KR20100133393A - Ｐｖｃ／ｃｐｖｃ 파이프와 피팅의 접착 고정된 유체-밀폐형 파이프 조인트 - Google Patents

Ｐｖｃ／ｃｐｖｃ 파이프와 피팅의 접착 고정된 유체-밀폐형 파이프 조인트 Download PDF

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KR20100133393A
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KR
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pipe
pvc
cpvc
fitting
joint
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Application number
KR1020107021617A
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로버트 엠. 프리멜
기리시 티. 다랄
앤드류 엠. 올라
Original Assignee
루브리졸 어드밴스드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따르면, PVC 및/또는 CPVC 튜빙 및/또는 파이프는 한쪽 단부에서 파이프 피팅과 접착 고정되는데, 이러한 파이프 피팅은 유일하게 효과적인 에폭시 접착제를 사용하여 서로 텔레스코프식으로 끼워맞추어(telescopably mated) 진다. 생성된 파이프 조인트는 유체-밀폐형(fluid-tight)이다. PVC 파이프 조인트는 ASTM F1970의 요건을 충족하고, CPVC 파이프 조인트는 ASTM D2864의 요건을 충족한다. 이러한 PVC와 CPVC 배관 시스템은 산업용 및 가정용 배관 시스템 둘 모두에서 연속 서비스에서의 압력 및 상승된 온도하에서 저온 수성 스트림과 고온 수성 스트림을 각각 운반하기 위해 선택된다. 또한, 이러한 배관 시스템은 50년 이하의 지정 기간 동안 보다 부식성인 유체를 운반한다.

Description

ＰＶＣ／ＣＰＶＣ 파이프와 피팅의 접착 고정된 유체-밀폐형 파이프 조인트{ADHESIVELY SECURED, FLUID-TIGHT PIPE JOINT OF PVC/CPVC PIPE AND FITTING}
발명의 분야:
본 발명은 폴리(비닐 클로라이드)("PVC") 또는 후-염소화된 폴리(비닐 클로라이드)("CPVC") 화합물을 압출시켜 제조된 파이프가 그 단부에서 PVC 또는 CPVC(이하 "PVC/CPVC"라 칭함)로 제조된 파이프 피팅(pipe fitting)에 의해서 피팅되어 유체-밀폐형 파이프 조인트를 제공하는 배관 시스템(piping system)에서의 접착 고정 파이프 조인트에 관한 것이다.
발명의 배경
"PVC/CPVC" 파이프의 물리적인 성질은 광범위한 분야에서 각광을 받고 있으며 그럴만한 가치가 있다. 본 명세서에서 PVC 그리고 CPVC 파이프 및 파이프 피팅이라 함은 우세하게 다량의 비닐 클로라이드 모노머와 10중량% 미만의 또 다른 코모노머를 함유하는 코폴리머로부터 제조된 것들을 포함하는데, 그 이유는 코모노머를 거의 함유하지 않는 그러한 코폴리머의 성질이 PVC 호모폴리머, 또는 PVC 호모폴리머로부터 유래된 CPVC의 성질과 본질적으로는 구별되지 않기 때문이다. 이들 성질은 (a) 열비틀림(또는 변형) 온도(HDT)로도 일컬어지는 하중하의 높은 비틀림 온도(high distortion temperature under load, DTUL) (이러한 비틀림 온도는 CPVC가 PVC의 경우보다 더 높다); (b) 파이프의 연소 위험이 적으면서 파이프가 압출되게 하는 비교적 낮은 온도에서의 연성(ductility); (c) 방염 배관 시스템에의 사용을 가능하게 하는 불량한 가연성; 및 (d) CPVC의 경우, 예를 들어 790 KPa(100psi, 제곱인치당 파운드 척도) 압력하에 82.2℃(180℉)에서 물을 운반하는 때에 PVC의 경우보다 훨씬 더 높은 온도에서의 높은 파괴 내성(높은 후프 강도(high hoop strength))를 포함한다.
PVC/CPVC 파이프 및 피팅의 우수한 내식성과 조합되는 경우, 그러한 성질은 여러 수지 제조업자에 의해서 매끄러운 내부 및 외부 원주 표면을 지닌 실린더형 파이프가 시판용으로 생산되게 한다. 그러한 파이프는 파이프와 피팅의 어떠한 기계적 결합이 기계적 피팅, 파이프 내로 커팅된 쓰레드(thread), O-링이 내부에 있는 그루브(groove), 인덴테이션(indentation), 및 파이프의 단부에 길이방향으로 형성된 맞물림 그루브(interlocking groove)를 동반하든지 그렇지 않든 간에 그러한 기계적 맞물림없이 파이프 조인트(간결함을 위해서 본원에서 "조인트"라 일컬어짐)를 형성하도록 조립되어야 한다. 그러한 신규의 조인트를 형성시키는데 사용되는 피팅은 ASTM 명세에 부합하는 PVC/CPVC 배관 시스템에서 통상적으로 사용되는 표준 피팅이다. 그러한 피팅은 파이프에 텔레스코프(telescope)식으로 끼워맞추어지도록 구성된 배럴 부분(barrel portion)을 지닌다. 통상의 피팅은 피팅이 끼워맞추어지는 파이프의 단부와 끼워맞춰지기에 적절한 치수를 지닌 하나 이상의 소켓 또는 배럴을 지니는 캡(cap), 엘(ell), 스트리트 엘(street ell), 또는 티(tee)를 포함한다.
튜빙이든지 파이프이든지 간에 PVC 도관은 광범위한 범위의 크기로 제조되며, 가장 일반적으로는 12.7mm(0.5 인치) 내지 15.24cm(6 인치) 범위의 직경을 지닌다. 19.05mm(0.75") 공칭 직경 보다 작은 직경을 지닌 도관은 전형적으로는 강성(rigid)일지라도 "튜빙"으로 일컬어지며; 19.05mm(0.75") 공칭 직경 보다 큰 직경을 지닌 도관은 전형적으로는 "파이프"로 일컬어지며 강성이다. 편의 및 간략함을 위해서, 임의의 직경의 PVC 도관은 본원에서 "파이프"로 일컬어지는데, 그러한 도관이 그 파이프의 외부 표면에 끼워맞추어지든지 또는 파이프의 내부 표면에 끼워맞추어지든지에 의해서 그 단부에 피팅이 고정되게 하는 한 그러하다.
또한, CPVC 도관은 PVC 파이프와 같이 광범위한 범위의 크기로 제조되고, 모두 "파이프"로 일컬어지며, 이러한 파이프는 직경이 19.05mm(0.75")보다 크며 강성인데, 강성이 아닌 경우는 그러한 파이프가 예를 들어 "인-더-플로어(in-the-floor)" 유체-가열 시스템에서 구부러질 필요가 있는 최종 용도로 포뮬레이션(formulation)되는 경우이고, 이 경우에는 벽이 얇은(thin-walled) CPVC 파이프가 180°로 구부러질 수 있게 하는 화합물로부터 압출되는데, 단 굴곡부(bend)의 반경은 파이프의 공칭 직경의 6배 이상이다.
PVC 및 CPVC 파이프 둘 모두는 광범위한 종류의 그리고 광범위하게 다양한 양의 충전재(filler), 색소, 안정화제, 윤활제, 산화방지제, 유리 전이점(Tg) 향상 첨가제, 및 다른 성분들과 함께 포뮬레이션되는 화합물로부터 압출되는데, 각각의 파이프는 이러한 파이프가 사용되는 특정 환경에 따라 성분들을 다양한 배합과 양으로 사용하여 포뮬레이션된다. PVC 화합물에 사용되는 가소제의 양과 유형은 파이프에서 요망되는 유연성(flexibility)에 좌우된다.
PVC 파이프는 이러한 조건하에서 연속 서비스(continuous service)가 요구되는 산업용 및 가정용 설비의 저온수(cold water) 및 다른 수성 분배 시스템에서 널리 사용된다. 또한, CPVC 파이프가 널리 사용되지만, 이는 특히 82.2℃(180℉)의 높은 온도에서 동작하는 고온수(hot water) 시스템에서 사용된다. "연속 서비스"라 함은 파이프가 50년의 기간에 걸쳐 중지(interruption)없이 지정된 동작 조건에 적용됨을 의미한다.
본 명세서에서 "PVC/CPVC 배관 시스템"이라 함은 PVC 또는 CPVC로 이루어진 파이프와 피팅과 조립되는 시스템을 일컫는다. PVC 배관 시스템은 CPVC 배관 시스템이 충족시켜야 하는 ASTM 표준과 상이한 ASTM 표준을 충족시킬 필요가 있다. 파이프를 피팅에 고정시키기 위해 사용되는 접착제는, PVC 배관 시스템이든지 CPVC 배관 시스템이든지 간에, ASTM 요건을 충족시키는 조인트를 제공해야 한다.
통상적인 PVC/CPVC 배관 시스템의 결점은 용매-기반 시멘트(solvent-based cement)로 용매-시멘트결합(solvent-cemented)될 필요가 있다는 것인데, 상기 용매-기반 시멘트에서 용매는 비교적 적은 수준으로 섭취되어도 인체에 유독한 것으로 여겨진다. 피팅이 끼워맞춰지는 파이프의 단부와 이러한 피팅은 이들이 조립되기 직전에 각각의 끼워맞춤 표면상에 용매-기반 시멘트가 코팅된 후, 상기 파이프와 피팅은 상기 끼워맞춤 표면 사이로부터 과량의 시멘트를 짜내도록 끼워맞춰진다. 상기 용매는 조인트가 "마감처리(finished)"되어 사용할 준비가 되기 전에 실질적으로 증발될 필요가 있다. 매우 적은 양의 용매가 주위 조건에 따라 3일간일 수 있는 짧은 기간 동안 끼워맞춤 표면 사이에 갇힌 상태로 남아있는다. 모든 용매가 증발되기 전에 배관 시스템이 동작하는 경우, 용매의 일부가 시스템에서 배관을 통해 이동하는 유체내에 함유될 가능성이 존재한다. 이러한 유체가 식수인 경우, 용매를 증발시킬 필요가 없는 접착제를 사용함으로써 용매가 그러한 식수를 오염시킬 위험성은 제거되지는 않는다고 하더라도 최소화된다
용매 시멘트를 용매 웰드(solvent weld) 파이프 조인트에 사용함으로써 나타나는 또 다른 문제는 용매가 시멘트로부터 증발됨에 따라 휘발성 유기 화합물(VOC)이 방출된다는 것이다. VOC는 환경에 유해한 것으로 생각되고, 정부 규제에 의해 점점 감소되고 있는 실정이다. VOC를 방출하지 않는 파이프 조인트 접착제가 매우 바람직하다.
배관 시스템에 의해 운반되는 유체의 누출 (예를 들어, 물, HCl 산, 또는 H2SO4 산)은 전형적으로 파이프 안쪽으로부터 바깥쪽으로 일어나서 유체의 손실을 초래하지만, 누출은 또한 파이프 바깥쪽으로부터 파이프 안쪽으로 일어나서 (예를 들어, 전기 케이블을 함유하는 매설 파이프로의 지하수 침투) 파이프에 의해 보호되는 케이블을 파괴한다. 현재까지, 정상 동작 조건하에서 조인트 누출없이 PVC/CPVC 파이프의 단부에 PVC/CPVC 피팅을 접착 고정시키기 위해 수 많은 노력이 경주되어 왔지만, 요구되는 ASTM 표준을 충족시키는 만족스러운 유체-밀폐형 PVC/CPVC 파이프 조인트를 제공하였다는 기록은 없었다.
과거에는, 조인트를 용매-시멘트결합하는 것과 조인트를 접착 고정하는 것 사이에 혼동의 여지가 있었다. 용매-시멘트결합된 조인트는 용매-웰딩될(solvent-welded)수 있지만, 접착 고정되지는 않는다. 조인트를 용매 시멘트결합하기 위한 메커니즘은 용매가 증발된 후에 시멘트가 조인트를 고정하도록 끼워맞춤 표면에서 폴리머를 용해시킬 필요가 있다. 접착 고정된 조인트에서는 끼워맞춤 표면에서 폴리머가 용해되지 않는다.
합성 수지 ("폴리머")의 한쪽 표면을 동일하거나 또 다른 폴리머의 표면에 접착 고정시켜서 유체 밀폐형 조인트를 제공하는 것은 관련된 폴리머와 관계없이 폴리머의 낮은 표면 에너지로 인해 일반적으로 어려운 문제이다. PVC 또는 CPVC 표면을 또 다른 PVC 또는 CPVC 표면에 각각 접착 고정시키는 것은 훨씬 더 어려운 문제인데, 이는 염소화된 폴리머가 염소화되지 않은 통상적인 합성 수지 보다 낮은 표면 에너지를 지니기 때문이다. 유체 밀폐형 조인트를 제공하는 임의의 접착제를 확인하는 것은 그러한 문제의 본질을 잘 알지 못하는 이에게는 그러한 접착제를 제공하는 것과 관련된 어려움이 잊혀질 것이라고 단순 기대하며 종래 기술에서는 보통 그럴듯하게 얼버무려져 왔다. 증발시켜야 용매를 본질적으로 함유하지 않는 폴리머 접착제를 찾아내고 명시하는 것은 특히 어려운 문제임이 명백하였다.
PVC 또는 CPVC 표면을 접착 고정하는 것과 관련된 어려움이 얼마나 잘못 판단되었는 지가 빌헬름센(Wilhelmsen)의 미국 특허 제 3,826,521호에 의해 입증되었는데, 상기 미국 특허에는 파손된 강성 PVC 파이프를 수리하기 위한 간단한 수단이 제공되어 있으며, 상기 PVC 파이프의 단부는 "통상적인 커플링(coupling)을 사용하여 끼워져 있고 승인된 접착제에 의해 보통의 방식으로 고정 밀봉"되어 있다 (참조: 2번째 컬럼, 8행 내지 11행). 이후 30년에 걸쳐, 에폭시, 우레탄 및 시아노아크릴레이트 접착제가 다수의 간행물에 광범위하게 일반론적으로 공지되었지만, PVC에 대해서는 ASTM F1970의 요건을 충족시키고 CPVC에 대해서는 ASTM D2846의 요건을 충족시키는 만족스러운 접착제를 구체적으로 확인하지 못하였다. 이러한 일반론은 승인된 것이든 아니든 접착제를 찾아내고 확인하는 것과 관련된 어려움에 초점을 맞추고 있을 뿐이며, 이러한 어려움은 계속해서 크게 다가오고 있다.
문제:
용매-기반 시멘트내의 미량의 잔류 용매는 그 양이 적던지 간에 그리고 언제 발생하는 지와 무관하게 식수를 운반하기 위해 그러한 배관 시스템을 사용하는 사람들 사이에서 중대한 우려를 자극한다. 현재 시판되며 용매-시멘트결합된 파이프 조인트에서 조립되는 PVC/CPVC 파이프에 대한 대부분의 PVC/CPVC 피팅은 미량의 잔류 용매와 관련된 문제로 곤란을 일으키지 않았지만, 임의의 용매를 사용하지 않거나 거의 사용하지 않음으로써 그러한 용매의 존재가 검출될 수 없게 하는 것이 바람직하다. 현재까지, PVC/CPVC 파이프 피팅을 PVC/CPVC 파이프에 만족스럽게 고정시켜서, PVC에 대해서는 ASTM F1970의 요건을 충족시키고 CPVC에 대해서는 ASTM D2846의 요건을 충족시키도록 유체-밀폐형이고 또한 연속 서비스를 제공하는 조인트를 형성시키는, 접착제는 존재하지 않았다.
해결책:
수 년에 걸친 연속 실험을 포함하는 수 많은 시행착오에 의해, 하기 제시된 시험들로부터 축적된 데이터는 본 명세서에서는 "에폭시"라고 함께 일컬어지는 공지된 에폭시 수지와 이에 대한 경화용 액체(들)을 포함하는 특정 에폭시드 접착제를 사용함으로 인해 의외로 효과적인 접착력(adhesive bond)을 나타내었다. 이러한 에폭시는 E-120HP란 명칭으로 헨켈/록타이트(Henkel/Loctite)로부터 시판되는 접착제이고, 폴리아미드/폴리아민 블렌드(blend)로 경화된 엘라스토머 개질된 에폭시 수지인 것으로 믿어진다. 바람직하게는 이러한 에폭시는 착색제, 예를 들어 비활성 충전재 또는 염료; 또는 형광 물질(fluorescing agent); 또는 점도 조절제(viscosity-modifying agent)를 함유하도록 개질되는데, 요망되는 기능을 수행하기 위해 상기 물질 각각의 유형 및 양을 선택하는 것은 당업자에게 널리 공지되어 있다. 착색제이든지 형광 물질이든지 점도 조절제이든지 간에 각각의 물질은 접착제의 다른 성분들과 화학 반응하지 않는다. 염료는 PVC/CPVC 파이프 및 파이프 피팅의 색과 일치하게 선택되거나 조인트 형성을 위해 접착제가 실질적으로 균일하게 적용되었음을 시각적으로 확인하도록 파이프 조인트의 색과 대비되게 선택될 수 있다. 형광 물질은 "블랙 라이트(black light)"라 일컬어지는 파장에서 자외선에 노출되는 경우 형광을 방출하도록 선택될 수 있다.
수지와 경화용 액체는 파이프의 단부와 파이프 피팅의 각각의 끼워맞춤 표면상에 코팅되기 직전에 혼합된 후, 파이프와 피팅이 조립된다.
발명의 개요
특정 에폭시드 접착제가 조립 전의 PVC/CPVC 끼워맞춤 표면상에 퍼져있는 경우 표면을 용매-시멘트결합시키는 것을 회피하며 에폭시가 경화되는 제어가능한 시간 후에 유체-밀폐형 조인트를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 경화된 PVC/CPVC 조인트는 적절한 ASTM 표준, 즉, PVC에 대해서는 ASTM F1970 그리고 CPVC에 대해서는 ASTM D2846에 의해 요구되는 압력 등급(pressure rating)을 초과하는 압력 등급을 초래하는 인장, 압축 및 비틀림(torsional) 강도를 지닌다. 의도적으로 착색하거나 형광을 방출하도록 처리되지 않은 경우, 경화된 조인트는 시각적으로는 용매-기반 시멘트에 의해 통상적으로 용매-시멘트결합 (또는 "용매-웰딩된") 조인트와 다를 바없이 보이지만, 접착 고정된 조인트는 섭취된 경우 유독한 것으로 여겨지는 용매를 사용하지 않고 VOC를 방출하지 않는다는 이점을 지닌다.
에폭시를 사용하면 파이프 조인트를 용매-시멘트결합시키고 이에 수반하여 용매를 증발시키는 것이 회피된다. 또한, 1분 정도내에 "세팅(set)"됨으로써 부품들의 배향 또는 조립체 길이의 미세한 최종 조정이 필요해지는 경우 조인트의 부품들 간의 상대적 이동이 배제되는 새로이 용매-시멘트결합된 조인트와 달리, 본 명세서에서 사용되는 에폭시로 접착 고정된 파이프 조인트는 그러한 조인트가 형성되는 온도에 따라 5분 내지 1시간 이상을 가능하게 한다. 조립 후에 배향의 그러한 미세한 조정이 가능한데, 이는 용매-시멘트가 세팅되는 것 보다 에폭시가 서서히 경화되기 때문이다.
파이프와 이러한 파이프의 단부에 끼워지는 피팅 사이에 임의의 기계적 맞물림 수단이 없는 파이프 조인트가 제공된다. 이러한 조인트는 각 단부에 내경과 외경을 갖는 원형 단면을 지니고, 그루브, 쓰레드 또는 인덴테이션이 없는 매끄러운 내부 및 외부 원주 표면을 지닌, 폴리(비닐 클로라이드)("PVC") 또는 염소화된 폴리(비닐 클로라이드)("CPVC") 파이프를 포함한다. 파이프 피팅은, 파이프의 단부에 텔레스코프(telescope)식으로 끼워맞추어져 수용되도록 구성된, 그루브, 쓰레드 또는 인덴테이션이 없는 매끄러운 끼워맞춤 원주 표면을 지닌다. 피팅은 파이프의 외부 표면이 피팅의 내부 표면에 접착 고정되도록 파이프의 단부를 덮는 방식으로 끼워질 수 있거나, 피팅은 파이프의 내부 표면이 피팅의 외부 표면에 접착 고정되도록 파이프의 단부 내측에 끼워질 수 있다.
상기 명시된 폴리아미드/폴리아민 경화제 또는 하드너(hardner)의 블렌드와 에폭시 수지를 포함하는 2-부분(two-part) 접착 조성물이 파이프와 파이프 피팅이 끼워맞춰지기 전에 파이프와 파이프 피팅의 끼워맞춤 표면에 걸쳐 퍼져 있게 된다. 25℃(77℉)에서 약 2,000 내지 6,000 cps 범위의 점도를 지닌 하드너가 에폭시 수지와 가장 바람직하게는 2:1 비로 철저하게 혼합되는데, 이는 파이프와 파이프 피팅이 끼워맞춰지기전에 파이프의 끼워맞춤 표면과 파이프 피팅의 끼워맞춤 표면에 걸쳐 퍼져 있는 경우 "현장(in-service)" 온도 경화성 접착 조성물을 제공한다. 또한, 상기 접착제는 실리카, 및 임의로 염료 또는 형광 물질, 그리고 점도 조절제를 또한 포함하는 것으로 믿어지는데, 이들 성분 각각은 당업자에게 공지되어 있으며 15℃-29.4℃(47℉-85℉) 범위의 현장 온도에서 적용된 후 5분 내지 1시간내에 경화된 에폭시를 제공하도록 선택된다. 에폭시 접착제의 경화시에, 조인트는 PVC에 대해서는 ASTM F1970의 요건을 충족하고 CPVC에 대해서는 ASTM D2846의 요건을 충족한다.
상기 2-부분 접착제가 PVC/CPVC 파이프 조인트의 부품들을 접착 고정시키는 것으로 본 명세서에 설명되어 있지만, 당업자는, 표면들이 긴밀한 접촉상태로 존재하고 끼워맞춤 표면들 사이에 있는 공간이 접착제가 그러한 공간으로 침투할 수 있게 하기에 충분하기만 하면, 각각의 끼워맞춤 표면의 표면 형태와 무관하게 임의의 PVC/CPVC 끼워맞춤 표면을 접착 고정시키기에 동등하게 매우 적합하다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 배관 시스템의 경우, 끼워맞춰지는 파이프와 피팅 사이의 환상의 원주 간극이 그러한 공간을 형성한다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 첨부되는 개략적인 도해와 함께 파이프 피팅과 PVC/CPVC 파이프의 단부 사이의 누출-방지(leak-proof) 연결을 형성하도록 사용되는 피팅을 대표하는 특정 피팅의 하기 상세한 설명을 참조로 하여 최상으로 이해될 것이다.
도 1은 PVC/CPVC 파이프가 통상적인 라이트 엘보우(right elbow) 또는 "엘(ell)"의 한쪽 소켓(socket)내로 끼워맞춤식으로 삽입되는 한쪽 단부를 지니고 있는 제 1 파이프 조인트의 길이방향 단면에서 본 측면도이다. 제 2 파이프 조인트를 형성하기 위해, 제 1 파이프의 반대쪽 단부가 실린더형 소켓을 지닌 통상적인 커플링(coupling)의 제 1 소켓내로 삽입된다. 제 3 파이프 조인트를 형성하기 위해, 제 2 PVC/CPVC 파이프의 한쪽 단부가 커플링의 반대쪽에 있는 제 2 소켓내로 삽입된다. 각각의 유체-밀폐형 파이프 조인트는 각각의 조인트의 끼워맞춤 표면들 사이에 실질적으로 균일하게 배치되어 있는 경화된 에폭시를 포함한다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
본 명세서에서 PVC/CPVC 파이프 및 파이프 피팅이라 함은 각각 하나의 화합물 또는 다른 화합물로부터 압출될 수 있는 파이프 및 하나의 화합물 또는 다른 화합물로부터 형성되는 파이프 조인트에 끼워맞추어질 수 있는 파이프를 일컫는다. 바꿔 말하면, PVC 파이프는 PVC 파이프 피팅과 매칭(matched)되고, CPVC 파이프는 CPVC 파이프 피팅과 매칭된다.
본 발명에서 사용되는 파이프와 피팅을 제조하기 위해 사용되는 PVC 및 CPVC 화합물은 바람직하게는 PVC 수지 또는 CPVC 수지인 화합물의 폴리머 성분을 큰 비율로 (50 중량% 이상으로), 바람직하게는 80 중량% 이상으로 지니는 화합물이다. PVC 및 CPVC 화합물은 전형적으로 다른 성분들, 예를 들어 안정화제, 윤활제, 충전재, 착색제 등을 함유한다.
PVC 파이프와 이러한 파이프에 대한 피팅:
PVC 파이프 및 파이프 피팅은 전세계적으로 제조업자에 의해 널리 보급된 상품이다. PVC는 펠릿(pellet) 형태이든지 분말로서 존재하든지 간에 파이프를 형성하도록 압출되거나, 파이프 피팅을 형성하도록 사출 성형 또는 다른 방식으로 열성형된다. PVC는 0.50 내지 1.6 범위, 바람직하게는 0.52 내지 1.0 범위의 고유 점도(I.V.), 약 1.35 g/cc의 용융 밀도(fused density) 및 약 56.7%의 Cl 함량을 지닌 폴리머로부터 유래된다. PVC 수지는 괴상, 현탁 또는 유화 중합 기술에 의해 형성될 수 있다. 적절한 PVC 수지의 예로는 Geon 103EPF76TR, 103 EPF76, 30, 110X440, 27 및 1023PF5 PVC; Geon M6215 및 M6230 강성 사출 성형 PVC; Geon 85890 및 85891 발포(cellular) 사출 성형 PVC; Geon 8700A, 8700x, 87256, 및 87160 내부(interior) 강성 압출 PVC; Geon 87416, 87703 및 6935 외부(exterior) 강성 압출 PVC; 및 Geon 85893, 87344, 87345. 87538, 87695 및 87755 강성 분말 압출 PVC가 있다. PVC 수지는 모두 옥시 비닐즈(Oxy Vinyls)로부터 구입가능하고, PVC 화합물은 폴리온(PolyOne)으로부터 구입가능하다.
PVC의 코폴리머는 대부분의 중량으로, 전형적으로 80% 초과로 존재하는 비닐 클로라이드 모노머로 형성되며, 나머지 모노머는 20% 이하로 존재한다. 통상적으로 제조된 파이프는 코모노머로서 비닐 아세테이트를 사용하고, 제조된 파이프는 신규 파이프 조인트에서 효과적인 것으로 밝혀진 에폭시와 양립가능한 폴리머 표면을 PVC 호모폴리머의 표면으로서 지닌다. 상업적으로 덜 중요한 코폴리머가 문헌 [Volume 1 of Encyclopedia of PVC, edited by Leonard 1. Nass, Marcel Dekker, Inc. (N. Y. 1976, Chap.4)]에 기재되어 있다. 바람직하게는, PVC의 호모폴리머가 사용된다.
CPVC 파이프 및 이러한 파이프에 대한 피팅:
CPVC는 파이프용이든지 피팅용이든지 간에 가장 통상적으로는 PVC 호모폴리머의 후-염소화에 의해 제조되고, 덜 통상적으로는 상기 기재된 PVC 코폴리머와 같은 PVC 코폴리머의 후-염소화에 의해 제조된다. CPVC 파이프를 위해 PVC로부터 CPVC를 제조하는 방법은 당 분야에 널리 공지되어 있는데, 여기서 화합물들이 특정 용도를 위해 특이적으로 포뮬레이션된다. 이는 특히 미국 특허 제 2,996.049호; 제 3,100,762호; 제 5,194호; 및 제 5,591,497호에 기재되어 있고, 상기 미국 특허들은 그 전문에 본 명세서에 참조로 포함된다. 가장 바람직한 것은 65%-70% 범위의 Cl 함량을 지닌 CPVC인데, 이러한 CPVC는 ASTM D1243에 기술된 바와 같이 측정하여 0.5 내지 약 1.6, 바람직하게는 0.80 내지 1.0 범위의 고유 점도(I.V.)를 지닌 PVC로부터 유래된다.
효과적인 접착제인 것으로 거의 확실하게 여겨지는 시판되는 하기 접착제를, CPVC CTS 파이프를 사용하여, ASTM D2846에 의해 요구되는 바와 같이 CPVC 파이프에 대해 65.5℃(150℉) 및 2.65 MPa (370 psig)에서 1000시간에 걸쳐 (a); 그리고 82.2℃(18O℉)에서 1000시간에 걸쳐 (b) 롱텀 하이드로스태틱(Long Term Hydrostatic) 시험으로 시험하였다. 각각의 접착제는 제조업자에 의해 권고되는 바와 같이 사용을 위해 준비하였다. "통과"라는 표시는 접착제가 모든 요건을 통과하였음을 나타내고, "실패"라는 표시는 조인트에 누출이 있음을 나타낸다.
접착제 통과/실패
Loetite® Hysol® E-90FL 실패
Loctite® Hysol® E-20HP 실패
Loetite® Hysol® E-120HP 통과
Loetite® Hysol® U-05FL 실패
Loctite® Depend® H3001 실패
Henkel/Loctite® H3000 실패
Hcnkcl/Loctitc® E-120HP 통과
유사한 방식으로, 효과적인 접착제인 것으로 거의 확실하게 여겨지는 시판되는 하기 접착제를, PVC IPS 파이프를 사용하여, ASTM F1970에 의해 요구되는 바와 같이 PVC 파이프에 대해 (a) 3.2 MPa (450 psi) 및 22.7℃(73℉)에서 1000시간에 걸쳐 롱텀 하이드로스태틱 시험으로 시험하였다.
PVC 파이프에 대한 상기 요구되는 시험의 결과는 다음과 같다:
접착제 통과/실패
Loetite® Hysol® E-90FL 실패
Loctite® Hysol® E-20HP 실패
Loetite® Hysol® E-120HP 통과
Loetite® Hysol® U-05FL 실패
Loctite® Depend® H3001 실패
Henkel/Loctite® H3000 실패
Hcnkcl/Loctitc® E-120HP 통과
각각의 접착제를 도 1에 도시된 바와 같은 파이프 조인트에서 시험하였는데 (PVC에 대해서는 ASTM F1970 그리고 CPVC에 대해서는 ASTM D2846), 상기 도면에는 예시를 위해 끼워맞추어진 CPVC 파이프와 표준 CTS (구리 튜브 표준) 또는 IPS (철 파이프 표준) CPVC 파이프 피팅의 3개의 파이프 조인트가 도시되어 있으며, 상기 파이프 조인트들의 조립 전에 끼워맞춤 표면들상에는 에폭시 접착제 "A"가 균일하게 코팅되어 있다. 코팅된 표면들이 텔레스코프식으로 끼워맞추어진 경우, 끼워맞춤 표면들 사이로부터 과량의 접착제가 밖으로 밀려나와서 비드(bead)를 형성한다. 이러한 비드는 원주 라인(circumferential line)을 채우는데, 여기서 피팅의 소켓의 가장자리(rim)는 파이프의 단부의 외부 원주 표면에 대해 꼭 맞게 놓이게 된다.
상기 열거된 접착제를 사용한 시험은 통과한 유일한 접착제가 명칭에 E-120HP가 있는 접착제들이었음을 나타낸다. 통과한 접착제 둘 모두는 조성에 있어서 실질적으로 유사한 것으로 믿어지고, 상기 제공된 기재사항을 준수하는 것으로 믿어진다. 상기 접착제는 2-부분 접착제이며, 두 부분 모두는 조인트의 표면에 적용되기 직전에 혼합된다. 첫 번째 부분은 유체 엘라스토머 개질된 에폭시 수지이고, 두 번째 부분은 폴리아미드와 폴리아민의 유체 배합물인데, 하나의 부분 또는 두 부분 모두가 실리카인 것으로 믿어지는 비활성 충전재를 함유한다. 현장 적용을 위해, 각각의 부분은 튜브형 분배기에 편리하게 패키징되어 있고, 각각의 분배기의 함유물은 적용 직전에 혼합된다. 각각의 에폭시 수지는 너무 진한 페이스트형 점조도(pasty consistency)를 지녀서 통상적인 점도계로 측정될 수 없고, E-120H에 대한 하드너는 비교적 유동성으로 실온 (25℃(77℉))에서 3000 cp의 점도를 지닌다.
접착제가 파이프 조인트의 끼워맞춤 표면들 사이에 균일하게 분포되었는 지를 시각적으로 확인하는 것이 요망되는 경우, 접착제는 PVC/CPVC 파이프의 색과 대비되거나 일치하게 되도록 착색될 수 있다. 오프-화이트(off-white) 파이프는 전형적으로 티타니아 또는 실리카인 비활성 충전재를 함유하는 화합물로부터 압출되고, 흑색 파이프는 전형적으로 카본 블랙을 함유하는 화합물로부터 제조된다. 또한, 접착제는 자외선하에서 형광을 방출하는 형광 염료를 함유할 수 있다.
10℃-35℃(50℉-95℉) 범위의 주위 현장 온도의 경우, 시판되는 에폭시 수지가 시판되는 하드너와 1:2 비로 균질하게 혼합된 후에 스몰 샘플 어댑터(Small Sample Adapter, SSA)와 #14 스핀들(spindle)을 갖춘 브룩필드(Brookfield) RVT 점도계를 사용하여 측정된 에폭시 수지의 점도는 다음과 같다:
10℃(50℉)에서:
1 rpm 200,000 cps
lO rpm 116,000 cps
T.I.* 1.72
*요변 지수(Thixotropic Index) = (1 rpm에서의 점도/10 rpm에서의 점도)
25℃(77℉)에서:
1 rpm 140,000 cps
lO rpm 66,000 cps
T.I. 2.12
35℃(95℉)에서:
1 rpm 108,000 cps
lO rpm 40,000 cps
T.I. 2.70
상기 주어진 범위의 현장 온도에서는, 혼합된 접착제의 점도가, 연결되는 표면들에 걸쳐 얇은 층으로서 균일하게 퍼져 있을 수 있게 하기에 충분히 낮고, 이로써 과량의 접착제 중 소량이 조인트의 밀봉 라인(sealing line)으로부터 빠져나오게 되어서, 끼워맞춤 표면들 사이의 공간에 존재하는 접착제가 경화되기 전에 에폭시가 조인트의 주변에서 경화될 수 있게 한다는 것이 명백하다.
상기 언급된 범위 보다 낮거나 높은 현장 온도에서 사용되는 경우, 접착제의 수지 및 경화 성분이 혼합될 때 접착제의 점도를 제어하는 것이 바람직한데, 이를 위해 점도를 바람직한 점도로 맞추도록 하나의 성분 또는 두 성분 모두가 당 분야에 공지된 점도 개질제를 포함할 수 있다.
선택된 현장 온도에서 접착제의 바람직한 점도는, 에폭시 수지와 경화제, 임의로 점도 개질제와의 혼합물이 사용가능하게 유동성이고, 접착제가 사용될 수 있는 -10℃(14℉) 내지 40℃(104℉)의 온도에서 경화될 정도이다.
"사용가능하게 유동성"이란 혼합물이 접착 고정될 각각의 표면에 걸쳐 용이하게 퍼져 있게 하기에 충분히 유동성임을 의미하는데, 특히 이 경우 한쪽 표면이 또 다른 표면내로 텔레스코프식으로 삽입되고 45°내지 135°범위로 회전한다.
에폭시 수지와 경화제의 수 가지 변형을 제공하는 것이 바람직할 수 있는데, 이러한 변형 각각은 선택된 협소한 현장 온도 범위에 대해 포뮬레이션된다. 각각의 에폭시와 하드너는, 혼합된 경우 그러한 온도 범위에 대해 바람직한 점도를 지닌 접착제를 생성시키고, 그리고 약 10℃ 내지 35℃(50℉-95℉) 범위의 광범위한 현장 온도 범위 전체에 걸쳐 허용되는 점도를 제공하지만 광범위한 경화 기간에 결쳐 경화되도록 포뮬레이션되는 단일 에폭시 수지 보다 신뢰할 만하게 예측가능한 경화 시간을 지니도록 포뮬레이션된다.
예를 들어, "낮은 온도 범위 에폭시"는 -10℃ 내지 15℃(14℉-59℉) 범위의 온도에서 바람직한 점도를 제공하며 5분 내지 1시간내에 경화되도록 에폭시 수지 및 경화제와 포뮬레이션될 수 있고, "중간 온도 범위 에폭시"는 15℃-30℃(59℉-86℉) 범위의 온도에서 바람직한 점도를 제공하며 5분 내지 1시간내에 경화되도록 에폭시 수지 및 경화제와 포뮬레이션될 수 있고, "높은 온도 범위 에폭시"는 30℃-40℃(86℉-104℉) 범위의 온도에서 바람직한 점도를 제공하며 5분 내지 1시간내에 경화되도록 에폭시 수지 및 경화제와 포뮬레이션될 수 있다.
도 1을 참조하면, 제 1 파이프 조인트에 있어서, CPVC 파이프(10)의 제 1 길이는 좌측 단부(11)로서 일컬어지는 하나의 단부를 지니며, 이러한 단부는 라이트-엘(right-ell)(20)의 하부 소켓(21)으로서 일컬어지는 하나의 단부내로 끼워맞춤식으로 삽입되는데, 여기서 상기 좌측 단부(11)는 접착제(A)가 경화되는 경우 견고한 유체-밀폐형 조인트를 보장하도록 그러한 좌측 단부(11)의 가장자리가 파이프(10)의 공칭 직경의 0.5배의 길이에서 공칭 직경에 상응하는 길이에 걸쳐 소켓(21)내로 삽입될 때까지 삽입된다.
제 2 파이프 조인트에 있어서, 우측 단부(12)로서 일컬어지는 파이프(10)의 반대쪽 단부는 CPVC 커플링(30)의 좌측 소켓(31)내로 끼워맞춤식으로 삽입되는데, 여기서 상기 우측 단부(12)는, 커플링(30)의 길이의 중간점(mid-point)을 지나서 가장자리(12)의 경로를 차단하기에 충분히 짧은 거리에 걸쳐, 원주 쇼울더(shoulder)(32)와 접하게 될 때까지 삽입되며, 상기 원주 쇼울더는 이러한 쇼울더를 제외하고는 매끄러운 커플링 내부 표면의 원주 영역으로부터 방사상으로 돌출되어 있다. 접착제(A)가 경화되는 경우, 파이프 조인트는 유체-밀폐형이 된다.
제 3 파이프 조인트에 있어서, 일부가 점선으로 그 윤곽이 표시된 제 2 CPVC 파이프(40)는 제 1 파이프(10)의 우측 단부(12)와 거울상 관계로 커플링(30)의 우측 소켓(33)내로 끼워맞춤식으로 삽입되는 좌측 단부(41)을 지니는데, 좌측 단부(41)는 원주 쇼울더(32)와 접해 있다. 접착제(A)가 경화되는 경우, 파이프 조인트는 유체-밀폐형이 된다.
신규 파이프 조인트를 전반적으로 논의하고, 이를 상세히 설명하고, 그러한 조인트를 형성하고 사용하는 것과 관련하여 본 발명자들에게 알려진 최상의 형태의 구체적인 예시와 함께 그러한 파이프 조인트를 예시함으로써, 본 발명의 신규 파이프 조인트가 해결되지 않았던 오래된 문제에 대한 효과적인 해결책을 제공하였음이 명백해진다. 따라서, 예시되고 논의된 특정 구체예로 인해 과도한 제한이 부과되어서는 안되고, 특히 본 발명의 신규 파이프 조인트는 본 명세서에 설명된 사항으로 맹목적으로 국한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (7)

  1. 파이프와 이러한 파이프의 단부에 끼워지는 피팅 사이에 임의의 기계적 맞물림(interlocking) 수단이 없는 파이프 조인트(pipe joint)로서, 상기 파이프 조인트는,
    각 단부에 내경과 외경을 갖는 원형 단면을 지니고, 그루브(groove), 쓰레드(thread) 또는 인덴테이션(indentation)이 없는 매끄러운 내부 원주 표면을 지닌, 폴리(비닐 클로라이드)("PVC") 또는 염소화된(chlorinated) 폴리(비닐 클로라이드)("CPVC") 파이프;
    상기 파이프의 단부에 끼워맞춤식으로(matingly) 수용되도록 구성된, 그루브, 쓰레드 또는 인덴테이션이 없는 매끄러운 끼워맞춤(mating) 원주 표면을 지닌 PVC 또는 CPVC 파이프 피팅; 및
    폴리아미드와 폴리아민의 블렌드(blend)를 포함하는 경화제(curing agent) 또는 하드너(hardner)와 엘라스토머 개질된(elastomer modified) 에폭시 수지의 혼합물을 포함하는, 상기 파이프와 파이프 피팅이 끼워맞춰지기 전에 상기 파이프 피팅의 끼워맞춤 표면과 상기 파이프의 끼워맞춤 표면에 걸쳐 퍼져있는 실온 경화성 접착 조성물로서, 선택된 현장(in-service) 온도에서 바람직한 점도를 지니는, 실온 경화성 접착 조성물
    을 포함하고,
    상기 파이프 조인트는 경화시에 PVC에 대해서는 ASTM F1970의 요건을 충족하고 CPVC에 대해서는 ASTM D2846의 요건을 충족하는, 파이프 조인트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 접착 조성물이, 실리카, 형광 물질, 상기 조인트의 색과 일치하거나 대비되는 착색제, 및 점도 조절제로 이루어진 군으로부터 선택되는 공지된 첨가제를 포함하는, 파이프 조인트.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 파이프가 PVC 화합물로부터 압출되고, 상기 피팅이 PVC 화합물로부터 열성형되는, 파이프 조인트.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 파이프가 CPVC 화합물로부터 압출되고, 상기 피팅이 CPVC 화합물로부터 열성형되는, 파이프 조인트.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 하드너가 25℃(77℉)에서 약 2,000 내지 6,000 cps 범위의 점도를 지니고;
    상기 접착 조성물이 약 -10℃(14℉) 내지 40℃(104℉) 범위의 선택된 현장 온도에서 바람직한 점도를 지니고;
    상기 파이프와 파이프 피팅이, 하나가 다른 하나에 텔레스코프(telescope)식으로 삽입되는 경우, 서로에 대해 45°내지 135°범위로 회전될 수 있는, 파이프 조인트.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 선택된 현장 온도가 10℃(50℉) 내지 35℃(90℉) 범위이고, 상기 바람직한 점도가 약 200,000 cps 내지 약 40,000 cps인, 파이프 조인트.
  7. 폴리(비닐 클로라이드)("PVC") 또는 염소화된 폴리(비닐 클로라이드)("CPVC") 파이프를 PVC 또는 CPVC 파이프 피팅에 연결시키는 방법으로서, 이러한 방법은,
    (a) 실온 경화성 접착 조성물을, 상기 파이프와 상기 파이프 피팅의 끼워맞춤 표면에 걸쳐 퍼져 있게 되도록 적용하고;
    (b) 상기 파이프를 상기 파이프 피팅내로 삽입하고;
    (c) 상기 파이프와 상기 파이프 피팅을 서로에 대해 45°내지 135°범위로 회전시키고;
    (d) 상기 접착 조성물을 15℃ 내지 29.4℃(47℉ 내지 85℉) 범위의 온도에서 5분 내지 1시간 동안 경화시키는 것을 포함하고,
    상기 접착 조성물은, 폴리아미드와 폴리아민의 블렌드를 포함하는 경화제 또는 하드너(hardner)와 엘라스토머 개질된 에폭시 수지의 혼합물을 포함하고, 연결된 상기 파이프와 피팅은 경화시에 PVC에 대해서는 ASTM F1970의 요건을 충족하고 CPVC에 대해서는 ASTM D2846의 요건을 충족하는, PVC 또는 CPVC 파이프를 PVC 또는 CPVC 파이프 피팅에 연결시키는 방법.
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