KR101625390B1 - 고기능성의 건축·토목 자재용 frp 및 이로부터 제조된 frp 전주 - Google Patents

고기능성의 건축·토목 자재용 frp 및 이로부터 제조된 frp 전주 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전주, 가로등, 철탑을 포함한 건축·토목 자재용으로 사용할 수 있는 고경량, 고강도, 고 충격흡수성 및 부도체로서의 기능성이 뛰어난 고기능성의 건축·토목 자재용 에프알피(Fiber Reinforced Polymer, 이하, FRP라 한다) 및 이로부터 제조된 FRP 전주에 관한 것이다.

Description

고기능성의 건축·토목 자재용 FRP 및 이로부터 제조된 FRP 전주{HIGH-PERFORMANCE FRP FOR CONSTRUCTION AND PUBLIC WORKS MATERIALS AND UTILITY POLE MADE THEREFROM}
본 발명은 전주, 가로등, 철탑을 포함한 건축·토목 자재용으로 사용할 수 있는 고경량, 고강도, 고 충격흡수성 및 부도체로서의 기능성이 뛰어난 고기능성의 건축·토목 자재용 에프알피(Fiber Reinforced Polymer, 이하, FRP라 한다) 및 이로부터 제조된 FRP 전주에 관한 것이다.
역학적으로 재료 특성이 서로 다른 두 개 이상의 재료들이 합성되어 이루어진 재료를 복합재료라 하는데, 일반적으로 건설 산업에서 차세대 건설 복합 재료로서 섬유 강화 복합재료(Fiber Reinforced Polymer,이하 FRP)가 가장 활발히 활용되고 있다. 이러한 FRP 재료의 구성은 크게 섬유(Fiber)와 매트릭스(Matrix)로 이루어져 있다. 건설 분야에서는 가격대비를 고려하여 유리섬유(Glass Fiber)와 에폭시(Epoxy)를 함침해 만든 GFRP(GlassFiberReinforced Polymer)가 경제성 및 내구성 등이 우수하여 주로 사용되고 있다.
이와 같은 FRP는 다양한 분야에 적용이 되고 있으며, 전주에도 이와 같은 FRP 소재를 이용한 기술이 지속적으로 개발되고 있는 실정이다.
전주는 전신, 전화, 전등 등의 전선을 지지하는 기둥으로 현재 국내에서 일반적으로 널리 사용되는 전주의 종류로는 목주, 철근콘크리트주, 강관주 등이 있다. 이중 목주는 가격이 저렴하고, 중량이 가벼워 운반은 용이하나 내구성이 낮아 수명이 짧을 뿐만 아니라, 내구성 향상을 위한 중독성 화학처리로 환경오염을 유발하여 국내에서는 거의 사용하지 않고 있다.
가장 널리 사용되고 있는 콘크리트주는 가격이 저렴하고 대량생산이 가능하나, 길이가 약 16m에 이르고 중량이 2톤을 상회하는 중량체여서 취급, 운반 및 시공이 어려운 문제점이 있고, 강도보강을 위해 삽입된 철근으로 인하여 전주 자체가 도체가 되어 감전의 위험에 노출되는 문제점이 있다. 또한 콘크리트 재료 자체의 특성상 내오손 및 풍화로 인한 강도 저하로 장기적인 신뢰성 문제가 대두되고 있다. 최근 일부 지역에서는 콘크리트주의 도괴로 인한 사고가 보고된 바 있다. 또한 콘크리트는 우천시 수분을 흡수하기 때문에 절연애자의 절연파괴시 장기간의 수분흡수로 인해 섬락 및 전기절연의 문제점이 있고, 콘크리트주의 내오손 및 풍화는 화학물질 등을 토양으로 유출시켜 토양 및 수질을 오염시켜 환경을 파괴하는 문제점이 있다.
현재 배전용 전주로써 가장 많이 사용되고 있는 콘크리트전주와 강관전주는 수분흡수와 부식으로 인해 강도가 저하될 뿐 아니라 환경을 오염시키는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 단점을 보완할 수 있는 고경량, 고강도, 고 충격흡수성 및 부도체로서의 기능성이 뛰어난 고기능성의 건축·토목 자재용 FRP를 제공하고자 하는 것으로서, 상기 전주 외에 가로등, 철탑 등 다양한 건축·토목 자재로 사용할 수 있는 고기능성의 FRP를 제공하고자 한다.
대한민국 등록특허 10-1031026(등록일자 2011.04.18) 대한민국 등록실용신안 20-0240378(등록일자 2001.07.18) 대한민국 등록특허 10-1514973(등록일자 2015.04.20) 대한민국 등록특허 10-0646751(등록일자 2006.11.09)
본 발명은 종래 콘크리트 또는 금속재로 이용되던 전주, 가로등, 철탑을 포함한, 건축·토목 자재용으로 사용할 수 있는 고경량, 고강도, 고 충격흡수성 및 부도체로서의 기능성이 뛰어난 고기능성의 건축·토목 자재용 FRP를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 당량(Epoxide Equivalent Weight, EEW) 184~190 g/eq, 점도(Viscosity, 25℃) 11,500~13,500 cps, Hy-Cl(Hydrated-Cl:가수분해성 염소) 0.05 wt%, 비중(Specific Gravity, 20℃) 1.17 g/㎤인 비스페놀-A(diglycidylether of bisphenol-A)의 상온 경화형 에폭시 수지 40~50wt%와,
제1 탈크 20~30wt%와,
제1 황산바륨(BaSO4) 20~30wt%와,
카본블랙 0.1~1.0wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 주제부 중 40~50wt%와,
메르캅탄 값(Mercaptan value) 3.0~3.3 meg/g, 점도(Viscosity, 25℃) 100~160 cps, 비중(Specific Gravity, 20℃) 1.15 lb/gal, 수분(Moisture) 0.03 wt%인 메르캅탄(Mercaptan) 경화제 40~50wt%와,
2-에틸 헥실-3-메르캅토프로피오네이트(2-Ethyl hexyl-3-mercaptopropionate), 펜타에리트리톨 테트라키스(3-메르캅토프로피오네이트)(pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate)), 에탄-1,2-다일 비스(3-설파닐프로판노에이트)(ethane-1,2-diyl bis(3-sulfanylpropanoate)) 중 선택되는 어느 1종의 경화촉진제 1~5wt%와,
제2 탈크 3~10wt%와,
제2 황산바륨(BaSO4) 35~50wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 경화제부 중 40~50wt%와,
탄소 섬유/아라미드 섬유 층간 하이브리드 복합재료인 보강재부 1~10wt%의 혼합으로 조성된 조성물을 몰드에 주입하여 75~85℃의 온수를 순환시켜 3~5시간 동안 가열하여 경화시킨 후 탈형하여 제조된 것임을 특징으로 하는 고기능성의 건축·토목 자재용 FRP를 제공한다.
본 발명에 따른 고기능성의 건축·토목 자재용 FRP는 기존의 고중량의 콘크리트, 또는 금속재의 자재를 대체하여, 전주, 가로등, 철탑 제조 등의 재료에 사용됨으로써, 경량에 의한 운반, 가설의 경제성 및 안정성이 탁월하고, 높은 내충격성으로 인해 파손의 위험을 줄일 수 있으며, 부도체로서 감전사고를 완전히 배제할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 건축·토목 자재용 FRP를 이용하여 제조된 전주의 전체 구성을 보인 도면.
상기한 바와 같이,
본 발명에 따른 고기능성의 건축·토목 자재용 FRP는,
당량(Epoxide Equivalent Weight, EEW) 184~190 g/eq, 점도(Viscosity, 25℃) 11,500~13,500 cps, Hy-Cl(Hydrated-Cl:가수분해성 염소) 0.05 wt%, 비중(Specific Gravity, 20℃) 1.17 g/㎤인 비스페놀-A(diglycidylether of bisphenol-A)의 상온 경화형 에폭시 수지 40~50wt%와,
제1 탈크 20~30wt%와,
제1 황산바륨(BaSO4) 20~30wt%와,
카본블랙 0.1~1.0wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 주제부 중 40~50wt%와,
메르캅탄 값(Mercaptan value) 3.0~3.3 meg/g, 점도(Viscosity, 25℃) 100~160 cps, 비중(Specific Gravity, 20℃) 1.15 lb/gal, 수분(Moisture) 0.03 wt%인 메르캅탄(Mercaptan) 경화제 40~50wt%와,
2-에틸 헥실-3-메르캅토프로피오네이트(2-Ethyl hexyl-3-mercaptopropionate), 펜타에리트리톨 테트라키스(3-메르캅토프로피오네이트)(pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate)), 에탄-1,2-다일 비스(3-설파닐프로판노에이트)(ethane-1,2-diyl bis(3-sulfanylpropanoate)) 중 선택되는 어느 1종의 경화촉진제 1~5wt%와,
제2 탈크 3~10wt%와,
제2 황산바륨(BaSO4) 35~50wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 경화제부 중 40~50wt%와,
탄소 섬유/아라미드 섬유 층간 하이브리드 복합재료인 보강재부 1~10wt%의 혼합으로 조성된 조성물을 몰드에 주입하여 75~85℃의 온수를 순환시켜 3~5시간 동안 가열하여 경화시킨 후 탈형하여 제조한다.
상기 상온 경화형 에폭시 수지인 Bisphenol-A 수지는 에폭시 수지 중 가장 대표적인 수지로서 bisphenol-A와 epichlorohydrin을 반응시켜 제조한다. 제법은 직접법(Taffy법), 간접법(Fusion법, Advance법)이 있고, 촉매로서 NaOH를 사용한다. 성상에 따라서 liquid, semisolid, solid상이 있고, 희석형, 용제형이 있다.
특성 면에서 보면, 반응성 측면을 살펴보면 말단의 epoxidegroup과 구조상 중앙에 포진되어 있는 hydroxidegroup(-OH)이 반응성이 커서 에폭시 수지의 접착력을 발현시키게 되고, 중간 중간에 포진되어 있는 ethergroup(-O-)는 내 약품성과 가소성을 좋게 하며, benzenecore가 isopropylidengroup과 강하게 bonding되어 있기에 상당히 bulk한 구조를 이루어 free-rotation을 하지 못하게 함으로써, 내열성, 기계적 특성을 우수하게 하는 강인성을 나타낸다.
상기 상온 경화형 에폭시 수지의 사용량은 경화제의 사용량에 따라 결정되며, 본 발명에서는 구체적인 예로서 1:1 배합비로 한다.
상기 에폭시 수지는 쉽게 열경화성 물질로 변하게 되는데, 이러한 과정을 '경화'라고 한다. 이와 같은 경화 반응은 크게 3가지로 분류할 수 있다.
이는 수지의 말단에 위치하는 epoxiode group간의 반응, epoxy 분자의 내부에 위치하는 aliphatic 또는 aromatic의 hydroxy(-OH) group을 지닌 화합물에 의한 결합, 경화제(hardener)에 의한 cross-linking을 통한 경화이다.
상기 탈크(Tolc)는 화학적으로 함수규산마그네슘염에 속하며, 화학적으로는 3MgO·4SiO2 ·H2O 또는 Mg3(Si4O10)(OH)2로 표기된다.
이론상의 중량비는 SiO2가 63.4wt%, MgO가 31.9wt%, H2O가 4.7wt%이며, 물리적인 성질로는 진비중이 2.7~2.8, Mohs 경도가 1.0~1.5, 안식각이 55" ~75" 인 백색무기분말이다.
용도로서, 전기절연성, 내열성 향상, 보강제, 이형제등의 목적으로 사용되며, 화장품, 세라믹, 의약품 분야에도 첨가제로서 널리 사용되고 있다.
지각에서 존재하는 14번째로 풍부한 바륨원소는 중정석(barite, BaSO4)에 일반적으로 많이 함유하고 있으며 워더라이트(witherite, BaCO3)에 소량 함유되어 있다. 바륨은 주로 진공관에서 미량의 산소를 비롯한 잔류 기체를 제거하는 게터(getter)와 페인트의 흰색안료, 위장 X-선 촬영 조영제, 고무나 플라스틱의 충전제(filler) 등으로 사용된다.
황산바륨(BaSO4)은 안정한 화합물로서 고온의 열과 황화수소와 같은 약품에 작용시켜도 변색하지 않고 천연재료로서 백색안료 및 모양을 형성하는 첨가제로 사용되거나 화학반응에 의하여 제조한 침강성 황산바륨과 X선 조영제로 사용되는 약용 황산바륨으로 구분된다.
카본블랙의 형태는 꼬인 흑연층으로 성장 중심을 둘러싼 구형으로 배향된 구조를 하고 있다. 일반적으로 카본블랙은 탄소(90~99%), 산소 (0.2~2.0%), 수소(0.1~1.0%), 미량의 질소, 유황 및 회분 소량 등으로 구성된다.
비중은 1.8~7.9로 외관 비중은 0.35~0.4(입상), 0.04~0.08(분상)이다. 표면적은 카본블랙의 강화물성과 가장 큰 관련이 있다. 고무 산업에서 사용되는 카본블랙의 표면적은 9~153 ㎡/g이며, 카본블랙의 표면적이 커질수록 내마모성은 향상되나 고무와의 혼합공정 시간과 혼합을 위한 동력소비량은 급격히 증가한다. 표면활성도는 카본블랙 자신의 표면특성 및 표면에 흡착된 산소의 양과 관계되며, 고무와의 접착성에 깊은 관련이 있다.
상기 보강재부의 하이브리드 복합재료를 구성하는 성분 중 탄소섬유(Carbon Fiber)는 무전해 니켈도금에 의해 니켈도금된 것이며, 아라미드 섬유는 사속 0.5m/sec로 하여 300~500℃에서 2초간 열처리하여 이루어진 것이다.
상기 몰드는 원하는 다양한 형태로 사용할 수 있으며, 다만 상기 제시된 조건의 성분, 배합비 및 경화조건을 유지하여야 한다.
상기 건축·토목 자재용 FRP를 적용하는 일례로서 전주를 제시하고자 한다.
전주의 종류에는 목주, 철근콘크리트주, 강관주가 있으며, 이들 중 철근콘크리트주와 강관주가 가장 널리 사용되고 있다.
그러나 철근콘크리트 주는 우천시 수분을 흡수하기 때문에 절연애자의 절연파괴시 장기간의 수분흡수로 인해 섬락(flashover) 및 전기절연 문제가 발생하고, 풍화로 인해 화학물질 등이 토양으로 유입됨으로써 토양 및 수질의 오염 문제를 야기한다.
또한 상기 강관주의 경우 부식으로 인한 강도저하로 인해 교체 및 유지보수에 따른 많은 비용이 지출되는 문제가 있다.
이와 같이 종래 사용되던 전주를 본 발명에 따른 FRP로 대체할 경우, 경량에 의한 운반, 가설이 용이하여 경제성 및 안정성을 확보할 수 있고, 높은 내충격 흡수 특성으로 인해 차량 등의 충격으로부터 전주 및 운전자 모두 피해 정도를 경감시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 부도체로서 감전사고를 완전히 배제할 수 있다는 큰 장점을 갖게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 FRP를 이용하여 제조된 전주를 예시적으로 보인 도면으로서, 전주의 전체 구성을 본 발명에 따른 FRP로 이루고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전주(1)는 본 발명의 FRP로 제조된 기둥(10)과 상기 기둥(10)과 결합을 이루어 매설되는 삼각받침대(20)로 이루어진다.
그리고 도 1에서 점선으로 표시된 부분은 땅에 매설되는 부분을 표시한 것이고, 실선으로 표시된 부분은 지상에 노출되는 부분을 표시한 것이다.
상기 전주(1)의 기둥(10)은 일정 길이의 단위기둥을 다수 연결하여 이루어지는 것으로서, 단위기둥 간의 결합은 나사결합을 통해 이루어진다. 따라서 원하는 길이의 전주(1)를 손쉽게 설치할 수 있다는 장점이 있다.
또한 지하에 매설되는 부분은 삼각받침대(20)에 의해 고정됨으로써, 외부충격에 의하더라도 쉽게 기울어지거나, 쓰러지지 않아 전주의 고정 기능성이 매우 뛰어나다는 장점을 갖는다.
이하, 상기 전주의 제조에 대한 구체적인 내용을 실시예를 통해 살펴보도록 한다.
비스페놀-A(diglycidylether of bisphenol-A)의 상온 경화형 에폭시 수지 45wt%와, 제1 탈크 27wt%와, 제1 황산바륨(BaSO4) 27wt%와, 카본블랙 1.0wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 주제부 중 48wt%와,
메르캅탄(Mercaptan) 경화제 45wt%와, 2-에틸 헥실-3-메르캅토프로피오네이트(2-Ethyl hexyl-3-mercaptopropionate) 2wt%와, 제2 탈크 8wt%와, 제2 황산바륨(BaSO4) 45wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 경화제부 중 48wt%와,
탄소섬유와 아라미드 섬유를 복합 크로스하여 형성된 보강재부 4wt%의 혼합으로 조성된 조성물을 이용하여 도 1의 FRP 기둥(10)과 FRP 삼각받침대(20)를 제조한다.
상기 FRP 기둥(10)은 일정 길이의 단위 FRP 기둥(10a)를 제조하여, 단위 FRP 기둥(10a) 간의 나사결합을 통해 원하는 길이로 제작이 가능하다. 이때 단위 FRP 기둥의 구체적인 길이의 예는 2m이다.
상기 FRP 기둥(10)은 상기 조성물을 회전형 몰드에 주입하여, 회전시키면서 외부에 80℃의 온수를 순환시켜 4시간 동안 가열하여 경화시킨 후 탈형하여 완성한다.
그리고 상기 FRP 삼각받침대(20)는 중앙에 결합홀(20a)이 형성되어 있어, 상기 FRP 기둥(10)이 삽입되어 결합을 이룬다. 이때 FRP 기둥(10)은 나사결합 또는 볼트, 너트 결합 방식에 의해 결합홀(20a)과 고정을 이룬다.
따라서, 상기 FRP 기둥(10)은 일정 길이를 갖는 단위 기둥(10a) 간의 결합을 통해 원하는 길이로 제작할 수 있다는 특징을 갖는다.
상기 FRP 삼각받침대(20)는 상기 조성물을 일반 몰드에 주입하여 80℃의 온수를 순환시켜 4시간 동안 가열하여 경화시킨 후 탈형하여 완성한다.
본 발명에 따른 고기능성의 건축·토목 자재용 FRP는 고경량, 고강도, 고 충격흡수성 및 부도체로서의 기능성이 뛰어나, 기존 콘크리트 또는 금속재의 전주, 가로등, 철탑을 대체할 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 크다.
1 : 전주
10: 기둥
20: 삼각받침대

Claims (5)

  1. 당량(Epoxide Equivalent Weight, EEW) 184~190 g/eq, 점도(Viscosity, 25℃) 11,500~13,500 cps, Hy-Cl(Hydrated-Cl:가수분해성 염소) 0.05 wt%, 비중(Specific Gravity, 20℃) 1.17 g/㎤인 비스페놀-A(diglycidylether of bisphenol-A)의 상온 경화형 에폭시 수지 40~50wt%와,
    제1 탈크 20~30wt%와,
    제1 황산바륨(BaSO4) 20~30wt%와,
    카본블랙 0.1~1.0wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 주제부 중 40~50wt%와,

    메르캅탄 값(Mercaptan value) 3.0~3.3 meg/g, 점도(Viscosity, 25℃) 100~160 cps, 비중(Specific Gravity, 20℃) 1.15 lb/gal, 수분(Moisture) 0.03 wt%인 메르캅탄(Mercaptan) 경화제 40~50wt%와,
    2-에틸 헥실-3-메르캅토프로피오네이트(2-Ethyl hexyl-3-mercaptopropionate), 펜타에리트리톨 테트라키스(3-메르캅토프로피오네이트)(pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionate)), 에탄-1,2-다일 비스(3-설파닐프로판노에이트)(ethane-1,2-diyl bis(3-sulfanylpropanoate)) 중 선택되는 어느 1종의 경화촉진제 1~5wt%와,
    제2 탈크 3~10wt%와,
    제2 황산바륨(BaSO4) 35~50wt%의 혼합으로 조성되는 100wt%의 경화제부 중 40~50wt%와,

    탄소 섬유/아라미드 섬유 층간 하이브리드 복합재료인 보강재부 1~10wt%의 혼합으로 조성된 조성물을 몰드에 주입하여 75~85℃의 온수를 순환시켜 3~5시간 동안 가열하여 경화시킨 후 탈형하여 제조된 것임을 특징으로 하는 건축·토목 자재용 FRP.
  2. 청구항 1에 있어서,
    탄소섬유(Carbon Fiber)는 무전해 니켈도금에 의해 니켈도금된 것임을 특징으로 하는 건축·토목 자재용 FRP.
  3. 청구항 1에 있어서,
    아라미드 섬유는 사속 0.5m/sec로 하여 300~500℃에서 2초간 열처리하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 건축·토목 자재용 FRP.
  4. 청구항 1의 건축·토목 자재용 FRP를 이용하여 제조된 것으로서,
    FRP 기둥(10)과, 상기 FRP 기둥(10)와 결합을 이루어 지하에 매설되는 삼각받침대(20)를 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 FRP 전주.
  5. 청구항 4에 있어서,
    FRP 기둥(10)은 일정 길이를 갖는 단위 기둥(10a) 간의 결합을 통해 원하는 길이로 제작할 수 있는 것임을 특징으로 하는 FRP 전주.





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