KR20220061742A - 폴리에틸렌의 시공성 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 발명은 단시간내에 폴리에틸렌의 시공성을 용이하고 정확하게 예측 및 평가할 수 있는, 신규 평가 방법이 제공된다.

Description

폴리에틸렌의 시공성 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING FLEXIBILITY OF POLYETHYLENE}
본 발명은 폴리에틸렌의 시공성 평가 방법에 관한 것이다.
난방관용 파이프는 매입된 건물의 수명만큼 오래 사용해야 하기 ‹š문에 상온에서 50년 간의 품질이 보증되어야 한다. 최근 개발된 2세대 PERT는 기존 바닥 난방관 PERT 파이프의 시공성(flexibility) 개선 요구에 따라 고안된 제품으로, 서로 trade-off 관계에 있는 내압과 시공성이 모두 우수하다.
고내압 난방관, 또는 PE-RT 파이프에 쓰이는 폴리올레핀 수지는 시공성 개선을 위하여 높은 유연성과 더불어 우수한 가공성이 요구된다. 그러나, 제품 물성 측면에서 유연성과 가공성은 트레이드 오프(trade off) 관계이다. 높은 유연성을 구현하기 위해서는 제품의 밀도를 낮춰야 하지만, 이로 인해 내압 특성이 저하되고, 결과로서 가공성이 저하된다. 또 가공성 확보를 위해 제품 밀도를 높여 기계적 물성을 증가시킬 경우에는 유연성이 저하되고, 결과로서 시공성이 열화된다.
한편, 폴리올레핀의 시공성은 파이프를 제작하여 굴곡탄성율(Flexural Modulus; F.M.)를 측정하는 방식으로 평가되고 있는데, 파이프 제작에 오랜 시간이 소요된다.
이에 따라, 빠른 시간 내에 소재를 개발 평가해야 하는 연구 개발 관점에서 가속 평가법의 개발이 매우 중요하다.
본 발명은 단시간내 폴리에틸렌의 시공성을 용이하고 정확하게 예측 및 평가할 수 있는 신규 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 폴리에틸렌 시편에 대해 연신속도 0.1 mm/mm/s에서의 항복 응력(Yield stress)을 측정하는 단계; 상기 항복 응력을 이용하여 하기 수학식 1에 따라 시공성 지수(Flexibility index)를 결정하는 단계; 및 상기 시공성 지수가 4.6 이상일 때, 폴리에틸렌의 시공성이 우수한 것으로 평가하는 단계; 를 포함하는, 폴리에틸렌의 시공성 평가 방법을 제공한다:
[수학식 1]
시공성 지수(Flexibility index) = 1 / (연신속도 0.1 mm/mm/s에서의 폴리에틸렌 시편의 항복 응력)
본 발명에 따른 평가방법에 의해, 단시간 내 폴리에틸렌의 시공성을 용이하고 정확하게 예측 및 평가할 수 있다. 특히 상기 평가 방법은 공단량체나 파이프 종류에 관계없이 폴리에틸렌의 시공성을 예측할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 평가 방법을 이용하여 시공성이 우수한 폴리에틸렌 파이프를 용이하게 선별할 수 있다.
도 1은 폴리에틸렌 시편의 연신 속도 별 응력-변형 곡선(Stress-strain Curve)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 연신 속도 0.1mm/mm/s, 0.01mm/mm/s 및 0.001mm/mm/s에서의 Yield stress와 strain rate의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체에서, ‘폴리에틸렌’ 또는 ‘에틸렌 (공)중합체’라 함은, 에틸렌 호모 중합체 및/또는 에틸렌과 알파-올레핀의 공중합체를 모두 포함하는 개념이다.
또한, 본 명세서 전체에서 ‘폴리에틸렌 수지’라 함은, 상기 에틸렌(공)중합체를 포함하는 수지 또는 수지 조성물을 의미하며, 이러한 호모 중합체 또는 공중합체에, 일반적으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 속하는 첨가제 등이 더 추가될 수도 있는 수지 조성물을 모두 포함하는 개념이다.
또한, 본 발명에 있어서, 폴리에틸렌의 ‘시공성’이라 함은, 구체적으로, 폴리에틸렌을 이용하여 파이프를 제조할 때, 높은 유연성과 가공성을 갖는 것을 의미하는 것으로, 이는 해당 폴리에틸렌이 파이프 제조시 파이프 형성성을 판단하기 위한 하나의 지표로서 사용된 것일 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 있어서, 데이터 혹은 그래프의 해석 시에는, 이를 도시화하여 직접 육안으로 확인하여 해석할 수도 있고, 전산 프로그램을 이용하여 Fitting 하는 방법에 의해 확인하고 해석할 수도 있다. 이 때 사용되는 전산 프로그램은, Excel, Origin, Matlab, Mathematica, 또는 Igor Pro 등 본 발명이 속한 기술 분야에서 일반적으로 널리 알려진 상용 프로그램을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 각 수학 계산식에 사용된 계수 값, 절편 값, 지수 값 등은, 미리 실험적으로 결정된 값일 수 있으며, 이는 측정 혹은 예측이 되는 수지의 특성에 따라 달라질 수 있는 바, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 폴리에틸렌의 시공성 평가 방법, 및 이를 이용한 시공성이 우수한 폴리에틸렌 파이프의 선별방법 등에 대해 설명하기로 한다.
종래 폴리에틸렌의 파이프 시공성은 파이프의 굴곡 강도(Flexural strength)를 근거로 평가하였다. 그러나 파이프를 직접 제작하여 굴곡 강도를 평가하는 경우, 제조 및 평가 단계가 복잡하고 시간이 많이 소요되었다. 한편 파이프 제조시에는 폴리에틸렌을 제외하고는 극소량의 첨가제만이 사용되기 때문에, 파이프와 이의 제조에 사용된 폴리에틸렌은 거의 동일한 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율(Flexural Modulus; F.M.)을 나타낸다. 이에 파이프 제조에 사용된 폴리에틸렌 시편에 대해 ASTM D 790 방법으로 굴곡 강도 또는 굴곡탄성율을 측정하고, 이 값으로부터 폴리에틸렌 및 파이프의 시공성을 예측 및 평가하였다.
본 발명에서는 폴리에틸렌의 시공성과 관련한 신규 파라미터로서 시공성 지수(Flexibility index)를 중합체 시편의 특정 연신 속도에서의 항복 응력(Yield stress)를 이용하여 구하고자 한다.
시공성 지수는 소정 범위의 연신 속도에서의 Yield Stress를 기준으로 설명할 수 있다. 시공성은 일반적으로 고분자의 결정화도가 낮을수록 우수하며, 고분자의 결정화도는 연신 시 Yield Stress 로 판단할 수 있기 때문이다.
도 1은 폴리에틸렌 시편의 연신 속도 별 응력-변형 곡선(Stress-strain Curve)을 나타낸 그래프이며, 도 1에서 1, 2, 3은 각각 연신 속도 1mm/mm/s, 2mm/mm/s 및 3mm/mm/s에서의 응력-변형률 곡선을 나타낸다.
도 1을 참조하여 설명하면, 폴리에틸렌 시편에 대해 1mm/mm/s, 2mm/mm/s 및 3mm/mm/s의 연신 속도로 각각 연신한 후, 변형률(strain rate)을 달리하면서 stress를 측정하면, 연신 초반, strain 증가에 따른 stress 증가가 일정한 탄성(Elastic) 영역이 나타나고, 이후 항복점(yield point)를 지나 stress가 감소하는 넥킹(Necking) 영역이 나타난다. 또, 상기 Necking 영역 이후에는 strain rate 증가에도 stress가 일정하게 유지되는 냉간 인발(Cold drawing) 영역이 나타나며, 상기 Cold drawing 영역에서의 Stress 값, 즉 응력-변형률 곡선에서 Strain rate 100%에서의 Stress 값이 Drawing Stress (ε)이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 연신 속도가 증가할수록 Yield Stress 및 Drawing stress는 감소한다. 이로부터 시공성이 우수할수록 Yield Stress 값이 작아짐을 알 수 있다.
또, 상기에서 구한 연신 속도 별 Yield stress와 strain rate의 관계식을 도출하면, Yield stress와, strain rate 값의 로그 값(log scale)은 일차함수 형태를 나타낸다.
도 2는 연신 속도 0.1mm/mm/s, 0.01mm/mm/s 및 0.001mm/mm/s에서의 Yield stress와 strain rate의 관계를 나타낸 그래프이며(도 2에서 a, b 및 c는 연신 속도 0.1mm/mm/s, 0.01mm/mm/s 및 0.001mm/mm/s에서의 Drawing Stress이고, a’, b’ 및 c’은 연신 속도 0.1mm/mm/s, 0.01mm/mm/s 및 0.001mm/mm/s에서의 Yield Stress이다), 도 2로부터 strain rate 값의 로그 값에 대한 Yield stress 값의 평균 변화율, 즉 Yield stress의 기울기 값을 구하면, 0.7 내지 1.5, 보다 구체적으로는 1.1을 나타낸다.
한편, Yield stress는 밀도에 의존하며, 0.8 이상의 높은 pearson 상관계수를 나타낸다. 통상 밀도가 낮으면, 유연성이 증가하여 우수한 시공성을 나타낼 수 있다. 본 발명의 발명자들은 연신 속도 0.1 mm/mm/s에서의 Yield stress의 역수 값이 클수록 시공성이 우수함을 확인하였다.
이와 같은 실험 결과들로부터, 본 발명자들은 상기 Yield stress의 역수 값이 시공성에 대한 파라미터가 될 수 있으며, 이를 수식화함으로써, 폴리에틸렌의 시공성을, ASTM D 790 방법과 같은 종래 표준 측정 방법과 거의 유사하게 예측해낼 수 있음을 확인하였다.
구체적으로, 발명의 일 구현예에 따른 폴리에틸렌의 시공성 평가 방법은,
폴리에틸렌 시편에 대해 연신속도 0.1 mm/mm/s에서의 항복 응력(Yield stress)을 측정하는 단계 (단계 1);
상기 항복 응력을 이용하여 하기 수학식 1에 따라 시공성 지수(Flexibility index)를 결정하는 단계 (단계 2); 및
상기 시공성 지수 4.6 이상일 때, 시공성이 우수한 것으로 평가하는 단계(단계 3);를 포함한다:
[수학식 1]
시공성 지수(Flexibility index) = 1 / (연신속도 0.1 mm/mm/s에서의 폴리에틸렌 시편의 항복 응력)
이하 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 발명의 일 구현예에 따른 평가 방법에 있어서, 단계 1은 폴리에틸렌 시편에 대해 연신속도 0.1 mm/mm/s에서의 Yield stress를 측정하는 단계이다.
상기 폴리에틸렌은, 에틸렌 단량체로부터 유래되는 에틸렌 반복 단위만으로 이루어진 에틸렌 호모 중합체이거나; 또는 상기 에틸렌 반복 단위와 함께 알파 올레핀 단량체로부터 유래되는 알파 올레핀 반복단위를 포함하는 에틸렌/알파-올레핀의 공중합체;일 수 있으며, 시편 제조시 상기 에틸렌 호모 중합체와 에틸렌/알파-올레핀 공중합체를 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 알파-올레핀 단량체의 구체적인 예로는 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-에이코센 등이 있으며, 이들을 2종 이상 사용할 수도 있다.
또, 상기 폴리에틸렌은 물성 등이 특별히 한정되지는 않으나, 종래 파이프 시공에 사용되는 것, 또는 파이프 제조에 요구되는 물성 요건을 충족하는 것이라면 바람직하다.
또 상기 폴리에틸렌의 시편은, 평가하고자 하는 폴리에틸렌을 이용하여 폴리에틸렌 펠렛을 제조한 후, ASTM D412-A 규격으로 두께 1 내지 2mm, 또는 1.5mm의 독본(dogbone) 모양의 시편을 제조하고, 이후 연신함으로써, 제조될 수 있다. 이때 상기 펠렛화, 독본 모양으로의 제조, 및 연신 방법은 특별히 한정되지 않으며, 통상의 방법에 따라 수행될 수 있다.
또 상기 연신시 연신 속도는 임의 설정이 가능하다. 다만, 연신 속도가 지나치게 느릴 경우, Yield stress가 나타나지 않는 Creep 영역에 해당되므로, 속도의 하한은 0.001mm/mm/s인 것이 바람직하다. 또, 연신 속도가 지나치게 빠를 경우, 하중이 많이 걸려 장비의 측정 한계에 도달할 수 있다. 그러나, 장비 측정 한계 전에는 무방하므로, 연신 속도의 상한은 특별히 한정되지는 않으나, 본 발명에 있어서 연신 속도의 상한은 구체적으로 장비 측정 한계 전, 보다 구체적으로는 3mm/mm/s 이하, 또는 0.1mm/mm/s일 수 있다. 본 발명에서는 Yield stress의 최대점이 잘 나타날 수 있을 만큼 큰 속도이되, 장비에 하중이 많이 걸리지 않도록 한다는 점에서 0.1mm/mm/s의 연신 속도로 연신한다.
이후, 제조한 폴리에틸렌 시편에 대해 항복 응력을 측정한다.
항복 응력은 통상의 응력 측정 장치를 이용하여 측정할 수 있으며, 본 발명에서는 Instron사의 Electromechanical 3382A를 이용하였다.
또한 항복 응력은 상온/상압의 조건에서 시편 형태는 고정하되, 시편 두께를 1mm 내지 2mm의 범위에서 변화시키며 측정할 수 있다. 이때 본 발명에 있어서, 상기 상온은 20±5℃를, 상압은 1±0.2atm을 의미한다.
다음으로 단계 2에서는 단계 1에서 구한 Yield stress의 값을 이용하여 하기 수학식 1에 따라 시공성 지수를 결정한다.
[수학식 1]
시공성 지수(Flexibility index) = 1 / (연신속도 0.1 mm/mm/s에서의 폴리에틸렌 시편의 항복 응력)
상기 수학식 1은 폴리에틸렌 시편에 대한 다양한 연신 속도에서의 항복 응력 값, 그리고 상기한 폴리에틸렌 시편을 이용한 파이프 시공시의 굴곡탄성율(Flexural Modulus; F.M.) 값을 수집하고, 이들 데이터를 컴퓨터 프로그램, 구체적으로는 오리진 프로그램을 이용하여 함수 형태로 회귀 분석함으로써 도출될 수 있다. 시공성 지수는 항복 응력에 반비례 하는 값이기 때문에 역수를 취하여 시공성 지수를 표현하였다.
단계 3은 상기 단계 2에서 계산한 시공성 지수로부터 폴리에틸렌의 시공성을 평가하는 단계로, 구체적으로는 상기 시공성 지수가 4.6 이상일 때 폴리에틸렌의 시공성이 우수한 것으로 평가한다.
상기 수학식 1에 따라 계산되는 시공성 지수가 커질수록 시공성이 우수함을 의미하며, 특히 시공성 지수가 4.6 이상일 때, F.M 값이 5000 kg/cm2 이하로 시공시 유연하게 구부러지는 특성을 나타내기 때문에, 파이프, 구체적으로 PE-RT 파이프 제조시 우수한 시공성을 갖는 것으로 평가한다.
이하 실험예에 의해 뒷받침되듯이, 상기 수학식 1에 따라 계산되는 폴리에틸렌의 시공성 지수는, 통상 시공성 평가시 이용되는 ASTM D790의 방법으로 실제 측정했을 때의 값과 0.950 이상의 매우 높은 상관 계수 (R2) 값을 나타낸다. 그 결과, 상기에서 도출된 수학식 1에 의해 폴리에틸렌의 시공성을 매우 높은 신뢰도로 예측할 수 있다.
한편, 상기한 평가 방법에 따라 시공성, 특히 파이프 시공성이 우수한 것으로 예측되는 폴리에틸렌은, 상기 수학식 1에 따라 결정되는 시공성 지수가 4.6 이상인 것일 수 있다.
또, 상기 폴리에틸렌은 하기 (1) 내지 (4)의 조건 중 1이상, 또는 2 이상 또는 3 이상, 또는 모두를 충족하는 것일 수 있다:
(1) ASTM 1505에 따라 측정한 밀도: 0.93 내지 0.94 g/cm3,
(2) 하기 수학식 2에 따라 계산되는 BOCD Index: 5 내지 10,
(3) ASTM D790에 따라 측정되는 굴곡탄성율(F.M.): 4000 내지 5000 kg/cm2,
(4) 특성 응력(Charactersitic stress; C.S): 11 내지 12 MPa.
상기 폴리에틸렌은 ASTM 1505에 따라 측정한 밀도가 0.94 g/cm3 이하, 구체적으로는 0.93 내지 0.94 g/cm3인 것일 수 있다. 이와 같이 낮은 밀도를 가짐으로써, 우수한 장기 내압 특성과 더불어 우수한 시공성을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로는 0.9320 내지 0.9350 g/cm3인 것일 수 있다.
또, 상기 폴리에틸렌은 하기 수학식 2에 따라 계산되는 BOCD Index가 5 이상, 구체적으로는 5 내지 10인 것일 수 있다. 이와 같이 높은 BOCD Index는 고분자량 쪽의 SCB 함량이 높음을 의미하며, 이에 따라 우수한 내구성을 나타낼 수 있다:
[수학식 2]
Figure pat00001
상기 수학식 2에서, 고분자량쪽 SCB 함량과 저분자량쪽 SCB 함량은, 중량평균분자량(M)의 로그값(log M)을 x축으로 하고, 상기 로그값에 대한 분자량 분포(dwt/dlog M)를 y축으로 하여 분자량 분포 곡선을 그렸을 때, 전체 면적 대비 좌우 끝 20%를 제외한 가운데 60% 범위의 우측 및 좌측의 경계에서의 SCB(Short Chain Branch) 함량값(탄소 1,000 개당의 탄소수 2 내지 7개의 곁가지(branch) 함량, 단위: 개/1,000C)을 각각 의미한다. 그 측정 방법 및 조건은 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
또, 상기 폴리에틸렌은 ASTM D790에 따라 측정되는 Fracture modulus(F.M.)가 4000 내지 5000 kg/cm2인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 4500 내지 4800 kg/cm2인 것일 수 있다. 상기한 범위 내의 F.M을 가짐으로써 보다 우수한 장기 내압 특성을 나타낼 수 있다. Fracture modulus(F.M.)의 측정 방법 및 조건은 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
또, 상기 폴리에틸렌은 특성 응력(Charactersitic stress; C.S)이 11 내지 12 MPa인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 11 내지 11.7인 것일 수 있다. 상기한 범위 내의 C.S를 가짐으로써 보다 우수한 장기 내압 특성을 나타낼 수 있다.
한편, 상기 C.S는 연신 속도 별 Yield stress 일차 함수와 연신 속도 별 Drawing stress 일차 함수의 교차점에 해당하는 Stress로, 고분자 시편의 연신 속도 별 stress를 이용하여 구할 수 있다. 구체적인 측정 방법 및 조건은 이하에서 상세히 설명한다.
상술한 바와 같은 조건을 충족하는 폴리에틸렌은 우수한 시공성을 나타내며, 이에 따라 우수한 시공성이 요구되는 파이프, 특히 PE-RT 파이프의 제조에 유용하다.
상술한 바와 같이, 발명의 일 구현예에 따른 평가방법에 의해, 단시간 내 폴리에틸렌의 시공성을 용이하고 정확하게 예측 및 평가할 수 있다. 특히 상기 평가방법은 공단량체나 파이프 종류에 관계없이 폴리에틸렌의 시공성을 예측할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 평가방법을 이용하여 시공성 우수한 폴리에틸렌 파이프를 용이하게 선별할 수 있다.
이에 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면 상기한 평가 방법을 이용하여 시공성이 우수한 폴리에틸렌 및 파이프를 용이하게 선별하는 방법이 제공된다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
<실시예>
다음 표 1에 정리된 바와 같은 특징을 가진 상용의 폴리에틸렌을 입수하여 준비하였다. 표 1에서의 폴리에틸렌의 물성은 하기와 같은 방법으로 측정하였다.
(1) 밀도(g/cm3): ASTM 1505에 따라 측정하였다.
(2) BODC Index(B.I)
GPC(PL-GPC220)와 연결된 PerkinElmer Spectrum 100 FT-IR을 이용하여 측정하였다.
구체적으로는 중량평균분자량(M)의 로그값(log M)을 x축으로 하고, 상기 로그값에 대한 분자량 분포(dwt/dlog M)를 y축으로 하여 분자량 분포 곡선을 그렸을 때, 전체 면적 대비 좌우 끝 20%를 제외한 가운데 60%의 좌측 및 우측 경계에서 SCB(Short Chain Branch) 함량(탄소 1,000 개당의 탄소수 2 내지 7개의 곁가지(branch) 함량, 단위: 개/1,000C)을 측정하여 하기 수학식 2를 바탕으로 BOCD Index를 산출하였다. 이 때, 고분자량쪽 SCB 함량과, 저분자량쪽 SCB 함량은 각각 가운데 60% 범위의 우측 및 좌측의 경계에서의 SCB 함량값을 의미하고, 시료를 PL-SP260을 이용하여 BHT 0.0125%가 포함된 1, 2, 4-Trichlorobenzene에서 160℃, 10시간 동안 녹여 전처리한 후, 고온 GPC(PL-GPC220)와 연결된 PerkinElmer Spectrum 100 FT-IR을 이용하여 160℃에서 측정하였다.
[수학식 2]
Figure pat00002
(3) Fracture Modulus(F.M.)
ASTM D790 실험법을 이용하였다. Modulus Chord 0.7~1.2 kgf/cm2을 5번 측정하여 평균을 취하였다.
(4) Characteristic stress(C.S)
폴리에틸렌 펠렛을 ASTM D412-B 규격으로 제조하여, 두께 약 1.5mm의 독본 모양의 시편을 제조하고, 연신 속도 0.005mm/mm/s, 0.01mm/mm/s, 0.05mm/mm/s, 및 0.1mm/mm/s의 속도로 인장하여 각각에 대해 Stress-strain Curve를 구하였다. 이후, 각 연신 속도 별로 Stress의 최대점에서 Yield Stress를, Strain 100%에서의 Stress로 Drawing Stress를 구하였다. 속도 별 Yield stress와 Drawing stress가 일차함수 형태를 가짐을 확인하고, 이 두개의 일차함수 교차점에 해당하는 Stress를 Characteristic stress(C.S)로 하였다.
실험예: 시공성 평가
상기 표 1에 기재된 폴리에틸렌을 이용하여 시편을 제조한 후, 연신 속도 0.1mm/mm/s에서의 항복 응력을 측정하고, 그 결과를 이용하여 상기 수학식 1에 따른 시공성 지수를 계산하고, 평가하였다. 결과를 이하 표 1에 나타내었다.
구체적으로, 폴리에틸렌 펠렛을 ASTM D412-B 규격으로 제조하여, 두께 약 1.5mm의 독본 모양의 시편을 제조하고, 제조한 시편에 대해 연신 속도 0.1mm/mm/s의 속도로 인장하였다. 이후 Instron사의 모델 Electromechanical 3382A를 이용하여 상기 연신 속도에서의 항복 응력을 측정하였다. 상기 수학식 1에 따라 시공성 지수를 계산한 후, 이하 기준에 따라 시공성 개선 여부를 평가하였다.
[수학식 1]
시공성 지수(Flexibility index) = 1 / (연신속도 0.1 mm/mm/s에서의 폴리에틸렌 시편의 항복 응력)
<시공성 평가 기준>
시공성 지수 4.6 이상: 시공성 우수
시공성 지수 4.6 미만: 시공성 불량
또, 상기 시공성 평가의 정확도를 확인하기 위하여, 폴리에틸렌을 이용하여 파이프를 제조하고, 파이프의 내압 및 시공성을 평가하였다.
구체적으로는 파이프의 내압은, ISO 9080에 따라, 파이프를 제작하고, 상온(25℃) 및 고온(90℃)에서의 원주 방향 응력(Hoop Stress)을 1년까지 측정하여 50년의 수명까지 외삽하되, 통계적 개념을 적용하여 97.5 신뢰도를 갖는 하한값으로 Lower Predictive Limit (LPL)을 정의하고, 이를 다시 표준 등급 정의를 위해 Minimum required strength(MRS)로 환산하는 방법으로, 산출하였다.
또, 파이프 시공성 실측 평가를 위해, 상기 파이프 제조에 사용된 폴리에틸렌의 시편에 대해 ASTM D 790 방법으로 굴곡 강도를 측정하고, 그 결과로부터 파이프 굴곡 강도 및 시공성을 평가하였다.
폴리에틸렌 물성 폴리에틸렌 시공성 평가
실시예 밀도
(g/cm3)		 BOCD index F.M
(kg/cm2)		 C.S
(MPa)		 시공성지수 시공성지수에 근거한 시공성평가 파이프내압
(MPa)		 파이프 굴곡강도
(kg/cm2)		 파이프 시공성 실측 평가
1 0.9320 8.3 4750 11.0 5.39 우수 8.94 4750 우수
2 0.9321 8.7 4650 11.7 5.17 우수 9.24 4650 우수
3 0.9371 3.4 6500 9.78 4.43 불량 8.70 6500 불량
4 0.9402 2.6 7700 12.6 4.15 불량 9.50 7700 불량
5 0.9318 -0.5 4750 11.7 5.21 우수 9.05 4750 우수
6 0.9308 3.2 4650 10.9 5.42 우수 8.83 4650 우수
7 0.9405 3.0 7300 12.4 4.20 불량 9.77 7300 불량
실험결과, 시공성 지수가 4.6 이상으로 파이프 시공성이 우수한 것으로 평가된 실시예 1, 2, 5 및 6은, 종래 시공성 평가 방법으로도 우수한 시공성을 가짐을 확인할 수 있었다. 이 같은 결과로부터 상기 수학식 1에 의해 폴리에틸렌의 시공성을 높은 신뢰도로 예측 및 평가할 수 있음을 확인하였다.

Claims (7)

  1. 폴리에틸렌 시편에 대해 연신속도 0.1mm/mm/s에서의 항복 응력(Yield stress)을 측정하는 단계;
    상기 항복 응력을 이용하여 하기 수학식 1에 따라 시공성 지수(Flexibility index)를 결정하는 단계; 및
    상기 시공성 지수가 4.6 이상일 때, 폴리에틸렌의 시공성이 우수한 것으로 평가하는 단계;를 포함하는,
    폴리에틸렌의 시공성 평가 방법.
    [수학식 1]
    시공성 지수(Flexibility index) = 1 / (연신속도 0.1mm/mm/s에서의 폴리에틸렌 시편의 항복 응력)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시편은 ASTM D412-A 규격에 따라 독본 모양으로 제조되는, 평가방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌은 ASTM 1505에 따라 측정한 밀도가 0.93 내지 0.94 g/cm3인, 평가방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌은 하기 수학식 2에 따라 계산되는 BOCD Index가 5 내지 10인, 평가방법:
    [수학식 2]
    Figure pat00003

    상기 수학식 2에서, 고분자량쪽 SCB 함량과 저분자량쪽 SCB 함량은, 중량평균분자량(M)의 로그값(log M)을 x축으로 하고, 상기 로그값에 대한 분자량 분포(dwt/dlog M)를 y축으로 하여 분자량 분포 곡선을 그렸을 때, 전체 면적 대비 좌우 끝 20%를 제외한 가운데 60% 범위의 우측 및 좌측의 경계에서의 SCB(Short Chain Branch) 함량값(탄소 1,000 개당의 탄소수 2 내지 7개의 곁가지(branch) 함량, 단위: 개/1,000C)을 각각 의미한다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌은 ASTM D790의 방법으로 측정되는 굴곡탄성율(F.M.)이 4000 내지 5000 kg/cm2인, 평가방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌은 특성 응력(Characteristic stress)이 11 내지 12 MPa인, 평가방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시공성은 파이프 시공성인, 평가방법.
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