KR20090030264A - 가스 홀더용 막재 및 그것을 사용하여 이루어지는 가스 홀더 - Google Patents

가스 홀더용 막재 및 그것을 사용하여 이루어지는 가스 홀더 Download PDF

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KR20090030264A
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사토시 나가세
히로유키 모리
미키오 구사카
야스오 모토이시
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데이진 화이바 가부시키가이샤
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Abstract

섬유 기포가 가지는 강도에 더하여 가스 홀더로서 사용할 수 있는 내마찰성이나 내굴곡성을 가지고, 또한 가스 배리어성이 높은 가스 홀더용 막재를 제공한다.
가스를 저장 또는 회수하는 가스 홀더에 사용하는 막재에 있어서, 그 막재를 보호층, 기포층, 가스 배리어층, 보호층 중 적어도 4 층으로 이루어지는 가스 홀더용 막재로 한다.

Description

가스 홀더용 막재 및 그것을 사용하여 이루어지는 가스 홀더{MEMBRANE MATERIAL FOR GAS HOLDER AND GAS HOLDER USING THE SAME}
본 발명은, 특히 대형 가스 홀더용 막재 (膜材) 에 관한 것으로, 도시 가스나 특수 기체 등을 저장하는 가스 탱크 및 축산·수산 시설에서의 폐기물, 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물로부터 메탄 가스나, 열분해 가스 등을 발생시키는 바이오 가스 처리 시설을 구축하는데 적합한 막재에 관한 것이다.
제철소 등의 폐가스나 저압의 연료 가스 등의 저장 설비 등 에서는 강화 플라스틱이나 금속으로 이루어지는 가스 탱크가 사용되고 있다. 또, 현재, 일반 하수 처리 시설 및 축산계 분뇨 처리 시설이나, 음식물 쓰레기·소주조·간장조 등의 처리 시설 등에서 발생하는 메탄 가스 등을 회수하여, 에너지로서 이용하는 바이오 가스 처리 시설이나, 유기성 폐기물을 열분해하여 발생하는 가스를 유효하게 이용하는 시설이 주목받고 있다. 특히, 최근, 시대의 요구에 따라, 이들 시설의 신설이 증가하고 있음과 동시에 각 시설의 대형화가 진행되고 있다. 이들 분야에 있어서, 가스를 저장 및 회수하는 설비를 고강도로, 또한 경량인 막재로 보다 경제적으로 구축하는 것이 기대되고 있다. 예를 들어, 막식 (膜式) 가스 홀더에 관한 특허 문헌 1 이 있다. 이 문헌에는 강화 플라스틱재, 금속재 등으로 이루어지는 강 구조의 박스 중에, 기밀성 및 액밀성을 갖는 가소성 막재로 이루어지는 백 (bag) 체로 형성된 가스가 출입할 수 있는 가스 저장백을 수납하는 구조의 박스 수납형 막식 가스 홀더에 대해 기재되어 있다.
이 문헌에는, 특히 가스 홀더용 막재에 사용되는 재료에 대해서는 언급되어 있지 않고, 막식 가스 홀더의 시스템에 관해서만 기술되어 있다.
한편, 종래의 가스 배리어성 막재로서 특허 문헌 2 에는, 고분자 필름 기재의 적어도 편면에 필요에 따라 앵커 코트층을 형성하고, 금속 또는 금속 화합물 박막층, 필요에 따라 보호층을 순차 형성한 투명성을 갖는 피복 필름과 히트 시일성 수지를 무기의 초미립자를 함유하는 가스 배리어성 접착제를 개재하여 접착시킨 가스 배리어성 막재에 대해 기재되어 있다.
여기에는, 박막층에 있는 미소한 핀홀부를 배리어성 접착제에 함유되는 초미분산된 무기 재료가 구멍을 매립함에 따른 고도의 가스 배리어성 막재 및 다른 기재와 라미네이션할 때 등에 발생하는 필름의 신축이나 히트 쇼크에 의한 열응력에 대해 발생된 박막층의 크랙이나 균열부로부터의 대량 가스 투과를 접착제층에서 억제할 수 있는 적층체로서 우수한 가스 배리어성을 가진 막재에 대한 기재는 있다. 그러나, 이 발명은 포장 재료를 용도로 하는 것으로, 이 막재 단독으로 가스 배리어성은 확보할 수 있지만, 본 발명이 용도로 하는 가스 홀더용 막재를 실제로 사용할 수 있을 만큼의 강도를 얻기가 곤란하였다.
또, 특허 문헌 3 에는, 기포 (基布) 및 가스 배리어층의 2 층을 갖는 초경량 막재 및 수지층, 섬유 기포층, 가스 배리어층으로 이루어지는 초경량 막재가 기재 되어 있다.
이 발명은 비행선 내부에 사용되는 바로넷이나 다이어프램 (격막) 을 용도로 한 것으로, 가스 홀더용 막재로서 실제로 사용할 수 있는 내마찰성이나 내굴곡성을 충분히 얻기가 곤란하였다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2005-48930호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2000-006304호
특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 2005-119232호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명의 목적은, 섬유 기포(基布)가 가지는 강도에 더하여 가스 홀더로서 사용할 수 있는 내마찰성이나 내굴곡성을 가지고, 또한 가스 배리어성이 높은 가스 홀더용 막재를 제공하는 것에 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은, 가스를 저장 또는 회수하는 가스 홀더에 사용하는 막재로서, 그 막재가 보호층, 기포층, 가스 배리어층, 보호층의 적어도 4 층이 이 순서대로 적층되어 이루어지는 막재인 것을 특징으로 하는 가스 홀더용 막재에 관한 것이다.
여기서, 막재를 구성하는 적어도 일방의 보호층은 폴리올레핀 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.
또, 상기 기포층은 직물이고, 섬유의 섬도 (dtex) 와 밀도 (개/인치) 의 곱이 2,500 ∼ 5,000 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 기포층은 그 편면 또는 양면에 필름상의 폴리우레탄 수지층이 적층되어 이루어지고, 또한 그 폴리우레탄 수지층의 두께가 5 ∼ 50㎛ 인 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명은 상기 가스 홀더용 막재를 사용하여 이루어지는 가스 홀더에 관한 것이다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 섬유 기포가 가지는 강도에 더하여 가스 홀더로서 사용할 수 있는 내마찰성이나 내굴곡성을 가지고, 또한 가스 배리어성이 높은 막재를 제공할 수 있으며, 이것을 사용함으로써 가스를 저장 및 회수하는 설비를 고강도로 또한 경량인 막재로 보다 경제적으로 구축할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 막재를 가스 홀더에 사용한 일례를 나타내는 도면이다.
부호의 설명
1 … 가스 홀더 외막 2 … 가스 홀더 내막
3 … 공기실 4 … 가스실
5 … 하부 노즐 6 … 송풍기
7 … 강제 가대 8 … 송풍 덕트
9 … 상부 노즐 10 … 초음파 거리계
11 … 적도부 12 … 정상부 (추)
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명에 있어서, 막재의 강도를 발현시키기 위한 층으로서 섬유로 이루어지는 기포를 사용하는 것이 중요하다. 섬유 하나 하나가 가지는 강도를 포백(布帛)으로 하는 것에 의해 동 방향으로 맞춤으로써, 보다 고강도의 막재를 얻을 수 있는 것이다.
기포의 형태에 대해서는 직물, 편물, 부직포, UD 시트 등, 특별히 한정은 되지 않지만, 상기 서술한 바와 같은 이유에서, 구성되는 섬유의 강도를 가장 잘 발현하는 직물이나 UD 시트로 하는 것이 바람직하다. 직물의 경우, 그 형태는 강도를 발현하기 쉬운 평직물이 바람직하고, 강도뿐만 아니라, 인렬 강도를 향상시킬 목적으로 립 구조를 넣을 수도 있다.
사용되는 소재에 대해서도 천연 섬유, 합성 섬유 중 어느 것이든 사용할 수 있지만, 이것보다 고강도의 막재를 얻기 위해서는 합성 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 폴리에스테르, 나일론, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 유리 섬유 등을 사용할 수 있다. 강도면에서는 아라미드 섬유를 대표로 하는, 이른바 슈퍼 섬유를 사용하는 것이 바람직하지만, 비용 퍼포먼스면에서 폴리에스테르나 나일론이 종합적으로 바람직하다고 생각할 수 있다.
본 발명에 있어서 사용되는 섬유 기포는 직물인 경우, 기포층을 구성하는 섬유의 섬도 (dtex) 와 밀도 (개/인치) 의 곱이 2,500 ∼ 5,000, 바람직하게는 4,000 ∼ 5,000 이고, 구멍 변형이 10mm 미만, 바람직하게는 5mm 이하인 것이 필요하다.
섬도 (dtex) 와 밀도 (개/인치) 의 곱이 2,500 을 하회하면 직물을 구성하는 섬유 사이에 간극이 크게 벌어져, 구멍 변형을 발생시킬 가능성이 크다. 구멍 변형은 10mm 를 하회할 필요가 있고, 10mm 이상이 되면 제품의 품위가 저하되고, 가스 홀더 막재로서 중대한 결점인 접힌 주름이나 핀홀 등의 가공 결점이 잘 발생하게 된다. 이들 결점은 가스 홀더를 형성한 경우에 결점 부분에 응력이 집중되어 파열 등의 원인이 되는 경우가 있다. 또, 구멍 변형은 이들 결점의 원인이 될 뿐만 아니라 강도의 발현율도 저하되어, 본 발명의 목적을 달성할 수 없다. 구멍 변형을 10mm 미만으로 하려면, 기포층을 구성하는 섬유의 섬도와 밀도의 곱을 상기와 같이 2,500 이상으로 하면 된다.
또, 통상적으로 직물은 방직기로 짠 후, 방사 공정에서 실에 부착된 오일이나 방직 준비의 정경 공정에서 부착된 풀 등, 불순물을 제거하기 위해서 정련 공정을 거치는데, 이 때 이 구멍 변형을 억제하기 위해서, 직카 염색기로 실시하는 것이 매우 유용하다.
한편, 섬도 (dtex) 와 밀도 (개/인치) 의 곱이 5,000 을 상회하면 기포의 중량이 커지고, 본 발명의 주목적인 가스 홀더용 막재에 사용하기에는 중량이 지나치게 커진다.
또한, 기포층은, 그 적어도 편측, 즉 편면 또는 양면에 필름상의 폴리우레탄 수지를 적층함으로써 표면의 평활성이 개선되고, 가스 배리어층 및 보호층인 폴리올레핀층과의 접착성이 향상되며, 이 다층 막재가 일체화에 의해 강고해짐과 함께 막재의 내굴곡성이 보다 향상된다. 또, 기포층을 취급하기 쉬워져, 가스 배리어층 또는 보호층의 가공성의 향상으로도 이어진다. 이 경우, 필름상의 폴리우 레탄 수지층의 두께는 통상적으로 5 ∼ 50㎛, 바람직하게는 10 ∼ 20㎛ 이다. 폴리우레탄 수지층의 두께가 5㎛ 미만에서는 표면의 평활성이 충분히 만족되지 않고, 접착성의 향상을 충분히 얻어지지 않는 데다가, 가스 배리어층 및 보호층 가공시에 접힌 주름 등의 결점의 원인이 되는 경우가 있다. 한편, 폴리우레탄 수지층의 두께가 50㎛ 를 초과하면, 기포층의 중량이 커져서, 본 발명의 주목적인 가스 홀더용 막재에 사용하기에는 중량이 지나치게 커진다.
다음으로, 본 발명에 있어서, 막재에는 상기 기포층의 일방의 면에, 가스 배리어층을 형성할 필요가 있다. 지금까지 서술한 바와 같이, 가스 홀더는 폐기물에서 발생된 메탄 가스나 열분해 가스 등의 회수나 도시 가스나 특수 가스를 저장하기 위한 부재이며, 따라서 사용되는 소재는 가스 배리어성이 필요하다. 가스 배리어층으로는 특별히 한정되는 것이 아니고, 폴리에스테르 필름, 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름, 폴리아미드 필름, 폴리염화비닐리덴 필름, 에틸렌·비닐알코올 공중합체 필름 등이 사용되는데, 그 중에서도 에틸렌·비닐알코올 공중합체 필름은 특히 가스 배리어성이 우수하여 바람직하다. 특히, 열분해 가스 중에는 막을 투과하기 쉬운 다량의 수소가 함유되어 있어, 이 누설을 방지하기 위해서는 에틸렌·비닐알코올 공중합체 필름을 사용하는 것이 유효하다. 또, 상기 각 필름에 금속 또는 금속 산화물 등을 증착 가공시킨 것도, 가스 배리어성을 더욱 향상시킨다는 점에서 유효하다.
한편, 막재을 보다 실용 레벨로 하기 위해서, 기포층 및 가스 배리어층을 다른 수지층으로 보호할 필요가 있다. 본 발명에서 제공되는 막재는 가스 홀더용 막재로서 사용되기 때문에, 가스 배리어성을 유지하기 위해서 사용 중에 손상되거나 파손되어서는 안 된다. 또, 가스 홀더의 형상에 대응시키기 위해서 내굴곡성이 필요하다. 따라서, 강도를 유지하는 기포층과 가스 배리어층을 수지 (보호층) 로 코팅 또는 그 수지 필름으로 적층하는 것은 막재의 기능을 유지하고, 가스 홀더의 구축을 용이하게 하는데에 매우 유용하다. 또한, 가스 홀더를 구축할 때, 막재끼리를 접합시키기 위해서도 이와 같은 층이 형성되는 것이 바람직하다.
보호층에 사용되는 수지는 폴리에틸렌 수지, 폴리우레탄 수지 (단, 기포에 미리 적층된 상기 필름상의 폴리우레탄 수지를 제외한다), 염화비닐 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지 등이 사용된다. 여기서, 내굴곡성이 있는 막재를 얻기 위해서는, 내굴곡성이 높은 폴리우레탄 수지를 사용하는 것이 적합하다. 또한, 막재에 내마찰성을 부여하기 위해서, 폴리우레탄 수지층 상에 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀 수지층을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 폐기물에서 발생되는 가스에는 황화수소 그 밖의 잡다한 혼합물이 함유되어 있어, 막재의 열화를 방지하기 위해서도 화학적으로 안정된 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀을 보호막에 사용하는 것이 바람직하다. 이들 수지는 일반적인 방법으로 가공되고 접착제를 사용하여 필름상의 수지를 라미네이트하거나 가열한 수지를 직접 코팅한다.
또한, 기포층의 단위 면적당 중량은 통상적으로 20 ∼ 10Og/㎡, 바람직하게는 30 ∼ 60g/㎡ 이다.
또, 가스 배리어층의 두께는 통상적으로 3 ∼ 30㎛, 바람직하게는 5 ∼ 15㎛ 이다.
또한, 기포층측이나 가스 배리어층측에 사용되는 보호층의 두께는 모두, 통상적으로 5 ∼ 180㎛, 바람직하게는 10 ∼ 100㎛ 이다.
이상의 구성을 갖는 본 발명의 가스 홀더용 막재의 총 두께는, 통상적으로 150 ∼ 300㎛, 바람직하게는 200 ∼ 250㎛ 정도이다.
본 발명의 가스 홀더용 막재는, 보호층/기포층/가스 배리어층/보호층의 각 층 사이는 우레탄계 접착제 등의 접착제에 의해, 통상적인 드라이 라미네이트법, 압출 코트 라미네이트법, 웨트 라미네이트법 등의 접착 수단을 사용하여 접착하면 된다. 또, 보호층이 상기와 같이 복층으로 구성되는 경우에도, 동일한 접착 수단이 채용된다.
여기서, 접착제의 도포량은 각 층 사이에 있어서, 건조 중량으로, 통상적으로 0.01 ∼ 10g/㎡, 바람직하게는 1 ∼ 5g/㎡ 정도이다.
다음으로, 상기 막재를 사용한 가스 홀더에 대해 도 1 을 사용하여 이하에 설명한다.
구형 막제 가스 홀더는, 외막 (1) 과 내막 (2) 으로 구성되어 있고, 구의 중앙부 주위 (적도부 (11)) 에서 외막과 내막이 다수 지점에서 결박 고정되어 있다. 또한, 외막 (1) 은 적도부 (11) 에서 강제 가대 (7) 에 다수 지점에서 결박 고정되어 있다.
구형 막제 가스 홀더는 내막 (2) 에 의해 공기실 (3) 과 가스실 (4) 로 분할되어 있고, 가스는 하부 노즐 (5) 로부터 출입하고, 공기는 송풍기 (6), 송풍 덕트 (8) 및 상부 노즐 (9) 을 지나 공기실 (3) 에 출입한다.
송풍기 (6) 에 의해 공기실 (3) 에 일정 이상의 압력을 가하고 바람이나 적설 등의 외력이 작용해도 가스 홀더가 구형을 유지하고, 외력에 견딜 수 있도록 설계되어 있다.
또, 내막 (2) 의 정상부 (12) 에는, 막재 또는 플라스틱 등의 추가 장착되어 있고, 저장 가스량의 증감에 의해 추가 상하된다. 이 상하 거리를 외막 정상부에 장착한 초음파 거리계 (10) 등으로 계측함으로써 가스의 저장량을 계측할 수 있다.
공기실 (3) 과 가스실 (4) 은 내막 (2) 를 통하여 압력이 평형을 이루고 있기 때문에, 통상적으로는 내막 (2) 에 과대한 장력이 작용하지는 않지만, 이슬 맺힘 등에 의해 정상부 (추 ; 12) 의 상부에 물이 고이는 경우도 있고, 이 경우에는 내막 (2) 과 내막과 외막의 결박 고정부 (11) 에 큰 장력이 작용한다. 특히, 가스 홀더가 대형으로 되면 이 원인으로 막재가 파손될 가능성이 커진다.
본 발명의 가스 홀더용 막재를 상기 내막 (2) 에 사용함으로써 내마모성이나 굴곡성, 가스 배리어성이 우수한, 가스를 저장 및 회수하는 가스 홀더를 보다 경제적으로 구축할 수 있다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 실시예 중의 물성은 하기 방법에 의해 측정하였다.
(1) 가스 투과도
기체 투과도 시험 (JIS K7126A 법) 에 의해 평가하였다. 측정 기체에는 산소를 사용하였다.
(2) 내마찰성 및 내굴곡성
반복 문지름 시험 (JIS K6406) 을 실시한 후, 기체 투과도 시험 (JIS K7126A 법) 을 실시하였다. 반복 문지름 횟수는 5,000 회로 하고, 기체 투과도 시험의 측정 기체에는 산소를 사용하였다.
실시예 1 ∼ 5, 비교예 1 ∼ 4
44dtex/20 필라멘트의 폴리에스테르 멀티필라멘트 (테이진 화이버 제조, P300SB) 를 사용하여 직밀도가 경사 110.0 개/인치, 위사 92.5 개/인치인 평직물 (단위 면적당 중량 90g/㎡) 을 제조하였다. 이 직물의 일방의 면에 폴리우레탄 필름 (PU) (오쿠라 공업 제조, 쿠라미론, 두께 10㎛) 을 라미테이트하여 기포로 하였다. 이 기포의 폴리우레탄을 라미네이트한 측에 15㎛ 두께의 에틸렌·비닐알코올 공중합체 필름 (쿠라레 제조, 에발 필름 EF-XL)을 라미네이트하여 기포층과 가스 배리어층으로 이루어지는 2 층막을 얻었다. 그리고, 얻어진 2 층 막의 양면에 10㎛ 두께의 폴리염화비닐 필름 (PVC) (미츠비시 화학 MKV 제조, 알트론), 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 (PET) (토오레 제조, 루미라), 폴리우레탄 필름 (PU) (오쿠라 공업 제조, 쿠라미론), 폴리에틸렌 필름 (PE) (토세로 제조, TUX) 을, 각각 1 층, 우레탄계 접착제 (5g/㎡) (타케다 약품 공업 제조, 타케락) 로 라미네이트하였다. 이상으로부터 얻어진 4 층 막을 실시예 1 ∼ 4 로 하였다.
또, 실시예 5 에서는, 상기 직물의 양면에 폴리우레탄 필름 (PU) (오쿠라 공 업제, 쿠라미론, 모두 두께 10㎛) 을 라미네이트하여 기포으로 하고, 이 기포에 15㎛ 두께의 에틸렌·비닐알코올 공중합체 필름 (쿠라레 제조, 에발 필름 EF-XL) 을 라미네이트하여 기포층과 가스 배리어층으로 이루어지는 2 층막을 얻었다. 그리고, 얻어진 2 층막의 양면에, 두께 10㎛ 의 폴리에틸렌 필름 (PE) (토세로 제조, TUX) 을 각각 1 층 우레탄계 접착제 (5g/㎡) (타케다 약품 공업 제조, 타케락) 로 라미네이트하였다.
한편, 비교예 1 ∼ 4 로서, 실시예 1 ∼ 4 에서 사용한 기포 단체 또는 기포의 편면에, 모두 15㎛ 두께의 에틸렌·비닐알코올 공중합체 필름 (쿠라레 제조, 에발 필름 EF-XL) 또는 폴리우레탄 필름 (PU) (오쿠라 공업 제조, 쿠라미론) 이나 폴리에틸렌 필름 (PE) (토세로 제조, TUX) 을 우레탄계 접착제 (15g/㎡) (타케다 약품 공업 제조, 타케락) 로 라미네이트한 것을 조제하였다. 실시예의 물성을 표 1 에, 비교예의 물성을 표 2 에 나타낸다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
가스 배리어층 있음 있음 있음 있음 있음
기포층 편면 PU 편면 PU 편면 PU 편면 PU 양면 PU
보호층(양면) PVC PET PU PE PE
기체 투과도(cc/㎡·24hrs·atm) 13 15 3 8 1 이하
문지름 시험 후의 기체 투과도(〃) 34 18 11 9 1 이하
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
가스 배리어층 없음 있음 없음 없음
기포층 편면 PU 편면 PU 편면 PU 편면 PU
보호층(양면) 없음 없음 PU PE
기체 투과도(cc/㎡·24hrs·atm) 213 24 53 71
문지름 시험 후의 기체 투과도(〃) 260 60 159 80
본 발명에 의하면, 섬유 기포가 가지는 강도에 더하여 가스 홀더로서 사용할 수 있는 내마찰성이나 내굴곡성을 가지고, 또한 가스 배리어성이 높은 막재를 제공 할 수 있으며, 이것을 사용함으로써 가스를 저장 및 회수하는 설비를 고강도로 또한 경량인 막재로 보다 경제적으로 구축할 수 있어, 산업적 이용 가치가 매우 높은 것이다.

Claims (5)

  1. 가스를 저장 또는 회수하는 가스 홀더에 사용하는 막재로서, 그 막재가 보호층, 기포층, 가스 배리어층, 보호층의 적어도 4 층이 이 순서로 적층되어 이루어지는 막재인 것을 특징으로 하는 가스 홀더용 막재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    막재를 구성하는 적어도 일방의 보호층이 폴리올레핀 수지로 이루어지는 가스 홀더용 막재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    기포층이 직물이고, 섬유의 섬도 (dtex) 와 밀도 (개/인치) 의 곱이 2,500 ∼ 5,000 인 가스 홀더용 막재.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기포층은, 그 편면 또는 양면에 필름상의 폴리우레탄 수지층이 적층되어 이루어지고, 또한 그 폴리우레탄 수지층의 두께가 5 ∼ 50㎛ 인 가스 홀더용 막재.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 홀더용 막재를 사용하여 이루어지는 가스 홀더.
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