KR20040095378A - 산업용 고강도 막재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 고강도 막재료에 관한 것으로서, 10g/데니어 이상의 강도를 갖는 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유 또는 폴리비닐알코올 섬유로 구성된 기포(1)와, 상기 기포(1)의 양면에 형성되어 있는 열가소성 폴리우레탄 수지의 코팅층(2,3)과, 상기 코팅층(2,3)들 중 한쪽 면에 접착제층(4)에 의해 라미네이팅 되어있는 폴리비닐리덴플로라이드 필름층(5)으로 구성되어 헬륨의 누수도가 2ℓ/㎡·24시간·atm 미만인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 가스차단성과 접착성이 우수하며 경량으로서 고강도이기 때문에 성층권용 비행선의 기낭재료로 유용하다.

Description

산업용 고강도 막재료 {A high strength membranous material for industrial use}

본 발명은 성층권 비행선의 기낭재료 등에 사용되는 산업용 고강도 막재료에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가스차단성과 막간의 접착성이 우수하며 경량으로서 고강도를 갖고 있어서 높은 고도용 비행선의 기낭재료로 유용한 산업용 고강도 막재료에 관한 것이다.

높은 고도용 비행선 특히, 고도 약 20km 이상의 성층권에서 사용되는 비행선(이하 "성층권 비행선" 이라 한다)은 공기의 밀도가 지상의 약 1/18 정도인 고도에서 부력을 이용하여 체공한다. 따라서 기존 비행선을 성층권으로 올린다고가정하면 자체 중량을 1/18로 줄이거나, 같은 중량을 유지하면서 본체의 부피를 18배로 늘려야 한다. 이 경우 길이는 약 2.6 배가 증가한다.

일반적으로 중량을 줄이는 것과 부피를 늘이는 것은 모두 한계가 있으므로 두 가지 방식을 병행하여 사용한다. 즉 본체의 길이를 크게하는 한편 보다 경량화 된 구조물과 설계기법을 사용하여 비행선을 설계한다.

성층권 비행선 중량에서 가장 많은 비중을 차지하는 것은 기낭 이다. 현재 비행선에 널리 사용되는 폴리에스터 합성섬유로 기낭을 제작할 경우 비행선이 무겁고 강도도 약하기 때문에 보다 가벼우면서 강도가 더 큰 재료를 개발해야 한다. 성층권 비행선의 임무를 위해서는 강도가 100kgf/cm 이상이고, 무게가 200g/㎡ 이하인 기낭재료가 필요한 것으로 알려져 있다.

현재 주로 사용되는 비행선의 기낭재료는 합성수지 계열이다. 그러나 고강도이며 헬륨 누수를 막고, 자외선 등의 환경적 영향을 최소화 할 수 있는 단일 재료는 아직 개발되지 않았다. 그 대신 각 기능을 담당할 수 있는 재료들을 접착해서 사용하는 방법이 널리 쓰인다. 각각의 막을 구성하는 재료들은, 그 기능에 따라서 하중막, 가스차단막, 보호막 등으로 구분 된다.

종래 하중막(기포)은 합성섬유를 제직한 원단으로 구성된다. 주로 사용되는 재료들은 폴리에스터 계열이나 폴리아미드(상품명 : Nylon) 그리고 아라미드 계열(상품명 : Kevlar) 등이 있다. 이들 재료 중 폴리에스터계 섬유가 비행선에 가장 광범위하게 사용되고 있다.

폴리에스터계 섬유는 기타 합성섬유에 비해, 높은 강도를 보이며, 수분 흡수율 등이 낮다. 또한 원래 모양을 보존하는 특성이 좋다. 폴리아미드(Polyamide) 섬유는 그 특성에서 폴리에스터와 많은 유사점을 갖는다. 하지만 하중에 대한 신장율이 쉽게 일어난다.

아라미드 섬유는 폴리에스터에 비해 강도가 크고, 하중에 의한 변형이 작다. 하지만 큰 강성을 가지고 있어 유연하지 못해 피로하중에 약한 특성이 있다. 그로인해 아라미드 섬유는 곡면으로 이루어진 비행선의 재료로 사용하는 데 문제점을 가지며, 화학적 강도저하가 쉽게 일어나는 단점을 가지고 있다.

폴리에틸렌계 섬유는 높은 인장강도를 가지고 있으나 큰 탄성계수 때문에 크리프 파괴에 취약한 특성을 지닌다. 또한 폴리에틸렌 섬유는 접착특성이 떨어져 보호막과 가스차단막을 접착하는데 난점이 있다.

한편, 비행선용 막재료를 구성하는 보호막은 자외선과 오존으로 부터 기낭을 보호하는 역할을 담당하고, 가스차단막은 비행선이 높은 고도에서 장시간 머물수 있도록 비행선 내의 헬륨이 외부로 빠져나가는 것을 방지하는 역할을 한다.

보호막이 높은 수준의 가스차단 기능을 동시에 구비하여 별도의 가스 차단막을 사용하지 않는 것이 재료의 경량화에 보다 바람직 하다. 종래 보호막으로는 네오프렌(Neoprene)이나 폴리우레탄이 주로 사용되어 왔다.

상기의 종래 보호막 소재들은 원가가 저렴하고 헬륨 누수 방지 효과도 탁월하나 자외선 차단기능이 떨어지고, 쉽게 찢어지는 단점이 있다. 또한 수분과 자외선에 노출될 경우 염산으로 분해되어 장기간 사용하기에는 부적절하고 화학물질에 약해 다른 필름이나 섬유에 접착하기 어렵고 층간 분리가 쉽게 일어나는 단점이있었다.

본 발명은 가스차단성과 막재료 간의 접착성이 우수하며, 경량으로서 고강도를 갖고 있어서 산업용 특히 성층권 비행선용 재료로 유용한 막재료를 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명 막재료의 단면도

※ 도면중 주요부분에 대한 부호설명

1 : 기포 2, 3 : 코팅층 4 : 접착제층 5 : 필름층

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 산업용 고강도 막재료는, 10g/데니어 이상의 강도를 갖는 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유 또는 폴리비닐알코올 섬유로 구성된 기포(1)와, 상기 기포(1)의 양면에 형성되어 있는 열가소성 폴리우레탄 수지의 코팅층(2,3)과, 상기 코팅층(2,3)들 중 한쪽 면에 접착제층(4)에 의해 라미네이팅 되어있는 폴리비닐리덴플로라이드 필름층(5)으로 구성되어 헬륨의 누수도가 2ℓ/㎡·24시간·atm 미만인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 도 1과 같이 합성섬유로 제조된 기포(1), 상기 기포(1)의 양면에 형성된 코팅층(2,3), 상기 코팅층 중 어느 일면에 접착제층(4)에 의해 라미네이팅 되어있는 필름층(5)으로 구성된다.

상기 기포(1)는 높은 강도와 강성을 갖는, 구체적으로 10g/데니어 이상의 강도를 갖는 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(Poly P-phenylene benzobisoxazloe) 섬유또는 폴리비닐알코올 섬유로 구성되어 가벼우면서도 고강력을 갖는다.

상기 폴리파라페닐렌벤조비스옥사롤 섬유는 자외선에 약한 특성을 제외하고는 매우 탁월한 구조성능을 갖는다.

본 발명에서는 막재료의 일면에 자외선 차단용 보호막인 필름층(5)이 라미네이팅 되기 때문에 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유가 자외선에 약한 단점을 보완할 수 있다.

또한, 기포(1)의 양면에 형성된 코팅층(2,3)은 열가소성 폴리우레탄 수지로 구성된다. 상기 코팅층들은 비행선 기체 제작시에 막재료 상호간의 접착강도를 향상시키는 역할을 한다.

일반적으로 비행선은 1m 정도의 폭을 가지는 막재료를 재단, 접착하여 제조하게 된다. 이때 접착부위는 기낭막에 비해 강도가 떨어지고, 헬륨 누수가 커지는 경향이 있다.

본 발명에서는 기포(1) 양면에 코팅된 열가소성 폴리우레탄 수지들을 열접착(Heat welding) 시킴으로서 막재료 상호간의 접착강도를 높이고, 헬륨 누수도 최소화 할 수 있다.

폴리우레탄 수지는 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 장점이 있는 반면, 자외선에 취약한 단점이 있다. 그러나 본 발명에서는 막재료 외부에 보호막인 필름층(5)이 라미네이팅 되기 때문에 자외선에 취약한 단점이 보완된다.

막재료 상호간을 접착시키는 코팅층 소재로 폴리카보네이트 또는 실리콘 등을 사용할 수도 있다. 그러나 폴리카보네이트는 폴리우레탄 수지 보다 가격이 비싸며, 실리콘은 마찰에 약한 단점이 있다.

열의 흡수나 방사를 촉진시키기 위하여 상기 코팅층(2,3) 내에 산화티탄 등의 금속물질을 첨가할 수 있다.

막재료의 가장자리 부분들을 서로 겹쳐 접착하여 막재료들을 연결할 때 겹쳐지는 부분(접착부)의 길이가 증가할수록 접착강도도 증가한다. 접착부위의 강도가 기낭막 강도의 80% 이상을 확보하기 위해서는 접합부 길이가 6~8cm는 되어야 한다. 막재료의 폭은 약 1m 수준이기 때문에 비행기의 기체 제작시에는 15~20% 정도의 중량증가가 발생된다.

한편, 코팅층(2,3)들 중 한쪽면에 접착제층(4)에 의해 라미네이팅 되어있는 필름층(5)은 폴리비닐리덴 플로라이드 필름으로 구성되며, 상기 접착제층(4)의 주성분은 우레탄계 접착제 또는 폴리카보네이트계 접착제 이다.

이상에서 설명한 본 발명의 막재료는 막간 접착성이 우수하여 헬륨의 누수도가 2ℓ/㎡·24시간·atm 미만이다. 또한, 본 발명의 막재료는 고강도 섬유로 제조되어 강도가 100kgf/cm 이상이고, 무게가 200g/㎡ 이하이다.

이와 같이 본 발명의 막재료는 가스차단성이 우수하고, 경량이면서도 고강도이기 때문에 높은 고도에서 사용되는 비행선의 기낭재료로 매우 유용하다.

본 발명에 있어서, 막재료의 인장강도 및 헬륨누수도는 아래와 같은 방법으로 평가 하였다.

·인장강도(kg/cm)

FED 측정방법인 STD 191 A 방법으로 평가 하였다.

·헬륨누수도(ℓ/㎡·24시간·atm )

ASTM D 1434 방법으로 평가 하였다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

인장강도가 15g/d인 250데니어의 폴리비닐알코올 섬유를 경사와 위사로 사용하여 경사밀도 및 위사밀도가 모두 70본/인치인 평직 원단을 제직한다. 제직된 원단 양면에 산화티탄이 첨가된 열가소성 폴리우레탄 수지를 코팅하여 코팅원단을 제조한다. 계속해서, 상기 코팅원단의 한쪽면에 우레탄계 접착제를 사용하여 폴리비닐리덴 플로라이드 필름을 라미네이팅하여 막재료를 제조한다. 제조한 막재료의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

실시예 2

인장강도가 15g/d인 250데니어의 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유를 경사와 위사로 사용하여 경사밀도 및 위사밀도가 모두 55본/인치인 평직 원단을 제직한다. 제직된 원단 양면에 열가소성 폴리우레탄 수지를 코팅하여 코팅원단을 제조한다. 계속해서, 상기 코팅원단의 한쪽면에 폴리카보네이트계 접착제를 사용하여 폴리비닐리덴 플로라이드 필름을 라미네이팅하여 막재료를 제조한다. 제조한 막재료의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

실시예 3

인장강도가 20g/d인 500데니어의 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유를 경사와 위사로 사용하여 경사밀도 및 위사밀도가 모두 35본/인치인 평직 원단을 제직한다. 제직된 원단 양면에 산화티탄이 첨가된 열가소성 폴리우레탄 수지를 코팅하여 코팅원단을 제조한다. 계속해서, 상기 코팅원단의 한쪽면에 폴리카보네이트계 접착제를 사용하여 폴리비닐리덴 플로라이드 필름을 라미네이팅하여 막재료를 제조한다. 제조한 막재료의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

비교실시예 1

1000 데니어의 폴리에스테르 섬유를 경사와 위사로 사용하여 경사밀도 및 위사밀도가 모두 22본/인치인 평직 원단을 제직한다. 제직된 원단 양면에 열가소성 폴리우레탄 수지를 코팅하여 코팅원단을 제조한다. 계속해서, 상기 코팅원단의 한쪽면에 우레탄계 접착제를 사용하여 폴리에스테르 필름을 라미네이팅하여 막재료를 제조한다. 제조한 막재료의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

비교실시예 2

420 데니어의 폴리아미드 6 섬유를 경사와 위사로 사용하여 경사밀도 및 위사밀도가 모두 40본/인치인 평직 원단을 제직한다. 제직된 원단 양면에 산화티탄이 첨가된 열가소성 폴리우레탄 수지를 코팅하여 코팅원단을 제조한다. 계속해서, 상기 코팅원단의 한쪽면에 우레탄계 접착제를 사용하여 폴리에스테르 필름을 라미네이팅하여 막재료를 제조한다. 제조한 막재료의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

물성 평가 결과

구 분	인장강도(kg/cm)	중량(g/㎡)	헬륨누수도(ℓ/㎡·24시간·atm )
실시예 1	108	187	1.8
실시예 2	157	192	1.1
실시예 3	171	195	1.3
비교실시예 1	83	256	3.8
비교실시예 2	78	238	4.3

본 발명은 가스차단성과 막재료간의 접착성이 우수하고, 경량으로서 고강도 이다. 그 결과 본 발명은 산업용, 특히 높은 고도에서 사용되는 비행선의 재료로 유용하다.

Claims (4)

10g/데니어 이상의 강도를 갖는 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유 또는 폴리비닐알코올 섬유로 구성된 기포(1)와, 상기 기포(1)의 양면에 형성되어 있는 열가소성 폴리우레탄 수지의 코팅층(2,3)과, 상기 코팅층(2,3)들 중 한쪽 면에 접착제층(4)에 의해 라미네이팅 되어있는 폴리비닐리덴플로라이드 필름층(5)으로 구성되어 헬륨의 누수도가 2ℓ/㎡·24시간·atm 미만인 것을 특징으로 하는 산업용 고강도 막재료.

1항에 있어서, 강도가 100kgf/cm 이상이고 무게가 200g/㎡ 이하인 것을 특징으로 하는 산업용 고강도 막재료.

1항에 있어서, 접착제층(4)의 주성분이 우레탄계 접착제 또는 폴리카보네이트계 접착제인 것을 특징으로 하는 산업용 고강도 막재료.

1항에 있어서, 열가소성 폴리우레탄 수지의 코팅층(2,3) 내에 금속물질이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 산업용 고강도 막재료.