KR20090021151A - 자외선 저항성의 다층 셀룰러 제한 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 일반적으로, 토양, 콘크리트, 응집물(aggregate), 지구 물질(earth material) 등으로 충전될 수 있는 중합체 셀룰러 제한 시스템(polymeric celluar confinement system)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 자외선, 습도, 침입적인 토양(aggressive soil) 및, 이들의 조합에 의하여 발생되는 손상에 대하여 향상된 견고성(durability)을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템에 관한 것이다.
Description
관련 출원에 대한 참조
본 발명은, 본 발명과 동시에 출원되었고 제목이 "지질공학적인 제품(GEOTECHNICAL ARTICLES)"인 미국 특허출원 제 PRSI 200003 호와; 본 발명과 동시에 출원되었고 제목이 "고성능의 토목섬유 제품(HIGH PERFORMANCE GEOSYNTHETIC ARTICLE)"인 미국 특허출원 제 PRSI 200004 호와; 본 발명과 동시에 출원되었고 제목이 "용접 프로세스 및 이것의 토목섬유 제품(WELDING PROCESS AND GEOSYNTHETIC PRODUCTS THEREOF)"인 미국 가특허출원 제 PRSI 200005 호와; 본 발명과 동시에 출원되었고 제목이 "상용화된 중합체 브렌드를 제조하기 위한 프로세스(PROCESS FOR PRODUCING COMPATIBILIZED POLYMER BLENDS)"인 미국 가특허출원 제 PRSI 200006 호에 관한 것이다. 이들 4개의 특허출원은 본원에서 전체가 참조로서 합체되어 있다.
본 명세서는, 일반적으로, 토양, 콘크리트, 응집물(aggregate), 지구 물질(earth material) 등으로 충전될 수 있는 중합체 셀룰러 제한 시스템(polymeric celluar confinement system)에 관한 것이다. 특히, 본 명세서는, 자외선, 습도, 침입적인 토양(aggressive soil) 및, 이들의 조합에 의하여 발생되는 손상에 대하 여 향상된 견고성(durability)을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템에 관한 것이다.
플라스틱 토양 강화 제품, 특히, 셀룰러 제한 시스템(celluar confinement systems; CCSs)은, 상기 CCS에 의하여 지지되는 토양, 암석, 모래, 돌, 토탄(peat), 진흙, 콘트리트, 응집물 및 지구 물질과 같은 지질공학적인 재료의 하중 지탱 능력, 안정성 및 내침식성을 증가시키기 위하여 사용된다.
CCS는 특징적인 허니콤형(honeycomb-like) 3차원 구조에서 다수의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 포함한다. 상기 스트립은 이러한 구조를 성취하기 위하여 분리된 위치에서 서로에 대하여 용접된다. 지질공학적인 재료는 CCS 내에서 또는 그에 의해서 강화되고, 안정화될 수 있다. 상기 CCS에 의하여 안정화되고 강화되는 상기 지질공학적인 재료는, 이후 본원에서 지질공학적으로 강화된 재료(geotechnical reinforced material)(GRM)로 칭한다. 상기 CCS의 표면은 상기 GRM과의 마찰을 증가시키고, 상기 CCS 및 GRM사이의 상대적인 운동을 감소시키기 위하여 엠보싱 될 수 있다.
상기 CCS는 셀 벽의 후프 강도, 인접된 셀의 패시브 저항, 및 상기 CCS 및 GRM사이의 마찰의 결과로서, 이것의 전단 강도 및 견고함을 증가시킴으로써 상기 GRM를 강화시킨다. 하중하에서, 상기 CCS는 강력한 측방향 제한력 및 토양-셀(soil-cell)의 벽 마찰을 발생시킨다. 이러한 메카니즘은 높은 굴곡력 및 견고함을 가지는 브릿징 구조(bridging structure)를 발생시킨다. 이러한 브릿징 작용은 공통의 입자 충전 재료의 긴 기간동안의 하중 변형 성능을 향상시키고, 구조적인 지지 요소의 두께와 중량에서 50%이하의 상당한 감소를 허용한다. CCS는 도로 기반 안정화, 분기길이 있는 평원, 트랙 발라스트(track ballast)를 안정시키기 위한 선로 트랙, 벽을 보존하는 것, GRM이나 식물의 보호 및 경사길과 채널과 같은 하중지지 상황에 사용될 수 있다.
이후 본원에서, 상기 "HDPE"라는 용어는 0.940 g/cm3보다 더 큰 밀도를 특징으로 하는 폴리에틸렌으로 언급한다. 중간 밀도의 폴리에틸렌(MDPE)이라는 용어는, 0.925 g/cm3 내지 0.940 g/cm3의 밀도를 특징으로 하는 폴리에틸렌을 언급한다. 선형의 저밀도(linear low density)의 폴리에틸렌(LLDPE)이라는 용어는, 0.91 내지 0.925 g/cm3 의 밀도를 특징으로 하는 폴리에틸렌을 언급한다.
상기 CCS의 플라스틱 벽은, 자외선, 열 및 습도(UHH)에 의하여 필드에서 서비스 및 사용동안에 손상을 입을 수 있다. 상기 손상은, 취성, 감소된 가요성, 인성, 충격 및 천공 저항, 불량한 파열 저항 및 변색을 발생시킨다. 특히, 상기 CCS에 대한 열 손상은 지구상에서 더운 지방에서 심각하다. 이후 본원에서 사용되는, "더운 지방"이라는 용어는, 적도의 양쪽에서 위도 42도에 위치되고 특히 사막 벨트를 따라서 있는 영역을 지칭한다. 더운 지방은, 예를 들면, 북 아프리카, 스페인 남부, 중동, 애리조나, 텍사스, 루지애나, 플로리다, 중앙 아메리카, 브라질, 대부분의 인도, 중국 서부, 오스트렐리아 및 일본의 일부를 포함한다. 더운 영역은 35℃이상의 온도와, 매일 최대 14시간의 주기동안 강렬한 햇빛을 일정하게 받는 지방이다. 직집적인 태양광에 노출되는 플라스틱의 어두운 표면은 +90℃ 만큼 높은 온 도에 도달할 수 있다.
플라스틱 벽을 구성하는 중합체를 처리함으로써 이러한 손상으로부터 플라스틱 벽을 보호하기 위한 산업적인 몇몇의 전략이 적용되어져 왔다. 어두운 색의 제품을 위하여, 즉, 검정 또는 암회색(dark grey) 제품, 카본 블랙은 자외선을 차단하고 자유기(free radical)를 분산시키기 위하여 도입될 수 있다. 그러나, 상기 카본 블랙 사용을 통하여 발생되는 하나의 단점은 미학적인 외형이다. 블랙 CCS는 이 CCS가 조망 구조의 일부분인 경우, 블랙 CCS들의 사용은 별로 바람직하지 않다. 두번째 단점은 블랙 CCS가 태양광을 흡수하여 가열시키는 경향이 있다는 것이다. HDPE 및 MDPE는 40-50℃이상으로 가열될 때에 크리프하는 경향이 있다. 결과적으로, 크리프는, 특히 용접점 및 더 얇은 벽 구조에서 특히 심하게 가속되어 구조 결함을 가져올 수 있다.
CCS는 웨지, 텐던(tendon), 바아 또는 앵커에 의하여 보통 GRM에 고정되거나 앵커된다. 이러한 고정화는 상기 CCS가 슬로프(slope)를 강화시키기 위하여 사용될 때에 특히 결정적이다. 상기 웨지, 텐던, 바아 또는 앵커는 통상 철로 제조되며, 60-85℃를 초과할 수 있는 온도로 직접 태양광에 의하여 가열될 수 있다. 철의 높은 전도성은 또한 CCS의 매입 부분까지 열을 전달시킨다. 이러한 앵커점은 심한 응력 집중을 겪게 된다. UHH 보호가 없이, 이러한 앵커점은, CCS의 남은 부분에서 어느 주요 손상이 관찰되기도 전에 균열될 수 있다.
또한, 상기 CCS를 구성하는 스트립 사이의 용접에서 응력이 발생한다. 응력은 설치동안에 사람이 CCS위를 걸어다니고, GRM으로 충전되기 이전 및 그 동안, 또 는 셀을 충전하기 위하여 GRM을 CCS위에 덮어 버릴 때의 압축으로 부터 발생된다. 또한, GRM은 이것이 습기 차거나 또는 이미 GRM내에 있는 물이 추운 기후에서 결빙될 때에 팽창할 수 있다. 또한, GRM은 스트립을 제조하기 위하여 사용되는 HDPE보다 약 5-10배 더 낮은 열 팽창계수(coefficient of thermal expansion)(CTE)를 가진다; 이것이 CCS 벽을 따라서 특히 용접부를 따라서 응력을 발생시킨다.
몇몇 CCS는 이들이 지지하는 GRM에 유사하게 쉐이드(shade)하기 위하여 안료가 입혀지게 된다. 이것은 토양형 안료의 (soil-like colored) CSS, 잔디형 안료의 CCS, 및 토탄형 안료의 CCS와 같은, 광 안료의 제품 및 통상적인 쉐이드의 CCS를 포함한다.
CCS를 위하여, 특정의 첨가재(즉, 카본 블랙과는 다른)가 20년 이상의 주기를 위하여 이들 성질을 유지하기 위하여 요구된다. 가장 효과적인 첨가재는 벤조트리아졸 및 벤조페논, 지체된 아민 광 안정제와 같은 래디컬 스캐빈저(scavenger) 및 산화방지제와 같은 자외선 흡수제이다. 보통, 하나 이상의 첨가재의 "팩키지"는 중합체에 제공된다. 상기 첨가재는, 통상 마스터 배치 또는 홀코배치(holkobatch), 분산물 및/또는 중합체나 왁스캐리어의 용액 첨가재로서 중합체에 도입된다.
상기 CCS를 만들기 위하여 사용되는 중합체에서의 첨가재의 양은, CCS에 요구되는 수명 시간에 따른다. 약 5년 주기의 보호를 제공하기 위하여, 요구되는 첨가재의 양은 10년 이상의 주기동안에 보호가 요구되는 것보다 더 적게 요구된다. 첨가재는 시간이 지남에 따라서 증발 또는 가수분해로 인하여 중합체로부터 걸려져 나가기 때문에, 긴 시간 주기에 따라서 보호를 위해 요구되는 첨가재의 실질적인 양은 짧은 주기의 보호에서 요구되는 양보다 2 내지 10 배 더 많게 된다. 다시 말하면, 상기 중합체에 부가되는 첨가재의 양은 걸려짐, 증발 및 가수분해를 보상해야만 하고, 따라서 짧은 주기의 보호에 요구되는 양보다 상당히 많아야 된다. 또한, 상기 CCS가 사용되는 곳의 열과 습기가 증가됨에 따라 그 보호 레벨을 유지하기 위하여 보다 많은 첨가재가 중합체에 첨가될 필요가 있다.
상기 첨가재는, 일반적으로, CCS를 제조하기 위하여 사용되는 중합체 스트립의 전체 단면을 통하여 매우 균일하게 분산되거나 용해된다. 그러나, 상기 첨가재와 UHH 손상을 발생시키는 재제(agent) 사이의 가장 큰 상호 작용이, 중합체 스트립 또는 필름의 최외부 부피, 즉, 10 내지 200 미크론에서 발생된다.
몇몇 더운 지방, 특히 열대 지방은 높은 습도와 호우가 있다. 높은 습도와 열의 조합은 중합체 스트립으로부터 보호성 첨가재의 가수분해, 압출 및 증발을 가속화시킨다. 가장 중요한 것은, 벤조페논 및 벤조트리아졸과 같은 자외선 흡수제, 및 열 안정제-특히 지체된 아민 광 안정제(HALS)의 손실이다. 일단 상기 첨가재가 손실된다면, 상기 중합체 스트립은 쉽게 공격을 받고, 성질이 빠르게 변형된다.
미국 특허 제6,953,828호는 자외선에 대하여 안정화된 토목섬유 차단층(geomembrance)을 포함하는 박막을 기재하고 있다. 상기 특허는 폴리프로필렌에 관한 것으로서, 박막으로 효과적인 매우 낮은 밀도의 폴리에틸렌 합성물에 관한 것이지만, CCS용으로는 실질적이지 못하다. 폴리프로필렌은 0도 이하의 온도에서 매우 취성이 강하다. 매우 낮은 밀도의 폴리에틸렌은 CCS에서 사용하기 위해서 매우 약한데, 왜냐 하면 이것은 적당한 하중에서 크리프하는 경향이 있기 때문이다. 일 단 CCS가 크리프된다면, CCS 및 GRM의 일체성은 붕괴되고, 구조적인 성능은 돌이킬 수 없이 손상된다. 또한, 폴리프로필렌은 걸려짐과 가수분해를 극복하기 위해서 첨가재의 큰 부여를 요구하고; 이것은 비경제적인 중합체를 가져온다.
미국 특허 제 6,872,460 호는 이중층의 폴리에스테르 필름 구조를 기재하고 있는데, 여기에서 자외선 흡수제와 안정제가 하나 또는 두 개의 층에 도입된다. 다양한 등급의 폴리에스테르가 강화 텐던의 매트릭스와 같이 토양을 강화하기 위하여 사용되는 2차원 제품인 지오-그리드(geo-grid)용으로 일반적으로 적용 가능하다. 지오-그리드는 통상 지하에 묻혀있고, 따라서 자외선에 노출되지 않는다. 이와는 반대로, CCS는 3차원이고, 통상 지상 레벨에 부분 노출되며, 따라서 자외선에 노출된다. 폴리에스테르는, 일반적으로 이것의 경직성 주변 환경에서의 불량한 충격 및 천공 저항성 및 특히 영하 온도에서 중간 내지 낮은 가수분해 저항성(특히 콘크리트 및 칼시드 토양(calcined soil)과 같은 지반 매체와 적접 접촉하게 될 때에), 그리고 전체적인 가격성 면에서 CCS용으로 부적합한다. 또한, 폴리에스테르는 걸러짐과 가수분해를 극복하기 위하여 첨가재의 큰 부여가 요구되고; 이것은 비경제적인 중합체를 가져온다.
얇은 중합체 스트립(약 500 미크론이하의 두께를 특징으로 함)을 위하여, 요구되는 첨가재의 실질적인 양은 일반적으로 이론적으로 계산된 양에 매칭된다. 그러나, 보다 두꺼운 스트립(약 750 미크론보다 더 큰 두께- 보통 구조적이며 지질공학적인 강화 요소를 가지는 경우-예를 들면 CCS)에서는, 요구되는 첨가재의 실질적인 전체 양은 일반적으로 이론적으로 계산되는 양보다 훨씬 더 많게 된다. 약 1.5mm이상의 두께를 가지는 높은 성능의 CCS를 위하여, 강도, 인성, 가요성, 찢어짐, 천공 저항 및, 낮은 온도의 보유성이 요구되고, 요구되는 첨가재의 전체 양은 이론적으로 계산되는 요구양보다 5 내지 10 배 더 많게 된다. UHH-보호 첨가재는 상기 중합체의 가격에 비하여 매우 비싸다. 따라서, 대부분의 제조업자들은 50년 이상 긴 보호 주기 동안 요구되는 높은 양의 부여가 아니라, 낮은(즉, 최소) 이론적으로 계산된 양의 부여 레벨에 보다 근접되게 매칭하는 첨가재 부여를 제공한다. 또한, HDPE 및 MDPE는 중합체내로의 유해한 이온 및 분자의 진입에 대하여 및 중합체로부터 첨가재의 걸려짐과 증발에 대하여 불량한 배리어 성질(barrier property)을 제공한다. 이러한 이유로 인하여, 실질적으로, 대부분의 제조업자들은 두꺼운 중합체 스트립의 긴 기간의 견고성을 현재 보증하지 못하고 있다. 현재 CCS는 중합체 스트립을 통하여 분산되는 0.1 내지 0.25 중량 퍼센트의 양으로 있는 HALS 및 자외선 흡수제를 사용한다.
야외에서의 견고성과 관련된 다른 특징은 CCS용으로 사용되는 중합체의 타입이다. 이러한 적용을 위한 정확한 중합체의 선택은, 경제적인 면, 즉 원료의 가격과 긴 기간의 견고성 사이에서의 트레이트오프(tradeoff)이다. 이러한 점에서, 폴리에틸렌(PE)은 가격, 강도, 마이너스 60℃만큼 낮은 온도에서의 가요성 및 표준적인 압출장비에서의 처리의 용이함의 균형이 맞아 가장 대중적인 재료중의 하나이다. 또한, 폴리에틸렌은 자외선과 열에 대하여 적당하게 저항성이 있다. 그러나, 첨가재가 없으면, 상기 폴리에틸렌은 통상적인 사용을 위하여 수용할 수 없는 정도로 일년 이내에 질이 저하한다. 매우 안정되게 사용될 때라도, PE는 에틸렌-아크릴 에스테르 공중합체 및 터폴리머(terpolymer)와 같은 보다 높은 자외선 저항성의 중합체에 대하여 여전히 열등하다.
한편, 아크릴 및 메타아크릴 에스테르 공중합체 및 터폴리머, 특히 에틸렌-아크릴 에스테르 공중합체 및 터폴리머와 같은, 보다 높은 자외선 및 열 저항성을 나타내는 중합체는, UHH 저항의 관점에서 볼 때 통상적인 적용에 매우 적절하다. 그러나, 이들의 비교적 비싼 가격과 매우 낮은 분자성 및 강도 특징은 광범위한 스케일의 CCS 적용을 제한한다.
비용절감형 UHH-저항 중합체 스트립과, 이것을 포함하는 CCS, 특히 GRM형 광 안료 스트립 및 이것의 CCS를 제공하는 것이 요구된다. 이러한 CCS는 거친 조건에서, 특히, 야외에서의 적용, 건조 지역, 열대 지역 및 아열대 지역으로부터 북극까지의 범위의 온도에서 저항성을 가지고 있으며, 50년 이상의 유용한 서비스 수명을 가진다.
본 명세서는, 지질공학적인 제품, 특히, 자외선 열 및 습도에 대하여 적어도 2년의 주기 동안 높은 견고성을 나타내는 셀룰러 제한 시스템(CCS)에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 상기 CCS는 적어도 10년 동안 이러한 견고성을 나타낸다. 다른 특정 실시예에서, 상기 CCS는 적어도 20년 이상 100년 이하의 견고성을 나타낸다. 견고함은, 초킹(chalking) 또는 크랙킹이 없는 것 및 원색의 보유, 표면 일체성, 강도, 분자성의 보유, 파손에 대한 연신, 천공 저항, 크리프 저항 및 용접 강도를 의미하는 것이다.
예시적인 실시예에서, CCS는 다수의 중합체 스트립을 포함한다. 각각의 중합체 스트립은 적어도 하나의 내부 중합체 층과 적어도 하나의 외부 중합체 층을 포함한다. 상기 적어도 하나의 외부 중합체 층은 적어도 하나의 내부 중합체 층보다 자외선, 습도 또는 열(UHH)에 보다 더 큰 저항성을 나타낸다. 각각의 중합체층은 적어도 한 종류의 중합체를 포함한다. 적어도 하나의 외부 중합체층은 자외선 흡수제 또는 지체된 아민 광 안정제(HALS)를 또한 포함한다. 상기 자외선 흡수제는 유해한 자외선이 적어도 하나의 내부 중합체 층으로 침투하는 것을 차단하고 방지한다. 상기 HALS는 상기 외부층에 발생되는 유해한 래디컬이 중합체 스트립의 내부층내로 확산되는 것을 비활성화시킨다.
다른 실시예에서, 상기 중합체 층은 산화방지제, 안료 및 염료로 구성된 군으로 부터 선택되는 첨가재를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 중합체 층은 충전재를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 충전재는 중합체 층의 중합체보다 더 높은 열 전도성을 가진다.
또 다른 실시예에서, 상기 중합체 스트립의 적어도 하나의 층은 안료 또는 염료를 포함한다. 양호하게는, 상기 층은 CCS에 의하여 지지되는 GRM과 유사한 색을 가진다. 양호하게는, 상기 색은 검정 또는 다크 그레이가 아니다.
상기 CCS는 GRM을 강화시키기 위하여 사용될 수 있다.
다른 CCS 및 장치가 또한 설명된다. 상기 중합체 층 및/또는 CCS를 제조하고 사용하는 방법이 또한 제공된다. 이들 및 다른 실시예는 이하 보다 상세하게 설명된다.
다음은 본 발명의 도면의 간단한 설명이고, 이것은 본원 발명에 기재된 예시적인 실시예를 도시하는 목적이지 이것을 제한하는 목적은 아닌 것이다.
도 1은 단일 층의 CCS의 사시도이다.
도 2는 지질공학적으로 강화된 재료(GRM)를 포함하는 셀의 사시도이다.
도 3은 GRM과 웨지를 포함하는 셀의 사시도이다.
도 4는 텐던을 포함하는 셀의 사시도이다.
도 5는 텐던 및 록커를 포함하는 셀의 사시도이다.
도 6은 강화된 벽부를 포함하는 셀의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 7은 현 개시에서 사용된 CCS의 중합체 스트립의 예시도이다.
다음의 상세한 설명은 당업자가 본원에서 설명되는 실시예를 제조하고 이용하도록 하며, 또한 이들 실시예를 실행하는 가장 양호한 모드를 설정할 수 있도록 제공된다. 그러나, 다양한 변경이 당업자에게 명백하며, 본원 발명의 범위내에 있는 것으로 고려되어야만 한다.
본원에 기재된 구성품, 프로세스 및 장치의 보다 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조함으로써 이루어질 수 있다. 이들 도면은 본 발명을 나타내는 편리함과 용이함을 기초로 하여서 단지 개략적으로 도시되고, 따라서 장치 또는 이것의 구성품의 사이즈 및 크기를 지시하거나, 및/또는 예시적인 실시예의 범위를 한정하거나 또는 제한하는 의도는 아니다.
본 발명은 다수의 중합체 스트립을 포함하고, 야외 적용에서 사용하기 위하여 긴 기간의 내구성을 가지는 셀룰러 제한 시스템(CCS)에 관한 것이다. 각각의 스트립은 적어도 하나의 외부 중합체 층과 적어도 하나의 내부 중합체 층을 포함한다. 상기 외부 중합체 층은 내부 중합체 층보다 UHH 저항성이 높다. 특히, 상기 외부 중합체 층은 순수 HDPE보다 자외선, 습도 또는 열에 더 높은 저항성을 가진다. 상기 "순수 HDPE"라는 용어는, 어떠한 자외선 흡수제 또는 HALS 첨가재와 혼합되기 이전에, 리액터로부터 수용되는 어느 HDPE도 지칭하는 것이다. 리액터로부터의 어떠한 중합체도 일반적으로 이미 200-1000ppm 산화방지제를 포함하는 것을 주목해야 한다.
도 1은 단일 층의 CCS의 사시도이다. 상기 CCS(10)는 다수의 중합체 스트립(14)을 포함한다. 인접된 스트립은 분리된 물리적 조인트(16)에 의하여 함께 접착된다. 이러한 접착은 본딩, 꿰맴 또는 용접에 의하여 수행될 수 있지만, 일반적으로 용접에 의하여 이루어진다. 2개의 조인트(16)사이의 각 스트립의 부분은 각 셀(20)의 셀 벽(18)을 형성한다. 각 셀(20)은 2개의 서로 다른 중합체 스트립으로부터 제조되는 셀 벽을 가진다. 상기 스트립(14)은 다수의 스트립으로부터 허니콤 패턴을 형성하기 위하여 함께 접착된다. 예를 들면, 외부 스트립(22) 및 내부 스트립(24)은 스트립(22 및 24)의 길이를 따라서 일정하게 이격된 물리적인 조인트(16)에 의하여 함께 접착된다. 한 쌍의 내부 스트립(24)은 물리적인 조인트(32)에 의하여 함께 접착된다. 각 조인트(32)는 2개의 조인트(16)사이에 있다. 결과적으로, 상 기 다수의 스트립(14)이 스트립의 면에 수직인 방향으로 스트레치될 때에, 상기 스트립은 CCS(10)를 형성하기 위하여 사인곡선과 같은 패턴으로 굽혀진다. 상기 2개의 중합체 스트립(22,24)의 단부가 만나는 상기 CCS의 에지에서, 단부 용접부(26)(또한, 조인트로 고려됨)는 2개의 중합체 스트립(22, 24)을 안정화시키는 짧은 테일(30)을 형성하기 위하여 상기 단부(28)로부터 짧은 거리 떨어져 만들어진다.
상기 CCS(10)는 적어도 2개의 서로 다른 방법으로 지면에 대하여 강화되어 고정될 수 있다. 개구(34)는 상기 개구가 공통축을 공유하도록 상기 중합체 스트립에서 형성될 수 있다. 그 다음, 텐던(12)은 상기 개구(34)를 통하여 연장될 수 있다. 상기 텐던(12)은 CCS(10)를 강화시키고, CCS(10)의 원치않는 변위를 방지하는 연속적이고 일체화된 앵커링 부재로서 작용함으로써 그 안정성을 향상시킨다. 텐던은 중력 및 유체역학적인 힘에 대한 부가의 안정성을 제공하기 위하여 채널 및 경사진 적용에 사용될 수 있고, 하부층 또는 자연적인 경화 토양/암석이 스테이크(stake)의 사용을 방지할 때에 요구된다. 또한, 웨지(36)는 이것이 토대로 하는, 예를 들면 지면에 적용되는 기반에 CCS(10)를 앵커하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 웨지(36)는 앵커를 제공하기 위한 충분한 깊이로 기반 내로 삽입된다. 상기 웨지(36)는 본 기술분야에서 공지된 어떠한 형상도 가질 수 있다(즉, "웨지"는 작용에 관한 것이지, 형상에 관한 것이 아니다). 도시된 바와 같이, 상기 텐던(12) 및 웨지(36)는 적절한 길이로 절단되는 간단한 철 또는 스틸 리바아(steel rebar)이다. 이들은 또한 중합체 재료로 형성될 수 있다. 이들은 CCS 그 자체와 동일한 합성물로 형성될 수 있다. 또한, 상기 텐던(12) 및/또는 웨지(36)가 상기 CCS(10)보 다 더 큰 강성을 가진다면 유용할 수 있다. 충분한 수의 텐던(12) 및/또는 웨지(36)가 상기 CCS(10)를 강화/안정화시키기 위하여 사용된다. 텐던 및/또는 웨지가 용접부에 대해서가 아니라, 항상 셀 벽에 대하여 위치되어야만 한다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 텐던 및/또는 웨지는 작은 영역에서 집중되는 높은 하중을 가지고, 용접부는 CCS에서 매우 약한 점에 있기 때문에, 용접부에 대하여 텐던 또는 웨지를 위치시키는 것은 용접부가 실패할 가능성을 증가시킨다.
또한, 부가의 개구(34)가 미국 특허 제 6,296,924 호에 기재된 바와 같이, 상기 중합체 스트립에 도입될 수 있다. 이러한 부가의 개구는 GRM과의 마찰적인 상호록크를 30%까지 증가시키고, 식물의 뿌리가 셀(20)사이에서 성장할 때에 식물 시스템을 가진 루트 록-업을 향상시키며, 포화된 토양에서 보다 양호한 성능을 부여하기 위하여 스트립을 통한 측방향 배수를 향상시키고, 양호한 토양 환경을 촉진시킨다. 설비감소 및 긴 기간동안의 유지 비용이 또한 발생될 수 있다. 그리고, 이러한 CCS는 토양 벽을 가진 CCS와 비교하여 취급하기에 보다 경량이고 용이하다.
도 2는 지질공학적인 강화 재료(GRM)를 포함하는 단일 셀(20)의 사시도이다. 상기 셀(20)은 상기 CCS가 슬로프(slope)(화살표 A로 지시됨)위에 위치될 때에 나타나는 것으로 도시됨으로써, 상기 셀(20)내에 보유되는 GRM은 실질적으로 수평으로 안착되며(즉, 지면에 대하여 평탄하게), 상기 CCS(10)의 셀 벽(14)은 상기 CCS가 위치되는 슬로프(A)에 대하여 실질적으로 수직이다. 상기 셀 벽(14)이 상기 GRM과 수평으로 정렬되지 않기 때문에, 상기 GRM은 다운-슬로프 셀 벽위에 실질적으로 안착되고, "빈 영역(empty area)"은 업-슬로프 셀 벽위에 남아 있게 된다.
상기 셀 벽(14)은 힘(F1 및 F2)을 받게 된다. 이러한 경사의 결과로서, 힘(F1)(상기 GRM의 중량에 의하여 발생됨)과 힘(F2)(인접된 다운-슬로프 셀의 빈 영역에 의하여 발생됨)은 균형이 되지 않는다. 힘(F1)은 힘(F2)보다 더 크다. 이러한 불균형의 힘은 상기 조인트(16)에 응력을 발생시킨다. 또한, 상기 GRM은 조인트(6)에 대하여 분리 힘(F3)을 발생시킨다. 이러한 분리 힘은 상기 GRM의 질량과 자연력으로부터 발생된다. 예를 들면, 상기 GRM은 습기가 있는 주기(humid period) 동안에는 수분을 보유하므로 팽창할 것이다. 또한, 상기 GRM은, 예를 들면 상기 셀(2)내에 보유되는 물의 반복되는 결빙-해빙 사이클로부터, 팽창 및 수축할 것이다. 이러한 점은 각 조인트(16)에서의 강한 용접부의 중요성을 나타낸다.
도 3은 지질공학적으로 강화된 재료(GRM)와 웨지(36)를 포함하는 단일 셀(20)의 사시도이다. 상기 웨지(36)는 셀 벽(14)위의 힘을 균형맞추는데에 도움을 주기 위하여 업-슬로프 셀 벽 위에 부가의 힘(F4)을 적용시킨다. 상기 부가의 힘은 상기 업-슬로프 셀 벽의 국부적인 부분위에 적용되고, 이것이 충분히 강하지 않고 크리프-저항이 없다면 셀 벽에 손상을 주게 될 것이다.
도 4 및 도 5는 텐던(12)을 포함하는 단일 셀(20)의 사시도이다. 위에서 설명한 바와 같이, 상기 텐던(12)은 상기 스트립(14)의 개구(34)를 통하여 연장되고, 특히 웨지(36)가 사용될 수 없는 상황에서, 상기 CCS(10)를 안정화시키기 위하여 사용된다. 또한, 응력이 상기 개구(34) 주위의 스트립(14)에서 국부적으로 발생된다. 예를 들면, 상기 텐던(12)은 스트립(14)과 다른 다른 CTE를 가질 수 있다. 상기 스트립(14)이 개구(34)를 가지지만 어떠한 텐던(12)도 사용되지 않는 경우, GRM 또는 물/얼음은 상기 개구(34)를 또한 팽창시킬 수 있고, 팽창은 응력을 증가시키며, 스트립(14)의 일체성에 손상을 입힐 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 록커(38)가 보다 큰 영역에 걸쳐 상기 응력을 분산시키기 위하여 사용될 수 있지만, 응력은 여전히 존재하게 된다. 록커(38)의 사용은 긴 기간 동안의 실패에 대비하여 부가의 보호를 제공한다.
도 6은 강화된 벽 부분을 포함하는 셀의 예시적인 실시예의 사시도이다. 웨지(36)는 상기 셀(20)의 내부에 위치된다. 도 3를 참조로 하여서 설명한 바와 같이, 상기 웨지(36)는 업-슬로프 셀 벽의 국부적인 부분위에 부가의 힘을 가하고, 충분히 강하지 않고 크리프 저항이 없는 셀 벽에 손상을 줄 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 상기 웨지(36)보다 더 큰 폭을 가지는 강화된 벽 부분(40)은 상기 웨지(36)와 상기 업-슬로프 셀 벽 사이에 제공된다. 상기 록커(38)와 마찬가지로, 강화된 벽 부분(40)은 상기 셀 벽의 보다 큰 영역에 걸쳐서 응력을 분산시킨다. 하나의 실시예에서, 상기 강화된 벽 부분(40)은 상기 벽의 상부 에지위를 넘어 연장되어, 벽의 보다 먼 측부 아래까지 접혀지며, 벽의 전체적인 웨지-접촉부의 강도를 더욱 증가시킨다. 다른 실시예에서, 또한 상기 강화된 벽 부분(40)은 상기 텐던(12)의 사용을 수용하기 위하여 개구(34)를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 강화된 벽 부분(40)은 적절한 접착제, 예를 들면, 압력에 민감한 접착제 또는 경화성 접착제에 의하여 상기 벽에 부착된다. 다른 실시예에서, 상기 강화된 벽 부분(40)은 용접 작업, 특히, 초음파 용접 또는 꿰맴에 의하여 현장에서 바로 상기 벽에 부착될 수 있다. 강화된 벽 부분(40)은 어느 적절한 재료로도 제작된다. 특정 실시예에서, 상기 셀 벽과 동일한 재료로 제조된다. 바람직하다면, 또한 상기 강화된 벽 부분(40)은 보다 많은 응력을 수용하기 위하여 상기 벽보다 더 강성으로 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 CCS에서 사용되는 예시적인 중합체 스트립의 도면이다. 상기 중합체 스트립(200)은 적어도 하나의 외부 중합체 층(210)과 적어도 하나의 내부 중합체 층(220)을 포함한다. 여기에서, 2개의 외부 중합체 층(210)을 가지는 중합체 스트립이 도시된다. 자외선 흡수제(23) 또는 지체된 아민 광 안정제(240)는 적어도 하나의 외부 중합체 층(210)내에 분산된다.
상기 중합체 스트립의 적어도 하나의 외부 중합체 층은 자외선 흡수제 또는 지체된 아민 광 안정제(HALS)를 포함한다. 상기 자외선 흡수제는, 벤조트리아졸 자외선 흡수제 또는 벤조페논 자외선 흡수제와 같은, 유기 자외선 흡수제가 될 수 있다. 또한, 상기 자외선 흡수제는 무기 자외선 흡수제가 될 수 있다. 상기 적어도 하나의 외부 중합체 층은 부가의 첨가재를 포함할 수 있다. 상기 첨가재는 열 안정제, 산화방지제, 안료, 염료 및 카본 블랙으로 구성된 군으로부터 선택된다.
상기 중합체 스트립은 하나 이상의 외부 중합체 층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 중합체 스트립은 제 1의 외부 중합체 층과, 제 2의 외부 중합체 층을 포함한다. 상기 내부 중합체 층은 제 1 외부 중합체 층과 제 2 외부 중합체 층 사이에 놓인다. 각각의 외부 중합체 층은 상기 내부 중합체 층보다 더 많은 수의 첨가재를 포함한다. 다른 실시예에서, 중합체 스트립은 제 1 외부 중합체 층과 제 2 외부 중합체 층을 포함한다. 하나의 외부 중합체 층은 다른 외부 중합체 층 보다 더 고농도의 자외선 흡수제와 HALS 첨가재를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 중합체 스트립은 단일층 스트립이다.
상기 외부 중합체 층에서 첨가재의 성분은 2 내지 약 100 년의 주기 동안에 상기 중합체 스트립에 보호를 제공하기에 충분하다. 여기에서, "약"이라는 용어는 "약"이라는 것에 의하여 소정 값보다 20% 낮거나 또는 높은 값으로 변경되는 범위를 언급한다. 특정 실시예에서, 상기 첨가재의 양은 적어도 2년의 주기 동안에 중합체 스트립에 대한 충분한 보호를 제공한다. 부가의 실시예에서, 상기 첨가재의 양은 적어도 5년의 주기 동안 상기 중합체 스트립에 대한 충분한 보호를 제공한다. 부가의 특정 실시예에서, 상기 첨가재의 양은, 습도, 온도 및 자외선 세기에 관계없이, 적어도 20년 그리고 50년 동안 상기 중합체 스트립에 대한 충분한 보호를 제공한다. 상기 "충분한 보호"라는 용어는, (ⅰ) 중합체 스트립의 색 및 쉐이드(shade)와, (ⅱ) 중합체 스트립의 원래 색, 쉐이드 색, 또는 기계적인 성질을 적어도 50%, 2 내지 100년의 주기 동안에 보유할 수 있는 중합체 스트립의 능력을 지칭한다. 양호하게는, 상기 중합체 스트립은 원래의 색, 쉐이드 색 또는 기계적인 성질의 적어도 80%를 유지한다.
상기 외부 중합체 층은 자외선 흡수제를 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 자외선 흡수제는 유기질이며, 예를 들면, Ciba에 의해서 제조되는 Tinuvin™ 과, Cytec에 의해서 제조되는 Cyasorb™와 같은 상업적으로 이용가능한 벤조트리아졸 또는 벤조페논이다. 상기 외부 중합체 층은, 또한 지체된 아민 광 안정제(HALS)만을 또는 자외선 흡수제를 같이 포함할 수 있다. HALS는 자유 래디컬(free radical) 및 광에 의해 발생되는 분해에 저항하여 긴 기간의 보호를 제공하는 분자이다. 특히, HALS는 페놀 그룹을 포함하지 않는다. 이들의 제한된 요소는 이들이 밖으로 걸러짐이나 가수분해되는 비율이다. 상기 유기질 자외선 흡수제와 HALS는 상기 층의 전체 중량을 기준으로, 약 0.01 내지 약 2.5 중량 퍼센트의 양으로 존재한다.
또한, 상기 외부 중합체 층은 무기질 자외선 흡수제를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 자외선 흡수제는 고형 입자 형태를 가진다. 고형 입자는 중합체와 물에서 거의 용해성이 없으며 그리고 휘발성이 거의 없고, 따라서 상기 층으로부터 바깥으로 이동하거나 빠져나오는 경향이 없다. 상기 입자는 미크론-입자(예를 들면, 평균 직경이 약 1 내지 약 50 마이크로미터), 서브-미크론 입자(예를 들면, 평균 직경이 약 100 내지 약 1000 나노미터), 또는 나노입자(예를 들면, 평균 직경이 약 5 내지 약 100 나노미터)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 자외선 흡수제는 무기질 자외선 흡수 고형 나노입자를 포함한다. 중합체에서 용해가능하고 높은 분자량에서조차 유동성을 가지는 유기질 자외선 흡수제와는 다르게, 무기질 자외선 흡수제는 실질적으로 유동성이 없고, 따라서 걸러짐 및/또는 증발에 대하여 매우 큰 저항성을 가진다. 또한, 자외선 흡수 고형 나노입자는 가시성 스펙트럼에서 투명하고, 매우 균일하게 분포된다. 따라서, 이들은 상기 중합체의 색 또는 쉐이드에 어떠한 영향을 미치지 않고, 보호를 제공한다. 또한, 고형 입자는 물에서 매우 비용해성이며, 중합체의 견고성을 향상시킨다. 특정 실시예에서, 상기 자외선 흡수 나노입자는 티타늄 염, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 아연 할로겐화물 및 아연 염으로 구성된 군으로부터 선택된 재료를 포함한다. 특정 실시예에서, 자외선 흡수 나노입자는 티타늄 디옥사이드이다. 상업적으로 이용가능한 자외선 흡수 입자의 예는, Sachtleben에 의해 제조된 SACHTLEBEN™ Hombitec RM 130F TN과, Umicore에 의해 제조된 ZANO™ 아연 옥사이드와, Advanced Nanotechnology Limited에 의해 제조된 NanoZ™ 아연 옥사이드 및, Degussa에 의해 제조된 AdNano Zinc Oxide™ 이다. 자외선 흡수 입자는 중합체 층의 중량당 약 0.01 내지 약 85 중량 퍼센트의 양으로 존재할 수 있다. 특정 실시예에서, 무기 자외선 흡수입자는 중합체층의 전체 중량을 기준으로 약 0.1 내지 약 50 중량퍼센트 존재한다. 다른 특정 실시예에서, 상기 중합체 층은 무기질 자외선 흡수제, HALS 및 선택적인 유기질 자외선 흡수제를 포함한다.
몇몇의 특정 실시예에서, 상기 내부 중합체 층은 어떠한 유기질 자외선 흡수제, 무기질 자외선 흡수제, 또는 HALS 첨가재를 포함하지 않는다. 다른 특정 실시예에서, 상기 내부 중합체 층은, 상기 층의 전체 중량을 기준으로, 0보다 크고 약 0.5중량 퍼센트의 양으로 유기질 자외선 흡수제와 HALS를 함께 포함할 수 있다. 또한, 상기 내부 중합체 층은 층의 전체 중량을 기준으로 0 내지 약 0.5 중량 퍼센트 양의 무기질 자외선 흡수제를 포함할 수 있다.
어떠한 층도 산화방지제를 부가로 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 특정 산화방지제는 지체된 페놀, 아인산염, 인산염 및 방향족 아민을 포함한다.
어떠한 층도 안료 또는 염료를 또한 포함할 수 있다. 어느 적절한 안료 또는 염료가 전체 중합체 스트립의 바람직한 성질에 심각한 악영향을 미치지 않는 것이 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 중합체 스트립의 적어도 하나의 층(일반적으로 외부 중합체 층)은 상기 중합체 스트립에 의하여 지지되는 GRM과 유사한 색으로 될 수 있도록 안료된다. 일반적으로, 색은 블랙 또는 다크 그레이와는 다른 색, 특히 그레이 스케일이 아닌 어느 색이어도 된다. 상기 색이 입혀진 중합체 층은 균일한 색이 될 필요는 없으며; 또한, 어느 색의 패턴(위장(camouflage)과 같은)도 고려될 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 중합체 스트립은 레드, 엘로우, 그린, 블루 또는 이들의 혼합 및 CIELAB 컬러 기준에 의하여 기재된 바와 같은 화이트 또는 블랙을 가진 이들의 혼합과 같은, 분명한 색을 가질 수 있다. 색과 쉐이드의 양호한 조합은, 브라운(토양형(soil-like)), 엘로우(모래형(sand-like)), 그린(글라스형(glass-like)), 브라운 및 그레이(토탄형(peat-like)), 오프-화이트(응집물형(aggregate)), 라이트 그레이(light gray)(콘크리트형), 그린(글라스형)과 같은 것 및 스테인, 스폿, 그레인, 점과 같은 것 또는 마블형(marble-like)인 여러 색깔의 외관을 가진다. 이러한 색은 상기 CCS가 가시성으로 된(즉, 매입되지 않거나 또는 충전 재료로 덮혀지지 않은) 것에 적용되어 사용되도록 하는 실용적인 특징을 가진다. 예를 들면, 상기 CCS는 외부층이 가시성으로 되는 테라스에서 사용될 수 있지만, 환경에 부합하는 색이 될 수 있다. 다른 특정 실시예에서, 상기 중합체 스트립은 안료 또는 염료를 포함하지만, 카본 블랙을 포함하지 않는다. 일반적으로, 이러한 적용을 위하여, 카본 블랙은 안료보다는 자외선 흡수제로 고려된다.
중합체 층은 충전재를 또한 포함할 수 있다. 상기 중합체 층은 이 중합체 층의 전체 중량을 기준으로, 약 1 내지 70 중량 퍼센트의 충전재를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 중합체 층은 중합체 층의 전체 중량을 기준으로, 약 10 내 지 약 50 중량 퍼센트의 충전재 또는 약 20 내지 약 40 중량 퍼센트의 충전재를 포함한다.
상기 충전재는 섬유, 입자, 플레이크(flake) 또는 휘스커(whisker) 형태가 될 수 있다. 상기 충전재는 약 50 미크론 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 충전재는 약 30 미크론 이하의 평균 입자 크기를 가진다. 다른 실시예에서, 상기 충전재는 약 10 미크론 이하의 평균 입자 크기를 가진다.
몇몇 재료가 충전재로서 작용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 충전재는, 금속산화물, 금속탄산염, 금속황산염, 금속인산염, 금속실리카염, 금속붕산염, 금속수산화염, 실리카, 실리카염, 알루미네이트, 알루민규산염, 섬유, 휘스커, 공업용 재(industrial ash), 콘크리트 분말 또는 시멘트 및 케나프(kenaf), 대마, 아마, 모시, 사이잘(sisal), 뉴프린트 섬유(newprint fiber), 종이 밀(mill) 슬러지, 톱밥, 나무 가루, 탄소, 아라미드 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다.
부가의 특정 실시예에서, 상기 충전재는, 칼슘 탄산염, 바륨 황산염, 돌로마이트, 알루미나 삼수화물, 탈크, 벤토나이트, 카올린, 울라스토나이트, 점토 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 광물이다.
또한, 상기 충전재는 중합체 층에 사용되는 중합체와 순응성을 향상시키기 위하여 표면처리 될 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 표면 처리는 지방산, 에스테르, 아미드 및 이들의 염, 실리콘 함유 중합체 및 저중합체, 그리고, 티탄염, 실란염 및 지르콘염과 같은 유기금속 합성물로 구성되는 군으로부터 선택되는 크기처리 제 또는 결합제를 포함한다.
부가의 특정 실시예에서, 상기 충전재는 중합체 층의 중합체보다 더 높은 열전도성을 가진다. 일반적으로, 열등한 열 전도성을 가지는 중합체 층에서, 중합체 층의 온도는 대류 및 직접적인 태양광 흡수의 조합으로부터 뜨거운 날 그 근처의 공기에 대하여 상당히 증가될 수 있다(즉, 상기 중합체 층은 상기 공기 온도보다 30℃이상 높게 될 것이다). 상기 중합체 층이 높은 열 전도성을 가진다면, 이것의 온도는 그 근처의 온도에 대하여 단지 약간 증가될 것이다(즉, 공기 온도에 대하여 약 1℃ 내지 약 30℃ 이상). 이렇게 증가된 온도는 아레니우스형(Arrhenius-type) 가속 동역학으로 인하여 중합체의 질저하를 가속시킬 수 있으며, 첨가재의 증발, 가수분해 및/또는 걸려짐을 가속시킨다. 대부분의 중합체, 특히 MDPE 및 HDPE는 열전도성이 나쁘므로, 이들 중합체를 사용하면, 지질공학적인 제품, 특히 CCS의 수명에 부정적인 영향을 미친다. 놀랍게도, 광물 충전재가 이러한 중합체로 혼합되면, 중합체의 열 전도성과 열 용량이 증가함이 발견되었다. 이러한 점은 열 가속 질저하율을 상당히 낮추어서, 수명을 연장시키고 자외선 유발 질저하에 대하여 보다 큰 안정성을 가져온다. 또한, 향상된 열 전도성은 기계적인 하중 및 UHH의 조합하에서 크리프 저항성을 향상시키는 경향을 보인다. 향상된 열 전도성은, 상기 CCS의 표면위의 온도가 70℃이상을 초과하는 지방에서 지질공학적인 적용으로 매우 중요하다. 통상적으로, 지구의 북위 42도와 남위 42도 사이에 위치되는 더운 지방은 이러한 극단적인 온도를 가진다. 또한, 이것은 일반적으로 아레니우스의 1차 가속 동력학을 따르는 질저하를 감소시킨다. 특정 실시예에서, 중합체 층은 금속탄산염, 금속 황산염, 금속산화물, 금속, 금속 코팅된 광물 및 산화물, 알루미실리카염 및 광물 충전재로 구성된 군으로부터 선택되는 높은 열 전도성을 가지는 충전재를 포함한다.
부가되는 광물 충전재는 중합체의 CTE를 또한 낮춘다. 휘스커 및 섬유는 CTE를 낮추는데 가장 효과적이다. 중합체 층으로의 광물 충전재의 도입은 상기 층의 처리의 질(processing quality)을 향상시킨다. 상기 금속에서의 충전재의 존재는, 용융 혼련(melt kneading), 압출 및 성형 동안 토오크를 감소킴으로써 열 생성(heat built-up)을 낮춘다. 이러한 점은 중합체를 분해할 수 있는 열발생 프로세스인 용융 혼련 작업에서 특히 중요하다. 놀랍게도, 충전재가 도입될 때에, 비충전 HDPE 또는 MDPE와 비교하여, 화합물의 질량단위당 용융 혼련에 요구되는 기계 에너지가 덜 요구되며, 따라서 유닛 동력당 상대적인 출력이 증가하고, 상기 압출기를 따른 합성물에서의 열 생성이 감소된다. 또한, HDPE만 있는 것보다 합성 동안의 전단과 압출에 대한 저항은 감소하게 된다. 결과적으로, 보다 작은 겔이 발생되며, 중합체의 보다 작은 분해가 발생한다. 이러한 점은 압출기의 동일한 토오크하에서 보다 얇은 스트립을 생산하며, 시간당 단위 유닛으로 측정할 때에 증가된 출력율을 나타낸다.
또한, 중합체 층이 광물 충전재와, 자외선 흡수제 또는 HALS를 포함할 때에, 상기 자외선 흡수제 또는 HALS의 손실율과 분해율이 감소되는 시너지효과가 있음이 발견되었다. 이것은 광물 충전재에 의하여 부여되는 향상된 열 전도성으로 인하여 상기 중합체 층에서 낮은 열 생성이 있었기 때문으로 생각된다.
중합체 층은 배리어 입자를 더 포함할 수 있다. 배리어 입자는 높은 배리어 성질을 가지는 무기질 입자이다. 상기 "배리어 성질"이라는 용어는, (1) 중합체 층으로부터 주변 환경내로 첨가재의 확산율을 감소시키고; (2) 상기 주변 환경으로부터 상기 중합체 층내로의 물, 프로톤 및 하이드록실 이온과 같은 가수분해제의 확산율을 감소시키며; 및/또는 (3) 상기 중합체 층 내부에서 프리 래디컬 및/또는 오존의 생산/이동성을 감소시키기 위한 무기질 입자의 능력을 언급한다. 중합체 스트립의 수명 동안 첨가재 손실의 주 원인은 확산, 씻김, 가수분해 또는 증발로 인한 것이다. 이러한 첨가재의 확산 또는 분해는 다른 것들 중에서, 분자량, 백본 구조, 중합체 매트릭스에서의 혼화성(miscibility), 이온의 존재 및 온도에 의존한다. 따라서, 상기 중합체 스트립의 배리어 성질을 향상시키는 것은 상기 중합체 스트립의 견고성을 향상시킨다. 바람직하게는, 상기 배리어 입자는 나노입자이다. 특정 실시예에서, 상기 배리어 입자는, 점토, 유기-변형 점토, 나노튜브,금속 플레이크, 세라믹 플레이크, 금속 코팅된 세라믹 플레이크 및 유리 플레이크로 구성된 군으로부터 선택된다. 양호하게는, 상기 배리어 입자는 단위질량당 표면적을 최대로 하는 플레이크이다. 배리어 입자를 포함하는 중합체층은 배리어 입자가 없는 층과 비교하여, 첨가재의 걸러짐, 증발 및 가수분해율이 낮다는 점에 특징이 있다. 배리어 입자는 중합체 층의 중량으로, 약 0.01 내지 약 85 중량 퍼센트의 부여로 존재할 수 있다. 보다 특정의 실시예에서, 배리어 입자는 중합체 층의 약 0.1 내지 약 70 중량 퍼센트 부여된다. 약 1000 달톤(Dalton)보다 낮은 분자량을 가지는 분자에 대한 중합체 층의 침투성은, 동일한 합성물로서 배리어 입자가 없는 중합체 스트립과 비교하여, 적어도 10퍼센트 낮게 되어야 한다. 약 1000 달톤보다 더 낮은 분자량을 가진 분자에 대한 상기 중합체 층의 침투성은, 배리어 입자가 없는 HDPE로부터 제조되는 중합체 스트립과 비교하여, 적어도 25퍼센트 낮게 되어야만 한다.
앞서와 같이, 각각의 중합체 층은 중합체를 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 중합체는 HDPE 및 중간 밀도의 폴리에틸렌(MDPE)으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 상기 중합체 자체는 순수 폴리에틸렌과 비교하여 향상된 UHH 저항 성질을 가진다. 이러한 중합체는, (ⅰ)에틸렌-아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머; (ⅱ)에틸렌-메타아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머; (ⅲ)아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머; (ⅳ)지방성 폴리에스테르; (ⅴ)지방성 폴리아미드; (ⅵ)지방성 폴리우레탄; 이들의 혼합물; 및 적어도 하나의 폴리올레핀을 가지는 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된다, 상업적으로 이용가능한 에틸렌-아크릴 에스테르 공중합체 및 터폴리머는 Du-Pont에 의하여 제조된 Elvaloy™ 또는 Arkema에 의하여 제조된 Lotryl™ 을 포함한다. 특정의 실시예에서, 중합체 스트립에서의 각 중합체 층은 동일한 중합체로부터 제조된다.
중합체 층은 마찰-향상 일체 구조를 더 포함할 수 있다. 이렇게 증가된 마찰은 이것이 지지하는 GRM에 대한 중합체 스트립의 운동을 감소시킨다. 이러한 마찰-향상 구조는 일반적으로 엠보싱으로 형성된다. 상기 구조는, 텍스쳐 패턴(textured pattern), 엠보스된 패턴, 구멍, 손가락 형상(finger-like)의 연장부, 털 형상(hair-like)의 연장부, 웨이브형(wave-like) 연장부, 공동-압출선(co-extruded line), 점(dot), 매트 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 패턴을 포함한다.
상기 중합체 스트립은 약 0.1mm 내지 약 5mm의 전체 두께와, 약 10mm 내지 약 5,000mm의 전체 폭을 가질 수 있다. 일반적으로, 상기 외부 중합체 층에서 HALS, 유기질 자외선 흡수제 및 무기질 자외선 흡수제의 평균 밀도는, 전체 스트립(즉, 내부 중합체 층을 포함)을 통한 HALS, 유기질 자외선 흡수제 및 무기질 자외선 흡수제의 평균 밀도보다 약 1.2 내지 10 배 더 크다.
다음, 본 발명의 CCS를 제조하기 위하여 사용되는 중합체 스트립의 몇몇 실시예를 설명한다. 상기 중합체 스트립은 단일층 또는 다층 스트립이 될 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 중합체 스트립은 적어도 하나의 내부 중합체 층 및 적어도 하나의 외부 중합체 층을 가진다. 상기 외부 중합체 층은 직접적인 태양광에 노출되는 반면에, 상기 내부 중합체 층은 그렇지 않다. 다른 특정 실시예에서, 상기 중합체 스트립은 2개의 외부 중합체 층을 가진다. 각각의 층은 설명한 바와 같이 UHH 저항성 중합체, 첨가재, 충전재 및/또는 배리어 입자를 포함한다. 다음, 몇몇의 특정 실시예가 부가로 설명된다.
일실시예는 단일층의 UHH 저항성 중합체 스트립이다. 상기 중합체 스트립은 중합체, 자외선 흡수입자 및 HALS를 포함한다. 상기 중합체는 폴리올레핀 또는 UHH 저항성 중합체 및 그 화합물일 수 있다. 상기 중합체 스트립은 충전재, 안료, 염료 및/또는 UHH 상태에서 안정된 중합체를 확보하기 위한 배리어 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 중합체 스트립은 선명한 색을 띈다. 첨가재를 여러번 첨가해도, 상기 중합체 스트립의 색은 그 색을 만드는데 사용된 안료 또는 염료에 의해 우선적으로 결정된다.
다른 실시예에서는, 상기 UHH 저항성 중합체 스트립은 다층 스트립이고, 최고 100%(w/w)의 MDPE 또는 HDPE; 최고 50%(w/w)의 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE); 최고 70%(w/w)의 충전재; 및 자외선 흡수제와 HALS로부터 선택된 0.005 내지 5%(w/w)의 첨가재; 및 0.005 내지 50%(w/w)의 배리어 입자를 포함하는 적어도 하나의 층을 가진다.
다른 실시예에서는, 상기 UHH 저항성 중합체 스트립은 다층 스트립이고, 최고 100%(w/w)의 MDPE 또는 HDPE; 최고 100%(w/w)의 에틸렌-아크릴 또는 메타아크릴산 에스테르 공중합체 또는 터폴리머; 최고 70%(w/w)의 충전재; 및 자외선 흡수재와 HALS로부터 선택된 0.005 내지 50%(w/w)의 첨가재; 및 0.005 내지 50%(w/w)의 배리어 입자를 포함하는 적어도 하나의 층을 가진다.
다른 실시예에서는, 상기 UHH 저항성 중합체 스트립은 다층 스트립이고, 중합체, 충전재 및 자외선 흡수재 또는 HALS 중 어느 하나를 포함하는 적어도 하나의 층을 가진다. 상기 층은 0.005 내지 50%의 배리어 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 층은, 똑같은 첨가재를 가지며 크기가 같은 HDPE층과 비교하여, 자외선 흡수재에 있어서, 적어도 10%이하의 압출, 증발 및/또는 가수분해율을 제공한다.
상기 중합체층(들) 및/또는 스트립(들)을 제조하기 위한 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은, 압출기 내에서 적어도 하나의 첨가재로 적어도 하나의 중합체를 용융 혼련하는 단계를 포함한다. 상기 압출기는 멀티-스크류 압출기, 특히 트윈-스크류 압출기로 하면 좋다. 또 다른 실시예에서는, 상기 압출기는 공회전(共回轉) 트윈 스크류 압출기, 특히 약 20 내지 50의 L/D비율을 특징으로 한 공회전 트윈 스 크류 압출기이다. 상기 압출기는 적어도 하나의 측면 공급기, 적어도 하나의 대기 환기(스팀 및 공기 제거용), 및 선택적으로 휘발성 단량체와 기체 화합물로부터 가스를 제거하기 위한 진공 벤트가 구비될 수 있다. 이 혼합물은 나중에 필름, 스트립, 시트, 펠릿, 미립자, 분말 또는 압출된 제품을 형성하기 위해 하류로 펌핑된다.
복수의 첨가재를 포함하는 마스터 뱃치(master batch)가 만들어 질 수 있는데, 여기서 마스터 뱃치란 중합체 매체에서 모든 혹은 부분적인 첨가재가 농축되거나 및/또는 녹은 용액을 말하는 것이다. 상기 첨가재의 마스터 뱃치는 호퍼로부터 상기 압출기로 공급되어 혼합물의 다른 성분과 함께 용융 혼련된다. 상기 용해물은 그 후 전용 믹싱 존을 향하여 상기 압출기에서 하류로 펌핑된다. 다음, 충전재는 상부 또는 측면 공급기로부터 상기 믹싱 존 내부로 공급된다. 포획 공기 및 흡수 습기는 대기 환기에 의해 제거된다. 상기 혼합물은 대부분의 덩어리가 뭉개질 때까지 더 용융 혼련되고, 상기 충전재는 상기 혼합물 내에서 고르게 분산된다. 포획된 휘발성 물질 및/또는 부산물은 선택적인 진공 환기에 의해 제거될 수 있다. 다음, 그 결과물이 펠릿 또는 스트립을 형성하기 위하여 다이를 통해 펌핑되거나, 최종 중합체 스트립으로 직접 형성된다. 대안으로, 상기 펠릿은 제2 압출기나 몰딩 머신에서 다시 녹여진 후 형성될 수 있다.
다른 단계에서는, 마찰력-증강 일체구조는 중합체 층(들) 및/또는 스트립(들)에 형성된다. 이 구조는 엠보싱, 펀칭 또는 압출가공에 의해 형성될 수 있다. 특히, 엠보싱은 칼렌더(calendar) 엠보싱으로 행해진다.
종래 기술의 중합체들은 리액터에서 만들어진다. 리액터는 한 골격에 몇 개의 단량체의 조합을 가능하게 한다. 그러나, 리액터에서 중합체를 만드는 것은 압출기에서 중합체를 만드는 것과 차이가 있다. 리액터는 에틸렌-아크릴산 에스테르 공중합체와 터폴리머; 에틸렌-메타크릴산 에스테르 공중합체와 터폴리머; 아크릴산 에스테르 공중합체와 터폴리머와 같은 자외선 저항성 중합체의 제조를 가능하게 한다. 그러나, 리액터는 열 저항성 중합체와 UHH 저항성 중합체를 세밀하게 분산된 강고한 혼합의 제조물로서 생산하는 것을 가능하게 하지 않는다. 리액터는 나노 입자 또는 충전재의 분산을 가능하게 하지 않는다. 특히, 리액터 내에서 충전재를 고르게 분산시키는 것이 어렵다. 그러나, 압출기 내에서 충전재, 나노 입자 및 하나 이상의 다른 중합체를 고르게 분산시키기 쉽다. 압출기 기술은 거의 영속적인 조합을 가능하게 한다. 공회전 멀티 스크류 압출기, 및 특히 공회전 트윈 스크류 압출기는 미립자 및 다른 중합체의 극미세분산을 가능하게 한다. 이런 강력한 혼합이 없으면, 제조된 중합체의 장단기 특성은 열등하다.
3차원 셀룰러 제한 시스템(three-dimensional cellular confinement system)은 복수의 UHH 저항성 중합체 스트립으로 형성된다. 일반적으로, 각 스트립은 산과 골이 있는 파도 형태의 패턴을 띄고 있다. 하나의 스트립의 산은 다른 스트립의 골과 연결되어 허니컴과 같은 패턴이 형성된다. 바꾸어 말하면, 상기 스트립들은 서로 평행하게 적층되고 복수의 분리된 물리적 조인트에 의해 내부 연결되며, 이 조인트들은 결합되지 않은 부분에 의해 서로로부터 이격되어 있다. 상기 조인트는 용접, 본딩, 꿰맴 또는 이들의 어떤 조합에 의해 형성될 수 있다. 구체적인 실시예 로, 상기 조인트는 초음파 수단에 의해 용접된다. 다른 실시예로, 상기 조인트는 무가압 초음파 수단에 의해 용접된다. 실시예에서, 인접한 조인트 사이의 거리는 약 50㎜에서 약 1200㎜까지이다.
본 명세서의 중합체 스트립은 여러 가지 바람직한 특징을 가진다. 충전재를 혼합함으로써, 개선된 용접 품질 뿐만 아니라 온도 증대를 회피하기 위해 개선된 열 전도성을 가진다. 또한 상기 충전재는 CTE를 떨어뜨려, 개선된 차원의 안정성이 얻어진다. 배리어 입자를 혼합함으로써, 첨가재의 침출 및/또는 증발과, 상기 중합체 스트립 내부로의 습기, 프로톤(proton) 또는 하이드록실 이온의 침입이 감소된다. 자외선 흡수 입자를 사용함으로써, 100년 정도의 기간동안 자외선 저항성이 개선된 유지력이 얻어진다.
본 명세서의 CCS는 개선된 용접 강도와 내구성을 가진다. 용접 강도는 순수 HDPE로 구성된 중합체 스트립에 첨가재가 동등하게 있다고 가정할 때에 비해 적어도 10% 우수하다. 용접된 스트립이 장기간 하중을 받았을 때, 그 고장율은 순수 HDPE로 구성된 용접된 스트립에 동등한 양의 첨가재가 있는 경우와 비교하여 적어도 10% 낮다. 게다가, 용접 싸이클은 순수 HDPE로 구성된 중합체 스트립에 동등한 양의 첨가재가 있는 경우와 비교하여 적어도 10% 빠르다. 폴리에틸렌은 그 낮은 밀도, 결정성 및 낮은 마찰계수에 기인하여 초음파 용접이 상대적으로 어렵기 때문에 이러한 개선된 용접성능은 초음파 용접이 사용될 때 특히 현저하다.
용접 상태가 불량하게 되는 것으로부터 용접을 보호하는 것이 중요하다. 용접부분은 CCS에서 상대적으로 약한 부분이 있고, 하나의 용접이 실패한 경우, 그 하중은 다른 용접으로 전달되어, 그 하중이 증가하여, 이 또한 실패할 가능성이 증가한다. 증가된 용접 강도를 가진 용접을 제공하는 것은 이러한 해프닝을 방지한다.
또한 본 명세서의 CCS는 낮은 비율의 압출, 증발 또는 가수분해를 가진다. 압출이 약 6개월에서 약 24개월까지의 기간동안 수중에서 주변 온도로 수행될 때, 동일한 두께의 HDPE 스트립과 비교해서 적어도 10% 낮은 HALS 및/또는 유기적 자외선 흡수재에 대한 압출 비율을 가지고, 상기 HDPE 스트립(본 명세서의 CCS의 층과 비교했을 때) 전체에 HALS와 자외선 흡수재의 동일한 평균 집중도를 가진다. 상기 중합체의 잔류물 함유량은 GC, HPLC 또는 유사한 방법에 의해 결정될 수 있다.
또한 두께가 동일하며, HDPE 스트립 전체에 걸쳐 HALS 및/또는 유기 자외선 흡수재의 동일한 평균 집중도를 가지는 HDPE 스트립과 비교하여 탄성력(파단시까지 연장하여 측정된)의 변화 및 손실을 델타 E 컬러에 의해 측정할 때, 상기 CCS는 적어도 10% 낮은 분해성능을 가진다.
본 명세서는 후술하는 한정되지 않는 실시예에서 더욱 설명될 것이고, 이러한 실시예는 설명적인 것일 뿐, 본 명세서는 그 재료, 상태, 공정 파라메터 및 여기에 열거된 그와 유사한 것들에 한정되지 않는 것임을 알 수 있다. 모든 비율은 표시하지 않으면 중량이다.
실시예
실시예 1
5개의 UHH 저항성 혼합물(INV1 ~ INV5) 및 기준 혼합물이 만들어진다. 그 조 성이 표 1에 나타내어져 있다. 이에 더하여, 각 혼합물은 0.5%의 TiO2 안료(Kronos에서 제조한 KronosTM2222) 및 0.2%의 PV Fast Brown HFRTM 갈색 안료(Clariant에서 제조한)를 포함한다. 중합체, 첨가재 및 안료는 섭씨 180 내지 240도의 배럴 온도에서 100 내지 400 RPM으로 구동하는 공회전 트윈 스크류 압출기의 메인 호퍼로 공급된다. 중합체는 용해되고 첨가재는 적어도 하나의 반죽 존에 의해서 분산된다. 충전재는 측면 공급기로부터 제공된다. 스팀과 가스는 대기 환기에 의해 제거되고, 제품은 스트랜드 펠릿타이저(strand pelletizer)에 의해 작은 알 모양으로 만들어진다.
HDPE 수지 - Dow에서 제조된 HDPE M 5010
LLDPE 수지 - Exxon Mobil에서 제조된 LL 3201
에틸렌-아크릴 수지 - Arkema에서 제조된 LotrylTM 29MA03
탈크 - Yokal에서 제조된 IotalkTM 미세분말
유기 자외선 흡수재 - Ciba에서 제조된 TinuvinTM 234
무기 자외선 흡수재 - Sachtleben에서 제조된 SACHTLEBENTM Hombitec RM 130F TN
HALS - Ciba에서 제조된 ChimassorbTM 944
나노-점토 - Nanocor에서 제조된 NanomerTM I31PS
다음으로, 5개의 중합체 스트립(ST1 ~ ST5) 및 하나의 기준 스트립이 만들어진다. 모든 스트립은 중심층용 메인 싱글 스크류 압출기와 2개의 외부층용 보조 싱글 스크류를 포함하는 시트 압출 라인에서 제조된다. 상기 중심층의 두께는 0.8㎜이고 외부층은 각각 0.20㎜의 두께를 가진다. 상기 스트립들의 조성은 표 2에 나타내어져 있다. 각 층에서 중합체의 이름은 표 1에 따른다.
HDPE 수지 - Dow에서 제조된 HDPE M 5010. 자외선 흡수재 또는 HALS 첨가재 없음.
평가
상기 스트립들은 Heraeous Xenotest 1200W WOM에서, 상대 습도 = 60%, 블랙 패널 = 60℃, 120분 건조 싸이클, 18분 수분 싸이클로 가속화된 노화에 의해 UHH 저항성에 대해 평가된다. 색상 차이(델타 E) 및 파단시까지의 연신율의 상대 손실((최초 연장 길이 - 최종 연장 길이), 최초 연장 길이로 나눈 값)은 10,000시간 노화 후에 측정되었다. 그 결과는 표 3에 요약된다.
실시예 2
5개의 혼합물(INV6 ~ INV10) 및 기준 혼합물이 만들어진다. 그 조성이 표 4에 나타내어져 있다. 이에 더하여, 각 혼합물은 0.5% TiO2 안료(Kronos에서 제조된 KronosTM 2222) 및 0.2% PV Fast Brown HFRTM 갈색 안료(Clariant에서 제조된)를 포함된다. 상기 중합체, 첨가재 및 안료는 섭씨 260 내지 285도의 배럴 온도에서 100 내지 400 RPM으로 구동하는 공회전 트윈 스크류 압출기의 메인 호퍼로 공급된다. 상기 중합체는 용해되고 상기 첨가재는 적어도 하나의 반죽 구역에 의해 분산된다. 충전재는 측면 공급기로부터 제공된다. 스팀과 가스는 대기 환기에 의해 제거되고 제품은 스트랜드 펠릿타이저에 의해 작은 알 모양으로 만들어진다.
MA 기능성 HDPE 수지 - Dow에서 제조되고, 반응성 압출기에서 0.25 - 0.40%의 무수 앤하이드라이드(maleic anhydride)(MA)에 의해 융합된 HDPE M 5010.
순수 HDPE - Dow에서 제조된 HDPE M 5010. MA 기능화 되지 않음.
에틸렌-아크릴 수지 - Arkema에서 제조된 LotrylTM 29MA03.
탈크 - Yokal에서 제조된 IotalkTM 미세분말.
유기 자외선 흡수재 - Ciba에서 제조된 TinuvinTM 234.
무기 자외선 흡수재 - Sachtleben에서 제조된 SACHTLEBENTM Hombitec RM 130F TN.
HALS - Ciba에서 제조된 ChimassorbTM 944.
나노-클레이 - Nanocor에서 제조된 NanomerTM I31PS.
다음으로, 5개의 중합체 스트립(ST6 ~ ST10) 및 하나의 기준 스트립이 만들어진다. 모든 스트립들은 중심층용 메인 싱글 스크류 압출기와 2개의 외부층용 보조 싱글 스크류를 포함하는 시트 압출 라인에서 제조된다. 상기 중심층의 두께는 0.8㎜이고, 상기 외부층은 각각 0.20㎜의 두께를 가진다. 중심층은 Dow에서 제조된 HDPE M 5010으로 만들어지고, 외부층은 표 4에 따른 조성으로 만들어진다. 그 조성은, RefB가 조성 기준 2의 2개의 외부층을 가지고, ST6가 조성 INV6의 2개의 외부층을 가지는 등, 표 2에 나타낸 것과 유사하다.
평가
상기 스트립들은 고온영역에서 UHH 저항성에 대해 평가되었다. 상기 스트립들은 7일 동안 110℃의 오븐에서 가열된 다음, 파단시까지의 연신율의 상대 손실이 측정되었다. 이것은 증발에 의한 첨가재의 손실을 시뮬레이션한 것이다.
다음으로, UHH 저항성을 결정하기 위해, 상기 스트립들은 첨가재의 압출과 가수분해를 허용하도록 7일 동안 85℃의 수중에서 노화함으로써 습기와 열을 받게 하였다. 다음으로 상기 스트립들을 Heraeus Xenotest 1200 W WOM으로, 상대 습도 = 60%, 블랙 패널 = 60℃, 120분의 건조 싸이클, 18분의 습기 싸이클로 인공 태양등(artificial sunlight)에 노출시켰다. 색상 차이(델타 E)와 파단시까지의 연신율의 상대 손실이 10,000시간 노화한 후 측정되었다. 그 결과는 표 5에 요약된다.
다음으로, 길이가 100㎜인 각 조성의 20개의 스트립은 10쌍을 얻기 위해 20㎒의 초음파 혼(horn)에 의해 용접되었다. 각 조성의 5쌍은 무작위로 선택되어 그 인장 강도가 용접 후(T = 0) 48시간 후에 측정되었다. 그런 다음, 상기 5쌍은 21일 동안 110℃의 오븐에서 노화에 적용시킨 다음, 인장 강도가 다시 측정되었다(T = 21d). 상기 측정 평균값이 표 6에 주어진다.
특정 실시예가 기술되어 있지만, 대안, 변형, 변경, 개선 및 현재 예측하지 못한 실질적으로 동등한 것은 출원인 또는 본 기술에 숙련된 자가 생각해 낼 수 있다. 따라서, 제출되고 보정될 수 있는 첨부 클레임은 이러한 모든 대안, 변형, 변경, 개선 및 실질적으로 동등한 것을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서는, 일반적으로, 토양, 콘크리트, 응집물, 지구 물질 등으로 충전될 수 있는 중합체 셀룰러 제한 시스템에 이용 가능하다. 특히, 본 발명은, 자외선, 습도, 침입적인 토양 및 이들의 조합에 의하여 발생되는 손상에 대하여 향상된 견고성을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템에 이용 가능하다.
Claims (39)
- 복수의 중합체 스트립으로 이루어진 견고한 셀룰러 제한(cellular confinement)시스템으로서;각각의 중합체 스트립은 적어도 하나의 외부 중합체층과 적어도 하나의 내부 중합체층을 가지며, 적어도 하나의 층은 순수 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)보다 자외선광, 습도 또는 열(UHH; ultra violet light, humidity, heat)에 더 저항성이 있고;적어도 하나의 외부 중합체층은 자외선 흡수제 또는 지체된 아민광 안정제(HALS)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체 스트립은 제1 및 제2 외부 중합체층을 포함하며, 모든 내부 중합체층은 제1외부 중합체층과 제2 중합체층 사이에 놓여지는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 적어도 하나의 내부 중합체층은 그 중량을 기준으로 0.5 중량 퍼센트 미만인 양의 첨가재를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체 스트립의 적어도 하나의 외부층은 산화방지제, 안료, 염료, 카본 블랙 및 배리어 입자로 이루어진 군에서 선택되는 첨가재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제4항에 있어서,산화방지제는 지체된 페놀, 인산염 및 방향족 아민으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제4항에 있어서,안료 또는 염료는 중합체 스트립이 검정 혹은 암회색이 되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제4항에 있어서,상기 배리어 입자는 점토, 유기-변형 점토, 나노튜브, 금속 플레이크(flake), 세라믹 플레이크, 금속 코팅 세라믹 플레이크 및 유리 플레이크로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,적어도 하나의 외부 중합체층은, 티타늄 염, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 아연 할로겐화물 및 아연 염으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 무기 질 입자인 자외선 흡수제를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제8항에 있어서,무기 자외선 흡수제 입자는 평균 직경이 약 5 내지 100 나노미터인 나노 입자인 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 적어도 하나의 층은 충전재(filler)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 충전재는 휘스커 또는 섬유 형태이며, 평균 입자 크기가 50 마이크론 미만인 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 충전재는, 미네랄 충전재, 금속 산화물, 금속탄산염, 금속황산염, 금속인산염, 금속실리카염, 금속붕산염, 금속수산화물, 실리카, 규산염, 알루민산염, 알루민규산염, 섬유, 휘스커, 공업용 재(ash), 콘크리트 분말 또는 시멘트, 천연 섬유, 케나프(kenaf), 대마, 아마, 모시, 사이잘(sisal), 뉴프린트 섬유(new print fiber), 종이 밀(mill) 슬러지, 톱밥, 나무가루, 탄소, 아라미드 및 이들의 혼합물 로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 충전재는 칼슘 탄산염, 바륨황산염, 돌로마이트, 알루미나 삼수화물, 탈크, 벤토나이트, 카올린, 울라스토나이트, 점토 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 미네랄인 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 충전재의 표면은, 지방질 산, 에스테르, 아미드 및 그 염, 실리콘 함유 중합체 또는 저중합체, 유기금속 화합물, 티타늄염, 시레인(silane) 및 지르콘산염으로 이루어진 군에서 선택되는 크기 처리제(sizing agent) 혹은 결합제로 처리된 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 충전재는 높은 열 전도성을 가지며, 금속탄산염, 금속황산염, 금속산화물, 금속, 금속 코팅 미네랄 및 산화물, 알루민규산염 및 미네랄 충전재로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 적어도 하나의 외부 중합체층은 벤조트리아졸 혹은 벤조페논인 자외선 흡수제를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 자외선 흡수제 또는 HALS는 적어도 하나의 외부층 중량을 기준으로 0.01에서 약 2.5중량 퍼센트로 존재하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 적어도 하나의 내부 중합체층은 적어도 하나의 내부 중합체층의 중량을 기준으로 0에서 약 0.25 중량 퍼센트의 자외선 흡수제 및 지체된 아민 광 안정제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체 스트립의 적어도 하나의 중합체층은, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 중간 농도 폴리에틸렌(MDPE), 에틸렌-아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머, 에틸렌-메타아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머, 아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머, 지방성 폴리에스테르, 지방성 폴리아미드, 지방성 폴리우레탄, 이들의 혼합물, 및 적어도 하나의 폴리올레핀이 있는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 중합체를 독립적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체 스트립의 적어도 하나의 중합체층은, 섬유화 패턴, 엠보싱 패턴, 구멍, 손가락 형상의 연장부, 털 형상의 연장부, 웨이브 형상 연장부, 공동압출선, 점(dot), 매트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 마찰-향상 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체스트립은 전체 두께가 약 0.1mm 내지 5mm이며, 전체 폭이 약 10mm 내지 500mm이고, 전체 길이는 약 10mm 내지 5,000mm인 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체 스트립은 제1 및 제2외부 중합체층으로 이루어지며, 하나의 외부 중합체층은 다른 외부 중합체층보다 더 높은 자외선 흡수제 및 HALS 첨가재 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체스트립의 적어도 하나의 층은, 최고 100 중량 퍼센트의 MDPE 또는 HDPE; 최고 50중량 퍼센트의 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE); 최고 70 중량 퍼센트의 미네랄 충전재; 자외선 흡수제 및 HALS로 이루어진 군에서 선택되는 0.005 내지 5 중량 퍼센트의 첨가재; 및 0.005 내지 50 중량 퍼센트의 배리어 입자로 이루어진 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제1항에 있어서,각각의 중합체스트립의 적어도 하나의 층은, 최고 100 중량 퍼센트의 MDPE 또는 HDPE; 최고 100중량 퍼센트의 에틸렌-아크릴 산 에스테르 공중합체 또는 터폴리머; 최고 70 중량 퍼센트의 미네랄 충전재; 자외선 흡수제 및 HALS로 이루어진 군에서 선택되는 0.005 내지 5 중량 퍼센트의 첨가재; 및 0.005 내지 50 중량 퍼센트의 배리어 입자로 이루어진 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 복수개의 단일층 중합체 스트립으로 이루어진 견고한 셀룰러 제한 시스템으로서, 상기 중합체 스트립은, 중합체, 유기 자외선 흡수 입자 및 적어도 2년의 가혹한 기후 조건의 야외에서 색채의 안정성 및 물리적 성질을 보증할 수 있는 충분한 량의 지체된 아민광 안정제(HALS)를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제25항에 있어서,각각의 중합체 스트립은, 금속탄산염, 금속황산염, 금속산화물, 금속, 금속 코팅 미네랄 및 산화물, 알루민규산염 및 미네랄 충전재로 이루어진 군에서 선택되는 충전재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제25항에 있어서,각각의 중합체 스트립은, 점토, 유기-변형 점토, 나노튜브, 금속 플레이크(flake), 세라믹 플레이크, 금속 코팅 세라믹 플레이크 및 유리 플레이크로 이루어진 군에서 선택되는 배리어 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제25항에 있어서,상기 중합체는 에틸렌-아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머로 이루어진 군에서 선택되는 중합체인 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제25항에 있어서,각각의 중합체 스트립은, 섬유화 패턴, 엠보싱 패턴, 구멍, 손가락 형상의 연장부, 털 형상의 연장부, 웨이브 형상 연장부, 공동압출선, 점(dot), 매트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 마찰-향상 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제25항에 있어서,검정 혹은 암회색이 아닌 안료 또는 염료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 복수의 중합체 스트립으로 이루어지는, 자외선 광, 열 또는 습도에 저항성이 있는 셀룰러 제한 시스템으로서;각각의 중합체 스트립은, 에틸렌-아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머, 에틸렌-메타아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머, 아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머, 지방성 폴리에스테르, 지방성 폴리아미드, 지방성 폴리우레탄, 이들의 혼합물, 및 적어도 하나의 폴리올레핀이 있는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 중합체 및 자외선 흡수제를 포함하고;제1중합체 스트립은 제2중합체 스트립에 평행하게 적층되며, 복수개의 분리된 물리적 조인트에 의하여 제2중합체 스트립에 연결되고, 조인트들은 중합체 스트립의 비연결부분에 의하여 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제31항에 있어서,조인트들은 용접, 본딩, 꿰맴 혹은 이들의 조합에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제31항에 있어서,조인트들은 초음파 수단에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제31항에 있어서,인접하는 조인트간의 간격은 약 50mm 내지 1,200mm인 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제31항에 있어서,조인트의 최대 용접 강도는, 순수 HDPE 및 동등한 양이 적재된 자외선 흡수제로 이루어지는 중합체 스트립으로부터 만들어진 조인트의 용접 강도보다 적어도 10% 이상 큰 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제31항에 있어서,조인트의 고장률은, 순수 HDPE 및 동등한 양이 적재된 자외선 흡수제로 이루어지는 중합체 스트립으로부터 만들어진 조인트의 고장률보다 적어도 10% 작은 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제31항에 있어서,제1중합체 스트립은 150 ppm/℃ 이하의 열팽창계수를 가지는 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 자외선 광, 습도 및 열(UHH)에 저항성이 있는 복수의 중합체 스트립으로 이 루어진 견고한 셀룰러 제한 시스템으로서,각각의 중합체스트립은 적어도 하나의 외부 중합체층과 적어도 하나의 내부 중합체층을 가지며,적어도 하나의 외부 중합체층은 (a) 에틸렌-아크릴레이트 중합체 및 (ⅰ) 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 또는 (ⅱ) 중밀도 폴리에틸렌(MDPE); 그리고 (b) (ⅰ) 자외선 흡수제 또는 (ⅱ) 지체된 아민광 안정제(HALS) 의 중합체 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
- 제38항에 있어서,상기 에틸렌-아크릴레이트 중합체는 에틸렌-아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머; 그리고 에틸렌-메타아크릴 산 에스테르 공중합체 및 터폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 셀룰러 제한 시스템.
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