 낮은 것을 알 수 있었다.

도표 4. 폴리올레핀 수지에 10%의 광물질 집합체를 함유한 경우의 굴곡정도

최대 굴곡 정도 ( mm )
PVC	37.91
PP	51.00
폴리올레핀+10%의 광물질 집합체	23.32

이상의 실험결과는, 상기에 언급한 각종 광물질 집합체가 그 각각의 기능으로 폴리올레핀 수지의 취약성을 강화시키고 있기 때문으로 생각되며, 구체적으로는 유리섬유와 유리구슬은 고강성, 치수안정성, 내열성, 내절연성을 강화시키고, 황산바륨은 고광택 및 고비중, 카올린은 내질성 및 내화학성, 탄산칼륨은 고비중 및 내마모성 작용을 강화시키는 등의 역할을 하거나 그외 이들 광물질들간의 상호작용에 기인한 효과로 추측된다.

그리고 이와 같이 개발된 재질은 폴리올레핀의 분자구조에 적합한 광물질 집합체로 강화된 고결정 특수 폴리프로필렌 수지로서 배관용 파이프로는 신개념의 환경친화적 차세대 배관재가 되는 것이다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 환경친화적인 폴리올레핀 수지에 유리섬유 및 칼펫을 합성하거나, 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨의 광물질을 합성하여 PVC 파이프 이상의 높은 굴곡강도, 굴곡탄성율, 인장강도, 열변형온도, 내마모성, 내치수성을 극대화시킴으로써, 환경친화적인 폴리올레핀 수지의 장점을 유지하면서도 건물 내외부의 오수 및 배수용 배관재로 사용되기에 충분한 물리적, 기계적 성질을 가진 배관자재를 얻을 수 있다.

Claims

폴리올레핀 수지로 구성된 건물 내외부의 오수 및 배수용 배관자재에 있어서, 유리섬유 및 칼펫을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경친화적 배관자재.
제1항에 있어서, 유리섬유 및 칼펫의 함유량은 부피비로 5 내지 60%인 것을 특징으로 하는 환경친화적 배관자재.
폴리올레핀 수지로 구성된 건물 내외부의 오수 및 배수용 배관자재에 있어서, 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨의 광물질 집합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경친화적 배관자재.
제3항에 있어서, 유리섬유, 유리구슬, 황산바륨, 방해석, 실리카, 카올린, 칼크, 탄산칼륨의 광물질 집합체의 함유량은 부피비로 5 내지 60%인 것을 특징으로 하는 환경친화적 배관자재.