KR102213848B1 - 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립 및 이를 이용한 격자 형상 지오그리드 - Google Patents

내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립 및 이를 이용한 격자 형상 지오그리드 Download PDF

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reinforced polymer
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Abstract

본 발명은 보강재인 다수의 섬유 집합체; 피복재인 열가소성 고분자 수지 및 상기 보강재 표면에 접착파우더를 이용한 접착재로 구성된 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립에 과한 것이다.

Description

내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립 및 이를 이용한 격자 형상 지오그리드{Durable Fiber-reinforced Polymer Strip And Lattice-shaped Geogrid}
본 발명은 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립 및 이를 이용한 격자 형상 지오그리드에 관한 것으로, 섬유 보강 고분자 스트립 제조시 보강섬유 주위에 폴리에스테르계 접착파우더를 도포하여 상기 보강섬유에 피복되는 고분자 수지와 접착력이 강화되어 자체 내구성이 향상되며, 또한 이를 이용한 격자 형상 지오그리드는 접점강력이 향상된 특징이 있다.
본 발명은 토목용 보강자재로서 주로 사용되는 지오그리드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지오그리드는 토목공사시 옹벽보강, 사면보강, 지반보강 등의 용도로 사용되고 있는데, 높은 인장력, 낮은 인장 변형율과 크리프 변형 특성 외에 내시공성, 마찰특성 및 형태안정성 등의 물성이 요구된다. 지오그리드는 제조방법 및 재료에 따라서 플라스틱 지오그리드와 텍스타일 지오그리드로 구분된다.
플라스틱 지오그리드는 압출기를 통하여 압출된 고분자 시트를 롤러에 통과시켜 일정 간격으로 구멍을 뚫은 다음 일축 또는 이축으로 연신시켜 제조하거나(GB 19890020843호 참조), 고분자 수지를 스트립 형태로 압출 연신한 경방향 스트립과 위방향 스트립을 평면적인 격자 형태로 만든 다음 이들을 레이저 또는 마찰열을 이용하여 접착시키는 방법으로 제조한다(GB 2266540 참조). 그러나, 플라스틱 지오그리드는 소재 특성상 장시간 하중 부여시 크리프 변형이 크게 일어나므로 보강 구조물의 안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
텍스타일 지오그리드는 고강도 섬유를 이용하여 격자형태의 직물을 제직한 다음, 폴리비닐클로라이드, 역청, 아크릴, 라텍스 및 고무계 수지 등으로 피복하여 제조한다. 텍스타일 지오그리드는 고강도 섬유를 사용하므로 인장강력과 크리프 특성은 우수하나, 시공시 토질의 상태에 따라 지오그리드가 손상을 입을 가능성이 커서 내시공성이 저하되며 제조공정이 복잡하여 경제적으로도 바람직하지 않다.
한편, WO 99/28563호에는 섬유 보강 고분자 스트립을 경방향 스트립으로 하고 열가소성 고분자 수지 스트립을 위방향 스트립으로 하여 격자 형태로 접착시킨 지오그리드의 제조방법이 개시되어 있다. 전술한 특허에 있어서, 지오그리드는 경방향 섬유 보강 고분자 스트립이 이동되는 중에 열가소성 고분자 수지를 압출, 삽입하여 위방향 스트립을 형성하면서 접착시키며, 위방향 스트립에는 섬유 보강 고분자 스트립을 삽입할 수 있다고 기재되어 있다. 그러나, 이러한 방법으로 섬유보강 고분자 스트립을 접착시킬 경우에 고분자 내에 존재하는 보강섬유가 손상을 받아 물성이 저하될 뿐만 아니라, 경방향 고분자 스트립과 위방향 고분자 스트립이 모두 용용상태가 아니므로 스트립 사이에 완전한 접착이 이루어지지 않는다. 또한, 전술한 특허의 지오그리드는 평면적인 구조이므로, 마찰특성과 수직하중에 대한 형태안정성이 불량하다는 문제점이 있다.
또한 기존의 지오그리드의 섬유 보강 고분자 스트립의 제조방법에서 내부 보강재인 다수의 섬유 집합체에 피복재인 열가소성 고분자 수지를 용융상태에서 공급하는 것으로는 보강재의 종류에 따라 접착력이 낮아질 수 있어 격자 형상 지오그리드의 접점강력에 문제가 생길 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술의 문제점을 해결하여, 보강재 및 피복재의 접착력이 향상된 지오그리드의 섬유 보강 고분자 스트립을 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 내시공성, 마찰특성 및 형태 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 인장강력 및 낮은 인장 변형률과 크리프(creep) 변형 특성을 나타낼 수 있는 지오그리드를 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 보강재인 다수의 섬유 집합체; 피복재인 열가소성 고분자 수지 및 상기 보강재 표면에 접착파우더를 이용한 접착재로 구성된 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립을 제공한다.
또한 본 발명의 섬유 집합체는 서로 독립적으로 폴리에스테르 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유 및 무정형 금속 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 섬유 또는 이들 중 2종 이상의 섬유가 합사된 합사섬유인 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립을 제공한다.
또한 본 발명의 열가소성 고분자 수지는 서로 독립적으로 용융지수(MI)가 1 ~ 35인 폴리올레핀계 수지, 고유점도(IV)가 0.64 ~ 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드(polyvinylechloride), 폴리스타이렌(polystyrene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 수지 또는 이들 중 2종 이상의 수지가 혼합된 혼합수지인 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립을 제공한다.
또한 본 발명의 접착파우더는 테레프탈산 60~90몰%와 이소프탈산 10~40몰%로 조성된 디카르본산과 에틸렌글리콜 60~100몰%와 디에틸렌글리콜 0~40 몰%로 조성된 디올이 공중합한 저융점 공중합 폴리에스테르 수지를 분말화한 것으로, 유리전이온도(Tg)가 50℃ 이상이고, 경도(Shore D)가 80 이상이며, 연화점이 80~140℃인 것이 특징으로 하는 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립을 제공한다.
또한 본 발명의 섬유 보강 고분자 스트립은 소정 간격을 두고 다수의 경방향 및 위방향으로 평행하게 배치되며,상기 다수의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립 각각은, 상기 위방향 섬유 보강 고분자 스트립 중 어느 하나와 상면에서 교차하는 제1접점과 상기 위방향 섬유 보강 고분자 스트립 중 다른 하나와 하면에서 교차하는 제2접점을 적어도 하나 이상씩 포함하고,상기 접점들은 접점영역의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립의 열가소성 고분자 수지와 위방향 섬유 보강 고분자 스트립의 열가소성 고분자 수지가 서로 융착하여 고정된 것을 특징으로 하는 격자 형상 지오그리드을 제공한다.
본 발명은 섬유 보강 고분자 스트립 제조시 보강섬유 주위에 접착파우더를 도포하여 상기 보강섬유에 피복되는 고분자 수지와 접착력이 강화되어 자체 내구성이 향상된 특징이 있다.
본 발명의 지오그리드는 경방향 섬유 보강 고분자 스트립과 위방향 고분자 스트립이 상하로 교차되어 그 교차 접점들이 서로 융착, 고정됨으로서 흙 등의 보강 대상재료와의 마찰력과 수직하중에 대한 저항성이 증대되므로 형태 안정성과 내시공성이 우수할 뿐만 아니라, 고분자 수지 내부에 섬유로 보강된 섬유 보강 고분자 스트립을 사용하므로서 높은 인장강력, 낮은 인장 변형률과 크리프(creep) 변형 특성을 나타낸다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지오그리드를 나타낸 평면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지오그리드의 일부를 확대하여 나타낸 부분 확대 사시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섬유 보강 고분자 스트립 제조 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섬유 보강 고분자 스트립 제조 장치의 압출부에 대한 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지오그리드 제조 장치의 개략적인 구성을 나타낸 평면도 및 측면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지오그리드 제조 장치에 있어서 스트립 배열수단의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 바람직한 실시예에 지오그리드 제조 장치에 있어서 용착부의 구성을 개략적으로 나타낸 측면도 및 평면도로서, 도 7a,7b는 제1용착기의 구성을, 도 7c, 7d는 제2용착기의 구성을 각각 나타낸 도면.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 스트립 배열수단에서 섬유 보강 고분자 스트립을 밴딩하는 과정을 보여주는 개략적인 측면도.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 섬유 보강 고분자 스트립으로 지오그리드를 제조하는 과정을 보여주는 흐름도.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 스트립 배열수단의 구성과 그에 따라 배열된 섬유 보강 고분자 스트립의 형상을 보여주는 도면.
도 11a 내지 도 11c는 섬유 보강 고분자 스트립의 다양한 형상에 대한 예를 보여주는 단면도.
도 12는 종래의 지오그리드 격자 형상을 보여주는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 보강재인 다수의 섬유 집합체; 피복재인 열가소성 고분자 수지 및 상기 보강재 표면에 접착파우더를 이용한 접착재로 구성된 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립에 관한 것이다.
접착파우더(핫멜트 접착제)는 물이나 용제를 전혀 사용하지 않고, 가열 용융상태에서 피착재 표면에 도포 및 접착한 후 냉각하면 고화되어 접착되는 무공해 열용융형 접착제이다.
일반적인 핫멜트 접착 파우더는 자동차의 부품 등에 많이 사용되어 기재와 기재를 접착시켜주는 기능을 한다. 종류로는 올레핀(Olefin)계, 아마이드계, 폴리에스터계가 있다.
본 발명에서 접착파우더는 폴리에스테르계가 바람직하며 테레프탈산 60~90몰%와 이소프탈산 10~40몰%로 조성된 디카르본산과 에틸렌글리콜 60~100몰%와 디에틸렌글리콜 0~40 몰%로 조성된 디올이 공중합한 저융점 공중합 폴리에스테르 수지를 분말화한 것으로, 유리전이온도(Tg)가 50℃ 이상이고, 경도(Shore D)가 80 이상이며, 연화점이 80~140℃이다.
상기 저융점 공중합 폴리에스테르계 수지는 디카르본산과 디올을 공중합하되, 상기 디카르본산은 테레프탈산 60~90몰%와 이소프탈산 10~40몰%, 상기 디올은 에틸렌글리콜 60~100몰%와 디에틸렌글리콜 0~40몰%로 구성될 수 있다.
상기 테레프탈산은 그 에스테르 형성 유도체 또는 이들의 혼합물도 사용가능하며 상기 이소프탈산도 그 에스테르 형성 유도체 또는 이들의 혼합물도 사용가능하다.
또한 중합공정에서 최종 중합체의 중량 대비 안티몬계 촉매는 금속 안티몬 기준으로 100~500ppm을 투입하고 용융 중합 온도는 255~285℃ 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 안티몬 촉매로는 안티몬트리옥사이드(ATO) 또는 안티몬트리글리콜레이트(ATG)등이 있으며, 중합공정은 공지의 폴리에스테르 중축합 촉매를 투입하여 수행할 수 있다. 상기 언급한 원료 외에도 산화안정제, 소광제, 착색방지제 등 각종 첨가제의 투입이 가능하다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 저융점 공중합 폴리에스테르계 수지는 상온에서 응고되어 고체화된다. 이후에 분쇄기로 상온에서 분쇄하여 분말 파우더로 만든다.
본 발명의 접착 폴리에스테르계 접착파우더는 연화점이 80 ~ 140℃, 유리전이온도(Tg)가 50℃ 이상, 경도(Shore D)가 80이상이고, 용융 흐름지수가 5 ~ 40 g/10분이며 (190℃, 2.16kg 조건) 입자 크기는 50 ~ 1,500μm인 것이 바람직하다.
여기에서 용융 흐름 지수가 5g/10분 미만이면 가열 용융공정에서 접착파우더의 흐름이 원활치 못해 높은 접착력을 기대하기 어려우며, 용융 흐름 지수가 40g/10분을 초과할 경우 부직포 내부로 용융된 접착파우더가 너무 많이 흘러들어가 상대적으로 접착력이 낮아질 수 있다.
접착파우더는 연화점이 80~140℃로 80℃ 이하는 고온에서의 저장 안정성이 떨어지고, 140℃ 이상은 접착온도 증가 및 공정온도가 증가함에 따라, 공정 비용 증가와 기재손상이 일어날 수 있다. 유리전이온도(Tg)가 50℃ 이하일 경우 고온 저장안정성이 매우 떨어져 여름철 해외 수출시 이송할 때 파우더의 융착이 일어날 수 있다. 경도(Shore D)가 80이하일 경우 성형성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 상온분쇄가 가능한 핫멜트 접착파우더는 입자 크기가 50 ~ 1,500μm인 것이 바람직하다. 입자크기가 50μm 미만이면 접착파우더 산포시 보강재인 섬유 집합체에 흡수되는 양이 많아져서 접착파우더 사용량이 증가되며, 입자 크기가 1,500μm를 초과할 경우 접착파우더의 균일한 산포가 어려우며, 가열에 의한 용융이 원활하지 않아서 높은 접착력을 기대하기 어렵다.
고분자 수지 내부에 섬유로 보강된 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드는 높은 인장강력, 낮은 인장 변형률과 크리프(creep) 변형 특성을 나타내며 내시공성이 향상된다. 지오그리드의 인장강력과 접점강력 및 제조 공정성을 고려할 때, 섬유 보강 고분자 스트립의 횡단면을 사각 형상으로 형성하는 경우 그 폭과 두께는 각각 2 내지 30 mm 및 1 내지 10 mm, 더욱 바람직하게는 각각 3 내지 20 mm 및 1.5 내지 5 mm로 조절하는 것이 바람직하고, 섬유 보강 고분자 스트립의 횡단면을 원 형상으로 형성하는 경우에는 지름이 2 내지 20 mm, 더욱 바람직하게는 4 내지 15 mm로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 섬유 보강 고분자 스트립(1,2)을 구성하는 열가소성 고분자 수지(110)로는, 외부로부터 보강섬유(100)를 충분히 보호할 수 있고 상호 열융착이 가능한 열가소성 수지가 채용되는데, 예를 들어, 용융지수(MI)가 1 ~ 35인 폴리올레핀계 수지, 고유점도(IV)가 0.64 ~ 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드(polyvinylechloride), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔(polybutadiene) 등의 수지를 단독으로 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 섬유 보강 고분자 스트립(1, 2)을 구성하는 보강섬유(100)로는 높은 인장강력, 낮은 인장 변형률과 크리프(creep) 변형 특성을 갖는 고강도 섬유라면 모두 사용이 가능한데, 예를 들어 폴리에스테르 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 등을 단독으로 또는 이들을 1종 이상 합사하여 사용할 수 있다. 보강섬유의 기능을 충분히 발휘시키면서 열가소성 고분자 수지에 의해 보강섬유가 충분히 보호받도록 하기 위해서는 경방향 섬유 보강 고분자 스트립과 위방향 섬유 보강 고분자 스트립을 구성하는 섬유의 총 횡단면적이 섬유 보강 고분자 스트립 전체 횡단면적의 20 내지 80%로 유지하는 것이 바람직하다. 보강섬유의 총 횡단면적이 섬유 보강 고분자 스트립 전체 단면적의 20% 미만일 경우에는 보강섬유의 보강기능이 충분히 발휘되기 어렵고, 80%를 초과할 경우에는 고분자 층 두께가 너무 얇게 되므로 고분자에 의한 보강섬유의 집속 효과가 감소되고, 보강섬유가 충분히 보호받지 못하므로 내시공성이 저하된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지오그리드를 나타낸 평면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 지오그리드는 소정 간격을 두고 경방향으로 평행하게 배치된 다수의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)과, 소정 간격을 두고 위방향으로 평행하게 배치된 다수의 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)으로 형성된 격자 형상을 가진다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 '경방향'과 '위방향'은 당해 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 상호 교차하는 제1방향과 제2방향을 각각 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 단, 본 발명에 따르면 경방향과 위방향은 상호 직각으로 교차하는 것에 한정되지 않으며, 후술하는 바와 같이 지오그리드가 하중을 분산시킬 수 있고, 충분한 인발력을 발휘할 수 있는 범위 내에서 그 각도가 적절히 설정될 수 있다. 또한, 비록 본 명세서에서는 경방향을 기준으로 위방향에 대한 교차점을 설명하였으나, 이것은 상대적인 개념으로서 위방향에 대해서도 동일하게 적용될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따르면, 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)과 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)은 서로 상하로 교번하여 교차된다. 구체적으로 도 1과 그 일부 확대사시도인 도 2를 참조하면, 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)은 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)의 어느 하나(2a)와 그 상면에서 교차함으로써 제1접점(C1)을 이루고, 동시에 이웃하는 또 다른 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2b)과 그 하면에서 교차함으로써 제2접점(C2)을 형성한다. 이와 같은 방식으로 모든 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)이 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)에 대해 제1접점(C1)과 제2접점(C2)이 상호 교번되도록 교차하면, 도 1의 실시예로 도시된 바와 같이 제1접점(C1)과 제2접점C2)이 교대로 위치하는 이른 바 '평직구조'의 지오그리드가 형성되는데 본 발명자에 따르면 이 경우 지오그리드의 물성이 가장 극대화되는 것으로 나타났다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)은 연속되는 두 개 이상의 제1접점(C1) 또는 제2접점(C2)을 포함하도록 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)과 교차될 수 있는데, 이러한 실시예는 도 10b 및 도 10d에 도시되어 있다. 즉, 이들 도면의 실시예에 도시된 지오그리드에 있어서, 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)은 제1접점(C1) 사이에 연속되는 두 개의 제2접점(C2)을 가지거나 또는 연속되는 세 개의 제2접점(C2)을 가지도록 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)과 교차된다.
이와 같이 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)과 위방향 고분자 스트립(2)이 상하로 교차되어 형성된 지오그리드는 흙 등의 보강 대상재료와의 마찰력과 수직하중에 대한 저항성이 증대되므로 형태 안정성과 내시공성이 크게 향상된다. 다수의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립과 위방향 섬유 보강 고분자 스트립의 교차 각도는 80°~ 100°인 것이 바람직한데, 교차 각도가 80°보다 작거나 100°보다 큰 경우에는 수직하중에 대한 분산력과 인발력이 크게 저하되어 토목용 보강재로서 사용하지 못할 수 있다. 가장 바람직한 교차 각도는 90°이다.
경방향 및 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)(2)은 각각 열가소성 고분자 수지의 내부에 보강 섬유가 삽입된 구조인데, 도 11a 내지 도 11c에는 다양항 섬유 보강 고분자 스트립들의 단면도가 도시되어 있다. 상기 형상들은 다수의 섬유를 집합 또는 분산시킨 형태와 열가소성 고분자 수지의 압출 다이 형상을 변화시킴으로서 다양하게 얻을 수 있다. 예를 들어, 사각 형상의 횡단면을 갖도록 압출한 열가소성 고분자 수지(110)의 내부에 사각형, 타원형, 원형 등으로 다수의 섬유를 집합시킨 보강섬유(100)로 보강하여 섬유 보강 고분자 스트립(1, 2)을 형성하거나(도 11a 및 도 11b), 원 형상의 횡단면을 갖도록 압출한 열가소성 고분자 수지(110) 내부에 원 또는 타원 형상으로 섬유를 집합시킨 보강섬유(100)로 보강하여 섬유 보강 고분자 스트립(1,2)을 형성할 수 있으며(도 11c), 이 외에도 여러 가지 조합에 의해 다양한 횡단면 형상을 갖는 섬유 보강 고분자 스트립의 제조가 가능하다.
상기 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)과 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)이 교차되는 접점(C1)(C2)에 있는 열가소성 고분자 수지들은 서로 융착된다. 이에 따라 상하로 교차된 경방향 섬유 보강 고분자 스트립과 위방향 고분자 스트립이 상호 고정되므로, 수직하중에 대한 지오그리드의 형태 안정성이 유지되어 내시공성이 향상된다.
전술한 구조를 갖는 본 발명의 지오그리드에 있어서, 평행하게 배치된 다수의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립은 각각의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립의 중심라인을 기준으로 10 ∼ 100 mm의 간격, 더욱 바람직하게는 20 ∼ 80 mm의 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하고, 평행하게 배치된 다수의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립 역시 각각의 위방향 섬유 보강 고분자 스트립의 중심라인을 기준으로 10 ∼ 100 mm의 간격, 더욱 바람직하게는 20 ∼ 80 mm의 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다.
섬유 보강 고분자 스트립의 간격을 전술한 범위로 유지할 때, 토양이 분리되지 않고 일체화되어 보강재로서의 기능이 원활하게 발휘될 수 있다. 즉, 섬유 보강 고분자 스트립 사이의 간격이 너무 크게 되면 구조물이 받는 하중을 고루 분산시킬 수 없어 보강기능이 약화되며, 섬유 보강 고분자 스트립 사이의 간격이 너무 작게 되면 상ㆍ하부층의 분리가 일어나 보강기능이 제대로 발현되지 않는다.
본 발명에 따른 지오그리드는 먼저, 섬유 보강 스트립 제조장치에 의해 섬유 보강 스트립을 제조하고, 제조된 상기 섬유 보강 스트립을 사용하여 지오그리드 제조장치에 의해 제조된다. 이하 각 단계별로 나누어 살펴보도록 한다.
섬유 보강 스트립 제조
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섬유 보강 스트립 제조장치의 개략적 구성이 도 3에 그 기능별로 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 섬유 보강 스트립 제조장치는, 그 내부에 보강섬유(100)가 매립되도록 호퍼(11)를 통해 공급되는 고분자 수지(110)를 용융 압출하는 압출부(10)와, 상기 압출된 수지를 냉각시키는 냉각부(20)를 포함한다.
상기 압출부(10)는, 도 4의 상세도에서 보듯이, 공급되는 보강섬유(100) 주위에 고분자 수지(110)를 공급하여 피복되도록 함으로써 섬유 보강 고분자 스트립을 형성하는 크로스 헤드 다이(12)와, 상기 보강섬유(100)를 상기 크로스 헤드 다이(12)로 공급하는 통로를 제공함과 동시에 상기 섬유(100)로부터 공기를 제거하기 위해 진공상태를 제공하는 가이드 홀더(13)와, 상기 공급되는 보강섬유(100)의 위치를 설정하며 그 역류를 방지하는 니플(Nipple)(14)을 포함한다.
상기 크로스 헤드 다이(12)에는 보강섬유(100)의 공급방향으로 압출통로(12a)가 형성되어 있으며, 상기 압출통로(12a)로는 호퍼(11)에 저장된 고분자 수지(110)가 공급되는 수지공급통로(12b)가 연통되어 있다.
상기 가이드 홀더(13)에는 보강섬유(100)가 공급되는 섬유공급통로(13a)가 형성되어 있으며, 상기 가이드 홀더(13)는 상기 섬유공급통로(13a)가 압출통로(12a)와 연결되도록 크로스 헤드 다이(12)에 결합된다. 또한, 상기 섬유공급통로(13a)로 공급되는 보강섬유(100) 주위를 진공상태로 만들기 위해 펌핑수단(도 3의 13)과 연결된 진공배관(13b)이 섬유공급통로(13a)와 결합되어 있다.
상기 니플(14)의 중심에는 길이 방향으로 니플공(14a)이 형성되어 있으며, 상기 니플(14)은 그 니플공(14a)이 상기 섬유공급통로(13a)와 연결되도록 설치된다. 상기 니플(14)의 끝단은 크로스 헤드 다이(12)의 압출통로(12a)내에서 상기 수지공급통로(12b)가 연결된 지점 부근까지 연장되어 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이 니플공(14a)을 통과해 나오는 보강섬유(100)는 상기 수지공급통로(12b)를 통해 용융상태로 공급되는 고분자 수지(110)에 둘러싸여 피복되게 된다.
상기 냉각부(20)는, 예컨대 물과 같은 냉매가 담긴 냉각조(21)와 상기 냉매의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 항온조절수단(22)을 포함한다. 상기 압출부(10)에서 압출된 스트립은 상기 냉각조(21)를 따라 진행하면서 물에 의해 냉각되는데, 작업에 따라 상기 냉각조(21)의 길이는 적절히 조절될 수 있다.
도 3에서, 참조부호 3은 보강섬유(100)가 적치되어 있는 크릴, 참조부호 4는 상기 보강섬유(100)를 압출부(10)로 공급하는 피더, 4-1는 접착파우더 공급기이다.
참조부호 5는 압출되어 제조된 섬유보강 스트립을 일정한 속도로 잡아당기기 위한 권취수단, 그리고 참조부호 6은 상기 스트립을 일정한 길이로 감기 위한 와인더를 가리킨다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 스트립 제조장치의 동작을 살펴보면, 먼저 크릴(3)에 적치된 보강섬유(100)가 피더(4)에 의해 압출부(10)로 공급된다. 바람직하게, 상기 피더(4)에 의한 보강섬유의 공급속도와 권취수단(5)에 의한 스트립의 권취속도를 동일하게 함으로써, 보강섬유(100)에 일정한 장력이 유지되도록 한다. 이것은, 보강섬유(100)가 크로스 헤드 다이(12)를 통과할 때 발생하게 되는 열수축을 방지하도록 함으로써 지오그리드가 토목용 보강재료로서 제기능을 발휘할 수 있도록 한다.
또한 접착파우더 공급기(4-1)는 피더(4)의 한 구성으로, 압출부(10) 공급되기 전 보강섬유(100) 표면에 상온에서 보강재 표면에 폴리에스테르계 접착파우더을 산포한다. 보강섬유(100)는 섬유 집합체이고 일정한 장력이 유지되는 상태로 표면적이 최대한 늘어난 상태에서 상하전후 모든 방향으로 산포된다. 이때 폴리에스테르계 접착파우더가 보강섬유(100) 표면에 접착이 된다.
압출부(10)로 공급되는 보강섬유(100)는 가이드 홀더(13)의 섬유공급통로(13a)를 통과해 그와 연결된 니플(14)의 니플공(14a) 속으로 진입한다. 이어서, 상기 니플공(14a)을 통해 배출되는 섬유(100)는 크로스 헤드 다이(12)의 압출통로(12a) 내를 통과하게 된다.
이때, 상기 가이드 홀더(13)의 섬유공급통로(13a) 내부는 펌핑수단(도3의 13) 내의 진공펌프의 작동에 의해 진공상태로 유지되는데, 이것은 보강섬유가 용융수지와 접촉할 때 기포가 포획되는 것을 방지하기 위함이다. 상기와 같은 기포를 제거하지 않으면, 압축된 스트립 내부에서 기포가 팽창하거나 표면에서 터지게 되어 스트립 외관이 불량하고 그 물성 또한 저하된다. 또한, 기포가 팽창하면서 그 부분의 고분자 수지층이 얇아져, 시공 시에 가벼운 외부 충격에 의해서도 보강섬유가 손상될 우려가 있다.
상기 니플(14)을 통과한 보강섬유(100)는 수지공급통로(12b)를 통해 공급되는 용융된 고분자 수지에 둘러싸여 크로스 헤드 다이(12)를 빠져나가게 된다.
상기 용융된 고분자 수지의 열기에 의해 보강섬유(100) 표면에 산포된 폴리에스테르계 접착파우더가 용융되면서 상기 피복재인 고분자 수지와 접착이 증가된다. 용융된 고분자 수지가 바로 보강재 표면에 접촉하는 것보다 보강재 표면에 폴리에스테르계 파우더가 있는 경우 상기 파우더의 접착력이 강해서 보강재와 피복재의 결합력이 증가될 수 있다.
상기 니플(14)은 고분자 수지(110)가 가이드 홀더(13) 쪽으로 역류하는 것을 방지한다. 또한, 상기 니플공(14a)의 단면 형상을 다양하게 변화시킴으로써 도 11a 내지 도 11c에 도시된 다양한 형상의 보강섬유를 가진 제품을 얻을 수 있다.
또한, 상기 크로스 헤드 다이(12)의 압출통로(12a) 종단의 단면 형상을 변화시킴으로써 스트립의 외형을 변화시킬 수 있다.
상기 크로스 헤드 다이(12)를 빠져 나온 섬유 보강 고분자 스트립은 냉각부(20)의 냉각조(21)에서 물에 의해 냉각된다. 이렇게 냉각된 섬유보강 스트립은 권취수단(5)을 거쳐 와인더(6)에 일정한 길이로 감겨지게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 섬유 보강 고분자 스트립은 2 ~ 30 ㎜, 바람직하게는 3 ~ 20 mm의 폭과, 1 ~ 10 ㎜, 바람직하게는 1.5 ~ 5 mm의 두께를 가진 직사각형 단면 형상을 가지거나, 지름 2 ~ 20mm, 바람직하게는 4 ~ 15 mm인 원형 단면으로 제조된다. 만일 스트립의 폭 또는 지름이 2 mm보다 작을 경우에 최소 장력이 2 ton/m인 제품을 제조하기 어렵고 접점부착력이 낮으며, 스트립의 폭이 30mm 보다 크거나 또는 지름이 20mm보다 클 경우에는 후술하는 바와 같이 스트립 배열장치에 배열하거나 제조된 제품을 일정한 길이로 롤에 감는 작업이 곤란하다.
지오그리드제조
다음으로 제조된 섬유 보강 고분자 스트립을 이용하여 본 발명에 따른 지오그리드를 제조하는 과정에 대해 설명한다. 후술하는 제조방법에 따르면, 지오그리드를 저렴하게 대량으로 생산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 섬유 보강 고분자 스트립(1,2)은 각각 경방향과 위방향으로 배열되며, 그 스트립의 배열 형태를 변화시켜 격자 조직을 다양하게 함으로써 제품의 보강특성이 더욱더 잘 발현될 수 있도록 할 수 있다.
도 5a 및 도 5b에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지오그리드 제조장치의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 본 발명의 지오그리드 제조장치는 경방향 스트립 공급부(30), 위방향 스트립 공급부(40), 스트립 배열수단(50), 용착부(60), 권취수단(70), 및 와인더(71)를 포함한다.
상기 경방향 스트립 공급부(30)는 경방향 크릴(31)과, 스트립을 상기 크릴(31)에서 스트립 배열수단(50)으로 공급하는 경방향 피더(32)를 포함한다. 예컨대, 상기 피더(32)는 한 쌍의 롤러로 구성되어 그 사이에 고분자 스트립이 맞물려서 공급되도록 할 수 있다. 상기 경방향 크릴(31)에는 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)이 장착되며 상기 경방향 피더(32)의 작동에 의해 스트립 배열수단(50)으로 복수개가 나란하게 공급된다.
상기 스트립 배열수단(50)은, 경방향과 위방향 스트립(1)(2)을 교대로 교차시킴으로써 지오그리드를 직조하는 것으로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상호 대향하는 한 쌍의 상판(51)과 하판(52)을 포함한다. 상기 상판(51)과 하판(52)의 적어도 하나는 미도시된 구동수단에 의해 상호 승강운동을 한다.
상기 상판(51)과 하판(52)의 상호 대향면에는, 예컨대 공급되는 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)을 눌러서 구부리는 제1밴딩부재(80)와 제2밴딩부재(90)가 각각 구비된다. 도 6에 도시된 상판(51)과 하판(52)에는 가상적인 격자가 표시되어 있는데 상기 격자 사이의 간격(G)은 제조되는 지오그리드의 눈금 격자와 동일하다. 후술하는 바와 같이 상기 격자의 교차점 각각은 제조되는 지오그리드의 교차점에 대응한다.
상기 밴딩부재(80)(90)는 상기 가상적인 격자의 교차점에 설치되며, 이때 제1밴딩부재(80)와 제2밴딩부재(90)는 상호 마주하지 않고 엇갈리도록 교번하여 배치되는데, 상기 밴딩부재들의 설치 위치는 제조되는 지오그리드의 제1접점(C1)과 제2접점(C2)의 위치와 개수에 따라 설정된다. 본 실시예에서는 경방향과 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)(2)이 도 1에 도시된 바와 같이 상하로 규칙적으로 교번되는 소위 '평직구조'를 가지므로, 이 경우 상기 제1밴딩부재(80)와 제2밴딩부재(90) 역시 격자의 교차점을 하나씩 걸러 규칙적으로 배치된다.
상기 제1 및 제2밴딩부재(80)(90)에는 경방향으로 써포트 홈(81)(91)이 형성되어 있으며, 위방향으로는 관통홈(82)(92)이 형성되어 있다. 상기 써포트 홈(81)(91)은 후술하는 바와 같이 상판(51)과 하판(52) 사이로 공급되는 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)과 접촉하여 가압시 이탈되지 않도록 하는 것이며, 상기 써포트 홈(81)(91)의 폭은 상기 고분자 스트립(1)의 폭 보다 크게 형성된다.
상기 관통홈(82)(92)은 제1 및 제2밴딩부재(80)(90)에 의해 밴딩된 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)의 산과 골에 해당하는 부분으로 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)을 삽입할 때, 상기 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)이 통과하는 통로를 제공한다. 따라서, 상기 관통홈(82)(92)의 폭 역시 상기 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)의 폭보다 크도록 형성된다.
상기 관통홈(82)(92)은 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)의 통과가 용이하도록 그 깊이가 상기 써포트 홈(81)(91)의 깊이보다 크게 형성되며, 바람직하게 삽입되는 위방향 고분자 스트립(2)의 끝부분을 유도할 수 있도록 경사면(83)(93)이 각각 형성될 수 있다.
상기 위방향 스트립 공급부(40)는 위방향 크릴(41)과, 스트립을 상기 크릴(41)에서 스트립 배열수단(50)으로 공급하는 위방향 피더(42)를 포함한다. 이들 크릴(41)과 피더(42)의 구조는 경방향 스트립 공급부(30)의 그것과 동일하다.
상기 용착부(60)는 상기 스트립 배열수단(50)에서 배열된 스트립의 접점들을 상호 접착시키는 장치로서, 바람직하게는 제1 및 제2용착기(61)(62)로 구성된다. 본 발명에 따르면, 고분자 수지 내부에 존재하는 보강 섬유를 손상시키지 않으면서 최대 강도를 발휘할 수 있도록 진동에 의해 스트립들을 상호 접착한다.
상기 제1용착기(61)의 구성이 도 7a에 도시되어 있다. 도시된 바와 상기 용착기(61)는 상호 마주하며, 그 사이로 경방향 및 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)(2)의 배열체가 공급되는 상부지그(jig)(63) 및 하부지그(64)를 포함한다. 상기 상부지그(63)와 하부지그(64)의 대향면에는 상호 대향하는 한 쌍의 제1지지홀더(63a)(64a)가 복수개 형성되어 있다.
마찬가지로 제2용착기(62)의 구성 또한 도 7c에 도시된 바와 같이, 상부지그(65)와 하부지그(66)로 구성되며, 상기 상부 및 하부지그(65)(66)의 대향면에 상호 대향하도록 돌출형성된 복수개의 제2지지홀더(65a)(66a)들을 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1지지홀더(63a)(64a) 및 제2지지홀더(65a)(66a)들의 위치는 상기 스트립 배열수단(50)에서 배열된 경방향 및 위방향 고분자 스트립(1)(2)의 상호 접점 위치에 대응되는데, 예를 들어, 도 7b 및 도 7d에 각각 도시된 바와 같이, 상기 제1지지홀더(63a)(64a)들은 제1접점(도 1의 C1)들의 위치에 대응하여 이들 접점들을 상호 융착시키고, 사이 제2지지홀더(65a)(66a)들은 제2접점(C2)들의 위치에 대응하여 이들 접점들을 상호 융착시킨다.
상기 지지홀더들은 그 단부가 거칠게 처리되어 상기 고분자 스트립과 접촉할 때 미끄러지지 않도록 되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 본 실시예에 의해 한정되지 않으며 상기 고분자 스트립을 가압하여 지지할 수 있는 구조는 다양하게 변형되어 실시될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
상기 용착기는 상부지그와 하부지그의 상대적인 진동운동에 의해 보강섬유(100)를 감싸고 있는 고분자 수지(110)를 단시간 내에 용융시킴으로써 접착이 이루어지도록 한다. 예를 들어, 제1용착기(61)의 제1지지홀더(63a)(64a)가, 고분자 스트립 배열체의 제1접점(C1) 위치에서 각각 경방향 고분자 스트립(1)의 상면과 위방향 고분자 스트립(2)의 하면을 눌러서 지지한 상태에서, 하부지그(64)가 고정된 채로 상부지그(63)가 경방향에 직각인 방향으로 진동운동하게 되면, 상기 제1접점(C1) 위치의 고분자 수지가 용융되어 접착된다.
마찬가지로, 제2용착기(62)의 제2지지홀더(65a)(66a)가, 고분자 스트립 배열체의 제2접점(C2) 위치에서 각각 위방향 고분자 스트립(2)의 상면과 경방향 고분자 스트립(1)의 하면을 눌러서 지지한 상태에서, 상부지그(65)가 고정된 채로 하부지그(66)가 경방향에 직각인 방향으로 진동운동하게 되면, 상기 제2접점(C2) 위치의 고분자 수지가 용융되어 접착된다.
비록 본 실시예에서는 상기 용착부(60)의 구성을 구체적인 도면으로 예시하였으나 본 발명이 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상호 교차하는 경방향 고분자 스트립과 위방향 고분자 스트립 사이에 상호 진동운동을 유발시켜 이들을 용융접착시킬 수 있는 수단은 본 발명의 기술적 사상 내에 포함된다.
그러면, 도 9를 참조하여, 상기와 같은 구조를 가진 지오그리드 제조장치를 이용하여 본 발명에 따른 지오그리드를 제조하는 과정에 대해서 살펴보기로 한다.
먼저, 앞서 스트립 제조과정에서 제조된 섬유 보강 고분자 스트립은 각각 경방향 스트립 공급부(30)의 경방향 크릴(31)과 위방향 스트립 공급부(40)의 위방향 크릴(41)에 상호 나란하게 장착된다(단계 S300).
이때, 크릴(31)(41)에 장착되는 섬유보강 고분자 스트립(1)(2)들의 간격은 그 중심선을 기준으로 10 ~ 100 mm, 바람직하게는 20 ~ 80 mm가 되도록 한다. 예를 들어, 최종 지오그리드 제품의 폭을 1 ~ 5 m로 할 경우에 공급되는 스트립은 10 ~ 500개가 된다. 만약 스트립 사이의 간격이 100 mm 이상으로 너무 크면 구조물이 받는 하중을 고루 분산시킬 수 없어 보강기능이 약화되며, 반대로 스트립 사이의 간격이 10 mm 이하로 너무 작으면 토양의 상ㆍ하부층의 분리가 일어나 보강기능이 제대로 발현되지 않는다. 상기 고분자 스트립들의 간격이 위와 같은 범위 내에서 유지될 경우에 토양이 분리되지 않고 일체화 되어 보강재로서의 기능을 발휘할 수 있다.
이어서, 경방향 피더(32)에 의해 상기 경방향 크릴(31)로부터 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)들이 스트립 배열수단(50) 내로 나란하게 공급된다(단계 S310). 이때, 상기 스트립 배열수단(50)의 상판(51)과 하판(52)은 상호 이격된 상태로 유지되며, 따라서 상기 경방향 고분자 스트립(1)들은 상기 제1밴딩부재(80) 및 제2밴딩부재(90)의 써포트 홈(81)(91)을 연결하는 직선을 따라 진입한다. 바람직하게, 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)의 공급이 완료되면 미도시된 절단수단을 이용해 상기 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)을 적절한 길이로 절단한다.
다음으로, 단계 S320에서, 상기 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(1)들을 눌러서 밴딩한다. 이때, n번째 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(실선으로 도시됨)(도 6의 1n 참조)과 n+1번째 경방향 섬유 보강 고분자 스트립(점선으로 도시됨)(1n+1)에 대한 밴딩 상태를 각각 도 8a와 도 8b에 나타내었다.
도 8a를 참조하면, 상판(51)과 하판(52)이 서로 접근하여 n번째 경방향 고분자 스트립(1n)을 가압하면, 그 대향면에 각각 형성된 제1밴딩부재(80n)와 제2밴딩부재(90n)의 단부가 상기 경방향 고분자 스트립(1n)과 접촉하여 누르게 된다. 이때, 바람직하게, 상기 제1 및 제2밴딩부재(80n)(90n)에는 써포트 홈(도 6의 81 및 91 참조)이 형성되어 있어서 가압시에도 상기 써포트 홈 내에 스트립이 안착됨으로써 고분자 스트립이 이탈되지 않고 안정적으로 밴딩될 수 있다. 이러한 밴딩결과, 제1밴딩부재(80n)에 의해 가압된 부분에서는 골이 형성되고, 제2밴딩부재(90n)에 의해 가압된 부분에서는 산이 형성된다.
한편, n+1번째에 위치하는 경방향 고분자 스트립(1n+1)을 가압하면, n+1번째의 제1 및 제2밴딩부재(80n+1)(90n+1)는 상기 n번째 밴딩부재(80n)(90n)들과 서로 엇갈리게 배치되어 있으므로, 도 8b와 같이 산과 골의 양상이 n번째 스트립(1n)에 비해 반대로 나타난다. 즉, 제1밴딩부재(80n+1)에 의해 가압되는 부분에서는 골이 형성되고, 제2밴딩부재(90n+1)에 의해 가압된 부분에서는 산이 형성된다.
실제로, 상기 상판(51)과 하판(52)에 의한 가압은 동시에 일어나므로, 상기 각각의 밴딩 상태는 결과적으로 도 8c에 도시된 바와 같이 산과 골이 서로 엇갈려서 반대로 형성되는 양상으로 진행된다.
위와 같이, 경방향 고분자 스트립(1)의 밴딩이 이루어진 상태에서, 상기 위방향 스트립 공급부(40)에 의해 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)이 공급된다(단계 S330). 구체적으로, 위방향 고분자 스트립(2)은 위방향 피더(42)에 의해 도 8c에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2밴딩부재(80)(90)의 관통홈(82)(92)을 통해 삽입된다.
다시 말해, 위방향 고분자 스트립(2)은 n번째 제1밴딩부재(80n)에 의해 가압되어 형성된 n번째 고분자 스트립(1n)의 골과, n+1번째 제2밴딩부재(90n+1)에 의해 가압되어 형성된 n+1번째 고분자 스트립(1n+1)의 산 사이의 공간으로 삽입된다. 또는, 위방향 고분자 스트립(2)은 n번째 제2밴딩부재(90n)에 의해 가압되어 형성된 n번째 고분자 스트립(1n)의 산과, n+1번째 제1밴딩부재(80n+1)에 의해 가압되어 형성된 n+1번째 고분자 스트립(1n+1)의 골 사이의 공간으로 삽입된다. 비록 본 실시예에서는 스트립 배열수단(50)의 일측에 마련된 위방향 스트립 공급부(40)에 의해 위방향 섬유 보강 고분자 스트립(2)이 삽입된 것으로 설명되었으나, 상기 위방향 스트립 공급부(40)는 상기 스트립 배열수단(50)의 양측에 마련되어 양쪽으로부터 동시에 위방향 스트립을 공급할 수도 있다.
상기와 같이 위방향 고분자 스트립(2)의 삽입되고 적절한 길이로 절단이 완료된 상태에서 미도시된 구동수단에 의해 상기 상판(51)과 하판(52)이 서로 이격되면, 경방향 고분자 스트립(1)과 위방향 고분자 스트립(2)은 도 1에 도시된 바와 같이 상호 상하로 교번하여 교차되는 형태로 '직조'된다. 이때, 경방향 고분자 스트립(1)의 산부분은 위방향 고분자 스트립(2)과 교차하여 제1접점(C1)을 이루고, 경방향 고분자 스트립(1)의 골부분은 위방향 고분자 스트립(2)과 교차하여 제2접점(C2)을 이룬다.
본 발명에 따르면, 상기 상판(51)과 하판(52)의 밴딩부재(80)(90)들의 위치를 변경시키면 다양한 조직의 지오그리드를 제조할 수 있는데, 그러한 예는 도 10a 내지 도 10d에 도시되어 있다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 상판(51')과 하판(52')의 대향면에 경방향을 따라, 제2밴딩부재(90') 사이에 연속되는 2개의 제1밴딩부재(80')가 위치하도록 형성되면, 경방향 및 위방향 고분자 스트립의 배열은 도 10b에 도시된 바와 같이, 제1접점(C1) 사이에 두 개의 제2접점(C2)이 구비되도록 이루어진다. 다시 말해, 이 경우는 경방향 고분자 스트립 한 개의 골(또는 산)에 대해 두 개의 위방향 고분자 스트립이 삽입된 경우로 볼 수 있다.
또한, 도 10c에 도시된 바와 같이, 상판(51")과 하판(52")의 대향면에, 제2밴딩부재(90") 사이에 연속되는 3개의 제1밴딩부재(80")가 위치하도록 구성되면, 배열되는 한 개의 경방향 고분자 스트립(1)은 도 10d에 도시된 바와 같이 제1접점(C1) 사이에 세 개의 제2접점(C2)을 가지게 된다. 다시 말해, 경방향 고분자 스트립 한 개의 골(또는 산)에 대해 세 개의 위방향 고분자 스트립이 삽입된 경우이다.
비록 본 실시예에서는 n번째 경방향 고분자 스트립과 그것에 이웃하는 n+1번째 경방향 고분자 스트립에 대해서 설명하였으나, 서로 이웃하지 않는 임의의 서로 다른 경방향 고분자 스트립에 대해서도 동일하게 적용된다.
이상과 같이 배열된 경방향 및 위방향 고분자 스트립(1)(2)은 이어서, 용착부(60)로 이송되어 상기 접점(C1)(C2)들이 상호 용착된다. 먼저, 도 7a에 도시된 제1용착기(61)에서 상부지그(63)와 하부지그(64)가 서로 접근하여 그 사이에 개재된 고분자 스트립 배열체를 가압한다. 이때, 상기 상부 및 하부지그(63)(64)의 대향면에 형성된 제1지지홀더(63a)(64a)는 상기 고분자 스트립 배열체의 제1접점(C1)을 눌러서 지지하게 된다. 보다 구체적으로, 상기 상부지그(63)의 지지홀더(63a)는 경방향 고분자 스트립(1)의 상면과 접촉하고, 상기 하부지그(64)의 지지홀더(64a)는 위방향 고분자 스트립(2)의 하면과 접촉하게 된다. 이때, 상기 지지홀더(63a)(64a)의 단부는 거친면으로 처리되어 있으므로 고분자 스트립의 표면에 대해 미끄러짐없이 접촉할 수 있다.
이 상태에서, 상기 하부지그(64)는 고정된 채로, 상기 상부지그(63)가 경방향 고분자 스트립(1)의 길이방향에 대해 직각으로, 예컨대 좌우로 진동하게 되면, 스트립의 고분자 수지(110)가 용융되어 제1접점(C1)들이 상호 접착된다(단계 S340). 이때, 진동용착시에 상기 고분자 수지가 짧은 시간 내에 용융되는 동시에 그 내부의 보강섬유(100)는 손상을 받지 않도록 60 ~ 300 Hz의 진동주파수와, 0.3 ~ 1.8 mm의 진폭으로 진동운동하는 것이 바람직하다.
위와 같이 제1점점(C1)의 접착이 끝나면 경방향 및 위방향 고분자 스트립 배열체는 다시 제2용착기(62)로 이송되어 제2접점(C1)에 대한 진동용착을 수행한다(단계 S350).
제2용착기(62)에서는 상부 및 하부지그(65)(66)의 제2지지홀더(65a)(66a)가 상기 경방향 및 위방향 고분자 스트립 배열체의 제2접점(C2)들과 접촉하는데, 즉 본 실시예의 경우 지지홀더(65a)는 위방향 고분자 스트립(2)의 상면과 접촉하고, 지지홀더(66a)는 경방향 고분자 스트립(1)의 하면과 접촉한다.
이러한 상태에서, 이번에는 상부지그(65)가 고정되고, 하부지그(66)가 경방향 스트립(1)의 길이방향에 대해 직각으로, 예컨대 좌우로 진동하게 되면 전술한 바와 동일한 과정으로 접착이 이루어진다.
비록 본 명세서 및 도면에서는 제1접점(C1)과 제2접점(C2)에 대한 진동용착을 별도로 수행하는 것으로 예시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않으며 다양한 변형예가 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 상기 제1접점(C1)과 제2접점(C2)은 1대의 용착기를 사용하여 접착될 수도 있는데, 이 경우 먼저 제1접점(C1)을 와인더에 감으면서 접착시킨 후에 이를 다시 풀어주면서 용착기로 투입시키게 된다. 이때, 배열체를 뒤집어서 상면과 하면을 전도시키면 제2접점(C2)의 접착이 이루어질 수 있다. 나아가, 상기 고분자 스트립의 접점들은 진동 용융 접착이 아닌 초음파 마찰 용융 접착 또는 가열 용융 접착에 의해서도 접착될 수 있음은 물론이다.
상기와 같이 접착이 완료된 지오그리드는 권취수단(70)를 거쳐 와인더(71)에 일정한 길이로 감겨진다. 바람직하게, 현장에서의 취급의 편리를 위하여 섬유보강 지오그리드의 제품의 길이는 25~200m가 적당하다.
비록 명세서에서 섬유 보강 고분자 스트립의 제조와 지오그리드의 제조를 구별하여 설명하였으나, 이들 공정들은 모두 연속적으로 이루어질 수 있음은 물론이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
하기 실시예에 따른 지오그리드의 물성은 후술하는 기준에 따라 평가하였다.
광폭 인장강도 시험 : ASTM D 4595
변형제어식 인장시험기의 상·하에 붙어 있는 클램프 사이에 폭이 20 cm인 시료를 고정한 다음 10±3%/분의 속도로 인장하여, 인장 변형에 따른 파단시의 인장강도와 인장신율을 측정하였다. 보강섬유로 유리섬유를 사용한 경우에는 인장변형률이 2%일 때의 인장강도(LASE2%)를 별도로 나타내었고, 보강섬유로 폴리에스테르 고강도사를 사용한 경우에는 인장변형률이 5%일 때의 인장강도(LASE5%)를 별도로 나타내었다.
크리프 시험 : ASTM D 5262
크리프 시험은 일정한 온도조건(21±2℃)에서 지속적인 인장 하중이 작용할 때 지오그리드의 변형 거동을 평가하여, 설계시 고려되는 크리프에 의한 인장강도 감소계수를 결정하기 위한 것이다. 본 실험에서는 지오그리드 시료의 최대 인장강도 대비 45%의 하중을 시료에 가하여 1,000시간 후의 인장 변형률을 측정하였다.
내시공성 평가 : ASTM D 5818
기초 노상을 실제 구조물 축조시와 동일하게 처리한 다음, 최소 10 m2의 지오그리드 시료를 포설하고 그 상부에 성토재를 포설한 후, 실제 구조물 축조시와 동일하게 다짐하였다. 성토재로는 크기가 최대 20 mm인 골재를 30 cm 두께로 다짐하였고, 지오그리드 시료를 포설하고 그 상부에 동일한 성토재를 30cm로 포설하여 10t용량의 진동롤러로 4회 왕복 다짐하였다.
다짐 완료 후에는 다짐된 골재를 지오그리드에 손상이 가지 않도록 제거하여 지오그리드 시료를 추출하고, 추출된 시료에 대한 인장시험을 수행하여 원시료의 인장강도와 비교하여 강도 감소율(%)을 계산하였다.
형태안정성 시험
내시공성 평가와 동일한 방법으로 성토, 포설, 다짐한 다음, 시료를 채취하여 경방향 스트립과 위방향 스트립의 접점부위를 관찰하여 접점이 분리된 수가 20% 이상이면 “불량”, 10 ~ 20%이면 “보통”, 10% 미만이면 “우수”로 평가하였다.
인발시험 평가 : GRI-GG5
길이 140 cm, 폭 60 cm, 높이 60 cm의 토조(soil box)에 흙을 채움과 동시에 흙 사이에 지오그리드를 포설하였다. 이때 지오그리드 시료는 2.5 cm의 슬리트(slit)를 통하여 인발장치에 연결되어 있다. 또한, 토조의 상부에는 고무 멤브레인을 설치하여 공기압에 의해 토조 내에 균일한 수직하중을 가압할 수 있도록 하였다. 이어서, 수직하중을 0.3에서 최대 1.2kg/cm2까지 변화시키며 인발 변위속도를 0.1 cm/min로 하고, 최대 인발력 작용시 자재의 인발변위를 분석하여 지오그리드와 흙의 마찰력을 나타내는 상호작용 계수(interaction coefficient, Ci)를 평가하였다.
박리강력
길이 30cm로 경사 스트립을 준비한 후 그림과 같이 위사 스트립을 지그를 이용하여 고정한 후에 경사 스트립을 상지그에 고정시켜 상지그를 속도 50cm/min 위로 이용시켜 섬유가 빠지는 길이를 측정한다.
실시예 1
섬도가 1000 데니어의 폴리에스테르 고강도사 48본을 3등분하여 3홀(hole)의 원형 단면의 니플과 사각형 다이를 통과시켜, 도 11b의 (c)에 도시된 단면을 갖으며 폭 8.4 mm, 두께 2.3 mm인 경방향 섬유 보강 고분자 스트립을 제조하였다. 또한, 섬도가 1000 데니어의 폴리에스테르 고강도사 15본을 사용하여 경방향 섬유 보강 고분자 스트립과 동일한 단면을 갖으며 폭 6.3 mm, 두께 1.5 mm인 위방향 섬유 보강 고분자 스트립을 제조하였다.
이때 접착파우더 공급기를 이용하여 스트립 중량의 1.5wt%가 되도록 폴리에스테르계 접착파우더를 각각의 경방향 위방향 섬유 보강 고분자 스트립의 보강재 섬유 표면에 공급한다. 상기 접착파우더는 연화점 120℃, Tg 65(℃), 용융흐름지수 MI 16(g/10분), 입자크기 350(㎛), 경도 80(Shore D)이다.
열가소성 고분자 수지로는 용융지수가 4인 폴리프로필렌을 사용하였다. 다음 스트립 배열장치에 제조된 경방향 스트립을 지오그리드의 제품폭이 4 m가 되고 스트립 중심 사이가 40mm가 되도록 스트립 배열장치에 배열시켜 놓은 후 위방향 스트립을 40 mm 간격으로 경방향 스트립과 90°를 이루도록 삽입하여 도 1과 같이 평직 조직의 격자를 형성시켰다. 이어서, 첫 번째 접착장치에서 경방향 스트립이 위방향 스트립 위에 위치하여 형성된 접점을 194 Hz의 진동수와 1.3 mm의 진폭으로 진동용착시킨 다음, 두 번째 접착장치로 이동시켜 경방향 스트립이 위방향 스트립 아래에 위치하여 형성된 접점을 194 Hz의 진동수와 1.3 mm의 진폭으로 진동 용착하여 지오그리드를 제조하였다. 제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), LASE5%(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 시공시 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었고, 인발시 상호작용 계수와 형태안정성을 표 2에 나타내었다.
실시예 2
섬도가 24000 데니어의 폴리에스테르 고강도사 2본을 2홀의 사각형 단면의 니플과 사각형 다이를 통과시켜, 도 11a의 (b)에 도시된 단면을 갖으며 폭 8.4 mm, 두께 2.3 mm인 경방향 섬유보강 고분자 스트립을 제조하였다.
이때 접착파우더 공급기를 이용하여 스트립 중량의 1.5wt%가 되도록 폴리에스테르계 접착파우더를 각각의 경방향 위방향 섬유 보강 고분자 스트립의 보강재 섬유 표면에 공급한다. 상기 접착파우더는 연화점 120℃, Tg 65(℃), 용융흐름지수 MI 16(g/10분), 입자크기 350(㎛), 경도 80(Shore D)이다.
또한, 섬도가 7500 데니어의 폴리에스테르 고강도사 2본을 사용하여 경방향 섬유 보강 고분자 스트립과 동일한 단면을 갖으며 폭 6.3 mm, 두께 1.5 mm인 위방향 섬유보강 고분자 스트립을 제조하였다. 이어서, 실시예 1과 동일한 방법으로 스트립을 배열 및 접착시켜 지오그리드를 제조하였다. 제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), LASE5%(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 시공시 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
비교예 1
위방향 섬유 보강 고분자 스트립 제조시 보강재 표면에 폴리에스테르계 접착파우더 제공이 없으며 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.
비교예 2
경방향 섬유 보강 고분자 스트립 제조시 보강재 표면에 폴리에스테르계 접착파우더 제공이 없으며 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.
비교예 3
위방향 및 경방향 섬유 보강 고분자 스트립 제조시 보강재 표면에 폴리에스테르계 접착파우더 제공이 없으며 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.
Figure 112020016652398-pat00001
형태안정성 상호작용 계수(Ci)
실시예 1 우수 0.96
비교예 3 불량 0.64
표 1 ~ 2을 참조하여 실시예와 비교예의 지오그리드의 물성을 비교하면, 다음과 같은 차이점이 나타난다.
실시예1 ,2의 지오그리드들과 비교예 1~3의 지오그리드는 광폭 인장강도(kN/m), LASE5%(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%),강도 감소율(%)은 서로 비슷한 값을 보이고 있으나, 박리강력은 실시예의 텍스타일 지오그리드가 비교예의 지오그리드들보다 큰 값을 보이고 있다. 박리강력은 시공시 전면 블록과의 연결시 필요한 여유 길이를 측정하는 값으로 박리강력이 높을수록 필요한 여유길이를 짧게 할수 있어 경제적인 시공이 가능하다. 또한, 흙과 보강재 사이의 상호작용 계수(Ci)를 비교해본 결과(표2), 실시예 1의 지오그리드의 상호작용 계수(Ci)는 0.96를 나타냈으며, 비교예 3의 경우에 상호작용 계수(Ci)는 0.84을 나타내었다.
즉, 실시예 1에 따른 지오그리드의 상호작용 계수가 비교예 3의 지오그리드에 비하여 상호작용 계수가 높게 나타났다. 이와 관련하여, 지오그리드의 인발시 상호작용 계수는 지오그리드의 형상에 의해 영향을 받게 되는데, 지오그리드의 형상 중에서도 수동저항부재 즉, 인발력이 작용하는 방향에 대해 수직 방향으로 놓인 부재의 영향을 받게 된다. 동일한 폭(60cm)을 가진 지오그리드에 대한 실험에 있어서, 비교예 3의 지오그리드는 인발력이 작용하는 방향에 대해 수직방향으로 놓인 스트립의 길이가 60cm이지만, 실시예 1의 지오그리드는 상하 교차 배열로 인하여 스트립에 곡률이 생기므로 인발력이 작용하는 방향에 대해 수직방향으로 놓인 스트립의 실제 길이는 60cm보다 길게 된다. 따라서, 비교예 3의 지오그리드에 비하여 본 발명의 지오그리드의 수동저항 부재가 토양과의 접촉면적이 크므로, 보다 우수한 보강기능을 발휘할 수 있다.
1 : 경방향 섬유 보강 고분자 스트립
2 : 위방향 섬유 보강 고분자 스트립
C1 : 제1접점 C2 : 제2접점
100 : 보강섬유 110: 열가소성 고분자 수지
10 : 압출부 11 : 호퍼
20 : 냉각부 13 : 가이드 홀더
14 : 니플 12 : 크로스 헤드다이
12a : 압출통로 12b : 수지공급통로
13a :섬유공급통로 13b : 진공배관
14a : 니플공 21 : 냉각조
22 : 항온조절수단 4 : 피더
4-1 : 접착파우더 공급기 5 : 권취수단
13 : 가이드 홀더 30 :경방향 스트립 공급부
40 : 위방향 스트립 공급부 50 : 스트립 배열수단
60 : 용착부 70 : 권취수단
71 : 와인더 32 : 경방향 피더
31 :경방향 크릴 51 : 상판
52 : 하판 80: 제1밴딩부재
90 : 제2밴딩부재 81,91 : 써포트 홈
82,92 : 관통홈 83,93 : 경사면
41 : 위방향 크릴 42 : 위방향 피더
61 : 제1용착기 62 : 제2용착기

Claims (5)

  1. 보강재인 다수의 섬유 집합체;
    피복재인 열가소성 고분자 수지 및
    상기 보강재 표면에 접착파우더를 이용한 접착재로 구성되되,
    상기 섬유 집합체는 서로 독립적으로 폴리에스테르 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 현무암 섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유 및 무정형 금속 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 섬유 또는 이들 중 2종 이상의 섬유가 합사된 합사섬유이고,
    상기 열가소성 고분자 수지는 서로 독립적으로 용융지수(MI)가 1 ~ 35인 폴리올레핀계 수지, 고유점도(IV)가 0.64 ~ 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드(polyvinylechloride), 폴리스타이렌(polystyrene) 및 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 수지 또는 이들 중 2종 이상의 수지가 혼합된 혼합수지이며,
    상기 접착파우더는 테레프탈산 60~90몰%와 이소프탈산 10~40몰%로 조성된 디카르본산과 에틸렌글리콜 60~90몰%와 디에틸렌글리콜 10~40몰%로 조성된 디올이 공중합한 저융점 공중합 폴리에스테르 수지를 분말화한 것으로,
    상기 접착파우더는 입자 크기가 50~1,500㎛이며,
    유리전이온도(Tg)가 50℃ 이상이고, 경도(Shore D)가 80 이상이며, 연화점이 80~140℃인 것이 특징으로 하는 내구성이 향상된 섬유 보강 고분자 스트립.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항의 섬유 보강 고분자 스트립은 소정 간격을 두고 다수의 경방향 및 위방향으로 평행하게 배치되며,
    상기 다수의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립 각각은, 상기 위방향 섬유 보강 고분자 스트립 중 어느 하나와 상면에서 교차하는 제1접점과 상기 위방향 섬유 보강 고분자 스트립 중 다른 하나와 하면에서 교차하는 제2접점을 적어도 하나 이상씩 포함하고,
    상기 제1접점 및 제2접점은 접점영역의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립의 열가소성 고분자 수지와 위방향 섬유 보강 고분자 스트립의 열가소성 고분자 수지가 서로 융착하여 고정된 것을 특징으로 하는 격자 형상 지오그리드.
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