KR101497784B1 - 엘리베이터 현가 및 전동 스트립 - Google Patents

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알랜 엠. 파커
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고마 지. 압델사덱
마이크 팔라졸라
스테판 디. 알랜
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티센크루프 엘리베이터 에이지
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Abstract

엘리베이터 시스템에 사용하기 위한 현가 및 전동 장치는 부하 지지, 전동 또는 견인, 및 엘리베이터 시스템에 대한 부하 지지 중복 또는 안전성 기능을 제공하는 하나 이상의 스트립을 포함한다. 한 유형에서, 폴리머 및 합성물 재료로 구성된 단일 스트립은 이러한 기능들을 제공한다. 또 다른 유형에서, 폴리머 및 합성물 재료로 구성된 복수의 스트립은 이러한 기능을 제공한다. 또 다른 유형에서, 스트립은 공동 내부 부분을 포함한다. 또 다른 유형에서, 하나 이상의 스트립은, 하나 이상의 스트립의 상태를 모니터링 하기 위해 스트립을 사용하는 경우에 검출될 수 있는 재료를 포함한다.

Description

엘리베이터 현가 및 전동 스트립{ELEVATOR SUSPENSION AND TRANSMISSION STRIP}
본원은 2010년 4월 22일에 출원된, 발명의 명칭 "현가-전동 스트립 시스템 및 방법(Suspension-Transmission Strip System and Method)", 미국 가출원 번호 61/326,918, 2010년 7월 27일에 출원된, 발명의 명칭 "현가-트랜스미션 스트립 시스템 및 방법(Suspension-Transmission Strip System and Method)", 미국 가출원 번호 61/368,050, 및 2010년 12월 8일에 출원된, 발명의 명칭 "현가-트랜스미션 스트립 시스템 및 방법(Suspension-Transmission Strip System and Method)", 미국 가출원 번호 61/421,035에 대한 우선권을 주장하며, 그 공개문헌은 본원에 참조로 포함된다.
일부 엘리베이터 시스템과 관련해서, 하나 이상의 강철줄은 엘리베이터를 상승 및 하강시키기 위한 다른 장비와 함께 작동하는 현가 및 전동 구조물로서 기능한다. 본원에서 설명되는 것은 엘리베이터 시스템과 함께 사용하기 위한 스트립들의 형태이며, 여기서 상기 스트립들은 엘리베이터를 상승 및 하강시키기 위한 다른 장비와 함께 작동하는 현가 및 전동 구조물로서 기능한다. 일부 실시예에서, 이러한 하나 이상의 스트립들은 하나 이상의 강철줄 전체를 대체한다.
엘리베이터를 상승 및 하강시키기 위한 다양한 장비 및 시스템이 만들어지고 사용되어 왔지만, 본원에서 설명되는 발명을 이전의 발명자들이 제조하거나 사용하지 않았다고 생각된다.
본 발명의 목적은 엘리베이터 현가 및 전동 스트립을 제공하는 것이다.
본 명세서는 본 발명을 구체적으로 지적하고 구별되게 청구하는 청구항으로 마무리되지만, 본 발명은 첨부된 도면과 함께 특정 실시예의 설명을 통해 더 낫게 이해될 것으로 생각된다. 도면에서, 유사한 인용 번호는 동일한 구성요소를 지시한다. 부분도에서의 해칭(hatching)은 생략되었으며, 여기서 이러한 해칭은 도면의 가독성을 손상시킬 것이다. 포함된 해칭은 일반적으로 절단된 부분의 표시만을 제공하고 도시된 물체에 대한 구성의 재료는 사용된 해칭의 유형에 의해 시사되는 임의의 재료 유형으로 요구되지 않거나, 제한되지 않는다.
도 1은 엘리베이터에 사용하기 위한 예시적인 스트립의 투시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 스트립에 대한 종 방향으로부터의 측면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 스트립에 대한 횡단 방향으로의 단면도를 도시한다.
도 4는 도 1의 스트립에 대한 도 2의 A-A 선을 따라 축 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 단일 구성요소를 갖는 단일 층을 포함한다.
도 5는 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 나란히 위치된 복수의 구성요소를 갖는 단일 층을 포함한다.
도 6은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 층층이 위치된 복수의 구성요소를 갖는 복수의 층을 포함한다.
도 7은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 나란히 및 층층이 위치된 복수의 구성요소를 갖는 복수의 층을 포함한다.
도 8은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 나란히 및 층층이 위치된 구성요소를 갖는 복수의 층을 포함하며, 이때 상기 구성요소는 그들의 폭을 가로질러서 변화하는 두께를 가진다.
도 9는 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 각각의 층에 동일하지 않은 갯수의 구성요소를 갖는 복수의 층을 포함한다.
도 10은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 덮개 구성요소에 의해 둘러싸이는 하나의 구성요소에 의해 구현된 복수의 층을 포함한다.
도 11은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 덮개 구성요소에 의해 둘러싸이는 복수의 구성요소에 의해 구현된 복수의 층을 포함한다.
도 12는 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 덮개 구성요소에 의해 둘러싸이는 하나 이상의 종 접힘(longitudinal folds)에 의해 구현된 복수의 층을 포함한다.
도 13은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 덮개 구성요소에 의해 둘러싸이는 하나 이상의 횡 접힘(transverse folds)에 의해 구현된 복수의 층을 포함한다.
도 14는 도 3의 B-B 선을 따라서 횡 방향으로 절단된 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트랩은 종(longitudinal)의 포켓을 포함한다.
도 15는 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 횡 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 횡 포켓을 포함한다.
도 16은 각진 전동 패턴을 갖는 체결 표면을 갖는 예시적인 스트립의 체결 표면의 절단부로 보여지는 투시도를 도시한다.
도 17은 곡선의 전동 패턴을 갖는 체결 표면을 갖는 예시적인 스트립의 체결 표면의 절단부로 보여지는 투시도를 도시한다.
도 18은 엘리베이터에 사용하기 위한 스트립의 예시적인 배열의 정면도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 적층된 배열을 가진다.
도 19는 엘리베이터에 사용하기 위한 스트립의 예시적인 배열의 정면도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 연속 배열을 가진다.
도 20은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 덮개 구성요소에 의해 둘러싸이는 하나 이상의 종 접힘에 의해 구현된 복수의 층을 포함하며, 이때 상기 접힘은 서로를 둘러싼다.
도 21은 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 복수의 층 및 복수의 구성요소(덮개 구성요소를 포함함)를 포함한다.
도 22는 도 1의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 복수의 층 및 복수의 구성요소(덮개 구성요소를 포함하지 않음)를 포함한다.
도 23은 엘리베이터에 사용하기 위한 또 다른 예시적인 스트립의 투시도를 도시한다.
도 24 및 도 25는 도 23의 스트립을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 도 24에서 보여지는 바와 같이 긴장 상태 및/또는 압축 상태 하에 있지 않지만, 도 25에서 보여지는 바와 같은 긴장 상태 및/또는 압축 상태 하에 있다.
도 26-31은 도 23의 스트립에 유사한 스트립의 다른 유형을 종 방향으로 도시한 단면도를 도시한다.
도 32 및 도 33은 도 23의 스트립에 유사한 스트립의 또 다른 유형을 종 방향으로 절단한 절단도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 하나는 내부에 하나는 외부에 위치된 복수의 호스형(hose-like) 구성요소를 포함하며, 이때 상기 스트립은 도 32에서 긴장 상태 또는 압축 상태 하에 있지 않은 것으로 보여지고, 상기 스트립은 도 33에서 긴장 상태 및/또는 압축 상태 하에 있는 것으로 보여진다.
도 34는 도 32 및 도 33의 스트립을 사용하기 위한 예시적인 권상기(traction sheave)의 정면도를 도시하며, 상기 권상기는 홈(groove)을 포함한다.
도 35는 도 34의 권상기와 결합된 도 32 및 도 33의 스트립의 정면도를 도시한다.
도 36은 부분적으로 절단된 또 다른 예시적인 스트립의 투시도를 도시하며, 이때 상기 스트립은 중심 구성요소 둘레로 꼬인 스트립을 포함한다.
도면은 어떤 방식으로도 제한하려는 의도가 아니고, 본 발명의 다양한 실시예가 도면에 필수적으로 도시되지 않은 것을 포함하여 다양한 다른 방식으로 수행될 수 있다고 생각된다. 본원에 포함되고 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 몇몇 양태를 설명하고, 이와 함께 서술 내용은 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 하지만; 본 발명이 정확히 보여진 배열로 제한되지 않는다고 이해된다.
본 발명의 특정 실시예의 이어지는 설명은 본 발명의 범위를 제한하도록 사용되지 않을 것이다. 본 발명의 다른 예, 특징, 양태, 실시예 및 이점이 하기 설명으로부터 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 인식된 바와 같이, 본 발명은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 다른 상이하고 자명한 양태가 가능할 것이다. 예를 들어, 통상의 기술자는 엘리베이터에 사용하기 위한 예시적인 스트립을 디자인하는데에 사용될 수 있는 많은 기술이 있다는 것을 인식할 것이다. 본원에 설명된 이러한 많은 기술들, 및 또한 다른 기술들은 본원의 교시에 기초하여 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 이러한 기술들과 관련한 본원의 교시는 어떤 예시적인 스트립에 적용될 수 있고, 설명된 기술의 맥락에서 논의된 예시적인 스트립에만 한정되지 않는다. 나아가, 이러한 기술들 중 임의의 수는 스트립을 디자인하는데에 혼합되어 사용될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 자연스럽게 설명되는 것이지, 제한하는 것으로 인식되지 않을 것이다.
엘리베이터에 사용하기 위한 스트립과 관련한 일부 기능상의 고려 및 기능상의 특징의 간략한 논의 후에, 차후 부분은 이러한 스트립에 대한 예시적인 제작, 이러한 스트립에 대한 예시적인 배열, 및 이러한 스트립에 대한 예시적인 재료를 설명한다. 이후에, 추가적인 부분은 일부 예시적인 스트립 및 스트립의 사용을 모니터링하기 위한 일부 예시적인 기술을 설명한다.
I. 기능상의 고려 및 특징
본원에서 설명된 엘리베이터에 사용하기 위한 일부 스트립은 부하 지지(load carrying), 안전성 및 전동의 면에서 충분한 기능성을 제공하도록 디자인된다. 부하 지지는, 엘리베이터에 사용시에 충분한 강도 및 내구성을 갖는 스트립과 관련된다. 안전성은 기본적인 하중 지지(primary load support)를 제공하는 구조 또는 구조물에 고장이 발생하는 경우에 하나 이상의 스트립이 엘리베이터의 하중을 견딜 수 있도록 부하 지지 기능에 충분한 여유를 갖는 하나 이상의 스트립과 관련된다. 전동은, 하나 이상의 스트립 및 피동 부재(driven member) 사이에 원치 않는 미끄러짐을 회피하기 위해서, 권상기와 같은 피동 부재와 충분한 마찰을 갖는 하나 이상의 스트립과 관련된다. 고려하기 위한 스트립의 일부 특징은 스트립을 포함하는 구성요소가 충분한 결합을 갖는 것, 그리고 조립, 조작 및 사용 과정 중에 스트립의 충분한 보호를 제공하는 것을 포함한다. 기능상의 고려 및 특징의 목록 및 간략한 설명은 철저하지 않고, 이어지는 부분은 적절히 이러한 그리고 다른 기능상의 고려 및 특징을 면밀히 검토할 것이다.
II. 스트립 제작
도 1-3은 엘리베이터에 사용하기 위한 예시적인 스트립(100)을 묘사한다. 스트립(100)은 제 1 말단(102), 제 2 말단(104), 제 1 측(106), 제 2 측(108), 제 1 표면(110), 및 제 2 표면(112)을 포함한다. 스트립(100)은 제 1 및 제 2 말단(102, 104) 사이의 거리로 정의된 종 방향으로 연장된 길이, 제 1 및 제 2 측(106, 108) 사이의 거리로 정의된 횡 방향으로 연장된 너비, 및 제 1 및 제 2 표면(110, 112) 사이의 거리로 정의된 두께를 가진다. 스트립(100)에 유사한 스트립들의 몇몇의 절단도는 보여지며, 하기에서 설명된다. 언급되고 논의된 차이를 제외하고, 일반적으로, 도 1-3과 관련한 스트립(100)의 설명은 스트립(100)과 유사하다고 설명된 다른 스트립에 동일하게 적용된다.
A. 층 및 구성요소
다양한 스트립 예에 대한 예시적인 제작을 설명함에 있어서, 몇몇의 절단 도가 보여지고 설명된다. 절단도는 스트립(100)에 유사한 스트립들의 상이한 유형들을 보여준다. 절단도와 관련한 교시는 서로 배타적이라고 의도되지 않으며; 따라서, 하나의 절단도에 관한 교시는 하나 이상의 다른 절단도로부터의 교시와 결합될 수 있다.
스트립(100) 및 그와 유사한 다른 스트립은 하나 이상의 구성요소로 제작될 것으로 고려된다. 이러한 구성요소는 스트립이 일부 유형에서 단일 층 스트립 또는 다른 유형에서 복수의 층 스트립일 수 있다. 나아가, 스트립의 각각의 층은 하기 더 설명될 하나 이상의 구성요소로 구성될 수 있다. 전술한 기능 및 특징, 예를 들어 부하 지지, 안정성 및 전동은 단일 구성요소, 구성요소들의 조합, 단일 층 또는 층들의 조합에 의해 제공될 수 있다.
도 4 및 도 5는 단일 층을 포함하는 스트립을 묘사한다. 도 4에서 묘사된 유형에 있어서, 스트립(100)은 단일 구성요소(114)를 포함한다. 도 5에서 묘사된 유형에 있어서, 스트립(200)은 나란히 위치된 복수의 구성요소들(202, 204, 206)을 포함한다. 스트립(200)이 나란히 위치된 세 개의 구성 요소들을 포함하지만, 더 적은 또는 많은 구성요소가 다른 유형에서 사용될 수 있다. 일 예로서, 한 유형의 단일 층에서, 단일 구성요소 스트립(100)이 모든 단일 스트립(100)에서 부하 지지, 안정성, 및 전동의 기능을 제공하도록 구성된다. 다른 유형에서, 복수의 스트립(100)은 이러한 기능들 또는 이러한 기능들의 조합을 제공하기 위해 사용된다.
도 6 및 도 7은 복수의 층을 포함하는 스트립을 묘사한다. 도 6에서 묘사된 유형에 있어서, 스트립(300)은 층층이 배치된 복수의 구성요소들(302, 304)을 포함하는 복수의 층 스트립이다. 도 7에서 묘사된 유형에 있어서, 스트립(400)은 나란히 및 층층이 위치된 복수의 구성요소들(402, 404, 406, 408)을 포함하는 복수의 층 스트립이다. 도 6에서 보여지는 스트립(300)이 층층이 위치된 두 개의 구성요소를 포함하지만, 두 개 이상의 구성요소들이 다른 유형에서 사용될 수 있다. 유사하게, 도 7에서 보여지는 스트립(400)이 층층이 위치되고, 또 층층이 위치된 두 개의 구성요소가 나란히 위치된 두 개의 구성요소를 포함하지만, 두 개 이상의 구성요소가 다른 유형에서 사용될 수 있다. 일 예로서, 스트립(300)의 한 유형으로, 구성요소(304)로 구성된 층은 전동 및 부하 지지 기능을 제공하도록 구성되지만, 구성요소(302)로 구성된 층은 안전성 기능을 제공하도록 구성된다. 다른 유형에서, 복수의 스트립(300)은 이러한 기능 또는 이러한 기능의 조합을 제공하기 위해 사용된다.
도 8은 도 7에서 보여지는 것과 유사한 복수의 층 스트립인 스트립(500)을 묘사한다. 하지만, 도 8에서, 구성요소들(502, 504)은 층층이 위치되고 그들의 너비를 가로질러서 가변 두께를 가진다. 또, 구성요소들(502, 504)이 결합되는 경우, 그들은 균일한 두께를 가진다. 이는 구성요소들(506, 508)과 같은 것이다. 나아가, 본 예시에서, 나란히 위치된 구성요소들은 그들의 각각의 너비를 가로지른 두께면에서 서로의 경상(鏡像)이다. 본 예시에서 결합되는 구성요소들(502, 504, 506, 508)이 균일한 두께를 갖는 스트립(500)을 생산하지만, 다른 유형에서, 구성요소들은 그들의 너비를 가로지른 가변 두께를 가질 수 있으며, 그 결과, 홀로 있거나 다른 구성요소들과의 결합에서, 결과물 스트립(500)은 이것의 너비를 가로질러 비-균일한 두께를 가질 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 일부 유형에서, 스트립(500)의 두께는 가장자리에서 더 클 수 있다. 뿐만 아니라, 다른 유형에서, 스트립(500)의 두께는 중간에서 클 수 있다.
도 9는 도 7에서 보인 바와 유사한 복수의 층 스트립인 스트립(600)을 묘사한다. 반면에, 도 9에서, 층은 동일하지 않은 개수의 구성요소들을 가지며, 상부 층(602)은 두 개의 구성요소들(606, 608)을 가지고, 하부 층(604)은 하나의 구성요소(610)을 가진다. 본 예시에서 보인 바와 같이, 층들(602, 604)의 너비는 동일하지만; 다른 유형에서, 층들(602, 604)의 너비는 동일하지 않다. 도 9의 본 예시에서 보인 바와 같이, 스트립(600)은 총 두 개의 층을 포함하지만; 임의의 개수의 층들이 다른 유형에서 사용될 수 있다.
도 10은 스트립(700)을 묘사하며, 이때 복수의 층 스트립은 구성요소(704)를 둘러싸는 덮개 구성요소(702)에 의해 만들어진다. 유사하게, 도 11은 스트립(800)을 묘사하며, 이때 덮개 구성요소(802)는 복수의 구성요소들(804, 806, 808)을 둘러싼다. 도 11에서 보인 바와 같이, 스트립(800)의 하나 이상의 구성요소들(806, 808)은 서로 떨어져 있을 수 있고, 덮개 구성요소(802)는 구성요소들(806, 808) 사이의 공간을 채우는 구성요소들(804, 806, 808)을 둘러싼다. 또 다른 유형에서, 덮개 구성요소(802)는 서로 떨어져 있는 구성요소들(806, 808)을 집합적으로 둘러싸는 슬리브(sleeve)처럼 작용할 수 있어서, 덮개 구성요소(802)는 구성요소들(806, 808) 사이의 공간을 채우지 않는다. 일부 맥락에서, 덮개 구성요소(702, 802)는 봉투(envelope), 슬리브 및 싸개(sheath)로서 생각될 수 있거나, 그들로 호환하여 사용될 수 있다. 일 예로서, 스트립(700)의 한 유형에서, 구성요소(702)로 구성된 외부 부분은 전동 기능을 제공하도록 구성되지만, 구성요소(704)로 구성된 내부 부분은 부하 지지 및 안전성 기능을 제공하도록 구성된다. 다른 유형에서, 복수의 스트립(700)은 이러한 기능들 도는 이러한 기능들의 조합을 제공하기 위해 사용되거나, 스트립(700)은 이러한 기능들을 제공하기 위해 다른 유형의 스트립이 사용된다(예를 들어, 전동을 위한 스트립(700) 및 부하 지지를 위한 스트립(100)).
도 12 및 도 13은 스트립을 묘사하며, 이때 복수의 층 스트립은 종 또는 횡 접힘을 갖는 구성요소들에 의해 일부 만들어진다. 도 12에서, 구성요소(904)는 복수의 층을 만드는 종 방향으로 앞 뒤로 접혀진다. 이러한 접힘 층은 이후에 덮개 구성요소(902)에 의해 둘러싸진다. 도 13에서, 구성요소(1004)는 횡 방향으로 앞 뒤로 접혀져서 복수의 층의 면적을 만든다. 이러한 접힘 층은 이후에 덮개 구성요소(1002)에 의해 둘러싸인다. 도 12 및 도 13에서 보인 유형은 구성요소(904, 1004)가 단단히 접혀서 구성요소들(904, 1004)의 연속적인 층이 맏대는 것으로 보여지지만, 이러한 구조는 필요하지 않다. 일부 다른 유형에서, 구성요소들(904, 1004)는 종 및/또는 횡 방향으로 접힐 수 있어서, 공간이 접힘 사이에 존재한다. 이러한 유형에서, 다른 구성요소 또는 덮개 구성요소는 접힘 사이의 공간을 채울 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 일부 유형에서, 복수의 구성요소는 층을 이룰수 있고, 이후에 종 및/또는 횡 방향으로 접혀서 추가적인 층을 만든다. 도 12 및 도 13에서 보인 스트립들(900, 1000)의 접힘 면적은 전체 스트립들(900, 1000)에 대한 것이거나 스트립들(900, 1000)의 하나 이상의 부분 만에 대한 것일 수 있다.
도 14 및 도 15는 스트립을 묘사하며, 이때 복수의 층 스트립은, 도 14에서 보인바와 같이 종 방향으로 연장하거나, 도 15에서 보인바와 같이 횡 방향으로 연장하는 하나 이상의 포켓을 갖는 것에 의해 만들어진다. 도 14에서 묘사된 유형에서, 포켓들(1102, 1104, 1106, 1108, 1110)은 구성요소들(1112, 1114, 1116, 1118, 1120)을 함유한다. 나아가, 포켓들(1102, 1104, 1106, 1108, 1110) 및 구성요소들(1112, 1114, 1116, 1118, 1120)은 덮개 구성요소(1122)에 의해 둘러싸인다. 도 15의 묘사된 유형에서, 포켓들(1202, 1204, 1206, 1208, 1210)은 구성요소들(1212, 1214, 1216, 1218, 1220)을 함유한다. 나아가, 포켓들(1202, 1204, 1206, 1208, 1210) 및 구성요소들(1212, 1214, 1216, 1218, 1220)은 덮개 구성요소(1222)에 의해 둘러싸인다. 다른 유형에서, 스트립들(1100, 1200)은 구성요소들을 함유하는 복수의 포켓들을 가질 수 있으며, 이때 포켓들은 종 및 횡 방향으로 연장한다. 도 13 및 도 14에서 묘사된 유형에서, 포켓들(1102, 1104, 1106, 1108, 1110, 1202, 1204, 1206, 1208, 1210)은 스트립들(1100, 1200)의 길이 및 너비 전반에 걸쳐 비연속적인 것으로 보여진다. 다른 유형에서, 포켓들은 스트립들의 길이 및 너비 전반에 걸쳐서 연속적인 것으로 보여진다.
B. 표면 및 가장자리
복수의 층인 스트립의 일부 유형에서, 하나 이상의 구성요소들의 표면은 특정 표면 형태(topography)로 구성되어서 소정의 층간(inter-layer) 또는 구성요소간(inter-component) 속성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 유형에서, 하나 이상의 구성요소는 미세-니(mirco-teeth)를 포함한다. 한 구성요소의 이러한 미세-니는 또 다른 구성요소의 표면을 맞물리게 하며, 및/또는 구성요소 표면들 간의 마찰을 증가시킨다. 이런 작용은 구성요소들 사이의 이동을 제어하는데에 유용할 수 있다. 일부 유형에서, 구성요소는 구성요소가 후크&루프(hook and loop)형 디자인을 전체로서 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 유형에서, 한 구성요소의 후크 특징은 또 다른 구성요소의 대응하는 루프 특징과 맞물리도록 구성된다. 또 다른 유형에서, 하나 이상의 구성요소에 대한 소정의 표면 형태는 리지(ridge) 또는 구성요소의 표면상의 높낮이와 같은 더 완만한 표면 특징을 포함할 수 있다. 평평한 표면과 다르게, 미세-니, 후크&루프, 돌출, 또는 그들의 표면상의 다른 유사한 특징을 갖는 구성요소는 -적어도 일부 유형에서- 인접한 구성요소들 사이에서 접하는 표면적의 증가를 제공할 수 있다.
하나 이상의 구성요소들의 표면에 소정의 표면 형태를 주기 위한 하나의 접근법은 주어진 구성요소 내에 고 강성도 재료의 작은 입자를 분사하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 구성요소들의 표면상에 위치되는 이러한 입자의 일부는 전술한 바와 같이 일부 유형에서 미세-니로서 기능한다. 하나 이상의 구성요소들의 표면에 소정의 표면 형태를 주기 위한 또 다른 접근법은, 예를 들어, 소정의 표면 형태 또는 표면 질감을 만들기 위해 섬유를 함께 직조(weaving)함으로써 패턴을 갖는 구성요소를 형성하거나 구성요소를 부각(embossing)하는 것을 포함할 수 있다.
도 13을 다시 살펴보면, 스트립(1000)은 보인 바와 같이 가장자리 구성요소(1006)를 포함한다. 가장자리 구성요소(1006)는 스트립(1000)의 제 1 측 및 제 2 측을 따라 종으로 연장한다. 가장자리 구성요소(1006)는 작동 및/또는 조립 과정 중의 손상으로부터 스트립(100)을 보호하는 것을 포함할 수 있는 다양한 기능을 제공할 수 있다. 일부 유형에서, 가장자리 구성요소(1006)는 스트립(1000)의 제 1 측 및 제 2 측을 밀봉한다. 또 일부 유형에서, 가장자리 구성요소(1006)는 스트립(1000)과 권상기 또는 롤러(roller) 사이에 향상된 전동 특성을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
C. 표면 전동 패턴
도 1을 다시 살펴보면, 제 1 표면(110) 및/또는 제 2 표면(112)은 일부 엘리베이터 디자인에서 권상기와 접촉할 스트립(100)의 표면으로 디자인될 수 있다. 이 표면은 체결 표면으로 가끔 지칭된다. 체결 표면의 질감은 스트립의 전동 기능에서 고려될 수 있다. 견인 효율은 전동 기능을 고려하기 위한 방식이며, 이때 견인 효율의 증가는 스트립의 전동 기능의 개선을 의미한다. 일부 유형에서, 패턴은 체결 표면의 전반적인 거칠기를 증가시키는 체결 표면을 제공하여서, 체결 표면 및 권상기 사이의 마찰은 증가되며, 따라서 견인 효율이 증가한다.
일부 유형에서, 권상기는 시스템의 견인 효율을 더 개선하기 위해 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 체결 표면상에 그리고 권상기 상에 사용된 패턴은 상보적인 패턴일 수 있으며, 이때 패턴은 교합 방식으로 맞물리며; 물론, 상보적 패턴은 모든 유형에서 요구되지 않는다. 권상기가 패턴화된 체결 표면으로 사용하기 위해 디자인된 패턴을 포함하는 일부 실시예에서, 권상기와 맞물리는 경우에 스트립 상의 압축력은 스트립과 권상기 사이의 접촉 표면적을 더 제공하는 패턴의 3차원 특질에 의해 감소될 수 있으며, 이에 의하여 더 큰 표면적 전체에 압축력을 분배할 수 있다.
체결 표면의 질감은 패턴 및 방향에 따라 분류될 수 있으며, 이때 방향은 스트립의 길이 및 너비에 관하여 연장하는 패턴의 방향을 지칭한다. 일 예로서, 체결 표면의 패턴은 평평하거나, 곡선 지거나, 각이 지거나, 곡선 및 각진 것의 혼합일 수 있다. 도 16-17은 다양한 스트립 안에 포함될 수 있는 패턴화된 체결 표면들(116, 118)의 예시를 보여준다. 체결 표면 패턴은 도 16에서와 같이 각질 수 있고, 도 17에서와 같이 곡선일 수 있다. 물론, 각진 및 곡선 패턴의 조합 또는 혼합이 다른 유형에서 사용될 수 있다.
패턴이 연장하는 방향은 종, 횡 또는 이들의 혼합, 예를 들어 사선일 수 있다. 패턴은 가변 각도로 더 연장할 수 있다. 예를 들어, 일부 유형에서, 패턴은 스트립의 전체 길이를 종으로 연장할 수 있다. 다른 유형에서, 패턴은 스트립의 전체 너비를 횡으로 연장할 수 있다. 다른 유형에서, 패턴은 스트립의 길이 또는 너비의 일부에 대해서만 연장할 수 있다. 예를 들어, 패턴은 간격이 있게 패턴화된 영역을 갖는 체결 표면을 생산하도록 불연속적 방식으로 연장할 수 있다. 보여지고 전술된 예시적 패턴은 배타적이지 않다. 사용될 수 있는 다른 패턴 및/또는 방향은 톱니 패턴, 원 패턴(orb pattern), 피라미드 패턴, 사각형 패턴, 사선 마름모 패턴(diagonal rhomboid pattern) 등을 포함한다.
III. 스트립 배열
도 18은 복수의 스트립들(100, 200, 300)에 대한 적층 배열을 묘사한다. 이런 적층된 배열에서, 복수의 스트립들(100, 200, 300)은 층층이 위치되고, 권상기(120) 전체에 작동하도록 구성된다. 다른 드럼식 엘리베이터 예에서, 복수의 적층된 스트립들(100, 200, 300)은 층층이 위치되고, 드럼 둘레로 감기고 풀리도록 구성된다. 도 18에서 묘사된 유형에서, 세 개의 스트립들(100, 200, 300)은 엘리베이터 시스템의 기능, 예를 들어, 부하 지지, 안정성 및 전동을 달성한다. 다른 유형에서, 더 많은 또는 더 적은 스트립은 적층 배열에 사용되어서 엘리베이터 시스템의 기능을 달성할 수 있다.
도 19는 복수의 스트립들(100, 200, 300)에 대한 연속적인 배열을 묘사한다. 이러한 연속적인 배열에서, 복수의 스트립들(100, 200, 300)은 나란히 위치되거나 일부 간격으로 떨어져 배치된다. 일부 유형에서, 일부 간격을 가진 스트립들(100, 200, 300)은 동일한 권상기를 작동시킨다. 일부 다른 유형에서, 간격을 가진 스트립들(100, 200, 300)은 하나 이상의 권상기 또는 롤러를 작동시킨다. 도 19의 묘사된 유형에서 보는 바와 같이, 두 개의 스트립들(100, 200)은 권상기(120)를 작동시키며, 동시에 세 번째 스트립(300)은 개별적인 롤러(122)를 작동시킨다. 본 예시에서, 스트립들(100, 200)은 부하 지지 및 전동 기능을 제공하며, 동시에 스트립(300)은 안정성 기능을 제공한다. 다른 유형에서, 더 많은 또는 더 적은 스트립은 연속적이 배열로 사용되어서 부하 지지, 전동 및 안정성 기능을 제공할 수 있다. 다른 드럼식 엘리베이터 예시에서, 복수의 스트립들(100, 200, 300)은 나란히 위치되거나 일부 간격을 갖고 배치되고, 하나 이상의 드럼 둘레로 감기고 풀리도록 구성된다.
도 18 및 도 19는, 일반적으로, 하나 이상의 스트립들에 대한 예시적으로 적층된 및 연속적인 배열을 보여주며, 다른 유형에서 다른 시스템, 예를 들어 기어 부(gear section)이 존재할 수 있고, 하나 이상의 스트립은 이러한 시스템에서도 잘 작동하도록 구성될 수 있다. 나아가, 복수의 스트립을 갖는 일부 유형에서, 스트립은 시스템을 통하여 추적할 수 있으며, 이에 의하여 일부 시점에서 적층된 배열로 작동되고, 다른 시점에서 연속적 배열로 작동된다.
IV. 재료
앞서 논의한 바와 같이, 스트립은 하나 이상의 구성요소로 구성되고, 하나 이상의 덮개 구성요소 및/또는 하나 이상의 가장자리 구성요소를 또한 포함한다. 구성요소, 덮개 구성요소, 및 가장자리 구성요소는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 재료 선택은 특정 구성요소에 대한 소정의 속성에 의해 이루어지며, 이러한 속성들은 구성요소 및 스트립에 대한 소정의 기능(들) 및/또는 특징(들)에 의해 차례대로 이루어진다. 재료 선택을 하는 경우에 고려할 속성의 비-배타적인 목록은 강성도, 인장 강도, 중량, 내구성, 다른 재료와의 적합성(예,), 내열성, 화학적 저항성, 난연성, 치수 안정성, 표면 마찰, 진동 흡수성 등을 포함한다.
이전에 언급한 바와 같이, 이러한 및 다른 속성과 관련된 기능상의 고려 및 특징은 부하 지지, 안정성, 전동, 결합 및 보호를 포함할 수 있다. 이어지는 문단은 몇몇 카테고리의 재료 및 특정 재료예를 설명한다. 이러한 물질들 중 일부가 하나 이상의 기능상의 고려 및/또는 특징의 맥락에서 논의될 수 있지만, 재료들은 다른 기능상의 고려 및/또는 특징과 관련한 응용을 가질 수 있다. 또한, 재료 논의는 구성요소를 일반적으로 지칭하고, 재료의 논의가 본원에 설명한 하나 이상의 스트립을 제작하는데에 사용될 수 있는 모든 구성요소에 동일하게 적용되는 것으로 의도된다. 그래서, 예를 들어, 전술한 구성요소 중 어느 것이 후술할 재료 선택 중 어느 것으로 구성될 수 있다.
스트립은 섬유, 폴리머, 섬유 및 폴리머의 합성물, 및 첨가제를 포함하는 재료로 구성될 수 있다. 이어지는 부분에서는 이러한 재료를 더 구체적으로 설명할 것이다.
A. 섬유 및 직물
섬유는 스트립에 견고성을 가져다주는데 사용될 수 있는 물질의 한 카테고리이고, 섬유는 부하 지지 및 안전성 기능을 제공할 수 있다. 섬유는, 실의 길이와 유사한, 연속적 필라멘트(filament) 또는 별개의 길게 늘어진 조각일 수 있다. 섬유는 천연(예, 면, 머리카락, 모피, 실크, 양털) 또는 제조된(예, 재생 섬유 및 합성 섬유)일 수 있다. 섬유는 직물로 형성될 수 있으며, 이때 상기 직물은 많은 방식으로 형성되고 하기에서 더 구체적으로 설명될 다양한 패턴을 갖는다. 하기에서 더 구체적으로 설명하는 바와 같이, 섬유는 플라스틱 수지와 혼합되고, 감기거나 주조되어 합성물 재료(예, 섬유 강화 플라스틱)를 형성한다. 또한, 섬유는 미네랄 섬유(예, 섬유 유리, 금속, 탄소) 또는 합성 화합물에 기반한 폴리머 섬유일 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 섬유는 탄소 (예를 들어, AS-4 PAN계 탄소, IM-7 PAN계 탄소, P120 피치계 흑연, 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브 합성물); 아라미드 (예를 들어, Kevlar, Twaron, Nomex, Technora); 흑연; 유리; 세라믹; 텅스텐; 석영; 붕소; 현무암; 지르코니아; 탄화 규소; 산화 알루미늄; 강철; 초-고분자 폴리에틸렌 (예, 다이니마(Dyneema)); 액정 폴리머 (예, 벡트란(Vectran)); 폴리 p-폴리에틸렌-2,6-벤조비스옥사졸(PBO) (예, 자일론(Zylon)); 에폭시로 기함침된 섬유 직물, 티올로 경화된 에폭시, 아민으로 경화된 에폭시, 페놀수지류, 비스말레이미드(bismaleimides), 시아네이트 에스테르(cyanate esters), 폴리에스테르(polyester), 열가소성 폴리에스테르 탄성중합체, 나일론 수지, 비닐 에스테르; 전술한 것들의 조합으로부터의 혼성 섬유 (예를 들어, 탄소/붕소 혼성 섬유); 등으로 만들어질 수 있다.
스트립의 구성요소의 제작에 사용된 섬유는 구성요소 전체에 걸쳐 모두 동일할 수 있거나(동종으로 언급됨), 섬유는 다양한 섬유 유형의 혼합일 수 있다(이종으로 언급됨). 일부 유형에서, 스트립은 금속성 섬유 또는 밴드와 함께 비금속성 섬유 또는 밴드 모두를 갖는 하나 이상의 구성요소를 포함한다. 금속성 및 비금속성 부분을 모두 갖는 이러한 스트립은 혼성 스트립으로 가끔 불린다. 또한, 일부 유형에서, 섬유는, 하기 더 설명되는 바와 같이, 중합 물질로 코팅되어서 그들의 강도 및 내구성 속성을 향상시킬 수 있다.
1. 유리 섬유
유리 섬유의 주 성분은 실리카(SiO2)이고, 유리 섬유는 적은 부분의 산화 바륨(B2O3) 및 실리카에 첨가된 산화 알루미늄(Al2O3)을 함유한다. 다른 성분은 산화 칼슘(CaO) 및 산화 마그네슘(MgO)을 포함한다. 일반적으로, 유리 섬유는 고 인장 강도, 고 화학적 저항성, 및 우수한 절연 속성을 가진다. 유리 섬유는 E-유리, S-유리, 및 C-유리를 포함한다. C-유리는 E-유리보다 높은 부식에 대한 저항성을 가진다. S-유리는 유리 섬유들 중 가장 높은 인장 강도를 가진다. E-유리 및 C-유리 섬유는 물에 대한 부식 저항성 및 고 표면 저항성에 기여하는 산화 나트륨(Na2O) 및 산화 칼륨(K2O)을 낮은 함량으로 가진다.
2. 탄소 섬유
탄소 섬유는 높은 고 인장 강도 대 중량 비 및 높은 인장 대 탄성 비를 보인다. 인장 강도는 30,000 ksi에서 최대 150,000 ksi일 수 있으며, 유리 섬유의 인장 강도를 훨씬 초과한다. 탄소 섬유는 매우 낮은 열적 팽창 계수, 고 피로 강도, 고 열전도율, 저 압박감 대 고장 비, 저 내충격성, 및 고 전기전도성을 가진다. 탄소 섬유는 흑연질 탄소 및 비결정성 탄소의 생성물이고, 고 인장 강도는 흑연질 형태와 관련된다. 탄소 필라멘트의 화학적 구조는 평행한 규칙적인 탄소 그룹(parallel regular hexagonal carbon groupings)으로 구성된다.
탄소 섬유는 하기 그룹으로 그들의 성질에 의해 분류될 수 있다: 초고탄성(ultra high modulus, UHM) - 탄성력의 탄성이 65400 ksi를 초과함; 고탄성(high modulus, HM) - 탄성력의 탄성이 51000-65400 ksi임; 중간정도의 탄성(intermediate modulus, IM) - 탄성력의 탄성이 29000-51000 ksi임; 고 인장, 저 탄성 (HT) - 인장 강도가 436 ksi를 초과하고, 탄성력의 탄성이 14500 ksi 미만임; 초고 인장(super high tensile, SHT) - 인장 강도가 650 ksi를 초과함.
또한, 탄소 섬유는 제조 방법에 따라 분류될 수 있다(예, PAN계(PAN-based) 탄소 섬유 및 피치계(pitch-based) 탄소 섬유). PAN계 탄소 섬유에 있어서, 상기 탄소 섬유는 산화 단계, 탄화 단계(흑연화), 표면 처리, 및 크기조절 단계를 통해 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체를 탄소 섬유로 전환함으로써 생산된다. 피치계 탄소 섬유에 있어서, 상기 탄소 섬유는 콜타르 또는 석유 아스팔트(피치)로부터 필라멘트를 방적하는 단계, 고온에서 섬유를 경화하는 단계, 및 고온 질소 분위기에서 탄화함으로써 생산된다. 표 1은 예시적인 탄소 섬유의 속성을 보여준다. 나아가, 표 2는 표준 탄소의 속성과 고인장강(high tensile steel)의 비교를 보여준다.
예시적인 탄소 섬유의 속성
Mfg.
방법		 명칭 Mfr. 인장
탄성
(msi)		 인장
강도
(ksi)		 압축
강도
(ksi)		 섬유
열전도성
(W/mK)		 섬유
밀도
(g/cc)		 섬유
신장
(%)		 견인
크기
(K)
PAN M40J Toray 54 640 >175 - 1.77 1.2 6/12
M55J Toray 78 585 125 - 1.91 0.8 6


피치


 K13710 Mitsubishi 92 500 55 220 2.12 - 10
K1392U Mitsubishi 110 540 58 210 2.15 0.5 2
K800 Amoco 125 300 - 800 2.15 - 2
K13C2U Mitsubishi 130 550 57 620 2.2 0.4 2
K1100 Amoco 135 460 30 1100 2.2 0.25 2
K13D2U Mitsubishi 140 580 50 790 2.15 - -
탄소 섬유 및 강철의 속성
재료 인장 강도(GPa) 인장 탄성(GPa) 밀도(g/ccm) 특정 강도(GPa)
표준 등급 탄소 섬유 3.5 230.0 1.75 2.00
고 인장 강철 1.3 210.0 7.87 0.17
3. 혼성 섬유
한 예시적인 혼성 섬유는 붕소 섬유를 탄소 프리프레그와 혼합한다. Hy-Bor은 미수비시 레이온사(Mitsubishi Rayon)의 MR-40 탄소 섬유, NCT301 250℉-경화 에폭시 수지, 및 4-밀(mil) 직경의 붕소 섬유를 혼합한 혼성 섬유에 대한 브랜드 명칭이다. 비슷한 탄소 섬유를 단독으로 비교하면, 붕소-탄소 섬유는 증가된 굴곡성 및 압축성을 제공하고, 개선된 개방 구멍(open-hole) 압축 강도를 제공한다. 또한, 감소된 탄소 플라이-카운트(ply-count)는 압축-임계적(compression-critical) 디자인에서 달성될 수 있다. Hy-Bor과 같은 혼성 섬유 디자인에 있어서, 속성은 붕소 섬유 총수 및 탄소 프리프레그 배치를 변화시킴으로써 맞춰질 수 있다. 표 3은 예시적인 탄소 섬유 및 혼성 탄소-붕소 섬유의 속성을 보여준다.
예시적인 탄소 섬유 및 탄소-붕소 섬유의 속성
섬유 유형 인장 강도 (ksi) 압축 강도 (ksi)
AS4/EK78(탄소 섬유) 303 245
Celion 12K/EK78(탄소 섬유) 293 206
M55J/954-3(탄소 섬유) 324 136
IM-7/3501-6(탄소 섬유) 370 210
MR-40/301(탄소 섬유) 295 180
4밀 붕소(100 섬유/인치) + MR-40/301 235 340
4밀 붕소(208 섬유/인치) + MR-40/301 275 400
4. 아라미드 섬유
아라미드 섬유는 융점이 없고, 낮은 가연성, 및 승온에서 좋은 직물 보전성에 의해 특정된다. 약간 다른 분자 구조를 갖는 파라-아라미드 섬유도 뛰어난 강도 대 중량 속성, 높은 강인성(tenacity), 및 높은 탄성을 제공한다. 한 공통의 아라미드 섬유는 Kevlar라는 브랜드로 생산된다. 아라미드 섬유의 다른 브랜드는 Twaron, Technora, 및 Nomax를 포함한다. Kevlar에서 제조된 아라미드 섬유의 세 등급은 Kevlar 29, Kevlar 49 및 Kevlar149이다. Kevlar 29의 인장 탄성 및 인장 강도는 E-유리 또는 S-유리의 것과 대략적으로 비슷하며, 또 이것의 밀도는 유리의 밀도의 거의 절반이다. 따라서, 일부 응용에서, Kevlar는 가벼운 중량이 요구되는 유리에 대하여 교체될 수 있다. 표 4는 Kevlar의 상이한 등급에 따른 재료 속성의 차이를 보여준다. 나아가, 표 5는 예시적인 유리, 탄소 및 아라미드 섬유의 일부 속성에 대한 비교를 보여준다.
Kevlar 등급의 속성
Kevlar 등급 밀도(g/cm3) 인장 탄성(GPa) 인장 강도(GPa) 인장 신장(%)
29 1.44 83 3.6 4.0
49 1.44 131 3.6-4.1 2.8
149 1.47 186 3.4 2.0
예시적인 섬유의 속성
섬유 유형 직경(마이크론) 밀도(g/cc) 인장
강도
(ksi)		 인장
탄성
(Msi)		 순간 신장
(Elongation at break),(%)
E-유리 8-14 2.5 500 10 4.9
S-유리 10 2.5 665 12 5.7
탄소(표준 탄성) 7 1.8 600 33 1.6
아라미드(Kevlar 49) 12 1.45 550 19 30
5. 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)(PBO)
PBO는 아라미드 섬유와 같은 또 다른 합성 폴리머 섬유의 예이다. PBO 섬유는 극도로 높은 초인장 강도(UTS), 고 탄성률, 및 좋은 전기 절연성으로 특정된다. Zylon은 PBO 섬유의 알려진 브랜드이다. PBO는 아미드 결합 대신에 헤테로고리를 함유하여 아라미드 섬유에 비해 더 높은 탄성율을 얻은 방향족 폴리머이다. PBO의 일부 장점은 p-아라미드 섬유에 대한 우수한 크리프 저항(creep resistance); 탄소 섬유에 비해 더 높은 강도 대 중량비; p-아라미드 섬유에 비해 100℃ 더 높은 분해온도; 우수한 고 난연성; p-아라미드 섬유에 비해 낮은 수분율; 및 동일한 부하에서 p-아라미드 섬유에 비해 높은 내마모성을 포함한다. 표 6은 Zylon 섬유의 일부 기계적 속성을 보여준다. 표 7은 매트릭스 재료와 함께 사용되어 섬유-보강 폴리머를 제조할 수 있는 예시적인 섬유 보강물질의 속성의 비교를 보여준다. 나아가, 표 8 및 표 9는 예시적인 섬유의 일부 기계적 속성의 비교를 보여준다.
Zylon 섬유의 속성
섬유 유형 Zylon HM(111 tex)*
밀도[g/cm3] 1.56
초인장강도[GPa] 5.8
탄성율[GPa] 280
순간 신장[%] 2.5
열팽창계수[1/K] -6 x 10-6
유전율 2.1
* 1 tex = 1 g/km
예시적인 섬유 보강 재료들의 속성의 비교
재료 인장 강도(GPa) 인장 탄성율(GPa) 밀도(g/ccm) 특정 강도(GPa)
탄소 3.5 230.0 1.75 2.00
Kevlar 3.6 60.0 1.44 2.50
E-유리 3.4 22.0 2.60 1.31
PBO 5.8 280 1.56 -
예시적인 섬유의 속성
섬유 강인성 탄성율 신장 밀도 수분율 한계산소농도지수
(LOI)		 내열성*
cN/dtex GPa cN/dtex GPa % g/cm3 % C
Zylon® AS 37 5.8 1150 180 3.5 1.54 2.0 68 650
Zylon® HM 37 5.8 1720 270 2.5 1.56 0.6 68 650
p-아라미드(HM) 19 2.8 850 109 2.4 1.45 4.5 29 550
m-아라미드 4.5 0.65 140 17 22 1.38 4.5 29 400
강섬유 3.5 2.8 290 200 1.4 7.8 0 - -
HS-PE 35 3.5 1300 110 3.5 0.97 0 16.5 150
PBI 2.7 0.4 45 5.6 30 1.4 15 41 550
폴리에스테르 8 1.1 125 15 25 1.38 0.4 17 260
* 융점 또는 분해 온도
예시적인 섬유의 속성
섬유 인장 강도 인장 탄성율
(양율(young modulus))		 신장(%) 밀도
(MPa) (103psi) GPa (106psi) (kg/m3) (lb/in3)
E-유리 3500 510 72.5 10.5 4.9 2630 0.095
S-유리 4600 670 88 12.8 5.5 2490 0.09
AS-4 PAN계 탄소 4000 578 245 35.5 1.6 1800 0.065
IM-7 PAN계 탄소 4900 710 317 46 1.7 1744 0.063
P120 피치계 흑연 2250 325 827 120 0.27 2187 0.079
알루미나/실리카 1950 280 297 43 - 3280 0.12
Kevlar 29 2860 410 64 9.3 - 1440 0.052
Kevlar 49 3650 530 124 18 2.5 1440 0.052
붕소 3620 525 400 58 1 2574 0.093
6. 배향 섬유, 섬유 배향, 섬유 길이
섬유 수준에서, 배향은 섬유 자체가 형성되는 방식(가끔 배향 섬유로 언급됨)과 관계가 있다. 스트립 수준에서, 배향은 섬유가 스트립을 형성하기 위해 놓이는 방식(가끔 섬유 배향으로 언급됨)과 관계가 있다. 둘 모두의 수준에서, 배향은 예시적인 스트립의 전체 기계적 속성에 영향을 줄 수 있다. 배향 섬유와 관련하여, 이러한 섬유는 고 인장 강도, 고 인장 탄성율 및 낮은 파손 신장을 일반적으로 보여준다. 일 예로서, 합성 섬유에 있어서, 배향 기술은 섬유의 제조 과정 중에 폴리머 용액이 특정 농도로 압출되는 압출 공정을 사용하여 달성될 수 있다.
예시적인 스트립을 제작하는데에 섬유 요소를 놓는 경우에, 부하에 평행한 방향 또는 종 방향으로 놓이는 섬유는, 섬유가 특정 배향으로 놓이지 않거나 섬유가 부하에 대해 횡 방향 또는 수직 방향으로 놓이는 스트립에 비해 더 높은 인장 강도를 보인다. 횡 방향으로 놓이는 섬유는, 예를 들어, 종으로 배향된 섬유가 분리되지 못하도록 가로 방향에 강도를 더함으로써 스트립의 개선된 내구성을 제공할 수 있다.
섬유 길이도 예시적인 스트립의 디자인에서 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 적절한 곳에 짧은 섬유를 사용하는 것은 긴 섬유에 비해 짧은 섬유가 일반적으로 저렴하기 때문에 더 비용 효율적인 스트립을 만드는데 도움을 줄 수 있다. 일부 유형에서, 짧은 섬유는 스트립의 길이 방향으로 주로 배열되고, 강화 스트립(100)에 사용된다. 물론, 짧은 섬유는 다른 유형에서 횡 방향으로 배열될 수 있다. 나아가, 긴 섬유와 같이, 짧은 섬유는 매트릭스 재료에 고정되어서 합성물을 형성할 수 있다.
7. 직물
앞서 소개한 바와 같이, 섬유는 스트립에 강도를 제공하기 위해 사용될 수 있는 재료의 일 예의 카테고리이다. 일부 유형에서, 섬유는 다양한 기술에 의해 직물로 형성될 수 있고, 이후에 이러한 직물은 직물로서만 또는 폴리머-직물 합성물로서 스트립에 포함될 수 있다. 하기 표 10은 예시적인 직물의 일부 상대적 속성을 보여준다.
예시적인 강화 직물의 상대적 속성
사양 섬유 유리 탄소 아라미드
밀도 P E E
인장 강도 F E G
압축 강도 G E P
강성도 F F G
내피로성(fatigue resistance) G-E G E
내마모성 F F E
샌딩/기계 가공 E E P
전도성 P E P
열저항성 E E F
내습성 G G F
수지 적합성 E E F
가격 E P F
P=나쁨, F=괜찮음, G=좋음, E=우수함
직물은 생산된 직물이 직조되거나(woven), 편물되거나(braided), 직조 되지않거나(non-woven), 꼬아지거나(braided), 망사이거나(netted), 레이스(laced)될 수 있는 많은 기술을 사용하는 것에 의해 만들어지거나 제작될 수 있다. 직조(weaving)는 두 세트의 실이 서로 직각으로 꼬이는 것을 포함한다. 직조는 단단한 직물을 제공할 수 있다. 뜨개질은 섬유를 서로 교합하여 직물을 만드는 것을 포함한다. 뜨개질은 좋은 신축성을 갖는 직물을 제공할 수 있다. 부직포는 직조 또는 뜨개질 없이 섬유로부터 직접적으로 만들어진다. 대신에, 섬유는 기계적 힘 또는 화학적 힘에 의해 서로 유지된다. 꼬아진 직물(braided fabric)은 머리카락을 따는 것과 유사한 방식으로 만들어진다. 섬유 망사는 기하학적 형상을 갖는 개방-매시(open-mesh) 직물을 포함하며, 이때 실은 교차점에서 매듭지어질 수 있다. 레이스된 직물은 복잡한 디자인을 만들기 위해서 실 형태의 섬유가 십자형으로 교차될 수 있는 것을 포함할 수 있다. 실은 인터루프(interlooped), 교차 능직(interlaced), 또는 매듭지어져서 개방-매시 직물을 제공할 수 있다.
직물에 관하여, 스트립과 함께 사용하기 위한 직물을 형성하는 경우에 사용될 수 있는 몇몇의 짜는 스타일이 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 이러한 짜는 스타일은 평직(plain); 능직(twill); 수자직(satin); 바스켓직(basket); 레노직(leno); 모크 레노직(mock leno); 뜨개질; 다중-요소 교차 능직(multi-component interlaced); 3-D 직교; 각 맞물림(angle interlock); 날실 맞물림(warp interlock)등을 포함할 수 있다. 직물의 스타일은 스트립의 물성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 평직물은 다른 직조로 만들어진 비슷한 직물에 관한 굽힘성에 대하여 상대적으로 낮은 굽힘성을 갖는다. 평직은 자르고 다루기가 상대적으로 더 쉬운데, 그 이유는 평직이 쉽게 풀리지 않기 때문이다. 일반적으로, 섬유는 그들이 일직선일 때 가장 큰 강도를 제공한다. 섬유의 위/아래로의 교차 빈도는 섬유의 강도를 감소시킬 수 있고, 이는 직물에서 고려될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에서, 능직 및 수자직은, 평직물에서의 섬유가 더 많은 위/아래로의 교차를 가질 수 있기 때문에, 비슷한 평직물에 비해 상대적으로 높은 굽힘성 및 강도를 제공한다. 예시적인 수자직에서, 씨실(filling yarn)은 또 다른 날실 아래로 바느질을 하기 전에 셋 내지 일곱 개의 다른 날실들 위로 부사를 넣어 짠다. 따라서, 섬유는 이런 느슨히 직조된 수자직 유형에서 더 길게 똑바로 나아가서, 섬유의 이론적 강도를 유지한다. 일부 유형에서, 이러한 더 긴 섬유도 이어져서 더 큰 굽힘성을 제공하고, 이러한 직물은 복잡한 형태로 더 쉽게 되도록 한다. 일부 유형에서, 능직은 강도 및 굽힘성 면에서 수자직 및 평직 유형 사이의 중간물을 제공한다. 하기, 표 11은 스트립 디자인에서 일부 예시적인 기능 및 특징과 관련한 일부 예시적인 직물을 보여주며, 표 12는 다양한 직조 스타일의 상대적 속성의 비교를 보여준다.
예시적인 스트립 기능과 관련한 예시적인 직조 스타일
스트립 기능 평직 능직 수자직 바스켓직 레노직 모크 레노직 뜨개질
부하 지지 x xxxx xxxx xxx x xxx x
보호제 xx xxxx xxxx xxx x xxx x
안전성 x xxxx xxxx xxx x xxx x
전동 xx xxxx xxxx xxx xx xxx xx
더 많은 "x" 표시는 기능에 대한 더 나은 선호도를 표시한다.
예시적인 직조 스타일의 상대적 속성
속성 평직 능직 수자직 바스켓직 레노직 모크 레노직 뜨개질
좋은 안정성 *** *** ** ** ***** *** ***
좋은 드레이프(drape) ** **** ***** *** * ** ***
적은 다공성 *** **** ***** ** * *** *
부드러움 ** *** ***** ** * ** **
균형 **** **** ** **** ** **** ***
대칭 ***** *** * *** * **** ***
적은 주름 ** *** ***** ** ***** ** ***
*****=우수함, ****=좋음, ***=적절함, **=안좋음, *=매우 안좋음
직조 재료와 같이, 꼬아진 직물은 서로 기계적으로 맞물리는 섬유를 포함한다. 사실상, 상당한 정도의 유연성 및 표면 매끄러움을 갖는 임의의 섬유는 경제적으로 꽁질 수 있다. 전형적인 섬유는 아라미드, 탄소, 세라믹, 섬유유리, 뿐만 아니라 다른 다양한 천연 및 합성 섬유를 포함한다. 꼬아진 직물의 섬유는 연속적이고, 이는 꼬여진 직물이 구조 전체에 걸쳐서 부하를 균등하게 분배하는 것을 제공하는 데에 기여한다. 부하의 이런 분배는 꼬여진 구조의 내충격성에도 기여한다. 합성 꼬여진 직물로 구성된 스트립을 갖는 일부 유형에서, 유사한 합성물로 직조된 직물에 비해 상대적으로 강한, 강력한 및/또는 더 유연한 스트립이 생산된다.
B. 폴리머
폴리머는 스트립을 제작하거나 스트립의 구성요소를 제작할 시에 다양한 목적을 담당할 수 있는 재료의 부류로 정의한다. 폴리머는 스트립에 단독으로 사용될 수 있거나, 매트릭스 재료가 섬유에 결합하여 합성 직물 또는 섬유와 폴리머의 네트워크를 형성하도록 사용될 수 있다. 일부 유형에서, 폴리머는 열경화성 유형이지만, 다른 유형에서는 폴리머가 열가소성 유형이다. 표 13은 열가소성 및 열경화성 폴리머의 예를 나열한다. 표 14는 예시적인 열가소성 재료의 속성을 보여준다. 표 15는 예시적인 폴리머 재료의 속성을 보여준다. 표 아래의 문단은 홀로 또는 섬유-폴리머 합성물에서 매트릭스 재료로서 사용될 수 있는 폴리머를 설명한다.
열가소성 및 열경화성 수지 폴리머의 일부 예시
열가소성 열경화성
아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 (ABS) 폴리에테르에테르케톤 (PEEK) 알릴 수지 (알릴)
셀룰로오스 화합물 폴리에테르이미드 (PEI) 에폭시
에틸렌 비닐 알콜(E/VAL) 폴리에테르설폰 (PES) 멜라민 포름알데히드 (MF)
불소 수지(PTFE), (FEP, PFA, CTFE, ECTFE, ERFE) 폴리에틸렌 (PE) 페놀-포름알데히드 플라스틱 (PF), (페놀수지류)
이오노머 폴리에틸렌클로리네이트 (PEC) 폴리에스테르
액정 폴리머(LCP) 폴리이미드 (PI) 폴리이미드 (PI)
폴리아세탈(아세탈) 폴리메틸펜텐 (PMP) 폴리우레탄 (PU)
폴리아크릴레이트(아크릴릭) 폴리페닐렌 옥사이드 (PPO) 실리콘 (SI)
폴리아크릴로니트릴(PAN),
(아크릴로니트릴)		 폴리페닐렌 설파이드 (PPS) 알릴 수지 (알릴)
폴리아미드(PA),(나일론) 폴리프탈아미드 (PTA) 에폭시
폴리아미드-이미드(PAI) 폴리프로필렌 (PP) 멜라민 포름알데히드 (MF)
폴리아릴에테르케톤(PAEK),
(케톤)		 폴리스티렌 (PS)
폴리부타디엔 (PBD) 폴리설폰 (PSU)
폴리부틸렌 (PB) 폴리우레탄 (TPU)
폴리카보네이트 (PC) 폴리비닐클로라이드 (PVC)
폴리케톤 (PK) 폴리비닐리덴 클로라이드 (PVDC)
폴리에스테르 열가소성 탄성중합체 (TPE)
예시적인 열가소성 수지의 속성
폴리머 밀도
(kg/m3)		 인장 강도
(N/mm2)		 신장
(%)		 영율
(GN/m2)		 브리넬
경도수
PVC 1330 48 200 3.4 20
폴리스티렌 1050 48 3 3.4 25
PTFE 2100 13 100 0.3 N/A
폴리프로필렌 900 27 200-700 1.3 10
나일론 1160 60 90 2.4 10
셀룰로오스 니트레이트 1350 48 40 1.4 10
셀룰로오스 아세테이트 1300 40 10-60 1.4 12
아크릴릭
(메타크릴레이트)		 1190 74 6 3.0 34
폴리에틸렌 950 20-30 20-100 0.7 2
예시적인 폴리머 매트릭스 재료의 속성
매트릭스
유형		 밀도
g/cc		 인장 강도
ksi		 인장 탄성율
Msi		 열 팽창 계수 10-6/℉ 유리 전이 온도
Tg, ℉
불포화 폴리에스테르 1.1-1.5 5.8-13 0.46-0.51 33-110 50-110
비닐 에스테르 1.23 12.5 1.5 212-514 220
에폭시 1.27 10 0.62 25 200
비닐 에스테르 : Derkane Momentum 510-A40, Ashland, Inc.
에폭시 : Hercules 3501-6, Hexcel, Inc.
1. 에폭시
에폭시는 반응성 작용기를 갖는 단량체 재료 및 광- 및/또는 열-유도 개시제, 광- 및/또는 열-안정화제, 가속화제, 억제제 등과 같은 중합 첨가제로 구성된 화학적 제제를 경화시킴으로써 제조된다. 단량체 재료는 에폭시, 이소시아네이트, 폴리티올, 엔(enes) 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 에폭시 수지들 그 자체는 분자의 백본(backbone) 상의 측쇄 또는 말단 중 어느 한 곳에서 에폭시기로 종료되는 단량체 또는 단쇄(short chain) 폴리머 (예비-중합체)로 구성된다.
엑폭시 수지는 우수한 전기적, 열적 및 화학적 저항성을 가진다. 에폭시 수지의 일부 다른 주목할 만한 속성은 에폭시와 섬유의 합성 재료가 부서짐 없이 충격력의 많은 수준을 흡수하도록 허용하는 유연성을 포함한다. 또한, 에폭시 수지는 그것의 최대 굽힘 포텐셜(maximum bending potential(MBP))에 도달하는 경우 스파이더-균열(spider-crack)이 일어나지 않지만, 그 대신에 스트레스 지점에서만 단일 균열이 형성될 것이다. 또한, 에폭시는 부식성 액체 및 환경에 대한 내성, 승온에서 좋은 성능, 기질에 대한 좋은 접착력을 제공한다. 에폭시 수지는 탄소 섬유의 외형이 매트릭스를 통과하여 보여지는 것을 허용하는 투명한 마감(finish)을 가질 수 있다. 에폭시 수지는 수축하지 않고, UV 저항성이며, 그리고 다른 재료와 함께 제형화될 수 있거나 다른 에폭시 수지와 블랜딩(blended) 될 수 있다. 에폭시의 경화 속도는 공정 조건을 맞추기 위해서 경화제 및/또는 촉매 시스템의 올바른 선택을 통해 조절될 수 있다. 상이한 경화제, 뿐만 아니라 경화제의 양은 상이한 경화 프로파일을 제공하며, 이는 완료된 합성물에 상이한 속성을 부여한다.
에폭시로부터 강한 재료를 만들기 위해서, 다중기능 친핵성 구성요소 또는 경화제는 다중기능 에폭시 수지와 혼합된다. 경화제는 폴리아민, 폴리티올, 폴리올 단량체 등을 포함할 수 있다. 아민 -NH2, 메르캅토 -SH, 알콜 -OH 기는 에폭시 기와 반응하여 공유결합을 형성해서, 그 결과로 얻은 폴리머는 강하게 가교결합되고, 따라서 상기 폴리머는 강성(rigid)이고 단단하다. 많은 작용기들은(-SH,
Figure 112012095700660-pct00001
,
Figure 112012095700660-pct00002
)는 가교-결합 밀도에 영향을 주고, 그 결과 최종 재료는 강성해진다. 또한, 경화된 에폭시의 화학적 구조 내에 유기 모이어티(moieties)를 포함하는 것은 더 강성한 재료로 이어진다. 제한되지 않는 일 예로서, Novolac 에폭시 수지(DEN 438) 및 폴리티올로 경화되는 경우에 방향족 모이어티를 보유하는 수지는 강인한 재료를 제공한다.
다양한 에폭시 화합물은 스트립의 제작에 사용될 수 있다. 에폭시는 단일-, 이중-, 다중 기능성일 수 있다. 예시적인 에폭시는 비스페놀 A 의 디글리시딜에테르(DGEBA); l,l,l-트리스(p-히드록시페닐)에탄 트리글리시딜 에테르 (THPE); Novolac 에폭시 수지 (DEN 438); 시클로-지방족 에폭시; 트리글리시딜이소시아누레이트; 트리메틸올프로판; 트리글리시딜 에테르; 에탄-1,2-디티올; 비스(4-메르캅토메틸페닐) 에테르; 4-아미노페놀의 N,N,O-트리글리시딜 유도체; 살리실산의 글리시딜 에테르/글리시딜 에테르; N-글리시딜--N'-(2-글리시딜옥시프로필)-5,5-디메틸히단토인 또는 2-글리시딜옥시-1,3-비스(5,5-디메틸-1-글리시딜히안토인-3-일)프로판; 비닐 시클로헥센 디옥사이드; 비닐 시클로헥센 모녹사이드; 3,4-에폭시시클로헥실메틸 아크릴레이트; 3,4-에폭시-6-메틸 시클로헥실메틸 9,10-에폭시스테아레이트; l,2-비스(2,3-에폭시-2-메틸프로폭시)에탄; UVA 1500 (3,4-에폭시시클로헥실메틸-3',4'-에폭시시클로헥산카복실레이트); Heloxy 48 (트리메틸올 프로판 트리글리시딜 에테르); Heloxy 107 (시클로헥산디메탄올의 디글리시딜 에테르); Uvacure 1501 및 1502; Uvacure 1530-1534는 폴리올과 블렌딩된 시클로방향족성 에폭시드임; Uvacure 1561 및 Uvacure 1562 그 안에 (메트)아크릴릭 불포화를 갖는 시클로방향족성 에폭시드; UVR-6100, -6105 및 -6110 (모두 3,4-에폭시 시클로헥실메틸-3',4'-에폭시시클로헥산카복실레이트); UVR-6128 (비스(3,4-에폭시시클로헥실)아디페이트); UVR-6200; UVR-6216(1,2-에폭시헥사데케인, 아랄다이트(araldite); CY 179 (3,4-에폭시시클로헥실메틸-3',4'-에폭시시클로헥산카복실레이트); PY 284 (디기시딜 헥사히드로프탈레이트 폴리머(digycidyl hexahydrophthalate polymer)); Celoxide 2021 (3,4-에폭시시클로헥실 메틸-3',4'-에폭시시클로헥실 카복실레이트); Celoxide 2021 P (3',4'-에폭시시클로헥산메틸 3'-4'-에폭시시클로헥실-카복실레이트); Celoxide 2081 (3'-4'-에폭시시클로헥산메틸 3',4'-에폭시시클로헥실-카복실레이트 변형 카프롤락톤); Celoxide 2083; Celoxide 2085; Celoxide 2000; Celoxide 3000; Cyclomer A200 (3,4-에폭시-시클로헥실메틸-아크릴레이트); Cyclomer M-100 (3,4-에폭시-시클로헥실메틸메타크릴레이트); Epolead GT-300; Epolead GT-302; Epolead GT-400; Epolead 401; Epolead 403 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
하기는 예시적인 에폭시 및 티올 분자의 화학 구조이다.
Figure 112012095700660-pct00003
Figure 112012095700660-pct00004
Figure 112012095700660-pct00005
Figure 112012095700660-pct00006
Figure 112012095700660-pct00007
Figure 112012095700660-pct00008

표 16은 예시적인 폴리티올 및 그들의 속성을 보여준다. 표 이후에는 나열된 폴리티올에 대한 화학 구조이다.
예시적인 폴리티올의 속성
PETMP TMPMP GDMP PETMA TMPMA GDMA
생성물
명칭		 펜타에리트리톨 테트라-(3-메르캅토-프로피오네이트 트리메틸올-프로판 트리-(3-메르캅토-프로피오네이트) 글리콜 디-(3-메르캅토-프로피오네이트) 펜타에리트리톨 테트라머-캅토아세테이트 트리메틸올-프로판 트리-메르캅토-아세테이트 글리콜 디메르캅토-아세테이트
SH-기능성 4 3 2 4 3 2
분자량
[g/몰]		 488.2 398.6 238.3 432.5 356.5 210.2
SH-함량
[중량%]		 ~26 ~24 ~26.8 ~29 ~26.5 ~30.5
실온에서의 점성
[Pas]		 0.45 0.124 미정 실온에서 결정상태 0.145 미정
굴절률 ~1.532 ~1.52 ~1.51 ~1.547 ~1.531 ~1.519
Figure 112012095700660-pct00009

앞서 언급한 바와 같이, 폴리티올을 사용하여 경화된 에폭시에서 강성도를 개선하기 위해서, 폴리티올의 화학 구조는 방향족 모이어티를 포함하도록 개조될 것이다. 하기는 방향족 모이어티를 포함하는 폴리티올을 합성하기 위한 일 예시적인 반응식이다.
Figure 112012095700660-pct00010
스트립의 일부 유형에서 사용되는 티올-경화된 에폭시에 더하여, 동일 및/또는 다른 유형에서, 혼성 에폭시, 티올-에폭시/티올-엔이 사용될 수 있다. 앞서 소개한 바와 같이, 표현 "티올"은 메르캅토기(들), -SH,를 갖는 화합물을 표시하기 위해 사용된다. 표현 "엔(ene)"은 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 디엔, 알릴기와 같은 불포화 기(들)(
Figure 112012095700660-pct00011
)을 갖는 화합물을 표시하기 위해 사용된다. 하기는 예시적인 혼성 티올-에폭시/티올-엔 시스템으로서, 이러한 시스템에서 사용되는 단량체를 보여주며, 이러한 단량체는 비스페놀, 디글리시딜 에테르(diglycidyl ether)(BADGE, 에폭시), 펜타에리트리톨 테트라(3-메르캅토프로피오네이트)(PETMP, 티올), 및 트리알릴-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리온(TATATO, 엔)이다.
Figure 112012095700660-pct00012
티올-경화된 에폭시 및 혼성 티올-에폭시/티올-엔 시스템의 속성 중 일부는 열적 및 UV 경화성; 제제의 점도 조절의 용이성; 분자 구조뿐만 아니라 가교 결합 밀도를 조절하는 것에 의한 최종 생성물의 강성도의 조절; 높은 내마모성, 화학적 저항성, 내습성 및 내화성 등을 포함한다.
2. 폴리우레탄
스트립에 사용하기 적합한 기계적 속성을 갖는 또 다른 폴리머는 폴리우레탄이다. 폴리우레탄 수지는 두 개의 구성요소를 가진다: 폴리올 및 이소시아네이트. 이러한 구성요소의 혼합비를 변화시킴으로써, 폴리우레탄은 유연하고, 준-강성 및 성으로 만들어질 수 있다. 의도된 용도에 따라서, 폴리우레탄은 내마모성, 충격 및 충돌에 대한 저항, 온도에 대한 저항, 절단 및 찢김에 대한 저항, 오일 및 용매에 대한 저항, 및 노화에 대한 저항을 제공할 수 있다.
일부 유형에서, 스트립에서 사용하기 위한 재료는 황-함유 폴리머 매트릭스의 혼성 네트워크인 티오카바메이트를 제조하기 위해 우레탄 및/또는 폴리우레탄 화합물을 변형하는 것을 포함한다. 예를 들어, 조성비의 체계적 변화를 갖는 티올-이소시아네이트-엔 3원 네트워크는, 순차적이고 동시적인 티올-엔 및 티올-이소시아네이트 클릭 반응(click reaction)에 의해 제조될 수 있다. 티올-이소시아네이트 커플링 반응은 티올-엔 광중합을 갖는 순서를 조절하기 위해 열적으로 또는 광분해로 시작될 수 있다. 트리에틸 아민(TEA) 및 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA)는 순차적 열적 유도 티올-이소시아네이트 커플링 반응 및 광화학적으로 개시된 티올-엔 반응 각각에 대해 사용될 수 있다. UV 광에 의해 트리부틸아민의 인사이투(in situ) 생성이 가능한 열적으로 안정한 광잠재성(photolatent) 염기 촉매(트리부틸아민·테트라페닐보레이트 염, TBA·HBPh4)는 동시적 티올-이소시아네이트/티올-엔 경화 시스템에 대하여 이오프로필티옥산톤(ITX)과 함께 사용될 수 있다. 실시간 IR을 사용하여 조사된 혼성 네트워크의 동역학은 티올-이소시아네이트 및 티올-엔 반응 모두가 정량적으로 빠르고 효율적일 수 있다고 나타낸다(각각, 몇분 및 몇초 만에 변환률은 90%를 초과함). 티오우레탄/티올-엔 혼성 네트워크의 유리 전이 온도(Tg)는 더 큰 규모의 수소 결합에 의한 티오우레탄 함량의 기능으로서 점진적으로 증가하며(DSC에 의해 -5 내지 35℃), 또한 향상된 기계적 속성을 가져온다. 좁은 반치전폭(full width at half maximum)(10℃)을 보이는 고도로 균일하고 밀한 네트워크 구조는, 순차적 및 동시적인 티올 클릭 반응 모두에 대하여 얻어질수 있으며, 그 결과 경화 공정의 순서의 독립적인 동일한 열적 속성을 가져온다.
하기 그래프는 티올-이소시아네이트-엔 3원 시스템을 만들기 위한 예시적인 반응식을 보여준다.
Figure 112012095700660-pct00013
스트립이 폴리머 재료를 포함하는 다른 유형에서, 폴리머는 티올-에폭시-엔 3원 네트워크 또는 에폭시-이소시아네이트-티올 시스템으로 구성된다. 우레탄 및 에폭시 속성 모두의 장점을 보유하기 위해, 티올-이소시아네이트-엔-에폭시 4원 시스템은 스트립의 일부 유형에서 사용될 수 있다. 이러한 매트릭스 재료는 개선된 유연성을 보이는 기계적 속성을 제공할 수 있다.
또 다른 유형에서, 스트립은, 에폭시 수지에 대한 경화제로서 적용될 수 있는, 메르캅탄-종결된 폴리티오우레탄을 갖는 폴리머를 포함한다. 제제는 비스페놀 A 에폭시 수지의 디글리시딜 에테르 및 1차 또는 3차 아민과 함께 가속화된 폴리티오우레탄 경화제로 구성될 수 있다. 물리화학-기계적 및 화학적 저항 성능은 폴리티오우레탄 하드너(hardner)의 양을 조절하는 것을 통해 제어될 수 있다. 게다가, 폴리티오우레탄 하드너는 저온 조건(-10℃)에서 에폭시 수지의 경화에 대하여 높은 반응성을 가질 수 있다. 따라서, 폴리티오우레탄-경화 에폭시 수지는 고성능이 물리화학-기계적 속성뿐만 아니라 화학적 저항의 면에서 필요 되는 곳에서 효과적인 재료이다.
다른 예에서, 티오우레탄 이성분계가 사용될 수 있다. 하기 보여지는 것은 티오우레탄을 생산하기 위한, 비보호된 이소시아네이트-함유 단량체, 예를 들어 2-(아크릴오일옥시)에틸이소시아네이트(AOI)의 예시적으로 제어된 가역 첨가-분절 연쇄 이동(reversible addition-fragmentation chain transfer)(RAFT) 단독 중합이다.
Figure 112012095700660-pct00014
유사하게, 하기는 상기로 부터 티오우레탄 이성분계를 생산하기 위한 반응식을 기술하는 또 다른 방식이며, 구체적으로 폴리(2-(아크릴오일옥시)에틸이소시아네이트)(PAOI)를 메르캅토에탄올 및 에탄올아민으로 측쇄 기능화하는 것이다.
Figure 112012095700660-pct00015

3. 불포화된 재료(엔)
전술한 바와 같이, 에폭시 및 폴리우레탄의 맥락에서, 불포화된 재료는 연장된 가교 결합을 생산하는 경화 반응을 통해 강한 매트릭스 재료를 생산하는 점에서 유익할 수 있다. 이러한 불포화된 재료는 컨쥬게이션된 다이엔, 알릴 화합물, 아크릴레이트 및 메타크릴레이트를 포함한다.
제한되지 않는 일 예로서, 예시적인 컨쥬게이션된 다이엔은: 이소프렌; 1,4-부타디엔; 1,2-부타디엔; 2-메틸-1,3-부타디엔; 2-에틸-1,3-부타디엔; 2-부틸-1,3-부타디엔; 2-펜틸-1,3-부타디엔; 2-헥실-1,3-부타디엔; 2-헵틸-1,3-부타디엔; 2-옥틸-1,3-부타디엔; 2-노닐-1,3-부타디엔; 2-데실-1,3-부타디엔; 2-도데실-1,3-부타디엔; 2-테트라데실-1,3-부타디엔; 2-헥사데실-1,3-부타디엔; 2-이소아밀-1,3-부타디엔; 2-페닐-1,3-부타디엔; 2-메틸-1,3-펜타디엔; 2-메틸-1,3-헥사디엔; 2-메틸-1,3-헵타디엔; 2-메틸-1,3-옥타디엔; 및 2-메틸-6-메틸렌-2,7-옥타디엔을 포함한다. 제한되지 않는 일 예로서, 예시적인 알릴 단량체는: 트리알릴-l,3,5-트리아진-2,4,6-트리온(TATAO), 알릴 알콜, 알릴 클로라이드, 알릴 브로마이드, 알릴, 이소티오시아네이트, 알릴 이소시아네이트, 알릴 아민, 디알릴에테르 비스페놀 A(DAEBPA), 오쏘-디알릴 비스페놀 A(O-DABPA), 히드록시폴리에톡시 (10) 알릴 에테르(AAE-10), 알릴 페닐 에테르(APE), 2-알릴페놀(2-AP), 디알릴 클로렌데이트(BX-DAC), 1-알릴옥시-2,3-프로판 디올(APD), 디알릴 말리에이트 (DIAM), 트리알릴 트리멜리테이트(BX-TATM) 등을 포함한다.
제한되지 않는 일 예로서, 예시적인 아크릴레이트는: 알릴 메타크릴레이트, 테트라히드로퍼퓨릴 메타크릴레이트, 이소데실 메타크릴레이트, 2-(2-에톡시에톡시)에틸아크릴레이트, 스테아릴 아크릴레이트, 테트라히드로퍼퓨릴 아크릴레이트, 라우릴 메타크릴레이트, 스테아릴 아크릴레이트, 라우릴 아크릴레이트, 2-페녹시에틸 아크릴레이트, 2-페녹시에틸 메타크릴레이트, 글리시딜 메타크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트, 이소보닐 메타크릴레이트, 이소옥틸 아크릴레이트, 트리데실 아크릴레이트, 트리데실 메타크릴레이트, 카프로락톤 아크릴레이트, 에톡시화 노닐 페놀 아크릴레이트, 이소보닐 아크릴레이트, 폴리프로필렌 글리콜 모노메타크릴레이트, 또는 그의 조합을 포함한다.
또 제한되지 않는 일 예로서, 예시적인 아크릴레이트의 다른 유형에서, 최초 단량체는 옥틸 아크릴레이트 및 데실 아크릴레이트의 혼합물인 ODA-N®, 에톡시화된 페놀 아크릴레이트 단량체인 EBECRYL 110®, 에폭시 모노아클리레이트인 EBECRYL 111®, 또는 우레탄 모노아크릴레이트인 EBECRYL CL 1039®를 포함한다. 예시적인 아크릴레이트의 또 다른 유형에서, 최초 단량체는 옥틸 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트, 트리데실 아크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트, 이소보로닐 아크릴레이트 또는 그들의 조합이다.
고 밀도 가교 결합을 위해 다중-기능성 아크릴레이트 단량체를 사용하는 다른 유형에서, 제한되지 않는 일 예로서, 이러한 아크릴레이트 단량체는: 트리메틸올프로마 트리아크릴레이트; 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트; 트리메틸올프로판 에톡시 트리아크릴레이트; 또는 프로폭실화된 글리세릴 트리아크릴레이트를 포함할 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 예시적인 다중-기능성 아크릴레이트의 일부 유형에서, 트리아크릴레이트는 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 또는 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트이다. 방향족 트리(메트)아크릴레이트는(Aromatic tri(meth)acrylates) 트리히드릭 페놀의 트리글리시딜 에테르, 및 세 개의 히드록실기를 함유하는 페놀 또는 크레졸 노볼락을 (메트)아크릴산과 반응시킴으로써 얻어질 수 있다.
아크릴레이트-함유 화합물은 적어도 하나의 말단 및/또는 적어도 하나의 펜던트(pendant), 즉 내부, 불포화기 및 적어도 하나의 말단 및/또는 적어도 하나의 펜던트 히드록실기를 갖는 화합물을 포함하며, 상기 화합물은 예를 들어, 히드록시 모노(메트)아크릴레이트, 히드록시 폴리(메트)아크릴레이트, 히드록시 모노비닐에테르, 히드록시 폴리비닐에테르, 디펜티에리트리톨 펜타아크릴레이트 (SR® 399), 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트 (SR® 444), 비스페놀 A 디글리시딜 에테르 디아크릴레이트 (Ebecryl 3700), 폴리(메트)아크릴레이트: SR® 295 (펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트); SR® 350 (트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트), SR® 351 (트리메틸올프로판 트리아크릴레이트), SR® 367 (테트라메틸올메탄 테트라메타크릴레이트), SR® 368 (트리스(2-아크릴옥시 에틸) 이소시아누레이트 트리아크릴레이트), SR® 399 (디펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트), SR® 444 (펜타에리트리톨 트리아크릴레이트), SR® 454 (에톡실화 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트), SR® 9041 (디펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트 에스테르), CN® 120 (비스페놀 A-에피클로히드린 디아크릴레이트)등이다.
C. 합성물
앞서 설명한 바와 같이, 스트립의 일부 유형에서, 구성요소들은 섬유 및 폴리머 매트릭스로 만들어진 합성물 재료로 구성된다. 매트릭스 재료는 섬유들을 함께 유지시키는 접착제로 작용하여 강화 섬유들 사이의 스트레스를 전달하도록 기능할 수 있고, 기계적 및 환경 손상으로부터 섬유를 보호한다. 또한, 매트릭스 재료는 어느 정도의 강도 및 강성도를 제공할 수 있지만; 일반적으로 섬유는 대부분의 부하 지지 기능을 제공하여서 스트립의 강도 특징에 크게 기여한다.
하기, 표 17은 예시적인 강성 및 유연한 조성물에 대한 탄성계수비의 비교를 보여준다. 나아가, 표 18은 섬유-강화 합성물 및 금속의 기계적 속성들 사이의 비교를 보여준다.
예시적인 합성물에 대한 탄성계수비
필라멘트의 합성물
시스템		 강화된 영율(modulus), Ec
(Gpa)		 매트릭스 영율, Er
(Gpa)		 종 플라이 영율(ply modulus), E1
(Gpa)		 횡 플라이 영율, E2
(Gpa)		 탄성계수비
Ec/Er 		비등방성(anisotropy)
E1/E2
유리-에폭시 75.0 3.4000 50.0 18.000 22.0 2.8
흑연-에폭시 250.0 3.4000 200.0 5.200 74.0 38.0
나일론-고무 3.5 0.0055 1.1 0.014 640.0 79.0
레이온-고무 5.1 0.0055 1.7 0.014 930.0 120.0
강철-고무 83.0 0.0140 18.0 0.021 5,900.0 860.0
예시적인 합성물 및 금속의 속성
밀도
g/cm3		 영율 Gpa
(Msi)		 인장 강도 Mpa
(ksi)		 항복 강도
Mpa
(ksi)		 중량에 대한 영 계수비
10-6m		 중량에 대한 인장 강도의 비율
103m
고-영율 탄소 섬유-에폭시 매트릭스(단방향) 1.63 215 1240 - 13.44 77.5
고-강도 탄소 섬유-에폭시 매트릭스(단방향) 1.55 137.8 1550 - 9.06 101.9
Kevlar 49 섬유-에폭시 매트릭스(단방향) 1.38 75.8 1378 - 5.6 101.8
E-유리 섬유-에폭시 매트릭스(단방향) 1.85 39.3 965 - 2.16 53.2
탄소 섬유-에폭시 매트릭스(유사 등방성) 1.55 45.5 579 - 2.99 38
SAE 1010 강철(상온(常溫) 가공됨) 7.87 207 365 303 2.68 4.72
AISI 4340 강철(담금질 및 단련됨) 7.87 207 1722 1515 2.68 22.3
6061-T6 알루미늄 합금 2.7 68.9 310 275 2.6 11.7
7178-T6 알루미늄 합금 2.7 68.9 606 537 2.6 22.9
INCO 718 니켈 합금(오래됨) 8.2 207 1399 1247 2.57 17.4
17-7PH 스텐레스 합금
(오래됨)		 7.87 196 1619 1515 2.54 21
Ti-6A1-4V 티타늄 합금
(오래됨)		 4.43 110 1171 1068 2.53 26.9
스트립의 일부 유형에서, 50% 강화된 에폭시 매트릭스를 갖는 합성물 탄소 섬유는 스트립 구성요소로 사용된다. 일부 다른 유형에서, 70% 강화된 에폭시 매트릭스를 갖는 합성물 탄소 섬유는 스트립의 구성요소로 사용된다. 스트립의 또 다른 유형에서, 50% 강화된 에폭시 매트릭스를 갖는 합성물 Kevlar 섬유는 구성요소로 사용된다.표 19, 20, 및 21은 이러한 예시적인 합성물에 대한 속성을 보여준다.
예시적인 에폭시-탄소 섬유(50%) 합성물의 속성
탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)
조성물: 에폭시 매트릭스 내에 50% 탄소 섬유
속성 값 (미터 단위) 값 (US 단위)
인장 강도(LW) 1448 MPa 210000 psi
인장 강도(CW) 52 MPa 7500 psi
압축 강도(LW) 600 MPa 87000 psi
압축 강도(CW) 206 MPa 30000 psi
쉬어(shear) 강도 93 MPa 13500 psi
LW-종 방향, CW- 횡 방향
예시적인 에폭시-탄소 섬유(70%) 합성물의 속성
탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)
조성물: 에폭시 매트릭스 내에 70% 탄소 섬유
속성 값 (미터 단위) 값 (US 단위)
밀도 1.6 x 103 kg/m3 101 lb/ft3
인장 탄성율(LW) 181 GPa 26300 ksi
인장 탄성율(CW) 10.3 GPa 1500 ksi
인장 강도(LW) 1500 MPa 215000 psi
인장 강도(CW) 40 MPa 5800 psi
열 팽창
(20℃, LW)		 0.02 x 10-6 ℃-1 0.01 x 10-6 in/(in x ℉)
열 팽창
(20℃, CW)		 22.5 x 10-6 ℃-1 12.5 x 10-6 in/(in x ℉)
LW-종 방향, CW- 횡 방향
예시적인 에폭시-아라미드 섬유(50% Kevlar) 합성물의 속성
Kevlar(아라미드) 섬유 강화 폴리머
조성물: 에폭시 재료 내에 50% Kevlar(아라미드) 단일 방향 섬유
속성 값 (미터 단위) 값 (IS 단위)
밀도 1.4 x 103 kg/m3 87 lb/ft3
인장 탄성율(LW) 76 GPa 11000 ksi
인장 탄성율(CW) 5.5 GPa 800 ksi
쉬어 탄성율 2.3 GPa 330 ksi
인장 강도(LW) 1400 MPa 203000 psi
인장 강도(CW) 12 MPa 1700 psi
압축 강도(LW) 235 MPa 34000 psi
압축 강도(CW) 53 MPa 7700 psi
쉬어 강도(LW) 34 MPa 4900 psi
열 팽창
(20℃, LW)		 -4 x 10-6 ℃-1 -2.2 x 10-6 in/(in x ℉)
열 팽창
(20℃, CW)		 80 x 10-6 ℃-1 44 x 10-6 in/(in x ℉)
LW-종 방향, CW- 횡 방향
제한되지 않는 일 예로서, 다른 예시적인 합성물 재료 및 그들의 속성은 하기 표 22 및 표 23에서 보여진다.
열경화성 수지로 채워진 예시적인 섬유의 속성
폴리머 밀도
(kg/m3)		 인장 강도
(N/mm2)		 신장
(%)		 영율
(GN/m2)		 브리넬경도지수
에폭시 수지, 유리 채워짐 1600-2000 68-2000 4 20 38
멜라민 포름알데히드, 직물 채워짐 1800-2000 60-90 N/A 7 38
유레아 포름알데히드, 셀룰로오스 채워짐 1500 38-90 1 7-10 51
페놀 포름알데히드, 운모 채워짐 1600-1900 38-50 0.5 17-35 36
아세탈, 유리 채워짐 1600 58-75 2-7 7 27
예시적인 에폭시 및 강화 직물 합성물
사양 섬유유리 직물
w/ 에폭시		 탄소 직물
w/ 에폭시		 Kevlar® 직물
w/ 에폭시
직물 사양 9 oz., E-유리 5.6 oz., 3K 탄소 5 oz. Kevlar®
라미네이트 제작물 10 합판 유리 10 합판 탄소 10 합판 Kevlar®
라미네이트/수지 함량 50% 수지/50% 유리 56% 탄소/44% 수지 51% Kevlar®/49% 수지
파괴시의 신장 % 1.98% 0.91% 1.31%
인장 강도, PSI 45,870 PSI 75,640 PSI 45,400 PSI
인장 탄성율, PSI 2,520,000 PSI 8,170,000 PSI 3,770,000 PSI
굽힘 강도, PSI 66,667 PSI 96,541 PSI 34,524 PSI
굽힘 탄성율, PSI 3,050,000 PSI 6,480,000 PSI 2,500,000 PSI
D. 첨가제
공정을 제공하거나 재료 이점을 제공하기 위해서, 다양한 첨가제가 합성물을 형성하는데에 사용될 수 있다. 일부 예시적인 첨가제는 하기 문단에서 논의된다.
1. 활성제 및 중합 개시제
폴리티올과 혼합된 일부 예시적인 에폭시 수지의 경화 공정을 촉진하기 위해, 예를 들어, 활성제가 사용될 수 있다. 활성제는 3차 아민, 잠재하는 염기 또는 라디칼 개시제일 수 있다. 나아가, 온도의 증가도 경화 반응을 가속화한다.
중합 개시제는 폴리머 매트릭스 조성물 내에 포함될 수 있다. 중합 개시제를 포함하는 이러한 유형에서, 열 또는 UV 광에 노출되면, 개시제는 반응성 종으로 전환되며, 이는 경화된 코팅의 반응성을 증가시킨다. 그 결과, 이러한 경화된 조성물로 코팅된 섬유는 양이온성 개시제를 함유하지 않는 조성물로 코팅된 섬유에 비해 피로성 고장에 덜 민감할 것이다. 제한되지 않는 일 예로서, 중합에 사용되는 자유-라디칼 개시제는: 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논; 1-히드록시시클로헥실 페닐 케톤; 2-메틸-1-{4(메틸티오)페닐}-2-모르폴리노프로판온-1,2-벤질-2-N,N-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-1-부탄온; 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로만-1-온 등을 포함한다.
2. 접착 프로모터
접착 프로모터는 상이한 재료들 사이에서, 예를 들어 섬유와 코팅 사이에서 뿐만 아니라 섬유와 합성물 재료 사이에서 접착성의 증가를 제공하는데에 사용될 수 있다. 접착 프로모터는 일반적으로 유기기능성 실란을 포함한다. 용어 "유기기능성 실란"은, 폴리머 매트릭스와 기질 또는 섬유 사이에 증가되거나 향상된 접착성을 궁극적으로 가져오는, 기질 표면 및 실란 사이에서 화학적 또는 물리적 결합을 가능하게 하는 작용기를 갖는 실릴 화합물로 정의된다. 제한되지 않는 일 예로서, 접착 프로모터는 옥틸트리에톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 트리스-(3-트리메톡시실릴) 프로필 이소시아누레이트, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐-트리스-(2-메톡시에톡시)실란, 비닐메틸디메톡시실란, 감마-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 베타-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 감마-글리시드옥시프로필트리메톡시실란, 감마-메르캅토프로필트리메톡시실란, 비스-(3-트리에톡시실릴) 프로필-테트라설판, 감마-아미노프로필트리에톡시실란, 아미노 알키 실리콘, 감마-아미노프로필트리메톡시실란, N-베타-(아미노에틸)-감마-아미노프로필트리메톡시실란, 비스-(감마-트리메톡실릴프로필)아민, N-페닐감마-아미노프로필트리메톡시실란, 유기변형된 폴리-디메틸실록세인, N-베타-(아미노에틸)-감마-아미노프로필메틸디메톡시실란, 감마-우레이도프로필트리알콕시실란, 감마-우레이도프로필트리메톡시실란, 감마-이소시아나토프로필트리에톡시실란 및 그의 조합을 포함한다.
3. 열 산화성 안정화제
열 산화성 안정제는 폴리머 매트릭스 코팅 조성물의 산화 및 열 분해를 억제한다. 제한되지 않는 일 예로서, 열 산화성 안정화제는: 옥타데실 3,5-디-tert-부틸-4-히드록시히드로시나메이트 (IRGANOX1076®); 3,5-비스-(1,1-디메틸에틸)-4-히드록시벤젠프로판산; 2,2-비스{{3-{3,5-비스-(1,1-디메틸에틸)-4-히드록시페닐}-1-옥소프로폭시}메틸}-1,3-프로파네디일 에스테르; 티오디에틸렌 비스-(3,5-tert-부틸-4-히드록시)히드로시나메이트; 또는 그들의 조합을 포함한다.
4. 필러(fillers)
합성물 재료를 형성함에 있어서, 필러 재료는 폴리머와 함께 사용될 수도 있다. 일부 유형에서, 이러한 필러 재료는 섬유에 추가적으로 사용되며, 다른 유형에서는 이러한 필러 재료가 폴리머에 홀로 사용되어서 합성물을 형성한다. 필러 재료의 선택에서, 하기 인자는 고려될 수 있다: 비용, 개선된 가공, 밀도 조절, 광학적 효과, 열전도성, 열팽창성, 전기적 속성, 자기적 속성, 난연성, 개선된 기계적 속성 등.
일부 수지에서 사용하기 위한 일부 예시적인 필러 재료는: Kevlar 펄프, 절단된 화강암 섬유, 유리 마이크로스피어, 절단된 유리 섬유, 1/16'' 또는 1/32'' 밀링된(milled) 유리 섬유, 틱소트로픽 실리카(thixotropic silica), 및 활석을 포함한다. Kevlar 펄프는 하나 이상의 구성요소(114)에 사용되는 경우에 스트립(100)의 일부 유형에서 개선된 내마모성을 제공할 수 있다. 절단된 화강암 섬유는 국부적인 강화부의 면적을 제공할 수 있다. 유리 마이크로스피어는 표면 빈공간을 채우는데에 사용될 수 있지만, 짧거나 절단된 유리 섬유는 표면 강도를 개선하는데에 사용될 수 있다.
5. 활성 탄소 나노튜브
강화 구조물, 예를 들어 섬유 및 폴리머 매트릭스 사이의 경계면에서의 결합은 합성물 재료의 성능을 결정하는데에 역할을 담당할 수 있다. 계면 결합을 향상시키기 위해서, 나노구조물은 합성물 재료 내에 도입된다. 강화 구조물이 금속성 재료인 곳에서, 금속 표면상에 나노기공(nanopores)의 형성은 금속 및 폴리머의 경계면에서 결합 강도를 증가시킬 수 있다.
제한되지 않는 일 예로서, 작용기를 갖는 활성 탄소 나노튜브는 에폭시 수지에 첨가될 수 있다. 이후에, 활성 탄소 나노튜브를 함유하는 변형된 에폭시 수지는 양극 산화 알루미늄(AAO)의 나노기공 안으로 도입될 수 있다. 활성 작용기는 탄소 나노튜브와 에폭시 사이, 그리고 에폭시와 AAO 사이 둘 모두에서 강한 화학적 결합을 형성하도록 도와준다. 나아가, 계면 결합은 AAO의 큰 특정 면적에 의해 향상되어서, 계면 강도의 개선을 가져온다.
다중벽 및 단일 벽 탄소 나노튜브는 폴리머 재료에서 첨가제로서 사용되어서 폴리머 합성물 재료의 기계적 성능을 향상시킬 수 있다. 탄소 나노튜브는 금속 촉매를 사용하고, 탄소원으로서 에틸렌 또는 일산화탄소 중 어느 하나를 사용하여 비교적 많은 양으로 생산될 수 있다. 탄소 나노튜브의 구조는 생산에 사용된 촉매 및 열 조건을 통해서 조절될 수 있다.
적절한 표면 처리에 의해서, 탄소 나노튜브는 특유의 활성 표면을 나타내어서 탄소 나노튜브/폴리머 공유 결합이 자리 잡을 수 있다. 표면 처리는 질산에서 수행되어서 튜브의 표면은 -COOH의 작용기가 풍부하다. 다음 단계는 표면 -COOH기를 산성 염소 작용기로 전환하기 위해 염화 티오닐과 반응시키는 단계를 포함한다. 산성 염소 기능성을 함유하는 탄소 나노튜브는 에폭시에 대한 아민 경화제에 매우 유효하다. 활성 탄소 나노튜브는 에폭시 및 경화제와 혼합될 수 있고, AAO 및 가교 결합된 에폭시와 아민 사이에서의 수소 결합 형태인 2차 결합 유형은 자리 잡을 수 있다. 그러므로, 활성 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브와 에폭시 사이에서, 그리고 에폭시와 AAO 사이에서의 계면 결합을 개선하는데에 도움이 된다. 그 결과, 계면 결합은 개선된다.
E. 접착제 및 보조 재료
스트립의 다른 유형에서, 하나 이상의 구성요소는 접착제를 포함한다. 일반적으로 접착제는 물품들을 서로 접착하거나 결합시키는 혼합물로, 액체 또는 준-액체 상태의 혼합물일 수 있다. 스트립의 일부 유형에서, 접착제는 상이한 구성요소를 서로 결합시킬 뿐만 아니라 결합 구성요소를 덮개 구성요소 및/또는 가장자기 구성요소와 결합시키기 위해 사용된다. 제한되지 않는 일 예로서, 접착제용 재료는: 다양한 폴리올레핀에 결합하도록 디자인된 작용기를 갖는 변형된 폴리오레핀, 이오노머, 폴리아미드, 에틸렌 비닐 알콜(EVOH), 폴리에스테르(PET), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 및 강철 및 알루미늄(예, Admer)와 같은 금속; UV 경화 접착제(예, Norland); 에폭시(예, Gorilla 에폭시, 티올-경화된 에폭시, 아민-경화된 에폭시; 에폭시-아크릴레이트; 에폭시-티올/엔-티올 혼성물); 폴리우레탄; 아크릴로니트릴-염기; 등을 포함할 수 있다. 제한되지 않는 추가적인 일 예로서, Norland Products에 의해 제공된 광학적 및 특별한 응용 접착제는 구성요소(114)에서 사용될 수 있다.
스트립(100)과 함께 사용하기 위한 다른 재료는 보조 재료, 또는 초기 강도 또는 견인 발생 장치가 아니지만 전체 스트립 제작 및 사용의 면에서 가치있는 기능, 예를 들어 스트립 또는 구성요소 수명을 향상시키는 기능을 담당할 수 있는 재료일 수 있다. 보조 재료는 스트립의 구성요소들에 또는 그 사이에 배열될 수 있다. 이러한 보조 재료는 필라멘트, 실, 섬유, 번들(bundles), 폴리머, 또는 다른 재료 유형일 수 있다. 예를 들어, 보조 재료의 한 유형은 윤활유 재료일 수 있다. 일부 유형에서, 윤활유 재료는 초기 부하 기능 및 안전성 기능을 충족시키는 구성요소들 사이에 적용된다. 이런 중간의 윤활유 또는 항-마모성 재료는 이러한 안정성 기능 구성요소의 부하 지지 능력을 보존함으로써 안정성 기능을 제공하는 구성요소의 마모를 감소시킬 수 있다.
제한되지 않는 일 예로서, 이러한 보조 재료에 대한 일부 재료는: 플루오로폴리머(예, Teflon); 폴리테트라플루오로에틸렌(예, Gore); 실리콘; 오일 탄성중합체; 천연 및/또는 합성 고무 등을 포함할 수 있다. 플루오로폴리머를 포함하는 스트립의 유형에서, 폴리머 매트릭스 재료 코팅은 테트라플루오로에틸렌 폴리머, 트리플루오로클로로-에틸렌 공폴리머, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공폴리머, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐 에테르, 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공폴리머, 비닐리덴 플루오라이드 폴리머, 및 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공폴리머로부터 선택된 적어도 하나의 멤버를 포함할 수 있다. 일부 다른 유형에서, 폴리머 매트릭스 재료 코팅은 트리플루오로에틸렌 폴리머, 테트라플루오로에틸렌 폴리머, 및 테트라플루오로에틸렌헥사플루오로프로필렌 공폴리머로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 멤버를 포함한다.
V. 기능상 및 특징의 고려, 및 재료 선택
부하 지지 및/또는 안정성 기능 관점으로부터 재료를 고려하는 경우에, 일부 유형에서 적절한 재료는 종래의 강철 케이블에 비해 경량을 제공하고, 높은 종 인장 강도, 높은 강성도, 및 굽힘 피로 저항을 제공한다. 전동 기능을 고려하는 경우에도, 적절한 재료는 스트립과 권상기 사이에 충분한 마찰 계수를 제공한다. 제한되지 않는 일 예로서, 하나 이상의 이러한 기능들을 충족시킬 수 있는 일부 예시의 재료는: 에폭시 수지; 에폭시-티오 시스템; 에폭시-디오/엔-티올 혼성물; 에폭시 폴리아크릴레이트; 에폭시변형된 탄성 중합체; 티올-경화된 에폭시-유리(예, E-유리 또는 S-유리); 폴리에스테르, 페놀수지류, 열가소성 폴리에스테르 탄성중합체, 나일론 수지, 비닐 에스테르로 강화된 직조된 섬유유리 천(cloth); 폴리우레탄; 실리콘 단결정; 탄화 규소; 실리콘 고무; 탄소 섬유; 아라미드 섬유(예, Kevlar, Twaron, Nomex, Technora); 강화된 열가소성 폴리에스테르 탄성중합체 섬유(예, Hytrel); 강화된 비닐 에스테르 섬유; 초-고분자 폴리에틸렌 섬유(예, Dyneema); 액정 폴리머 섬유(예, Vectran); 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)(PBO)(예, Zylon); 현무암질 섬유; 섬유유리; 세라믹 섬유; 붕소 섬유; 지르코니아 섬유; 흑연 섬유; 텅스텐 섬유; 석영 섬유; 혼성 섬유(예, 탄소/아라미드, 유리/아라미드, 탄소/유리); 알루미나/실리카 섬유; 산화 알루미늄 섬유; 강철 섬유 등을 포함한다.
보호성 특징을 고려할 때, 적절한 재료는 부하 지지 및/또는 안전성 기능을 제공하도록 디자인된 구성요소들의 충분한 보호를 제공할 것이다. 보호는 인장 강도, 내마모성, 굽힘 피로 저항 등에 개선의 관점에 있을 수도 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 이런 보호 특징을 충족시킬 수 있는 재료의 일부 예는: 프리폴리머(prepolymer)(에폭시-아크릴레이트 부가물, 비닐 에스테르, 다이엔); 폴리우레탄; 에폭시-티올 시스템; 에폭시-티올/엔-티올 혼성물, 에폭시 변형된 탄선중합체; 실리콘 탄성중합체; 실리콘 고무 등을 포함한다.
상기 언급한 바와 같이, 스트립의 일부 구성요소는 미세-니(micro-teeth) 및 유사한 표면 강화물을 포함할 수 있다. 미세-니 및 유사한 표면 강화물에 적합한 재료는 합성물 및/또는 코팅 재료에서 작은 입자(예, 파우더)로 분산될 수 있는 고 강성도를 갖는 재료일 수 있다. 일부 유형에서, 미세-니는 표면상에서 개별적인 구성요소로 형성되어서, 구성요소들을 고정하기 위해, 스트립과 권상기 사이의 견인 효율을 증가시키기 위해, 구성요소들 간에 뿐만 아니라 섬유와 구성요소 재료 간에 치환을 조절하기 위해, 훅&룹 잠금장치 배열로 작동할 수 있다. 특별한 배열에서, 미세-니는 스트립의 사용 중에 반복적으로 체결 및 분리될 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 미세-니 및 다른 표면 강화를 위한 재료는: 알루미나/실리카; 알루미늄; 구리; 강철; 철; 은; 석영; 탄화 규소, 산화 알루미늄(예, 사아피어); 붕소; 현무암; 유리; 세라믹; 고-강성도 플라스틱 등을 포함한다.
제한되지 않는 일 예로서, 표 24 및 표 25는 스트립에 대하여 특정 기능 또는 특징을 부여하기 위한 스트립의 유형에 사용될 수 있는 재료의 예시적인 매트릭스를 보여준다. 표 24 및 표 25에서, "X"는 재료가 상응하는 기능 또는 특징을 제공하는데에 사용될 수 있다고 표시한다. 나아가, 표 24 및 25에서 표시된 공란은, 주어진 재료가 일부 다른 유형에서 나열된 기능 또는 특징을 제공하는데에 사용될 수 없다고 이해되지 않아야 할 것이다.
Figure 112012095700660-pct00016
스트립의 예시적인 기능/특징에 대한 예시적인 재료
재료
카테고리		 재료 유형 부하
지지		 보호 및
전동		 표면 향상 결합 윤활



탄성 중합체
(수지)		 자이틀(Zytle) x x
하이트렐(Hytrel) x x
비닐에스테르 x x
폴리우레탄 x x x
에폭시-아크릴레이트 x x x
에폭시-티올 시스템 x x x
에폭시-티올/엔-티올 혼성물 x x x
페놀수지류 x x x x
비스말레이미드 x
폴리부타디엔 x

실리콘		 실리콘 모노크리스탈린(m-Si) x x
실리콘 카바이드(SiC) x x x
실리콘 고무 x x
윤활유 x x

특별한 재료		 테플론 x x
합성 고무 x x
고어(gore) x
윤활유 x

에폭시		 에폭시-아크릴레이트 x x x
에폭시-티올 시스템 x x x
에폭시-티올/엔-티올 혼성물 x x x
Novalac 수지 x x x
에폭시 말단 프리폴리머 x x x





섬유		 탄소 x x
아라미드 x x
자일론 x x
섬유유리 x x
다이니마 x x
벡트란 x x
세라믹 x x x
붕소 x x x
지르코니아 x x x
흑연 x x x
텅스텐 x x x
혼성물(탄소/아라미드, 유리/아라미드, 탄소/유리) x x




분말		 유리 x x x
바살트 x x x
붕소 x x x
알루미나/실리카 x x x
Al2O3 x x x
석영 x x x
세라믹 x x x
구리 x x x
고-강성 플라스틱 x x x
강철(철) x x x


접착제		 Norland x
에폭시 접착제(Gorilla 에폭시, 티올-경화 에폭시, 에폭시-티올/엔-티올 혼성, 아민-경화 에폭시) x x x
에폭시-아크릴레이트 x x x
폴리우레탄 x x x
아크릴로니트릴-염기 x x x
Admer x
VI. 예시적인 스트립
도 1-4를 살펴보면, 일부 유형에서, 스트립(100)은 단일층을 포함한다. 이런 유형에서, 스트립(100)은 탄소 섬유및 폴리우레탄 합성물로 구성된 단일 구성요소(114)를 포함한다. 본 예시에서, 탄소 섬유는 스트립(100)의 종 방향으로 배향된 연속적인 섬유이다. 합성물 중 탄소 섬유 함량은 약 70 부피%이며, 필라멘트의 수는 약 2000이다. 섬유 중 탄소 함량은 약 95%이다. 연속적인 섬유는 약 1.81 g/cc의 밀도, 약 7.2 μm의 필라멘트 직경, 및 약 1400 μm의 두께를 갖고 단일방향성이다. 섬유의 초 인장 강도는 약 4137 MPa이고, 인장 탄성율은 약 242 GPa이다. 섬유의 전기 저항력은 약 0.00155 ohm-cm이다. 면적 증가는 약 1640 g/m2이다. 본 예시에서, 스트립(100)의 크기는 약 20 mm의 너비 및 약 2 mm의 두께이다. 또한, 본 예시에서, 스트립(100)은 약 32 kN을 초과하는 파괴 하중을 가진다. 본 예시의 스트립(100)은 단독으로 사용되어서 앞서 논의된 부하 지지, 안정성 및 전동 기능을 제공할 수 있다. 다른 유형에서, 본 예시의 두 개 이상의 스트립(100)은 적층 배열로 적층되거나, 연속적인 배열로 떨어져 적층되어서 이러한 기능들을 제공한다.
도 10을 살펴보면, 일 유형에서, 스트립(700)은 덮개 구성요소(702)에 의해 둘러싸인 구성요소(704)를 포함한다. 본 예시에서, 구성요소(704)는 네 개의 탄소 섬유 막 및 에폭시 합성물로 구성된다. 탄소 섬유 막은 스트립(700)의 종 방향으로 배향된 탄소 섬유를 포함한다. 연속적인 막은 에폭시에 의해 크기가 정해진다. 사이징(sizing) 함량은 약 1 중량%이다. 탄소 함량은 약 95 중량%를 초과한다. 견인의 부피 저항률은 약 0.00160 ohm-cm이다. 파괴시에 견인의 인장 강도는 약 3600 MPa이다. 파괴시에 신장은 약 1.5%이고, 탄성율은 약 240 GPa이다. 필라멘트 직경은 약 7 μm이다. 견인의 밀도는 약 1.80 g/cc이다. 스트립(700) 중 탄소 섬유 함량은 약 70 부피%이다.
도 10의 본 예시에서, 덮개 구성요소(702)는 열가소성 폴리우레탄으로 구성된다. 폴리우레탄은 압출 등급을 가지며, 약 80의 Shore A 경도를 가진다. 파괴시에 인장 강도는 약 24.52 MPa이다. 파괴시의 신장은 약 950%이다. 100% 영율은 약 0.00490 GPa이다. 300% 영율은 약 0.0078 GPa이다. 회복력은 40이고, 마모는 약 35 mm3미만이다.
도 10의 본 예시에서, 스트립(700)의 크기는 약 30 mm 너비 및 약 3 mm 두께이다. 또한 본 예시에서, 스트립(700)은 약 32 kN을 초과하는 파괴 하중을 가진다. 본 예시의 스트립(700)은 단독으로 사용되어서 앞서 논의된 부하 지지, 안정성 및 전동 기능을 제공할 수 있다. 다른 유형에서, 본 예시의 두 개 이상의 스트립(700)은 적층 배열로 적층되거나, 연속적인 배열로 떨어져 적층되어서 이러한 기능들을 제공한다.
도 12를 살펴보면, 일 유형에서, 스트립(900)은 종으로 접히고 덮개 구성요소(902)에 의해 둘러싸인 구성요소(904)를 포함한다. 본 예시에서, 접힌 구성요소(904)는 탄소 섬유 및 티올-에폭시-엔 3원 합성물로 구성된다. 탄소 섬유는 스트립(900)의 종 방향으로 배향되고, 합성물의 탄소 섬유 함량은 약 50 중량%이다. 본 예시에서, 덮개 구성요소(902)는 폴리우레탄으로 구성된다. 도 12에서 보인 바와 같이, 구성요소(904)는 층간 효과(layering effect)를 만드는 전후 방식으로 종으로 접힌다. 도 20에서 보인 바와 같이, 또 다른 유형에서, 구성요소(904)는 층간 효과를 만들기 위해 구성요소 그 자체 둘레로 종으로 접힐 수 있다. 도 12의 본 예시에서, 구성요소(904)를 형성하기 위해서 4개의 층이 막 결합된다. 스트립(900)의 크기는 약 20 mm 너비 및 약 3 mm 두께이다. 스트립(900)의 파괴 하중은 약 45 kN을 초과한다. 도 12 및 도 20에서 보여지는 본 예시의 스트립(900)은 단독으로 사용되어서 앞서 논의된 부하 지지, 안전성 및 전동 기능을 제공할 수 있다. 또 다른 유형에서, 두 개 이상의 스트립(900)은 적층 배열로 적층되거나, 연속적인 배열로 떨어져 적층되어서 이러한 기능들을 제공한다.
도 21을 살펴보면, 일 유형에서, 스트립(1300)은 에폭시로 구성된 외부 덮개 구성요소(1302)를 갖는 복수 층을 포함한다. 일부 유형에서, 외부 덮개 구성요소(1302)는 구성요소(1302) 전체에 걸쳐 분산된 미세-니 특징을 포함한다. 본 예시에서 스트립(1300)의 구성요소(1304)는 아라미드 섬유 및 에폭시 합성물로 구성된다. 본 예시의 구성요소(1306)는 탄소 섬유 및 에폭시 합성물로 구성된다. 각각의 섬유-에폭시 합성물 층 사이에는 접착제를 포함하는 구성요소(1308)이다. 본 예시에서, 합성물 중 섬유 함량은 약 50% 내지 약 70% 범위일 수 있다. 또한, 아라미드 섬유 및 탄소 섬유는 스트립(1300)의 종 방향으로 배향된다. 본 예시에서, 스트립(1300)의 크기는 약 20 mm 너비 및 약 3 mm 두께이다. 스트립(1300)의 부하는 약 45 kN를 초과한다. 본 예시의 스트립(1300)은 단독으로 사용되어서 앞서 논의된 부하 지지, 안전성 및 전동 기능을 제공할 수 있다. 또 다른 유형에서, 두 개 이상의 스트립(1300)은 적층 배열로 적층되거나, 연속적인 배열로 떨어져 적층되어서 이러한 기능들을 제공한다.
도 22를 살펴보면, 일 유형에서, 스트립(1400)은 구성요소들(1402, 1404, 1406, 1408, 1410)을 갖는 복수의 층을 포함한다. 본 예시에서, 스트립(1400)의 구성요소(1402)는 열가소성 에폭시로 구성된다. 본 예시에서 스트립(1400)의 구성요소(1404)는 접착제로 구성된다. 본 예시에서 스트립(1400)의 구성요소(1406)는 유리 섬유 및 폴리우레탄 합성물로 구성된다. 본 예시에서 스트립(1400)의 구성요소(1408)은 탄소 섬유 및 폴리우레탄 합성물로 구성된다. 본 예시에서 스트립(1400)의 구성요소(1410)는 하기에서 더 구체적으로 설명될 정보 전달 층(information transfer layer)이다. 본 예시에서 스트립(1400)은 단독으로 사용되어서 앞서 논의된 부하 지지, 안전성 및 전동 기능을 제공할 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 스트립(1400)이 단독으로 사용되면, 구성요소(1402)는 전동 기능을 제공하며, 구성요소들(1406, 1408)은 부하 지지 및 안정성 기능을 제공하도록 결합하고, 구성요소(1404)는 다양한 구성요소들을 함께 유지하는 결합 특징을 제공한다. 다른 유형에서, 두 개 이상의 스트립(1400)은 적층 배열로 적층되거나, 연속적인 배열로 떨어져 적층되어서 이러한 기능들을 제공한다.
도 23-35를 살펴보면, 또 다른 유형에서, 예시적인 스트립은 호스형(hose-like) 구조로 구성된다. 도 23-25는 스트립(1500)의 일 유형을 묘사하며, 여기서 스트립(1500)은 몸체(1502), 제 1 코드(cord)(1504), 및 제 2 코드(1506)를 포함한다. 제 1 및 제 2 코드(1504, 1506)는 연장부(1510)에 의해 몸체(1502)에 연결된다. 몸체(1502)는 연장된 원통형이 되며, 이때 연장된 원통은 몸체(1502)의 길이를 연장하는 공동 내부(1508)를 포함한다. 도 24에서 보여지는 바와 같이, 스트립(1500)은 섬유(1510) 및 매트릭스 재료(1512)로 구성된다. 섬유(1510)는 앞서 언급된 임의의 섬유 재료를 포함할 수 있다. 도 23-25에서 묘사된 유형에서, 섬유(1510)는 탄소 섬유이다. 매트릭스 재료(1512)는 이전에 언급된 임의의 매트릭스 재료를 포함할 수 있다. 도 23-25에서 묘사된 유형에서, 매트릭스 재료(1512)는 에폭시이다. 묘사된 유형에서 또 보여지는 바와 같이, 섬유(1510)는 종 방향으로 배향되며, 몸체(1502)의 길이와 평행하게 나아간다. 다른 유형에서, 섬유(1510)는 종 방향 대신에 다른 방향으로 또는 종 방향에 더하여 다른 방향으로 배향될 수 있다.
사용시에, 스트립(1500)은 몸체를 압축함으로써 평평한 배치로 전환하며, 이는 도 25에서 보여지는 바와 같이 공동 내부(1508)를 배출한다. 평평한 경우에, 스트립(1500)은 복수 층 스트립 배치와 비슷하다. 몸체(1502)의 압축은 엘리베이터 시스템에 사용되는 경우에 장력에 의해 유발된다. 스트립(1500)에 가해지는 장력은 내부 공동 공간(1508)이 적어도 어느 정도 배출되며, 이는 스트립(1500)이 평평한 배치를 띠도록 유발한다. 또한, 스트립(1500)에 가해질 압축력을 만드는 롤러 또는 권상기 위로 나아가는 경우에, 스트립(1500)은 평평화될 것이다.
스트립(1500)의 디자인은 내부 공동 공간(1508)의 배출이 특정 응용에 대해 조절되거나 설정될 수 있도록 될 것이다. 예를 들어, 일부 유형에서, 내부 공동 공간(1508)은 스트립(1500)이 사용 중인 경우에 완전히 배출될 수 있다. 사용시에 내부 공동 공간(1508)이 일부 남아 있는 응용에서, 이 공간은 다른 재료 또는 구조에 대한 통로를 제공할 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 내부 공동 공간(1508)을 남기는 것은 스트립 상태를 테스트 및/또는 검출하기 위해 삽입될 특정 스트립 테스트 및 진단 도구를 위해 허용될 수 있다. 예를 들어, 스트립의 시각적 평가를 위한 섬유-광학 카메라는 남아 있는 내부 공동 공간(1508) 내에 위치될 수 있다. 또한, 일 예로서, 불활성, 비-부식성 가스 또는 특별한 유체는 남아 있는 내부 공동 공간(1508) 안으로 펌핑될 수 있다. 이러한 펌핑된 가스는 접촉된 표면들 사이에서 윤활유로서 작용할 수 있으며, 임의의 금속성 섬유 또는 그 안에 삽입된 다른 부재에 부식을 유발할 수 있는 공기를 대체함으로써 부식을 억제하며, 및/또는 스트립의 상태에 대한 정보를 주는 압력 발생에 도움을 줄 수 있다. 남아 있는 내부 공동 공간(1508) 안으로 다른 도구/부재를 포함하는 경우에, 다른 정보 및 사용은: 불안정하게 인장된 스트립을 검출하는 것 (예, 자기 권상기를 사용); 각각의 구성요소의 효율을 검출하는 것 (예, 상이한 구성요소에 대하여 상이한 패턴의 검출가능한 구성요소를 포함하는 것에 의함); 스트립의 속도를 측정하는 것 (속도 조절장치로서 사용할 수 있음 예, 조속기(調速機)); 미끄러짐을 검출하는 것; 신장을 측정하는 것; 연기, 열 또는 불을 검출하는 것; 위치 측정 시스템으로 사용을 위한 위치를 측정하는 것; 스트립으로부터 또는 스트립으로 정보를 전송하는 것; 비정상적 작동 또는 환경 효과를 측정하고 검출하는 것 (예, 수분 수준, 온도, 습도, 스트립의 탈선, 스트립 꼬임, 막힘 상태, 스트립 상에서의 절단, 마찰율의 증가, 스트립 오일 오염물질의 분쇄, 생분해); 고탑(high tower)의 상이한 층에서 상이한 온도를 검출하는 것; 번쩍임(lightening)을 검출하는 것; 건물 흔들림/진동/지진을 검출하는 것; 소음 및 주파수 변화를 검출하는 것; 비접촉식 전원 및/또는 유도성 변압기를 포함하는 것 등을 포함할 수 있다.
도 23-25가 제 1 및 제 2 코드(1504, 1506)를 갖는 스트립을 보여주지만, 다른 유형의 코드(1504, 1506)에서는 생략된다. 본 예시에서, 제 1 및 제 2 코드(1504, 1506)는 원형의 단면을 갖는 원통형 형상을 가진다. 다른 유형에서, 제 1 및 제 2 코드(1504, 1506)는 다른 유형을 가진다. 예를 들어, 도 28 및 29에서 보인 바와 같이, 코드는 8각형의 단면을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 코드(1504, 1506)에 대한 또 다른 유형은 본원의 교시에 기초하여 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 나아가, 측 코드(1504, 1506)는 몸체로서(1502) 동일한 재료로 구성되거나 상이한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 유형에서, 측 코드(1504, 1506)는 스트립(1500)에 전동 기능을 제공하고, 섬유 강화된 열가소성 폴리우레탄으로 만들어지며, 몸체(1502)는 섬유 강화된 에폭시로 만들어진다.
스트립(1500)은 주형(molding)을 포함하는 하나 이상의 공정을 사용하여 만들어질 수 있다. 매트릭스 재료(1512)를 도입하는 것은 일 예시에서 주입에 의해 이루어질 수 있다. 섬유(1510)는 일 예에서 압출에 의해 금형(mold)에 도입될 수도 있다. 매트릭스 재료가 완전히 경화된 후에, 스트립(1500)은 금형으로부터 배출되어 완성된 배치를 제공한다. 스트립(1500)을 만들기 위해 사용된 금형은 상이한 배치뿐만 아니라 상이한 두께를 갖는 스트립을 형성하기 위해 상이한 형상으로 디자인될 수 있다. 제한되지 않는 일 예로서, 도 26-31은 일부 예시적인 배치의 종 단면도를 보여준다. 이러한 및 다른 유형 중 일부에서, 몸체(1502)의 외부 표면은 스트립의 마찰 계수가 전동 기능을 도와주기 위해 증가되도록 주형된다. 이는 매끈하지 않은 내부를 갖는 금형에 의해 달성될 수 있어서, 몸체(1502)의 외부 표면은 거칠거나 매끄러운 것과 다른 일부 질감을 가진다.
도 32 및 도 33은 스트립(1600)을 묘사하며, 이때 상기 스트립은 호스형 스트립 안에 또 다른 호스형 스트립이 위치된 복수의 호스형 스트립(1602, 1604, 1606)을 포함하는 호스형 스트립의 또 다른 유형과 비슷하다. 도 32에서 보인 바와 같이, 스트립(1600)이 충분히 인장되지 않은 경우, 스트립(1600)은 연장된 원통 형상을 가진다. 도 33에서 보인 바와 같이, 스트립(1600)이 충분한 인장 하에 있는 경우, 스트립(1600)은 평평해져서 스트립(1600)이 평평한 스트립 형상이 된다.
복수의 호스형 스트립을 사용하는 유형에서, 결합된 스트립은 층들을 만드는 호스형 스트립 안에 또 다른 호스형 스트립이 위치된 임의의 갯수의 호스형 스트립을 갖는 배치를 할 수 있다. 도 32 및 도 33에서 보인 바와 같은 이러한 예시에서, 부하는 하나 이상의 층 상에 분배될 수 있다. 스트립(1600)의 일부 유형에서, 접착제 재료는 구성요소들을 함께 유지하기 위해 필요하지 않다. 일부 유형에서, 외부 스트립(1602)은 좋은 견인 계수 및 내마모성을 제공할 수 있는 재료로 만들어진다. 일부 유형에서, 외부 스트립(1602)은 또 다른 스트립 디자인을 위한 커버로서 예를 들어, 다른 스트립에 대하여 전술한 바와 같은 덮개 구성요소로서 사용될 수 있다. 일부 유형에서, 스트립(1600)은 스트립(1600)에 추가적인 강도를 제공할 수 있는 비금속성 또는 금속성의 꼬여진 리본에 의해 둘러싸일 수 있다. 일부 유형에서, 강철 밧줄, 섬유 중심, 둥근 합성 밧줄 및/또는 리본은 스트립(1600)의 내부 공동 공간(1612) 안으로 삽입될 수 있다.
도 34 및 도 35를 살펴보면, 스트립(1600)의 표면 배치에 따르면, 권상기의 표면 프로파일은 스트립(1600)에 추적 및 안내를 제공하도록 디자인된다. 도 32 및 도 33에서 보인 바와 같이, 스트립(1600)은 스트립(1600)의 전체 압축 너비로부터 약간 돌출되는 제 1 및 제 2 코드(1608, 1610)를 포함한다. 권상기(1650)의 표면은 제 1 및 제 2 코드(1608, 1610)와 체결되도록 구성된 홈(1652)을 포함한다. 본 예시가 제 1 및 제 2 코드(1608, 1610) 및 홈을 원통 및 반-원통 형상으로 각각 보여주고 설명하지만, 스트립 및 권상기의 다른 유형에서, 제 1 및 제 2 코드 및 권상기 홈에 대한 다른 형상이 사용될 수 있다.
도 36을 살펴보면, 스트립(1700)의 또 다른 유형이 보여지며, 이때 스트립(1700)은 엘리베이터 현가(suspension) 및 전동 구조물로서 사용될 수 있다. 본 예시에서, 스트립(1700)은 적어도 하나의 중심 둘레로 꼬여진 스트립 또는 합성물 밴드로 구성된다. 다양한 꼬임 패턴은 스트립(1700)을 제작할 시에 사용될 수 있다. 도 36에서 보인 바와 같이, 스트립(1700)은 제 2 부하 지지 층(1703) 둘레로 꼬여진 복수의 합성물 밴드(1702)로 구성된 제 1 부하 지지 층(1701)을 포함한다. 제 2 부하 지지 층(1703)은 보조 층(1705) 둘레로 꼬여진 합성물 밴드(1704)로 구성된다. 보조 층(1705)은 중심(1707) 둘레에 위치된다. 본 예시에서, 제 1 부하 지지 층(1701)은 전동기 층으로서도 기능한다. 본 예시에서 합성물 밴드(1702)는 아라미드 섬유 및 에폭시 합성물을 포함한다. 제 2 부하 지지 층(1705)의 합성물 밴드(1704)는 탄소 섬유 및 에폭시 합성물을 포함한다. 보조 층(1705)은 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 윤활유 재료로 구성된다. 본 예시에서 코어(1707)는 붕소-탄소 섬유 합성물, 즉 Hy-Bor 섬유로 구성된다. 도 36이 제한되지 않는 일 예로서 완성된 스트립 디자인을 보여주지만, 다른 유형에서, 이런 꼬여진 스트립 기술은, 본원에서 또는 다른 데서 설명된 다른 스트립을 포함하는 구성요소의 조합 또는 다른 개개의 구성요소들 중 임의의 것에 적용될 수 있다.
몇몇의 예시적인 스트립 및 그의 구성요소들은 상기에서 보여지고 설명되었다. 나아가, 많은 재료의 제작은 설명되었다. 이런 정보에 기초하여, 많은 스트립 디자인이 가능하며, 이때 상기 스트립은 단일 층, 복수의 층, 단일 구성요소, 복수의 구성요소, 적층 배치로 배열되고, 연속적 배치로 배열될 수 있고, 덮개 및 가장자리 구성요소를 포함하는 다양한 구성요소는 설명된 다양한 재료로 제작될 수 있다. 또, 도면에서 보여지고 설명된 예시적인 스트립은 제한되는 것으로 의도되지 않고, 단지 엘리베이터 시스템에 사용하기에 적합한 일부 가능한 스트립 디자인을 보여준다.
VII. 스트립 모니터링
예시적인 스트립에서 충격 및 피로의 결과로서, 시각적으로 점검하기 어려울 수 있는 노후화가 발생할 수 있다. 손상의 예는: 파괴 강도의 손실, 균열, 절단, 지지(load bearing) 부재의 불연속 등을 포함할 수 있다. 전술한 스트립의 사용은 예시적인 스트립에서 노후화 또는 이상을 검출할 수 있는 기술의 사용을 제공한다. 이러한 기술은 부하 지지 구성요소의 마모 및 손상에 의한 스트립의 물리적 및/또는 화학적 속성의 변화를 검출하는 것을 포함한다. 이러한 노후화의 검출은 자동 안정성 반응을 촉발하기 위해 사용될 수 있다.
분자 수준에서 발생하는 화학적 변화에 의해 유발된 노후화의 관점에서, 하기는 화학적 변화가 일어나는 것을 지시할 수 있다: 냄새의 변화; 색의 변화; 열의 생성(발열) 또는 손실(흡열)과 같은 온도 또는 에너지의 변화; 형태의 변화; 광, 열 또는 소리의 방출; 가스의 형성; 유기 물질의 분해 등. 나아가, 화학적 변화는 예시적인 스트립에서 물리적 변화에 영향을 줄 수 있다. 물리적 변화에 의해 유발된 노후화의 관점에서, 하기는 물리적 변화가 일어나는 것을 지시할 수 있다: 색, 크기, 광택, 또는 냄새와 같은 물리적 속성에서 변화의 관찰. 일반적으로, 파괴 강도 손실 또는 스트립의 다른 측정된 상태와 바꾸는 스트립의 영구적 물리적 효과를 제공하기에 유익할 수 있다.
제한되지 않는 일 예로서, 상이한 파장의 다른 전자기 복사 또는 광을 흡수한 물질에 의한 광의 방출인 형광은, 스트립에서 노후화를 검출하기 위해 사용될 수 있는 기술 중 하나이다. 대부분의 경우에서, 형광은, 분자, 원자 또는 나노 구조체의 오비탈 전자가 일부 유형의 에너지에 의해 높은 양자 상태로 여기 된 후 광의 광자를 방출함으로써 바닥 상태로 이완되는 경우에 발생한다. 전자기 복사로 스트립을 조사함으로써, 하나의 전자가 특정 파장을 갖는 복사의 방출을 가져올 수 있는 광자를 흡수하는 것이 가능하며, 이때 이러한 특정 파장은 스트립의 상태에 대한 정보를 제공할 수 있다. 일부 유형에서, 전자기 복사 효과의 결과로서 형광을 생산할 수 있는 재료는 코팅 또는 보조 재료에 포함될 수 있다. 마이크로파, 적외선, x-레이, 또는 다른 복사선은 검출 또는 활성 목적을 위해 사용될 수 있다.
또 다른 예시적인 기술에서, 색 변화, 예를 들어 스트립의 매트릭스에서 온도 또는 가스 민감성을 포함하기 때문에 발생하는 색 변화는 사용될 수 있다. 온도 민감성 재료의 색은, 스트립의 온도가 예를 들어, 지지 부재의 고장 또는 스트립 구성요소들 사이에서 발생되는 고 마모에 의해 증가되는 경우에 영구적으로 변할 수 있다.
또 다른 예시적인 기술에서, 스트립의 지지 부재 또는 긴 섬유는 신장, 인장, 또는 엘리베이터 하중을 검출하기 위해 사용될 수 있는 전자기 반응 재료로 표지될 수 있다. 이 기술에서, 동일한 거리에 전자기 반응 재료로 섬유를 표지하는 것은 섬유 또는 지지 부재에서 신장 변화를 측정할 수 있도록 한다. 예를 들어, 일 유형에서, 조사된 스티커(stickers) 또는 밴드는 동일한 거리로 스트립의 외부 표면상에 위치되고, 광이 이러한 스티커 위로 비춰지면, 스티커는 신장에서의 임의의 변화를 추적 및 검출하기에 쉽도록 빛난다. 이 기술은 스트립의 속도를 측정할 수 있도록 하고, 쉬브(sheave) 속도와 스트립 속도를 비교함으로써, 쉬브에 대한 스트립 미끄러짐의 비율이 검출될 수 있다.
또 다른 예시적인 기술에서, 방출된 가스는 스트립 노후화를 지시하기 위해 검출될 수 있다. 예를 들어, 열 해리에 반응하여 가스를 방출하는 재료는 스트립 구성요소에 포함될 수 있다. 열 증가의 결과로서, 예를 들어, 또는 스트립에서 환경 조건 변화의 결과로서, 이 재료는 해리되어 검출가능한 가스를 생산한다. 적절한 가스 검출장치를 사용하여, 스트립 상태가 추적될 수 있다.
또 다른 예시적인 기술에서, 컴퓨터로 읽을 수 있는 광학 패턴은 스트립에서의 변화를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
추가적인 예시로서, 이러한 기술은 자기 입자, 예를 들어 나노-자기 입자를 포함하는 예시적인 스트립을 사용한다. 자기 입자, 자기장 여기장치(exciter), 자속(magnetic flux) 센서의 배열, 및 데이터 분석장치를 사용함으로써, 스트립에서 결점 또는 노후화를 나타내는 자속 누출(밀도와 관련됨)을 검출하는 것이 가능하다. 결점은 공기에 자속의 침투를 가져올 것이기 때문에, 자속 누출이 발생한다. 얻은 자속 누출 데이터를 기-축적된 데이터와 비교하는 것은 스트립 상태에 관한 정확한 정보를 제공한다. 그러므로, 균열, 절단, 또는 스트립의 구성요소에서 다른 불연속과 같은 결점은 자속 밀도 분포를 모니터링함으로써 검출될 수 있다.
스트립이 자기 입자를 포함하는 일 예시에서, 지지 구성요소는 스트립 내에 결점을 검출하기 위해서 고도의 동종으로 분산된 나노-자기 입자를 포함한다. 다른 예시에서, 자기 입자의 분포는 상이할 수 있다(예, 선형 또는 비선형 패턴/점). 또한, 자기 점은 층마다 상이한 배향일 수 있다. 나아가, 분포된 패턴 사이의 평균 거리는 층마다 상이할 수 있다. 검출 방법은 데이터 분석장치에 연결되는 센서를 구비한 박스 안으로 스트립이 나아가게 함으로써 제공될 수 있다. 자기장이 고도의 동종으로 분산된 나노-자기 입자를 갖는 지지 부재를 함유하는 스트립에 적용되면, 연속적인 자속이 생성될 것이다. 그 결과, 일율적인 프로파일이 시스템의 데이터 분석장치에 의해 표시될 것이다. 만일 임의의 균열/결점이 지지 부재에 발생하면, 자속 누출은 발생할 것이고, 비-일률성은 데이터 분석장치에 의해 표시된 프로파일 상에 보여질 것이다.
많은 기능들은 전술한 기술에 의해 제공될 수 있다, 예를 들어: 불안정하게 인장된 스트립을 검출하는 것 (예, 자기 권상기를 사용); 각각의 구성요소의 효율을 검출하는 것 (예, 상이한 구성요소에 대하여 상이한 패턴의 검출가능한 구성요소를 포함하는 것에 의함); 스트립의 속도를 측정하는 것 (속도 조절장치로서 사용할 수 있음 예, 조속기(調速機)); 미끄러짐을 검출하는 것; 신장을 측정하는 것; 연기, 열 또는 불을 검출하는 것; 사용을 위한 위치를 위치 측정 시스템으로 측정하는 것; 스트립으로부터 또는 스트립으로 정보를 전송하는 것; 비정상적 작동 또는 환경 효과를 측정하고 검출하는 것 (예, 수분 수준, 온도, 습도, 스트립의 탈선, 스트립 꼬임, 막힘 상태, 스트립 상에서의 절단, 마찰율의 증가, 스트립 오일 오염물질의 분쇄, 생분해); 고탑(high tower)의 상이한 층에서 상이한 온도를 검출하는 것; 번쩍임(lightening)을 검출하는 것; 건물 흔들림/진동/지진을 검출하는 것; 소음 및 주파수 변화를 검출하는 것; 비접촉식 전원 및/또는 유도성 변압기를 포함하는 것 등.
본 발명의 다양한 실시예로 보여지고 설명된 바와 같이, 본원에서 설명된 방법 및 시스템의 추가적인 각색은 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 통상의 기술자에 의해 적절히 변형됨으로써 달성될 수 있다. 몇몇의 이러한 가능한 변형들이 언급되었고, 다른 것들은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 전술한 실시예, 기하학, 재료, 크기, 비율, 단계 등은 실례이고, 필수적이지 않다. 따라서, 본 발명의 범위는 이어지는 청구항의 관점에서 고려되어야 할 것이고, 명세서 및 도면에서 보여지고 설명된 구체적인 구조 및 작동으로 제한되지 않을 것으로 이해된다.

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  15. 엘리베이터 현가-전동 스트립으로서, 상기 스트립은 종 방향 및 횡 방향을 보이며, 상기 스트립은:
    a. 합성물 재료를 포함하는 제 1 구성요소로서, 상기 제 1 구성요소의 합성물 재료는 비금속성 섬유 및 제 1 폴리머를 포함하고, 상기 합성물 재료는 복수의 접힘을 포함하되, 상기 복수의 접힘은 바로 옆의 부분과 서로 겹쳐져 접촉하도록 배열되고, 상기 제 1 구성요소는 스트립의 내부 지지(load bearing) 구성요소인 것인, 제 1 구성요소; 및
    b. 제 2 폴리머를 포함하는 제 2 구성요소로서, 상기 제 2 구성요소는 스트립의 외부 전동 구성요소이고 제 1 구성요소를 둘러싸도록 구성되어, 상기 제 1 구성요소의 접힘이, 스트립의 전동 구성요소가 아닌, 스트립의 지지(load bearing) 구성요소로 제한되는 것인, 제 2 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  16. 제 15 항에 있어서,
    제 1 구성요소에서 복수의 접힘은 종 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  17. 제 15 항에 있어서,
    제 1 구성요소에서 복수의 접힘은 횡 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  18. 삭제
  19. 제 15 항에 있어서,
    제 1 구성요소의 합성물 재료의 폴리머는 티올-이소시아네이트-엔 3원 네트워크(thiol-isocyanate-ene ternary network)를 포함하는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  20. 제 15 항에 있어서,
    제 2 구성요소는 비금속성 섬유를 더 포함하며, 상기 제 2 구성요소의 비금속성 섬유 및 제 2 구성요소의 제 2 폴리머는 합성물을 형성하는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  21. 엘리베이터 현가-전동 스트립으로서,
    a. 폴리머로 구성되고, 권상기에 접촉하도록 구성된 스트립 외측의 제 1 전동 층;
    b. 섬유 강화 합성물 재료로 구성되고 스트립의 내부에 배열되며, 엘리베이터의 중량을 지지하도록 구성된 제 1 부하 지지층 및 제 2 부하 지지층;
    c. 검출가능한 재료를 포함하는 정보 전송 층으로, 상기 검출가능한 재료는 스트립의 상태에 대한 정보를 제공하고, 상기 정보 전송 층은 상기 제 1 부하 지지층과 상기 제 2 부하 지지층 사이에 위치되는 것인, 정보 전송 층; 및
    d. 상기 제 1 전동 층, 제 1 부하 지지층, 제 2 부하 지지층 및 정보 전송 층을 함께 결합하여 상기 스트립이 단일 구조를 형성하도록 구성된 복수의 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  22. 삭제
  23. 제 21 항에 있어서,
    정보 전송 층은 자기 입자(magnetic particles)를 포함하며, 자속의 검출을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  24. 삭제
  25. 제 21 항에 있어서,
    엘리베이터의 중량에 대한 중복 지지를 제공하도록 구성된 안전성 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 부하 지지층은 제 1 섬유 강화 합성물 재료로 구성되고, 상기 제 2 부하 지지층은 제 2 섬유 강화 합성물 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
  27. 제 26 항에 있어서,
    제 1 섬유 강화 합성물 재료는 탄소 섬유 및 폴리우레탄 합성물이며, 제 2 섬유 강화 합성물 재료는 유리 섬유 및 폴리우레탄 합성물인 것을 특징으로 하는 현가-전동 스트립.
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