KR100469635B1 - 고압용기용 금속성 노즐을 플라스틱용기에 결착시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축천연가스의 저장용기 등에 사용되는 복합재료용기의 플라스틱 라이너와 결합되는 금속성 노즐을 플라스틱 라이너에 결착시켜 주는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 결착방법은 노즐과 플라스틱 라이너의 강력한 결합력을 유지시켜 주므로서 금속성 노즐을 사용한 고압 복합재료용기에서 개스가 누출되는것을 방지 할수 있는 효과를 갖는다.

Description

고압용기용 금속성 노즐을 플라스틱용기에 결착시키는 방법 {Setting method of metal nozzle in the plastic vessel}

본 발명은 압축천연가스의 저장용기 등에 사용되는 복합재료용기의 플라스틱 라이너(liner)와 결합되는 금속성 노즐을 복합재료용기에 결착시켜주는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 복합재료라 함은 용기의 라이너를 고밀도 폴리에틸렌과 같은 플라스틱으로 만들고 카본섬유나 유리섬유를 에폭시수지와 같은 고분자수지에 적셔서 상기 라이너 위에 감아서 된 재료를 말한다. 자동차용 천연가스 연료저장용기와 같은 고압용기는 경량화를 위해 라이너를 플라스틱으로 제작하고 그 위에 카본섬유나 유리섬유를 에폭시수지와 같은 고분자수지에 적셔서 감아서(wrapping) 제작하고 있다. 여기에 사용되는 플라스틱으로서는 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스텔 수지 등이 이용된다.

이러한 플라스틱 라이너는 금속성 라이너(liner)에 비해 무게가 가볍고 내부식성이 크며, 반복적인 충전피로에 매우 강하다. 또한 금속성 라이너에 비해 충전시간을 단축할 수 있는 장점을 지니고 있다. 그러나 이러한 플라스틱 라이너를 사용하였을 경우 금속성 노즐과 플라스틱 라이너의 연결부위가 견고하지 못하여 이로 인해 장기 사용시 가스가 새기 쉽다는 단점이 있다. 특히 사출성형이나 로터리몰딩(rotary molding)에 의해 라이너를 제작시 금속성 노즐을 삽입하여 성형하는데 이 경우 접착제의 사용이 어렵게 된다.

압축천연가스 저장용기는 200기압 이상의 고압에 견디어야 하기 때문에 고압에 견딜 수 있는 재료로 만들어야 한다. 기존에는 금속성 재료로 라이너를 만들고 그 위에 카본섬유나 유리섬유로 감아서 제작하였고, 최근 들어서는 경량화를 위해 그리고 개스의 충전시간 단축을 위해 고밀도폴리에틸렌(이하 HDPE라 한다)을 사용하여 플라스틱 라이너를 사출(injection molding)이나 로터리몰딩(rotary molding)에 의해 제작하고 그 위에 에폭시수지로 적신 카본섬유나 유리섬유로 감아서 제작하고 있다. 여기서 플라스틱 라이너를 사용할 경우 플라스틱 라이너와 금속성 노즐과의 접착성이 문제가 된다. 이러한 문제를 해결하고자하는 종래의 기술로는 플라스틱 조임쇠를 이용하여 노즐과 라이너를 물리적으로 밀착시키는 방법이 사용되고 있다.(대한민국 등록특허공보 제10-0247116호 등록일자 99. 12. 9)

종래의 금속성 라이너는 무게가 무겁고 부식에 매우 약하며, 제조원가가 비싸다. 반면에 플라스틱 라이너를 사용한 복합재료용기는 가볍고 내부식성을 지니며 반복적인 충전 피로에 강하며, 가스 충전 시간이 짧다. 천연개스를 용기에 주입할 때 천연개스는 압력이 가하여진 상태에서 주입되게 되므로 용기 내부에서의 압축열과 라이너의 팽창으로 인한 열이 발생하여 금속라이너의 온도 상승 속도가 빨라지며, 라이너가 플라스틱인 경우 팽창으로 인한 라이너의 발열이 적어 라이너의 승온 속도가 낮게 되므로 주입 시간을 단축시켜 줄 수 있게 된다. 이러한 이유로 현재 플라스틱 라이너를 사용한 다양한 복합재료용기의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 기존의 금속성 라이너를 사용할 경우에는 라이너와 노즐을 견고하게 접합시켜 주는데는 큰 문제가 없지만 플라스틱 라이너를 사용할 경우 플라스틱과 금속간의 접합 상태가 제조공정상의 특성으로 접착제를 사용할 수 없기 때문에 제조 후 금속을 감싸고 있는 플라스틱 사이로 틈새가 생길 수 있으며, 또한 외부의 충격, 온도 변화, 급격한 압력전달, 반복 하중의 작용, 사용 연수의 경과로 인하여 플라스틱 라이너와 금속 노즐의 틈 사이로 가스의 누출이 발생할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위한 기존의 기술들은 상기한 플라스틱 조임쇠를 설치하여 노즐과 라이너를 밀착시키는 방법이 있다. 그러나 이러한 기술은 구조가 복잡하여 실제 제품에 적용하기가 어렵고 고압가스에 대한 기밀도 유지가 어렵다. 특히 노즐안쪽에 설치하는 죄임쇠는 설치하기가 매우 어려우며, 바깥쪽으로의 가스 누출을 막을 수 가 없다.

플라스틱의 표면은 일반적으로 낮은 표면에너지, 즉 활성이 낮아 접착력과 젖음성이 떨어진다. 특히 금속과의 접착성은 매우 불량하고, 용융수지와 금속이 만나는 경우 급격한 냉각으로 인해 주위에 잔류응력이 남게 된다. 그러므로 플라스틱과 금속에 화학적 개질이나 표면처리를 하지 않은 기존의 물리적인 밀착 방법으로는 가스가 새는 것을 막는데 한계가 있다.

본 발명은 복합재료로 된 용기에 금속성 노즐을 복합재료 용기의 플라스틱 라이너와 견고하게 결착시켜 주는 방법에 관한 것이다.

본 발명자는 금속성 노즐을 특정한 형태로 구성시켜 주고, 또한 금속성 노즐에 적절한 표면처리를 하여 복합재료용기의 플라스틱 라이너와 결합하여 주므로서 금속성 노즐을 복합재료 용기에 견고하게 결착시켜 줄 수 있어 금속성 노즐을 사용한 복합재료용기가 장시간 사용하여도 용기로부터 개스가 새는 것을 방지할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

도 1은 본 발명에서 사용한 금속노즐의 단면도이고

도 2은 본 발명에서 사용한 금속노즐의 평면도이다

도 3은 본 발명에서 금속노즐을 복합재료 용기에 결착시킨 상태를 나타낸 고압용기의 단면도이다

도 4는 본 발명의 방법으로 결착시킨 노즐의 접착력을 비교 시험한 그라프이다.

- 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 나사부 2 : 노즐머리부 3 : 지지공 4 : 걸림턱부

5 : 내측절곡사면 6 : 상측체결 지지부 7 : 노즐날개부

8 : 사면지지돌기 9 : 걸림요부 10 : 하측체결지지부 11 : 금속성노즐

12 : 플라스틱 라이너 13 : 카본섬유/에폭시수지복합재료 14 : 통공

본 발명은 고압천연가스저장용기에 금속성 노즐을 플라스틱 라이너에 결착시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 금속성 노즐은 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 구성된 것을 사용하였다.

본 발명에서 사용한 금속성 노즐은 중심에 상하방향으로 통공(14)이 형성되고 통공(14)내주연 상단부에 나사부(1)가 형성된 원통상의 노즐머리부(2)와 노즐머리부(2)하단 외주연에 원판상으로 다수의 지지공(3)이 형성되고 지지공(3) 외측면에 상향으로 수직 절곡되어 외측선단부로 경사면을 갖는 걸림턱부(4)가 형성되며 지지공(3)내측면에서 상향외측으로 절곡된 내측절곡사면(5)이 형성되는 상측체결지지부(6)를 갖는 노즐 날개부(7)로 구성된다.

또한 노즐날개부(7)하단 중심에서 하향외측으로 돌출된 테형상의 사면 지지돌기(8)가 형성되고 사면지지 돌기(8) 외측면에 상측으로 걸림요부(9)가 형성된 하측 체결 지지부(10)로 구성된다. 본 발명의 금속성 노즐은 알미늄, 놋쇠(Bronze)등으로 제조된다.

도 1에서 상측체결지지부(6)와 하측체결지지부(10)의 홈 부위에 역테이퍼가 지도록 형성되어 있어 용융 플라스틱 수지가 그 안에 사출되어 응고되도록 하여 용기의 내압 또는 갑작스런 외부충격이나 반복피로하중에도 노즐(11)에서 플라스틱라이너(12)가 빠지나오지 않도록 하였다.

도 2는 본 발명에서 사용한 노즐의 평면도이다. 인서트 사출성형으로 금속성 노즐(11)과 플라스틱 라이너(12)를 접착시키는데 플라스틱의 특성상 고온의 용융상태에서 냉각하여 고화되면 수축이 일어난다. 이점에 착안하여 도 2에서와 같이 지지공(3)을 만들어 줌으로 여기에 차 있던 용융 플라스틱이 고화하면서 노즐(11)의 위아래 방향으로 수축이 일어나 플라스틱 라이너(12)가 노즐(11)에 더욱 강하게 접착된다. 기존의 노즐은 플라스틱의 위 부분과 아래 부분이 서로 떨어져 있어서 서로 당겨주는 힘이 없어 금속과의 접착부에서 쉽게 떨어지나 이와 같은 방법을 이용함으로써 위아래 플라스틱이 한 몸이 되어 작동하게 되어 강한 접착력을 가진다.

도 3은 본 발명에서 금속성 노즐을 복합재료용기에 결착시킨 상태를 나타낸 용기의 단면도이다.

금속과 플라스틱은 낮은 결합력을 갖기 때문에 여러 가지의 전처리 공정이 필요하다. 본 발명에서는 금속성 노즐(11)을 산으로 처리하여 표면에 미세한 요철이 있게 하고 그 위에 플라즈마처리를 하여 표면의 젖음성을 향상시키고 이로 인해 금속과 플라스틱의 접착성을 향상시켰다. 산처리방법은 금속표면에 미세한 요철면을 형성시켜 주고자 할때 이용되는 방법으로서 약 20%의 염산수용액이 약 10분간 침지시켜주면 염산의 부식작용에 의해 금속표면에 미세한 요철면이 형성된다. 또한 플라즈마 처리를 한 금속성 노즐(11)의 표면에 페놀수지계 또는 우레탄계의 열경화성 접착제를 도포한다. 이러한 페놀수지계 열경화성 접착제는 사출성형시 용융 플라스틱의 뜨거운 열에 의해 경화작용이 일어나며 용융수지와 화학적으로 결합하게된다. 또한 금속성 노즐(11)을 삽입하여 플라스틱 라이너(12) 부분을 사출할 때 용융플라스틱이 금속성 노즐(11)을 만나 급격히 냉각함으로써 수지의 수축으로 인한 접촉면에서 잔류응력이 발생하게 되고, 이로 인해 접촉면에서 라이너재료가 쉽게 떨어져 가스가 누출되거나 라이너가 파괴되기 쉽다. 그러므로 금속성 노즐(11)을 70℃∼90℃로 가온(加溫) 후 삽입하여 사출성형한다. 이때 노즐(11)의 온도는 라이너 수지의 종류에 따라 다르나 일반적으로 라이너에 많이 사용되는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 경우 온도가 너무 높으면 수지의 결정화도가 너무 높아져 접촉면 주위가 너무 쉽게 부서지게되어(brittle) 되기 때문에 70℃∼90℃가 적당하다.

본 발명에서 사용한 금속성 노즐은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 기계가공하여 구성시킨다. 압력용기에 높은 내압이 걸리고 또한 갑작스런 외부 충격이나 반복적인 피로하중으로 인해 플라스틱 라이너(12)와 금속성 노즐(11)의 접착 부분이 떨어질 위험이 있다. 이를 방지하기 위해 금속성 노즐(11)의 형상을 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 설계하여 플라스틱 라이너(12) 부분이 강제적으로 체결되도록 하는 형태로 구성시킨다. 도 1 및 2에서 지지공(3)으로 나타낸 바와 같이 홈 부위에 역테이퍼를 줌으로 해서 라이너(12)가 노즐(11)에서 빠지는 것을 방지하도록 하였다. 노즐(11)을 가열 후 금형에 노즐(11)을 넣고 용융된 수지를 금형 안으로 사출하여 수지를 고압으로 채워 넣고 냉각시킴으로써 홈 부위의 라이너(12)가 빠져 나오지 못하도록 한 것이다. 또한 노즐(11)에 지지공(3)을 형성시켜 주므로써 용융된 수지가 냉각하면서 지지공(3)의 상하방향으로의 수축이 일어나는 라이너가 노즐(11)을 더욱 강하여 접착하게 된다. 즉 이러한 지지공(3)에 채워진 수지는 냉각으로 수축되면서 노즐(11)과 라이너(12)를 리벳처럼 강하게 결합하는 역할을 한다.

금속성 노즐(11)과 플라스틱 라이너(12)의 접착 특성을 높이기 위해서 기계 가공된 노즐은 전처리가 필요하다. 일반적으로 접착성은 물질 상호간의 접촉표면의 표면성질에 크게 의존하기 때문에 각 물질의 전체적인 기계적 물성은 변화시키지 않고 표면의 특성만을 변화시키는 표면 개질에 의하여 접착성을 향상시킨다. 본 개발 기술에서는 금속성 노즐을 산으로 처리하여 미세한 요철이 있게 하고, 그 위에 플라즈마처리를 하여 표면에 존재하는 잔류 탄소 오염물을 제거하고 금속성 노즐이 알미늄인경우 표면층에 알루미늄 옥사이드의 두께를 증가시켜 표면의 젖음성을 향상시키고 이로 인해 금속과 플라스틱의 접착성을 향상 시켰다. 또한 플라즈마 처리를 한 금속성 노즐(11)에 열경화성 접착제를 이용하여 코팅을 하였다. 이러한 전처리 과정을 통해 단순한 물리적으로 결합시킨 금속성 노즐(11)과 플라스틱 라이너(12)에서 발생하는 가스의 누출현상을 극복하였다.

삽입 사출성형공정에 의해 제조되는 플라스틱 라이너(12)와 금속성 노즐(11)의 접촉면에서 수지의 수축으로 인하여 발생되는 잔류응력을 최소화하고 접착력을 증진시키기 위해 전처리한 금속성 노즐(11)을 약 70℃∼90℃로 가온 후 금형에 삽입한 후 수지를 사출함으로써 금속성 노즐(11)과 수지의 온도차이에 의한 수축의 차이를 최소화하여 접착력을 증가시켰다.

본 발명의 제안한 노즐(11)을 이용함으로써 복합재료 고압용기에서 가장문제시 되었던 노즐(11)과 플라스틱 라이너(12) 사이의 접착력을 증진시키고 가스의 누출을 방지할 수가 있다. 제안된 노즐(11)의 형상으로 인해 플라스틱 라이너(12)가쉽게 노즐에서 분리되지 않으며, 노즐(11)의 표면처리 및 열경화성 접착제의 사용으로 인해 접착력이 증가하여 가스의 누출을 방지한다. 도 4는 일반 알루미늄에 표면처리를 하지 않았을 경우와 제안된 방법에 의해 알루미늄을 산처리한 후 플라즈마를 이용하여 처리하고, 그 위에 우레탄계 열경화성 접착제를 도포했을 때 고밀도폴리에틸렌(HDPE)과의 접착력을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 접착력 측정은 ASTM D1876에 의거하여 측정하였다. 보인 바와 같이 접착력이 표면처리하지 않은 금속(도4에서는 기존제품으로 표기하였음)에 비해 약 782% 만큼 증진됨을 보인다. 이와 같은 방법을 통하여 복합재료압력용기에서 흔히 발생하는 어려운 문제인 금속성 노즐(11)과 플라스틱 라이너(12)의 연결부위의 가스 누출의 문제점을 해결하였다. 이러한 기술은 천연가스자동차용 압력용기 뿐만 아니라 여러 다른 형태의 압력용기에도 적용할 수 있고 노즐의 재료도 알루미늄뿐만 아니라 여러 다른 금속에 적용할 수 있고 플라스틱 수지도 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 뿐만 아니라 다른 고분자 수지에도 적용 가능하다.

본 발명의 결착방법은 노즐과 플라스틱 라이너의 강력한 결합력을 유지시켜 주므로서 금속성 노즐을 사용한 고압 복합재료용기에서 개스가 누출되는 것을 방지 할수 있는 효과를 갖는다.

Claims (2)

1. 금속성 노즐을 플라스틱용기에 결착시키는 방법에 있어서, 금속성 노즐표면에 미세한 요철면을 형성시키고 그 위에 프라즈마 처리하고 그 위에 폐놀계 또는 우레탄계 열경화성 접착제를 도포한 후 플라스틱 라이너의 사출성형시 가온(加溫)한 상기 금속성 노즐을 삽입성형(insert injection molding)하여 금속성 노즐과 플라스틱 라이너를 결착시키는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 플라스틱 라이너가 고밀도 폴리에틸렌이고, 금속성 노즐이 알미늄 노즐이고, 금속노즐의 가온온도가 70∼90℃인 금속성 노즐과 플라스틱 라이너를 결착시키는 방법.