KR100312333B1 - 주형조성물용보강재 - Google Patents

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제임스 에프. 샌더스
래리 디. 리치
클리포드 엔. 맥도날드
래시 맥스 헐로커
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스프레이그 로버트 월터
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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Abstract

본 발명은 밀착 충전된 배열로 분산성 격납수단(24)에 의해 유지된 보강재(22)를 사용함으로써 주형 조성물을 보강시키는 방법 및 제품에 관한 것이다.

Description

[발명의 명칭]
주형 조성물용 보강재
본 발명은 주형 조성물용 보강재에 관한 것이다.
[발명의 배경]
보강재를 첨가하면 주형 조성물의 성능이 향상될 수 있다는 것은 공지된 바이다. 예를 들어, 보강재를 시멘트 조성물(예, 모르타르 및 콘크리트)에 첨가하면 이들 조성물의 강도가 향상되거나 또는 표면 균열 경향이 감소한다. 보강재는 광범위한 형태를 가질 수 있으나, 이들은 통상 세장형 구조(즉, 주축의 길이가 단축의 길이보다 상당히 긴 형태)를 갖는다. 세장형 구조로는, 실질적으로 둥근 단면을 가진 봉형 필라멘트 구조, 나선형으로 꼬인 구조를 갖거나 또는 인발성(引拔性)을 감소시키기 위해 다양한 단면 형태를 갖도록 제조된 편평형 소편 구조, 또는 봉형 필라멘트의 꼬인 구조로 주구성된 케이블형 구조를 들 수 있다. 보강재로 사용되는 물질로는 금속, 합성 중합체 물질 및 천연 물질이 있다.
시멘트 조성물(즉, 모르타르 또는 콘크리트)에서, 물질의 충격 강도, 굴곡 강도 및 인성은 조성물 중의 보강재 함량이 증가함에 따라 향상되는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 보강재의 첨가량은 실제 한계가 있는데, 이 한계치 이상으로 첨가한 경우에는 보강재가 서로 응집되어 구(球) 또는 다른 바람직하지 않은 집괴(集塊)를 형성하는 경향이 있다.
보강재의 길이 및 직경(예, 종횡비)과 관련된 기준을 적절히 선정하면, 이들 보강재의 응집 경향을 저하시키는 데 도움이 될 수 있다. 그러나, 이러한 방식으로 조절하면, 보강재의 보강 성능에 부정적인 영향을 미치므로 혼화성을 개선시키기가 어렵다.
또한, 보강재를 시멘트 조성물(이하, '시멘트 혼합물'로도 칭함)에 첨가하는 방법 역시, 보강재를 다량 첨가할 수 있게 하는 데 중요한 작용을 한다. 예를 들어, 보강재가 높은 용적 농도로 요구되는 경우에는, 종횡비가 높은 보강재를 실질적인 개별 섬유 형태로 매우 잘 혼합하면서 장기간에 걸쳐 매우 낮은 농도로 시멘트 조성물에 첨가해야 한다.
봉형 보강재는 수송 기간 중의 진동 및 충돌로 인해 수송 컨테이너 내에서 서로 엉킴 및/또는 응집이 이루어질 수 있다. 응집된 보강재는 이들 수송 컨테이너로부터 잘 쏟아지지 않으며, 응집물을 개별 조각으로 분쇄시키지 않는 한 시멘트 조성물에 첨가할 수 없다. 이러한 응집물을 개별 조각으로 분쇄시키고 시멘트 혼합물에 한꺼번에 첨가하는 데에는 이제까지 다양한 기계적 기술 및 기학적(氣學的) 기술이 이용되어 왔다. 미국 특허 제4,121,943호(아카자와 외 다수)에는, 보강 섬유를 시멘트 혼합물에 첨가하기 전에 개별 단위로 분리시키도록 설계된 장치가 기재되어 있다.
다량의 보강재를 시멘트 조성물에 첨가하는 또다른 접근 방법은 미국 특허 제3,716,386호(켐스터)에 기재되어 있는데, 이 방법은 보강재 섬유를 고점도의 마찰 감소 물질로 처리한 후 시멘트 조성물에 첨가하는 방법이다.
종횡비가 높은 세장형 보강재(즉, 섬유) 다량을 시멘트 조성물에 첨가하기 위해 최근 개발된 많은 접근 방법들의 공통점은, 섬유를 조직적인 정렬된 배열로 시멘트 조성물에 첨가하여 혼합시 섬유를 정렬된 배열로 방출시키는 방법이다. 이러한 방법으로 시멘트 조성물에 방출된 섬유는, 완전 불규칙 배열로 섬유를 조성물에 첨가한 섬유에 비해 섬유간의 상호 반응이 보다 적고, 따라서 응집 또는 구 형성 경향이 적은 것으로 나타났다. 미국 특허 제4,224,377호 및 제4,314,853호(묀)에는, 혼합 공정중에 결합능을 상실하는 결합제에 의해 합체된 다수개의 와이어 부재를 포함하는 보강재, 및 이들 보강재를 시멘트 조성물에 첨가하는 방법이 기재되어 있다. 미국 특허 제4,414,030호(레스트레포)에는, 피브릴형 폴리올레핀 필름의 리본을 포함하는 시멘트 조성물용 보강재가 기재되어 있다. 퍼브릴형 섬유는 섬유간 피브릴에 의해 정렬된 배열로 유지되며, 이러한 섬유간 피브릴은, 기계적 혼합에 의해 파괴되어 개별 섬유들이 정렬된 배열로 시멘트 조성물에 방출된다.
시멘트 조성물에 정렬된 배열로 섬유를 첨가하는 또다른 방법은 알 엔 스와미 및 비 바의 문헌 [Fiber -Reinforced Cements and Concretes, Elsvier Applied Science, 뉴욕, 1989, pp 316~325]에 기재되어 있다. 이 방법에서는, 짧은 피브릴형 폴리프로필렌 섬유 조각을 꼬아 케이블형 구조로 형성시켜 상기 섬유를 시멘트 조성물에 첨가하였다. 시멘트 조성물 처리 공정의 기계적 혼합 작용에 의하면, 상기 케이블형 구조가 분해되어 피브릴형 필름 형태의 개별 섬유가 정렬 방식으로 시멘트 조성물에 방출된다.
[발명의 요약]
본 발명은, 분산 가능한(이하, '분산성'으로 칭함) 합체패키지 형태로 방출 가능하게 결속된 다수개의 섬유 다발에 관한 것으로서, 상기 각 섬유 다발(bundle)은 섬유간 결합이 실질적으로 없는 실질적 비응집 배열로 유지된 종횡비가 높은 중합체 섬유를 다수개를 포함하고, 또한 각 섬유 다발은, 상기 패키지가 분산 조건하의 주형 조성물에 첨가되었을 때, 개별 섬유들이 섬유 다발로부터 실질적으로 비응집된 상태로 주형 조성물 내에 방출되도록 되어 있다.
본 발명의 실행에 적합한 분산 조건으로는, 주형 조성물 내에 함유된 물 또는 유기 용매의 작용, 또는 주형 조성물에 의해 발생하는 열의 작용, 또는 주형 조성물의 기계적 교반 작용, 또는 이들 작용 중 2 이상의 조합된 작용을 들 수 있는데, 이들 작용은 섬유 다발로부터 섬유들을 방출시키는 기능을 한다.
액체/고체 또는 액체 혼합물을 함유하는 주형 조성물용 보강재의 바람직한 합체 패키지는 분산 가능한 포장 수단을 포함하는데, 이 포장 수단의 분산은, 주형 조성물 중에 존재하는 분산제의 작용과, 이와 실질적으로 동반되는 주형 조성물과 합체 패키지와의 혼합물의 기계적 혼합 작용의 조합된 작용에 의해 이루어진다. 포장 수단은, 분산 가능한 기본 봉입(封入) 수단에 의해 나란히 밀집된 정렬 상태로 유지되는 세장형 보강재 다수개를 포함하는 다수개의 보강재 기본 패키지를 합체시킨다. 기본 봉입 수단은, 상기 세장형 보강재가 서로에 대해 횡적으로 이동하는 것을 실질적으로 제한하기에 충분한 장력 하에 유지된 주변 랩을 포함한다. 이러한 기본 봉입 수단의 연속 구조는, 주형 조성물 중에 존재하는 분산제의 작용과, 이와 실질적으로 동반되는 주형 조성물과 보강재 기본 패키지와의 혼합물의 기계적 혼합작용의 조합된 작용에 의해 상기 봉입 수단의 적어도 일부가 분산됨으로써 제어 가능하게 붕괴된다.
또한, 본 발명은 섬유간 결합이 실질적으로 없는 실질적 비응집 배열로 유지되는 종횡비가 높은 중합체 섬유 다수개를 포함하는 분산성 섬유 다발을 분산 조건하의 주형 조성물에 첨가하는 단계와, 상기 다발의 섬유를 실질적으로 비응집된 배열로 주형 조성물에 방출시키는 단계를 포함하는 주형 조성물의 보강 방법을 제공한다.
세장형 보강재를 다수개 포함하는 액체/고체 또는 액체 혼합물을 함유한 주형 조성물을 제조하는 바람직한 방법은,
a) 주형 조성물 성분 재료들의 혼합물을 제조하는 단계,
b) 세장형 보강재로 구성된 1개 이상의 기본 패키지를 상기 혼합물에 첨가하는 단계로서, 상기 보강재 패키지는 분산성 기본 봉입 수단에 의해 나란히 밀집된 정렬 상태로 유지된 다수개의 세장형 보강재를 포함하고, 기본 봉입 수단은 상기 세장형 보강재가 서로에 대해 횡적으로 이동하는 것을 실질적으로 제한하기에 충분한 장력 하에 유지된 주변 랩을 포함하고, 기본 봉입 수단의 연속 구조는, 주형 조성물 중에 존재하는 분산제의 작용과, 이와 실질적으로 동반되는 1개 이상의 보강재 기본 패키지와 주형 조성물과의 혼합물의 기계적 혼합 작용의 조합된 작용에 의해 상기 봉입 수단의 적어도 일부가 분산되면 제어 가능하게 붕괴될 수 있는 단계,
c) 상기 주형 조성물과 하나 이상의 보강재 기본 패키지와의 혼합물을 혼합하여 1개 이상의 보강재 기본 패키지를 주형 조성물에 실질적으로 균일하게 분포시킨 후, 기본 봉입 수단의 연속 구조를 붕괴시켜 세장형 보강재를 주형 조성물에 방출시키는 단계, 및
d) 주형 조성물과 세장형 보강재의 혼합물을, 세장형 보강재가 주형 조성물 전체에 실질적으로 균일하게 분포할 때까지 계속 혼합하는 단계를 포함한다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 보강재의 합체 패키지의 개요도이다.
제2도는 본 발명에 따른 기본 봉입 수단을 포함하는 세장형 보강재 패키지의 개요도이다.
제3도는 본 발명에 따른 기본 봉입 수단을 포함하는 또다른 세장형 보강재 패키지의 개요도이다.
제4도는 크기가 다른 2개의 보강재가 혼입된 본 발명의 또다른 세장형 보강재 패키지의 개요도이다.
제5도는 기본 봉입 수단(24)인 주변 랩을 고정시키는 방법을 도시한 제4도의 라인 5-5를 따른 단편도이다.
[용어의 정의]
"주형 조성물"이란, 그 자체로서 주형될 수 있거나, 또는 시멘트 조성물에 사용되는 숏크리트(Shotcrete) 방법과 같은 대안적인 기술을 통해 표면에 도포될 수 있는 유동성 조성물을 의미하는 것이다. 그러한 주형 조성물의 예로는, 시멘트 조성물(예, 콘크리트 또는 모르타르), 비투멘 조성물(예, 아스팔트) 및 중합체 조성물(예, 에폭시 수지)이 있다.
"액체/고체"란 2종 이상의 액체 및 고체 성분들의 혼합물을 포함하는 조성물을 의미하는 것이다.
"액체 혼합물"이란, 경화성 액체와 임의의 다른 액체 또는 용해된 성분을 포함하는 조성물을 의미하는 것이다.
[발명의 바람직한 실시 형태에 대한 상세한 설명]
주형 조성물, 특히 시멘트 조성물용 보강재는 시멘트 조성물의 통상적인 성분들보다 훨씬 높은 종횡비를 갖는 경우가 많다. 이와 같이 종횡비에 차이가 있으면, 특히 보강재의 용적비가 높은 경우, 보강재가 시멘트 조성물 중에서 균일하게 분포하기가 어렵다.
본 발명은, 시멘트 조성물 등의 주형 조성물에 높은 용적비의 보강 섬유가 한꺼번에 첨가될 수 있으면서, "구 형성" 또는 이와 유사한 바람직하지 않은 집괴의 형성없이 시멘트 조성물 전체에 개별 보강재가 실질적으로 균일하게 혼입될 수 있는, 세장형 보강재로 구성된 신규한 합체 패키지에 관한 것이다. 보강재로는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드 또는 폴리설폰 중합체 섬유가 바람직하다. 또한, 본 발명은 본 발명의 세장형 보강재의 합체 패키지를 사용하여 보강 주형 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 합체 패키지(10)는, 이 패키지(10) 전체를 주형 조성물에 첨가할 수 있도록 해주는 분산성 봉입 수단(12) 내에 다수개의 기본 보강재 패키지(20)가 수용되어 있다. 상기 분산성 봉입 수단(12)은, 조성물 중에 존재하거나 또는 조성물에 의해 발생하는 분산제(예, 물, 유기 용매 및/또는 열)의 작용과 이와 동시에 발생하는 기계적 혼합 작용과의 조합 작용을 통해 상기 봉입 수단의 연속 구조가 적어도 부분적으로 붕괴되어 패키지의 내용물을 방출시킬 수 있는 조성물을 포함한다. 수성 시멘트 조성물에 사용하기 적합한 조성물로는 셀룰로즈계 종이, 수팽윤성 또는 수분산성 결합제에 의해 포화되거나 또는 코팅된 셀룰로즈계 종이 등이 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다. 수분산성 봉입 수단과 함께 사용될 수 있는 적당한 수팽윤성 또는 수분산성 결합제로는 다당류, 젤라틴 및 폴리(메트)아크릴산이 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다. 수팽윤성 또는 수분산성 결합제는, 종이류의 웨브 구조물에 결합제를 도포하는 데 통상적으로 사용되는 임의의 몇종의 기술을 사용하여 수분산성 봉입 수단에 도포할 수 있는데, 이러한 기술로는 롤 코팅법, 스퀴즈 롤 침지법, 나이프 코팅법 및 그라비에 코팅법이 있으나 이들에 국한되는 것은 아니다. 합체 패키지의 적어도 일부의 연속 구조를 붕괴시켜 그 내용물을 충분히 방출시키는 데 필요한 시간 또는 분산성은, 수분산성 포장 수단의 기본 중량, 결합제의 종류 및 결합제의 첨가량에 의해 조절될 수 있다.
합체 패키지(12) 내에 수납된 제2도의 보강재로 구성된 기본 패키지(20)는 기본 봉입 수단(24)인 주변 랩에 의해 나란히 밀집된 정렬 배열로 유지된 세장형 보강재(22)를 다수개 포함한다. 상기 기본 봉입 수단(24)은, 시멘트 조성물 중에 존재하거나 또는 이 조성물에 의해 발생하는 분산제(예, 물, 유기 용매 및/또는 열)의 작용 및 이와 실질적으로 동반되는 기계적 혼합 작용과의 조합 작용에 의해 그 연속 구조가 적어도 일부 붕괴되어 패키지의 내용물을 방출시킬 수 있는 조성물로 되어 있다. 수성 시멘트 조성물에 사용하기 적합한 조성물로는 셀룰로즈계 종이, 수팽윤성 또는 수분산성 결합제로 포화된 셀룰로즈계 종이 및 수분산성 PSA 테이프 조성물이 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다. 수분산성 봉입 수단과 함께 사용할 수 있는 적당한 수팽윤성 또는 수분산성 결합제로는 다당류, 젤라틴 및 폴리(메트)아크릴산이 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다. 수팽윤성 또는 수분산성 결합제는, 종이류의 웨브 구조물에 결합제를 도포하는 데 통상적으로 사용되는 임의의 몇종의 기술을 사용하여 수분산성 봉입 수단에 도포할 수 있는데, 이러한 기술로는 롤 코팅법, 스퀴즈 롤 침지법, 나이프 코팅법 및 그라비에 코팅법이 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다. 보강재를 방출시키기에 충분할 정도로 기본 봉입 수단의 연속 구조를 붕괴시키는 데 필요한 시간 또는 분산성은, 수분산성 포장 수단의 기본 중량, 결합제의 종류 및 결합제의 첨가량에 의해 조절될 수 있다.
섬유 보강재의 원통형 기본 패키지(20)는, 기본 봉입 수단 재료의 소편을 사용하여 섬유 타래를 나선형으로 중첩시켜 감아서 수분산성 봉입 수단의 주변 랩으로 둘러싸인 보강재(22) 코어를 형성시킨 후 섬유 타래를 절단하여 원하는 길이의 보강재를 형성시키는 방식으로 섬유 타래로부터 쉽게 제조할 수 있다. 보강재의 기본 패키지(20)의 분산도는, 기본 중량이 보다 큰 기본 봉입 수단을 사용하거나, 보다 다량의 결합제가 함유된 기본 봉입 수단을 사용하거나, 또는 단순히 기본 봉입 수단(24)의 중첩층 갯수 또는 중첩량을 증가시킴으로써 향상시킬 수 있다.
제3도에는, 4개의 별개 보강재 기본 패키지(20)가 추가의 주변 랩(34)에 의해 단일 패키지로 합체되어 있는 또다른 보강재의 기본 패키지(30)가 도시되어 있다. 여기서, 주변 랩(34)은 별도의 랩을 포함하거나, 또는 보강재 패키지(20) 중 하나의 주변 랩(24)의 연장부를 포함할 수도 있다. 기본 보강재 패키지(20)는 모두 동일한 보강재를 포함할 수 있거나, 또는 각 패키지가 각기 다른 크기의 보강재를 포함할 수도 있다.
제4도에는, 주변 랩(44)에 의해 한정된 보강재의 중심 코어 패키지(42)가 다른 직경 또는 단면을 가진 제2 보강재의 동심원 어셈블리(46)에 의해 둘러싸여 있는 또다른 보강재 기본 패키지(40)가 도시되어 있다. 제3도 및 제4도에 도시된 또다른 포장법을 선택하면, 하나의 기본 보강재 패키지를 사용하여 특별한 보강재 혼합물을 주형 조성물에 배합할 수 있다.
제4도에서, 기본 봉입 수단(24)은, 보강재의 기본 패키지를 형성하기 위해 섬유 타래를 절단한 후 중첩된 상부 스트립의 말단부(48)가 풀리는 것을 방지할 수 있기에 충분한 응집력을 자체적으로 보유할 수도 있다. 인접층간의 응집력이 불충분한 경우에는, 보강재(46) 주위를 둘러싸는 기본 봉입 수단(24)의 외면(26) 폭 전체에 걸쳐 임의의 분산성 접착제(28)를, 예를 들면 분산성 열용융형 접착제 스트립 또는 분산성 전이 접착제 스트립 형태로 도포할 수 있다. 분산성 접착제(28)는, 기본 봉입 수단(24)을 분산시키는 데 사용된 것과 동일한 분산제(28), 또는 보강재의 기본 패키지(들)가 첨가된 주형 조성물과 상용성을 갖는 또다른 분산제에 의해 분산될 수 있는 것으로 선택해야 한다.
제4도의 라인 5-5를 따른 단편도인 제5도에 도시된 바와 같이, 섬유 보강재(46)는 기본 봉입 수단(24)에 의해 수용되어 있다. 기본 봉입 수단(24)의 상부 중첩층의 말단부(48)는, 보강재(46)의 종축(제4도에 보다 명백히 도시되어 있음)과 동일한 방향으로 연장되는 스트립을 형성하는 임의의 분산성 접착제(28) 스트립에 의해 기본 봉입 수단(24)의 인접층에 고정된다. 분산성 접착제(28)는, 기본 봉입 수단(24)의 외면(26)에 도포하여 보강재(46)와 접하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 분산 가능한 수축성 랩 물질도 기본 봉입 수단의 주변 랩으로 사용될 수 있는 것으로 간주된다. 수축성 랩의 성능을 제공하는 것 이외에도, 상기 주변 랩 물질과 실질적으로 유사한 분산 성능을 나타내 보이는 물질이 적당하다.
각 패키지 둘레의 주변 램은, 보강재의 기본 패키지의 모양 또는 디자인과는 무관하게 세장형 보강재가 서로에 대해 횡적으로 이동하는 것을 실질적으로 제한하기에 충분한 장력하에 유지된다. 이와 같이 보강재가 서로에 대해 횡적으로 이동하는 것을 제한하는 것은, 수송 중에 또는 주형 조성물에 첨가하는 중에 보강재의 조기 방출을 방지하는 데 바람직하다. 이러한 포장 방법을 이용하면, 임계 혼합점에서 주형 조성물에 첨가되는 보강재의 양을 상당히 감소시켜 간편하고 조직적인 방식으로 주형 조성물에 보강재를 첨가할 수 있다는 점외에도, 수송 중에도 응집되지 않는 배열로 보강재를 유지시킬 수 있다는 점에서 독특한 수송 상의 잇점이 제공된다. 또한, 기본 패키지는 상당하는 용적의 비합체된 보강재보다 상당히 밀집되어 있으므로, 비합체된 보강재가 차지하는 동일한 용적에 보다 많은 양의 보강재를 수송할 수 있다.
보강재의 원통형 패키지는, 길이가 약 0 25 cm 내지 약 20 cm, 바람직하게는 약 1,0 cm 내지 10 cm이고, 직경은 약 0.25 cm 내지 약 20 cm, 바람직하게는 약 1.0 cm 내지 10 cm이다. 이러한 크기 범위의 보강재 패키지는 통상적인 시멘트 조성물의 다른 성분들에 비해 크기 및 모양이 상당히 다른 패키지로 형성될 수 있긴 하나, 실질적으로 균일한 방식으로 시멘트 조성물에 쉽게 혼합된다.
주변 랩의 연속 구조 및 이로써 보강재 상에 유지되는 장력이 붕괴되면 보강재가 시멘트 조성물에 급속히 분산되며, 이때 만일 응집이 있더라도 그 수준은 최소 수준이다. 이론으로 정립하고자 하는 바는 아니나, 응집의 결여는, 보강재가 방출시 조직적이면서 실질적으로 평행한 배열을 유지한다는 사실에 부분적으로 기인된 것이다. 방출 후에도, 보강재가 계속 정렬된 형태로 유지되면, 개별 보강재가 습윤화되어 분산될 때까지 시멘트 조성물 전체에 걸쳐 보강재가 실질적으로 균일하게 다량 분포하도록 더욱 촉진된다.
각각의 보강재 기본 패키지에 대한 주변 랩이 실질적으로 동일한 것임에도 불구하고, 이들은 일정 범위의 분산 시간을 갖는 것으로 관찰되었다. 이와 같이 분산 시간이 일정 범위내에 있으므로, 고농도의 보강재를 보강재의 기본 패키지 형태로 시멘트 조성물에 함꺼번에 첨가할 수 있다. 이어서, 보강재는, 응집이 발생하더라도 최소한으로 발생하도록 제어된 방식으로 기본 패키지로부터 방출되어, 시멘트 조성물 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한 상태로 분포하게 된다.
상기 제안된 배합 매카니즘은 개별 보강재를 완전 불규칙 배열로 시멘트 조성물에 배합하는 경우(이러한 경우, 섬유간 반응이 발생하여 보강재가 응집됨)와는 대조를 이룬다.
보다 넓은 측면에서, 실질적으로 비응집된 배열로 섬유를 수용하고 있는 각각의 다발 또는 기본 패키지는, 예를 들어 백 또는 튜브의 형태를 갖는다. 분산 조건에 노출되었을때 섬유를 원하는 방식으로 방출시키는 것이라면 다른 형태의 기본 패키지도 적당하다.
보강재의 기본 패키지에는, 개별 보강재를 서로 결합시키는 결합제(즉, 보강재간 결합제)를 사용하지 않는 것이 바람직하다. 보강재간에 결합제가 없으면, 개별 보강재를 방출시키기 위해 결합제를 용해시킬 필요가 없으므로 개별 보강재를 보다 급속히 분산시키기가 용이하다.
본 발명은,
a) 주형 조성물의 성분 재료들의 혼합물을 제조하는 단계,
b) 세장형 보강재로 구성된 1개 이상의 기본 패키지를 상기 혼합물에 첨가하는 단계로서, 상기 보강재의 기본 패키지는 분산성 기본 봉입 수단을 통해 나란히 밀집된 정렬 상태로 유지된 다수개의 세장형 보강재를 포함하고, 상기 기본 봉입 수단은 상기 세장형 보강재가 서로에 대해 횡적으로 이동하는 것을 제한하기에 충분한 장력하에 유지된 주변 랩을 포함하고, 상기 기본 봉입 수단의 연속 구조는, 주형 조성물 중에 존재하는 분산제의 작용과 이와 실질적으로 동반되는 주형 조성물과 하나 이상의 보강재 기본 패키지와의 혼합물의 기계적 혼합 작용과의 조합된 작용에 의해 상기 봉입 수단의 적어도 일부가 분산됨으로써 제어 가능하게 붕괴될 수 있는 단계,
c) 주형 조성물과 1개 이상의 보강재 기본 패키지와의 혼합물을 혼합하여 1개 이상의 보강재 기본 패키지를 주형 조성물 중에 실질적으로 균일하게 분포시킨 후, 분산 가능한 기본 봉입 수단의 연속 구조를 붕괴시킴으로써 세장형 보강재를 주형 조성물에 방출시키는 단계, 및
d) 주형 조성물과 세장형 보강재의 혼합물을, 세장형 보강재가 주형 조성물 전체에 실질적으로 균일하게 분포할 때까지 계속 혼합하는 단계를 포함하는 세장형 보강재를 주형 조성물에 배합하는 방법에 관한 것이다.
상기 방법에서는, 조성물에 요구되는 보강재의 양에 따라 주형 조성물에 보강재의 합체 패키지를 1개 이상 첨가할 수도 있다. 다양한 크기의 보강재 혼합물은, a) 다른 크기의 보강재로 구성된 기본 패키지를 각 합체 패키지에 첨가하는 방식, 또는 b) 동일한 크기의 보강재를 포함하는 합체 패키지를 사용하되, 다른 크기의 보강재를 포함하는 합체 패키지를 적당한 비율로 첨가하여 원하는 최종 조성물을 얻는 방식으로 주형 조성물에 첨가할 수 있다.
또다른 실시 형태로서, 본 발명의 방법에서는 전술한 합체 패키지를 사용하는 대신 보강재 기본 패키지를 개별 다발 또는 패키지 형태로 첨가할 수도 있다. 특별한 보강재 혼합물은, 개별 기본 패키지를 사용하여, 단순히 크기 또는 구조가 다른 기본 패키지 적당수를 계측하거나 측량하여 이들 혼합물을 주형 조성물에 첨가함으로써 간단하게 제조할 수 있다. 이 실시 형태를 이용하면, 합체 패키지의 연속 구조를 붕괴시키는 데 추가의 시간이 필요치 않기 때문에 혼합 시간이 단축될 수 있다.
분산제(시멘트 조성물의 경우, 물)는, 보강재의 합체 패키지를 첨가하기 전에 주형 조성물 성분들의 혼합물 중에 존재할 수 있거나, 또는 대안적으로 보강재의 합체 패키지를 첨가한 후에 주형 조성물에 첨가할 수도 있다. 합체 패키지를 첨가한 후에 분산제를 첨가하면, 분산성 포장 수단 및 주변 랩 물질의 붕괴가 시작되기 전 보다 오랜 시간 동안 합체 패키지를 주형 조성물에 실질적으로 균일하게 분포시킬 수 있다. 어느 경우에도, 포장 수단과 기본 봉입 수단의 재료를 모두 분산시키는 데에는, 분산제의 작용과 함께 합체 패키지와 주형 조성물의 혼합물을 혼합함으로써 제공되는 기계적 혼합 작용이 동시에 필요하다.
주변 랩의 분산 시간은, 주변 랩의 연속 구조가 붕괴된 후에 포장 수단의 연속 구조가 붕괴되도록 조절하는 것이 바람직하다. 보강재가 여전히 합체 패키지 내에 수용되어 있는 상태에서 조기에 방출되면 보강재가 바람직하지 않게 응집되는 결과가 초래된다.
보다 넓은 측면에서, 본 발명의 방법에 사용되는 기본 패키지 또는 다발은 각각, 예를 들어 섬유를 실질적으로 비응집된 배열로 수용하는 백 또는 튜브 형태를 갖는다.
다발 또는 기본 패키지는 각각 약 50개 이상의 섬유 또는 보강재를 포함하는 것이 바람직하고, 약 100개 내지 약 10,000개의 섬유 또는 보강재를 포함하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명은, 보강재의 합체 패키지를 사용하는 방법, 및 보강된 중합체 조성물(열가소성 또는 열경화성 조성물) 및 세라믹(이들에만 국한되는 것은 아님)을 비롯한 다른 주형 조성물에 보강재를 배합하는 방법에 관한 것이다. 비수계 조성물을 사용하는 경우에는, 주형 조성물과 상용성인 분산제에 의해 그 연속 구조가 붕괴될 수 있는 대안적인 포장 물질 및 주변 랩 물질을 수분산성 포장 물질 및 주변 랩 물질 대신 사용할 수도 있다. 대표적인 비수성 구조체는, 스티렌계 조성물에 사용하기 적합한 폴리스티렌 주변 랩을 포함한다. 비투멘 또는 다른 고온 보강 조성물을 사용하는 경우에는, 주형 조성물에 의해 발생하는 열을 분산제로 사용할 수도 있다. 또한, 분산제가 주형 조성물과 상용성인 경우에 한해, 물이외의 분산제에 민감한 포장 물질 및 주변 랩 물질도 또한 수성 주형 조성물에 사용할 수 있다.
[실시예]
보강 섬유 I
직경이 0.81 mm(0.032 인치)인 연신된 폴리프로필렌 섬유(4:1 연신비)를 5.1 cm(2.0 인치) 길이로 절단하고, 후에 사용할 수 있도록 플라스틱 백에 보관하였다. 풀어진 섬유의 밀도는 약 50 gm/ℓ (0.5 lb/갤론)이었다.
보강 섬유 II
직경이 0.13~0.2 mm (0.005~0.08 인치, 미국 매릴랜드 오덴튼 소재의 카테마 컴파니, 스페셜티 필라멘트 디비젼에서 입수함)인 연신된 폴리프로필렌 섬유 (4.1의 연신비)를 5.1 cm(2.0 인치)의 길이로 절단하고, 후에 사용할 수 있도록 플라스틱 백에 보관하였다.
보강재 패키지 I
약 180 cm (7.1인치) 길이의 보강 섬유 I 샘플을 직경이 약 5.1 cm (2.0 인치)인 다발로 형성시킨 후, 5.1 cm(2.0 인치) 폭의 3M 사의 리펄퍼블 테이프 #9023(미국 미네소타 세인트폴 소재의 3엠에서 시판하는 알칼리 분산성 테이프)를 사용하여 나선형 포장 방식으로 각 랩이 약 0.6 cm(0.25 인치)정도 겹치게 포장하였다. 이어서, 이 포장된 다발을 재단기를 사용하여 5.1 cm(2.0 인치)의 길이로 절단하여 보강 섬유 다발을 얻었다. 섬유 다발의 밀도는 약 20 gm/ℓ (2.4 lb/갤론)이었다.
보강재 패키지 II
보강 섬유 II를 섬유로 사용한 점을 제외하고는, 보강재 패키지 I에 사용한 방법에 따라 보강재 패키지 II를 제조하였다.
[실시예 1]
포틀랜드 시멘트(22 kg, 48 파운드), 모래(123 kg, 270 파운드) 및 물(17 kg, 38 파운드)을 함유하는 모르타르 혼합물을 0.17 m3(6 ft3) 용량의 콘크리트 배합기에 첨가한 후, 균질한 혼합물이 얻어질 때까지 혼합하였다. 이 혼합물에 보강재 패키지 I(3.5 kg, 7.7 파운드, 7 부피%)을 한꺼번에 첨가하였다. 이후, 이 패키지는 모르타르 혼합물에서 균일하게 혼합된 후 파열되어 약 7분에 걸쳐 보강 섬유를 방출시키는 것으로 관찰되었다. 이어서, 다시 20 분동안 계속 혼합하거나, 또는 총 약 30 분동안 혼합하였다. 모르타르 혼합물 중에는 풀어진 섬유가 최소량으로 관찰되었으며, 섬유의 구 형성 흔적은 없었다.
[비교예 C-1]
보강 섬유를 풀어진 섬유 상태로 첨가한 점을 제외하고는 실시예 1의 방법을 반복 실시하였다. 풀어진 보강 섬유 I(3.5 kg, 7.7 파운드, 7 부피%)를 약 0.25 kg씩 중량시키면서 모르타르 혼합물에 첨가하고, 다음 증분량을 첨가하기 전에 혼합물을 약 4 분씩 혼합하였다. 총 혼합 시간은 약 60분이었다. 풀어진 섬유를 임의의 보다 큰 증분량으로 첨가한 경우에는, 섬유 구가 비가역적으로 형성되었다.
[실시예 2]
모래(2,333 kg, 5,138 파운드), 거친 혼합재(1,702 kg, 3,750 파운드), 포틀랜드 시멘트(810 kg, 1,782 파운드), 물(359 kg, 789 파운드), 플라이 애쉬(205 kg, 450 파운드), 감수제(減水劑)(6ℓ, 204 온스) 및 포기제(包氣劑)(0.41ℓ, 14 온스)를 함유한 2.3 m3(3 yd3)의 고강도 콘크리트 혼합물에 보강 섬유 I(61 kg, 135 파운드, 3 부피%)을 배합용 트럭에서 서서히 연속적으로 30 분에 걸쳐 첨가하였다. 생성된 조성물은 다시 10 분동안 혼합한 후, 약 1.5 m3(2 yd3)의 혼합물을 제거하였다. 섬유를 약 30 분에 걸쳐 조심스럽게 첨가했음에도 불구하고 일부 섬유가 비가역적으로 구를 형성한 것으로 관찰되었다. 나머지 0.76 m3(1 yd3)의 혼합물에, 1 부피%에 상응하는 7 kg(15 파운드)의 보강재 패키지 I을 추가로 한꺼번에 첨가한 후 20 분동안 더 계속 혼합하였다. 콘크리트 혼합물이 구 형성을 촉진시키는 불안정한 조건에 있었음에도 불구하고, 보강재의 패키지를 첨가한 후에 추가의 섬유 구는 형성되지 않은 것으로 관찰되었다.
[실시예 3]
보강재 패키지 II(1.1 kg, 2.4 파운드, 2 부피%)를 한꺼번에 혼합물에 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1의 방법을 반복 실시하였다. 패키지를 조성물에 균일하게 혼합한 지 약 3 분후에 패키지가 붕괴되어 섬유가 방출되기 시작하였다. 다시 7 분동안 혼합한 후(총 혼합 시간은 10 분임) 혼합물을 육안으로 관찰한 결과, 붕괴되지 않은 보강재 패키지는 없었다. 총 약 20 분동안 혼합한 혼합물로부터 샘플을 취하여, 이 샘플을 주형하고, 경화시킨 후 혼합물 중에서의 섬유 분포 상태를 검사하였다. 주형 샘플을 검사한 결과, 섬유가 균일하게 분포한 것으로 나타났으며 섬유 구가 형성된 흔적은 없었다.
[비교예 C-2]
보강재를 풀어진 섬유 상태로 첨가한 점을 제외하고는 실시예 3의 방법을 반복 실시하였다. 비응집된 풀어진 보강 섬유 II(0.51 kg, 1.1 파운드, 1 부피%)를 약 0.26 kg(0.5 파운드)의 증분량으로 모르타르 혼합물에 첨가하되, 다음 증분을 첨가하기 전에 혼합물을 약 10 분씩 혼합하였다. 총 혼합 시간은 약 20 분이었다. 섬유 함량이 1.5 부피%가 되도록 풀어진 섬유를 더 첨가한 결과, 섬유 구가 형성되었다. 보다 소량의 섬유를 보다 장기간에 걸쳐 혼합물에 첨가했음에도 불구하고, 생성된 혼합물은 실시예 3에 비해 바람직하지 않은 섬유 응집의 흔적이 나타났다.
[실시예 4]
거친 혼합재와 미세한 혼합재의 혼합물(50/50) 및 5.5 중량%의 아스팔트로 구성된 "차도 혼합물" [약 370 °F (188 ℃)로 유지] 7000 파운드(3180 kg)를 퍼그 밀(Pug Mill)에 채워 넣었다. 상기 보강재 패키지 III에 기재된 바와 같이 폴리에틸렌으로 포장된 나일론 섬유 약 7 파운드(3.2 kg)가 수용된 쓰레기 백을 관측구 통해 첨가하고 약 1 분동안 혼합한 결과, 합체 패키지와 기본 봉입 패키지가 모두 용융되어 보강 섬유가 아스팔트에 방출되었다. 아스팔트 포장기를 사용하여 아스팔트를 시험한 결과, 섬유가 아스팔트 전체에 균일하게 혼합되어 있는 것으로 나타났다. 혼합물에는 풀어진 섬유가 최소량으로 존재하는 것으로 관찰되었고, 섬유구가 형성된 흔적은 없었다.
[비교예 C-3]
상기 보강 섬유 III에 기재된 바와 같이 7 파운드(3.2 kg)의 풀어진 나일론 섬유를 30 갤론(132ℓ)의 폴리에틸렌 쓰레기 백에 수용시킨 것을 제외하고는 실시예 4의 방법을 반복 실시하였다. 역시 아스팔트 포장기를 사용하여 아스팔트를 시험한 결과, 많은 섬유가 혼합되지 않은 것으로 밝혀졌으며, 직경이 약 2~3 인치(5.1~7.6 cm)인 응집된 구 형태로 존재하는 것으로 발견되었다. 이 구는, 그 중심부에 아스팔트가 포함되어 있지 않으므로 포장 도로의 발포를 야기시켰다,

Claims (5)

  1. 주변 랩에 의해 실질적으로 정렬된 배열로 유지된 다수개의 중합체 섬유를 각각 포함하는 1개 이상의 분산 가능한 섬유 패키지를 분산 조건 하의 주형 조성물에 첨가하는 단계로서, 상기 중합체 섬유는 상기 주형 조성물에 풀어진 상태로 첨가할 경우 응집되는 경향이 있고, 상기 각 섬유 패키지는 섬유간 결합이 실질적으로 없는 상태인 단계, 및 상기 각 섬유 패키지를 제어 가능하게 붕괴시켜 상기 각 패키지의 섬유를 실질적으로 비응집 방식으로 상기 주형 조성물 내에 방출시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 주형 조성물의 보강 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주형 조성물의 총 부피를 기준으로 하여 총 약 1 부피% 이상의 섬유를 상기 주형 조성물 내에 방출시키는 것이 특징인 방법.
  3. 분산 가능한 합체 패키지 형태로 방출 가능하게 결속된 다수개의 섬유 패키지를 분산 조건 하의 주형 조성물에 첨가하는 단계로서, 상기 섬유 패키지는 각각주변 랩에 의해 실질적으로 정렬된 배열로 유지된 다수개의 중합체 섬유를 포함하고 섬유간 결합이 실질적으로 없으며, 상기 섬유는 풀어진 상태로 상기 주형 조성물에 첨가할 경우 응집되는 경향이 있는 단계, 및 상기 각 패키지를 제어 가능하게 붕괴시켜 상기 각 패키지의 섬유를 실질적으로 비응집 방식으로 상기 주형 조성물 내에 방출시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 주형 조성물의 보강 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 주형 조성물의 총 부피를 기준으로 하여 총 약 1 부피% 이상의 섬유를 상기 주형 조성물 내에 방출시키는 것이 특징인 방법.
  5. 분산 가능한 패키지를 다수개 포함하는 합체 패키지로서, 상기 분산 가능한 패키지는, 주형 시멘트 조성물에 풀어진 상태로 첨가할 경우 응집되는 경향이 있는 중합체 섬유를 다수개 포함하고, 실질적으로 상기 모든 섬유는, 상기 분산 가능한 패키지의 붕괴시 실질적으로 개별 섬유 형태로 주형 조성물에 혼합될 수 있도록 실질적으로 정렬된 관계로 유지되고, 직경이 약 0.127 mm 내지 약 0.81 mm이며, 상기 분산 가능한 패키지는 각각 높이가 약 0,25 cm 내지 약 20 cm이고, 직경은 약 1.0 cm 내지 약 10 cm이며, 상기 분산 가능한 패키지는, 주변 랩을 포함하는 분산 가능한 기본 봉입 수단에 의해 상기 합체 패키지 내에 나란히 밀집된 정렬 상태로 유지되는 것이 특징인 합체 패키지.
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