KR20120041378A - 아라미드 로프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 인장 강도가 높고 광으로부터 쉽게 손상되지 않으며 마찰에 의해 강도가 쉽게 저하되지 않고 염분에 의해 쉽게 손상되지 않기 때문에 어망, 선박 고정용 로프, 해양 구조물 체결용 로프 등 다양한 해양 분야에 이용할 수 있는 아라미드 로프에 관한 것이다. 본 발명의 아라미드 로프는, 열중량 분석기를 이용하여 측정된 500 ℃에서의 중량 감소율이 10% 이하이고 20 g/d 이상의 인장 강도를 갖는 아라미드 필라멘트; 및 상기 아라미드 필라멘트에 도포된 코팅층을 포함하고, ASTM B117의 규정에 따라 염수분무 시험을 수행한 후 측정된 강도 유지율이 95% 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

아라미드 로프{Aramid Rope}
본 발명은 아라미드 로프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 해양용 아라미드 로프에 관한 것이다.
선반 고정, 해양 구조물 연결 및 고정 등에 사용되는 로프로는 와이어 로프, 즉 철강 로프가 주로 사용되었다. 이러한 와이어 로프는 가공성이 떨어짐에 따라 제조가 어렵고, 고 비중에 의해 상당한 중량을 가짐에 따라 작업자가 이를 용이하게 취급할 수 없고 인장 강도가 낮음에 따라 안전 사고가 빈번히 일어날 수 있고, 염분 등에 쉽게 부식됨에 따라 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하고자 폴리에스테르 로프와 같은 합성 로프가 개발되어 왔다. 그러나, 이러한 합성 로프는 구조적으로 인장 강도가 낮고 용융 온도가 낮아 마찰열에 의해 급격히 물성이 저하될 수 있으며 자외선 등 광에 의해 쉽게 손상됨에 따라 장시간 사용할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하고자 고안된 것으로서, 인장 강도가 높고 광으로부터 쉽게 손상되지 않으며 마찰에 의해 강도가 쉽게 저하되지 않고 염분에 의해 쉽게 손상되지 않기 때문에 어망, 선박 고정용 로프, 해양 구조물 체결용 로프 등 다양한 해양 분야에 이용할 수 있는 아라미드 로프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명은, 열중량 분석기를 이용하여 측정된 500 ℃에서의 중량 감소율이 10% 이하이고 20 g/d 이상의 인장 강도를 갖는 아라미드 필라멘트; 및 상기 아라미드 필라멘트에 도포된 코팅층을 포함하고, ASTM B117의 규정에 따라 염수분무 시험을 수행한 후 측정된 강도 유지율이 95% 이상인 것을 특징으로 하는 아라미드 로프를 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 아라미드 로프는 최적 형태의 아라미드 필라멘트를 포함함에 따라 강도가 우수하고 내열성이 우수함에 따라 마찰열에 절단되지 않는 이점이 있다.
둘째, 본 발명에 따른 아라미드 로프는 최적의 조성을 갖는 코팅층을 가짐에 따라 내마모성 및 내광성이 우수한 이점이 있다.
셋째, 본 발명에 따른 아라미드 로프는 고 염분에 노출되어도 강도 저하가 크게 일어나지 않는 우수한 내염분성을 갖는 이점이 있다.
이와 같은 특성을 갖는 아라미드 로프는 어망, 구조물 결합 로프 등 다양한 해양 분야에 이용할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 아라미드 로프에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 아라미드 로프는 아라미드 필라멘트를 포함하여 이루어진다. 상기 아라미드 필라멘트는 열중량 분석기(Thermogravimetric Analysis, 제조사: Perkin Elmer)를 이용하여 측정된 500 ℃에서의 중량 감소율이 10% 이하인 내열성을 갖는다. 즉, 상기 아라미드 필라멘트는 500 ℃까지 온도를 받아도 10% 이하로 중량이 감소하기 때문에 고온에서도 충분한 강도를 유지할 수 있다.
이와 같이 우수한 내열성을 갖는 상기 아라미드 필라멘트는 고온의 환경에 장시간 노출되거나 마찰에 의해 고온의 마찰열이 발생하여도 우수한 인장 강도를 유지할 수 있게 된다.
상기 열중량 분석은 40℃로 설정된 진공 오븐에서 충분히 건조된 시료를 사용하고 질소 분위기, 10℃/분의 승온 속도 및 30 ℃에서 800 ℃까지 온도 범위에서 수행된다.
상기 아라미드 필라멘트는 20 g/d 이상의 인장 강도를 갖는다. 즉, 아라미드 필라멘트는 규칙적인 전 방향족 분자 구조를 가짐에 따라 높은 인장 강도를 갖는다. 상기 아라미드 섬유는 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
먼저, 아미드계 또는 우레아계 등의 유기용매에 할로겐화 알칼리 금속염 또는 할로겐화 알칼리 토금속염 등의 무기염을 첨가하여 중합용매를 제조한다. 이어서, 상기 제조된 중합용매에 고순도를 갖는 파라페닐렌디아민을 용해시켜 혼합용액을 제조한다. 이어서, 상기 혼합용액을 교반하면서 상기 혼합용액에 방향족 디엑시드 할라이드(aromatic diacid chloride)와 같은 방향족 디엑시드 화합물을 첨가하여 중합공정을 수행한다. 상기 중합공정이 완료되면, 산을 제거하기 위한 중화공정 및 중합용매와 물을 추출하는 공정을 수행한 후 건조 공정을 거쳐 아라미드 중합체가 완성된다.
이어서, 상기 아라미드 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사 도프(spinning dope)를 제조한다. 방사도프를 방사구금(spinneret)을 이용하여 방사(spinning)한 후 에어 갭(air gap)을 거쳐 응고조(coagulation bath) 내에서 응고시킴으로써 필라멘트를 형성한다. 상기 필라멘트를 수세 및 건조하는 공정을 거쳐 아라미드 섬유 제조를 완성한다.
이와 같이 제조된 아라미드 섬유는 강철보다 비중이 낮고 강도는 더 높으며 제조가 용이한 특성이 있다. 또한, 상기 아라미드 섬유는 수지와의 친화력이 높아 다양한 수지를 코팅할 수 있기 때문에 다양한 기능을 용이하게 부여할 수 있게 된다.
상기 아라미드 필라멘트는 표면에 0.1 내지 2 중량%의 함량을 갖는 실리콘 오일을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 오일은 마찰력을 감소시킴에 따라 내마모성을 향상시키고 염분에 의해 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 만일, 상기 실리콘 오일의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 충분한 내마모성 및 염분에 대한 내식성을 발현하기 어려울 수 있다. 반면 상기 실리콘 오일의 함량이 2 중량%를 초과할 경우 내마모성 및 내식성은 향상되지 않고 오히려 인장 강도가 떨어질 수 있다.
상기 아라미드 로프는 상기 아라미드 필라멘트에 도포된 코팅층을 포함하여 이루어진다.
상기 코팅층은, 내광성, 내식성, 내마모성 등을 향상시키기 위해 광 안정제, 산화 방지제, 열 안정제, 발수제 등 다양한 첨가제를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 코팅층은 산화 아연, 산화 티탄, 산화 세륨, 삼산화 텅스텐, 티탄산 스트론튬 및 산화 철 중 적어도 하나를 포함하는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 자외선을 원활하게 흡수함에 따라 광으로부터 아라미드 필라멘트가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 코팅층은 벤조트리아졸계, 히더드 아민계, 벤조 페논계, 또는 힌더드 페놀계 등의 산화 방지제를 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 내염소성을 향상시키기 위해 다양한 화합물을 포함할 수 있다.
먼저, 상기 코팅층은 하이드로탈사이트를 포함할 수 있다.
상기 하이드로탈사이트는 Mg8Al4(OH)16O4(CO3)2, Mg8Al4(OH)8O8(CO3)2, Mg9Al3(OH)18O3(CO3)1.5, Mg9Al3(OH)12O6(CO3)1.5, Mg9 .6Al2 .4(OH)19.2O2 .4(CO3)1.2, Mg9.6Al2.4(OH)14.4O4.8(CO3)1.2, Mg8Al4(OH)16O4(CO3)2?6H2O, Mg8Al4(OH)8O8(CO3)2?7H2O, Mg9Al3(OH)18O3(CO3)1.5?7.5H2O 또는 Mg9Al3(OH)12O6(CO3)1.5?8H2O 일 수 있다.
상기 코팅층은 하이드로마그네사이트를 포함할 수 있다.
상기 하이드로마그네사이트는 다음 화학식으로 표현될 수 있다.
Mg4(CO3)4Mg(OH)24H2O 또는 4MgCO3?Mg(OH)2
상기 하이드로마그네사이트는 광물로부터 얻거나 합성으로부터 얻을 수 있고, 이렇게 얻어진 것을 열처리하여 결정수를 제거하여 얻을 수 있다.
상기 코팅층은 하이드로칼루마이트를 포함할 수 있다.
상기 하이드로칼루마이트는 다음 화학식으로 표현될 수 있다.
Ca2Al(OH)+X?zH2O
상기 식에서 X는 OH-, CO3 3 -, HPO3 2 - 또는 SO4 2 -이고, z는 8 이하의 양수이다.
상기 코팅층은 힌더드 하이드록시벤조에이트 화합물을 포함할 수 있다.
상기 힌더드 하이드록시벤조에이트 화합물은 폐놀기를 포함하는 대칭성 디 힌더드 하이드록시벤조에이트 화합물인 2,3-디-t-부틸페닐 3,5-디-t-부틸-4-하이드록시벤조에이트일 수 있다.
상기 코팅층은 폴리우레탄 수지를 포함할 수 있다. 이러한 폴리우레탄 수지는 방수성을 향상시키고 심색 발현을 가능케 하며 상기 아라미드 필라멘트와 용이하게 접착함에 따라 우수한 내구성을 가지게 한다.
상기 코팅층은 불소계 수지를 포함할 수 있다. 상기 불소계 수지는 테프론 수지를 포함할 수 있고, 이러한 테프론 수지는 발수성을 크게 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
이러한 코팅층은 아라미드 필라멘트로 이루어진 집합체의 전체 두께 중 1 내지 30% 범위의 깊이까지 침투해서 형성될 수 있다. 즉, 상기 코팅층은 아라미드 필라멘트로 이루어진 집합체의 단면의 표면으로부터 침투된 깊이가 전체 상기 아라미드 필라멘트 집합체의 두께 대비 1 내지 30 % 범위에 있도록 부분적으로 코팅된다. 이와 같이 아라미드 필라멘트 집합체에 부분적으로 코팅된 아라미드 로프는 우수한 접착력과 함께 우수한 굽힘 탄성을 가지게 된다. 만일 상기 코팅층의 침투 깊이가 1 % 미만일 경우 접착력이 떨어짐으로써 쉽게 코팅층이 분리될 수 있고, 반면 상기 코팅층의 침투 깊이가 30 %를 초과할 경우 굽힘 탄성이 떨어짐으로써 체결부위가 쉽게 절단될 수 있다.
상기 아라미드 로프는 여러 개의 상기 아라미드 필라멘트 집합체로 이루어진 스트랜드를 포함할 수 있다. 상기 스트랜드는 상기 아라미드 필라멘트들이 서로 꼬아 만든 연사물들의 집합체일 수 있다. 이와 같이 연사물 형태를 갖는 스트랜드는 아라미드 필라멘트들 간의 집속력이 향상되어 우수한 강도를 가질 수 있고, 로프의 제조를 보다 용이하게 할 수 있으며, 코팅층과의 접착력을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 수천 데니어의 섬도를 갖는 필라멘트들을 합사 및 연사하여 제 1 연사물을 제조하고 제조된 제 1 연사물들을 서로 꼬아서 제 2 연사물을 제조하여 스트랜드를 제조할 수 있다.
상기 아라미드 필라멘트는 0.5 내지 3 데니어의 모노 필라멘트를 포함할 수 있다. 만일 상기 아라미드 필라멘트의 모노 필라멘트가 0.5 데니어 미만의 섬도를 가질 경우 유연성은 증가하나 내마모성은 떨어질 수 있고, 반면 상기 아라미드 필라멘트의 모노 필라멘트가 3 데니어를 초과하는 섬도를 가질 경우 내마모성은 증가하나 유연성이 떨어질 수 있다.
상술한 바와 같이 최적의 소재 및 형태로 이루어진 아라미드 로프는 ASTM D4268의 규정에 준하여 측정된 인장 강력이 9,000 내지 11,000 N일 수 있다. 이와 같이 우수한 인장 강력을 갖는 아라미드 로프는 외력에 대해 우수한 지지력이 요구되는 다양한 분야에 사용 가능하다.
상기 아라미드 로프는 ASTM B117의 규정에 따라 염수분무 시험을 수행한 후 측정된 강도 유지율이 95% 이상일 수 있다. 만일, 상기 아라미드 로프가 선박을 고정하는 로프 또는 해양 구조물을 체결하는 로프 등에 사용할 경우 상기 아라미드 로프는 염수에 의해 점차 분자사슬이 손상되어 강도가 떨어지게 된다. 그러나, 상술한 바와 같이 내식성이 우수한 실리콘 오일, 폴리우레탄 등이 코팅된 아라미드 로프는 염수의 침투를 방지함에 따라 해양에서 장시간 사용하더라도 높은 강도 유지율을 가지게 된다.
이러한 염수분무 시험은 염수분무 시험 장치(Q-FOG CCT 1100(Q-PANEL))를 이용하고 NaCl 5 중량%의 염수농도, 35℃의 온도, 및 99%의 상대습도인 조건에서 수행된다. 상기 강도 유지율은 ASTM D4268의 규정에 따라 염수분무 처리 전후의 인장 강도를 측정하고 이로부터 구한다.
상기 아라미드 로프는 ASTM G153의 규정에 따라 300 시간 광에 노출된 후 측정된 강도 손실률이 5% 이하일 수 있다. 통상적으로 로프는 외부에서 사용됨으로써 자외선 등 광에 장시간 노출됨에 따라 고분자를 이루는 분자사슬이 점차 손상되기 때문에 강도가 떨어지게 된다. 그러나, 본 발명과 같이 우수한 광 안정제, 산화 방지제 등이 포함된 코팅층을 포함하는 아라미드 로프는 광에 의해 쉽게 손상되지 않기 때문에 장시간 광에 노출되더라도 강도 손실률이 높지 않게 된다.
이러한 강도 손실률은 내후도 시험기(Weather-O-meter, 제조사:Atlas)를 이용하여 아래의 조건에서 아라미드 로프에 광을 조사한 후, ASTM D4268의 규정에 따라 광 조사 전후의 인장 강도를 측정하여 측정된 인장 강도들로부터 구해진다.
1) work : 700 kJ
2) Black panel 온도 : 63 ℃
3) 챔버 온도 : 55 ℃
4) 상대 습도 : 35 %
5) 조사량 : 0.5 W/㎡
상기 아라미드 로프는 ASTM D3412 규정에 따라 0.5 TPM, 1.0 g/d의 하중에서 반복 마모 시험을 수행한 후, 강도 저하율이 20 % 이하일 수 있다. 통상적으로 로프는 구조물을 체결시키거나 운반할 때 반복적으로 마찰을 받기 때문에 마찰로 인한 열과 힘에 의해 강도가 떨어지게 된다. 그러나, 상술한 바와 같이 내마모성을 향상시키는 조성물이 포함된 코팅층을 갖는 아라미드 로프는 마찰에 의해 손상을 덜 받기 때문에 장시간 반복적인 마찰을 받더라도 강도가 크게 저하되지 않을 수 있다.
상기 강도 저하율은 ASTM D3412 규정에 따라 마모 시험을 수행한 후, ASTM D4268의 규정에 따라 마모 전후의 인장 강도를 측정하고 측정된 인장 강도들로부터 구해진다.
이하, 실시예 및 비교예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐으로 이것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
실시예
폴리디메틸실록산 유제를 0.5 중량% 포함하고 인장 강도가 23 g/d인 1,000 데니어 파라계 방향족 폴리아미드 필라멘트 60개를 합사한 후 링타입 연사기(Ring type twister)를 이용하여 꼬임을 부여하여 제 1 연사물을 만든 후, 만들어진 7개의 제 1 연사물들을 서로 꼬아 제 2 연사물을 만들고, 만들어진 7개의 제 2 연사물들을 서로 꼬아 스트랜드를 제조하였다.
이어서, 제조된 16개의 스트랜드들을 브레이딩하여 브레이드를 제조하였다. 이어서, 상기 브레이드를 산화 아연이 5 중량% 첨가된 폴리우레탄 조성물에 함침 후 건조하여 고형분 기준으로 10 중량% 함량을 갖는 코팅층이 형성된 로프를 제조하였다.
비교예 1
전술한 실시예에서, 상기 브레이드에 폴리우레탄 조성물을 코팅하지 않는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 로프를 제조하였다.
비교예 2
전술한 실시예에서, 상기 파라계 방향족 폴리아미드 필라멘트 대신 인장 강도가 8 g/d인 1,000 데니어 폴리에틸렌테레프탈레이트 필라멘트를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 로프를 제조하였다.
위 실시예들 및 비교예들에 의해 얻어진 로프의 물성은 다음의 방법으로 구하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
로프의 인장 강력(N)
실시예 및 비교예에서 제조된 로프들의 인장 강력은 ASTM D4268의 규정에 준해서 측정되었다.
로프의 염수분무 시험 후 강도 유지율(%)
로프의 염수분무 시험 후 강도 유지율은 ASTM B117의 규정에 따라 염수분무 시험 장치(Q-FOG CCT 1100(Q-PANEL))를 이용하고 NaCl 5 중량%의 염수농도, 35℃의 온도, 및 99%의 상대습도인 조건에서 처리되고, ASTM D4268의 규정에 따라 염수분무 처리 전후의 인장 강도를 측정하고 아래 식으로부터 구하였다.
강도 유지율(%) = [염수분무 후 인장 강도(g/d)÷염수분무 전 인장 강도(g/d)]×100
로프의 마찰 후 강도 저하율(%)
로프의 마찰 후 강도 저하율은 ASTM D3412 규정에 따라 0.5 TPM, 1.0 g/d의 하중에서 반복 마모 시험을 수행한 후, ASTM D4268의 규정에 따라 마찰 전후의 인장 강도를 측정하고 아래 식으로부터 구하였다.
강도 저하율(%) = [1-마찰 후 인장 강도(g/d)÷마찰 전 인장 강도(g/d)]×100
로프의 광 노출 후 강도 손실률(%)
로프의 광 노출 후 강도 손실률은 ASTM G153의 규정에 따라 Weather-O-meter(제조사:Atlas)를 이용하여 300 시간 동안 로프에 광을 조사한 후, ASTM D4268의 규정에 따라 광 조사 전후의 인장 강도를 측정하고 아래 식으로부터 구하였다.
강도 손실률(%) = [1-(광 노출 후 인장 강도(g/d)÷광 노출 전 인장 강도(g/d))]×100
구분 인장강력(N) 강도유지율(%) 강도저하율(%) 강도손실율(%)
실시예 9800 99 1 1
비교예 1 9820 85 15 18
비교예 2 5450 82 18 23

Claims (14)

  1. 열중량 분석기를 이용하여 측정된 500 ℃에서의 중량 감소율이 10% 이하이고 20 g/d 이상의 인장 강도를 갖는 아라미드 필라멘트; 및
    상기 아라미드 필라멘트에 도포된 코팅층을 포함하고,
    ASTM B117의 규정에 따라 염수분무 시험을 수행한 후 측정된 강도 유지율이 95% 이상인 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아라미드 로프는 ASTM G153의 규정에 따라 300 시간 광에 노출된 후 측정된 강도 손실률이 5% 이하인 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아라미드 로프는 ASTM D3412 규정에 따라 0.5 TPM, 1.0 g/d의 하중에서 반복 마모 시험을 수행한 후, 강도 저하율이 20% 이하인 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아라미드 로프는 ASTM D4268의 규정에 준하여 측정된 인장 강력이 9,000 내지 11,000 N인 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아라미드 로프는 상기 아라미드 필라멘트들의 집합체인 다수의 스트랜드가 집합된 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스트랜드는 상기 아라미드 필라멘트들이 서로 꼬아진 형태인 연사물인 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 아라미드 필라멘트는 0.1 내지 2 중량%의 실리콘 오일이 표면에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 산화 아연, 산화 티탄, 산화 세륨, 삼산화 텅스텐, 티탄산 스트론튬 및 산화 철 중 적어도 하나를 포함하는 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 폴리우레탄 수지 또는 불소계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 하이드로탈사이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 하이드로마그네사이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 하이드로칼루마이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 힌더드 하이드록시벤조에이트 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 아라미드 필라멘트로 이루어진 집합체의 전체 두께 중 1 내지 30% 범위의 깊이까지 침투해서 형성된 것을 특징으로 하는 아라미드 로프.
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