KR101979412B1 - 탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 유리섬유프리프레그로 적층된 적층체 또는 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 다층으로 교호적층된 복합적층체로부터 제조된 코어성형체; 상기 코어 성형체를 감싸고 형성되는 고무층; 및 상기 코어성형체와 고무층의 계면에 형성되는 탄성수지입자를 함유하는 페놀계수지 바인더 층;을 포함하는 탄성복합구조체에 관한 것이다.

Description

탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법{ELASTOMERIC COMPOSITE STRUCTURE FOR ELASTOMERIC BEARING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 건물 및 교량 등의 구조물을 외부의 충격 및 지진 등으로부터 보호하기 위해 구조물의 바닥 또는 중간에 삽입하는 탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 복수의 유리섬유프리프레그 단독적층 또는 유리섬유프리프레그와 탄소섬유프리프레그를 다층으로 적층한 코어성형체 및 상기 코어성형체의 표면에 페놀계 수지 바인더층을 형성 한 후 이를 둘러싼 고무층을 포함하는 탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 탄성받침은 도로교량이나 철도교량 및 기타 특수한 기능의 구조물에 있어서 상부 구조물의 하중을 안전하게 전달하며, 회전 및 상부 구조물의 변형으로 발생되는 구조물의 거동을 안전하게 수용하기 위한 목적으로 널리 사용되고 있는 받침 종류 중 하나이다.

즉, 탄성받침은 상부구조에 작용하는 하중을 안전하게 하부구조에 전달하는 목적을 갖는 것으로서, 상부플레이트와 교각의 접촉부위가 변화될 수 있어야 교량으로서 충분한 하중 지탱능력을 갖추게 되어 충분한 소요수명을 누릴 수 있게 되므로, 일반적으로는 교각의 상부에 교좌장치를 설치하여 상부플레이트의 변위에 대응하면서 상부플레이트를 지지할 수 있도록 하고 있다. 그리고, 교량 및 기타 큰 하중을 지지하는 구조물인 경우, 탄성받침은 구조물의 안전성 및 유지관리에 대단히 중요하다.

종래에는 일반적으로 탄성받침의 보강재로서 강도를 향상시키기 위하여, 과거에는 주로 철판을 이용하였으나, 국내에서는 해마다 전술한 기존의 탄성받침이 적용된 많은 교량에서 제품에 결함이 발견되어 이를 교체하거나 보완하는 작업에 많은 비용이 소요되고 있는 실정이다. 또한, 45톤 용량의 탄성받침을 제조할 때, 철판을 보강재로 사용하였을 때, 17㎏의 고중량을 사용함으로 인해 운반 및 작업성이 현저히 저하된다. 또한, 철판의 경우 제조과정에서 필연적으로 강재의 표면처리 비용이 발생하게 되고, 장시간 사용 시 기후 조건 및 습도 등으로 강재의 표면에 부식이 일어나고, 피로도 증가 및 낮은 내충격성으로 인한 파괴가 일어나 수명이 짧은 단점이 있다. 또한, 내부 철판 보강재 외부에 형성되는 고무의 접착이 유지되지 못하고 서로 떨어지는 경우가 많은 결함을 내포하고 있으며 이에 대한 보완이 절실히 요구되는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 유리섬유프리프레그 단독적층 또는 유리섬유프리프레그와 탄소섬유프리프레그를 하이브리드 적층하여 형성된 코어성형체를 포함하는 탄성복합구조체를 제조함에 따라 기계적 물성이 향상되고, 큰 굴곡변형률을 가지며, 내충격성, 내마모성 및 경량화로 인한 작업 효율이 향상된 탄성받침용 탄성복합구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 코어성형체로써 유리섬유프리프레그와 탄소섬유프리프레그를 교호적층함에 따라 특정방향으로 휘는 현상을 방지할 수 있는 탄성받침용 탄성복합구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 코어성형체와 고무층 계면에 페놀수지 용액을 도포하여 바인더층을 형성함에 따라 코어성형체와 고무층 간의 접착력이 향상되어 박리를 방지하고, 내충격성이 더욱 향상된 탄성받침용 탄성복합구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 연구한 결과, 본 발명의 탄성복합구조체는 복수의 유리섬유프리프레그로 적층된 적층체 또는 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 다층으로 교호적층된 복합적층체로부터 제조된 코어성형체; 상기 코어 성형체를 감싸고 형성되는 고무층; 및 상기 코어성형체와 고무층의 계면에 형성되는 탄성수지입자를 함유하는 페놀계수지 바인더 층; 을 포함할 수 있다.

상기 코어성형체는 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그가 다층으로 교호적층된 것일 수 있다.

상기 코어성형체는 중심부의 프리프레그를 기준으로 상하 대칭일 수 있다.

상기 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그는 비스페놀계 에폭시수지에 함침된 것일 수 있다.

상기 바인더층은 유기용제에 용해된 페놀계수지 용액 100중량부에 대하여, 탄성수지입자 5 내지 300중량부 분산되어 있는 바인더 조성물을 도포하고 건조하여 형성된 것일 수 있다.

상기 탄성수지입자는 고무 또는 엘라스토머 입자로서 10 내지 300㎛의 평균입경을 가지는 것일 수 있다.

본 발명의 상기 탄성복합구조체의 제조방법은 a) 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 프리프레그가 다층으로 적층하여 코어성형체를 제조하는 단계; b) 상기 코어성형체 표면에 탄성수지입자를 함유하는 페놀계수지 용액을 도포하여 건조하는 단계; 및 c) 상기 페놀계 수지 용액이 도포된 코어성형체에 고무를 둘러싸 고무층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 가공성이 우수한 탄성복합구조체는 기계적 물성이 향상되고, 큰 굴곡변형률을 가지며, 내충격성, 내마모성 및 경량화로 인한 작업 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄성복합구조체는 코어성형체로써 유리섬유프리프레그와 탄소섬유프리프레그를 교호적층됨에 따라 특정방향으로 휘는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄성복합구조체는 코어성형체로써 복수의 유리섬유프리프레그를 적층하거나 유리섬유프리프레그와 탄소섬유프리프레그를 혼용하여 사용함에 따라 외부 힘에 대한 변형 또는 파단에 강하며, 내화학성이 우수하여 부식을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄성복합구조체는 코어성형체와 고무층 계면에 페놀수지 용액을 도포하여 바인더층이 형성되어 접착력이 향상되어 박리를 방지하고, 내충격성이 더욱 향상 시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성복합구조체의 코어성형체 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄성복합구조체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성복합구조체의 및 철판의 전단하중 작용 시 보강판의 길이 방향 굴곡 변형률 분포이다.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 참조일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현 될 수 있다.

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

본 명세서에서 “프리프레그(Prepreg)”는 Preimpregnated Material의 약어이며, 기지재(Matrix)인 열경화성 수지를 강화섬유에 미리 함침시킨 반경화상태의 시트를 의미한다.

또한, 본 발명에서 적층되는 유리섬유프리프레그는 하나 또는 둘 이상의 유리섬유프리프레그가 적층된 것일 수 있다. 탄소섬유프리프레그 또한 하나 또는 둘 이상의 탄소섬유프리프레그가 적층된 것일 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명을 구체적으로 설명하면,

본 발명의 탄성복합구조체는 복수의 유리섬유프리프레그로 적층된 적층체 또는 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 다층으로 교호적층된 복합적층체로부터 제조된 코어성형체; 상기 코어 성형체를 감싸고 형성되는 고무층; 및 상기 코어성형체와 고무층의 계면에 형성되는 탄성수지입자를 함유하는 페놀계수지 바인더층;을 포함할 수 있다.

본 발명은 내진보강 탄성받침용 탄성복합구조체를 제조함에 있어서, 복수의 유리섬유프리프레그를 적층하여 우수한 굴곡변형률로 파단을 감쇠시킬 수 있다. 또한, 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 혼용하여 도 1에 도시된 바와 같이 코어성형체를 제조하여 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그의 장점을 결합하여 시너지를 발휘하고, 단점을 보완할 수 있다. 또한, 종래에 사용되는 철판의 경우 하나의 물성을 고정적으로 나타내는 한계가 있지만, 본 발명의 탄성복합구조체는 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그의 비율을 조절함에 따라 원하는 물성을 구현할 수 있다.

또한, 종래와 같이 섬유강화플라스틱 자체를 코어성형체인 보강재로 사용하지 않고, 프리프레그 형태로 사용함으로써, 강화섬유인 탄소섬유와 유리섬유의 비율조절, 강화섬유 배향조정 및 재단이 용이하고, 가공시간이 단축되며, 균일한 물성을 기대할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 상기 탄성복합구조체는 코어성형체로 복수의 유리섬유프리프레그를 적층함에 따라 우수한 굴곡변형률로 파단을 감쇠시킬 수 있다. 또한, 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 다층으로 적층함에 따라, 탄소섬유프리프레그의 장점인 우수한 인장강도, 굴곡강도, 내화학성을 가지며, 유리섬유프리프레그의 장점인 큰 굴곡변형률, 내화학성을 상호보완적으로 발현할 수 있다. 이의 정확한 메카니즘은 알 수 없으나, 놀랍게도 탄소섬유프리프레그를 단독으로 적층하여 사용하였을 때보다 복수의 유리섬유프리프레그를 적층하거나 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 다층으로 적층함에 따라 현저히 굴곡강도, 굴곡변형률 및 굴곡탄성율이 향상되어 바인더층 및 고무층을 포함하여 제조된 본 발명의 탄성복합구조체로 제조되어 탄성받침으로 적용하였을 때, 우수한 전단계수로 외부 환경 및 힘에 의한 변형 또는 파단에 견딜 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 코어성형체는 복수의 유리섬유프리프레그를 적층한 것일 수 있다. 종래에는 탄소섬유프리프레그만을 적층하여 사용하였을 때는 굴곡강도는 우수하나, 굴곡변형률이 낮아 탄성받침으로 사용될 때 전단계수가 낮아 발생되는 외부의 힘에 파단되는 현상이 발생하였다. 이에 반해, 상기와 같이 복수의 유리섬유프리프레그를 적층하면 굴곡강도는 규격이내이며 소량저하되지만 굴곡변형률은 향상되어 탄성받침으로 사용하였을 때 발생하는 외부 힘에 따른 파단이 발생하지 않도록 견디는 힘이 우수하여 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 코어성형체는 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그가 다층으로 교호적층된 것일 수 있다. 상기와 같이 프리프레그가 교호적층됨에 따라 우수한 인장강도, 굴곡강도 및 굴곡변형률 등의 물성이 균일하게 발현됨에 따라 특정방향에 따른 충격에 의한 파단을 감쇠시킬 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 코어성형체는 KS F 4420에 의거한 탄성받침 제조 치수에 따라 3 내지 5 ㎜의 두께로 제조될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그의 비율은 두께비율로써, 80:20 내지 20:80일 수 있다. 상기의 두께비율로 적층되었을 때, 기계적 강도가 우수하면서, 굴곡변형률이 향상되어 굴곡하중과 같은 외부 힘을 받을 때 탄성복합구조체가 변형을 하면서 에너지를 흡수하여 충격을 흡수하여 파단되지 않아 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라, 상기 코어성형체는 중심부의 프리프레그를 기준으로 상하 대칭일 수 있다. 또한, 상기와 같이 대칭적이기 때문에 적층된 코어성형체의 상부층 및 하부층은 동일한 프리프레그가 적층되어 있을 수 있다. 상기와 같이 대칭적으로 코어성형체가 적층되었을 때, 특정방향에 대하여 휨현상이 발생되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그는 비스페놀계 에폭시수지에 탄소섬유 또는 유리섬유가 함침된 것일 수 있다. 상기와 같이 열경화성 수지인 비스페놀계 에폭시수지에 강화섬유가 함침된 것으로 제조할 경우 기계적 물성의 밸런스가 우수하고, 경화 수축이 작아 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 비스페놀계 에폭시수지는 구체적인 예를 들어, 비스페놀 A형 에폭시수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지 및 비스페놀 S형 에폭시 수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그는 일 양태에 따라 강화섬유는 단일 방향으로 배열된 프리프레그 뿐만 아니라 수직방향에 대한 충격 강화를 위하여 직조된 형태의 강화섬유를 이용하여 등방성을 갖도록 제조된 프리프레그 등에서 선택하여 사용할 수 있다. 상기 직조된 형태는 플레인(Plain, 0˚, 90˚)와 새틴(satin)의 형태가 있으며, 이는 본 발명의 탄성복합구조체의 요구되는 물성 및 특성에 따라 선택될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 종래에는 요철을 가지는 표면이 형성된 보강재를 사용하고, 고무층을 둘러싸서 탄성구조체를 제조하였다. 이는 재단되는 고무층과 보강재의 표면이 일치하지 않는 부분에 따라 공극이 발생하여 일부분에 충격이 가해지면 작은 충격에도 공극이 생기 계면이 동시에 박리되는 단점이 있었다. 이에 반해, 본 발명의 프리프레그는 평평한 표면을 가짐에 따라 고무층의 표면과의 밀착력이 우수하여 균일하게 충격이 분산되어 박리를 방지할 수 있다. 또한, 이러한 계면에 바인더층이 형성되어 더욱 우수한 밀착력 및 접착력을 가져 박리가 발생하지 않는 내구성을 가질 수 있어 바람직하다.

본 발명의 고무층은 코어성형체의 상하면, 외주면을 둘러싸서 감싸는 형태로 형성될 수 있다. 상기 고무층은 천연고무, 네오프렌고무, 합성고무 및 클로로프렌고무 등의 고무를 사용할 수 있으나, 물성이 만족되는 고무를 사용하면 되므로 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 고무층으로 코어성형체를 둘러싸서 감싸는 형태에 따라 탄성복합구조체의 상하면, 외주면에서 발생하는 어떠한 충격에서도 충격완화효과를 가질 수 있어 바람직하다.

본 발명의 탄성복합구조체는 상기 코어성형체와 고무층의 계면에 형성되는 탄성수지입자를 함유하는 페놀계수지 바인더층을 형성하여 코어성형체와 고무층 간의 접착력 및 밀착력을 가질 수 있다. 일 양태에 따라 상기 바인더층은 유기용제에 용해된 페놀계수지 용액에 탄성수지입자가 분산되어 있는 바인더 조성물을 코어성형체 또는 고무층 상에 도포하고 건조하여 형성된 것일 수 있다. 상기와 같이 바인더 조성물로 바인더층을 형성할 경우 코어성형체와 고무층 간의 접착력 및 밀착력이 향상될 뿐만 아니라 계면에 따른 약한 충격성이 강화되어 외부의 힘이 작용하여도 내충격성 향상으로 충격을 흡수하여 계면의 분리를 방지하고, 더욱 우수한 전단계수를 나타낼 수 있어 바람직하다.

일 양태에 따라 상기 바인더층은 접착성 및 밀착성 향상과 코어성형체와 고무층 간의 충격전달에 방해되지 않기 위하여 1 내지 100 ㎛ 두께로 제조되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 바인더 조성물은 상기 유기용제에 용해된 페놀계수지 용액 100중량부에 대하여, 탄성수지입자 5 내지 300중량부 분산된 것일 수 있다. 바람직하게는 페놀계수지 용액 100중량부에 대하여, 탄성수지입자 30 내지 150중량부 분산된 것일 수 있다. 상기의 함량으로 바인더 조성물이 제조될 경우 도포 시 균일하게 도포될 수 있으며, 접착력 및 충격흡수력이 동시에 향상될 수 있어 바람직하다.

또한, 상기 페놀계수지 용액은 일 양태에 따라 계면의 접착력 및 밀착력 향상을 위하여 페놀계수지 20 내지 60중량%와 유기용제 40 내지 80중량%로 제조될 수 있다. 상기 페놀계수지 용액은 점도가 26℃에서 Brookfield LV2/12 로 측정 시 100 내지 1,000cps일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 페놀계 수지는 노볼락형 페놀수지 또는 레졸형 페놀수지 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 유기용제는 페놀수지를 용해할 수 있는 유기용제의 경우 특별히 제한되는 것은 아니지만, 구체적인 예를 들어, 톨루엔, 크실렌, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드 및 디메틸아세트아마이드 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.

본 발명의 상기 탄성수지입자는 고무 또는 엘라스토머 입자일 수 있으며, 상기 고무 또는 엘라스토머는 부타디엔 고무, 염화 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔-스티렌, 아크릴로니트릴 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 아크릴 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔, 반응형 올레핀계 고무(RTPO), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 고무, 스티렌-이소프렌-스티렌 고무, 에틸렌옥텐 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 고무 및 스티렌-프로필렌 고무 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 수 있다.

일 양태에 따라 상기 탄성수지 입자는 10 내지 300㎛의 평균입경을 가지는 것일 수 있다. 바람직하게는 10 내지 200㎛의 평균입경을 가지는 것일 수 있다. 상기 입경을 가질 경우 페놀계수지 용액과의 혼화성이 향상되어 균일하게 도포됨에 따라 향상된 내충격성 및 기계적 물성이 균일하게 발현되며, 계면에서 발생하는 충격 및 에너지를 흡수하여 박리가 발생을 방지하여 탄성복합구조체의 전단계수 및 내구성이 더욱 향상되어 바람직하다.

본 발명의 상기 탄성복합구조체는 일 양태에 따라, 단수의 상기 코어성형체의 상하면 및 외주면을 고무층으로 감싸는 형상으로 제조될 수 있다. 또 다른 양태에 따르면, 복수의 코어성형체를 적층한 후 상하면 및 외주면을 고무층으로 감싸는 형상으로 제조될 수 있다. 또 다른 양에 따르면, 복수의 코어성형체 계면에 고무층을 적층하고, 상하면 및 외주면을 고무층으로 둘러싸면 복수의 코어성형체가 고무층 내에서 이격된 형상으로 제조될 수 있다. 상기 이격된 형상을 복수의 코어성형체가 모두 이격된 형상을 할 수 있고, 또는 일부는 적층되고, 일부는 계면에 고무층이 적층되어 이격된 형상으로 제조될 수 있다.

본 발명의 상기 탄성복합구조체의 제조방법은 구체적으로 예를 들면, a) 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 프리프레그가 다층으로 적층하여 코어성형체를 제조하는 단계; b) 상기 코어성형체 표면에 탄성수지입자를 함유하는 페놀계수지 용액을 도포하여 건조하는 단계; 및 c) 상기 페놀계 수지 용액이 도포된 코어성형체의 표면에 고무를 둘러싸 고무층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 탄성복합구조체는 코어성형체로 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 다층으로 적층하여 제조함에 따라, 탄소섬유프리프레그의 장점인 우수한 인장강도, 굴곡강도, 내화학성을 가지며, 유리섬유프리프레그의 장점인 큰 굴곡변형률율, 내화학성을 상호보완적으로 발현할 수 있어 바람직하다. 이에 따라, 본 발명의 탄성복합구조체를 이용하여 탄성받침으로 적용하였을 때, 연직하중 및 수평변위 변화 등의 외부 환경 및 힘에 의한 변형 또는 파단에 견딜 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 코어성형체는 복수의 유리섬유프리프레그를 적층하여 우수한 굴곡변형률로 파단을 감쇠시킬 수 있다. 또한, 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그가 다층으로 교호적층하여 제조할 수 있다. 상기와 같이 프리프레그가 교호적층할 경우 우수한 인장강도, 굴곡강도 및 굴곡변형률 등의 물성이 균일하게 발현됨에 따라 특정방향에 따른 충격에 의한 파단을 감쇠시킬 수 있어 바람직하다.

상기 탄성복합구조체의 제조방법의 일 양태에 따라 a)단계에서 다층으로 적층된 코어성형체는 몰드에서 성형되며, 상기 코어성형체는 몰드 내에서 70 내지 150℃로 승온시킨 후 0.1 내지 10톤의 압력을 가하여 100 내지 300분 동안 경화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 더 바람직하게는 몰드 내에서 100 내지 150℃로 승온시킨 후 0.1 내지 5톤의 압력을 가하여 100 내지 200분 동안 경화시킬 수 있다.

일 양태에 따라 상기 몰드에서 성형되는 것을 구체적으로 예를 들면, 상기 코어성형체를 하부 몰드에 적층 시킨 후 상부 몰드를 체결 후 상기 몰드를 오토클레이브 또는 핫 프레스를 이용하여 상하 플레이트 면 사이에 위치시킨 후 경화시킬 수 있다.

또한, 상기 몰드 내에서 경화시킨 코어성형체는 압력을 유지한 상태로 상온까지 냉각시킨 후 몰드에서 탈형하여 제조될 수 있다.

상기 탈형을 용이하게 진행하기 위하여 일 양태에 따라 몰드 내에 테프론 코팅 처리를 한 후 성형할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 탄성복합구조체는 일 양태에 따라 바인더 조성물을 도포하기 전 전처리 공정을 거칠 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전처리 공정은 예를 들어, 코어성형체 표면의 이물질 제거를 위한 쇼트공정, 용제를 이용하여 유기물질 제거를 위한 표면 세척 공정 및 세척 후 잔여 용제 제거 및 바인더층의 증착성 향상을 위한 열처리 공정 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 전처리 공정을 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 이 외에도 바인더층의 고정력 향상을 위하여 코로나 또는 플라즈마 처리 등을 더 수행할 수 있다.

본 발명의 상기 b)단계에서 유기용제에 용해된 페놀계수지 용액에 탄성수지입자가 분산되어 있는 바인더 조성물을 코어성형체 또는 고무층 상에 도포하고 건조하여 바인더층을 형성할 수 있다. 상기와 같이 바인더 조성물로 바인더층을 형성할 경우 코어성형체와 고무층 간의 접착력 및 밀착력이 향상될 뿐만 아니라 계면에 따른 약한 충격성이 강화되어 외부의 힘이 작용하여도 내충격성 향상으로 충격을 흡수하여 계면의 분리를 방지하고, 더욱 우수한 전단계수를 나타낼 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 바인더 조성물은 상기 유기용제에 용해된 페놀계수지 용액 100중량부에 대하여, 탄성수지입자 5 내지 300중량부 분산된 것일 수 있다. 바람직하게는 페놀계수지 용액 100중량부에 대하여, 탄성수지입자 30 내지 150중량부 분산된 것일 수 있다. 상기의 함량으로 바인더 조성물로 도포 시 균일하게 도포될 수 있으며, 접착력 및 충격흡수력이 동시에 향상될 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 바인더 조성물은 스프레이 분사코팅, 롤러코팅, 스크린 인쇄, 브러쉬 코팅, 플로우 코팅 및 딥 코팅 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 도포하여 코팅할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 건조 시 조건은 본 발명에서 제한하지 않으나, 20 내지 80℃에서 30분 내지 2시간 내외로 수행할 수 있다.

상기 바인더층은 접착성 및 밀착성 향상과 코어성형체와 고무층 간의 충격전달에 방해되지 않는 도포두께로 제조되기 위하여 건조 후 1 내지 100 ㎛로 도포되는 것, 더 바람직하게는 건조 후 1 내지 25 ㎛로 도포되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 c)단계 이후 제조된 탄성복합구조체를 프레스를 사용하여 가열, 가압하여 탄성받침용 탄성복합구조체를 제조할 수 있다. 상기 가열, 가열은 제조되는 탄성받침용 탄성복합구조체 제조 규격에 따라 KS F4420에 의거하여 온도는 120 내지 250 ℃의 범위, 압력은 500 기압이하의 범위를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기와 같이 온도와 압력을 일정시간동안 가류공정을 수행하여, 탄성복합구조체 간의 결합력을 향상시킬 뿐만 아니라 고무층에 우수한 내충격성 및 탄성을 부여하여 외부 힘에 의한 변형 및 파단을 방지할 수 있어 바람직하다.

이에 따라, 본 발명의 탄성복합구체의 우수한 굴곡강도 및 굴곡변형률을 갖는 코어성형체와 바인더층을 통하여 결합된 고무층의 결합력이 더욱 향상됨에 따라 우수한 전단계수를 나타낼 수 있다.

본 발명의 제조방법으로 제조된 탄성복합구조체는 인장강도, 굴곡강도, 내화학성, 내충격성, 전단계수 등이 우수하여 외부 환경 및 힘에 의한 변형 또는 파단에 견딜 수 있다. 이에 따라 도로, 철도 교량 등의 토목 구조물, 건물 및 플랜트 등에 적용되는 탄성받침으로 제조될 수 있어 지진 발생에 대비하여 구조물을 안전하게 지지하여 인명을 보호하는데 사용될 수 있다.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.

또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.

[물성측정방법]

1) 굴곡강도, 굴곡탄성률 및 굴곡변형률

ASTM D7264에 의거하여, 하기와 같이 제조된 코어성형체의 굴곡강도, 굴곡탄성, 굴곡변형률을 측정하였다.

2) 전단계수

KS F4420의 규격에 따라 제작된 3250톤 탄성받침 시험기로 하기와 같이 제조예의 탄성복합구조체의 전단계수를 측정하였다.

1. 코어성형체 제조

[제조예 1]

탄소섬유프리프레그(SK 케미칼, SKFLEX USN150BK, 두께 0.144㎜)와 유리섬유프리프레그(SK 케미칼, SKFLEX UGN110BK, 두께 0.1㎜)를 75:25 두께비로 적층하였다. 구체적으로 탄소섬유프리프레그는 nCP로 표현하고, 유리섬유프리프레그는 nGP로 표현하였고, n은 각 프리프레그가 적층되어 사용된 개수를 의미하고, m(nCP/nGP)와 같이 기재될 경우 m은 (nCP/nGP)이 m번 순서대로 반복되어 적층된 개수를 의미한다. 적층구성은 하기와 같이 표현하였다.

적층구성: 4GP/2(4CP/1GP)/5CP/2(1GP/4CP)/4GP

상기 적층된 하이브리드 프리프레그를 몰드의 하부면에 넣고 몰드의 상부를 결착하여 닫은 후 핫 프레스 상하 플레이트면 사이에 위치시켰다. 이 후 80℃로 승온시키고, 3톤의 압력을 가한 상태로 120분 동안 경화하였다. 경화가 끝난 후 압력을 유지한 상태에서 상온까지 냉각시켜 몰드에서 탈형하여 코어성형체(G75:C25)를 제조하였다. 상기 코어성형체의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

[제조예 2]

상기 제조예 1에서 적층구성을 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 동일하게 코어성형체(G50:C50)를 제조하였다. 상기 코어성형체의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

적층구성: 4GP/6(1CP/1GP)/1CP/1GP/1CP/6(1GP/1CP)/4GP

[제조예 3]

상기 제조예 1에서 적층구성을 하기와 같이 제조한 것을 제외하고는 동일하게 코어성형체(G25:C75)를 제조하였다. 상기 코어성형체의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

적층구성: 4GP/3(1CP/4GP)/1CP/3(4GP/1CP)/4GP

[제조예 4]

상기 제조예 1에서 프리프레그를 유리섬유프리프레그만 44GP 적층하여 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 코어성형체의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

[비교제조예 1]

상기 제조예 1에서 프리프레그를 탄소섬유프리프레그만 29CP 적층하여 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 코어성형체의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

[비교제조예 2]

상기 제조예 2에서 적층구성을 제조한 것을 14CP/20GP로 적층하여 사용한 것을 제외하고는 동일하게 코어성형체(G50:C50-1)를 제조하였다. 상기 코어성형체의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

	굴곡강도(MPa)	굴곡변형률	굴곡탄성률(GPa)
제조예 1	1870.30	0.0151	123.10
제조예 2	1724.65	0.0170	108.00
제조예 3	1602.30	0.0200	86.50
제조예 4	1032.20	0.0252	46.70
비교제조예 1	1326.50	0.0110	115.70
비교제조예 2	1496.30	0.0180	92.40

상기 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제조예로 제조된 코어성형체는 비교제조예로 제조된 코어성형체와 비교하면 굴곡강도, 굴곡변형률 및 굴곡탄성이 현저히 상승하는 것을 확인하였다. 이로 인하여 상기와 같이 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그를 다층으로 적층함에 따라 굴곡강도 및 굴곡탄성이 시너지를 발휘하여 크게 향상되어 우수한 기계적 물성 및 내충격성을 가질 수 있다. 또한, 굴곡변형률이 향상되면서 굴곡하중 등의 충격을 가하였을 때의 파단을 감쇠시키는 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 종래의 철판의 경우 도 3과 같이 전단 하중 작용 시 길이방향 굴곡변형률 분포가 불균일하므로 급격한 변형이 발생될 수 있는 것을 확인하였다. 실례로 한계하중 이상이 적용될 경우, 철판이 휘어지는 현상 및 깨짐이 발생하여 복원이 어려우며, 추후 발생되는 여진 등의 충격에 대처하지 못한다.

본 발명의 코어성형체로 탄성복합구조체를 제조 시 도 3과 같이 변형률이 균일하게 유지되어 외부 환경 및 힘에 의한 변형 또는 파단되는 것에 대한 저항력이 월등하고 경량화 또한 가능하다.

- 탄성복합구조체 제조

[실시예 1]

상기 제조예 1로 제조된 코어성형체의 표면에 톨루엔에 20중량%로 용해된 페놀수지용액 100중량부에 고무(평균입경 200㎛)22중량부 포함된 바인더 조성물(BRC(주), CILBOND 24,)을 50㎛ 두께로 스프레이 분사한 후 80℃에서 건조하여 20㎛ 두께의 바인더층을 형성하였다. 상기 바인더층이 형성된 코어중합체 4개를 도 2에 도시된 바와 같이 코어중합체가 이격되도록 계면에 KS F 4420의 규격에 맞도록 재단한 고무층을 적층하고 상하면, 외주면에 고무로 둘러싸 성형하여 탄성복합구조체를 제조하였다. 상기 탄성복합구조체를 65℃에서 30분동안 예열한 후 핫 프레스를 통하여 160℃에서 300기압으로 가열, 가압하여 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

[실시예 2]

상기 제조예 1로 제조된 코어성형체를 대신하여 제조예 2로 제조된 코어성형체를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

[실시예 3]

상기 제조예 1로 제조된 코어성형체를 대신하여 제조예 3으로 제조된 코어성형체를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

[실시예 4]

상기 제조예 1로 제조된 코어성형체를 대신하여 제조예 4로 제조된 코어성형체를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

[비교예 1]

상기 제조예 1로 제조된 코어성형체를 대신하여 비교제조예 1로 제조된 코어성형체를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

[비교예 2]

상기 제조예 1로 제조된 코어성형체를 대신하여 비교제조예 2로 제조된 코어성형체를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

[비교예 3]

상기 제조예 1로 제조된 코어성형체를 대신하여 철판을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

[비교예 4]

상기 실시예 1에서 바인더층을 형성하지 않고 고무층을 형성하는 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 상기 탄성복합구조체의 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

	전단계수(MPa)
실시예 1	1.12
실시예 2	1.00
실시예 3	0.95
실시예 4	0.72
비교예 1	1.19
비교예 2	0.81
비교예 3	1.12
비교예 4	0.62

상기 표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예로 제조된 탄성복합구조체는 비교예로 제조된 탄성구조체와 비교하였을 때, 전단강도가 우수하게 유지되어 전단 시 변형률이 우수하여 파단되는 것을 감쇠시키는 효과를 나타낼 수 있다.

상기 비교예 1의 경우 탄소섬유프리프레그로만 적층됨에 따라 낮은 굴곡변형률로 인하여 외부의 힘에 의한 변형 및 파단이 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 상기 비교예 2의 경우 프리프레그를 교호적층하지 않음에 따라 특정방향으로 휨현상이 발생하는 균일하지 못한 물성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 상기 비교예 3의 경우 종래의 우수한 굴곡강도, 굴곡변형률 및 굴곡탄성율을 갖는 철판을 사용하지만 스트레스 분포 측정 시 응력이 집중함에 따라 외부의 힘에 의한 변형 및 파단이 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 강도가 크지만 변형이 일어난 후 원상태로 복원이 되지 않았다. 비교예 4의 경우 바인더층이 형성되지 않아 고무층과 코어성형체 계면의 밀착성이 떨어져 쉽게 분리되어 전단계수가 현저히 감소하는 것을 확인하였다.

또한, 본 발명의 탄성복합구조체는 인장강도, 굴곡강도, 내충격성, 전단강도 등이 우수하여 외부 환경 및 힘에 의한 변형 또는 파단되는 것을 감쇠시킬 수 있다. 이에 따라 도로, 철도 교량 등의 토목 구조물, 건물 및 플랜트 등에 적용되는 탄성받침으로 제조될 수 있어 지진 발생에 대비하여 구조물을 안전하게 지지하여 인명을 보호하는데 사용될 수 있다.

또한, 경량화에 따라 교량 등의 어려운 작업 조건에서 보다 작업 및 운반 효율성이 향상되고, 실제 설치현장에서 시공비가 낮아져 경제적인 효과도 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 탄성받침용 탄성복합구조체 및 이의 제조방법이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 코어성형체 200 : 고무층 300 : 바인더층 400: 탄성복합구조체

Claims (6)

1. 복수의 유리섬유프리프레그로 적층된 적층체, 또는 복수의 탄소섬유프리프레그와 복수의 유리섬유프리프레그가 다층으로 교호적층된 복합적층체로부터 제조된 코어성형체;
   상기 코어 성형체를 감싸고 형성되는 고무층; 및
   상기 코어성형체와 고무층의 계면에 유기용제에 용해된 페놀계수지 용액 100중량부에 대하여, 탄성수지입자 5 내지 300중량부가 분산되어 있는 바인더 조성물을 도포하고 건조하여 형성된 탄성수지입자 및 페놀수지를 함유하는 페놀계수지 바인더 층;
   을 포함하는 탄성복합구조체.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 코어성형체는 중심부의 프리프레그를 기준으로 상하 대칭인 탄성복합구조체.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소섬유프리프레그와 유리섬유프리프레그는 비스페놀계 에폭시 수지에 함침된 것인 탄성복합구조체.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 탄성수지입자는 고무 또는 엘라스토머 입자로서 10 내지 300㎛의 평균입경을 가지는 것인 탄성복합구조체.
6. a) 복수의 유리섬유프리프레그를 적층하거나 복수의 탄소섬유프리프레그와 복수의 유리섬유프리프레그를 다층으로 교호적층하여 코어성형체를 제조하는 단계;
   b) 상기 코어성형체 표면에 유기용제에 용해된 페놀계수지 용액 100중량부에 대하여, 탄성수지입자 5 내지 300중량부가 분산되어 있는 바인더 조성물을 도포하여 건조하는 단계; 및
   c) 상기 바인더 조성물이 도포된 코어성형체에 고무를 둘러싸 고무층을 형성하는 단계;
   를 포함하는 탄성복합구조체의 제조방법.

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