KR100306693B1 - 나무부재용정렬된섬유보강패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집성 목재보, 목재 아이형보 및 트러스를 포함하는 목재 구조용 부재를 보강하는데 사용하는 보강 패널(22) 및 이 보강 패널의 제조방법에 관한 것이다. 보강 패널은 서로 평행하게 배열되며 동시에 패널의 종방향에 따라 정렬되는 다수의 합성 섬유(24) 및 목재 구조물을 포함한다. 패널은 실제로 횡단(transverse) 섬유를 가지지 않는다. 섬유는 표면에 가장 근접한 섬유를 제외하고는 섬유를 완전히 에워싸는 수지 피복(26)에 의하여 제 위치에 유지된다. 보강 패널의 표면은, 이 패널의 표면에 가장 근접한 섬유(28)가 “헤어업” 되어서 보강 패널이 집성 목재보 업계에서 보통 사용되는 레조르시놀과 같은 비에폭시 부착제와 함께 사용될 수 있게 된다. 본 발명의 보강 패널은 맨드릴 또는 우븐 매트를 사용하지 않으며, 배압을 선택할 수 있는 개량된 풀트루젼 방법에 의해 제조되어, 이 방법에서는 보강 패널의 섬유가 수지 정화중에 인장 상태로서 유지되고, 이에 의해 섬유의 평행한 배열 및 섬유의 종방향 정렬이 유지되고, 본 발명의 보강 패널에 의해 보강되는 목재 구조물의 초기 변형을 감소시키기 위한 섬유의 초기 변형율이 설정된다.

Description

[발명의 명칭]
나무 부재용 정렬된 섬유 보강패널
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 보(beam), 기둥 및 트러스와 같은 구조용 나무(structural wood)의 보강재에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 나무부재의 인장 또는 압축 하중을 개량하기 위하여 구조용 나무부재의 보강재로서 단일방향성 섬유를 사용하는 것에 관한 것이다.
[배경기술]
경쟁성을 유지하기 위하여, 목제품 공학자는 공학적 목제품(engineered wood product)의 구조적 한계 및 비용효과를 향상시키기 위하여 대체 재료와 조합한 혁신적 디자인을 채용하여야만 했다. 공학적 목제품의 실예를 들면, 집성 목재보(glued laminated wood beam), 적층 목재 기둥, 아이형 목재 보(wood I-beam) 및 나무 트러스 등이다. 종래기술에는 이러한 목제품의 실예가 아주 많이 있다.
오브라이언(O′Brien)의 미국 특허 제5,026,593 호는 집성목재보를 보강하기 위해 얇고 편평한 알루미늄 스트립을 사용할 것을 제안하고 있다. 오브라이언의 특허는, 알루미늄 스트립이 보의 폭 및 길이에 걸쳐 연속적이어야 하고, 또 보강용 스트립이 인장강도를 향상시키기 위해서는 최하부 박층(lamina)에 부착제로 고정되거나 또는 보의 압축강도를 향상시키기 위해 최상부 박층에 부착제로 고정될 수 있다는 것을 설명하고 있다. 따라서, 오브라이언씨는 보의 인장강도(또는 압축강도)를 향상시키기 위해 또한 이에 따라 보의 전체 하중 지지능력을 향상시키기 위해 집성 목재보에 보강용 스트립을 배치하는 공학적 원리를 설명하고 있지만, 오브라이언씨는 알루미늄제 보강 스트립의 사용만을 설명하고 있다. 그리고 오브라이언씨가 보강용 스트립은 임의의 “고인장강도”의 재료일 수 있다고 설명하고 있지만, 오브라이언씨는 보강용 스트립을 최적화하는 수단이나 또는 알루미늄이외의 보강용 스트립에 관련된 문제를 해결하기 위한 수단을 설명하지는 않는다.
1988년 목재공학에 관한 국제회의에서, 단 에이. 틴글리(Dan A. Tingley)씨에 의해 제출된 논문 “보강된 집성목재보” (이하 “틴글리 논문” 이라고 함)에서는, 집성목재보(글루람; glulam)에서 보강 플라스틱(RP; reinforced plastics)을 사용할 것을 제안하고 있다. 틴글리 논문은 “케블라(KEVLAR)”로 보강된 플라스틱 패널이 고응력 부위에 배치된 글루람의 시험결과를 설명하고 있다. 그 결과는 보강되지 않은 보에 대하여 “케블라” 보강재를 갖는 보의 극한하중에 대한 파괴시험에서 19% 개량된 것으로 나타났다. 비록, 종방향 정렬(longitudinal alignment)이 왜 바람직하며 또는 어떻게 이루어지는지에 대해서 설명하고 있지는 않지만, 상기 논문은 제조업자가 섬유의 종방향 정렬을 100% 달성할 수 있었다고 주장하고 있다. 또한 상기 논문은 보강패널의 두 측면이 연마되었고(sanded), “케블라”제 보강 패널의 연마된 표면이 중요한 것으로 판면되었다고 설명하고 있다. 그러나, 상기 논문은 연마(sanding)가 왜 중요한지 설명하지도 또는 “케블라”섬유가 노출되거나 마모되는 연마 공정을 제안하지도 않고 있다. 또한 틴글리의 논문은 보의 강도에서 보강시의 장점을 크게 감소시키지 않고 글루람 보의 길이에 관하여 보강 플라스틱(RP)의 길이를 축소시키는 것이 경제적 장점이 있다고 설명하고 있다. 틴클리의 논문은 RP 보강 패널의 제작과정을 설명하지 않으며, 또한 초기 변형율을 감소시키기 위해 섬유가 인장 상태일 때 패널을 경화하는 것과 관련된 장점에 대해서도 설명하지 못하고 있다. 또한 이 논문은 레조르시놀(resorcinol)과 같은 상업용 부착제를 용이하게 사용하게 하는 표면을 만들기 위해 보강플라스틱(RP)을 “헤어 업(hair up)” 하기 위하여 최외측 섬유 및 몇 개를 노출시키는 이득에 대해 설명하지도 않고 있다. 이에 반하여, 이 논문은 비록 저렴한 상업용 부착제 레조르시놀이 나무박층의 다른 층 사이에 사용되었지만 RP를 두레의 나무박층에 부착하기 위하여 에폭시를 사용할 것을 설명함으로써 레조르시놀 부착제와는 별개로 설명하고 있다.
관련기술의 다른 영역은, 풀트루젼(pultrusion) 제조 공정이다. 풀트루젼은 섬유보강 플라스틱 부품을 일정 길이로 만들기 위한 연속 제조공정으로서 정의된다. 풀트루젼은 액체수지조(liquid resin base)와, 가열된 다이를 통해 가요성 보강섬유를 인발하는 것을 포함하며, 상기 다이에서 RP가 모양을 갖게 되고 수지가 경화된다. 풀트루젼은 연속적인 길이의 RP를 제작하고 또한 섬유의 주문한 배치 및 배향을 허용하는 능력으로서 알려져 있고, 이것은 풀트루젼된 부품(pultruded part)의 기계적 성질이 특정 분야에 대해 설계될 수 있게 한다. 풀트루젼된 부품은 축방향 강도를 위한 종방향 정렬 섬유와 횡방향 강도를 위한 경사방향 정렬 섬유를 가진다.
[발명의 개요]
본 발명은 집성목재보 및 다른 목재구조용 부재에서 보강재로서 RP 패널을 사용하는 종래기술을 개량한 것이다. 본 발명은 수천개의 고강도 섬유가 실질적으로 서로 평행하게 배열되며 동시에 보강 패널의 종축선에 대해 정렬되어 있는 구성을 갖는 패널을 제공한다. 표면에 가장 근접한 섬유들은 패널 표면을 “헤어 업” 하도록 마모되어서 레조르시놀과 같은 상업용 부착제가 목재 구조물에 RP 패널을 부착하는 데 사용될 수 있게 한다.
또한 본 발명은 나무구조물에 패널의 부착을 용이하게 하기 위해 RP를 헤어업하도록 마모된 불연속적인 섬유로 이루어지는 외부층(또는 층들)과 연속적인 길이의 정렬된 섬유로 이루어지는 코어가 있는 혼합된 섬유 RP를 포함한다. 이 혼합된 섬유 RP는 설계시 헤어업을 할 수 없는 섬유를 사용할 것을 요구하는 곳에서 중요하다. 예를 들어, 고압축 강도를 갖는 패널을 제작하기 위하여, 탄소가 다른 상업용 섬유에 비해 우수한 압축탄성계수를 가지기 때문에 탄소섬유가 “케블라”사이에 삽입되고, “케블라”는 우수한 부착면을 위해 헤어업될 수 있고, 반면에 탄소섬유만을 포함한 패널은 목재의 인접한 박층에 패널을 부착하기 위해 에폭시기 부착제를 요구할 수 있다.
또한, 본 발명은 수지가 가열된 다이에서 경화될 때 거의 모든 섬유가 배치 및 정렬되고, 및 인장력이 가해지는, 패널 제조방법을 포함한다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부한 도면을 참조한 아래 설명에서 용이하게 이해될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 종래 기술의 풀트루젼 제조방법의 사시도.
제2도는 거의 모든 섬유가 서로에 대해 평행하게 배열되며 동시에 종축선에 대해 정렬된 구성을 갖는 기다란 보강 패널을 만드는 본 발명의 풀트루젼 방법의 사시도.
제3(a)도 내지 제3(c)도는 일부 절결하여 패널을 구성하는 섬유의 정렬 및 방위를 도시하는 본 발명의 패널의 부분 사시도.
제4도는 박층 사이에 배치된 본 발명의 보강 패널을 갖는 집성 목재보의 입면도.
제5도는 본 발명의 보강 패널이 보의 외부면에서 배치된 집성 목재보의 입면도.
제6도는 아이형 보의 하중 지지능력을 향상시키기 위한 본 발명의 보강 패널의 양호한 배치를 도시하는 목재 아이형 보의 단면도.
제7도는 트러스의 하중 지지능력을 향상시키기 위한 본 발명의 보강 패널의 양호한 배치를 도시하는 목재 트러스의 단면도.
[실시예]
본 발명의 사용에 대해 먼저 설명하면 본 발명을 잘 이해하게 된다. 제4도 및 제5도에서 다수의 박층(12; lamina)을 갖는 집성 목재보(10)를 도시하고 있다. 각각의 박층(12)은 기다란 나무판인 것이 바람직하다.
집성 목재보의 기본 구조적 용도는 블록(14) 사이의 영역으로서 나타난 개방영역을 연결하고 화살표(16)로 도시된 하중을 지지하는 것이다. 이와 같이 구성될 때, 최하부 박층(18)은 거의 순수한 인장 응력을 받는다. 반대로, 최상부박층(20)은 거의 순수한 압축응력을 받는다. 과학자들은 집성 목재보의 하중 지지능력이, 가장 큰 응력이 걸리는 부위에 즉, 최하부 박층(18) 또는 최상부 박층(20)에 가장 근접한 곳에 보강 패널(22 또는 23)을 첨가함으로써 증가될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 보강 패널(22)은 보강 패널(23)과는 구별되는데, 왜냐하면 패널(22)이 고 인장 응력의 영역에 배치되도록 설계되는 반면, 패널(23)은 고압축 응력의 영역에 배치되도록 설계되기 때문이다. 제4도에서, 보강 패널(22)은 최하부박층(18)과 이에 인접한 박층 사이에 있고, 패널(23)은 최상부 박층(20)과 이에 인접한 박층 사이에 있다.
제4도 및 제5도에서, 보강 패널의 길이는 대략 보 길이의 3/5이다. 실험과 종래기술에서 나타난 바와 같이, 보 중앙부의 2/5 내지 3/5를 덮는 보강 패널은 실제로 전체 길이의 보강 패널의 장점을 제공하면서 보 한 개당 비용이 보다 저렴하다. 제4도에서, 보강 패널은 박층 사이에 장착되어서 보의 길이의 대략 3/5을 연장하고, 따라서 스페이서(24)가 보강 패널(22)의 단부 가까이에 배치되는 것을 요구한다. 이 스페이서(24)는 목재일 수 있다. 보강 패널이 제5도에서와 같이 보의 외측에 배치되면 스페이서는 필요하지 않다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 상술한 조건하에서 즉, 점하중 또는 균일 하중을 갖는 단순보에서, 최하부 보강 패널(22)은 고인장 강도를 갖는 재료로서 구성되는 반면, 최하부 보강 패널(23)은 고압축강도를 갖는 재료로 구성될 것이다. 제4도 및 제5도에 도시된 설정은 이들 도면과 관련한 하중조건에 대해서만 적합하다는 것을 이해해야 한다. 집성목재보가 상이한 하중을 받으면, 보강 패널을 배치하는 최적의 설정이 달라진다. 예를 들어, 집성목재보가 외팔보이면, 디자인시에 최고의 인장강도를 갖는 보강 패널은 보의 상부에 배치하고 반면에 최고의 압축강도를 갖는 보강 패널은 보의 하루에 배치할 것을 고려해야 한다. 또한, 외팔보 하중 조건에서 보강 패널은 보 길이의 중앙에 배치되지 않고 오히려 최대 변형율을 갖는 영역에서 보를 따라 배치될 것이다.
제6도 및 제7도는 목재 구조용부재의 다른 설정과, 이 구조용부재가 하중 지지능력을 증가시키는 것의 최대의 이득을 얻기 위해 보강 패널을 장착하는 양호한 배치를 도시한다. 제6도는 상단 및 하단을 따라서 그리고 말단부의 웨브(web)부에서 보강 패널을 갖는 목재 아이형 보를 도시한다. 제7도는 최고의 인장 응력을 받는 위치에 장착된 보강 패널(22)을 갖는 목재 트러스를 도시한다. 제4도 내지 제7도는 본 발명의 보강 패널의 몇가지 응용예를 보이기 위한 것이고, 본 발명의 보강 패널에 적합한 모든 형식의 목재 구조에 대한 모든 응용예를 포함하는 것은 아니다. 본 발명의 보강 패널은 중실 목재보 및 기둥에도 적합하고, 또한 파라람(parallam) 및 적층 베니어 목재(laminated veneer lumber)와 같은 공학적 목재 구조물에도 적합하다.
본 발명의 보강 패널의 양호한 실시예가 제3(a)도에 도시되어 있다. 패널(22)은, 서로에 대해 평행하게 배열되며 동시에 패널의 종방향으로 정렬된 다수의 합성 섬유(24)를 포함한다. 이 섬유(24)는 수지 피복(26; resin encasement)에 의해 배치 및 정렬이 유지되며, 상기 수지 피복은 섬유를 둘러싸며 섬유 사이의 빈틈을 채운다. 패널(22)은 아래에 기술된 바와 같이 처리되어서 목재 구조물에 부착될 표면 영역(30)이 부착을 용이하게 하기 위하여 노출된 섬유(28)를 갖는다.
섬유(24)의 평행 배치 및 종방향 정렬은, 강도가 섬유에서 유래되고(수지가 아님) 본 발명의 섬유 설정이 섬유의 최대 밀도를 허용하기 때문에 최대 강도를 갖는 패널을 제공한다. 보통, 보강 플라스틱 부품은 섬유대 수지의 용적비가 40/60이다. 그러나, 본 발명의 섬유 설정은 풀트루젼 방법에 의하여 제조될 때 섬유 대수지의 용적비가 60/40 이상을 허용한다. 게다가, 본 발명의 섬유의 설정은 수지에 의한 섬유의 웨팅(wetting)을 용이하게 한다. 보강 플라스틱 부품의 제조시에 수지가 보강 섬유에 완전히 침투하는 것(이것이 웨팅으로서 알려져 있음)은 매우 중요하다. 복합 위브(complicated weave)로서 형성된 섬유에서는 100% 웨팅은 달성하기 어렵다. 평행 배치의 섬유 설정을 제공함으로써 본 발명은 섬유 대 수지 비율을 높게 하면서도 100% 웨팅을 달성할 수 있다.
본 발명의 이전에는, 보강 플라스틱 패널은 집성 목제품의 제조시에 보통 사용되는 부착제 보다 더욱 값비싼 에폭시 부착제만으로 목재보 및 구조물에 부착될수 있었다. 집성 목재의 제조시에 빈번하게 사용되는 상업용 부착제는 레조르시놀이고, 이것은 에폭시 부착제에 비해 저렴하다. 보강 패널(22)의 표면을 헤어업하도록 표면을 처리하면, 표면(20) 부근의 섬유가 파손되고 파손된 섬유(28)의 단부가 수지 피복(26)으로부터 돌출하게 되는데, 비에폭시 부착제로써 목재 구조물에 보강 플라스틱 패널을 부착하는 수단을 제공하는데 이 수단은 종래에는 알려져 있지 않은 것이다.
보강 패널(22)의 표면을 헤어 업시키는 양호한 방법은 패널의 종방향에 대해 횡방향으로 60 그릿 마모제(grit abrasive)로서 패널의 표면을 샌딩(sanding)하는 것이다. 이 샌딩을 하면 수지 피복의 작은 부분이 제거되어서 표면에 가장 근접한 섬유를 노출시킨다. 더 많이 샌딩하면 개별 섬유를 파손시켜서 섬유의 한 단부가 수지 피복에 남아 있고 섬유의 다른 단부가 수지 피복에서 돌출하게 됨으로써 털투성이 표면(hairy surface)을 제공하게 된다.
패널(22)의 표면을 헤어 업하는 다른 방법은 보강 플라스틱 제조 기술에 숙련된 자에게는 잘 알려져 있고, 수지 피복을 경화하기 전에 패널의 표면을 화학적으로 처리하여 경화 다이에서 빠져 나올때 패널의 표면에 보이드(void)가 생기게 하여 이로써 수지의 일부분을 제거하며 아래쪽의 섬유를 노출시키는 방법을 포함한다. 패널의 표면을 헤어 업시키는 또다른 방법은 브로큰 조사(broken roving)를 사용하는 것이다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 여기서 언급한 모든 섬유는 합성 섬유이고, 섬유 제조 공정은 먼저, 함께 모여 가닥(strand) 또는 섬유(fiber)가 되는 필라멘트를 만들고, 상기 가닥 또는 섬유가 더 많이 모여서 얀(yarn)이라고 하는 연사(twisted strand) 또는 조사(roving)라고 하는 무연사(untwisted strand)로 된다. 통상적으로 조사 또는 얀은 제조 공정에서 사용하기 위한 직물(fabric)로서 짜여진다. 입수가능한 한가지 형식의 조사는 브로큰 조사라고 언급되고 있는데, 여기서 브로큰 조사는 개별 섬유 중의 몇몇이 닳게(fraying) 하는 힘을 받았다. 수지 피복 내에 정렬되어 들어가 있게 하기 위하여 섬유원으로서 브로큰 조사를 사용함으로써 배출되는 패널은 헤어 업된 표면을 가진다.
제3(a)도에 도시된 패널은 고인장 응력을 받게 되는 목재보(10)의 영역을 보강하기 위해 사용되는 패널의 양호한 실시예이다. 양호하게는, 섬유(24)는 아라미드 섬유 또는 탄소 섬유일 수 있다. 아라미드 섬유는 “케블라”로서, 상업상 입수가 용이하고, 본 발명을 위한 양호한 등급은 “케블라 49”이다. 다르게는, 섬유는 상업상 “스펙트라(SPECTRA)”로서 판매되는 고탄성의 폴리에틸렌(high modulus polyethylene) 이었다.
보강 패널의 다른 실시예는 제3(b)도에 2 가지 형식의 섬유를 갖는 패널로서 도시되어 있다. 제 1 섬유(30)는 상술한 바와 같이 서로 평행하게 배열되며 동시에 패널(22)의 종방향으로 정렬되고, 제 2 섬유(31)는 제 1 섬유와, 목재 구조물에 부착될 표면(32)과의 사이에 배열된다. 이 실시예는 탄소 또는 “스펙트라”와 같이 헤어 업하지 않는 제 1 섬유를 요구하는 환경에 가장 적합하다. 탄소 섬유만으로도 목재보를 위한 보강 패널에 구조적으로 적합하다. 그러나, 실험에서는 레조르시놀 부착제로서 목재보에 탄소 섬유 패널을 부착할 수 없으며, 탄소 섬유 패널의 표면을 헤어 업하기 위한 노력이 비효과적이라고 입증되었다. 따라서, 제 1 섬유(30)로서 탄소 또는 “스펙트라”를 사용할 것을 요구하는 경우, 수지 피복(26) 내에도 들어가게 되는 제 2 섬유(31)인 아라미드 섬유로, 패널의 주 표면을 덮어씌우는 것이 유익하다고 밝혀졌다. 아라미드 섬유를 사용하면 전술한 바와 같이 패널을 헤어 업할 수 있어서 레조르시놀과 같은 비에폭시 부착제로 목재보에 패널을 부착시킬 수 있다.
또다른 실시예가 제3(c)도에서 제 1 섬유(34) 및 섬유 매트(35)를 갖는 패널로서 도시되어 있으며, 둘다 수지 피복(26) 내에 들어가 있다. 이 실시예는 비에폭시 수지로 제조된 수지 피복에 가장 적합하다. 비에폭시 수지 피복에 대한 실험에서는 보강 패널(22)에서 층간 전단 파괴를 초래되었다. 따라서, 최대 강도를 위한 보강 패널에서 섬유의 최적 설정은 평행하게 종방향으로 정렬하는 것이지만, 섬유 매트(35)는 패널의 종방향에 대해 경사지게 배열되는 섬유를 제공함으로써 보강 패널(22)의 층간 전단 강도를 개선하고, 따라서 층간 변형에 견디어낸다.
양호하게는, 패널의 제조에 사용된 수지(26)는 에폭시 수지이다. 그러나, 다른 실시예는 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 페놀릭 수지, 폴리이미드, 또는 폴리스티릴피리딘 (polystyrylpyridine; PSP)과 같은 다른 수지를 사용할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 폴리 에틸렌테레프탈레이트 (PET) 및 나일론-66 과 같은 열가소성 수지를 사용할 수 있다.
본 발명의 보강 패널은 인장 또는 압축에서 아주 높은 탄성 계수를 갖는 패널을 제공한다. 그러나, 본 발명의 보강 패널은 거의 모든 섬유가 평행하게 배열되고 종방향으로 정렬되어 있기 때문에 매우 작은 수평 강도를 갖는다. 보강 패널은 횡방향으로 아주 약해서 평균적인 힘을 가진 사람이 패널의 파괴점까지 보강 패널을 그 종축선을 따라 구부릴 수 있다. 이런 디자인의 보강 패널은 하중이 일방향성이고 하중 방향이 결정 및 제어될 수 있는 구조물을 보강하기 위해서만 유용하다.
[보강 패널의 제조]
종래 기술에서 설명한 바와 같이, 풀트루젼은 합성 섬유를 수지 내에 웨팅시키고 가열된 다이를 통해 인발하여 합성 섬유를 둘러싼 수지를 경화시키는 제조 방법이다. 종래 기술의 풀트루젼 제조 방법은 모두 풀트루젼되는 제품에 측방향 강도를 제공하기 위하여 당기는 방향의 종축선에 대해 경사지게 정렬된 상당한 량의 섬유를 사용한다. 또한, 종래기술의 풀트루젼 방법은 어떤 구조용 섬유의 노출을 방지하기에 충분한 수지를 보장하도록 신중하게 제어된다. 덧붙여, 종래기술의 풀트루젼 방법은 보강 플라스틱 업계에서 노출된 섬유가 제품을 약화시키고 동시에 주위의 부품 또는 사람에게 노출되는 경우에는 사용될 수 없는 것으로 알려져 있기 때문에 섬유를 노출시키는 방법으로 풀트루젼되는 제품을 처리하지 않는다.
제1도를 참조하여 종래기술의 풀트루젼 방법을 설명한다. 제1도에 도시된 풀트루젼 방법은 중공의 사각형 섹션 부재를 제조하기 위해 설치된 것이며 따라서 풀트루젼 공정중에 중공 코어를 유지하는 맨드릴(40)을 필요로 한다. 중실 부재를 제조하기 위하여 종래 기술의 풀트루젼 방법은 맨드릴(40)을 필요로 한다. 중실 부재를 제조하기 위하여 종래 기술의 풀트루젼 방법은 맨드릴(40)을 제거함으로써 수정되었다. 종래기술의 풀트루젼 방법은 통상적으로 우븐 조사(woven roving) 또는 우븐 직물인 상부 매트(44) 및 하부 매트(45)를 각각 포함한다. 또한 형성되어 있는 구조 부재에 대해 종방향으로 정렬되어 우븐 매트 사이에 삽입되는 다수의 조사(46)가 있다. 풀러(48; puller)는 공정 중에 섬유를 끌어당기는 힘을 제공한다. 따라서, 하부 우븐 매트(44)에서 시작하여, 이 매트는 수지조(50)를 통과하여 끌어 당겨지고 성형 다이(52)에 의해 맨드릴(40) 주위에 성형된다. 조사(46)는 유사한 방식으로 수지조(54) 내에서 웨팅되고 성형 다이(56)에 의해 맨드릴/매트 조립체 주위에 형성된다. 그후에, 상부 우븐 매트(45)는 수지조(58) 내에서 웨팅되고, 맨드릴(40), 하부 매트(44) 및 조사(46)의 조립체 주위에 성형 다이(60)에 의해 형성된다. 그 다음에, 전체 조립체가 수지를 강화하는 가열된 다이(42)를 통해 당겨져서 구조용 부재(38)가 강성 부재(38)로서 다이로부터 배출된다.
본 발명은 본 발명의 보강 패널(22 또는 23)을 제조하기 위해 종래기술의 풀트루젼 방법을 개선한 것이다. 합성 섬유 조사(72)를 그 위에 갖는 다수의 보빈(70)에서 시작하여, 조사는 정렬 및 조사의 얽힘을 방지하기 위해 소모기(74; card)를 통해 당겨진다. 소모기(74)는 조사(72)가 통과하는 다수의 구멍(76)을 갖는다. 이 구멍(76)은 통상적으로 구멍의 모서리에서 조사의 임의의 마찰 또는 저항을 방지하기 위하여 세라믹 또는 플라스틱과 같은 저마찰성 재료로 개스킷(gasket)이 끼워진다. 조사(72)가 소모기(74)를 통과한 후, 조사는 제 1 소면기(78; first comb)에 의해 모여서 서로 평행하게 배열된다. 제 1 소면기를 지난 후, 조사는 텐셔닝 맨드릴(80; tensioning mandrel)을 통과하며, 제 2 소면기(82)에서 조사(72)의 평행 배치를 더욱 양호하게 유지한다. 그후, 조사는 수지 조(84) 내에서 웨팅되고, 패널(22 또는 23)에 형성하는 오리피스(90)를 갖는 가열된 다이(88)로 들어가기 전에 성형 다이(86)에 의해 모이게 된다. 다이(88)에서 나온 열이 수지를 경화하여서 배출되는 패널이 실질적으로 강성인 부재로 된다.
종래기술의 풀트루젼 방법은 연속적인 길이의 보강 플라스틱을 제조하는데에 바람직하다고 생각된다. 그러나, 본 발명의 보강 패널을 풀트루젼함으로써 예기치 않은 이득 즉, 섬유를 서로 거의 평행하게 배열하며 동시에 보강 패널의 종방향으로 정렬할 수 있기 때문에, 이러한 이득이 실현되었다. 본 발명의 개선된 풀트루젼 방법에 의한 부가적인 예기치 않은 이득은 수지를 경화하는 동안 섬유에 인장력을 가하는(tensioning) 것인데, 이는 두 가지 이득을 제공한다. 첫째, 섬유 내의 인장력이 패널 내의 섬유의 평행 배치 및 정렬을 유지하는데에 도움을 준다. 둘째, 섬유가 인장력하에 있는 동안 수지를 경화함으로써, 만들어진 보강 패널이 더욱 강성을 갖게 되고, 그 결과 본 발명의 보강 패널에 의해 보강된 목재보가 초기 하중을 받을 때에 굽힘이 적다는 것이 밝혀졌다. 섬유가 인장력하에 있는 동안 수지를 경화함으로써 섬유의 초기 변형율이 제조 공정중에 설정되었고, 이에 따라 보강 패널이 목재보에 부착되어 하중을 받을 때에, 수지 경화중에 인장을 받지 않은 섬유로 제조된 보강 패널을 사용한 보에 비해 굽힘이 적었다.
실험에서는 수지 경화중에 섬유의 최적의 인장력이 대략 3 내지 8 파운드(1.35 내지 3.6 kg)인 것으로 나타났다. 섬유 인장력은 소면기(78, 82)와 조합한 텐셔닝 맨드릴(80) 또는 마찰 보빈(70)에 의해 달성될 수 있는 조사 상의 배압(back pressure)에 의하여 발생되며, 여기서 보빈의 회전시의 마찰은 조사에 요구되는 배합을 제공하기 위해 조절될 수 있다.
상기 설명에서 사용된 용어 및 표현은 제한하는 것이 아니라 설명하기 위한 것이며, 도시한 모양의 등가물을 배제할 의도는 없으며, 본 발명의 범위는 하기의 청구범위에 의해서만 한정되고 제한된다.

Claims (49)

  1. 구조용 부재의 하중 지지 능력을 증가시키기 위해 기다란 목재 구조용 부재에 부착되는 패널에 있어서, (a) 실질적으로 대부분의 섬유가 패널의 길이를 따라 연속적으로 또 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배열되고 동시에 패널이 구조용 부재에 부착되면 구조용 부재의 종방향을 따라 정렬되는 다수의 보강 섬유와, (b) 상기 다수의 보강 섬유가 상기 평행 배열 및 종방향 정렬을 유지하게 하는 수지 피복(resin encasement)과, (c) 패널의 주표면에 가장 근접한 정렬된 보강 섬유에서 그 표면의 수지 피복으로부터 돌출하는 섬유 재료를 포함하는 패널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 중합체인 패널.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중합체 섬유는 아라미드인 패널.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 폴리에틸렌인 패널
  5. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 탄소인 패널.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수지 피복은 열경화성 수지인 패널.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수지 피복은 열가소성 수지인 패널.
  8. 구조용 부재의 하중 지지 능력을 증가시키기 위해 기다란 목재 구조용 부재에 부착되는 패널에 있어서, (a) 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배열되고 동시에 패널이 구조용 부재에 부착될 때 상기 구조용 부재의 종방향을 따라 정렬되는, 상기 패널의 길이를 따라 연속적인 다수의 섬유와, (b) 상기 다수의 연속성 섬유에서 유래하여 이로부터 돌출하는, 다수의 불연속성 섬유와, (c) 섬유 단부가 덮는 수지의 주표면을 따라 덮는 수지를 너머 돌출하고 상기 구조용 부재에 패널을 용이하게 부착시키는 역할을 하도록, 상기 연속적인 보강 섬유를 모두 덮지만 돌출하는 섬유 재료는 전부 덮지 않는 수지를 포함하는 패널.
  9. 제8항에 있어서, 상기 다수의 연속적인 섬유는 탄소이고, 상기 다수의 불연속적인 섬유는 중합체인 패널.
  10. 제8항에 있어서, 상기 다수의 연속적인 섬유는 폴리에틸렌이고, 상기 다수의 불연속적인 섬유는 중합체인 패널.
  11. 제8항에 있어서, 상기 다수의 연속적인 섬유는 폴리에틸렌인 패널.
  12. 제8항에 있어서, 상기 다수의 불연속적인 섬유는 상기 종방향에 대해 경사지게 배열된 섬유를 함유한 매트를 포함하는 패널.
  13. 제8항에 있어서, 상기 수지 피복은 열경화성 플라스틱인 패널.
  14. 제8항에 있어서, 상기 수지 피복은 열가소성 플라스틱인 패널.
  15. 구조용 부재의 하중 지지 능력을 증가시키기 위해 기다란 목재 구조용 부재에 부착되는 패널에 있어서, 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배열되며 동시에 상기 패널이 구조용 부재에 부착될 때 상기 구조용 부재의 종방향을 따라 정렬되도록 패널에 대해 정렬되고 여기서 상기 패널은 비에폭시 부착제로 구조용 부재에 부착 가능하도록 처리되는 주요 수지 표면을 포함하는 패널.
  16. 제15항에 있어서, 상기 보강 섬유에서 유래하는 섬유가 상기 보강 섬유로부터 상기 주요 수지 표면을 통과하여 돌출하는 단부를 갖는 패널.
  17. 제15항에 있어서, 상기 섬유는 탄소인 패널.
  18. 제15항에 있어서, 상기 섬유는 중합체인 패널
  19. 제18항에 있어서, 상기 중합체 섬유는 폴리에틸렌인 패널.
  20. 제15항에 있어서, 상기 수지 피복은 열경화성 수지인 패널.
  21. 제15항에 있어서, 상기 수지 피복은 열가소성 수지인 패널.
  22. 제15항에 있어서, 상기 종방향에 경사지게 배열된 섬유를 포함하는 매트를 추가로 구비하고, 상기 매트는 상기 다수의 섬유와 상기 구조용 부재의 표면과의 사이에 배치되는 패널.
  23. 구조용 부재의 하중 지지 능력을 증가시키기 위해 기다란 목재 구조용 부재에 부착되는 패널의 제조 방법에 있어서, (a) 다수의 보강 섬유의 거의 모두를 서로 실질적으로 평행하게 하여 실질적으로 평행하지 않은 섬유가 없도록 배열하는 단계와, (b) 상기 패널을 형성하는 다이 내에서 상기 다수의 섬유를 정렬하는 단계와, (c) 주요 수지 표면을 포함하는 상기 다수의 섬유를 위한 피복을 형성하기 위하여 경화성 수지로 상기 섬유를 웨팅하는 단계와, (d) 상기 섬유를 텐셔닝하는 단계와, (e) 섬유가 인장하에 있는 동안에 다이 내에서 수지 피복을 경화하는 단계와, (f) 비에폭시 부착제로 구조용 부재에 부착 가능하도록 주요 수지 표면을 처리하는 단계를 포함하는 패널의 제조방법.
  24. 제23항에 있어서, 주요 수지 표면의 처리단계는 상기 주요 수지 표면에 가장 근접한 정렬된 보강 섬유에서 유래하는 섬유재료의 몇몇 부부들을 그 표면에서 돌출하도록 하는 단계를 포함하는 패널의 제조방법.
  25. 제23항에 있어서, 주요 수지 표면의 처리 단계는 상기 경화단계 후에 상기 패널을 마모시키는 단계를 포함하는 패널의 제조방법.
  26. 제23항에 있어서, 주요 수지 표면의 처리 단계는 보이드(void)를 발생시키기 위해 화학적 수단에 의해 수지의 일부분을 보이드로 만드는 단계를 더 포함하는 패널의 제조방법.
  27. 제23항에 있어서, 상기 다수의 섬유는 브로큰 조사(broken roving)인 패널의 제조방법.
  28. 제23항에 있어서, 웨팅하기 전에 매트로 다수의 섬유를 클래딩(cladding)하는 단계를 더 포함하고, 상기 웨팅 단계는 상기 매트를 웨팅하는 단계를 더 포함하는 패널의 제조방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 다수의 섬유는 탄소이고, 상기 매트는 중합체인 패널의 제조방법.
  30. 제23항의 방법에 의해 제조된 패널.
  31. 제 1 종축선을 갖는 기다란 목재 구조용 하중지지 부재에 있어서, (a) 제 1 종축선을 따라 일반적으로 정렬된 길이를 가지며 함께 부착되는 다수의 기다란 목재 세그먼트와, (b) 수지 매트릭스 내에 유지된 다수의 합성 섬유 가닥(strand)을 가지며 동시에 목재 세그먼트 중에 최초에 선택된 세그먼트에 비에폭시 부착제로 부착되는 제 1 합성 보강 패널을 포함하는 목재 구조용 하중지지 부재.
  32. 제31항에 있어서, 제 1 합성 보강 패널(first synthetic reinforcement panel)은 대향한 제 1 및 제 2 주표면을 포함하고, 상기 제 1 주표면은 목재 세그먼트중의 최초에 선택된것에 비에폭시 부착제로 부착되는 목재 구조용 하중지지 부재.
  33. 제32항에 있어서, 제 1 합성 보강 패널의 제 2 주표면은 비에폭시 부착제로 목재 세그먼트 중에 두 번째 선택된 것에 부착되는 목재 구조용 하중지지 부재.
  34. 제31항에 있어서, 수지 매트릭스 내에 유지된 다수의 합성 섬유 가닥을 가지며 동시에 비에폭시 부착제로 목재 구조용 부재에 부착되는 제 2 합성 보강 패널을 더 포함하는 목재 구조용 하중지지 부재.
  35. 제31항에 있어서, 상기 비에폭시 수지는 레조르시놀(resorcinol)을 포함하는 목재 구조용 하중지지 부재.
  36. 제31항에 있어서, 다수의 기다란 목재 세그먼트는 제 1 합성 보강 패널을 목재 세그먼트 중의 최초로 선택한 것에 부착하는 것과 동일한 비에폭시 접착제에 의하여 함께 부착되는 목재 구조용 하중지지 부재.
  37. 제36항에 있어서, 상기 비에폭시 부착제는 레조르시놀을 포함하는 목재 구조용 하중지지 부재.
  38. 제31항에 있어서, 제 1 합성 보강 패널의 다수의 합성 섬유 가닥은 아라미드 섬유 가닥을 포함하는 목재 구조용 하중지지 부재.
  39. 제31항에 있어서, 각각의 기다란 목재 세그먼트는 기다란 목재판인 목재 구조용 하중지지 부재.
  40. 제31항에 있어서, 집성 목재보(glue laminated wood beam)로서 구성되는 목재 구조용 하중지지 부재.
  41. 제31항에 있어서, 집성 목재 구조용 부재, 목재 아이형 보, 적층 배니어 목재 또는, 평행 스트랜드 목재(parallel strand lumber)로서 구성되는 목재 구조용 하중지지 부재.
  42. 제 1 종축선을 갖는 기다란 목재 구조용 하중지지 부재에 있어서, (a) 제 1 종축선을 따라 일반적으로 정렬된 목재 세그먼트의 길이를 가지며 제 1 접착제로써 함께 부착된 다수의 기다란 목재 세그먼트와, (b) 수지 매트릭스 내에 유지된 다수의 합성 섬유 가닥을 각각 가지면 동시에 합성 보강 채널 중의 적어도 선택된 제 1 패널이 제 1 접착제에 의하여 목재 세그먼트 중의 적어도 최초로 선택된 세그먼트에 부착되는 구조의 복합식 합성 보강 패널(multiple synthetic reinforcement panel)을 포함하는 목재 구조용 하중지지 부재.
  43. 제42항에 있어서, 상기 합성 보강 채널의 적어도 선택된 제 1 패널의 섬유는 중합체인 목재 구조용 하중지지 부재.
  44. 제43항에 있어서, 상기 합성 보강 패널의 적어도 선택된 제 1 패널의 상기 중합체 섬유는 아라미드인 목재 구조용 하중지지 부재.
  45. 제42항에 있어서, 상기 합성 보강 채널의 적어도 선택된 제 1 패널의 섬유는 폴리에틸렌인 목재 구조용 하중지지 부재.
  46. 제42항에 있어서, 상기 합성 보강 채널의 적어도 선택된 제 1 패널의 섬유는 탄소인 목재 구조용 하중지지 부재.
  47. 제42항에 있어서, 상기 수지 매트릭스는 열경화성 수지인 목재 구조용 하중지지 부재.
  48. 제42항에 있어서, 상기 수지 매트릭스는 열가소성 수지인 목재 구조용 하중지지 부재.
  49. 구조용 부재의 하중지지 능력을 증가시키기 위해 커다란 목재 구조용 부재에 부착되는 패널에 있어서, (a) 수지 피복(resin encasement)과, (b) 서로 실질적으로 평행하게 배열되며 동시에 상기 패널이 상기 구조용 부재에 부착될 때 상기 구조용 부재의 종방향을 따라 정렬되도록 패널에 대해 정렬되고 또한 인장 상태에서 유지되는 동안에 수지로 피복되는 다수의 섬유를 포함하는 패널.
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