KR101079004B1 - A collective fibers reinforced polymeric strip, method thereof, and a geogrid using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 섬유 보강 고분자 스트립, 그 제조방법과 장치 및 이를 이용한 지오그리드에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 열가소성 고분자로 된 매트릭스 스트립 및 상기 스트립의 내부에 위치하며 다수의 섬유들이 상기 스트립과 평행하게 배열된 섬유 집합체를 구비하는 섬유 보강 고분자 스트립은, 매트릭스 스트립이 평균입경이 0.1 내지 60 ㎛인 다수의 미세 기공들을 포함하는 발포체로서 그 공극율이 10 내지 70%이고, 상기 섬유 집합체의 총 횡단면적은 섬유 보강 고분자 스트립 전체 횡단면적의 10 내지 80%인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립은 발포체로 된 매트릭스 스트립을 구비하므로 가볍고 경제적일 뿐만 아니라, 발포체의 미세 기공 크기의 양과 크기를 제어하므로서 발포체 도입에 따른 기계적 물성의 저하 현상이 최소화되므로, 지오그리드 제조에 유용하게 사용될 수 있다. The present invention relates to a fiber reinforced polymer strip, a method and apparatus for manufacturing the same, and a geogrid using the same. According to the present invention, a fiber-reinforced polymer strip having a matrix strip of thermoplastic polymer and a fiber assembly positioned inside the strip and having a plurality of fibers arranged in parallel with the strip, wherein the matrix strip has an average particle diameter of 0.1 to 60. A foam comprising a plurality of micropores having a thickness of 10 μm, the porosity of which is 10 to 70%, and the total cross sectional area of the fiber aggregate is 10 to 80% of the total cross sectional area of the fiber reinforced polymer strip. The fiber-reinforced polymer strip of the present invention is not only lightweight and economical because it has a matrix strip made of foam, but is also useful for producing geogrids because the reduction of mechanical properties due to foam introduction is minimized by controlling the amount and size of the fine pore size of the foam. Can be used.
Description
본 발명은 토목용 보강자재로서 주로 사용되는 지오그리드를 구성하는 섬유 보강 고분자 스트립, 그 제조방법 및 이를 이용한 지오그리드에 관한 것이다. The present invention relates to a fiber-reinforced polymer strip constituting the geogrid mainly used as civil reinforcement materials, a method of manufacturing the same and a geogrid using the same.
지오그리드는 토목공사시 옹벽보강, 사면보강, 지반보강 등의 용도로 주로 사용되고 있는 토목용 보강자재이다. 지오그리드는 그 용도의 특성상, 높은 인장력, 낮은 인장 변형율과 크리프 변형 특성 외에, 내시공성, 마찰특성 및 형태안정성 등의 물성이 요구된다.Geogrid is a civil reinforcement material mainly used for retaining wall reinforcement, slope reinforcement, ground reinforcement, etc. Geogrid requires physical properties such as construction resistance, friction characteristics and shape stability in addition to high tensile strength, low tensile strain and creep deformation characteristics.
지오그리드는 재료 및 그 제조방법에 따라 텍스타일 지오그리드, 압출형 지오그리드 및 접합형 지오그리드로 구분할 수 있다.Geogrids can be divided into textile geogrids, extruded geogrids and bonded geogrids, depending on the material and the method of manufacture thereof.
텍스타일 지오그리드는 고강도 섬유를 이용하여 격자형태의 직물을 제직한 다음, 폴리비닐클로라이드, 역청, 아크릴, 라텍스, 고무계 수지 등으로 피복하여 제조한다. 텍스타일 지오그리드는 고강도 섬유를 사용하므로 인장강력과 크리프 특성은 우수하나, 시공시 토질의 상태에 따라 지오그리드가 손상을 입을 가능성이 커 서 내시공성이 저하되며 제조공정이 복잡하여 경제적으로도 바람직하지 않다.Textile geogrids are made by weaving lattice-shaped fabrics using high-strength fibers and then coating them with polyvinyl chloride, bitumen, acrylic, latex, rubber-based resins, and the like. The textile geogrid has excellent tensile strength and creep properties because it uses high strength fibers, but the geogrid is more likely to be damaged depending on the condition of the soil during construction.
압출형 지오그리드는 압출기를 통하여 압출된 고분자 시트를 롤러에 통과시켜 일정 간격으로 구멍을 뚫은 다음 일축 또는 이축으로 연신시켜 제조한다(GB 19890020843호 참조). 압출형 지오그리드는 소재 특성상 장시간 하중 부여시 크리프 변형이 크게 일어나므로 보강 구조물의 안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.Extruded geogrid is produced by passing a polymer sheet extruded through an extruder through a roller to make holes at regular intervals and then stretch it uniaxially or biaxially (see GB 19890020843). Extruded geogrid can cause a problem that the stability of the reinforcing structure is deteriorated because the creep deformation is large when the load is applied for a long time due to the material properties.
한편, 접합형 지오그리드는 고분자 수지를 스트립 형태로 압출 연신한 경방향 스트립과 위방향 스트립을 평면적인 격자 형태로 만든 다음 이들을 레이저 또는 마찰열을 이용하여 스트립들의 교차부분을 일체화시키는 방법으로 제조하거나(GB 2266540 참조), 섬유 집합체들로 보강된 스트립을 제조한 후 이를 평면적으로 배열하거나 또는 스트립들을 상하로 교차시켜 그 교차부분을 일체화시키는 방법으로 제조한다(WO 99/28563호 및 대한민국 공개특허공보 제2005-70384호 참조). On the other hand, the bonded geogrid is produced by extruding and stretching the polymer resin in the form of a strip, and forming the radial strip and the upward strip into a flat lattice, and then integrating the intersections of the strips using a laser or frictional heat (GB). 2266540), a strip reinforced with fiber aggregates is prepared and then arranged in a planar manner or by crossing the strips up and down to integrate the intersections (WO 99/28563 and Korean Patent Laid-Open No. 2005). -70384).
이러한 접합형 지오그리드 중에서, 섬유 집합체들로 내부가 보강된 소위 “섬유 보강 고분자 스트립”은 특히 기계적 물성이 우수하여 지오그리드 제조에 특히 유용하게 사용된다.Among these bonded geogrids, so-called “fiber-reinforced polymer strips” reinforced with fiber aggregates are particularly useful for geogrid production because of their excellent mechanical properties.
그러나, 지오그리드는 토목 구조물의 보강재로 사용되므로, 토목현장에서 운반이나 포설 등의 취급이 용이할 필요가 있다. 즉, 전술한 섬유 보강 고분자 스트립을 기계적 물성을 크게 저하시키지 않으면서도 경량인 섬유 보강 고분자 스트립이 요구되고 있다.However, since the geogrid is used as a reinforcing material for civil engineering structures, it is necessary to easily handle transportation, laying, etc. in civil engineering sites. In other words, there is a need for a lightweight fiber reinforced polymer strip without reducing the above-described fiber reinforced polymer strip significantly mechanical properties.
통상적으로, 플라스틱 제품을 경량화하기 위하여 발포방법이 사용된다. 그러 나, 플라스틱 발포체는 그 기공들이 100㎛ 이상으로 크고, 그 크기의 분포 또한 불균일하여, 기계적 물성와 형태안정성이 저하된다. 또한, 플라스틱 발포체는 고분자 용융물과 가스의 혼합물을 몰드에 넣어 제조하는 배치식 방식으로 통상 제조되므로(EP 432997, USP 2005/0256215, USP 2007/0202326 참조), 생산성이 저하되는 문제점이 있다. Typically, foaming methods are used to reduce the weight of plastic products. However, the plastic foam has a pore size of more than 100 μm and its size distribution is also uneven, resulting in deterioration of mechanical properties and shape stability. In addition, since the plastic foam is usually manufactured in a batch manner in which a mixture of polymer melt and gas is put into a mold (see EP 432997, USP 2005/0256215, USP 2007/0202326), there is a problem in that productivity is lowered.
따라서, 본 발명의 목적은 가볍고 경제적일 뿐만 아니라, 발포체의 미세 기공 크기의 양과 크기를 제어하므로서 발포체 도입에 따른 기계적 물성의 저하 현상이 최소화된 섬유 보강 고분자 스트립 및 이를 이용한 지오그리드를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a fiber-reinforced polymer strip and geogrid using the same, which is light and economical, and minimizes the deterioration of mechanical properties due to foam introduction by controlling the amount and size of the micropore size of the foam.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연속적으로 전술한 특성을 갖는 섬유 보강 고분자 스트립을 제조하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.It is a further object of the present invention to provide a method and apparatus for continuously producing a fiber reinforced polymer strip having the aforementioned characteristics.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 섬유 보강 고분자 스트립은, 열가소성 고분자로 된 매트릭스 스트립 및 상기 스트립의 내부에 위치하며 다수의 섬유들이 상기 스트립과 평행하게 배열된 섬유 집합체를 구비하는 섬유 보강 고분자 스트립으로서, 상기 매트릭스 스트립은 평균입경이 0.1 내지 60 ㎛인 다수의 미세 기공들을 포함하는 발포체로서 그 공극율이 10 내지 70%이고, 상기 섬유 집합체의 총 횡단면적은 섬유 보강 고분자 스트립 전체 횡단면적의 10 내지 80%인 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the fiber-reinforced polymer strip according to the present invention is a fiber-reinforced polymer having a matrix strip of thermoplastic polymer and a fiber assembly located inside the strip and a plurality of fibers arranged in parallel with the strip. As a strip, the matrix strip is a foam comprising a plurality of fine pores having an average particle diameter of 0.1 to 60 μm, the porosity of which is 10 to 70%, and the total cross sectional area of the fiber aggregate is 10 of the total cross sectional area of the fiber reinforced polymer strip. To 80%.
본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립에 있어서, 상기 열가소성 고분자로는 용융지수(MI)가 1 내지 35인 폴리올레핀계 수지, 고유점도(IV)가 0.64 내지 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드(polyvinylechloride), 폴리스타이 렌(polystyrene), 폴리부타디엔(polybutadiene) 등을 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있고, 섬유 집합체로는 폴리에스테르 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 등을 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상 섬유를 합사하여 사용할 수 있다. In the fiber-reinforced polymer strip of the present invention, the thermoplastic polymer is a polyolefin resin having a melt index (MI) of 1 to 35, a polyethylene terephthalate (polyethylene terephthalate) having a intrinsic viscosity (IV) of 0.64 to 1.0, and a polyamide ( polyamides, polyacrylates, polyacrylonitrile, polycarbonates, polyvinylechloride, polystyrene, polybutadiene, etc., alone or in combination Two or more of them may be mixed and used, and as the fiber aggregate, each of polyester fiber, glass fiber, aramid fiber, polyvinyl alcohol fiber, carbon fiber, basalt fiber, stainless steel fiber, copper fiber, and amorphous metal fiber may be used alone. Or two or more of these fibers may be spliced together.
이러한 섬유 보강 고분자 스트립은 소정 간격을 두고 각각 경방향과 위방향으로 평행하게 배치되고, 상기 섬유 보강 고분자 스트립들의 교차 부분이 서로 일체화됨으로서, 지오그리드로 형성된다.These fiber-reinforced polymer strips are arranged parallel to each other in the radial and upward directions at predetermined intervals, and intersecting portions of the fiber-reinforced polymer strips are integrated with each other, thereby forming geogrids.
또한, 전술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 섬유보강 고분자 스트립의 제조방법은, (a) 가스와 고분자 용융물의 혼합물 및 다수의 섬유들이 평행하게 배열된 섬유 집합체를 각각 준비하는 단계; (b) 상기 섬유 집합체를 크로스 헤드의 제1 유입구로 공급하고, 상기 제1 유입구의 둘레에 형성된 크로스 헤드의 제2 유입구를 통하여 상기 가스와 고분자 용융물의 혼합물을 주입한 후, 이동로를 통하여 상기 섬유 집합체 및 가스와 고분자 용융물의 혼합물을 이동시키면서 서로 부착시켜 크로스 헤드의 배출구로 배출하는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계의 결과물을 냉각시키는 단계;를 포함한다.In addition, in order to achieve the above object of the present invention, the method of producing a fiber-reinforced polymer strip of the present invention, (a) preparing a mixture of gas and polymer melt and a fiber assembly in which a plurality of fibers are arranged in parallel, respectively step; (b) feeding the fiber aggregate to a first inlet of the cross head, injecting a mixture of the gas and the polymer melt through a second inlet of the cross head formed around the first inlet, and then passing the Moving the fiber aggregate and the mixture of gas and polymer melt and adhering to each other to discharge to the outlet of the cross head; And (c) cooling the resultant of step (b).
본 발명의 섬유보강 고분자 스트립의 제조방법에 있어서, 크로스 헤드의 배출구 크기는 상기 이동로의 크기보다 작은 것이 바람직하다.In the manufacturing method of the fiber-reinforced polymer strip of the present invention, it is preferable that the outlet size of the cross head is smaller than the size of the moving path.
또한, 본 발명의 섬유보강 고분자 스트립의 제조장치는, 다수의 섬유들이 평행하게 배열된 섬유 집합체가 유입되는 제1 유입구; 상기 제1 유입구의 둘레에 형 성되며 가스와 고분자 용융물의 혼합물이 유입되는 제2 유입구; 상기 제1 유입구 및 제2 유입구와 연통되고 상기 섬유 집합체 및 가스와 고분자 용융물의 혼합물이 이동되면서 서로 부착되는 이동로; 및 서로 부착된 섬유 집합체 및 가스와 고분자 용융물의 혼합물이 외부로 배출되는 배출구를 포함하는 크로스 헤드를 구비한다.In addition, the apparatus for producing a fiber-reinforced polymer strip of the present invention, the first inlet through which a plurality of fibers in a fiber assembly arranged in parallel; A second inlet formed around the first inlet and into which a mixture of gas and polymer melt is introduced; A moving passage communicating with the first inlet and the second inlet and attached to each other while the mixture of the fiber aggregate and the gas and the polymer melt are moved; And a cross head including a fiber assembly attached to each other and an outlet through which a mixture of gas and polymer melt is discharged to the outside.
본 발명에 따른 섬유 보강 고분자 스트립은 발포체로 된 매트릭스 스트립을 구비하므로 가볍고 경제적일 뿐만 아니라, 발포체의 미세 기공 크기의 양과 크기를 제어하므로서 발포체 도입에 따른 기계적 물성의 저하 현상이 최소화되므로, 지오그리드 제조에 유용하게 사용될 수 있다. The fiber-reinforced polymer strip according to the present invention is not only light and economical because it has a matrix strip made of foam, but also to control the amount and size of the fine pore size of the foam, thereby minimizing the deterioration of mechanical properties due to the introduction of the foam, to geogrid production It can be usefully used.
또한, 본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립 제조방법에 따르면, 가볍고 기계적 물성이 우수한 섬유 보강 고분자 스트립을 연속적으로 생산할 수 있다. In addition, according to the method of manufacturing a fiber-reinforced polymer strip of the present invention, it is possible to continuously produce a fiber-reinforced polymer strip excellent in light and mechanical properties.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한 다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, which can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 섬유 보강 고분자 스트립(1)은, 통상적인 섬유 보강 고분자 스트립과 같이 열가소성 고분자로 된 매트릭스 스트립 및 상기 스트립의 내부에 위치하며 다수의 섬유들이 상기 스트립과 평행하게 배열된 섬유 집합체(3)를 구비하는 섬유 보강 고분자 스트립이되, 매트릭스 스트립(2)은 발포체이다. 특히, 매트릭스 스트립(2) 발포체가 평균입경이 0.1 내지 60 ㎛인 다수의 미세 기공들을 포함하도록 형성하면서 공극율을 10 내지 70%로 조절하고, 섬유 집합체(3)의 총 횡단면적을 섬유 보강 고분자 스트립 전체 횡단면적의 10 내지 80%로 하여, 가볍고 경제적일 뿐만 아니라, 발포체 도입에 따른 기계적 물성의 저하 현상을 최소화하였다.Referring to FIG. 1, the fiber reinforced polymer strip 1 according to the present invention is located in a matrix strip made of thermoplastic polymer and inside the strip, such as a conventional fiber reinforced polymer strip, and a plurality of fibers are parallel to the strip. It is a fiber reinforced polymer strip having an array of
본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립에 있어서, 매트릭스 스트립 발포체에 포함된 미세 기공들의 평균입경 및 공극율이 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만이면 물성은 무발포 제품과 비슷하나 0.1㎛ 미만의 미세공극을 형성하기 어렵고 메트릭스 스트립의 비중이 커져서 스트립의 경량화가 이루어지지 않아 발포체로서의 특성을 가지지 못하며, 평균입경이 60 ㎛ 및 70%를 초과하면 과도한 기공의 생성으로 스트립의 기계적 물성이 저하되어 포설시 보강섬유의 골재에 의해 손상 방지하기가 어려워 지오그리드 제조에 이용하기 어렵다. 또한, 섬유 집합체의 총 횡단면적이 섬유 보강 고분자 스트립 전체 횡단면적의 10% 미만이면 섬유 집합체에 의한 보강효과가 미미하고, 그 횡단면적이 80%를 초과하면 상대적으로 매트릭스 스트립의 두께가 지나치게 얇게 되어 지오그리드 포설시 골재에 의해 손상을 쉽게 받을 수 있다.In the fiber-reinforced polymer strip of the present invention, when the average particle diameter and the porosity of the micropores included in the matrix strip foam are less than 0.1 μm and 10%, respectively, the physical properties are similar to those of the non-foamed product, but it is difficult to form micropores of less than 0.1 μm. As the specific gravity of the matrix strip is increased, the weight of the strip is not reduced, which does not have the characteristics as a foam. When the average particle diameter exceeds 60 µm and 70%, the mechanical properties of the strip are degraded due to excessive pore generation, resulting in the aggregates of the reinforcing fiber when laid. It is difficult to prevent damage, making it difficult to use geogrid manufacturing. In addition, when the total cross sectional area of the fiber aggregate is less than 10% of the total cross sectional area of the fiber reinforced polymer strip, the reinforcement effect by the fiber aggregate is insignificant, and when the cross sectional area exceeds 80%, the thickness of the matrix strip becomes too thin. Geogrids can easily be damaged by aggregates.
본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립에 있어서, 열가소성 고분자로는 접합형 지오그리드 제조에 사용되는 고분자 매트릭스 수지라면 모두 사용이 가능한데, 예들 들어 용융지수(MI)가 1 내지 35인 폴리올레핀계 수지, 고유점도(IV)가 0.64 내지 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드(polyvinylechloride), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔(polybutadiene) 등을 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.In the fiber-reinforced polymer strip of the present invention, any thermoplastic polymer may be used as the thermoplastic polymer, for example, a polyolefin resin having a melt index (MI) of 1 to 35, intrinsic viscosity (IV). ) Is 0.64 to 1.0 polyethylene terephthalate, polyamides, polyacrylates, polyacrylonitrile, polycarbonates, polyvinylechloride, polystyrene polystyrene), polybutadiene, and the like may be used alone or in combination of two or more thereof.
또한, 섬유 집합체 역시 접합형 지오그리드 제조에 사용되는 섬유들의 집합체라면 모두 사용이 가능한데, 예들 들어 폴리에스테르 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 등을 각각 단독으로 또는 이들 중 2종 이상 섬유를 합사하여 사용할 수 있다. In addition, the fiber aggregate may be used as long as it is a collection of fibers used for manufacturing bonded geogrid, for example, polyester fiber, glass fiber, aramid fiber, polyvinyl alcohol fiber, carbon fiber, basalt fiber, stainless steel fiber, copper fiber And amorphous metal fibers may be used alone or in combination of two or more of them.
이러한 섬유 보강 고분자 스트립은 원, 사각형 등의 다양한 횡단면과 굵기를 갖는 형태로 제조할 수 있는데, 바람직하게는 폭이 2 ~ 100㎜(더욱 바람직하게는 3 ~ 50mm), 두께가 1 ~ 10㎜(더욱 바람직하게는 1.5 ~ 5mm)인 직사각형의 횡단면을 갖도록 제조한다.Such fiber-reinforced polymer strips can be produced in the form of various cross sections and thicknesses, such as circles and squares, preferably 2 to 100 mm in width (more preferably 3 to 50 mm), and 1 to 10 mm in thickness. More preferably 1.5 to 5 mm).
전술한 본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립은 소정 간격을 두고 각각 경방향과 위방향으로 평행하게 배치되고, 상기 섬유 보강 고분자 스트립들의 교차 부분이 서 로 일체화됨으로서, 지오그리드로 형성된다. 경방향 및 위방향으로 배치된 섬유 보강 고분자 스트립들의 교차각도는 지오그리드의 사용 목적에 따라 변화시킬 수 있으나, 80 내지 100도 내에서 평행하게 배치하는 것이 바람직하다. The fiber-reinforced polymer strips of the present invention described above are disposed parallel to each other in the radial and upward directions at predetermined intervals, and the cross-sections of the fiber-reinforced polymer strips are integrated with each other, thereby being formed of geogrids. The crossing angle of the fiber-reinforced polymer strips arranged in the radial direction and the upward direction can be changed depending on the purpose of use of the geogrid, but is preferably arranged in parallel within 80 to 100 degrees.
본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립의 제조방법을 도 2 내지 3을 참조하여 살펴 보면 다음과 같다.Looking at the manufacturing method of the fiber-reinforced polymer strip of the present invention with reference to Figs.
먼저, 다수의 섬유들이 평행하게 배열된 섬유 집합체와, 가스와 고분자 용융물의 혼합물을 각각 준비한다.First, a fiber assembly in which a plurality of fibers are arranged in parallel and a mixture of a gas and a polymer melt are respectively prepared.
섬유 집합체(3)들은 전술한 섬유들을 이용하여 통상적인 방법에 따라 준비하고, 가스와 고분자 용융물의 혼합물(이하, 가스/고분자 혼합물이라 함)은 고분자 수지를 압출기(4)에서 용융, 혼련시에 가스를 주입하거나, 또는 고분자 수지와 함께 열분해에 의해 가스를 발생하는 발포제를 투입하여, 압출기(4) 내에서 균일한 가스와 고분자 용융물의 혼합물을 제조한다. 가스를 직접 투입할 경우에는 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2)와 같은 초임계 유체를 사용하는 것이 바람직하고, 고분자 수지와 같이 발포제를 투입할 경우에는 발포제를 별도로 투입하거나, 발포제가 고분자 수지와 혼합되어 있는 펠렛 형태로 투입할 수 있다. The
다음으로는, 압출기(4) 내에 있는 가스/고분자 혼합물을 기어펌프를 이용하여 섬유집합체(3)가 장착되어 있는 크로스헤드(11)로 이송시켜, 가스/고분자 화합물과 섬유집합체(3)가 서로 부착되도록 한 다음, 가스/고분자 화합물이 부착된 섬유집합체(3)를 크로스 헤드(11) 밖으로 방출시킨다. 이때, 크로스헤드(11)내의 압력과 대 기압과의 압력차이에 의해 고분자 수지내에 용융되어 있는 가스가 팽창되어 미세발포구조를 갖는 섬유 보강 고분자 스트립(1)이 제조된다. Next, the gas / polymer mixture in the
다음으로는, 연속적으로 압출된 미세발포구조의 섬유보강 고분자 스트립(1)이 냉각수조(13)(14)를 지나게 하여 고분자 수지내에 형성된 기공이 붕괴되거나 가스가 고분자 수지 밖으로 빠져나가는 것을 방지한다. 위와 같이 발포된 고분자 스트립을 냉각시키지 않을 경우에 원하는 공극율을 갖는 발포체를 얻을 수 없으며, 작고 균일한 기공을 갖는 발포체를 얻을 수 없다. Next, the continuously extruded micro-foamed fiber-reinforced polymer strip 1 passes through the
다음으로는 냉각 처리된 미세발포구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)을 5 ~ 150m/min의 속도로 보빈(15)에 일정한 길이로 권취한다. 생성되는 미세발포구조의 기공 크기와 밀도는 크로스 헤드(11)와 대기압과의 압력차이 및 압력강하 속도와 밀접한 관계가 있으므로, 가압 어셈블리(17)에서의 압력과 대기압과의 차이로 가압 어셈블리(17)를 어떻게 설계하느냐에 따라 달라지며, 압력강하 속도는 권취하는 속도에 따라 변화를 줄 수 있다. 압력차이와 압력강하 속도가 클수록 작고 균일한 셀이 얻어지는 것으로 알려져 있다.Next, the fiber-reinforced polymer strip 1 having the micro-foamed structure, which is cooled, is wound on the
본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립의 제조장치 및 공정도를 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도 2에서와 같이 고분자 수지(2)를 용융압출시키기 위한 압출기(4), 가스탱크(7)로부터 공급된 가스를 정량적으로 주입하기 위한 고압정량펌프(8)로 구성된 가스 주입장치(6), 섬유 집합체(3)가 장착되어 있는 크릴(9), 섬유 집합체(3)를 압출기의 크로스헤드(11)에 일정 속도로 공급하는 섬유공급장치(10), 용융된 고분자 수지(2)와 섬유 집합체(3)가 만나 섬유 보강 고분자 스트 립(1)을 형성시키기 위한 크로스헤드(11), 크로스헤드(11)에서 나오는 섬유 보강 고분자 스트립을 냉각시키기 위한 냉각장치(13, 14), 제조된 섬유 보강 스트립을 일정한 속도로 잡아당기기 위한 권취장치(15), 그리고 스트립을 일정한 길이로 감기 위한 와인더(16)로 구성되어 있다. The present invention will be described in more detail with reference to the manufacturing apparatus and process diagram of the fiber reinforced polymer strip of the present invention. As shown in FIG. 2, an
상기 스트립 제조 공정의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다. Referring to the configuration of the strip manufacturing process in detail as follows.
도 2의 공정도를 보면, 먼저 보강섬유(3)가 섬유공급장치(10)를 거치게 된다. 섬유공급 장치(10)는 섬유 집합체(3)가 크로스헤드(11)로 유입되는 속도를 조절하고 권취장치(15)는 섬유 보강 고분자 스트립(1)을 잡아당기는 속도를 조절하여 섬유 집합체(3)에 일정한 장력이 유지되도록 한다. 섬유공급장치(10)를 통과한 섬유 집합체(3)는 크로스헤드(11)를 통과하게 된다.Referring to the process diagram of Figure 2, first, the reinforcing
도 2의 공정도에서 펠렛 형태의 고분자 수지(2)가 호퍼(5)를 통해 압출기(4)로 투입된다. 펠렛 형태의 고분자 수지(2)는 분해시 가스를 방출하여 압출기 내에서 가스/고분자 혼합물이 형성되도록 한다. 또한, 가스 주입장치(6)를 사용하여 발포가스를 고압펌프(8)를 이용하여 압출기(4)의 배럴에 직접 투입할 수도 있다. In the process diagram of FIG. 2, the
가스/고분자 혼합물은 섬유 집합체가 위치한 크로스헤드(11)로 이송된다. 섬유 집합체와 가스/고분자 혼합물은 크로스헤드(11) 내에 있는 도 3과 같은 가압 어셈블리(17)에서 서로 부착하게 된다. 가압 어셈블리(17)는 니쁠(18), 부싱(19), 다이(20)로 구성되어 있다. 니쁠(18)에는 섬유 집합체(3)가 유입되는 제1 유입구(21)와 가스/고분자 혼합물이 유입되는 제2 유입구(22)가 형성된다. 제2 유입구(22)는 제1 유입구(21)의 둘레에 형성되는 것이 바람직한데, 이것은 가스/고분자 혼합물를 이용하여 섬유 집합체(3)를 완전히 피복하는 데에 유리하기 때문이다. 제1 유입구(21)는 섬유 보강 고분자 스트립(1)에서 보강섬유(3)가 스트립(1)의 중앙에 위치하도록 위치를 잡아주며, 부싱(19)의 이동로(19a)에서는 섬유 집합체(3)와 가스/고분자 화합물이 부착되며, 다이(20)에서 압력이 높게 형성될 때 고분자 수지(2)가 역류하는 것을 방지하도록 고안하였다. 만약, 이곳의 압력이 높지 않으면 가스와 고분자 수지가 단일 상을 이루지 못하기 때문에 기공 크기가 커지게 된다. 다이(20)는 결합된 섬유 집합체(3)와 가스/고분자 수지 혼합물이 압력을 많이 받도록 설계되었으며, 스트립(1)의 형태가 결정된다. The gas / polymer mixture is sent to the
바람직하게, 다이(20)에 형성된 배출구(20a)의 크기는 이동로(19a)의 크기보다 작다. 이것은 스트립(1)이 배출구(20a)를 통하여 배출되는 동안에 압력을 더 크게 받도록 하기 위해서이다. 가압을 받은 가스/고분자 혼합물과 섬유 집합체(3)는 다이(20)를 빠져 나옴과 동시에 가스가 팽창하면서 고분자 수지 내에서 기공이 성장하여 미세발포 구조를 갖는 도 1과 같은 섬유 보강 고분자 스트립(1)이 만들어 진다. Preferably, the size of the
다이(20)를 빠져 나온 섬유 보강 고분자 스트립(1)은 스트립 내의 가스가 외부로 방출되지 않도록 온도조절이 가능한 냉각수조(13)(14)를 거친다. 이렇게 냉각된 섬유보강 스트립(1)은 권취장치(15)를 거쳐 와인더(16)에 의해 일정한 길이로 감긴다. The fiber-reinforced polymer strip (1) exiting the die (20) is passed through a cooling water tank (13) (14) that can be temperature controlled so that the gas in the strip is not released to the outside. The cooled fiber reinforcement strip 1 is wound to a constant length by the
상기와 같이 제조된 발포구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)을 경방향과 위방향으로 일정간격을 갖도록 배열한 후에 경방향과 위방향으로 배열된 스트립의 교차 부위를 초음파, 레이저, 진동에 의한 용착 또는 가열에 의해 일체화하여 지오그리드를 제조할 수 있다. After arranging the fiber-reinforced polymer strips (1) having the foam structure manufactured as described above to have a predetermined interval in the radial direction and the upward direction, the cross-sections of the strips arranged in the radial direction and the upper direction by ultrasonic, laser, and vibration The geogrid can be produced by integrating by welding or heating.
이와 같이 본 발명의 방법으로 제조한 미세발포구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)으로 구성된 지오그리드는 무발포 섬유보강 고분자 스트립으로 구성된 지오그리드와 비교할 때 기계적 강도가 크게 저하하지 않으며, 균일한 미세기공을 가지고 있기 때문에 경량성과 충격완화 특성이 우수하여 단위 부피당 원료비를 절감할 수 있게 된다.Thus, the geogrid composed of the fiber-reinforced polymer strip (1) having a micro-foamed structure produced by the method of the present invention does not significantly reduce the mechanical strength compared to the geogrid composed of a non-foamed fiber-reinforced polymer strip, and uniform micropores Since it has excellent light weight and impact mitigation properties, raw material cost per unit volume can be reduced.
본 발명에 있어서 공극률은 아래 계산식으로 계산된다. In the present invention, the porosity is calculated by the following formula.
공극률(%) = (ρN - ρF)/ ρN X 100Porosity (%) = (ρ N -ρ F ) / ρ N X 100
상기 식에서 ρN 은 무발포체의 밀도, ρF 은 발포체의 밀도를 나타낸다. In the formula, ρ N is the density of the foamless, ρ F is the density of the foam.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
실시예의 물성측정방법은 다음과 같다. The physical property measurement method of the Example is as follows.
밀도 : density : ASTMASTM D 792 D 792
섬유보강 고분자 스트립(1)을 일정 길이로 자르고 섬유를 제거한 후, 질량(m)과 부피(V)를 측정하여 밀도(d)를 계산한다. After cutting the fiber-reinforced polymer strip 1 to a certain length and removing the fibers, the density (d) is calculated by measuring the mass (m) and volume (V).
d = m/Vd = m / V
공극의 크기Pore size
섬유보강 고분자 스트립(1)을 파단한 후, 횡단면을 전자현미경(SEM)을 이용하여 측정한다. After breaking the fiber-reinforced polymer strip 1, the cross section is measured using an electron microscope (SEM).
인장 강도 및 Tensile strength and 신율Elongation : : ASTMASTM D 6637 D 6637
변형제어식 인장시험기의 상·하에 붙어 있는 클램프사이의 거리를 10±3%/분의 속도로 인장을 하여 인장 변형에 따른 인장응력을 측정한다. The tension between the clamps attached to the top and bottom of the strain-controlled tensile tester is tensioned at a rate of 10 ± 3% / min.
크리프 시험 : Creep test: ASTMASTM D 5262 D 5262
일정한 온도조건(21±2℃)에서 지속적인 인장 하중이 작용할 때 지오그리드의 불구속 인장 크리프 거동을 평가하는 것으로 재하하중은 지오그리드 시료의 최대 인장강도에 대한 45%의 하중으로 하였으며, 크리프 변형 측정은 자동계측시스템을 사용하여 1,000시간 동안 측정하였다. To evaluate the geogrid's unsteady tensile creep behavior under constant temperature loads (21 ± 2 ℃), the reload was 45% of the maximum tensile strength of the geogrid specimen. Measurements were made for 1,000 hours using the system.
내시공성Constructability 평가 : evaluation : ASTMASTM D 5818 D 5818
기초 노상을 실제 구조물 축조시와 동일하게 처리한 후 최소 면적 10m2의 지오그리드 시료를 포설하고 그 상부에 성토재를 포설한 후 실제 구조물 축조시와 동일하게 다짐한다. 성토재로는 크기가 최대 60mm인 골재를 사용하였다. After then treated in the same manner based on the hearth from the original structure built upon laying the geogrid sample area of at least 10m 2 and laying the seongtojae thereon commit in the same manner as the real structure during construction. As the fill material, aggregates up to 60 mm in size were used.
다짐 완료 후에는 다짐된 골재를 지오그리드에 손상이 가지 않도록 제거하여 지오그리드 시료를 추출하고, 추출된 시료에 대한 인장시험을 수행하여 원시료의 인장강도와 비교하였다. After the compaction was completed, the compacted aggregate was removed so as not to damage the geogrid, the geogrid sample was extracted, and the tensile test was performed on the extracted sample to compare the tensile strength of the raw material.
따라서, 내시공성은 강도 감소율(%)로 표시된다.Therefore, the workability is expressed by the percentage of decrease in strength.
실시예Example 1 One
섬도 40000데니어의 폴리에스테르 고강력사를 3묶음으로 나누어 3홀(hole)의 원형 단면 니뿔(18)과 부싱(19), 사각형 다이(20)를 통과시키고, MI가 4인 폴리프로필렌 수지와 1.0wt%의 발포제를 230℃로 미리 예열되어 있는 압출기(4)에 투입하여 용융, 혼련시켜 가스/고분자 혼합물을 크로스헤드(11)로 이동시켜 섬유 집합체와 가스/고분자 혼합물 압출, 20℃의 수조(13)(14)를 통과, 냉각시키면서 100m/min으로 권취하여 폭 9.0mm, 두께 1.1mm의 미세발포 구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)을 제조하였다.The polyester high-strength yarn of fineness 40000 denier is divided into three bundles and passed through a three-hole circular cross-section niple (18), a bushing (19), and a rectangular die (20). % Blowing agent was introduced into the
이렇게 제조된 스트립(1)의 물성을 아래의 표 1에 나타내었다.The physical properties of the strip 1 thus prepared are shown in Table 1 below.
실시예Example 2 2
권취속도 60m/min으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 미세발포구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)을 제조하였다. A fiber-reinforced polymer strip 1 having a micro-foamed structure was prepared in the same manner as in Example 1 except that the winding speed was changed to 60 m / min.
실시예Example 3 3
섬유(3)의 섬도를 15000데니어로 변화시키고, 폭 5.8mm, 두께 1.0mm 의 스트립(1)이 제조되는 다이(20)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 미세발포구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)을 제조하였다. Except for changing the fineness of the fiber (3) to 15000 denier, and having a fine foamed structure in the same manner as in Example 1 except that the
비교예Comparative example 1 One
발포제와 도 4의 가압어셈블리(17)를 사용하지 않고 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유보강 고분자 스트립을 제조하였다. The fiber-reinforced polymer strip was prepared in the same manner as in Example 1 without using the foaming agent and the
비교예Comparative example 2 2
발포제와 도 4의 가압어셈블리(17)를 사용하지 않고 실시예 4와 동일한 방법으로 섬유보강 고분자 스트립을 제조하였다.A fiber-reinforced polymer strip was prepared in the same manner as in Example 4 without using a blowing agent and the
실시예Example 4 4
실시예 1에서 제조한 스트립(1)을 경방향 스트립(1)으로 사용하고, 실시예 3에서 제조한 스트립(1)을 위방향 스트립(1)으로 사용하여 스트립 배열장치로 배열한 후, 접점을 진동 용착시켜 지오그리드를 제조하였다. 제조된 지오그리드의 단위 폭 당 리브수(ribs/m), 광폭인장강도(kN/m), 5%인장시 강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 2에 나타내었다.The strip 1 prepared in Example 1 was used as the radial strip 1, and the strip 1 prepared in Example 3 was used as the upward strip 1, and then arranged in a strip arrangement device. The geogrid was prepared by vibration welding. Number of ribs per unit width of fabricated geogrid (ribs / m), wide tensile strength (kN / m), 5% tensile strength (kN / m), tensile strain (%), creep strain (%), strength reduction rate ( %) Is shown in Table 2.
비교예Comparative example 3 3
비교예 1에서 제조한 스트립을 경방향 스트립으로 사용하고, 비교예 2에서 제조한 스트립을 위방향 스트립으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 지오그리드를 제조하였다. 제조된 지오그리드의 단위 폭 당 리브수(ribs/m), 광폭인장강도(kN/m), 5% 인장시 강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 2에 나타내었다.Geogrid was prepared in the same manner as in Example 5, except that the strip prepared in Comparative Example 1 was used as the radial strip, and the strip prepared in Comparative Example 2 was used as the upward strip. Number of ribs per unit width of fabricated geogrid (ribs / m), wide tensile strength (kN / m), strength at 5% tensile (kN / m), tensile strain (%), creep strain (%), strength reduction rate ( %) Is shown in Table 2.
상기 표 1에서 보는 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세발포구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)은 32㎛ 에서 48㎛의 평균 공극크기를 가지며, 낮은 비중에서도 비교예의 무발포 섬유보강 고분자 스트립과 비슷한 수준의 물성을 나타낸다. As shown in Table 1, the fiber reinforced polymer strip (1) having a micro-foamed structure prepared in accordance with an embodiment of the present invention has an average pore size of 32 ㎛ to 48 ㎛, non-foaming fiber of the comparative example even at a low specific gravity It exhibits a similar level of physical properties as the reinforced polymer strip.
또한, 상기 표 2에서 보는 것과 같이 미세발포구조를 갖는 섬유보강 고분자 스트립(1)으로 구성된 지오그리의 물성이 무발포 섬유보강 고분자 스트립으로 구성된 지오그리드와 비슷한 수준의 물성을 나타내는 것을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the physical properties of the geogrid composed of the fiber-reinforced polymer strip (1) having a micro-foaming structure as shown in Table 2 exhibits properties similar to those of the geogrid composed of the non-foamed fiber-reinforced polymer strip.
도 1은 본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립을 개략적으로 도시한 부분 확대 사시도이다.1 is a partially enlarged perspective view schematically showing the fiber-reinforced polymer strip of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 보강 고분자 스트립의 제조공정을 도시한 설명도이다.2 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a fiber reinforced polymer strip according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립 제조장치에 구비되는 가압 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다.Figure 3 is a schematic cross-sectional view showing a pressing assembly provided in the apparatus for producing a fiber reinforced polymer strip of the present invention.
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