KR20230122054A - 그래핀을 포함하는 단층 또는 다층 구조를 가지는 자동차연료 및 증기 이송 튜빙 - Google Patents
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Abstract
원형 단면 프로필로 성형되는 폴리머 또는 코폴리머를 가지는 단층 또는 다층을 포함하고, 상기 층 내에 그래핀 물질이 포함되는, 유체 이송 튜브 및 그 형성 방법. 상기 그래핀 물질은 단층 그래핀, 소수층 그래핀, 산화그래핀 및 환원된 산화그래핀으로 한정되지 않는 임의의 그래핀 유도체를 더 포함한다. 상기 튜브의 버전은 내부층 및 외부층을 더 포함하고, 적어도 하나의 장벽층이 그 사이에 제공될 수 있다. 환경 장벽 저항성 증가를 위하여, 폴리아미드 12 (PA 12) 또는 폴리아미드 612 (PA 612)가 상기 층 내로 혼입될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020, 12, 18자로 출원된 USSN 63/127,567 및 2021, 12, 15자로 출원된 USSN 17/552,379의 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 유연성 다층 자동차 유체 이송 튜브 및 관련 제조 방법을 개시한다. 상기 튜빙의 변형은 각각 그래핀 물질과 컴파운딩되는 폴리에틸렌 또는 폴리아미드의 최내 및 최외층을 포함한다. 중간층은 결합 가능한 폴리에틸렌, 결합 가능한 폴리아미드 (PA 612와 같은), 또는 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머의 추가층을 포함할 수 있다.
추가적인 다층 변형은 그래핀 플라스틱의 중간층을 고려한다. 최내 또는 최외층은 단일 또는 복수의 서브세트 층을 더 포함할 수 있고, 제한 없이, 그래핀 분말로 강화된 압출 폴리머로 구성될 수 있다. 사용되는 폴리머는 열가소성, 열경화성, 엘라스토머 또는 기타 천연 또는 합성 폴리머일 수 있고, 이에 제한되지 않으나, 폴리프로필렌, 나일론 6, 나일론-12, 나일론-6,12, 폴리에틸렌, HDPE, 테레프탈레이트, 폴리부틸렌, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리프탈아미드, 폴리옥시메틸렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르 및 폴리우레탄으로부터 선택될 수 있다.
차량 내 유체 이송 튜빙은 차량 가동 중 상이한 등급의 연료 및 그 증기, 브레이크 유체(brake fluid), 트랜스미션 오일(transmission oil) 및 냉각수를 이송하는 결정적인 기능을 수행한다. 기후 문제의 의식 증가와 관련된 엄격한 정부 규제는 자동차 연료 방출의 증가된 조절 요구로 이어졌다. 1980년대 후반에, 미국 내 자동차 공급업자는 자동차 탄화수소 방출 감소를 위한 CAFE 및 EPA 요건을 충족하기 위하여 다층을 가지는 연료 라인을 개발하기 시작하였다.
전형적인 다층 튜브(MLT(multi-layer tube)) 구조에서, 최외층은 유연성, 충격 강도, 파열 압력 등과 같은 튜빙의 필요한 기계적 특성을 충족하도록 선택되는 반면, 최내층은 그의 내화학성을 위하여 선택되고 이는 또한 나머지 라미네이팅 층들에 대한 지지를 제공한다. 전형적으로, 최내층은 폴리아미드 (PA 12) 또는 폴리에틸렌 (PE)으로 이루어질 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 (ETFE)과 같은 불소 수지계 장벽 호스가, 특히 알코올계 연료 시스템에 대하여 사용될 때, 연료 호스 시장을 지배하였다.
보다 최근에, 다른 물질들이 더 이용 가능하게 되었다. 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)는 효율적인 장벽층으로서 작용할 수 있고, 탄화수소 방출에 대한 장벽층으로서 작용할 뿐 아니라, 산소, 수소와 같은 복수의 기체에 대한 투과 저항성을 제공할 수 있는 플라스틱 수지이다. EVOH 코폴리머는 수분에 노출을 조절하기 위하여 기타 열가소성 필름 물질들 사이에 라미네이션으로서 가장 자주 사용된다. 어떠한 경우, 접착 프로모터를 가지는 분리 타이층이 개별 층들 사이에 삽입되어 라미네이트의 결합을 보증할 수 있다.
다층 튜브의 결점 중 하나는 사용 지역 및 세계적으로 변화하는 연료 시스템에 따라 다양한 튜브 층들을 계속해서 리엔지니어링할 필요성을 포함한다. 상이한 장소에서 상이한 방출 규제를 충족하기 위하여, 종종 추가적인 장벽층이 첨가되어야 하고, 이는 최적의 경제적 또는 효율적인 해결책이 아니다.
또한 알려진 바와 같이, 그래핀은 허니콤 격자 내 패킹된 sp2 결합 탄소 원자들로 구성되는 2-차원 평면 나노물질이다. 그래핀을 수익성 있게 만드는 높은 인장 강도, 높은 열 및 전기 전도성과 같은 많은 물질 특성들은 평면 그래핀 특유의 결합 구조에 기인한다. 그러나, 자동차 산업에서 적용을 위한 거시적인 규모의 그래핀 적용은 계속해서 도전이다.
주목할 만한 종래 기술 문헌은 Emad의 US 8,309,193, 및 Rosenberg의 US 2017/0074427을 각각 포함하고, 이는 접착제 및 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH) 층 각각에 의하여 분리되는 최내 및 최외 폴리아미드층을 가지는 다층 유연성 튜브를 교시한다. Zimmer, US 6,615,877은 카본 블랙 또는 흑연 섬유와 컴파운딩되는 외부 나일론, 중간 EVOH 및 내부 나일론층을 가지는 유사한 다층 튜빙을 교시한다.
본 발명은 유연성 단층 또는 다층 자동차 유체 이송 튜브 및 관련 제조 방법을 개시한다. 상기 튜빙의 변형은 각각, 단층 그래핀, 소수층 그래핀, 산화그래핀, 및 환원된 산화그래핀으로 한정되지 않는 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질과 컴파운딩되는 폴리에틸렌 또는 폴리아미드의 최내 및 최외층을 포함한다. 다층 변형에서, 중간층은 결합 가능 폴리에틸렌, 결합 가능 폴리아미드 (PA 612와 같은), 또는 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머의 추가층을 포함할 수 있다.
추가적인 다층 변형은 그래핀 플라스틱의 중간층을 고려한다. 상기 최내 또는 최외층은 단일 또는 복수의 서브세트 층을 더 포함할 수 있고, 제한 없이, 그래핀 분말로 보강된 압출 폴리머로 구성될 수 있다. 상기 그래핀 폴리머의 기계적 및 환경적 장벽 저항 특성은 원하는 환경 장벽 저항성 및 기계적 특성 (예를 들어, 강도)을 달성하기 위하여 첨가되는 그래핀의 최적의 양을 반영하는 그래핀 로딩에 따른다. 기타 특징들은 하나 이상의 튜빙 층 내로 보강 브레이딩의 혼입을 포함하고, 이는 또한 앞서 기재한 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질 조성물의 사용을 임의로 포함한다.
사용되는 폴리머는 열가소성, 열경화성, 엘라스토머 또는 기타 천연 또는 합성 폴리머일 수 있고, 이에 제한되지 않으나, 폴리프로필렌, 나일론 6, 나일론-12, 나일론-6,12, 폴리에틸렌, 테레프탈레이트, 폴리부틸렌, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리프탈아미드, 폴리옥시메틸렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르 및 폴리우레탄으로부터 선택될 수 있다.
따라서, 본 발명은 하나 이상의 폴리머 층 내에 그래핀을 포함시켜, 장벽 저항 특성을 개선하고, 및 일부 적용에서, 다층 튜브(MLT) 내 층의 수를 감소시킴을 목적으로 한다. 상기 다층 튜브는 또한, 이에 제한되지 않으나, 에어-컨디셔닝 라인 및 오일 냉각 라인과 같은 열 관리 시스템 내에 사용될 수 있다. 임의의 적용에서, 본 발명은 개선된 기계적 및 장벽 특성을 가지는 최고급 품질 자동차 산업 규모 유체 이송 튜빙을 제공하기 위한 그래핀 폴리머 복합체의 용도를 기재한다.
이제, 다음의 상세한 설명에서, 첨부 도면을 참조로 할 것이며, 여기서 몇몇 개의 도면에서 동일 도면 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1 및 1A는 환경 장벽 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체(PE+Gr)를 가지는 폴리에틸렌 (PE) 튜빙의 제1 층, 결합 가능한 PE의 분리층, 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층, 결합 가능한 PE의 분리층 및 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 활성화된 그래핀 유도체를 또한 가질 수 있는, PE+Gr의 제5 최외층을 도시하는, 제1 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단(cutaway) 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 2 및 2A는 내부 (임의로 전도성) 층 및 커버층 - 두 층 모두 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는 폴리에틸렌층임 - 을 도시하는, 제2 비-제한적 구현예에 따른 연료 및 증기 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 3 및 3A는 환경 장벽 저항성 증가를 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는 폴리아미드 12 (PA 12) 또는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층, 결합 가능 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 분리층, 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층, 결합 가능 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 추가 분리층, 및 증가된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 유사한 폴리아미드 16 또는 폴리아미드 612의 최외 커버층을 도시하는, 제3 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 4 및 4A는 이들 중 하나 또는 모두 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는, 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 제1 내부층 및 제2 외부층을 도시하는, 제4 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 5 및 도 5A는 환경 장벽 저항성 증가를 위하여 그래핀을 가질 수 있는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층, 결합 가능 폴리아미드 612의 분리층, 그래핀을 가지는 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층, 결합 가능 폴리아미드 612의 추가 분리층, 및 증가된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 유사한 폴리아미드 612의 최외 커버층을 도시하는, 제5 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 6 및 도 6A는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층, PA 612 + Gr의 분리층, 및 PA 612의 외부 커버층을 도시하는, 제6 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 7 및 도 7A는 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는 폴리아미드 612 (PA 612)의 단일층을 도시하는, 제7 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 8 및 도 8A는 그래핀 또는 그래핀 유도체와 컴파운딩될 수 있고, 증가된 강도 및 내모마성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 보강 브레이딩을 더 포함하는, 단일층을 도시하는, 제8 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 9 및 도 9A는 이들 중 하나 또는 모두 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는, 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 내부층 및 외부층과, 증가된 강도 및 내마모성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 중간 보강층을 도시하는, 제4 비-제한적 구현예의 변형인, 제9 비-제한적 구현예에 따른 자동체 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 1 및 1A는 환경 장벽 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체(PE+Gr)를 가지는 폴리에틸렌 (PE) 튜빙의 제1 층, 결합 가능한 PE의 분리층, 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층, 결합 가능한 PE의 분리층 및 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 활성화된 그래핀 유도체를 또한 가질 수 있는, PE+Gr의 제5 최외층을 도시하는, 제1 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단(cutaway) 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 2 및 2A는 내부 (임의로 전도성) 층 및 커버층 - 두 층 모두 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는 폴리에틸렌층임 - 을 도시하는, 제2 비-제한적 구현예에 따른 연료 및 증기 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 3 및 3A는 환경 장벽 저항성 증가를 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는 폴리아미드 12 (PA 12) 또는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층, 결합 가능 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 분리층, 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층, 결합 가능 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 추가 분리층, 및 증가된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 유사한 폴리아미드 16 또는 폴리아미드 612의 최외 커버층을 도시하는, 제3 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 4 및 4A는 이들 중 하나 또는 모두 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는, 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 제1 내부층 및 제2 외부층을 도시하는, 제4 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 5 및 도 5A는 환경 장벽 저항성 증가를 위하여 그래핀을 가질 수 있는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층, 결합 가능 폴리아미드 612의 분리층, 그래핀을 가지는 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층, 결합 가능 폴리아미드 612의 추가 분리층, 및 증가된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 유사한 폴리아미드 612의 최외 커버층을 도시하는, 제5 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 6 및 도 6A는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층, PA 612 + Gr의 분리층, 및 PA 612의 외부 커버층을 도시하는, 제6 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 7 및 도 7A는 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는 폴리아미드 612 (PA 612)의 단일층을 도시하는, 제7 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 8 및 도 8A는 그래핀 또는 그래핀 유도체와 컴파운딩될 수 있고, 증가된 강도 및 내모마성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 보강 브레이딩을 더 포함하는, 단일층을 도시하는, 제8 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 9 및 도 9A는 이들 중 하나 또는 모두 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는, 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 내부층 및 외부층과, 증가된 강도 및 내마모성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 중간 보강층을 도시하는, 제4 비-제한적 구현예의 변형인, 제9 비-제한적 구현예에 따른 자동체 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
제한 없이 첨부 도면을 참조로 하여, 본 발명은 다층 유체 및 증기 이송을 교시하며, 이는 연료 및 브레이크 라인을 포함하는 자동차 적용에 제한되지 않는다. 기타 및 추가적으로 예상되는 적용은 에어 컨디셔닝 및 오일 냉각 라인, 트랜스미션 오일 냉각 라인, 서스펜션 라인, 에어 라인 및 냉각수 라인과 같은 열 관리 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 본 시스템, 물품 또는 어셈블리 아래 커버되는 임의의 튜브의 관련 제조 방법을 교시한다. 각각의 개시되는 변형에서, 튜빙은 이에 제한되지 않으나, 분말 또는 기타 형태의 그래핀 또는 그래핀 유도체와 함께 폴리에틸렌 (PE) 또는 폴리아미드 (PA 12 또는 PA 612)를 포함하는, 성형된 (전형적으로 압출된) 폴리머 또는 코폴리머 물질의 최내 및/또는 최외 코팅 또는 층을 포함한다. 추가 변형은 그래핀 또는 그래핀 유도체를 추가로 가질 수 있고, 결합 가능한 폴리머의 분리층을 또한 포함하는 하나 이상의 중간층을 가지는, 변화하는 수의 (2 이상과 같은) 층을 포함할 수 있다. 폴리머/코폴리머층의 교대가 적합한 장벽층이고, 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머(EVOH)로 한정되지 않으며, 이는 증가된 장벽/환경 특성을 제공한다. 본 발명의 목적을 위하여, 다양한 층들이 임의의 범위의 코팅 두께를 커버하는 것으로 일반적으로 언급 및 이해되고, 바람직하지만 비-제한적인 구현예를 나타내는 것으로 이해되고, 달리 기재하지 않는 한 임의의 적합한 두께 범위가 이용될 수 있는 것으로 예상된다.
도 1 및 1A를 먼저 참조하면, 제1 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 한 쌍의 길이 방향 절단 및 단면 예시가 (10)으로 일반적으로 도시된다. 도 1의 변형(10)은 복수의 5층을 포함하고, 임의의 원하는 로딩 중량 또는 부피 백분율에 따라 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질과 혼합될 수 있는 이에 제한되지 않으나 폴리에틸렌 (PE)을 포함하는, 압출된 (및 임의로 전도성) 폴리머 물질의 제1 층(12)을 도시한다. 결합 가능한 PE의 제2 층(14)이 상기 제1 층(12) 위에 형성될 수 있다. 에틸렌 비닐 알코올 코폴리머 (EVOH) 물질과 같은 제3 수지 필름층(16)이 상기 제2 층(14) 위에 적용된다. 결합 가능한 PE(18)이 제4 분리층으로서 적용될 수 있고, 그 위에 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질 (제한 없이 단일층 그래핀, 소수층 그래핀, 산화그래핀 및 환원된 산화그래핀을 포함)을 가질 수 있는 PE의 제5 커버층(20)이 최종적으로 적용된다.
상기 층들(12-20)은 크로스 헤드 다이, 컨트롤러 등의 임의의 적합한 배열을 사용하여, 이에 제한되지 않으나 연속 압출 작업을 포함하는, 임의의 원하는 공정에 따라 형성될 수 있다. 제한 없이, 상기 다층 튜브의 층들 중 하나 이상이 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있고, 상기 그래핀 또는 그래핀 유도체는 분말 또는 기타 형태로 제공될 수 있고 임의의 원하는 중량 또는 부피 백분율에 따라 폴리머/코폴리머와 혼합될 수 있다. 이는 장벽 및 마모 저항성을 증가시키기 위하여 내부 PE 층(12) 및 외부 PE 층(20)과 그래핀의 컴파운딩을 포함할 수 있다. 하나의 추가적인 비-제한적 범위에서, 상기 그래핀 물질은 0.01-60 중량% (상대 비 또는 백분율)로 폴리머와 컴파운딩되는 분말로서 제공될 수 있다.
상기 내부(12) 및 외부/탑(20) 코트 또는 층에 사용되는 폴리머 또는 코폴리머 범위는 열가소성, 열경화성, 엘라스토머 또는 기타 천연 또는 합성 폴리머 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 이에 제한되지 않으나, 폴리프로필렌, 나일론 6, 나일론-12, 나일론-6,12, 폴리에틸렌, 테레프탈레이트, 폴리부틸렌, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리프탈아미드, 폴리옥시메틸렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르 및 폴리우레탄으로부터 선택될 수 있다. 이러한 범위의 물질은 다음에 기재되는 관련 변형인 도 2-3 중 임의의 것에 따르는 내부 및 외부 압출 층에 적용 가능한 것으로 더욱 이해된다.
박리(exfoliation) 기법에 의하여 제조되는 것과 같은, 분말화된 다층 그래핀이 임의의 중량 로딩 범위 또는 백분율로 내부층 및 외부층 중 하나와 다시 컴파운딩된다. 각각의 경우, 최종 목표는 생산되는 폴리머 또는 코폴리머 물질의 내부/중간/외부층에 우수한 특성을 제공하여, 개선된 기계적 특성, 우수한 내마모성 내 긁힘성(anti-scratch resistance), 및 증가된 장벽 저항성(barrier resistance)을 나타내도록 하는 것이다.
또한 알려진 바와 같이, 그래핀은 두께에서 탄소 원자 1 원자층으로 이루어지는 원자 규모 6각형 격자이다. 더욱 알려진 바와 같이, 그래핀은 허니콤 결정 격자 내 조밀하게 패킹되는 sp2-결합된 탄소 원자의 1-원자-두께 평면 시트이다. 그래핀은 탄소 원자 및 그들의 결합으로 이루어지는 원자 규모 치킨 와이어로서 볼 수 있다. 그 명칭은 GRAPHITE + -ENE으로부터 유래하고, 여기서 흑연(graphite) 자체가 함께 적층된 많은 그래핀 시트들로 구성된다.
그래핀 내 탄소-탄소 결합 길이는 대략 0.142 nm이다. 그래핀은 흑연(graphite), 탄소 나노튜브 및 풀러렌(fullerenes)을 포함하는 몇몇 탄소 동소체(allotropes)의 기본적인 구조적 요소이다. 이는 또한 무한히 큰 방향족 분자로서 간주될 수 있고, 편평한 폴리시클릭 방향족 탄화수소류의 제한적인 경우가 그래핀으로 불리운다. 측정은 그래핀이 강철(steel)보다 약 200배 더 큰 파괴 강도(breaking strength)를 가져, 지금껏 시험된 가장 강한 물질임을 보였다. 따라서, 본원에 의하여 뒷받침되는 바와 같이, 다양한 외부 코팅 압출 폴리머 물질과 조합되는 그래핀 분말은 환경 보호적 외부 또는 탑 코트를 제공하여, 우수한 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공한다.
도 2 및 2A를 참조하여, 제2 비-제한적 구현예에 따른, 일반적으로 (22)로 나타내는, 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시가 각각 제공된다. 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여, 모두 그래핀을 가지는 예를 들어 폴리에틸렌층으로 구성되는, 내부 (임의로 전도성) 층(24) 및 외부 또는 커버층(26)이 제공된다. 이전의 구현예와 같이, 다층 튜브의 한 층 또는 두 층 모두 그래핀을 가져 증가된 장벽 및 마모 저항성을 제공할 수 있다. PE 24의 내부층은 소정의 적용에서 전도성일 수 있다.
도 3 및 3A는 제3 비-제한적 구현예에 따른, 일반적으로 (28)로 나타내는, 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공하며, 도 1에서 (10)으로 도시된 것과 유사한 것을 도시한다. 상기 튜브(28)는 폴리아미드 12 (PA 12) 또는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층(30)을 도시하고, 이는 증가된 환경 장벽 저항성을 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있고, 그 위에 결합 가능한 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 분리층(32)이 (예를 들어, 연속 압출 작업으로) 형성된다. 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층(34)이 그 후 적용되고, 결합 가능한 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 추가적인 분리층(36)이 적용된다. 그 다음, 증가된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여, 그래핀과 컴파운딩되는 유사한 폴리아미드 16 또는 폴리아미드 612의 최외 커버층(38)이 탑 코팅으로서 적용된다.
도 4 및 4A는 제4 비-제한적 구현예에 따른, 일반적으로 (40)으로 나타내는, 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다. 상기 튜브(40)는, 도 2의 이전의 구현예(22)와 유사하게, 이들 중 하나 또는 모두가 임의의 로딩 백분율 또는 중량에 따라 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는, 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 제1 내부층(42) 및 외부층(44)을 가지는 2층 배열을 도시한다.
도 5 및 5A는 증가된 환경 장벽 저항을 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가질 수 있는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층(48), 결합 가능한 폴리아미드(612)의 분리층(50), 개선된 장벽 성능을 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머 (EVOH)의 장벽층(52), 결합 가능한 폴리아미드 612의 추가 분리층(54), 및 증가된 환경 장벽 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 유사한 폴리아미드 612의 최외 커버층(56)을 도시하는, 제5 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트(46)의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
도 6 및 6A는 폴리아미드 612 (PA 612)의 제1 최내층(60), 환경 장벽으로도 작용하는 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 PA 612의 분리층(62), 및 PA 612의 외부 커버층(64)을 도시하는, 제6 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트(58)의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
이어서, 도 7 및 7A를 참조로 하여, 제7 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시가 각각 (66)으로 예시된다. 이 버전은, 단일층 그래핀, 소수층 그래핀, 산화그래핀, 및 환원된 산화그래핀으로 한정되지 않는 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질을 가질 수 있는, 폴리아미드 612 (PA 612)의 단일층(68)을 도시한다. 이 또한 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 확립하기 위하여 제공된다.
도 8 및 8A는 앞서 기재한 바와 같이 개선된 환경 장벽 및 마모 저항성을 위하여 단일층 그래핀, 소수층 그래핀, 산화그래핀, 및 환원된 산화그래핀으로 한정되지 않는 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질을 가질 수 있고, 단일층 튜빙 내에 통합되어 추가적인 강도를 제공할 수 있는, 하나의 단일층(72)을 도시하는, 제8 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 (70)으로 나타내는 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다.
상기 단일층 튜빙은, 예를 들어 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질을 포함할 수 있는, 보강 브레이딩(reinforcement braiding)(74)을 또한 포함할 수 있다. 제한 없이, 상기 보강의 브레이딩 패턴은 평행 또는 십자형/대각선 방향 중 임의의 방향의 배열을 포함할 수 있다. 또한, 상기 브레이딩 프로필은 상기 튜브의 단일층 또는 다층 변형 중 임의의 것 내에서 및 이를 따라 원주 및 축 방향으로 각각 연장할 수 있는 것으로 생각된다.
마지막으로, 도 9 및 9A는 도 4 및 4A의 제4 비-제한적 구현예의 관련 변형인, 제9 비-제한적 구현예에 따른 자동차 유체 이송 튜브의 벽 세그먼트의 (76)으로 나타내는 길이 방향 절단 및 말단 단면 예시를 각각 제공한다. 폴리아미드 12 또는 폴리아미드 612의 내부층(78) 및 외부층(80)은 이들 중 하나 또는 모두가 그래핀과 컴파운딩되고, 개선된 환경 강도 및 마모 저항성을 제공하기 위하여 그래핀 보강의 중간층(82)과 조합된다. 앞서 기재한 바와 같이, 상기 보강 요소는 평행 또는 대각선 브레이딩 프로필 중 임의의 것에 따라 제공될 수 있고, 제한 없이, 특정 층들 사이의 경계에서 원주 및 축 방향으로 연장되어 배열될 수 있다.
도시되는 구현예를 넘어, 다층 튜브 내 층들의 임의의 조합이 제공될 수 있고, 이는 예를 들어 소정의 적용 특유의 맞춤형 작업 특징을 제공하기 위하여, 임의의 타입의 필름 또는 기타 장벽층의 도입을 포함하는 것으로 이해된다. 이는 다시, 앞서 기재한 것으로 한정되지 않는 그래핀 또는 그래핀 유도체 물질을 가질 수 있는 예를 들어 EVOH 물질의 장벽층의 제공, 그래핀 또는 그래핀 유도체를 가지는 폴리머 또는 그래핀을 가지는 코폴리머의 중간층의 제공 (예를 들어, 5층 또는 그 이상의 MLT의 조합의 경우), 및 임의의 조성 또는 그래핀 로딩 요인의 서브세트 층을 가지는 폴리머/코폴리머층의 제공을 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명을 기재하였으며, 기타 및 추가의 바람직한 구현예들이 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게, 첨부하는 청구항의 범위로부터 이탈됨이 없이, 분명해질 것이다. 이는 튜브 형성을 위한 압출 라인 공정을, 잠재적으로 임의의 유형의 다이 슬라이드를 가지는 캐비티 몰드(cavity mold) 또는 원하는 물질 구성을 가지는 튜빙의 개별 길이 형성을 위한 픽 앤 플레이스(pick and place) 기술과 같은, 임의의 기타 적합한 성형 작업으로 대체를 포함할 수 있다.
상세한 설명 및 도면은 그 범위가 청구항에 의하여 정의되는 개시를 뒷받침하는 것으로 더 이해된다. 청구되는 교시를 실행하기 위한 최선의 방식 및 기타 구현예들 중 일부가 상세히 기재되었으나, 첨부하는 청구항에 정의되는 개시를 실행하기 위한 다양한 대안적인 설계 및 구현예가 존재한다.
전술한 개시는 본 발명을 개시된 정확한 형태 또는 특정 사용 분야로 제한하고자 하지 않는다. 이와 같이, 본원에서 분명히 기재되든 암시되든, 본 발명에 대한 다양한 대안적인 구현예 및/또는 변화가 본원 개시를 고려하여 가능한 것으로 생각된다. 이와 같이 본 발명의 구현예들을 기재하였으므로, 당업자는 본 발명의 범위로부터 이탈됨이 없이 형태 및 세부 사항의 변화가 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 청구범위에 의해서만 한정된다.
전술한 명세서에서, 본 발명을 특정 구현예들을 참조로 하여 기재하였다. 그러나, 당업자가 이해하는 바와 같이, 본원에 개시된 다양한 구현예는 본 발명의 사상 및 범위로부터 이탈됨이 없이 변화되거나 또는 다양한 다른 방식으로 실행될 수 있다. 따라서, 본 명세서의 기재는 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 당업자에게 본 발명의 다양한 구현예들을 만들고 이용하는 방식을 교시할 목적이다. 본원에 도시되고 기재된 개시 형태는 대표적인 구현예로서 간주되어야 하는 것으로 이해될 것이다. 본원에 대표적으로 예시되고 기재된 것들을 균등한 요소, 물질, 공정 또는 단계로 대체할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일부 특징들은 기타 특징들의 사용과 독립적으로 이용될 수 있으며, 이는 본원 명세서의 기재를 읽은 후 당업자에게 분명할 것이다. 본 발명을 기재하고 청구하기 위하여 사용되는 "포함하는", "혼입하는", "구성되는", "가지는", "~인"과 같은 표현은 비-독점적인 방식으로, 즉 분명히 기재되지 않은 항목, 성분 또는 요소들 또한 존재함을 허용하는 방식으로 해석되는 것을 의도한다. 단수의 언급은 복수에 대한 것으로도 해석될 것이다.
또한, 본원에 개시된 다양한 구현예들은 예시적이고 설명적인 의미로 간주될 것이며, 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 모든 결합 언급 (예를 들어, 부착되는, 고정되는, 커플링되는, 연결되는 등)은 읽는 사람의 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해서만 사용되며, 특히 본원에 개시된 시스템 및/또는 방법의 위치, 배향, 또는 사용에 대한 제한을 형성하지 않는다. 따라서, 결합 언급이 있다면, 이는 광범위하게 해석되어야 한다. 나아가, 그러한 결합 언급은 반드시 두 요소들이 서로 직접 연결되는 것을 추론하지는 않는다.
부가적으로, 이에 제한되지 않으나, "제1", "제2", "제3", "1차", "2차", "주요" 또는 기타 순서 및/또는 숫자와 관련된 용어와 같은, 모든 숫자 용어는 본 발명의 다양한 요소, 구현예, 변화 및/또는 수정에 대한 읽는 사람의 이해를 돕기 위한 식별자로만 간주되어야 하며, 특히 다른 요소, 구현예, 변화 및/또는 수정에 대한 임의의 요소, 구현예, 변화 및/또는 수정의 순서 또는 선호도에 대하여 어떠한 제한도 형성하지 않을 것이다.
도면에 도시되는 요소들 중 하나 이상은 더 분리되거나 통합된 방식으로 실행될 수 있으며, 또는 어떠한 경우, 특정 용도에 따라 유용하게, 제거 또는 실시 불가능하게 될 수도 있는 것으로 이해될 것이다. 부가적으로, 도면에서 임의의 신호 해치(signal hatches)는, 달리 구체적으로 명시되지 않는 한, 예시적일 뿐이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
Claims (28)
- 유체 이송 튜브로서,
원형 단면 프로필로 성형되는 폴리머 또는 코폴리머를 가지는 적어도 하나의 층; 및
상기 층 내 그래핀 물질
을 포함하는, 튜브. - 제1항에 있어서,
상기 그래핀 물질은 단층 그래핀, 소수층 그래핀, 산화 그래핀 및 환원된 산화 그래핀으로 한정되지 않는 임의의 그래핀 유도체를 포함하는, 튜브. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 층은 내부층 및 외부층을 포함하는, 튜브. - 제1항에 있어서,
상기 내부층 및 외부층은 각각 압출된 폴리에틸렌 또는 폴리아미드 중 하나를더 포함하는, 튜브. - 제1항에 있어서,
상기 층 내에 혼입된 폴리아미드 12 (PA12) 또는 폴리아미드 612 (PA 612)를 더 포함하는, 튜브. - 제3항에 있어서,
상기 내부층 및 외부층 사이에 적용되는 장벽층 또는 필름을 더 포함하는, 튜브. - 제6항에 있어서,
상기 장벽층은 폴리머, 코폴리머 또는 에틸렌-비닐 알코올 코폴리머를 더 포함하는, 튜브. - 제7항에 있어서,
상기 그래핀 물질 또는 그래핀 유도체 물질을 포함하는 상기 장벽층을 더 포함하는, 튜브. - 제6항에 있어서,
상기 장벽층은 그래핀 또는 산화그래핀과 컴파운딩될 수 있는 폴리머 또는 코폴리머를 포함하는, 튜브. - 제3항에 있어서,
전도성인 상기 내부층을 더 포함하는, 튜브. - 제3항에 있어서,
상기 내부층 및 외부층 사이에 중간 폴리머 또는 코폴리머층을 더 포함하는, 튜브. - 제11항에 있어서,
상기 중간층은 결합 가능한 폴리에틸렌을 더 포함하는, 튜브. - 제11항에 있어서,
상기 중간층은 결합 가능한 폴리아미드를 더 포함하는, 튜브. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머 또는 코폴리머층은 열가소성, 열경화성, 엘라스토머 또는 기타 천연 또는 합성 폴리머를 더 포함하고, 이에 제한되지 않으나, 폴리프로필렌, 나일론 6, 나일론-12, 나일론-6,12, 폴리에틸렌, 테레프탈레이트, 폴리부틸렌, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리프탈아미드, 폴리옥시메틸렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르 및 폴리우레탄으로부터 선택될 수 있는, 튜브. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머와 0.01-60 중량%로 컴파운딩되는 분말로서 제공되는 상기 그래핀 물질 또는 그래핀 유도체 물질을 더 포함하는, 튜브. - 제1항에 있어서,
다층으로 개별적으로 또는 전체로서 제공되는 상기 폴리머 또는 코폴리머를 더 포함하는, 튜브. - 제1항에 있어서,
상기 층 내에 혼입되거나 그 위에 위치하는 보강 브레이딩(reinforcement braiding)을 더 포함하는, 튜브. - 제17항에 있어서,
상기 그래핀 물질 또는 그래핀 유도체 물질을 포함하는 상기 보강 브레이딩을 더 포함하는, 튜브. - 유체 또는 증기 이송 튜브의 제조 방법으로서,
폴리머 또는 코폴리머를 포함하는 유체 물질 내로 그래핀 또는 그래핀 유도체를 혼입하는 단계; 및
상기 유체 물질을 적어도 하나의 층으로 성형하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 유체 물질을 적어도 하나의 층으로 성형하는 단계는 내부 및 외부 원형 단면층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 내부층 및 외부층 사이에 장벽층 또는 필름을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제21항에 있어서,
상기 장벽층을 적용하는 단계를 상기 그래핀 또는 산화그래핀과, 에틸렌-비닐 알코올 폴리머, 코폴리머, EVOH, 아라미드, 또는 불소 수지로 형성하는 것으로서 더 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서,
전도성 물질로부터 상기 내부층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서,
상기 내부층 및 외부층 사이에 중간 폴리머 또는 코폴리머층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 폴리머, 코폴리머는 열가소성, 열경화성, 엘라스토머 또는 기타 천연 또는 합성 폴리머로 구성되는 군으로부터 선택되는 아라미드 또는 불소수지 층을 추가적으로 포함하고, 이에 제한되지 않으나, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 나일론 6, 나일론-12, 나일론-6,12, 테레프탈레이트, 폴리부틸렌, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리프탈아미드, 폴리옥시메틸렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르, 및 폴리우레탄으로부터 선택될 수 있는, 방법. - 제20항에 있어서,
상기 성형 단계는 내부 및 외부 원형 단면층을 압출하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 층 내 또는 위에 보강 브레이딩을 혼입하는 단계를 더 포함하고, 상기 브레이딩은 그래핀 또는 그래핀 유도체를 더 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
환경 장벽 저항성 증가를 위하여, 폴리아미드 12 (PA12) 또는 폴리아미드 612 (PA612)를 상기 층 내로 혼입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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