KR101782049B1

KR101782049B1 - 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법, 구조 및 유리섬유 복합 재료 구조체의 접합 방법

Info

Publication number: KR101782049B1
Application number: KR1020150178409A
Authority: KR
Inventors: 정동호; 김현주; 권용주
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-09-27
Also published as: WO2017104879A1; KR20170070928A

Abstract

본 발명에 따른 각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법은 제1 파이프의 하단부에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 파이프의 상단부에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부를 형성하는 단계; 및 상기 형성된 접합부에 레진을 주입한 후 경화시켜 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 단계;를 포함한다.

Description

유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법, 구조 및 유리섬유 복합 재료 구조체의 접합 방법{METHOD AND STRUCTURE FOR JOINING Glass Fiber Reinforced Plastic composite PIPE and METHOD FOR JOINING Glass Fiber Reinforced Plastic composite STRUCTURE}

본 발명은 유리 섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체의 접합 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 각각 유리 섬유 복합 재료로 형성된 복수의 파이프 또는 구조체를 접합하여도 단일의 유리 섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체에 근접한 인장 강도를 나타낼 수 있는 접합 방법 및 구조에 관한 것이다.

강관, 주철관, 시멘트관 등 기존의 파이프 소재가 가지는 내구성 및 구조적 안전성의 한계를 극복하기 위하여 제안된 기술이 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 유리섬유 복합관)이다.

유리섬유 복합 재료 파이프(Glass Fiber Reinforced Plastic Composite Pipe)는 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)을 폴리머 모르타르(Polymer Mortar)에 적층 보강하여 형성되며, 경량에 유연성이 있고 부식에 강한 장점이 있어, 상하수, 오폐수, 화학 약품, 송유, 해수 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

한편, 사용 요구 조건에 따라 장거리(약 1000m)의 이송이 필요한 경우, 이러한 요구 조건을 만족하는 유리섬유 복합 재료 파이프를 제작해야 한다. 여기에서, 이러한 조건을 만족하는 단일의 유리섬유 복합 재료 파이프를 제작하는데 한계가 있어, 복수의 단관을 제작하고 요구 길이를 만족할 수 있도록 이들을 순차적으로 접합하여야 할 필요성이 있다.

그러나, 현재까지 복수의 유리 섬유 복합 재료 파이프를 상호 접합하는 효과적인 기술은 제공되지 못하고 있다. 보다 상세하게는, 복수의 유리 섬유 복합 재료 파이프의 각 단부를 본드를 이용하여 접합하는 종래 기술의 경우, 접합 부위의 접합 강도는 본드의 접착력에 의존적이며, 본드의 접착력만으로는 결합된 파이프가 충분한 인장 강도를 나타낼 수 없다.

이에, 유리섬유 복합 재료 파이프의 길이를 대폭 증가시킬 수 있는 특징적인 접합 기술이 필요하며, 특히 접합 부위의 내구성 및 구조적 안전성을 보장할 수 있을 정도로 단일의 유리 섬유 복합 재료 파이프에 근접한 인장 강도를 나타낼 수 있는 접합 기술이 제공될 필요가 있다.

한국등록특허 제811,455호 한국등록특허 제799,076호

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 각각 유리 섬유 복합 재료로 형성된 복수의 파이프 또는 구조체를 접합하는데 있어서, 단일의 유리 섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체에 근접한 인장 강도를 나타낼 수 있는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법, 구조 및 유리섬유 복합 재료 구조체의 접합 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법은 제1 파이프의 하단부에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 파이프의 상단부에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부를 형성하는 단계; 및 상기 형성된 접합부에 레진을 주입한 후 경화시켜 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 단계;를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 접합부를 형성하는 단계는 각각 복수의 층으로 형성된 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유를 적어도 하나의 층 단위로 적층하여 상기 접합부를 형성할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 접합부를 형성하는 단계는 상기 제1 유리 섬유와 상기 제2 유리 섬유의 각 층을 교차로 적층하여 상기 접합부를 형성할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 접합부를 형성하는 단계는 상기 제1 유리 섬유와 상기 제2 유리 섬유의 각 층을 동일한 길이 단위로 교차로 적층하여 상기 접합부를 형성할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 단계는 상기 접합부에 메쉬(mash)를 배치하고, 상기 레진의 유입구 및 배출구를 형성시키며, 상기 접합부에 진공 상태를 형성하여, 진공 상태에서 상기 접합부에 레진을 주입할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조는 제1 파이프의 하단부에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 파이프의 상단부에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 형성된 접합부를 포함하며, 상기 접합부에는 레진이 주입된 후 경화되어 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합한다.

일 실시예에서, 상기 접합부는 각각 복수의 층으로 형성된 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각층을 교차로 적층하여 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 접합부는 메쉬(mash)가 배치되고, 상기 레진의 유입구 및 배출구가 형성되며, 이후 진공 상태가 형성되어, 진공 상태에서 레진이 주입될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 구조체의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 구조체의 접합 방법은 알루미늄판을 배치하고, 알루미늄판의 상면에 이형제를 도포하는 단계; 상기 알루미늄판의 상면에 실란트 테이프를 배치하는 단계; 상기 실란트 테이프의 상면에 필 플라이(peel ply)를 배치하는 단계; 상기 필 플라이 상면에 상기 제1 및 제2 구조체를 배치하되, 상기 제1 구조체의 하단부에 형성된 제1 유리 섬유와 상기 제2 구조체의 상단부에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부를 형성하는 단계; 상기 접합부의 상면에 매쉬(mash)를 배치하는 단계; 상기 레진의 유입구 및 배출구를 형성하는 단계; 상기 접합부에 진공 상태를 형성하는 단계; 진공 상태에서 상기 접합부에 상기 레진을 주입하는 단계; 및 상기 레진이 주입된 접합부를 경화시키는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 복수의 파이프 또는 구조체의 단부에 형성된 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부를 형성하고, 접합부에 레진을 주입하고 경화시켜 접합함으로써, 접합부의 인장 강도가 보다 강화되어 단일의 유리 섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체에 근접한 인장 강도를 나타낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프를 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조를 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프의 시편을 제작하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프의 시편을 제작하는 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체의 접합 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체의 접합 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 접합된 유리섬유 복합 재료 파이프의 인장 강도 실험 장비를 나타내는 참고도이다.
도 11은 표준 시편에 대한 인장 강도 실험 결과를 설명하기 위한 참고도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 강도 실험 결과를 설명하기 위한 참고도이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인장 강도 실험 결과를 설명하기 위한 참고도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프를 설명하기 위한 참고도이다. 한편, 도 1에 도시된 유리 섬유 복합 재료 파이프(10, 20)는 본 발명에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프 접합 기술의 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉, 본 발명에서 유리 섬유 복합 재료는 유리 섬유를 포함하는 복합 재료(예 : 레진(resin))로 구성되는 소재를 의미하고, 유리 섬유 복합 재료 파이프(10, 20)는 이러한 유리 섬유 복합 재료로 형성되는 파이프를 의미하며, 이러한 유리 섬유 복합 재료로 형성되는 파이프라면 형상, 종류, 길이 등에 한정되지 않고 본 발명에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프(10, 20)에 해당하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이하 복수의 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20)의 각 단부를 접합하는 기술을 예시로 설명하나, 이러한 설명은 복수의 유리섬유 복합 재료 구조체(100, 200)를 접합하는데 동일하게 적용될 수 있음은 자명하다. 즉, 도 1의 우측에 도시된 바와 같이, 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20)에서 일부 영역을 분할하여 접합한다면 유리섬유 복합 재료 구조체(100, 200)의 접합으로 볼 수 있으며, 반대로 유리섬유 복합 재료 구조체(100, 200)의 접합을 원형으로 확장한다면 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20)의 접합으로 볼 수 있을 것이다.

이하, 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20) 및 유리섬유 복합 재료 구조체(100, 200)의 접합 기술을 설명하는 과정에서 상호 간 중복되는 내용은 생략하나, 통상의 기술자라면 이를 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1을 참조하면, 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20)는 파이프 본체(11, 21) 및 단부(12, 22)로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 파이프 본체(11, 21)는 유리섬유에 레진이 경화되어 형성된 부분에 해당하고, 단부(12, 22)는 파이프 본체(11, 21)의 단부에 연장되어 형성되며 유리 섬유로 구성된 건조(dry) 층에 해당할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20)는 레진이 경화되지 않고 유리 섬유만이 형성된 단부(12, 22)가 구성될 수 있다.

본 발명은 각 파이프(10, 20)의 건조 층에 접합부를 형성하되, 보다 강한 결합력을 가질 수 있는 접합 기술을 제공하고자 하는 것이며, 이하 도 2 내지 13을 참조하여, 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20) 또는 유리섬유 복합 재료 구조체(100, 200)의 접합 기술을 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조를 설명하기 위한 참고도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법을 설명하기 위한 참고도이며, 도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유리 섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조를 설명하기 위한 참고도이다.

우선, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법은각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 방법으로서, 제1 파이프(10)의 하단부(12)에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 파이프(20)의 상단부(21)에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부(300)를 형성하는 접합부 형성 단계(S110)와, 접합부(300)에 레진을 주입하는 레진 주입 단계(S120) 및 레진이 주입된 접합부(300)를 경화시키는 경화 단계(S130)를 포함한다.

본 발명은, 복수의 유리 섬유 복합 재료 파이프의 각 단부를 본드를 이용하여 접합함으로써 본드의 접착력에 의존적인 접합 강도를 가지는 종래 기술과 비교하여, 유리섬유 복합 재료 파이프(10, 20)의 각 단부(12, 22)에 형성된 유리 섬유를 중첩시키고, 중첩 영역을 포함하는 접합부(300)에 레진을 주입하여 경화시킴으로써, 각 파이프의 유리 섬유가 유기적으로 결합되어 보다 강한 결합력을 나타낼 수 있다.

일 실시예에서, 접합부(300)는 내부 프레임에 의하여 지지될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 각 단부를 접합하는 과정에서, 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 내부에 내부 프레임을 배치하고, 내부 프레임이 접합부(300)를 지지한 상태에서 접합부(300)를 형성할 수 있다. 또한, 내부 프레임이 접합부(300)를 지지한 상태에서 접합부(300)에 레진을 주입하여 제1 및 제2 파이프(10, 20)를 접합할 수 있다.

여기에서, 내부 프레임은 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 내부에 배치되되, 내부 프레임의 외경은 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 내경과 동일하게 형성되어, 접합부(300)를 지지할 수 있다.

즉, 제1 및 제2 파이프(10, 20)을 접합하는 과정에서, 내부 프레임을 통하여 접합부(300)를 내측에서 지지하도록 구성함으로써, 최종적으로 경화된 접합부(300)의 형상은 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 형상(예 : 원통 형상)과 동일하게 유지될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 프레임은 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 내측 형상과 대응되는 외측 형상을 가지고 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 내측에 배치되며, 접합부(300)를 지지할 수 있을 정도의 강도을 가지는 강성체로서, 명칭, 종류 및 길이 등에 의하여 한정되지 않는 것으로 해석되어야 할 것이다.

일 실시예에서, 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 각 단부(12, 22)에 형성되는 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 여기에서, 접합부 형성 단계(S110)는 각각 복수의 층으로 형성된 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유를 적어도 하나의 층 단위로 적층하여 접합부(300)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 3(유리섬유 복합 재료 파이프 단부의 단면을 나타냄)의 case 3을 참조하면, 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 각 단부(12, 22)에 형성되는 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유는 각각 6개의 층(6겹)으로 형성될 수 있으며, 6개의 층 단위로 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유가 적층될 수 있다. 한편, 도 3에 도시되지 않았지만, 2개의 층 단위로 적층되는 경우, 제1 유리 섬유의 2개의 층과 제2 유리 섬유의 2개의 층을 번갈아 가며 적층하여 접합부를 형성할 수 있음은 물론이다.

일 실시예에서, 접합부 형성 단계(S110)는 각각 복수의 층으로 형성된 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각 층을 교차로 적층하여 접합부(300)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 case 2를 참조하면, 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 각 단부(12, 22)에 형성되는 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유는 각각 6개의 층(6겹)으로 형성될 수 있으며, 제1 유리 섬유의 1개의 층과 제2 유리 섬유의 1개의 층을 번갈아 가며 적층하여 접합부(300)를 형성할 수 있다.

여기에서, 접합부 형성 단계(S110)는 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각 층을 동일한 길이 단위로 교차로 적층하여 접합부(300)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 case 2를 참조하면, 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각 층은 동일한 길이 단위(L)로 교차하여 적층될 수 있다.

일 실시예에서, 접합부 형성 단계(S110)는 각각 복수의 층으로 형성된 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각 층을 교차로 적층하여 접합부(300)를 형성하되, 상이한 길이 단위로 교차로 적층할 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 각 단부(12, 22)에 형성되는 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각 층의 길이가 상이하게 형성되어, 각 층의 접합 길이가 동일하지 않게 적층될 수 있다. 이러한 접합 구조를 가지는 경우, 접합된 구조체에 인장력이 가해지면 응력 집중이 완화될 수 있는 효과가 나타난다.

일 실시예에서, 접합부(300)의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 별도의 유리 섬유를 더 적층할 수 있다. 즉, case 2 및 case 3 각각에 대한 접합부(300)의 상부 및 하부 중 적어도 하나(바람직하게는 상부 및 하부)에 별도의 유리 섬유 조각을 적층하고, 이후 별도의 유리 섬유가 적층된 접합부(300)에 레진을 주입하여 경화함으로써, 접합력을 보다 강화시킬 수 있다.

일 실시예에서, 레진 주입 단계(S120)는 접합부(300)에 진공 상태를 형성하여, 진공 상태에서 접합부(300)에 레진을 주입할 수 있다. 여기에서, 진공 상태는 접합부(300)에 메쉬(mash)를 배치하고, 레진의 유입구 및 배출구를 형성시키고, 진공 형성 장치(예 : 진공 펌프 등)를 이용하여 접합부(300)를 진공 상태로 유지한 상태에서, 접합부(300)에 레진을 주입할 수 있다. 한편, 레진 주입 단계(S120)에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다.

일 실시예에서, 경화 단계(S130)는 섭씨 65 내지 75도의 온도 범위에서 7시간 30분 내지 8 시간 30분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 섭씨 70도의 온도 범위에서 8 시간 동안 수행될 수 있다. 한편, 이러한 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 경화 온도 및 시간은 환경 조건에 따라 최적의 범위로 변경될 수 있을 것이다.

이상에서, 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)의 접합 방법 및 구조에 대하여 설명하였다. 이하, 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)의 접합 기술에 대한 보다 바람직한 실시예를 설명하고자 한다. 한편, 본 발명의 바람직한 실시예를 도출하기 위하여 시편 및 접합 시편 제작을 통한 비교 실험을 진행하였으며, 시편 및 접합 시편을 제작하는 구체적인 방법을 함께 설명하여 본 발명을 보다 명확하게 하고자 한다. 단, 이하 설명되는 시편 및 접합 시편의 제작 방법은 비교 실험을 통한 본 발명의 효과를 증명하는데 한정하고자 하는 것은 아니며, 특히 접합 시편 제작 방법은 본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)의 접합 방법에 그대로 적용될 수 있다.

1. 비교 실험을 위한 시편 설정

본 발명에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)의 접합 기술에서 보다 바람직한 실시예를 도출하기 위하여, 도 3의 3개의 case의 구조를 가지는 시편을 제작하여 인장 강도 실험을 수행하였다.

도 3에서, case 1은 가장 강한 인장 강도를 나타내는 접합부를 가지지 않은 구조로서, case 2 및 case 3과의 비교를 위한 표준 시편에 해당한다. case 2는 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 각 단부(12, 22)에 형성되는 각각 6개의 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유를 1개의 층을 번갈아 가며 적층하여 접합부(300)를 형성한 것이다. case 3은 제1 및 제2 파이프(10, 20)의 각 단부(12, 22)에 형성되는 각각 6개의 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유에서, 제1 유리 섬유 6개 층을 모두 상부에, 제2 유리 섬유 6층을 하부에 적층하여 접합부(300)를 형성한 것이다. 여기에서, case 2와 case 3에서 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각 층은 동일한 길이 단위(L=30mm)로 교차하여 적층하였다.

한편, 이러한 시편 설정은 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 유리 섬유는 6개 이외의 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각 층이 교차하여 적층될 때의 접합 길이 역시 다양하게 설정될 수 있을 것이다.

2. 시편 제작

도 6 및 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)의 시편을 제작하는 방법을 설명한다. 여기에서, 시편은 핸드 레이업(Hand layup) 공법을 이용하여 하기와 같은 순서로 제작될 수 있다.

하부 알루미늄판을 배치한다(S210). 일 실시예에서, 알루미늄판을 아세톤을 이용하여 세척할 수 있다.

알루미늄 판에 이형제를 도포한다(S220). 여기에서, 이형제 도포는 경화 완료 후 유리섬유 복합 재료 시편(파이프 또는 구조체)를 알루미늄 판으로부터 용이하게 분리하기 위함이다. 일 실시예에서, 이형제 도포 후 25 내지 35분 간 건조시킬 수 있다.

이형제가 도포된 알루미늄 판에 필 플라이(peel ply)를 배치한다(S230).

이후, 유리섬유를 적층하며 레진을 도포한다(S240).

여기에서, case 1의 표준 시편을 제작하는 경우에는 1층의 유리섬유를 적층하고, 유리섬유 전체에 레진을 도포하며, 다음 1층의 유리 섬유를 적층하고, 레진을 도포하는 과정을 반복하여 총 6 층의 유리 섬유를 적층한다.

case 2 및 3의 경우에는, 단부 영역에 건조 층을 형성시키기 위하여, 1층의 유리 섬유를 적층하고, 유리섬유의 일부 영역(예: 단부 영역을 제외한 나머지 영역)에 레진을 도포하며, 다음 1층의 유리 섬유를 적층하고, 유리섬유의 일부 영역에 레진을 도포하는 과정을 반복하여 총 6층의 유리 섬유를 적층한다. 이에 따라 제작되는 시편의 단부(12, 22, 120, 220)는 도 4의 상부 그림에 나타나는 바와 같이 레진(410, 420)이 도포되지 않은 건조 층으로 형성될 수 있다.

단계 S240이후, 상부에 필 플라이를 배치하고(S250), 그 상부에 알루미늄판을 배치한다(S260).

이후, 기설정된 온도 및 시간 범위에서 경화(S270)시킨 후, 시편을 분리한다. 일 실시예에서, 경화 단계(S270)는 섭씨 65 내지 75도의 온도 범위에서 7시간 30분 내지 8 시간 30분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 섭씨 70도의 온도 범위에서 8 시간 동안 수행될 수 있다. 한편, 이러한 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 경화 온도 및 시간은 환경 조건에 따라 최적의 범위로 변경될 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 시편 제작 방법을 통해, case1의 표준 시편을 제작할 수 있으며, 도 4의 상부에 나타난 바와 같이 단부에 건조 층이 형성되어 있는, case 2 및 3의 접합 시편을 제작하기 위한 시편을 제작할 수 있다.

이하, 표준 시편과 비교 실험을 위한 case 2 및 3의 접합 구조를 가지는 접합 시편을 제작하는 방법을 설명한다.

3. 접합 시편 제작

도 8 및 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)의 접합 시편을 제작하는 방법을 설명한다. 한편, 상술한 바와 같이, 접합 시편을 제작하는 방법은 유리섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체의 접합 방법에 그대로 적용될 수 있다.

일 실시예에서, 접합 시편은 VARTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) 기법을 통해 제작될 수 있으며, 하기와 같은 순서로 제작될 수 있다.

알루미늄판을 배치하고, 알루미늄판의 상면에 이형제를 도포한다(S310). 일 실시예에서, 알루미늄판을 아세톤을 이용하여 세척할 수 있다.

여기에서, 이형제 도포는 경화 완료 후 유리섬유 복합 재료 시편(파이프 또는 구조체)를 알루미늄 판으로부터 용이하게 분리하기 위함이다. 일 실시예에서, 이형제 도포 후 25 내지 35분 간 건조시킬 수 있다.

알루미늄판의 상면에 실란트 테이프를 배치한다(S320). 여기에서, 실란트 테이프는 진공 상태를 형성하였을 때 외부 공기가 주입되지 않도록 빈 공간 없이 부착되는 것이 바람직하다.

실란트 테이프의 상면에 필 플라이(peel ply)를 배치한다(S330).

필 플라이 상면에 제1 및 제2 시편를 배치하되, 제1 시편의 하단부(12, 120)에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 시편의 상단부(22, 220)에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부를 형성한다(S340). 여기에서, 제 1 시편 및 제2 시편은 상술한 시편 제작 방법을 통하여 형성된 case2 및 3에 대한 시편에 해당할 수 있다. 한편, 제1 및 제2 시편이 제1 및 제2 파이프(또는 구조체)에 해당하는 경우, 접합 시편의 제작 방법은 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)의 접합 방법으로 이해될 수 있을 것이다.

단계 S340에서, case 2에 대한 접합 시편을 제작하기 위하여, 제1 시편의 하단부(12, 120)에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 시편의 상단부(22, 220)에 형성된 제2 유리 섬유를 1 개의 층 단위로 교차하여 적층한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 시편의 하단부(12, 120)에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 시편의 상단부(22, 220)에 형성된 제2 유리 섬유를 1 층 단위로 교차하여 적층하여 접합부(300)를 형성할 수 있다.

한편, 단계 S340에서, case 3에 대한 접합 시편을 제작하기 위하여, 제1 시편의 하단부(12, 120)에 형성된 제1 유리 섬유의 6개 층의 하부에 제2 시편의 상단부(22, 220)에 형성된 제2 유리 섬유의 6개 층을 배치한다.

즉, 단계 S340에서는 case 2 및 3 각각에 구조에 따라 건조 층의 유리 섬유를 적층한다.

일 실시예에서, 접합부(300)의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 별도의 유리 섬유를 적층할 수 있다. 즉, case 2 및 case 3 각각에 대한 접합부(300)의 상부 및 하부 중 적어도 하나(바람직하게는 상부 및 하부)에 별도의 유리 섬유를 적층하고, 이후 별도의 유리 섬유가 적층된 접합부(300)에 레진을 주입하여 경화함으로써, 접합력을 보다 강화시킬 수 있다.

이후, 상면에 필 플라이를 배치하고, 레진을 주입할 접합부(300)의 상면에 매쉬(mash)를 배치한다(S350).

레진이 유출입될 수 있는 레진 유입구 및 배출구를 형성한다(S360).

접합부(300)에 진공 상태를 형성한다(S370). 일 실시예에서, 진공 형성 장치(예 : 진공 펌프 등)를 이용하여 접합부(300)를 진공 상태로 유지할 수 있다.

진공 상태를 유지하며 접합부(300)에 레진을 주입한다(S380).

레진이 주입된 접합부를 경화(단계 S390)시킨 후, 접합 시편을 분리하여 완성한다. 일 실시예에서, 경화 단계(S270)는 섭씨 65 내지 75도의 온도 범위에서 7시간 30분 내지 8 시간 30분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 섭씨 70도의 온도 범위에서 8 시간 동안 수행될 수 있다.

상술한 접합 시편 제작 방법에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 시편에 형성된 건조 층의 유리 섬유를 적층하여 접합부(300)를 형성하고, 접합부(300)에 진공 상태에서 레진을 주입함으로써, 접합부(300)의 결합력이 보다 증가될 수 있다.

한편, 인장 실험을 위하여 추가적으로 접합 시편의 각 단부에 탭을 부착하고, 일정 단위 길이로 커팅을 하여 실험을 위한 접합 시편을 완성할 수 있다.

상술한 시편 제작 및 접합 시편 제작 과정을 통하여 case 1에 해당하는 시편 및 case 2 및 3 에 해당하는 접합 시편을 제작할 수 있다. 이하, 각 case에 대한 인장 실험 결과를 분석하여 본 발명에서의 바람직한 실시예를 설명하고자 한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 접합된 유리섬유 복합 재료 파이프의 인장 강도 실험 장비를 나타내는 참고도이고, 도 11, 12 및 13은 각각 case 1(표준 시편), case 2(1 층씩 적층) 및 case 3(6 층씩 적층)에 대한 인장 강도 실험 결과를 설명하기 위한 참고도이다.

각 case에 대한 인장 강도 실험은 도 10에 나타나는 바와 같이, UTM(Universal Testing Machine)를 통하여 수행되었다. 여기에서, 로드 셀(load cell) 인장 속도는 0.5mm/min, 인장 하중 범위는 0 ~ 4 tonf로 설정하였다.

한편, 실험 결과의 신뢰성을 보장하기 위하여 각 case 마다 5개의 시편을 제작하여 실험을 수행하였다.

도 11을 참조하면, 표준 시편(case 1)의 경우, 5개 시편에 대한 평균 인장 강도가93.2MPa로 확인되었다. 표준 시편은 접합부(300)가 형성되지 않은 단일의 유리섬유 복합 재료 파이프(또는 구조체)로서, 가장 강한 인장 강도를 가진다.

도 12를 참조하면, case 2(1 층씩 적층)의 경우, 5개 시편에 대한 평균 인장 강도가 90.5Mpa로 확인되었으며, 이는 표준 시편을 기준으로 3% 감소된 수치이다. 한편, 접합부(300) 근방의 6층의 유리 섬유가 적층된 부분에서 파단이 발생하는 것으로 나타났으나, 접합부(300)에서 파단이 집중적으로 발생되지 않았다.

도 13을 참조하면, case 3(6 층씩 적층)의 경우, 5개 시편에 대한 평균 인장 강도가 60.2Mpa로 확인되었으며, 이는 표준 시편을 기준으로 35% 감소된 수치이다. 한편, 접합부(300)의 가장 자리에서 파단이 발생하는 것으로 나타났으며, A 지점(제1 시편과 제2 시편의 유리섬유에 대한 교차 영역의 단부)에서 접합부 일부분의 파단이 1차적으로 발생하며, 이후 B 지점(제1 시편과 제2 시편의 유리섬유에 대한 교차 영역의 중심부)에서 최종적으로 파단이 일어나, 2차에 걸친 파단이 발생하는 것으로 나타났다. 상기 수치는 1차 파단을 기준으로 측정되었다.

도 11 내지 13을 참조하면, case 2는 표준 시편(case 1)을 기준으로 3%가 감소하여 표준 시편에 근접한 인장 강도를 나타내며, 파단이 접합부 근방에서 발생되나 접합부에서 집중적으로 나타나지 않아, case 3과 비교하여 복수의 유리 섬유 복합 재료 파이프 또는 구조체의 접합에 적용될 수 있는 바람직한 실시예로 볼 수 있다.

한편, 본 인장 실험에서 비교 실험을 수행하지 않았지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 파이프(또는 구조체)의 건조 층의 유리 섬유를 1 층씩 적층시키되, 적층 길이가 상이하도록 구성하는 경우, 접합부(300)에 대한 응력의 집중이 완화되어 보다 강한 결합력을 가질 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10, 20 : 제1 및 제2 파이프
11, 21 : 파이프 본체(경화 층)
12, 22 : 단부(건조 층)
100, 200 : 제1 및 제2 구조체
110, 210 : 경화 층
120, 220 : 단부(건조 층)
300 : 접합부
410, 420, 430 : 레진

Claims

각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법에 있어서,
제1 파이프의 하단부에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 파이프의 상단부에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부를 형성하는 단계; 및
상기 형성된 접합부에 레진을 주입한 후 경화시켜 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 단계;
를 포함하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 접합부를 형성하는 단계는
각각 복수의 층으로 형성된 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유를 적어도 하나의 층 단위로 적층하여 상기 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법.
제2항에 있어서, 상기 접합부를 형성하는 단계는
상기 제1 유리 섬유와 상기 제2 유리 섬유의 각 층을 교차로 적층하여 상기 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법.
제3항에 있어서, 상기 접합부를 형성하는 단계는
상기 제1 유리 섬유와 상기 제2 유리 섬유의 각 층을 동일한 길이 단위로 교차로 적층하여 상기 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 단계는
상기 접합부에 메쉬(mash)를 배치하고, 상기 레진의 유입구 및 배출구를 형성시키며, 상기 접합부에 진공 상태를 형성하여, 진공 상태에서 상기 접합부에 레진을 주입하는 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 방법.
각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조에 있어서,
제1 파이프의 하단부에 형성된 제1 유리 섬유와 제2 파이프의 상단부에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 형성된 접합부를 포함하며,
상기 접합부에 레진이 주입된 후 경화되어 제1 및 제2 파이프의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조.
제6항에 있어서, 상기 접합부는
각각 복수의 층으로 형성된 제1 유리 섬유와 제2 유리 섬유의 각층을 교차로 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조.
제7항에 있어서, 상기 접합부는
메쉬(mash)가 배치되고, 상기 레진의 유입구 및 배출구가 형성되며, 이후 진공 상태가 형성되어, 진공 상태에서 레진이 주입되는 것을 특징으로 하는 유리섬유 복합 재료 파이프의 접합 구조.
각각 유리섬유 복합 재료로 형성된 제1 및 제2 구조체의 단부를 접합하는 유리섬유 복합 재료 구조체의 접합 방법에 있어서,
알루미늄판을 배치하고, 알루미늄판의 상면에 이형제를 도포하는 단계;
상기 알루미늄판의 상면에 실란트 테이프를 배치하는 단계;
상기 실란트 테이프의 상면에 필 플라이(peel ply)를 배치하는 단계;
상기 필 플라이 상면에 상기 제1 및 제2 구조체를 배치하되, 상기 제1 구조체의 하단부에 형성된 제1 유리 섬유와 상기 제2 구조체의 상단부에 형성된 제2 유리 섬유의 적어도 일부를 중첩시켜 접합부를 형성하는 단계;
상면에 필 플라이를 배치하는 단계;
상기 접합부의 상면에 매쉬(mash)를 배치하고, 레진의 유입구 및 배출구를 형성하는 단계;
상기 접합부에 진공 상태를 형성하는 단계;
진공 상태에서 상기 접합부에 상기 레진을 주입하는 단계; 및
상기 레진이 주입된 접합부를 경화시키는 단계;
를 포함하는 유리섬유 복합 재료 구조체의 접합 방법.