KR100599498B1 - 지오그리드에 사용되는 고분자 폴리머 띠 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지오그리드 등에 사용되는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법에 있어서, 고분자 폴리머 칩을 압출성형기를 통해 띠의 형태로 압출하는 압출공정과 그것을 다시 연신하는 연신공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
지오그리드, 인장강도, 연신, 레이저 용착
Description
제 1도는 본 발명의 연약지반강화용 지오그리드의 부분사시도.
제 2도는 본 발명의 옹벽강화용 지오그리드의 부분사시도.
제 3도는 본 발명의 제조방법의 개략도
＜도면의 주요 부분에 대한 부호 설명＞
1 : 지오그리드 2 : 주리브
3 : 보조리브 4 : 고분자 폴리머 띠
10 : 압출성형기 20 : 냉각부
30 : 냉각수조 40 : 멘드렐
50 : 송풍기 60 : 제 1연신기
70 : 가열기 80 : 제 2연신기
90 : 제 3연신기 100 : 지지대
110 : 압착기 120 : 와인더
130 : 제 1상온건조롤러 140 : 제 2상온건조롤러
최근 토목, 건축분야에서 연약지반강화, 옹벽보호, 배수, 경사면안정등 흙과 관련된 분야에 토목섬유(geosynthetics)를 많이 적용하고 있다. 이와 같은 토목섬유는 종래에 사용되어 오던 자갈, 모래, 거적 등의 빈약한 건축, 토목용 지반강화제에 비하여 사용이 간편하고 운반이 용이하며, 기능성 및 물성이 뛰어나고 경제적으로 유리하여 많이 사용되고 있다.
1960년대 초에 개발되어 적용되기 시작한 고분자 합성섬유 제품인 토목섬유는 우수한 내구성과 시공성, 경제성 등을 갖고 있어 토목분야의 새로운 전기를 마련하였다. 그러나 1970년대 까지 각종 토목구조물에 보강재로서 사용되어 온 직포, 부직포 등의 토목섬유 제품은 인장강도, 인장탄성계수, 크리프 등의 측면에서 제약이 있어 높은 인장강도와 인장탄성계수를 요구하는 토목구조물에의 적용이 제한되어 왔다. 이러한 문제는 1979년에 영국에서 개발한, 고강도 토목섬유 제품인 지오그리드의 출현으로 해결되었으며, 이후 지오그리드는 전 세계적으로 각종 토목공사에 다양한 용도로 사용되면서 급격한 발전을 하고 있다.
국내에서는 1990년대에 들어 지오그리드의 사용을 모색해 왔으며, 1993년도에 보강토 옹벽 설계 시 지오그리드를 처음 적용하였고, 1990년대 후반 국내에서 코팅형태의 결합형 연성 지오그리드가 자체 생산되면서 지오그리드의 사용이 활성화되고 있다(한국건설기술연구원,1999).
지오그리드는 연약지반 보강, 성토사면 보강, 보강토 옹벽 등 다양한 토목현장에서 보강재로서 폭넓게 활용되고 있으나, 이러한 용도로 영구 토목구조물에 적용된 지오그리드에 대한 현장 적용기간이 그다지 길지 않기 때문에 장기간 현장에 적용된 지오그리드 보강재의 내구성에 관해서는 아직까지 불확실성이 존재하고 있다. 시간경과에 따른 지오그리드 보강재의 공학적 특성(특히 인장강도) 저하정도는 지오그리드의 소재와 형태, 지오그리드가 포설되어 있는 주변 환경 및 외부하중 등에 따라 달라질 수 있다.
또한, 보강토 구조물 축조 시 지오그리드 보강재 상부에 뒤채움 흙을 포설하고 다짐하면서 발생할 수 있는 지오그리드의 손상도 보강토 구조물의 장기적 안정에 큰 영향을 줄 수 있다. 특히 국내의 경우, 뒤채움 흙으로 널러 사용되고 있는 화강풍화토(산흙)에는 입경이 큰 돌들이 많이 포함되어 있으며, 현장 시공 시에는 양질의 토사 수급의 어려움과 방대한 뒤채움 흙을 채 가름해야 하는 번거로움으로 인해 입경 19mm(뒤채움 선정기준) 이상의 돌이 다량 함유된 흙이 사용되고 있어 지오그리드 보강재의 손상이 크게 우려되고 있다.
토목섬유는 크게 압출성형물, 지오텍스타일, 부직포(non-woven fabric) 등으로 구분할 수 있다. 부직포의 경우는 스펀본딩법으로 제조된 것이 적합하며, 특히 지오텍스타일의 경우 지오그리드, 지오매트 등이 있으며, 이들은 주로 폴리에스터 원사를 제직한 후 폴리염화비닐(PVC) 코팅을 거쳐 제조한다.
지오그리드는 격자구조를 가지며 지반내부에서 흙과의 상호친화성으로 흙의 결집력을 향상시켜주어 지반의 붕괴, 침하 등을 방지하여 주며 연약지반강화용, 옹벽보호용, 경사면강화용 등에 사용되고 있다.
이와 같은 지오그리드는 경, 위사 방향(주, 보조 리브)의 각 띠가 격자를 가진 재료로서 띠의 구성, 교차연결 또는 결합방법을 다양하게 변화시킬 수 있고, 하 중을 받는 방향의 구조보강재로 사용된다. 지오그리드는 플라스틱(강성, 시트형) 지오그리드와 텍스타일(연성, 직물형) 지오그리드가 있으며, 플라스틱 지오그리드는 압출기를 통해 얻은 고밀도 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 시트에 구멍을 뚫은 다음 일축 또는 이축 연신하여 제조하며, 텍스타일 지오그리드는 합성섬유를 격자형으로 제편 또는 제직하여 폴리염화비닐, 아크릴, 라텍스, 고무, 역청 등의 수지를 피복시켜 제조한다.
특히 텍스타일 지오그리드는 플라스틱 지오그리드에 비해 제조원가면에서 경제적이며 제품자체가 유연하므로 포장, 운반 및 시공면에서 상대적으로 유리하다고 알려져 있다.
그러나 이러한 장점에도 불구하고 텍스타일 지오그리드는 그 제조공정에 있어서 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
먼저 합성섬유를 사용하여 제, 편직을 하는 공정과 합성수지를 피복하는 코팅공정이 분리되어 있으므로 제, 편직된 원단을 코팅공정으로 이송할 때 원단의 격자형태가 흐트러지거나 일정량의 권량으로 한정해야 한다는 문제가 있고, 코팅작업 시에는 각 코팅로트(lot)별로 시작과 끝 작업에서 발생하는 로스(loss)가 생산수율 저하로 이어져 원가상승 및 작업의 번거로움을 일으키므로 경제성이 떨어진다는 문제가 있다.
또한 구성소재가 합성섬유이므로 코팅공정에서 받는 고온의 열이력에 의해 원래의 물리적 성질 즉, 모듈러스 혹은 신도가 변하게 되고, 특히 신도의 경우 열수축과 관련하여 심한 상승변화를 가져오게 되어 토목용 보강재로서의 목표한계신 도(대개 15%미만이 바람직함)를 벗어나거나, 제품의 인장시험 시에 인장거동이 변화되어 강력이용율이 저하되는 등 문제점이 있다.
종래의 원사를 이용하여 지오그리드를 제조하는데 발생하는 문제점은 다음과 같다.
저 수축원사를 사용할 경우, 수축율이 낮기 때문에 수축응력이 낮아 PVC 코팅 시 공정상에 문제점은 거의 없으나, 강력이 낮아 요구되는 제품의 강력을 발현하기 위해서는 사용되는 원사의 양이 많이 필요하기 때문에 제조비용이 높아지며, 사용되는 원사의 본수 증가로 인하여 제직이 곤란하게 되는 문제점이 발생하며 이로 인하여 일정 수준 이상의 강력을 발현하기 어렵다. 또한, 저수축사의 경우 신율이 높아 지오그리드 제품에 있어서 높은 모듈러스(high-modulus : 응력과 변형의 비를 나타내는 탄성계수)의 특성을 발현하기 어렵다.
고 강력원사를 사용할 경우 원사의 강력 및 모듈러스에는 큰 문제가 없으나, PVC 코팅공정에 있어서 열수축력이 크기 때문에 수축에 의한 코팅 로스(coating loss)가 높아 제조비용이 높아지며, 고열로 처리되는 PVC 코팅 공정에서 수축력으로 인하여 텐터의 핀 혹은 그립에서 이탈하여 코팅이 불가능해지는 공정상의 문제점을 유발할 수 있으며, 수축율이 높을수록 이와 같은 경향은 더욱 심하게 나타난다. 또한 공정상에 문제가 없다 하더라도 열처리를 거치면서 고수축으로 인하여 원사의 물성변화가 심하게 발생하며 특히, 신율이 크게 상승하여 지오그리드 제품은 고모듈러스의 특성을 발현하기 어렵다.
이와 같은 선행 기술에 의한 제품은 제조방법 및 장치가 매우 복잡하면서 제 품의 특성면에 있어서는 내인장 강도가 매우 취약한 편이어서 보강심재 역할을 하는 지오그리드 본래의 기능성을 충분히 달성할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점에 착안하여 지오그리드를 보다 경제적인 생산 코스트로 양산할 수 있으면서, 특히 지금까지 공지된 제품에 비하여 내인장 강도가 크게 강화되도록 하여 지오그리드 사용을 대상으로 하는 각종 공사 및 구축물의 내구성과 안전성을 크게 향상 시키도록 한 것이다.
본 발명은 지오그리드 등에 사용되는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법에 있어서, 고분자 폴리머 칩을 압출성형기를 통해 띠의 형태로 압출하는 압출공정과 그것을 다시 연신하는 연신공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 압출공정은 고분자 폴리머 칩을 압출성형기로 투입하기 전에 용융 공정에서의 폴리머의 분해를 방지하기 위해 완전히 건조하고, 압출 성형기는 고분자 폴리머 칩을 용융하여 다이로 압출하여 용융된 폴리머는 간격이 최적화 된 원형 다이를 통해 압출성형기가 밀어내는 압력에 의해 바(bar) 형태로 압출되는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법이다.
상기 바 형태로 압출된 압출물은 연신공정 전에 냉각공정을 거치되, 냉각공정은 멘드렐(Mandrel)과 냉각수조로 이루어진 냉각부의 물에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법이다.
상기 연신공정은 상기 압출성형기에서 압출된 고분자 폴리머가 제 1 연신기의 롤러에 연결되어 적정한 수준으로 연신되되, 상기 제 1연신기에서 연신된 폴리머 띠는 가열기를 경유하여 가열된 후 제 2, 제 3연신기를 거쳐 연신공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법이다.
상기 연신공정을 마친 폴리머 띠는 상온에서 서서히 냉각시키기 위하여 제 3연신기 상부에 위치한 제 1상온건조롤러에 연결되어 제 1연신기 상부에 위치한 제 2상온건조롤러를 경유한 후 압착기에 통과하면서 그 표면이 엠보싱 처리된 후 와인더(Winder)에 연결되어 롤에 감기는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법이다.
상기 냉각 수조를 거쳐 냉각된 고분자 폴리머 띠는 표면에 묻은 물기를 제거하기 위하여 천이나 헝겊으로 싸인 지지대를 거쳐 제 1연신기에 연결되며, 또한 고분자 폴리머 띠에 묻은 물기를 완전히 제거하기 위하여 냉각수조와 연신기 사이에서 상기 띠가 진행되는 방향과 수직으로 에어를 불어 에어 건조를 시키는 송풍기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법이다.
상기 연신기의 연신롤러는 상하 2열로 배치되어있되 상측의 롤러와 하측의 롤러는 일정한 각도를 가지고 대각선으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 고분자 폴리머 칩을 압출성형기를 통해 띠의 형태로 압출하고 그것을 다시 연신하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머 띠에 관한 것이다.
상기 고분자 폴리머 띠의 두께는 0.5∼2mm이고 폭은 5∼20mm인 것을 특징으 로 한다.
상기 고분자 폴리머 띠는 1개의 띠를 사용한 최대인장강도시험에서 5∼13(t/m)이고 인장변형률은 5∼8%이며(ISO 1031)와 미국 Drexel대학의 토목섬유연구소에서 제안한 시험방법 중 GSI-GG1에 규정된 방법에 따라 시행), 휨강성도는 1*106∼5*106인 것(ASTM D1388-96에 규격화된 방법 중에서 캔틸레버 방법으로 시험한 결과)을 특징으로 한다.
본 발명은 지오그리드 등에 사용되는 고분자 폴리머를 띠모양으로 제조하는 방법에 있어서, 고분자 폴리머 칩을 압출성형기를 통해 띠의 형태로 압출한 후 냉각시키고 그것을 다시 연신시킴으로서 뽑아진 띠의 인장강도, 신율, 생화학적내구성 그리고 매설시 지지저항력 등이 강화된 고분자 폴리머 띠를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 고분자 폴리머 띠로 지오그리드를 제조하기 위한 일실시 예는 다음과 같다.
본 발명의 고분자 폴리머를 띠 모양으로 하는 제조단계 중 압출단계는 고분자 폴리머 칩을 압출성형기로 투입하기 전에 용융 공정에서의 폴리머의 분해를 방지하기 위해 완전히 건조하고, 압출 성형기는 고분자 폴리머칩을 용융하여 다이로 압출한다.
용융된 폴리머는 간격이 최적화 된 원형 다이를 통해 압출성형기가 밀어내는 압력에 의해 바(bar)형태로 압출되고, 그 즉시 멘드렐(Mandrel)과 냉각수조로 이루 어진 냉각부의 물에 의해 고분자 폴리머 띠의 온도(260∼275℃)를 90∼120℃의 온도로 냉각한다. 상기 멘드렐은 바 형태로 압출된 압출물이 냉각수조에서 냉각되면서 연신기로 연결되는 과정에서 압출물이 절단되지 않도록 지지하여 주는 롤러형태의 드럼이다.
상기 냉각 수조를 거쳐 냉각된 고분자 폴리머 띠는 표면에 묻은 물기를 제거하기 위하여 천이나 헝겊으로 싸인 지지대를 거쳐 제 1연신기에 연결된다. 또한 냉각 수조와 연신기 사이에서 상기 띠가 진행되는 방향과 수직으로 에어를 불어 에어건조를 시키는 송풍기가 설치되어 고분자 폴리머 띠에 묻은 물기를 완전히 제거한다.
물기가 건조된 고분자 폴리머 띠는 1차 연신공정을 위하여 제 1연신기에 상하 2열로 일정한 각도를 가지고 대각선으로 배치되어있는 상측의 롤러와 하측의 롤러에 지그재그로 연결하여 각 롤러가 회전하는 속도차이에 의하여 팽창됨으로써 적정한 수준으로 연신한다.
제 1연신기에서 연신된 폴리머 띠는 가열기에서 고분자 폴리머 띠를 3단계로 가열을 하는데, 1단계는 120∼140℃ 가열하고, 2계는 100∼120℃ 가열하고, 3단계는 80∼100℃로 가열한다.
상기 가열기를 경유하여 가열한 고분자 폴리머 띠는 제 2, 제 3연신기를 통한 연신공정에 의하여 지오그리드로서 요구되는 인장강도, 신장률, 생화학적 내구성 등의 기계적 특성을 얻게 된다. 상기 연신 공정은 수직 및 수평방향의 연신이 동시에 일어나게 되며, 연신기의 각 롤러가 회전하는 속도차이에 의하여 팽창됨으 로써 연신이 행해진다.
연신공정을 마친 폴리머 띠는 제 3연신기 상부에 위치한 제 1상온건조롤러에 연결되어 제 1연신기 상부에 위치한 제 2상온건조롤러를 경유하여 상온에서 서서히 냉각한다.
상온에서 냉각한 고분자 폴리머 띠는 압착기에 통과하면서 그 표면이 엠보싱 처리한 후 와인더(Winder)에 연결되어 롤에 감긴다.
상기 고분자 폴리머 띠는 와인더에 의해 롤에 잘 감기도록 완충기와 클램프기를 경유할 수 있다.
상기 연신공정에서 폴리머 띠는 압출기에서 와인더까지 연속적으로 연결되며, 처음의 압출된 폴리머 띠의 가장자리는 다른 부분에 비하여 균일성 및 물리적 특성의 차이가 있다. 따라서 고분자 폴리머 띠의 가장자리는 잘라내고 와인더 장치에 연결한다.
상기 수냉된 고분자 폴리머 띠는 비결정성 구조를 지니며 연신공정을 통하여 지오그리드로써 요구되는 인장강도, 신장률, 생화학적 내구성 등의 기계적 특성을 얻게 된다. 상기 연신 공정은 수직 및 수평방향의 연신이 동시에 일어나게 되며, 연신기의 각 롤러가 회전하는 속도차이에 의하여 팽창됨으로써 연신이 행해진다.
띠 모양으로 팽창되어 수냉된 고분자 폴리머는 연신기의 연신롤러를 지나면서 인장강도, 신장률, 생화학적 내구성 등의 적정한 요구조건에 맞게 연신되는데, 상기 연신기의 연신롤러는 상하 2열로 배치되어있되 상측의 롤러와 하측의 롤러는 일정한 각도를 가지고 대각선으로 배치되어 있다.
본 발명에 의해 제작된 고분자 폴리머 띠는 다음과 같은 특징을 가진다.
첫째, 지오그리드 제품의 품질을 결정하는 1개의 띠를 사용한 최대인 장강도시험에서 5∼13(t/m)이고, 인장변형률은 5∼8%이다.
상기 시험은 ISO 10319와 미국 Drexel대학의 토목섬유연구소에서 제안한 시험방법 중 GSI-GG1에 규정된 방법에 따라 시행하였다.
둘째, 고분자 폴리머 띠의 휨강성도는 1*106∼5*106이다. 상기 휨강성도의 결과는 ASTM D1388-96에 규격화된 방법 중에서 캔틸레버 방법으로 시험한 결과이다.
셋째, 고분자 폴리머 띠의 물리적 특성은 띠의 두께는 0.5∼2mm, 띠의 폭은 5∼20mm이다.
각종 토목공사 등에 다양하게 이용되는 합성 고분자 재질로 만들어진 인장부재를 격자망으로 구성한 평면구조의 토목섬유 제품인 지오그리드에 있어서, 적정수준으로 연신한 고분자 폴리머 띠를 서로 직각으로 격자망으로 상하 적층하고, 상기 고분자 폴리머 띠가 다른 띠와 교차하는 다수의 접점에, 레이저를 조사하여 짧은 시간에 용융 ·접착하여 제작되는 것을 특징으로 하는 레이저 용착에 의해 제조되는 지오그리드의 고분자 폴리머 띠에 관한 것이다.
본 발명에 의해 제작된 고분자 폴리머 띠는 토목공사 등에 사용하는 옹벽공사용, 지반보강용의 지오그리드를 제조하기 위한 것으로서 고분자 폴리머를 압출실린더에 통과시켜 편평한 띠 형태로 추출한 후, 적정한 수준으로 냉각, 연신 공정을 통하여 띠 형태로 만들고, 이를 격자망형으로 교차하여 상하 적층하고, 상기 고분자 폴리머 띠가 교차하는 다수의 접점에 레이저를 조사하여 짧은 시간에 용융 · 접착하여 결합형 강성 지오그리드를 제조하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 고분자 폴리머 띠로 제작된 지오그리드는 상기 격자망으로 적층된 고분자 폴리머의 상하 띠 사이에 용착제를 개재하고 레이저로 용착한 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고분자 폴리머의 상하 띠 사이에 개재되는 용착제는 알루미늄 용착제인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고분자 폴리머 띠로 제조된 지오그리드는 연약지반 강화용에 있어서, 격자망형으로 격자구멍크기는 각 리브간의 간격이 27∼36mm로 정사각형이고, 각 리브의 두께는 0.5∼1.5mm이고, 각 리브의 폭은 5∼12mm이고, 주리브와 보조리브의 수는 2m당 각각 50∼52개인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고분자 폴리머 띠로 제조된 지오그리드는 옹벽구조물에 있어서, 격자망형으로 격자구멍크기는 주리브 간의 간격은 56∼73mm이고 보조리브 간의 간격은 27∼36mm인 직사각형이고, 각 리브의 두께는 0.5∼2mm이고, 주리브의 폭은 10∼20mm이고, 보조리브의 폭은 5∼12mm이고, 주리브의 수는 2m당 25∼27개이고, 보조리브의 수는 2m당 각각 50∼52개인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고분자 폴리머 띠가 주방향으로 구성되는 리브는 단위 1m당 인장강도가 5∼12톤이고, 최대인장강도에서의 인장변형률은 4∼8%이며, 보조리브의 단위 1m당 인장강도가 4∼11톤이고, 최대인장 강도에서의 인장변형률은 4∼8%인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 고분자 폴리머 띠로 제조된 지오그리드의 주리브와 보조리브의 교차지점에 레이저를 조사하여 용융 ·접착된 부분의 접점강도는 인장강도가 5∼6톤일 때 50∼70kg이고, 7∼9톤일 때 90∼110kg이고, 10∼12톤일 때 110∼130kg이다.
상기의 레이저에 의한 접합은 탁월한 이점이 있다. 레이저광은 지구상에서는 자연 상태에서 존재하는 것은 아직 발견된 바 없고 인위적인 조작을 통해서만 얻을 수 있다.
레이저광선은 매질을 통과하여 만들어져 나오게 되는데 레이저기기의 종류에 따라 다른 매질을 사용한다. 즉, 레이저를 발생시키는 매질은 기체, 액체, 고체 상태 모두가 가능하다. 매질의 종류에 따라 기체레이저, 액체레이저, 고체레이저, 반도체레이저의 네 가지로 분류한다.
기체 형태의 레이저로는 아르곤 레이저, 크립톤 레이저, 헬륨네온 레이저, 탄산가스 레이저가 있다. 또한 액체 형태의 레이저에는 다이레이저, 고체 형태의 레이저에는 야그 레이저, 루비레이저, 홀미움 레이저, 다이오드 레이저 등이 있다.
이러한 레이저들의 고휘도성, 고출력성의 성질을 에너지 차원에서 제어함으로써 각종 분야에 활용할 수 있는 것이다.
레이저광선은 보통 빛에 비하여 매우 순수하며 퍼지지 않고 곧바로 진행하는 빛이다. 한 종류의 파장만을 가진 빛이며, 위상이 고른 단색광(單色光)이며, 레이저광선을 렌즈로 집속하면 매우 작은 넓이로 집광할 수 있다. 렌즈로 집광한 레이저광선의 초점면 상에서의 단위면적당 빛에너지는 대단히 크다. 밀도는 1011W/㎠ 정도가 된다. 이것은 태양 표면의 에너지 밀도가 104W/㎠인 것과 비교하여 엄청나게 크다. 또 레이저광선은 나비가 좁은 선스펙트럼을 가지고 있고 사인파인 광파이므로 간섭현상이 일어나기 쉬운 성질을 가지고 있다. 또한 아무리 멀더라도 빛의 세기가 거의 줄어들지 않는 지향성(directional)이 있다. 형광등이나 백열등에서 나오는 빛은 앞으로 나가면서 점점 넓어지지만 레이저광선은 우주간의 거리측정에까지 쓰일 정도로 확산정도가 작다.
에너지의 집중도도 뛰어나다. 태양빛을 모으면 종이나 나무 등을 태울 수 있는 정도지만 레이저빔을 모으면 금속을 자를 뿐 아니라 핵융합까지 가능하다.
상기한 바와 같이 레이저광선의 특징은 단색성이 뛰어나며, 위상이 고르고 간섭현상이 일어나기 쉬우며, 퍼지지 않고 직진하며 집광성이 좋고, 에너지 밀도가 크다는 것이다.
레이저는 자동차제조 용접이나 반도체 D램 생산 등 여러 산업이 제조공정에 사용될 뿐만 아니라 의료용 및 홀로그래피와 광통신등 다양한 분야에 응용되고 있다. 레이저 가공에 있어서 레이저광선의 큰 에너지밀도를 이용하여 딱딱한 보석에 구멍을 뚫거나, 시계 부품의 구멍을 신속하고 정확하게 뚫는 기술은 비교적 일찍이 실행되고 철판의 절단이나 용접 등에도 널리 응용된다.
상기와 같은 레이저장치를 이용하여 고분자 폴리머 띠를 접합함으로서 접합부위의 접합상태가 양호하며, 짧은 시간에 용융접합이 이루어짐으로서 접합부위가 다른 부분에 비하여 균일성 및 물리적 특성의 차이가 거의 없으며, 특히 다른 부위 와의 인장강도, 신율, 생화학적내구성 그리고 매설시 지지저항력 등이 거의 차이가 없으므로 본 발명에서는 고분자 폴리머 띠의 접합을 레이저로 조사하여 레이저 열에 의한 용융·결합하여 강성 지오그리드를 제작하는 것이 본 발명의 요지이다.
일반적으로, 레이저 용접기는 레이저 매질, 가스 공급장치, 레이저 냉각장치, 레이저 공진기(LASER Cavities)등으로 구성되어 있다. 레이저 빔을 평행빔으로 안내하기 위하여 레이저 빔의 발진기에서 발진된 레이저 빔을 제 1 및 제 2 반사거울에서 반사시키고 상기 제 2 반사거울에서 반사된 레이저 빔을 집속거울에서 집속시켜서 레이저 빔 안내부재를 통과하여 작업편 사이의 이음매 등을 용접하고 있다.
이와 같이 레이저접착기는 레이저 접착 시에 발생하는 플라즈마가스에 의해 작업편사이의 이음매에 레이저 빔이 도달하기 전에 레이저 빔이 산란되는 것을 방지하기 위하여 차폐가스 공급관을 통해서 공급되는 아르곤가스 또는 질소가스를 노즐에서 분출시킨다.
상기 레이저접착기는 용도면에서 자동차 연료튜브, ABS솔레노이드밸브, 인젝터 밸브, 자동차 연료튜브, 광 패키징, 핵 연료봉 지지격자, 전자부품, 다이아몬드 톱 레이저용접기 등이 있다.
레이저로 접합을 하므로 어스를 연결하지 않아 스파크가 생기지 않으며 구석진 부분, 얇은 코어 용접을 용이하게 할 수 있다.
레이저 용접기의 조절 파라미터는 온도, 레이저 파워, 용접시간, 초점범위, 용접 압력, 용접 속도 등을 컴퓨터로 조작할 수 있다.
특히 플라스틱 레이저 용접기는 ABS, PE, PC, PMMA, PS, SAN 등 열가소성 수 지, 엘라스토머, 금속과 플라스틱의 용접에 사용된다. 플라스틱 레이저 용접기의 용접원리는 레이저 파장에 대해 광 흡수 특성이 있으므로 다른 복합 플라스틱 재료를 접합할 때에 특히 유효하다. 레이저 광은 투과체를 통과해서 비투과체에 흡수되어 열로 변환된다. 플라스틱은 서로 용접면에서 녹아, 고정치구의 압력에 의해 접합된다.
본 발명에 의한 고분자 폴리머 띠를 레이저 용착에 의해 지오그리드로 격자형으로 서로 결합하는 이유는 상기 고분자 폴리머 띠가 다른 띠와 교차하는 다수의 접점에 레이저광선을 조사하여 짧은 시간에 용융 ·접착되기에, 고열로 처리되는 공정과정에서 수축력으로 인하여 용접등의 공정상의 문제점을 유발하지 않으므로 접점강도와 안전율이 상승한다. 상기 지오그리드의 접점강도는 지오그리드가 포설된 보강토체가 일체적인 거동에 지지댈 수 있도록 충분히 커야한다.
즉 흙속에 묻혀있는 지오그리드가 외적인 하중에 의해 접점이 파손되거나 지오그리드의 형태가 변형을 일으키지 않도록 제조되어야한다.
본 발명의 고분자 폴리머 띠를 격자형으로 서로 결합하는 방법은 상기 연신공정에서 타래로 권취된 고분자 폴리머 띠를 주리브공급롤러와 보조리브공급롤러에 장착하고, 주리브공급롤러에 장착된 고분자 폴리머 띠가 권취롤러에서 연속적으로 권취되도록 구성하고, 보조리브공급롤러에 장착된 고분자 폴리머 띠의 타래는 자동지그에 의해서 주리브 폴리머 띠와 수직되게 적층시키고, 적층된 띠가 레이저 출사부 위치에 도달되면 띠와 띠 사이에 레이저 광을 조사하여 상호 융착시킨 후, 보조리브공급롤러와 연결된 보조리브를 절단하여 권취롤러에 격자망형의 지오그리드가 권취된다.
상기 레이저 조사에 의해 융착된 주리브와 보조리브에 진동을 가하여 접합부분의 결합을 더욱 강화시킨다.
상기 주리브공급롤러는 연신공정에서 권취된 고분자 폴리머 띠가 롤 형태로 장착되는 롤러이며, 상기 롤 형태의 고분자 폴리머 띠는 주리브공급롤러에 50∼52개의 타래가 장착될 수 있다.
상기 보조리브공급롤러에 장착된 고분자 폴리머 띠의 타래가 자동지그에 의해서 주리브 폴리머 띠와 수직되게 적층시키는 과정에서 보조리브의 띠에 알루미늄 용착제를 도포하여야 한다. 이는 레이저용착에 의한 접합시 레이저가 조사한 빛의 에너지를 알루미늄 용착제가 반응물로 작용하여 레이저 에너지를 흡수하면서 화학반응이 시작되어 고분자 폴리머 띠를 용융시키고자하는 원하는 온도로 요구하는 에너지준위까지 상승시키기 위한 것이다.
다른 종류의 용착제도 존재하지만 본 발명에서는 알루미늄 용착제가 충분히 레이저 에너지를 흡수하여 고분자 폴리머 띠의 용융되는 온도까지 원하는 화학 반응을 시발시키는데 있어서 충분하다.
상기 주리브와 보조리브의 교차지점에 레이저 용착결합 후 보조리브 공급롤러 측의 보조리브를 절단함은 권취기에 완성된 지오그리드를 연속적으로 권취하기 위함이다. 보조리브가 절단되지 않은 상태에서 권취기에서 완성된 지오그리드를 권취하게 되면 보조리브가 주리브와 수직으로 교차될 수 없기 때문이다.
상기와 같은 레이저용착에 의한 지오그리드의 접합은 초음파용착에 의한 방 법보다 내시공성 시험 후의 평가에서 그 결합에 의한 접착력이 우수하며, 다짐작업 후의 접합부위의 파손이나 이탈상태가 양호하다. 즉, 초음파 용착에 의한 접합부위의 파손이나 이탈상태는 고분자 폴리머 띠가 용융되어 접합된 부위와 그렇지 않은 부위가 함께 파손되거나 이탈되어 접합부위의 고분자 폴리머 띠 부분의 인장강도 및 강성이 저하되어 띠 자체가 절단되는 문제점이 발생하는 반면에, 레이저용착에 의한 접합부위는 고분자 폴리머 띠가 용융되어 접합된 부위만 부분 이탈되거나 전체 이탈현상이 발생되어도 접합부위의 고분자 폴리머 띠 부분의 인장강도 및 강성이 유지되어 띠 자체가 절단되는 현상은 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 초음파용착에 의한 접합부위의 접합상태는 고분자 폴리머 띠의 용융물이 교차지점을 흘러나와 외부에 불순물을 생기는 문제점이 있지만, 레이저용착에 의한 접합부위의 접합상태는 용융물이 교차지점의 외부로 흘러 나오지 않으면서 그 접합상태가 매끈하게 유지됨으로서 외관상의 제품상태도 매우 미려한 장점이 있다.
상기 레이저 출사부는 콘트롤러 유닛의 제어에 따라 적층 띠의 측면에서 레이저 광선을 일정 시간동안 발사하여 레이저 융착시키고, 다음 적층된 폴리머 띠가 일정 위치에 도달할 때까지, 즉 레이저 출사부가 위치된 장소에 도달할 때까지 분리되게 레이저 광선을 발사하지 않도록 제어된다.
상술한 바와 같이 제조된 강성 지오그리드를 측정하여 다음과 같이 나타내었다.
표 1-1과 1-2는 본 발명에 의하여 구현된 지오그리드의 장기설계인장강도를 산정하는데 기초가 되는 최대인장강도와 인장변형률을 평가한 결과이다. 광폭인장 시험은 시험시 사용한 폭 20cm 시료의 리브수에 대한 단위 폭(1m) 당 리브수의 비율을 고려하여 단위 폭당 인장강도로 환산한 값이다.
표 2-1과 2-2는 본 발명에 의하여 구현된 지오그리드의 접점강도 및 안전율을 평가한 결과이다. 접점강도는 지오그리드가 포설된 보강토체가 일체적인 거동을 나타낼 수 있도록 충분히 커야 하므로, 흙 속에 묻혀있는 지오그리드가 외적인 하중에 의해 접점이 파손되거나 지오그리드의 형태가 변형되어서는 안 된다. 본 평가에서는 지오그리드의 접점강도를 평가할 수 있는 방법이 규격화되어 있지 않으므로 최소 접점강도를 산정하는 방법을 식 2-1과 식 2-2와 같이 제안하여 사용하였다.
표 3은 본 발명에 의하여 구현된 지오그리드의 강성도를 평가한 결과이다. 본 시험에서는 캔틸레버 방법을 이용하여 시료의 돌출길이를 측정하고 휨강성도를 계산하였다. 식 3-1은 측정된 시료의 돌출길이를 이용하여 휨강성도를 산정하는 식 이다.
표 4-1과 4-2는 본 발명에 의하여 구현된 지오그리드의 내시공성을 평가한 결과이다. 현장에 포설된 지오그리드는 상부 성토재 포설 후 다짐작업에 의해 손상을 받을 수 있으며, 그 손상정도는 성토재의 종류에 따라 상당한 차이를 보인다. 본 시험에서는 내시공성 시험용 흙시료로서, 국내에서 성토재로 가장 널리 사용되는 화강풍화토를 대상으로 현장 체가름 작업을 통하여 입도조정된 4종류의 성토재를 사용하였으며, 또한 25mm 쇄석 및 철도 도상(Ballast)용 25∼60mm 쇄석도 사용하였다.
표 4-1과 4-2는 내시공성 시험을 수행한 후 추출한 지오그리드에 대한 육안관찰 결과를 보여주며, 사용된 지오그리드의 시료면적 2m×5m에 대한 앞면과 뒷면의 손상지점 개수를 합친 숫자이다.
표에서 손상정도 평가에서 '약한 표면손상'은 지오그리드 표면이 약간 긁힌 정도의 손상을 의미하고, '중간 표면손상'은 긁힘의 정도가 조금 심하거나 돌들에 의해 찍힘현상이 나타나 있는 정도의 상태를 의미하며, '심한 표면손상'은 리브 중간부위가 갈라진 상태나 찍힘 정도가 심한 상태를 의미하고, '부분절단'은 리브단면의 일부가 날카로운 돌에 절단된 상태를 의미한다.
상술한 바와 같이 상기 레이저 용착에 의해 제조된 지오그리드는 인장강도, 크리프 특성, 접접강도, 강성도, 내구성, 마찰특성 등의 공학적 특성 및 현장적용성과 내시공성에서 우수하다.
특히, 상기 표에서 나타난 TOTOGRID?榮? 시험을 위하여 설정한 제품의 상표로서 TOTOGRID?永悶? 나타난 4T, 7T, 10T 등의 수치는 인장강도에 대한 제품의 규격으로 시험에 의한 실제 인장강도가 11∼32% 정도 크게 설계 제조되어있고, 그 값만큼의 추가 안전율이 내포되어 있음을 알 수 있다. 또한, 최대인장강도에서의 인장변형률도 6.68∼7.4% 범위에 있어 양호한 인장변형특성을 보여준다.
본 발명에 사용되는 고분자 폴리머는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE) 등이 있다. 특히, 사용되는 고분자 폴리머는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로서, 이는 지오그리드가 포설된 지반의 거동 시 흙과의 지지, 접촉 및 마찰력이 가장 우수하기에 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 가장 적합하다.
상기한 본 발명에 의한 고분자 폴리머 띠로 제조한 지오그리드는 주로 토목공사용 매설 자재로 통상의 방법과 같이 사용하게 되는 것으로 본 발명의 제품은 기존의 제품과 대비하여 다음과 같은 장점이 있다.
토목용 지오그리드는 제품특성으로서 내구성, 생산 코스트면의 경제성, 시공의 용이성 등이 보장 되어야하는 바, 본 발명의 지오그리드는
첫째 : 폴리에스텔 수지 압출제품으로서 양산성에 의한 생산 원가가 비교적 저렴하고
둘째 : 단위 테이프의 신도를 일정하게 유지시키기 위하여 균일하게 연신 및 엠보싱 처리를 하였으므로 전체적인 인장강도가 매우 우수하고, 토사 및 콘크리트와 결착력이 양호하며
셋째 : 수지재질이 재생수지로 대체생산이 가능하므로 재활용에 의한 환경 보존효과가 크고 사용용도에 따라서 단위 테이프의 폭, 두께, 배치간격 등 다양하게 적용 할 수 있고, 특히 레이저 용융접합방식으로 용착하여 전체 격자망을 조성하므로 내구성에 변화를 주지 않으면서 가공의 능률성과 양산성이 보장되는 이점이 있다.
Claims (10)
- 고분자 폴리머 칩을 압출성형기를 통해 띠의 형태로 압출하는 압출공정과 그것을 다시 연신하는 연신공정으로 구성된 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법에 있어서,상기 압출공정은 고분자 폴리머 칩을 압출성형기(10)로 투입하기 전에 용융 공정에서의 폴리머의 분해를 방지하기 위해 완전히 건조하고, 상기 압출 성형기(10)는 고분자 폴리머 칩을 용융하여 다이로 압출하여 용융된 폴리머는 간격이 최적화 된 원형 다이를 통해 압출성형기(10)가 밀어내는 압력에 의해 바(bar)형태로 압출되는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법.
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- 제1항에 있어서, 상기 바 형태로 압출된 압출물은 연신공정 전에 냉각공정을 거치되, 냉각공정은 멘드렐(40)과 냉각수조(30)로 이루어진 냉각부(20)의 물에 의해 냉각되도록 구성하고 상기 냉각 수조(30)를 거쳐 냉각된 고분자 폴리머 띠(4)는 표면에 묻은 물기를 제거하기 위하여 천이나 헝겊으로 싸인 지지대(100)를 거쳐 제1연신기(60)에 연결되며, 고분자 폴리머 띠(4)에 묻은 물기를 완전히 제거하기 위하여 냉각 수조(30)와 제1연신기(60) 사이에서 상기 띠가 진행되는 방향과 수직으로 에어를 불어 에어건조를 시키는 송풍기(50)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 연신공정은 상기 압출성형기(10)에서 압출된 고분자폴리머가 제 1연신기(60)의 롤러에 연결되어 적정한 수준으로 연신되되, 상기 제 1연신기(60)에서 연신된 폴리머 띠(4)는 가열기(70)를 경유하여 가열된 후 제 2, 제 3연신기(80,90)를 거쳐 연신공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 연신공정을 마친 폴리머 띠(4)는 상온에서 서서히 냉각시키기 위하여 제 3연신기(90) 상부에 위치한 제 1상온건조롤러(130)에 연결되어 제 1연신기(60) 상부에 위치한 제 2상온건조롤러(140)를 경유한 후 압착기(110)에 통과하면서 그 표면이 엠보싱 처리된 후 와인더(120)에 연결되어 롤에 감기는 것을 특징으로 하는 고분자 폴리머를 띠 모양으로 제조하는 방법.
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- 고분자 폴리머 칩을 압출성형기(10)를 통해 띠의 형태로 압출하고 그것을 다시 연신하여 제조되는 고분자 폴리머 띠에 있어서, 고분자 폴리머 띠(4) 두께는 0.5∼2mm이고 폭은 5∼20mm로 이루어지고상기 1개의 띠를 사용한 최대인장강도시험에서 5∼13(t/m)이고 인장변형률은 5∼8%이며(ISO 1031)와 (미국 Drexel대학의 토목 섬유연구소에서 제안한 시험방법 중 GSI-GG1에 규정된 방법에 따라 시행), 휨강성도는 1*106∼5*106인 것(ASTM D1388-96에 규격화된 방법 중에서 캔틸레버 방법으로 시험한 결과)을 특징으로 하는 고분자 폴리머 띠.
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