KR20130089152A - 부분적으로 함침되고 섬유 보강된 열가소성 강도 부재 - Google Patents

부분적으로 함침되고 섬유 보강된 열가소성 강도 부재 Download PDF

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KR20130089152A
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Abstract

섬유 다발(10)은 섬유/수지 복합체(12)로 둘러싸인 성긴 섬유(11)를 포함한다. 상기 다발은 광섬유에 대한 강도 부재로 유용하다. 실시양태에서, 상기 다발은 (A) 섬유의 일부가 다발의 내부를 형성하고 섬유 일부가 다발의 외부를 형성하도록 섬유를 함께 묶는 단계, 및 (B) (1) 다발의 외부를 형성하는 섬유 및 다발의 내부를 형성하는 섬유를 둘러싸는 섬유/수지 복합체를 형성하는 수지, 및 (2) 다발의 내부를 형성하는 섬유가 수지로 함침되지 않도록, 다발의 외부를 수지로 함침시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된다.

Description

부분적으로 함침되고 섬유 보강된 열가소성 강도 부재{PARTIALLY IMPREGNATED，FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC STRENGTH MEMBER}
본 발명은 전선 및 케이블에 관한 것이다. 한 양태에서 본 발명은 전선 또는 케이블의 강도 부재(strength member)에 관한 것이고, 다른 양태에서 본 발명은 섬유 보강되는 강도 부재에 관한 것이다. 또 다른 양태에서 본 발명은 섬유 보강된 강도 부재의 제조 방법에 관한 것이고, 다른 양태에서 본 발명은 섬유 보강된 강도 부재를 포함하는 전선 및 케이블에 관한 것이다.
광섬유 케이블은, 섬유를 유해 수준의 종방향 및 횡방향 응력으로부터 충분히 보호하도록 설계된 복합 구조물이다. 또한, 상기 구조물은 또한 섬유의 사용 수명 동안 온화한 화학적 및 물리적 환경을 또한 제공한다. 광섬유 케이블과 전력 케이블 사이에서의 하나의 기본적인 차이는, 전력 케이블 내 금속 전도체가 설비 및 가동(in-service) 조건 동안에 발생된 인장 응력의 적어도 일부를 견딘다는 것이다. 그와는 다르게, 광섬유 케이블은 구체적으로 섬유를 인장 응력으로부터 격리시키기 위해 케이블 내로 통합된 인장 강도 부재를 함유한다. 충분한 인장 및 압축 강도, 작은 반경의 구부러짐(bend)을 견디는 능력, 용이한 섬유 취급 및 케이블 설비, 및 경쟁력있는 비용이, 광섬유 케이블을 설계할 때 고려되어야 하는 목록 중 몇몇의 기준이다.
많은 설계 유형이 광섬유 케이블에 이용가능한데, 선택된 설계는 응용예에 의존적이다. 무엇을 선택하든지 간에, 모든 설계에서는 강도 부재의 몇몇 유형이 설비 및 가동조건에서의 사용 둘 모두 동안 케이블의 인장 및 압축 응력을 견디어야 한다.
오늘날 사용되는 강도 부재는 주로 섬유 보강된 플라스틱(FRP, 이것은 또한 유리 섬유가 보강재인 경우 유리 보강된 플라스틱(GRP)으로 공지되어 있다) 또는 스테인레스 스틸로 제조된다. 전통적으로, FRP 또는 GRP는 비닐 에스테르 또는 에폭시와 같은 하나 이상의 열경화성 수지를 사용한 섬유 인발(pultrusion) 공정을 통해 제조되지만, 상기 공정의 속도는 매우 제한된다. 스테인레스 스틸은 비교적 고가이고 무겁다. 또한, 현재 이용가능한 GRP 또는 FRP/열경화성 수지는 과도한 강성을 갖는 경향이 있고, 이 점은 특히 케이블의 급격한 구부림이 종종 필요한 번잡한 도시 거리를 따라 또는 건물 주위에 이러한 강도 부재를 포함하는 광케이블 섬유를 설치하는 것을 어렵게 만든다.
실시양태에서, 본 발명은 섬유/수지 복합체로 둘러싸인 성긴(loose) 섬유를 포함하는 섬유 다발에 관한 것이다. 실시양태에서, 상기 섬유 다발은 불명확한 길이의 압출 물품이다. 실시양태에서, 상기 섬유는 유리, 탄소, 폴리에스테르 및 아라미드 중 하나 이상을 포함한다. 실시양태에서, 섬유/수지 복합체의 수지 성분은 폴리올레핀이다. 실시양태에서, 상기 복합체로 둘러싸인 성긴 섬유 수집물(collection)의 평균 두께는 섬유 다발 직경의 1/10 이상이다. 실시양태에서, 섬유/수지 복합체의 평균 두께는 섬유 다발 반경의 1/3 이상이다.
실시양태에서, 본 발명은 섬유/수지 복합체로 둘러싸인 성긴 섬유를 포함하는 섬유 다발을 포함하는 케이블 또는 다른 구조물에 관한 것이다. 실시양태에서, 상기 케이블은 광섬유 케이블이다.
실시양태에서, 본 발명은 (A) 섬유의 일부가 다발의 내부를 형성하고 섬유 일부가 다발의 외부를 형성하도록 섬유를 함께 묶는 단계, 및 (B) (1) 다발의 외부를 형성하는 섬유 및 다발의 내부를 형성하는 섬유를 둘러싸는 섬유/수지 복합체를 형성하는 수지, 및 (2) 다발의 내부를 형성하는 섬유가 수지로 함침되지 않도록 다발의 외부를 수지로 함침시키는 단계를 포함하는, 섬유 다발의 제조 방법에 관한 것이다. 실시양태에서, 섬유 다발은, 성긴 섬유 다발(유리, 탄소, 폴리에스테르 및 아라미드 섬유로 제한되지 않으나 이들 중 적어도 하나를 포함하는)을 전선 재킷 압출 라인으로 통과시키고, 열가소성 수지(예를 들어, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌)를 임의의 편리한 방식으로 상기 섬유 다발로 적용함으로써 가공된다. 상기 섬유는 압출기 내부에서는 단지 부분적으로만 함침되고, 함침된 섬유의 대부분은 다발의 외부 층 상에 위치한다. 상기 다발이 압출 다이를 빠져나가 냉각된 후에, 다발의 외부 표면 상에서 "경질 외피(shell)"의 복합체가 형성되고, 이 외피 층은 중심에 있는 남아있는 함침되지 않거나 단지 약간만 함침된 섬유를 타이트하게 둘러싼다.
본 발명의 섬유 다발은 수지로 완전히 함침되고 따라서 다발 내부에 성긴 섬유가 없는 섬유 다발과 비교하여 감소된 굽힘 강성 및 개선된 제조 효율을 나타낸다. 본 발명의 섬유 다발은, 광섬유, 및 다른 전선 및 케이블 응용예에 대해 유용한 강도 부재로 제공된다. 외피 복합체 및 중심에 있는 섬유 둘 모두는 다발의 인장 강도에 기여하지만, 다발의 압축 강도 및 굽힘 강성은 단지 외부 층인 섬유/수지 복합체에 의해서만 제공된다. 상기 섬유 다발은, 하기 특성 중 하나 이상을 나타낼 수 있다:
1. 압출로 제조하는 경우, 상기 다발의 단면 기하구조는 유동 역학(flow mechanics) 및 압출 다이의 설계 시 요건에 따라 가변될 수 있다.
2. 섬유 다발의 압축 강도는 섬유/수지 복합체 외피에 의해 결정되기 때문에, 외피 두께에서의 변화는 다발의 압축 강도를 가변시킬 것이다. 수지의 제형화, 압출 헤드 압력의 조절 및 라인 속도의 조절 중 하나 이상을 통해, 외부 복합체 외피 층의 두께는 다발이 적용되는 응용예의 요건에 따라 가변될 수 있다.
3. 다발의 섬유/수지 복합체 층과 중심의 성긴 섬유 사이의 체적(volume) 비를 조정함으로써, 다발의 굽힘 및 비틀림 강성은 다발이 적용되는 응용예의 요건에 따라 또한 조절될 수 있다. 복합체 외피 내 더욱 큰 체적은 다발에 대한 더욱 큰 강성(굽힘 및 비틀림 둘 모두에서의)을 의미한다.
4. 물 차단(water blocking) 코팅이 섬유 다발의 물 차단 특성을 향상시키기 위해 상기 섬유(특히 중심에 있는 섬유)에 첨가될 수 있다.
5. 전선 재킷 압출 라인은 전통적인 섬유 인발 공정과 비교하여 훨씬 더 높은, 예를 들어 10배 초과의 라인 속도를 갖는다. 결과적으로, 제조 효율이 훨씬 향상된다.
6. 가교 기술, 예컨대 수분 경화가, 응용을 위해 높은 열 저항이 요망되는 경우 매트릭스를 약간 가교시키도록 압출 공정과 함께 사용될 수 있다.
실시양태에서, 본 발명의 섬유 다발은 케이블에 개선된 가요성을 제공하기 위해 통상적인 FRP/GRP 강도 부재에 대한, 광섬유 케이블에서의 대체 강도 부재로 사용된다. 그러나, 본 발명의 섬유 다발은, 한 방향에서의 높은 인장 탄성률(tensile modulus)이 요망되는 다른 응용예에서 또한 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 섬유 다발 실시양태의 개략적인 단면도(cross-cut)이다.
도 2는 실시예에서 제조된 샘플의 탄성률을 기록한 그래프이다.
도 3은 실시예에서 제조된 샘플의 3지점 굽힘 시험의 결과를 기록한 그래프이다.
정의
문맥으로부터 암시되거나 당업계에서 통상적인 것에 대해 반대되는 것으로 설명되지 않는 한, 모든 부 및 퍼센트는 중량을 기준으로 한 것이며, 모든 시험 방법은 본 명세서의 출원일 현재를 기준으로 한 것이다. 미합중국 특허 실무의 목적 상, 임의의 인용된 특허, 특허 출원서 또는 공보의 내용은, 특히 정의(본 명세서에 구체적으로 제공된 임의의 정의와 일치되는 정도로) 및 당업계에서의 일반적인 지식의 개시에 관해서는 그 전문이 참고로 포함된다(또는 상기 특허, 특허 출원서 또는 공보의 동등한 US 버전이 참고로 포함된다).
본 명세서에서의 수치 범위는 대략적인 것이며, 따라서 이는 달리 지시하지 않는 한 상기 범위 밖의 값을 포함할 수 있다. 수치 범위는 하부 값 및 상부 값으로부터 그리고 이 값들을 포함하는 한 단위(unit)씩 증가하는 모든 값을 포함하는데, 단 임의의 하부 값과 임의의 상부 값 사이에서는 2 단위 이상이 차이나야 한다. 예를 들어 조성적, 물리적 또는 다른 특성, 예컨대 두께 등이 100 내지 1,000이라면, 모든 개별 값들, 예컨대 100, 101, 102 등, 및 하위 범위, 예컨대 100 내지 144, 155 내지 170, 197 내지 200 등이 명백하게 열거된다. 1 미만의 값을 포함하거나 1 초과의 분수(예를 들어, 1.1, 1.5 등)를 포함하는 범위에 대해서, 한 단위는 적절하게는 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1인 것으로 간주된다. 10 미만의 한자리 수를 포함하는 범위(예를 들어, 1 내지 5)에 대해서, 한 단위는 전형적으로는 0.1인 것으로 간주된다. 이들은 구체적으로 의도되는 것의 단지 예에 불과하고, 열거된 최저 값과 최고 값 사이의 수치 값의 모든 가능한 조합이 본 명세서에 명백하게 명시된 것으로 간주되어야 한다. 본 명세서 내에는 특히 제형의 성분 양, 두께 등에 대한 수치 범위가 제공된다.
"필라멘트" 및 유사 용어는 10 초과의, 직경에 대한 길이의 비를 갖는 연장된(elongated) 물질의 단일의 연속된 가닥을 의미한다.
"섬유" 및 유사 용어는 대체로 둥근 단면, 및 10 초과의 직경에 대한 길이의 비를 갖는 연장된 필라멘트의 연장된 컬럼을 의미한다.
"케이블" 및 유사 용어는 보호용 재킷 또는 외피 내의 하나 이상의 전선 또는 광섬유를 의미한다. 전형적으로, 하나의 케이블은 전형적으로 하나의 공통된 보호용 재킷 또는 외피 내에 함께 결합된 둘 이상의 전선 또는 광섬유이다. 상기 재킷 내 개별 전선 또는 섬유는 코팅되지 않거나 코팅되거나 절연되어 있을 수 있다. 케이블 조합체는 전기 전선 및 광섬유 둘 모두를 포함할 수 있다. 케이블 등은 낮은, 중간 정도 그리고 높은 전압의 응용예를 위해 설계될 수 있다. 전형적인 케이블 디자인은 USP 5,246,783, 6,496,629 및 6,714,707호에 예시되어 있다.
"둘러싸여진" 및 유사 용어는 섬유 다발의 문맥에서, 상기 다발 중간의 섬유가 섬유/수지 복합체로 둘러싸여 있음을 의미한다.
"평균 두께" 및 유사 용어는 섬유 다발의 섬유/수지 복합체 성분의 문맥에서, 상기 다발 근처의 둘 이상의 위치에서 임의의 적합한 수단에 의해 복합체의 두께를 측정한 다음 그 측정치의 합을 실시된 측정 횟수로 나눔으로써 측정된, 다발의 복합체 성분의 두께를 의미한다. "평균 두께" 및 유사 용어는 섬유 다발의 성긴 섬유 성분의 문맥에서, 다발 내부의 둘 이상의 위치에서 임의의 적합한 수단에 의해 성긴 섬유 성분의 두께를 측정한 다음 상기 측정치의 합을 실시된 측정 횟수로 나눔으로써 측정된, 상기 다발의 성긴 섬유 성분의 두께를 의미한다.
섬유
폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유, 폴리에스테르 섬유, 유리 섬유, 흑연 섬유, 석영 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 알루미늄 섬유, 및 이들 또는 다른 섬유의 둘 이상의 조합체를 포함하나 열거된 것들로 제한되지 않은 다양한 종류의 섬유가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 섬유는 전형적으로 실패 상의 개별 필라멘트의 다발인 얀(yarn) 또는 로빙(roving)으로 이용가능하다. 섬유의 데니어(denier)는 섬유의 조성 및 섬유 다발이 위치하는 응용예에 따라 가변될 수 있지만, 전형적으로는 400 내지 5,000 TEX, 더욱 전형적으로는 600 내지 3,000 TEX, 및 훨씬 더 전형적으로는 700 내지 2,500 TEX이다.
대표적인 폴리올레핀 섬유에는, 허니웰(Honeywell) 제품인 스펙트라(SPECTRA)® 900 폴리에틸렌 섬유, 다우(DOW) XLAtm 폴리올레핀 섬유가 포함된다. 대표적인 유리 섬유에는, 오웬스 코닝(Owens Corning)의 E-유리 섬유 OC® SE 4121(1200 또는 2400 Tex), 및 존 맨빌(John Manville) JM 473AT(2400 tex), 473A(2400 및 1200 tex), PPG 4599(2400 tex)가 포함된다. OC® SE 4121은 단일 말단의 연속 로빙(유형 30) 부류의 진보된 한 성분이다. 이 제품은 폴리프로필렌 장 섬유 열가소성(LFT) 응용예에 사용하도록 특별하게 설계되어 있다. OC SE 4121은 직접-LFT 공정에 적합하도록 설계된 화학성을 갖는다.
섬유 다발 내 섬유의 양은, 상기 다발의 중량을 기준으로 전형적으로는 20 중량% 이상, 더욱 전형적으로는 60 중량% 이상, 및 훨씬 더 전형적으로는 80 중량% 이상이다. 섬유 다발 내 섬유의 최대 량은, 상기 다발의 중량을 기준으로 전형적으로 98 중량% 이하, 더욱 전형적으로는 98 중량% 이하, 및 훨씬 더 전형적으로는 90 중량% 이하이다.
함침용 수지
일반적으로 공지되고 섬유 보강된 중합체성 수지를 형성시키는데 사용되는 그러한 수지를 포함하나 이들로 제한되지 않는 다양한 종류의 상업적으로 입수가능한 열가소성 수지가, 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 전형적인 열가소성 수지에는 아크릴 수지, 아크릴레이트 수지, 에폭시 수지, 카르보네이트 수지, 폴리올레핀 수지, 및 이들 및/또는 다른 수지의 둘 이상의 조합체가 포함되나 이들로 제한되지 않는다.
본 발명의 실시에 유용한 폴리올레핀 수지는 열가소성이며, 여기에는 폴리올레핀 동종중합체 및 공중합체(interpolymer)가 포함된다. 폴리올레핀 동종중합체의 예로는 에틸렌 및 프로필렌의 동종중합체가 있다. 폴리올레핀 공중합체의 예로는 에틸렌/α-올레핀 공중합체, 및 프로필렌/α-올레핀 공중합체가 있다. 상기 α-올레핀은 바람직하게는 C3-20의 선형, 분지형 또는 고리형 α-올레핀(프로필렌/α-올레핀 공중합체의 경우, 에틸렌이 α-올레핀으로 간주된다). C3-20 α-올레핀의 예에는 프로펜, 1-부텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 및 1-옥타데센이 포함된다. 상기 α-올레핀은 또한 고리형 구조, 예컨대 시클로헥산 또는 시클로펜탄을 함유할 수 있어서, 결과적으로 3-시클로헥실-1-프로펜(알릴 시클로헥산) 및 비닐 시클로헥산과 같은 α-올레핀이 얻어진다. 전통적인 의미의 α-올레핀이 아니라 하더라도, 본 발명의 목적을 위한 특정의 고리형 올레핀, 예컨대 노르보르넨 및 관련된 올레핀이 α-올레핀이고, 이는 상술된 α-올레핀의 일부 또는 전부를 대신하여 사용될 수 있다. 유사하게, 스티렌 및 그의 관련된 올레핀(예를 들어, α-메틸스티렌 등)이 본 발명의 목적을 위한 α-올레핀이다. 예시적인 폴리올레핀 공중합체에는, 에틸렌/프로필렌, 에틸렌/부텐, 에틸렌/1-헥센, 에틸렌/1-옥텐, 에틸렌/스티렌 등이 포함된다. 예시적인 공중합체에는 에틸렌/프로필렌/1-옥텐, 에틸렌/프로필렌/부텐, 에틸렌/부텐/1-옥텐, 및 에틸렌/부텐/스티렌이 포함된다. 상기 공중합체는 랜덤 또는 블록 형태일 수 있다.
상기 폴리올레핀 수지는 또한 불포화 에스테르 또는 산과 같은 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있고, 이러한 폴리올레핀은 널리 공지되어 있으며 통상적인 고압 기술에 의해 제조될 수 있다. 상기 불포화 에스테르는 알킬 아크릴레이트, 알킬 메타크릴레이트, 또는 비닐 카르복실레이트일 수 있다. 상기 알킬 기는 탄소수 1 내지 8개, 바람직하게는 1 내지 4개를 함유할 수 있다. 상기 카르복실레이트 기는 탄소수 2 내지 8개, 및 바람직하게는 2 내지 5개를 함유할 수 있다. 에스테르 공단량체에 기여하는 공중합체의 비율은 공중합체의 중량을 기준으로 1 내지 50 중량% 이하의 범위 내일 수 있다. 아크릴레이트 및 메타크릴레이트의 예로는, 에틸 아크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트 및 2-에틸헥실 아크릴레이트가 있다. 비닐 카르복실레이트의 예로는, 비닐 아세테이트, 비닐 프로피오네이트 및 비닐 부타노에이트가 있다. 불포화 산의 예에는 아크릴산 또는 말레산이 포함된다.
당업계에 일반적으로 공지된 바와 같이 실시될 수 있는 그래프팅을 통해 작용기가 또한 폴리올레핀 중에 포함될 수 있다. 실시양태에서, 그래프팅은 전형적으로 올레핀 중합체, 자유 라디칼 개시제(예컨대 퍼옥시드 등) 및 작용기 함유 화합물을 용융 배합시키는 것을 포함하는 자유 라디칼 작용화에 의해 실시될 수 있다. 용융 배합시키는 동안, 자유 라디칼 개시제는 올레핀 중합체와 반응(반응성 용융 배합)하여 중합체 라디칼을 형성한다. 작용기 함유 화합물은 중합체 라디칼의 주쇄에 결합하여 작용화된 중합체를 형성한다. 예시적인 작용기 함유 화합물에는 알콕시실란, 예를 들어 비닐 트리메톡시실란, 비닐 트리에톡시실란, 및 비닐 카르복실산 및 무수물, 예를 들어 말레산 무수물이 포함되나 이들로 제한되지 않는다.
본 발명에 유용한 폴리올레핀의 더욱 구체적인 예에는, 매우 낮은 밀도의 폴리에틸렌(VLDPE)(예를 들어, 더 다우 케미컬 컴퍼니(The Dow Chemical Company) 제품인 플렉소머(FLEXOMER)® 에틸렌/1-헥센 폴리에틸렌), 균질하게 분지된, 선형 에틸렌/α-올레핀 공중합체(예를 들어, 미츠이 페트로케미컬스 컴퍼니 리미티드(Mitsui Petrochemicals Company Limited) 제품인 타프머(TAFMER)® 및 엑손 케미컬 컴퍼니(Exxon Chemical Company) 제품인 이그잭트(EXACT)®), 균질하게 분지된, 실질적으로 선형의 에틸렌/α-올레핀 중합체(예를 들어, 더 다우 케미컬 컴퍼니로부터 입수가능한 어피니티(AFFINITY)® 및 엔가게(ENGAGE)® 폴리에틸렌), 및 USP 7,355,089호에 기재된 것과 같은 올레핀 블록 공중합체(예를 들어, 더 다우 케미컬 컴퍼니로부터 입수가능한 인퓨즈(INFUSE)®)가 포함된다. 더욱 바람직한 폴리올레핀 공중합체는, 균질하게 분지된 선형의 그리고 실질적으로 선형의 에틸렌 공중합체이다. 상기 실질적으로 선형의 에틸렌 공중합체가 특히 바람직하며, 이는 USP 5,272,236, 5,278,272, 및 5,986,028호에 더욱 상세하게 기재되어 있다.
본 발명의 실시에 유용한 폴리올레핀에는 또한 프로필렌, 부텐 및 다른 알켄 기재 공중합체, 예를 들어 프로필렌으로부터 유래한 다량의 단위, 및 다른 α-올레핀(에틸렌을 포함하는)으로부터 유래한 소량의 단위를 포함하는 공중합체가 포함된다. 본 발명의 실시에 유용한 예시적인 프로필렌 중합체에는, 더 다우 케미컬 컴퍼니로부터 입수가능한 버시피(VERSIFY)® 중합체, 및 엑손모빌 케미컬 컴퍼니로부터 입수가능한 비스타맥스(VISTAMAXX)® 중합체가 포함된다.
상기 올레핀계 엘라스토머의 임의의 배합물이 또한 본 발명에 사용될 수 있고, 올레핀 엘라스토머는, 바람직한 모드에서, 본 발명의 올레핀 엘라스토머가 배합물의 열가소성 중합체 성분의 약 50 중량% 이상, 바람직하게는 약 75 중량% 이상 및 더욱 바람직하게는 약 80 중량% 이상을 구성하여 가요성을 유지하는 정도로, 하나 이상의 다른 중합체와 함께 배합되거나 희석될 수 있다. 덜 바람직한 모드에서 그리고 추구될 수 있는 다른 특성에 대해 의존적으로, 올레핀 엘라스토머 함량은 열가소성 중합체 성분의 50% 미만일 수 있다. 실시양태에서, 함침용 수지는 더 다우 케미컬 컴퍼니로부터 입수가능한 인스파이어(INSPIRE)® 404 또는 다우(DOW)® H734-52RNA 퍼포먼스 중합체(폴리프로필렌), 또는 다른 공급업체로부터 입수가능한 유사 등급의 폴리프로필렌 수지이다.
본 발명의 실시에 사용된 수지에는, 가공성 및/또는 사용을 촉진시키기 위해 하나 이상의 첨가제가 포함될 수 있다. 전형적인 첨가제에는, 상용성/커플링제, 예를 들어 듀퐁(Dupont) 제품인 푸사본드(FUSABOND)® P353 또는 아르케마(Arkema) 제품인 오레박(OREVAC)® CA 100 또는 켐투라(Chemtura) 제품인 폴리본드(POLYBOND)® 3200; 유동성 촉진제, 예를 들어 보레알리스(Borealis) 보르플로우(BORFLOW)® 405 또는 805, 또는 다우 어피니티® GA 1950; 안료, 예를 들어 허브론 블랙 마스터배치(Hubron Black Masterbatch) PPB 또는 캐봇(Cabot) 플라스블랙(PLASBLAK)® 4045; 및 산화방지제, 예를 들어 이르가녹스(IRGANOX)® 1010, 이르가포스(IRGAFOS)® 168 및/또는 이르가녹스® PS 802(시바 스페셜티 케미컬스(Ciba Specialty Chemicals) 제품)가 포함된다. 이러한 및 다른 첨가제는 통상적인 양 및 통상적인 방식으로 사용된다.
섬유 다발 내 수지(임의의 첨가제 및/또는 충전제 포함)의 양은 상기 다발의 중량을 기준으로 전형적으로 3 중량% 이상, 더욱 전형적으로 5 중량% 이상, 및 훨씬 더 전형적으로 8 중량% 이상이다. 섬유 다발 내 수지의 최대 량은 상기 다발의 중량을 기준으로 전형적으로 80 중량% 이하, 더욱 전형적으로는 60 중량% 이하, 및 훨씬 더 전형적으로는 40 중량% 이하이다. 다발 내 수지의 더욱 높은 농도, 및 그에 따라 더욱 두꺼운 경질 또는 외피, 즉 복합체를 위해서는, 수지가 더욱 오랫동안 다발을 관통할 수 있도록 압출기의 라인 속도가 서행한다.
섬유 다발의 제조 방법
실시양태에서, 전선 재킷 압출에 현재 사용되는 임의의 전선 재킷 라인이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 이러한 라인은 장치의 입수가능성 때문에 케이블 제조업자에게 큰 융통성을 제공한다. 전형적으로, 상기 수지는 압출기 전면 말단에서의 직접적인 배합에 의해 모든 성분과 함께 제형화된다. 다수개의 계량 공급장치(meter feeder)가, 수지 및 첨가제를 압출기 내로 공급하는데 사용될 수 있다. 압출기 축(screw)은 2.5:1보다 큰 압축 비로 설정될 수 있다. 축 내 혼합 요소가 적절한 경우 사용되어야 하며, 전형적으로는 단지 최소의 혼합 요소가 필요하다. 챔버 온도는 전형적으로 압출기 내 다양한 구역에 대해 100 내지 220℃에서 설정되며, 다이 온도가 전형적으로 모든 구역 중 가장 높다. 압출 속도는 섬유 직경에 의존하지만 전형적으로 분 당 3 내지 15 피트이다. 라인 속도의 주요 결정요소는 목적하는 함침 깊이이다. 수지는 전형적으로 섬유 외부 둘레로부터 측정된 반경의 평균 1/3 이상(또는 원형 이외의 단면의 경우에는 반경의 1/3에 상당함) 그리고 전형적으로는 외부 둘레로부터 측정된 반경의 평균 1/2 이하를 침투한다.
섬유 다발에 대한 상세한 설명
도 1은 본 발명의 섬유 다발의 단면도를 도시한다. 다발(10)은 섬유/수지 복합체(12)로 둘러싸인 성긴 섬유(11)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 복합체(12)의 두께는 성긴 섬유(11) 주위에서 반드시 균일한 것은 아니다. 전형적으로 복합체 내 섬유의 전부 또는 실질적으로 전부는 다발의 탄성률이 최대화되도록 연속적이다. 섬유/수지 복합체의 평균 두께는 가변될 수 있지만, 전형적으로 이 두께는 섬유 다발 반경의 1/3 이상이다. 복합체가 두꺼울수록, 상기 다발은 덜 가요성이게 된다. 다발 중심이 수지로 함침되지 않았거나 단지 최소로만 함침된 섬유를 포함하므로, 그에 따라 이는 수지의 매트릭스를 통해 서로에 결합되지 않는다.
광섬유 케이블 내 강도 부재로 기능하기 위해서, 전형적으로 섬유 다발은 하기 특성 중 하나 이상을 지닐 것이다:
1. 49 기가파스칼(GPa) 이상의 탄성률. 높은 탄성률은 섬유 로딩량(유리 섬유), 및 섬유와 매트릭스 사이의 접합력의 함수이다.
2. 섬유는 복합체 내에서는 연속적이다. 높은 탄성률 요건에 도달하기 위해서, 전형적으로 섬유의 95% 이상이 복합체 내에서 연속적이어야 한다.
3. 섬유는 다발의 길이방향으로 배향되어 있다.
4. 섬유/수지 복합체는 외부 둘레로부터 측정된 섬유 다발 반경의 1/3 이상이다.
5. 복합체의 수지와 섬유 사이의 강한 접합력.
본 발명을 하기 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 다르게 설명되지 않는 한, 모든 부 및 퍼센트는 중량에 의한 것이다.
실시예
재료
섬유는 허니웰로부터 입수가능한 1200 데니어 및 120 필라멘트의 초고분자량 폴리에틸렌 얀인, 스펙트라® 900이다. 상기 섬유의 용융 온도는 150℃이고, 이 섬유의 다른 특징은 하기 표 1에 기록되어 있다.
수지는, 더 다우 케미컬 컴퍼니로부터 입수가능하고 0.870 g/cc의 밀도, 5 g/10분의 용융 지수, 60℃의 융점을 갖는 에틸렌-옥텐 공중합체인, 엔가게® 8200EG 폴리에틸렌 엘라스토머이다.
스펙트라® 900 섬유의 특성
중량/단위 길이
(데니어)
(데시텍스)
650
722
1200
1333
4800
5333
최대 인장 강도
(g/den)
(Gpa)
30.5
2.6
30
2.57
25.5
2.18
파단 강도 (lbs.) 44 79 270
탄성률
(g/den)
(Gpa)
920
79
850
73
885
75
신장률(%) 3.6 3.9 3.6
밀도
(g/cc)
(lbs/in3)
0.97
0.035
0.97
0.035
0.97
0.035
필라멘트/토우(tow) 60 120 480
필라멘트(dpf) 10.8 10.0 10.0
다발의 제조 방법
섬유 다발을, 5개의 마력 모터 및 4개의 가열 구역을 구비한 미니전선 라인 압출기를 사용하여 제조하였다. 섬유 및 수지를 1의 중량 비에서 혼합하였다. "경질 외피" 또는 함침 복합체의 두께를 0.7 내지 0.75 mm로 조절하였다.
상기 압출기에 단일 축을 장착시키고 이것을 25의 길이/직경 비에서 3:1의 압축 비로 조작하였다. 혼합 요소는 사용하지 않았다. 압출 구역 온도 프로파일은 구역 1에 대해서는 105℃, 구역 2에 대해서는 110℃, 구역 3에 대해서는 115℃, 및 다이에 대해서는 120℃이었다. 다이 및 가이더 팁은 개구의 0.053 인치로 설정되었고, 축은 분 당 15 회전수(rpm)에서 회전하였다. 제조된 섬유는 0.072 인치(1.829 mm)의 외부 직경을 지녔다. 경질 외피는 0.71 mm의 두께로 측정되었다.
시험 방법
섬유 다발의 인장 특성을, ASTM D638-03의 과정에 따라서 그리고 플라스틱의 인장 특성에 대한 표준 시험 방법[문헌: 2008 Annual Book of ASTM Standards, Section 8, Vol. 08.01, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2008, 참조]에 따라서 측정하였다.
시험 결과
도 2에는 얻어진 탄성률 데이터가 기록되어 있다. 결과는 49 GPa(이것은 광섬유 케이블에 사용된 CRP/FRP에 대한 현재 사양(specification)이며 그래프에서는 검은 선으로 표시되어 있다)를 초과한다. 도 3에는 2인치의 시험 간격으로 실시한, 간단한 3 지점 굽힘 시험의 하중 휘어짐(load-deflection) 시험 데이터가 기록되어 있다. 본 실시예에서 제조된 샘플 및 현재 산업적으로 사용되는 통상적인 FRP 샘플(2.5 mm 직경)에 대하여 시험을 실시하였다.
도 3에 도시된 하중 대 휘어짐 데이터(3 지점 굽힘 시험)는, 본 실시예에서 제조된 샘플이 통상적인 FRP 섬유 다발보다 훨씬 더 가요성임을 입증한다(반면에, 이의 인장 탄성률은 도 2에 도시된 바와 같이 산업적 사양을 여전히 초과한다).
본 발명을 바람직한 실시양태에 대한 선행하는 설명을 통해 특정 정도로 상세하게 설명하였지만, 이러한 상세한 설명은 주로 예시를 위한 것이다. 하기 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 당업자에 의해 많은 변형 및 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 섬유/수지 복합체 내에 둘러싸인 성긴(loose) 섬유를 포함하는 섬유 다발.
  2. 제1항에 있어서, 다발이 반경을 가지며, 복합체가 상기 다발 반경의 1/3 이상인 평균 두께를 차지하는, 섬유 다발.
  3. 제2항에 있어서, 다발이 직경을 가지며, 상기 다발 내 성긴 섬유가 다발의 평균 직경의 1/10 이상을 차지하는, 섬유 다발.
  4. 제3항에 있어서, 섬유가 다발의 전체 중량을 기준으로 다발의 20 내지 95%를 차지하는, 섬유 다발.
  5. 제4항에 있어서, 수지가 다발의 전체 중량을 기준으로 다발의 5 내지 80%를 차지하는, 섬유 다발.
  6. 제5항에 있어서, 성긴 섬유 및 섬유/수지 복합체 둘 모두의 섬유가, 폴리올레핀, 나일론, 폴리에스테르, 유리, 흑연, 석영, 금속 및 세라믹 중 하나 이상을 포함하는, 섬유 다발.
  7. 제6항에 있어서, 수지가 폴리올레핀 중합체인, 섬유 다발.
  8. 제1항의 섬유 다발을 포함하는, 케이블 또는 다른 구조물.
  9. 제1항의 섬유 다발을 포함하는, 광섬유 케이블.
  10. (A) 섬유의 일부가 다발의 내부를 형성하고 섬유 일부가 다발의 외부를 형성하도록 섬유를 함께 묶는 단계, 및 (B) (1) 다발의 외부를 형성하는 섬유 및 수지가 다발의 내부를 형성하는 섬유를 둘러싸는 섬유/수지 복합체를 형성하고, (2) 다발의 내부를 형성하는 섬유가 수지로 함침되지 않도록, 다발의 외부를 수지로 함침시키는 단계를 포함하는, 섬유 다발의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 섬유 다발이 압출에 의해 제조되는, 제조 방법.
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