KR20130119323A - 와이어 및 케이블의 강도 부재로서의 섬유 강화 열가소성 테이프 - Google Patents

와이어 및 케이블의 강도 부재로서의 섬유 강화 열가소성 테이프 Download PDF

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KR20130119323A
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Abstract

섬유 강화 테이프는 종축, 30 중량% 이상의 섬유 및 2 중량% 이상의 열가소성 수지를 포함하고, 단, 테이프의 섬유의 30% 이상이 테이프의 종축을 따라서 적어도 부분적으로 배향된다. 테이프는 와이어 및 케이블 구조물, 특히 광섬유 케이블 구조물의 강도 부재로 유용하다.

Description

와이어 및 케이블의 강도 부재로서의 섬유 강화 열가소성 테이프{FIBER-REINFORCED, THERMOPLASTIC TAPE AS A STRENGTH MEMBER FOR WIRE AND CABLE}
본 발명은 와이어 및 케이블에 관한 것이다. 한 측면에서, 본 발명은 와이어 또는 케이블의 강도 부재에 관한 것이고, 한편, 또 다른 측면에서, 본 발명은 섬유 강화 테이프 형태의 강도 부재에 관한 것이다. 또 다른 측면에서, 본 발명은 섬유 강화 테이프 형태의 강도 부재 제조 방법에 관한 것이고, 한편, 또 다른 측면에서, 본 발명은 섬유 강화 테이프 강도 부재를 포함하는 와이어 및 케이블에 관한 것이다.
광섬유 케이블은 광섬유에 유해 수준의 종방향 및 횡방향 응력으로부터 충분한 보호를 제공하도록 설계된 복합 구조물이다. 추가로, 이 구조물은 또한 광섬유의 유효 수명에 좋은 화학적 및 물리적 환경을 제공한다. 광섬유 케이블과 전력 케이블 사이의 한가지 근본적인 차이는 전력 케이블 내의 금속 전도체는 설치 및 가동중 상태 동안에 생성되는 인장 응력의 적어도 일부를 부담한다는 것이다. 대조적으로, 광섬유 케이블은 케이블에 통합된 강도 부재를 함유하여 특별히 섬유를 인장 및 압축 응력으로부터 격리한다. 충분한 인장 및 압축 강도, 작은 반경 굽힘을 견디는 능력, 용이한 섬유 취급 및 케이블 설치, 및 경쟁력 있는 비용은 광섬유 케이블, 및 강도 부재를 포함한 그의 성분 부품을 설계할 때 고려해야 하는 많은 기준 중 몇 가지에 불과하다.
광섬유 케이블에는 많은 종류의 설계가 이용가능하고, 선택되는 설계는 응용에 의존한다. 무엇을 선택하든, 모두가 설치 및 가동중 사용 동안에 케이블의 인장 및 압축 응력을 부담하는 어떤 종류의 강도 부재를 요구한다.
현재 사용 중인 강도 부재는 유리 섬유가 보강재인 경우 유리 강화 플라스틱(GRP)이라고도 알려진 섬유 강화 플라스틱(FRP), 또는 스테인리스강으로 주로 제조된다. 전통적으로, FRP 또는 GRP는 하나 이상의 열경화 수지, 예컨대 비닐 에스테르 또는 에폭시를 이용하는 섬유 인발 공정을 통해 제조되지만, 공정의 속도가 매우 제한된다. 추가로, 현재 입수가능한 GRP 또는 FRP/열경화 수지 복합체는 과도한 강성을 가지는 경향이 있고, 이것은 이러한 강도 부재를 포함하는 광섬유 케이블을 특히 건물 둘레에 또는 케이블의 급격한 굽힘이 종종 필요한 번화한 도시 거리를 따라서 설치하는 것을 어렵게 한다. 스테인리스강 및 느슨한 아라미드사에 대해 말하면, 전자는 상대적으로 값이 비싸고 무겁고, 한편, 후자는 제조 공정 동안에 취급이 어렵고, 그들은 케이블 내에 많은 공간을 차지한다.
장섬유 강화 열가소성(LFT) 기술은 자동차 산업에서 사출 성형 공정을 통한 전면 패널 제조에 이용되고, 스트립 또는 펠렛 형태의 LFT 물질은 다양한 섬유 및 수지 시스템과 함께 시장에서 광범위하게 입수가능하다. 또한, 그것은 특정 규격에 맞게 맞춤 제작된다.
한 실시양태에서, 본 발명은 섬유 강화 열가소성 테이프 형태의 강도 부재이다. 한 실시양태에서, 테이프는 섬유에 적어도 부분적 기계방향 배향을 부여하여 결과적으로 테이프에 열가소성 수지 자체의 탄성계수보다 4 배 이상 큰 탄성계수를 부여하는 압출기를 통해서 가공된 LFT 물질을 이용해서 제조된 섬유 번들을 포함한다. 테이프는 광섬유 케이블 및 다른 와이어 및 케이블 응용에서 강도 부재로 유용하다.
한 실시양태에서, 본 발명은 30 중량% 이상의 섬유 및 2 중량% 이상의 열가소성 수지를 포함하고, 다만, 테이프의 섬유의 30% 이상이 테이프의 종축을 따라서 적어도 부분적으로 배향된, 종축을 갖는 섬유 강화 테이프이다.
한 실시양태에서, 본 발명은 (A) 30% 이상의 섬유 및 2 중량% 이상의 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 열가소성 펠렛 또는 스트립을 제조하는 단계, (B) 펠렛 또는 스트립으로부터 압출가능 덩어리를 형성하는 단계, 및 (C) 덩어리를 압출하여 기계 방향 및 교차 방향 치수를 가지고, 다만, 섬유의 30% 이상이 기계 방향으로 배향된 테이프를 형성하는 단계를 포함하는, 섬유 강화 열가소성 테이프 제조 방법이다.
한 실시양태에서, 본 발명은 테이프가 30 중량% 이상의 섬유 및 2 중량% 이상의 열가소성 수지를 포함하고, 다만, 테이프의 섬유의 30% 이상이 테이프의 종축을 따라서 적어도 부분적으로 배향된 섬유 강화 테이프를 포함하는 와이어 또는 케이블 구조물이다. 한 실시양태에서, 본 발명은 섬유 강화 테이프를 포함하는 광섬유 케이블이다.
본 발명은 LFT 물질에서 높은 섬유 함량 및 긴 섬유 길이에 영향을 준다. 본 발명의 의도 하에서는, 다양한 섬유 담지량을 갖는 LFT 스트립(예를 들어, 4 내지 12 ㎜ 길이)을 소정의 온도 프로필 및 다이 디자인을 이용하는 압출기를 통해 가공하여 얇은 테이프, 예를 들어 대표적으로 2 ㎜ 미만의 두께를 갖는 얇은 테이프 형태의 복합 섬유 번들을 생성한다. 일단 물질이 테이프 권취 속도 조절을 통해 다이를 빠져나가면, 25% 이상의 연신이 달성될 수 있다. 연신은 복합체에서 기계 방향을 따라서 섬유를 배향시키는 것을 돕는다. 높은 섬유 담지량 및 배향 때문에, 기계 방향을 따라서 LFT 복합 테이프의 인장 탄성계수가 수지 단독의 탄성계수의 4배를 초과할 수 있다. 이 높은 탄성계수 특징은 복합 테이프가 광섬유 케이블에서 강도 부재로 이용되기에 적합하게 하고, 이것은 케이블에서 자켓 또는 다른 보호층의 두께를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 또한, 이 테이프는 광섬유 케이블에서 값이 비싸고 가공이 어려운 아라미드사를 대체할 수 있다.
LFT 섬유 번들 테이프를 와이어 및 케이블 응용, 특히, 광섬유 케이블에서 강도 부재로 이용하면, 와이어 또는 케이블에 통상의 강도 부재를 이용하는 것에 비해 다음 이점 중 하나 이상을 얻을 수 있다:
A. 가벼운 중량,
B. 섬유 인발 기술과 대조되는 압출 기술 이용으로 인한 더 좋은 제조 효율,
C. 테이프가 느슨한 아라미드사보다 더 팽팽하게 광섬유 번들 둘레를 감을 수 있기 때문에 더 조밀한 케이블,
D. 추가의 내압쇄성,
E. 재활용성,
F. 제제에 물 차단제를 포함시킴으로써 물 차단,
G. 가교성.
본 발명의 섬유 강화 테이프는 와이어 및 케이블 응용을 위한 효과적인 강도 부재이고, 그것은 광섬유 케이블에서 현재의 FRP/GRP 또는 아라미드 강도 부재의 실용적 대체물이다.
도 1은 본 발명의 복합 테이프를 제조하기 위한 이축 스크류 압출기의 온도 및 압력 프로필을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 60 중량% 섬유 담지량으로 압출된 본 발명의 복합 테이프를 도시한 도면.
도 3은 압출된 복합체 및 성형된 복합체 및 니트(neat) 수지의 탄성계수 비교를 보고하는 그래프.
도 4는 압출된 샘플 및 성형된 샘플의 피크 응력 비교를 보고하는 그래프.
정의
반대로 언급되지 않거나, 문맥으로부터 암시되지 않거나 또는 당 업계에서 통상적이지 않으면, 모든 부 및 %는 중량 기준으로 하고, 모든 시험 방법은 본 게재물의 출원일로부터 통용된다. 미국 특허 실시 목적상, 특히, 정의에 대한 게재(본 게재물에 구체적으로 제공된 어떠한 정의와도 불일치하지 않는 한에서) 및 당 업게 일반 지식에 관해서, 어떠한 참고 특허, 특허 출원 또는 공개의 내용도 그 전문이 참고로 포함된다(또는, 따라서, 그의 동등한 미국 대응물도 참고로 포함된다).
본 게재물에서 수치 범위는 대략적이고, 따라서, 다르게 지시되지 않으면, 그 범위 밖의 값들을 포함할 수 있다. 수치 범위는 한 단위씩 증가하는 하한값 및 상한값을 포함해서 그로부터의 모든 값을 포함하고, 단, 어떠한 하한값과 어떠한 상한값 사이도 적어도 두 단위 분리된다. 한 예로서, 조성, 물리적 또는 다른 성질, 예컨대, 예를 들어 두께가 100 내지 1000이면, 100, 101, 102 등 같은 모든 개개의 값, 및 하위 범위, 예컨대 100 내지 144, 155 내지 170, 197 내지 200 등이 명백히 열거된다. 1보다 작은 값을 함유하거나 또는 1보다 큰 분수(예를 들어, 1.1, 1.5 등)를 함유하는 범위의 경우, 한 단위는 적절한 대로 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1이라고 여긴다. 10보다 작은 한자리 수를 함유하는 범위(예를 들어, 1 내지 5)의 경우, 한 단위는 대표적으로 0.1이라고 여긴다. 이것은 구체적으로 의도된 것의 예에 불과하고, 본 게재물에서는 열거된 최저값과 최고값 사이의 수치 값의 모든 가능한 조합을 명백히 언급하는 것으로 여겨야 한다. 본 게재물에서는 그 중에서도 제제의 성분 양, 두께 등에 대해서 수치 범위가 제공된다.
"필라멘트" 및 유사 용어는 10 초과의 길이 대 직경 비를 갖는 기다란 물질의 하나의 연속 스트랜드를 의미한다.
"섬유" 및 유사 용어는 일반적으로 둥근 단면 및 10 초과의 길이 대 직경 비를 갖는 기다란 한 줄의 얽힌 필라멘트를 의미한다.
"케이블" 및 유사 용어는 보호 자켓 또는 쉬드(sheath) 내의 적어도 하나의 와이어 또는 광섬유를 의미한다. 대표적으로, 케이블은 대표적으로 하나의 공통 보호 자켓 또는 쉬드 내의 함께 결합된 둘 이상의 와이어 또는 광섬유이다. 자켓 내부의 개별 와이어 또는 섬유는 피복되지 않거나, 피복되거나 또는 절연될 수 있다. 조합 케이블은 전기 와이어 및 광섬유를 둘 모두 함유할 수 있다. 케이블 등은 저전압, 중전압 및 고전압 응용에 맞게 설계할 수 있다. 대표적인 케이블 설계는 미국 특허 제5,246,783호, 제6,496,629호 및 제6,714,707호에 예시되어 있다.
"테이프" 및 유사 용어는 무한한 길이의 얇은 물질 스트립을 의미한다. 대표적으로, 물질 스트립의 길이는 그의 폭 또는 두께보다 10 배 이상 크다.
"적어도 부분적 기계방향 배향" 및 유사 용어는 기계 방향 및 교차 방향을 가지는 열가소성 테이프에서 섬유의 어느 일정 백분율, 대표적으로 30% 이상이 테이프 내에서 섬유의 길이 치수가 테이프의 교차 방향보다 테이프의 기계방향과 더 많이 정렬되도록 위치하는 것을 의미한다.
"기계 방향" 및 유사 용어는 압출기를 통한 물질의 전진 이동과 평행한 방향을 의미한다. 압출된 물질의 경우, 기계 방향 및 종축은 동일 의미를 가진다.
"교차 방향" 및 유사 용어는 기계 방향에 대해 법선이거나 또는 수직인 방향을 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 둘 이상의 이들 섬유 또는 다른 섬유의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 종류의 섬유가 본 발명의 실시에 이용될 수 있다. 섬유는 대표적으로 스풀 상의 개개의 필라멘트의 번들인 로빙 또는 야안(yarn)으로서 입수가능하다. 섬유의 데니어는 섬유의 조성 및 섬유 번들의 응용에 따라서 달라질 수 있지만, 대표적으로 그것은 400 내지 5000 TEX, 더 대표적으로 600 내지 3000 TEX, 훨씬 더 대표적으로 700 내지 2500 TEX이다.
대표적인 폴리올레핀 섬유는 하니웰(Honeywell)로부터의 스펙트라(SPECTRA)® 900 폴리에틸렌 섬유, 다우(DOW) XLA™ 폴리올레핀 섬유, 및 토호(TOHO) 테낙스(TENAX) 베스파이트(BESFIGHT)® G30-700 탄소 섬유를 포함한다. 대표적인 유리 섬유는 오웬스 코닝(Owens Corning)의 E-유리 섬유 OC® SE 4121(1200 또는 2400 tex), 및 존 만빌(John Manville) JM 473AT(2400 tex), 473A(2400 및 1200 tex), PPG 4599(2400 tex)를 포함한다. OC® SE 4121은 싱글-엔드 컨티뉴어스 로빙즈(Single-End Continuous Rovings)(타입 30) 집합의 고급 구성원이다. 이 제품은 특별히 폴리프로필렌 장섬유 열가소성(LFT) 응용에 이용되도록 고안된 것이다. OC SE 4121은 직접-LFT 공정에 적당하도록 고안된 화학적 성질을 가진다.
유리 섬유: 만빌(Manville) JM 473AT(1100, 1200, 또는 2400 tex) 또는 다른 공급원으로부터의 유사 등급의 섬유가 이용될 수 있다. 만빌 JM 473AT는 스타로브(STARROV)® LFT플러스 직접 로빙 섬유이고, 정해진 직경의 연속 유리 섬유를 실린더형 로빙 패키지로 직접 권취함으로써 제조된다. 이 로빙은 LFT 공정에서 폴리프로필렌 중합체의 강화에 이용되도록 고안된 것이다. 선택된 물질 성질 및 섬유 특성을 표 1에 싣는다.
Figure pct00001
섬유 번들 중의 섬유 양은 대표적으로 번들의 중량을 기준으로 20 중량% 이상, 더 대표적으로 60 중량% 이상, 훨씬 더 대표적으로 80 중량% 이상이다. 섬유 번들에서 섬유의 최대 양은 대표적으로 번들의 중량을 기준으로 98 중량%를 초과하지 않고, 더 대표적으로 95 중량%를 초과하지 않고, 훨씬 더 대표적으로 90 중량%를 초과하지 않는다.
수지
섬유 강화 중합체 플라스틱 형성에 이용되는 흔히 알려진 수지를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 종류의 상업적으로 입수가능한 열가소성 수지가 본 발명의 섬유 강화 테이프 제조에 이용되는 섬유 강화 번들의 제조에 이용될 수 있다. 대표적인 열가소성 수지는 아크릴 수지, 아크릴레이트 수지, 에폭시 수지, 카르보네이트 수지, 폴리올레핀 수지 및 둘 이상의 이들 수지 및/또는 다른 수지의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시에 유용한 폴리올레핀 수지는 열가소성이고, 폴리올레핀 단일중합체 및 혼성중합체를 둘 모두 포함한다. 폴리올레핀 단일중합체의 예는 에틸렌 및 프로필렌의 단일중합체이다. 폴리올레핀 혼성중합체의 예는 에틸렌/α-올레핀 혼성중합체 및 프로필렌/α-올레핀 혼성중합체이다. α-올레핀은 바람직하게는 C3 -20 직쇄, 분지쇄 또는 시클릭 α-올레핀이다(프로필렌/α-올레핀 혼성중합체의 경우, 에틸렌을 α-올레핀이라고 여긴다). C3 -20 α-올레핀의 예는 프로펜, 1-부텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 및 1-옥타데센을 포함한다. α-올레핀은 또한 시클릭 구조, 예컨대 시클로헥산 또는 시클로펜탄을 함유할 수 있고, 그 결과로 α-올레핀은 예컨대 3-시클로헥실-1-프로펜(알릴 시클로헥산) 및 비닐 시클로헥산이다. 용어의 고전적 의미로는 α-올레핀이 아니지만, 본 발명의 목적상, 일부 시클릭 올레핀, 예컨대 노르보르넨 및 관련 올레핀은 α-올레핀이고, 상기한 α-올레핀 중 일부 또는 전부 대신에 이용할 수 있다. 마찬가지로, 스티렌 및 그의 관련 올레핀(예를 들어, α-메틸스티렌 등)은 본 발명의 목적상 α-올레핀이다. 예시적인 폴리올레핀 공중합체는 에틸렌/프로필렌, 에틸렌/부텐, 에틸렌/1-헥센, 에틸렌/1-옥텐, 에틸렌/스티렌 등을 포함한다. 예시적인 삼원공중합체는 에틸렌/프로필렌/1-옥텐, 에틸렌/프로필렌/부텐, 에틸렌/부텐/1-옥텐, 및 에틸렌/부텐/스티렌을 포함한다. 공중합체는 랜덤 또는 블록일 수 있다.
또한, 폴리올레핀 수지는 하나 이상의 관능기, 예컨대 불포화 에스테르 또는 산을 포함할 수 있고, 이 폴리올레핀은 잘 알려져 있고, 통상의 고압 기술에 의해 제조할 수 있다. 불포화 에스테르는 알킬 아크릴레이트, 알킬 메타크릴레이트, 또는 비닐 카르복실레이트일 수 있다. 알킬기는 1 내지 8 개의 탄소원자, 바람직하게는 1 내지 4 개의 탄소원자를 가질 수 있다. 카르복실레이트기는 2 내지 8 개의 탄소원자, 바람직하게는 2 내지 5 개의 탄소원자를 가질 수 있다. 에스테르 공단량체에 기인하는 공중합체의 부분은 공중합체 중량 기준으로 1 내지 50 중량%의 범위일 수 있다. 아크릴레이트 및 메타크릴레이트의 예는 에틸 아크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, 및 2-에틸헥실 아크릴레이트이다. 비닐 카르복실레이트의 예는 비닐 아세테이트, 비닐 프로피오네이트, 및 비닐 부타노에이트이다. 불포화 산의 예는 아크릴산 또는 말레산을 포함한다.
또한, 폴리올레핀에는 당 업계에 흔히 알려진 바와 같이 달성할 수 있는 그래프팅을 통해 관능기를 포함시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 그래프팅은 대표적으로 올레핀 중합체, 자유 라디칼 개시제(예컨대, 과산화물 등) 및 관능기 함유 화합물을 용융 블렌딩하는 것을 포함하는 자유 라디칼 관능화에 의해 일어날 수 있다. 용융 블렌딩 동안, 자유 라디칼 개시제가 올레핀 중합체와 반응하여(반응성 용융 블렌딩) 중합체 라디칼을 형성한다. 관능기를 함유하는 화합물이 중합체 라디칼의 골격에 결합해서 관능화된 중합체를 형성한다. 관능기를 함유하는 전형적인 화합물은 알콕시실란, 예를 들어, 비닐 트리메톡시실란, 비닐 트리에톡시실란, 및 비닐 카르복실산 및 무수물, 예를 들어 무수 말레산을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 유용한 폴리올레핀의 더 구체적인 예는 극저밀도 폴리에틸렌(VLDPE)(예를 들어, 더 다우 케미칼 컴파니에서 제조한 플렉소머(FLEXOMER)® 에틸렌/1-헥센 폴리에틸렌, 균질하게 분지화된 직쇄 에틸렌/α-올레핀 공중합체(예를 들어, 미추이 페트로케미칼즈 컴파니 리미티드(Mitsui Petrochemicals Company Limited)의 태프머(TAFMER)® 및 엑손 케미칼 컴파니(Exxon Chemical Company)의 이그잭트(EXACT)®), 균질하게 분지화된 실질적으로 직쇄인 에틸렌/α-올레핀 중합체(예를 들어, 더 다우 케미칼 컴파니(The Dow Chemical Company)로부터 입수가능한 어피니티(AFFINITY)® 및 인게이지(ENGAGE)® 폴리에틸렌), 및 올레핀 블록 공중합체, 예컨대 미국 특허 제7,355,089호에 기술된 것(예를 들어, 더 다우 케미칼 컴파니로부터 입수가능한 인퓨즈(INFUSE)®)을 포함한다. 더 바람직한 폴리올레핀 공중합체는 균질하게 분지화된 직쇄 및 실질적으로 직쇄인 에틸렌 공중합체이다. 실질적으로 직쇄인 에틸렌 공중합체가 특히 바람직하고, 미국 특허 제5,272,236호, 제5,278,272호, 및 제5,986,028호에 더 충분히 기술되어 있다.
또한, 본 발명의 실시에 유용한 폴리올레핀은 프로필렌, 부텐 및 다른 알켄 기반 공중합체, 예를 들어 프로필렌으로부터 유래된 단위 대다수 및 또 다른 α-올레핀(에틸렌 포함)으로부터 유래된 단위 소수를 포함하는 공중합체를 포함한다. 본 발명의 실시에 유용한 전형적인 프로필렌 중합체는 더 다우 케미칼 컴파니로부터 입수가능한 버시파이(VERSIFY)® 중합체 및 엑손모빌 케미칼 컴파니(ExxonMobil Chemical Company)로부터 입수가능한 비스타맥스(VISTAMAXX)® 중합체를 포함한다.
또한, 상기한 올레핀 엘라스토머 중 어느 것의 블렌드도 본 발명에 이용될 수 있고, 바람직한 방식으로는 본 발명의 올레핀 엘라스토머가 블렌드의 열가소성 중합체 성분의 약 50 중량% 이상, 바람직하게는 약 75 중량% 이상, 더 바람직하게는 약 80 중량% 이상을 구성하고, 그의 유연성을 보유하는 한에서, 올레핀 엘라스토머가 하나 이상의 다른 중합체와 블렌딩되거나 또는 그것으로 희석될 수 있다. 덜 바람직한 방식으로, 추구할 수 있는 다른 성질에 의존해서, 올레핀 엘라스토머 함량은 열가소성 중합체 성분의 50% 미만일 수 있다. 한 실시양태에서, 함침 수지는 인스파이어(INSPIRE)® 404 또는 다우(DOW)® H734-52RNA 기능성 중합체(폴리프로필렌)(둘 모두 더 다우 케미칼 컴파니로부터 입수가능함), 또는 다른 공급원으로부터 입수가능한 유사 등급의 폴리프로필렌 수지이다.
본 발명의 실시에 이용되는 수지는 그의 가공 및/또는 이용을 촉진하기 위해 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 대표적인 첨가제는 상용성/커플링제, 예를 들어 듀폰(DuPont)의 푸사본드(FUSABOND)® P353 또는 아르케마(Arkema)의 오레배크(OREVAC)® CA 100 또는 켐투라(Chemtura)의 폴리본드(POLYBOND)® 3200; 유동 촉진제, 예를 들어 보리얼리스(Borealis)의 보르플로우(BORFLOW)® 405 또는 805 또는 다우(Dow)의 어피니티(AFFINITY)® GA 1950; 안료, 예를 들어 후브론(Hubron)의 블랙 마스터배치(Black Masterbatch) PPB 또는 캐보트(Cabot)의 플라스블랙(PLASBLAK)® 4045; 및 항산화제, 예를 들어 어가녹스(IRGANOX)® 1010, 어가포스(IRGAFOS)® 168 및/또는 어가녹스® PS 802(시바 스페셜티 케미칼즈에서 공급함)를 포함한다. 이들 첨가제 및 다른 첨가제는 통상의 양으로 및 통상의 방법으로 이용된다.
섬유 번들에서 수지의 양(어떠한 첨가제 및/또는 충전제도 포함함)은 대표적으로 번들의 중량을 기준으로 2 중량% 이상, 더 대표적으로 5 중량% 이상, 훨씬 더 대표적으로 10 중량% 이상이다. 섬유 번들에서 수지의 최대량은 대표적으로 번들의 중량을 기준으로 80 중량%를 초과하지 않고, 더 대표적으로 60 중량%를 초과하지 않고, 훨씬 더 대표적으로 40 중량%를 초과하지 않는다.
섬유 번들 제조 방법
섬유 번들, 즉 LFT 물질은 인발 공정을 통해 섬유(유리 섬유를 포함하지만 이에 제한되지 않음)를 통과시켜 상기한 바와 같은 열가소성 수지를 섬유에 함침시키는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 어떠한 편리한 방법으로도 제조할 수 있다. 인발 가공의 세부 내용은 당 업계 통상의 기술을 가진 자에게 잘 알려져 있고, 일반적으로 미국 특허 제7,507,361호에 기술되어 있다. 이어서, 물질을 펠렛 또는 스트립으로 절단한다. 보통, 이러한 LFT 스트립은 3 내지 15 ㎜의 범위의 길이, 더 대표적으로 5 내지 12 ㎜의 범위의 길이를 가지는 섬유를 30% 내지 95%, 더 대표적으로는 50% 내지 85%의 중량비로 함유한다.
테이프 제조 방법
본 발명의 테이프는 압출 공정을 이용해서 제조한다. 대표적으로, 이축 스크류 압출기가 선택되지만, 일축 스크류 압출기도 또한 이용할 수 있다. 스크류는 대표적으로 10 - 200, 더 대표적으로 15 내지 150, 훨씬 더 대표적으로 20 내지 100 회전수/분(rpm)로 회전한다. 섬유들이 스트립/펠렛에 이미 혼합되어 있기 때문에, 혼합은 요구되지 않는다. 압출기 스크류를 2.5:1 초과의 압축비로 설정하고 혼합 요소를 이용하지 않는다. 챔버 온도는 압출기 내의 상이한 대역에 180 내지 220 ℃로 설정하고, 대표적으로, 모든 대역 중에서 다이 온도(예를 들어, 180 내지 230 ℃)가 가장 높다. 압출 속도는 대표적으로 최종 생성물의 섬유 담지량에 의존해서 0.2 내지 5 m/분이다. 권취 스풀 또는 유사 기구를 이용함으로써 테이프가 압출기를 떠날 때 테이프를 수집할 수 있다. 권취 유닛은 압출기가 작동되는 속도보다 더 큰 속도로 작동할 수 있고, 예를 들어 10, 15, 25% 또는 더 빠르게 작동해서 물질을 약간 연신함으로써 섬유에 기계방향 배향을 부여하거나 또는 향상시킨다. 테이프 치수는 대표적으로 폭이 1 내지 50, 더 대표적으로 2 내지 25, 훨씬 더 대표적으로 5 내지 12 ㎜이고, 두께가 0.1 내지 2, 더 대표적으로 0.2 내지 1.5, 훨씬 더 대표적으로 0.5 내지 1.2 ㎜이고, 길이가 무한하다.
테이프 강도 부재를 갖는 와이어 또는 케이블
와이어 또는 케이블 응용, 특히 광섬유 케이블의 강도 부재로 쓰이기 위해, 테이프는 대표적으로 적어도 12 ㎏/in2(kilograms per square inch) 또는 5 GPa(GigaPascals)의 탄성계수를 가지지만, 이 테이프 구성에는 6 내지 10 GPa의 값이 더 대표적이다. 높은 탄성계수는 섬유 담지량 및 섬유와 수지 매트릭스 사이의 접착성의 함수이다. 게다가, 대표적으로, 테이프에서 총 섬유 담지량의 30% 이상, 더 대표적으로 40% 이상, 훨씬 더 대표적으로 50% 이상이 기계 방향(종방향)으로 배향된다. 이 배향은 다이를 통한 압출 및/또는 압출시 연신, 예를 들어 권취 유닛으로부터의 연신 둘 모두의 결과이다.
테이프는 와이어 또는 케이블 구조 내의 하나 이상의 와이어 또는 섬유 둘레의 종방향 및/또는 횡단 방향 랩을 포함하지만 이에 제한되지 않는 적당한 어떠한 방식으로도 와이어 또는 케이블 구조물에 포함될 수 있다. 별법으로, 테이프는 와이어 또는 케이블 구조물의 또 다른 성분, 예를 들어 절연 쉬드 또는 보호 자켓에 포함될 수 있다. 또한, 테이프는 케이블의 독립형 강도 성분으로도 이용할 수 있다.
본 발명을 다음 실시예를 통해서 더 충분히 기술한다. 다르게 언급되지 않으면, 모든 부 및 백분율은 중량 기준이다.
구체적인 실시양태
물질
섬유는 존스 만빌 JM 473AT(2400 tex), 473A 유리 섬유이다. 섬유의 유리 타입은 E이고, 0.70의 LOI 함량(%), 0.15%의 최대 수분 함량, 207/2400의 선형 밀도(yield/tex), 및 16 ㎛의 필라멘트 직경을 갖는다. 섬유는 복합체의 60 중량%를 이룬다.
수지는 표 2에 보고된 성질을 갖는 더 다우 케미칼 컴파니로부터 입수가능한 폴리프로필렌인 다우 H734-52RNA이다.
Figure pct00002
수지는 복합체의 32.4 중량%를 이룬다.
유동 촉진제는 보리얼리스로부터 입수가능한 섬유 응용을 위한 폴리프로필렌 단일중합체 등급인 보르플로우® HL504FB이다. 유동 촉진제는 복합체의 4 중량%를 이룬다.
커플링제는 아르케마로부터 입수가능한 무수 말레산 변형 폴리프로필렌인 오레배크® CA 100이다. 커플링제는 복합체의 1.5 중량%를 이룬다.
안료는 캐보트(Cabot)로부터 입수가능한 블랙 폴리프로필렌 마스터배치인 플래스백® 4045이다. 담체는 폴리프로필렌 단일중합체이고, 마스터배치는 40 중량%의 탄소블랙을 함유한다. 안료는 복합체의 1.75 중량%를 이룬다.
산화방지제는 어가녹스 1010(테트라키스-(메틸렌-(3,5-디-(tert)-부틸-4-히드로신나메이트))메탄), 어가포스 168(트리스(2,4-디-tert-부틸페닐)포스파이트) 및 어가녹스 PS 802(디옥타데실-3,3'-티오디프로피오네이트)이고, 모두 시바로부터 입수가능하다.
LFT 공정
4개의 가열 대역을 갖는 20 마력의 압출기를 이용하는 통상의 인발 공정을 이용해서 독일의 FACT에 의해 LFT 스트립 및 펠렛을 제조한다. 압출기에는 길이/직경 비가 25인 3:1 압축비의 1축 스크류가 설비된다. 혼합 요소는 이용하지 않는다. 압출기의 온도 프로필은 대역 1 - 185 ℃, 대역 2 - 190 ℃, 대역 3 - 210 ℃ 및 다이 온도 220 ℃이다. 압출기는 65 rpm으로 작동한다.
압출 공정
브라벤더 PL 타입 2000-3 이축 스크류 압출기가 압출에 이용된다. 도 1은 압출기의 상이한 대역에 이용된 온도 및 압력 설정값을 나타낸다. 제1 대역에서 최고 온도이고 마지막 대역에서 최저 온도라는 점에서 온도 프로필이 "뒤바뀐다". 이것은 수지 매트릭스의 신속한 용융을 가능하게 하여 그것이 노출되는 응력의 양을 감소시키기 위한 것이다. 펠렛/스트립은 주 호퍼를 통해 공급되고, 스크류 속도는 30 rpm으로 설정한다. 복합 테이프를 압출하는 데는 1 인치 폭 리본 다이를 이용하고, 테이프가 스풀에 감기기 전 압출 공정 동안에는 테이프가 신장되지 않는다.
도 2는 압출 시험 동안에 제조된 샘플을 나타낸다. 시각적 관찰에 의해, 두 샘플에서는 섬유가 복합체에서 그의 길이를 보유할 수 있고, 섬유가 기계 방향으로 약간 배향된다는 것이 드러난다. 본원의 경우, 기계 방향에서의 약간의 섬유 배향이 그 특정 방향에서 더 높은 인장강도를 달성하기 위해서는 바람직하다. 그러나, 테이프가 케이블에서 어떻게 적용되는가에 의존해서, 때로는, 완전한 랜덤 배향이 실제로 바람직할 수 있다. 하기 예에서, 달성된 섬유 배향의 수준은 충분하다.
시험 및 결과
비교 목적으로, 브라벤더 회분 혼합기를 이용해서 원래 LFT 펠렛을 재용융하고 혼합한다. 이어서, 190℃의 압반 온도의 뜨거운 프레스에서 플라크(0.03" 두께)를 압축 성형한다. 이어서, 인장 샘플을 제조한다.
인장 시험 방법은 ASTM D638-03:플라스틱의 인장 성질 표준 시험 방법(자세한 내용은 문헌(2008 Annual Book of ASTM Standards, Section 8, volume 08.01, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2008)을 참조한다)의 와이어 및 케이블 시험 절차에 따라서 압출 샘플 및 성형 샘플 둘 모두에 대해 수행한다.
도 3은 LFT 압출 및 성형 샘플 대 니트 폴리프로필렌 수지의 탄성계수 비교를 나타낸다. 투키-크래머(Tukey-Kramer) 분석은 LFT 압출 및 성형 샘플의 탄성계수가 통계적으로 니트 폴리프로필렌에 비해 더 높다(평균값이 4 배 초과 더 높다)는 것을 나타낸다. 탄성계수 향상은 복합체에 긴 유리 섬유를 첨가함으로써 상당한 강화 효과가 달성된다는 것을 암시한다. 도 4는 각 복합체 샘플의 피크 응력 비교를 나타내고, 이것은 섬유 배향을 지시한다. 투키-크래머 분석은 통계적으로 압출 샘플이 성형 샘플보다 더 높은 피크 응력을 나타낸다는 것을 보여주고, 압출 샘플에서 더 좋은 섬유 배향을 가진다는 것을 암시한다.
결론
시험 결과는 니트 폴리프로필렌 수지에 비해 압출된 LFT 테이프의 탄성계수가 상당히 개선됨을 보여준다. 또한, LFT 복합체는 높은 피크 응력을 나타낸다. 높은 탄성계수 및 높은 파괴응력 특징 둘 모두의 조합은 LFT 복합 테이프가 광섬유 케이블 응용에서 강도 부재로 유용하다는 것을 입증한다.
표 2는 5 ㎜ 광섬유 케이블에 현재 이용되는 통상의 1.5 ㎜ 직경 FRP와 비교해서 복합 테이프의 하중 부담 능력을 보고한다. 케이블을 1%의 변형률(이것은 대표적으로 광섬유의 파단이 일어나지 않는 변형률의 상한임)로 당긴다고 가정할 때, 표 2는 5 ㎜ 직경 케이블 둘레를 감싸는 0.55 ㎜ 두께 복합 테이프가 (비록 탄성계수는 더 낮을지라도) 본질적으로 1.5 ㎜ 직경 FRP와 동일한 양의 하중 부담 능력을 가진다는 것을 보여준다. 이 하중 부담 능력은 케이블이 설치 동안에 경험하는 취급 응력을 견딜 수 있게 한다.
Figure pct00003
본 발명을 바람직한 실시양태에 대한 이전의 설명을 통해 어느 정도 상세히 기술하였지만, 이 상세한 설명은 예시하는 것이 주된 목적이다. 다음 특허청구범위에 기술된 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 당 업계 숙련자들은 많은 변화 및 변형을 가할 수 있다.

Claims (10)

  1. 30 중량% 이상의 섬유 및 2 중량% 이상의 열가소성 수지를 포함하고, 다만, 테이프의 섬유의 30% 이상이 테이프의 종축을 따라서 적어도 부분적으로 배향된, 종축을 갖는 섬유 강화 테이프.
  2. 제1항에 있어서, 섬유가 400 데니어 및 5,000 TEX를 갖는 유리 섬유인 테이프,
  3. 제2항에 있어서, 수지가 폴리올레핀 수지인 테이프.
  4. 제3항에 있어서, 수지가 폴리프로필렌 수지인 테이프.
  5. 제4항에 있어서, 섬유가 4 내지 15 ㎜의 길이를 갖는 테이프.
  6. (A) 30% 이상의 섬유 및 2 중량% 이상의 열가소성 수지를 포함하는 장섬유 열가소성 펠렛 또는 스트립을 제조하는 단계, (B) 펠렛 또는 스트립으로부터 압출가능 덩어리를 형성하는 단계, 및 (C) 덩어리를 압출하여 기계 방향 및 교차 방향 배향을 가지고, 다만, 섬유의 30% 이상이 기계 방향으로 배향된 테이프를 형성하는 단계를 포함하는 제1항의 테이프 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 압출이 180 내지 230 ℃의 온도에서 작동되는 다이가 설비된 압출기로 수행되는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 압출된 테이프가 연신되는 방법.
  9. 제1항의 테이프를 강도 부재로 포함하는 와이어 또는 케이블 구조물.
  10. 제9항에 있어서, 광섬유 케이블 형태의 와이어 또는 케이블.
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