KR102255585B1

KR102255585B1 - 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집 및 이를 이용한 구조물의 시공방법

Info

Publication number: KR102255585B1
Application number: KR1020200057653A
Authority: KR
Inventors: 강진석
Original assignee: (주)이지종합건축자재
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-06-22

Abstract

본 발명은 구조물 설비 완료 후 필연적으로 폐기됨에 따라 자재비의 증가 내지 폐기물에 의한 환경오염 등 크고 작은 폐단이 초래되던 기존 방식을 적극 개선하기 위한 것으로, 무엇보다 건축자재로써 성능이 우수한 탄소섬유를 활용하여 철거 없이 설치 유지되는 구조물 일체형 거푸집을 제공할 뿐 아니라 열가소성 수지의 함침과 표면처리에 기인하여 자체적인 물성 개선 및 내구성 보완 등이 극대화됨으로써 적층 구조 설비의 안전성과 작업의 효율성, 거푸집 탈거공정 배제에 따른 작업의 신속성 그리고 폐기물 감소에 의하여 환경 보존에 기여할 수 있는 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집 및 이를 이용한 구조물의 시공방법에 관한 것으로, 열가소성 수지의 함침과 표면 처리로 획득된 탄소섬유 복합재를 이용하여 상하 관통형 중공부(11)가 보유된 관체(10)와, 골조용 H빔의 상호 연결을 위해 사방으로 진입부(21)가 구비된 어뎁터(20)의 형상으로 성형 가공되고, 필라멘트의 형태로 제공되는 탄소섬유를 복수의 보빈에 권취한 후 성형기를 이용하여 구조물의 내력벽에 대응하는 관체(10)의 형상으로 가공하는 거푸집 성형단계(S100); 관체를 초음파 또는 워터젯에 기반하여 재단하는 거푸집 커팅단계(S200); 관체를 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 거푸집 건조단계(S300); 건조된 관체에 열가소성 수지를 함침하고 도포하여 탄소섬유 복합재로서의 물성을 개선하는 후처리단계(S400);로 이루어지되, 지면으로부터 복수의 관체(10)를 입설 설치하고, 관체의 중공부(11)에 콘크리트(30)를 타설 후 양생하면서 관체의 사방으로 또 다른 관체를 수평 배치함에 따라 설정 구조물로 구축되는 구조물 설비단계(S500);로 이루어진다.

Description

탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집 및 이를 이용한 구조물의 시공방법{A CONCRETE CONSTRUCTION METHOD USING CARBON FIBER MOLD}

본 발명은 콘크리트 구조물을 소정의 형태 및 치수로 설비하기 위하여 임시 설치되는 거푸집 관련 기술사상에 관하여 개시된다.

더욱 상세하게는, 구조물 설비 완료 후 필연적으로 폐기됨에 따라 자재비의 증가 내지 폐기물에 의한 환경오염 등 크고 작은 폐단이 초래되던 기존 방식을 적극 개선하기 위한 것으로, 무엇보다 건축자재로써 성능이 우수한 탄소섬유를 활용하여 철거 없이 설치 유지되는 구조물 일체형 거푸집을 제공할 뿐 아니라 열가소성 수지의 함침과 표면처리에 기인하여 자체적인 물성 개선 및 내구성 보완 등이 극대화됨으로써 적층 구조 설비의 안전성과 작업의 효율성, 거푸집 탈거공정 배제에 따른 작업의 신속성 그리고 폐기물 감소에 의하여 환경 보존에 기여할 수 있는 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집 및 이를 이용한 구조물의 시공방법에 관한 것이다.

건설업계에서의 거푸집이란 기둥, 바닥, 벽 등의 형상에 맞춰 틀을 짜고 콘크리트를 타설하여 굳힌 후 해당 틀을 제거함으로써 소기의 형상이나 치수 등에 부합하는 구조물을 획득할 목적으로 활용된다. 이러한 거푸집의 소재로는 흔히 콘크리트용 합판 등이 사용되고 있으며, 기타 공사 조건에 따라 경질섬유판, 합성수지, 알루미늄 패널, 강판 등도 사용되고 있다.

전술한 건축용 거푸집에 관한 기술사상 중 일례로 등록특허공보 제10-2064451호 "시멘트 페이스트의 누출 방지를 위한 건축용 거푸집 및 이를 이용한 시공방법"이 게재되어 있다.

해당 기술은 사각틀 형상의 프레임 및 프레임의 각 측면에 장착되는 패널부와 상기 프레임에 설치되는 누출방지패드로 구성되고, 상기 프레임은 사각틀 형상의 외곽을 형성하는 외곽프레임 및 외곽프레임 내측에서 종/횡 방향으로 연장되는 보강프레임을 포함하며, 상기 누출방지패드는 프레임과 패널부에 일정 간격으로 형성된 안착홈과 ?지홀에 의해 결합되는 구성을 가진다. 이러한 건축용 거푸집은 양생과정에서 외곽프레임 사이에 누출방지패드가 마련됨에 따라 시멘트 페이스트의 유입이 방지되어 거푸집의 제거가 용이하다.

상기와 같이 건축용 거푸집은 구조물의 기초 골조 역할을 충실히 수행할 수 있도록 내구성이 우수하여야 하며, 이러한 조건 달성을 위한 일례로 공개특허공보 제10-2018-0034429호 "고강도 거푸집"이 제안되고 있다.

상기 고강도 거푸집은 내부에 격자 구조의 보강대가 설치된 것으로써 상세하게는 거푸집의 내부 상하면 사이에 비스듬히 돌출되어 연속적으로 이어진 사선 보강판과, 사성 보강판 사이에서 거푸집 내부의 상하면 사이에 돌출되는 수직 보강판으로 이루어지고, 특히 거푸집을 경량의 합성수지 소재로 구성하면서 부족한 내구성 및 강도를 보강대로 적용시킨 기술을 제안한다.

상기와 같이 기존의 건축용 거푸집은 단순히 거푸집의 내외부에 복수의 보강대를 설치함으로써 내구성을 일시적으로 향상시킨 수준에 불과하며, 더욱이 기존의 건축용 거푸집은 콘크리트 또는 시멘트가 완벽하게 굳은 후 제거 작업이 필수적으로 요구되고, 거푸집이 제거된 구조물은 누적 하중에 대한 안정성을 확보하기 위해 별도의 보강 골조를 재차 설치하는 등 번거로운 작업 환경을 감내하고 있었다.

한편, 근래에는 탄소섬유를 소재로 한 거푸집이 등장하고 있는바, 해당 탄소섬유란 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유로써 인장강도, 탄성율, 경량성, 내화학성, 내구성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등 기존 소재와 비교할 수 없을 정도의 기능을 발현함에 따라 건축용 거푸집으로 사용하기에 탁월한 기능을 보유하고 있다.

이에 따라 많은 건축업계에서는 탄소섬유를 이용하여 건축용 거푸집을 제작, 사용하고 있으나 이렇게 시공된 구조물이 전도되는 형상이 빈번하게 발생하였고, 이러한 현상은 거푸집으로 사용된 탄소섬유의 낮은 내구성이 그 원인으로 밝혀져 이를 보완하기 위한 각고의 노력이 이루어지고 있다.

일례로 공개특허공보 제10-2014-0180798호 "고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 탄소섬유에 사이징제를 부여한 후 탄소섬유 와인딩 이전에 섬유를 가열 및 가압하여 사폭의 확대와 균일성을 향상시킴으로써 탄소섬유 복합재료 내부에 탄소섬유 및 수지가 고르게 배치되고 내부결함이 감소하여 고강도의 탄소섬유 복합재료를 획득할 수 있다고 제안하고 있으나, 실질적으로 가공과정에서 저하된 탄소섬유의 자체 내구성을 최초의 상태로 원복시킨 수준에 지나지 않아 가설구조재로써의 사용은 불가능한 기술이다.

결과적으로 탄소섬유를 이용하여 건축용 거푸집을 제작하되, 적층 구조물의 누적 하중을 견딜 정도로 내구성을 향상시키면서 시공 또한 간편하여 별도의 보강 골조가 요구되지 않는 수준의 우수한 기능을 겸비한 건축용 거푸집의 기술 개발이 필요로 된다.

대한민국등록특허공보 제10-2064451호 "시멘트 페이스트의 누출 방지를 위한 건축용 거푸집 및 이를 이용한 시공방법" 대한민국공개특허공보 제10-2018-0034429호 "고강도 거푸집" 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0180798호 "고강도 탄소섬유 복합재료의 제조방법"

본 발명은 상기의 제반 문제점을 보다 적극적으로 해소하기 위하여 창출된 것으로, 인장강도를 비롯하여 탄성율, 경량성, 내화학성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등 건축용 자재로써 기능이 탁월한 탄소섬유를 이용한 거푸집의 제조방법을 제공하는 것이 주된 해결 과제이다.

또한, 본 발명은 타설된 콘크리트가 완벽하게 양생된 후에도 해당 거푸집을 폐기하지 않고 그대로 보존하여 하나의 지지 구조물로 활용되게 하는바, 자체적으로 보강재의 역할 뿐 아니라 적층 구조물의 누적 하중에도 견딜 수 있는 수준의 내구성이 향상된 탄소섬유를 이용한 거푸집의 제조방법을 제공하는 것이 다른 해결 과제이다.

상기의 해결 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서 제안하는 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집 및 이를 이용한 구조물의 시공방법은 다음과 같다.

본 발명의 기능성 거푸집은 제1열가소성 수지의 함침 및 제2열가소성 수지의 표면 처리로 획득된 탄소섬유 복합재를 이용하여 상하 관통형 중공부(11)가 보유된 관체(10)와, 골조용 H빔의 상호 연결을 위해 사방으로 진입부(21)가 구비된 어뎁터(20)의 형상으로 성형 가공되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관체(10)는 구조물에 대응하는 기둥 또는 보 또는 벽체를 포함하는 내력벽의 형상으로 성형하되, 내부는 상하 내통된 중공부(11)로 이루어져 콘크리트(30)가 타설되어 메워지는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 탄소섬유 복합재를 이용한 거푸집의 시공방법으로는 필라멘트의 형태로 제공되는 탄소섬유를 복수의 보빈에 권취한 후 성형기를 이용하여 구조물의 내력벽에 대응하는 관체(10)의 형상으로 가공하는 거푸집 성형단계(S100);와, 관체를 초음파 또는 워터젯에 기반하여 재단하는 거푸집 커팅단계(S200);와, 관체를 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 거푸집 건조단계(S300);와, 건조된 관체에 제1열가소성 수지를 함침하고, 표면에 제2열가소성 수지를 도포하여 탄소섬유 복합재로서의 물성을 개선하는 후처리단계(S400);로 이루어지되, 지면으로부터 복수의 관체(10)를 입설 설치하고, 관체의 중공부(11)에 콘크리트(30)를 타설 후 양생하면서 관체의 사방으로 또 다른 관체를 수평 배치함에 따라 설정 구조물로 구축되는 구조물 설비단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소섬유 복합재는 탈지와 탈수가 완료된 탄소섬유를 제1열가소성 수지가 담수된 탱크에 투입한 후 압력을 가하여 함침하는 수지 함침단계(S410);와, 제1열가소성 수지가 함침된 탄소섬유를 다시 한번 탈지와 탈수 및 샌딩한 후 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하는 수지 표면처리단계(S420);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 성형기는 관체(10)의 형태에 따라 탄소섬유를 비롯하여 프리폼 내지 중간재의 교차 투입이 이루어져 실린더나 파이프의 형상 구현이 실시되되, 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 편조기(braiding machine) 또는 4축을 기반으로 연동 제어하여 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 권선기(Winding machine) 중 어느 하나를 택일하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 편조기(braiding machine)는 탄소섬유 방향으로 설정 범위 내 직물 패턴이 유지되되, 다층의 레이어를 연속적으로 적층함에 따라 실린더 또는 파이프의 형상 구현에 특화되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 인장강도를 비롯하여 탄성율, 경량성, 내화학성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등 건축용 자재로써 성능이 매우 탁월한 탄소섬유를 이용하여 거푸집을 제작하기 때문에 우수한 품질의 구조물을 시공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 탄소섬유에 제1열가소성 수지를 함침하고, 표면에 제2열가소성 수지를 코팅하여 탄소섬유의 부족한 내구성을 보완하고, 이로부터 타설된 콘크리트가 굳은 후 거푸집을 제거하지 않고 설치된 상태 그대로 구조물의 보강재로써 역할이 수행됨에 따라 거푸집의 제거 작업에 대한 인력낭비 및 구조물의 보강재를 별도 제작 및 설치하여야 하는 추가 작업을 배제할 수 있어 건축업계 발전에 이바지할 수 있는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명은 편조기와 권선기 외 다양한 가공장치를 바탕으로 우수한 성능의 탄소섬유 복합재를 제조할 수 있음에 따라, 본 발명이 제안하는 기능성 거푸집을 비롯한 다양한 종류의 건축자재를 쉽고 편리하게 생산할 수 있는 또 다른 특징이 있다.

도 1은 본 발명이 제안하는 기능성 거푸집을 이용한 시공방법을 순차적으로 나열한 플로차트.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예를 기반으로 제조된 기능성 거푸집의 사용상태도.
도 3은 도 2의 과정을 거쳐 제조된 구조물의 사시도.
도 4는 본 발명이 제안하는 관체의 시공방식을 나타낸 사용상태도.
도 5는 본 발명이 제안하는 기능성 H빔 및 이를 복수 연결하여 구조물을 구축되게 하는 어뎁터의 조립상태를 나타낸 분해사시도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예로 관체와 어뎁터 간 높이 조절이 가능함을 나타낸 분해사시도.
도 7은 도 6의 관체 단면도.

이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 이로 인한 작용, 효과에 대해 일괄적으로 기술하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그리고 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

상세하게 기재하면, 구조물 설비 완료 후 필연적으로 폐기됨에 따라 자재비의 증가 내지 폐기물에 의한 환경오염 등 크고 작은 폐단이 초래되던 기존 방식을 적극 개선하기 위한 것으로, 무엇보다 건축자재로써 성능이 우수한 탄소섬유를 활용하여 철거 없이 설치 유지되는 구조물 일체형 거푸집을 제공할 뿐 아니라 열가소성 수지의 함침 및 표면처리에 기인하여 자체적인 물성 개선 및 내구성 보완 등이 극대화됨으로써 적층 구조 설비의 안전성과 작업의 효율성, 거푸집 탈거공정 배제에 따른 작업의 신속성 그리고 폐기물 감소에 의하여 환경 보존에 기여할 수 있는 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집 및 이를 이용한 구조물의 시공방법에 관련됨을 주지한다.

도 1은 본 발명이 제안하는 기능성 거푸집을 이용한 시공방법을 순차적으로 나열한 플로차트이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 탄소섬유를 이용하여 구조물의 기초 골조가 되는 관체(10);와, 또 다른 기초 골조로 사용될 수 있는 H빔의 상호 연결을 유도하는 어뎁터(20);를 가공한다.

상기 탄소섬유를 이용한 거푸집의 생산 공정은 하기와 같다.

먼저, 필라멘트의 형태로 제공되는 탄소섬유를 복수의 보빈에 권취한 후 성형기를 이용하여 상기 관체(10) 내지 상기 어뎁터(20)의 형상으로 가공하는 거푸집 성형단계(S100);와, 거푸집을 초음파 또는 워터젯에 기반하여 재단하는 거푸집 커팅단계(S200);와, 거푸집을 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 거푸집 건조단계(S300);와, 건조된 거푸집에 제1열가소성 수지를 함침하고, 표면에 제2열가소성 수지를 도포하여 물성을 개선시키는 후처리단계(S400);를 거쳐 기능성 거푸집을 획득할 수 있다.

상기 거푸집 성형단계(S100)는 관체(10) 또는 어뎁터(20)의 형상에 따라 탄소섬유를 비롯하여 프리폼 내지 중간재의 교차 투입이 이루어져 실린더나 파이프의 형상 구현이 실시되되, 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 편조기(braiding machine) 또는 4축을 기반으로 연동 제어하여 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 권선기(Winding machine) 중 어느 하나를 택일하여 제조한다.

상기 편조기(braiding machine)는 중심부가 내통되어 로봇이 제공하는 관의 일방향 진입을 허용하는 프레임;과, 프레임의 가장자리 영역에서 탄소섬유를 공급하는 복수의 롤러;로 구성된다. 상기 편조기는 프레임의 중심부에 관을 배치하며 복수의 탄소섬유 가닥이 관의 일측 단부에 융착되고, 이때부터 로봇이 관을 회전시키면서 프레임의 중심부로 진입시키면 단부에 융착된 복수의 탄소섬유 가닥이 관의 외경을 따라 기설정된 격자형태로 직조되면서 성형이 이루어진다.

상기 편조기는 직조방식에 따라 원형의 파이프 또는 각관을 생산하는데 주로 사용된다.

상기 권선기(Winding machine)는 4축의 위치 가변을 기반으로 다양한 형상의 제품을 제조할 수 있는 장비로써 탄소섬유를 권선기에 서로 교차하도록 투입하고 4축 연동 제어하여 주축의 형상 그대로 감싸면서 권선하여 제조한다.

상기 권선기는 4축으로 배치된 이동식 베어링(LM guide 등)에 의해 사방으로의 위치 이동은 물론 승강 이동이 자유로운 특징에 기인으로 탄소섬유 내지 유리섬유를 4축 제어 기능으로 통해 다양한 형상의 복잡한 성형물도 정교하게 성형할 수 있다. 또한, 외경 2m, 길이 14m의 대형 제품도 성형할 수 있어 다양한 크기의 거푸집을 생산할 수 있다.

다만, 권선기는 편조기에 비해 오랜 성형시간이 소요되는 단점이 있기 때문에 작업자는 가공 형상에 따라 편조기 또는 권선기 중 어느 하나를 택일하여 가공하는 것이 바람직하다.

상기 거푸집 커팅단계(S200)는 편조기 또는 권선기를 통해 가공 성형된 거푸집을 일정한 형태로 절단/재단하는 공정을 말하며, 이를 위한 커팅장치로는 초음파를 발산하여 절단하는 초음파 커팅장치 또는 수압을 이용하여 절단하는 워터젯 커팅장치가 있다.

상기 초음파 커팅장치는 난삭재인 탄소섬유를 초음파로 절삭하기 때문에 절삭성과 절삭속도가 향상되어 거푸집을 신속하게 재단할 수 있음은 물론, 10,000rpm으로 부품을 형상하기 때문에 다양한 형상의 절단 가공이 가능하다.

상기 워터젯 커팅장치는 수압을 이용하여 제품을 절단하는 장치로써 일반적으로 고속 회전하는 커팅날이 제품을 절단하면서 상호 마찰에 의해 열이 발생하여 절단영역에 열변형이 발생하는 기존의 절단 방식과는 달리, 열변형이 전혀 일어나지 않기 때문에 상시 일정한 형태의 거푸집을 생산할 수 있는 장점이 있다.

상기 거푸집 커팅단계(S200) 역시 작업장의 조건과 거푸집의 절삭 형태에 따라 초음파 커팅장치 또는 워터젯 커팅장치 중 어느 하나를 택일하여 가공함은 당연하다 할 것이다.

상기 거푸집 건조단계(S300)는 진공조건에서 열을 공급하여 경화하는 Vacuum microwave kiln이 있다.

상기 건조장치는 탄소섬유를 내부 수용하고, 작업 수순에 따라 내부공간을 진공 상태로 형성하는 건조 프레임;과, 외부로부터 건조 프레임의 내부를 차폐하는 도어;와, 건조 프레임의 내부공간과 연계되어 진공상태를 조성하는 진공펌프;로 구성된다.

상기 건조장치는 마이크로웨이브로 재료를 직접 가열함으로써 다양한 형상의 거푸집이라도 신속하고 균일하게 가열할 수 있음에 따라 속경화 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 장점이 있다. 특히 본 발명이 제안하는 건조장치는 대류열을 이용하는 기존의 건조장비에 비해 기계적 특성이 우수한 거푸집을 생산할 수 있다.

상기 후처리단계(S400)는 거푸집을 이루는 탄소섬유에 제1열가소성 수지를 함침하고, 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하여 탄소섬유 복합재를 형성하는 공정을 말한다.

후처리를 하는 이유는 건축용 거푸집으로 사용하기에는 자체적으로 내구성이 낮은 탄소섬유의 부족한 내구성을 적극적으로 강화시키기 위한 목적이 있으며, 아래는 상기 탄소섬유 복합재 및 이를 제조하는 공정에 대하여 상세히 후술하고자 한다.

먼저, 탄소섬유 복합재의 생산 공정을 상세하게 설명하자면 하기와 같다.
상기 탄소섬유 복합재는 탈지와 탈수가 완료된 탄소섬유를 제1열가소성 수지가 담수된 탱크에 투입한 후 압력을 가하여 함침하는 수지 함침단계(S410);와, 제1열가소성 수지가 함침된 탄소섬유를 다시 한번 탈지와 탈수 및 샌딩한 후 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하는 수지 표면처리단계(S420);로 구성된다.

여기에서 제1열가소성 수지와 제2열가소성 수지는 에폭시 또는 테프론을 비롯해 LDPE(Low Density Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polystyrene), PVC(Polyvinyl chloride) 중 어느 하나를 선택하여 구성된다.

아래 표 1은 본 발명에 대해 원활한 이해를 돕고자 탄소섬유 복합재의 제조방법을 간단하게 나타낸 것이다.

구분	원료	성형조건				물성 개선
		전처리		후처리
		1차	2차	1차	2차
함침	제1열가소성 수지	진공 작업 탈지/탈수	수지탱크 투입(가압)	원심분리	세척/건조	절연 점착 내충격성
표면 처리	제2열가소성 수지	탈지/탈수 후 센딩	프라이머 코팅	열처리 (80℃) 후 투코팅	열처리 (300℃)	절연 내화학성 비점착

<탄소섬유 복합재를 구성하기 위한 공정표>

상기 표 1을 살펴보면 상기 수지 함침단계(S410)는 탄소섬유에 제1열가소성 수지를 함침시키는 공정으로써 진공의 작업공간 내에서 탄소섬유를 탈지 및 탈수하는 1차 전처리 공정과, 탄소섬유를 제1열가소성 수지가 담수된 탱크에 투입한 후 압력을 가해 물성을 개선하는 2차 전처리 공정으로 구분 진행되고, 전처리 공정이 완료된 탄소섬유를 원심분리하는 1차 후처리 공정과, 탄소섬유의 표면에 잔류하는 제1열가소성 수지를 세척 및 건조하는 2차 후처리 공정으로 구분 진행된다.

특히 상기 1차 전처리 공정은 탄소섬유를 진공 환경에서 25 내지 30분간 탈지 및 탈수하여 불순물을 제거하며, 탄소섬유에 잔류하는 이물질이나 가스 등을 제거함으로써 2차 전처리 공정에서 제1열가소성 수지의 함침을 원활하게 하여 우수한 품질의 제품 생산을 유도한다. 상기 탈지는 에탄올을 이용한 기화방식 및 계면활성제를 이용한 약품방식을 주로 사용하고, 상기 탈수는 탄소섬유의 표면에 고압의 에어를 분사하여 함침되지 못한 잔류 에탄올 또는 계면활성제를 제거한다.

상기 탈지 및 탈수는 약 25 내지 30분간 진행하며, 직조된 탄소섬유는 표면을 약 50 내지 70℃로 예열하는 과정을 거치는데 이러한 과정에서 에탄올이나 계면활성제가 존재할 경우 기포가 형성됨에 따라 우수한 품질의 탄소섬유 복합재를 생산할 수 없기 때문에 상기의 탈지 및 탈수 조건은 매우 중요한 요인 중 하나이다.

상기 탄소섬유 복합재는 탄소섬유 30%와 제1열가소성 수지 70%의 성분비로 함침하는 것이 바람직하며, 예컨대 제1열가소성 수지의 첨가량이 초과할 경우 탄소섬유가 가진 내화학성, 내구성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등의 성능이 저하될 수 있고, 제1열가소성 수지의 첨가량이 미달할 경우 제1열가소성 수지가 가진 내열성, 전기절연성, 접착성 등의 성능이 저하된다.

상기 수지 표면처리단계(S420)는 탄소섬유의 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하는 공정으로써 탄소섬유 복합재를 탈지 및 탈수한 후 표면을 샌딩 처리하는 1차 전처리 공정과, 샌딩 처리된 탄소섬유 복합재의 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하는 2차 전처리 공정으로 구분 진행되고, 전처리 공정이 완료된 탄소섬유 복합재를 80℃의 온도 조건에서 열처리하는 1차 후처리 공정과, 300℃의 온도 조건에서 재차 열처리하는 2차 후처리 공정으로 구분 진행된다.

상기와 같이 제1열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 복합재는 절연성, 점착성, 내충격성의 물성이 적극적으로 개선되어 기존 탄소섬유에 비해 가설구조재로써의 우수한 성능을 발휘하며, 제2열가소성 수지가 코팅된 탄소섬유 복합재는 내열성, 내화학성, 비점착 등의 물성이 적극적으로 개선되어 기존 탄소섬유에 비해 가설구조재로써의 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

아래는 상기와 같은 공정을 통해 제조된 탄소섬유 복합재의 성능을 입증할 시험성적서들을 나열한 것이다.

<한국섬유개발연구원 시험성적서>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재를 대구에 소재한 한국섬유개발연구원에 의뢰하여 압축강도와 인장강도에 대한 시험을 실시하였고, 상기 시험성적서와 같은 결과를 도출하였다.

<국제공인시험기관 인정서>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재를 대구에 소재한 한국섬유개발연구원에 의뢰하여 국제공인시험기관의 인정서를 발급받았다.

<기술자료임치증>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재는 대.중소기업.농어업협력재단으로부터 임치증을 발급받았다.

상기와 같은 공정을 거쳐 제조된 탄소섬유 복합재 거푸집은 다음과 같은 형상을 가진다.

<PIPE형 거푸집 디자인>

상기 실시예 1 내지 4와 같이 본 발명이 제안하는 편조기와 권선기를 이용하여 관체(10)나 어뎁터(20)는 물론, 건축구조물을 설치하기 위해 필요한 각종 건축자재를 생산할 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 주로 관체(10)나 어뎁터(20)와 같은 거푸집에 한정하여 작성되어 있으나, 상기 종류에 국한하지는 않는다.

한편, 본 발명은 상기 탄소섬유 복합재로 이루어진 거푸집을 이용하여 구조물을 설치할 수 있으며, 이를 이용한 구조물 설치방법은 하기와 같다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 구조물 설비단계(S500)는 탄소섬유 복합재로 이루어진 관체(10)의 내부 중공부(11)에 콘크리트(30)를 타설하여 양생한 후, 관체의 사방으로 또 다른 관체를 수평 배치함에 따라 설정 형상의 구조물로 조립하는 단계이다.

여기에서 관체(10)는 중공부(11)에 콘크리트와 시멘트 외 각종 건축 도료가 타설될 수 있고, 입설된 관체(10)와 이를 기준으로 사방에 대한 수평 배치되는 또 다른 관체는 상호 볼트결합, 용접결합 등의 수단으로 상호 일체화된다.

상기 공정을 거쳐 시공된 구조물은 다음과 같은 실험을 통해 그 성능을 측정하였다.

- 허용하중 구조해석 테스트(구조용 탄소강관)

(단관파이프)

<압력분포 및 전단력 발생포인트> <휨 모멘트 발생 포인트>

(시스템동바리)

<압력분포 및 전단력 발생포인트> <휨 모멘트 발생 포인트>

- 휨 모멘트 구조해석

a)하중 W를 가할 때 A는 우측으로 수평하중(H)

b)풍하중 - 바람이 부는 방향으로 수평하중

㉠㉡

휨 모멘트(M) - ㉠과 같은 풍하중(H)과 압력(P)으로 인해 ㉡과 같은 힘을 받는다.

아래 표 2는 실시예 5와 실시예 6의 실험을 통해 본 발명이 제안하는 거푸집의 성능 결과를 기존의 구조용 탄소강과 비교한 것이다.

구 분			구조용 탄소강	탄소복합재	효율
효율성 (성능)	중량		7.89	1.97	405%
	강도		300	3500	1.166%
	탄성		80	220	275%
	내구성	내진	진도 6-	진도 8+	3,200%
		내풍	30	80	266%
		내열	800	3,000	375%
경제성	제조	원료	1	3	33.3%
	제조	운전	2	1	200%
	물류관리		3	2	150%
	유통		3	2	150%
	설계	구조	2	1	200%
	설계	디자인	2	1	200%
	시공	인건	5	1	500%
		자재	3	1	300%
		장비	3	1	300%
친환경성	에너지 절감		2	1	200%
	재활용성		1	3	300%
	후처리		3	1	33.3%
	폐기물		2	1	200%

<제품에 따른 효율성/경제성/친환경성 비교표>

아래 표 3은 일반적인 구조용 탄소강과 본 발명이 제안하는 거푸집의 자체 성능을 측정하고, 이를 비교하여 분석한 것이다.

구분	인장 강도 (MPa)	탄성률 (GPa)	* 허용하중			** 내구성(Ass’y)
구분	인장 강도 (MPa)	탄성률 (GPa)	무게 (kg)	휨 모멘트 (KN)	안전율 적용 (KN)	내진성 (진도)	내풍성 (m/s)	내열성 (℃)
구조용 탄소강 (C 0.6%-)	300 ~ 400	80 ~ 100	7.89	18+	9	7-	30	800+
실증 Test	O	O	O	O	O	O	O	O
탄소 복합재 (C 92%+)	3500 ~ 4500	220 ~ 250	1.97	180 (파손)	90 (파손)	8+	80	3,000+
실증 Test	O	O	O	O	O	×	×	O

<제품에 따른 자체 성능 비교 분석표>

도 5는 어뎁터(20)에 관한 것으로 상기 어뎁터(20)는 흔히 구조물의 기초골조로 사용되는 H빔을 상호 연결되게하여 구조물이 구축될 수 있도록 유도하는 역할을 수행한다.

일반적으로 H빔을 구축하는 방법은 서로 마주하는 접합면을 용접하거나, 별도의 보강판을 배치한 후 볼트로 체결하는 방식을 사용하는데, 이러한 방식은 작업에 소요되는 시간에 비례하여 견고하지 못하다.

본 발명의 어뎁터(20)는 육면체 중 적어도 하나 이상의 방향으로 H빔의 진입이 허용되는 진입부(21)가 구비되고, 작업자는 구조물의 형태 또는 설치 목적, 장소 등에 다라 진입부의 방향을 선택하여 어뎁터를 사용함으로써 다양한 형상의 구조물을 구축할 수 있다.

도 6과 같이 본 발명의 어뎁터(20)를 이용하여 H빔 구조물을 구축하는 방법은 하기와 같다.

먼저, 복수의 H빔과 원하는 방향으로의 진입부(21)가 복수 형성된 어뎁터(20)를 선택하여 준비하고, 별도로 캐미컬 충진재를 더 준비한다. 상기 준비된 어뎁터(20)는 구조물의 형태에 맞춰 진입부(21)의 방향을 설정 배치하고, 각 진입부(21)에 H빔을 순차 결합하여 구조물을 구축한다.

한편, H빔과 어뎁터(20) 간 정교한 결합이 이루어지더라도 H빔과 진입부(21)의 결합면에 미세한 간극이 발생할 수 있고, 이러한 미세 간극은 외부로부터 발생하는 각종 진동에 의해 어뎁터가 파손되어 심할 경우 구조물이 전도될 수 있기 때문에 어뎁터의 진입부와 H빔 간 접촉면은 상호 완벽하게 밀착 또는 점착되어야만 바람직한 강성을 유지할 수 있다.

따라서, 본 발명은 H빔이 결합된 진입부(21)의 내부에 상기 별도 준비된 캐미컬 충진재를 타설하여 간극을 해소함과 동시에 캐미컬 충진재의 점착력으로 하여금 어뎁터(20)와 H빔 간의 결합력을 적극 향상시켰다.

상기와 같이 어뎁터(20)에 H빔을 간편 결합하고 진입부(21)에 캐미컬로 충진함으로써 상대적으로 빈약한 결합부위의 내구성을 적극 증대시킬 수 있으며, 나아가 신속하고 쾌적한 작업환경을 조성할 수 있다.

한편, 도 7 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예를 나타낸 도면으로써, 상기 어뎁터(20)는 H빔 외에 상기 언급한 관체(10)를 설치할 수도 있고, 나아가 복수의 체결홀(12)을 기반으로 상하 높낮이 조절이 가능한 어뎁터의 구성을 제안한다.

도 7에 도시된 바와 같이 상기 어뎁터(20)는 H빔을 대신하여 관체(10)를 삽입하여 구조물을 구축할 수 있다. 이때, 관체(10)는 개별적으로 중공부(11)에 콘크리트를 타설하여 양생한 후 어뎁터(20)에 하나씩 체결하여 구조물을 구축하거나, 또는 작업 현장의 조건에 따라 어뎁터에 관체를 먼저 조립한 후 어느 하나의 중공부(11)를 통해 콘크리트를 일괄적으로 타설하여 구축할 수도 있다.

상기와 같이 탄소섬유 복합재로 이루어진 본 발명의 어뎁터(20)는 별도의 결합부재없이도 단순히 거푸집과 어뎁터만으로도 다양한 형상의 구조물을 신속하고 간편하게 구축할 수 있기 때문에 쾌적한 작업환경을 조성할 수 있다.

특히, 상기 관체(10)는 양측 단부를 수평으로 가로지르는 결합공(12)을 각각 포함하고, 상기 어뎁터(20)는 거푸집과 결합된 상태에서 결합공과 동심원상이 되는 위치에 체결공(22)을 더 포함하며, 상기 결합공과 체결공에 별도의 볼트(40)를 삽입시켜 견고하게 고정한다.

한편, 상기 결합공(12)은 관체(10)의 양측 단부를 기점으로 수직하방에 대해 일정한 간격으로 복수 형성되고, 어뎁터(20)의 체결공(22)을 원하는 위치의 결합공(12)에 배치시킴으로써 소정의 높이를 조절할 수 있다.

그리고 도 8에 도시된 바와 같이 관체(10)에 타설된 콘크리트(30)는 중공부(11)를 가로지르는 복수의 결합공(12)에 의해 거푸집과의 접촉면적이 확장되고, 나아가 타설 형태가 견고하게 개선되어 구조물의 내구성을 적극적으로 향상시킬 수 있다.

한편, 결합공(12)을 활용하여 관체(10)과 어뎁터(20)의 조립 위치를 가변시켜 구조물의 높낮이를 조절하는 기술은 단순한 일실시예일 뿐 이에 국한되지 않으며, 쐐기 형태의 돌기 및 걸림턱의 조합 내지 슬롯과 결합볼트의 조합 등 높낮이를 조절할 수 있는 모든 수단을 포함하는 것은 당연하다 할 것이다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집 및 이를 이용한 구조물의 시공방법은 인장강도를 비롯하여 탄성율, 경량성, 내화학성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등 건축용 자재로써 성능이 매우 탁월한 탄소섬유를 이용하여 거푸집을 제작하기 때문에 우수한 품질의 구조물을 시공할 수 있다. 또한, 탄소섬유에 제1열가소성 수지를 함침하고, 표면에 제2열가소성 수지를 코팅하여 탄소섬유의 부족한 내구성을 보완하고, 이로부터 타설된 콘크리트가 굳은 후 거푸집을 제거하지 않고 설치된 상태 그대로 구조물의 보강재로써 역할이 수행됨에 따라 거푸집의 제거 작업에 대한 인력낭비 및 구조물의 보강재를 별도 제작 및 설치하여야 하는 추가 작업을 배제할 수 있어 건축업계 발전에 이바지할 수 있다.

또한, 편조기와 권선기 외 다양한 가공장치를 바탕으로 우수한 성능의 탄소섬유 복합재를 제조할 수 있음에 따라, 본 발명이 제안하는 기능성 거푸집을 비롯한 다양한 종류의 건축자재를 쉽고 편리하게 생산할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10. 관체 20. 어뎁터
30. 콘크리트 40. 볼트
S100. 거푸집 성형단계 S200. 거푸집 커팅단계
S300. 거푸집 건조단계 S400. 후처리단계
S410. 수지 함침단계 S420. 수지 표면처리단계
S500. 구조물 설비단계

Claims

필라멘트의 형태로 제공되는 탄소섬유를 복수의 보빈에 권취한 후 성형기를 이용하여 구조물의 내력벽에 대응하는 관체(10)의 형상으로 가공하는 거푸집 성형단계(S100);와, 관체를 초음파 또는 워터젯에 기반하여 재단하는 거푸집 커팅단계(S200);와, 관체를 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 거푸집 건조단계(S300);와, 건조된 관체에 제1열가소성 수지를 함침하고, 표면에 제2열가소성 수지를 도포하여 탄소섬유 복합재로서의 물성을 개선하는 후처리단계(S400);와, 지면으로부터 복수의 관체(10)를 입설 설치하고, 관체의 중공부(11)에 콘크리트(30)를 타설 후 양생하면서 관체의 사방으로 또 다른 관체를 수평 배치함에 따라 설정 구조물로 구축되는 구조물 설비단계(S500);로 구성되는 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집의 제조방법에 있어서,
상기 거푸집 성형단계(S100)에서의 성형기는 관체(10) 또는 어뎁터(20)의 형상에 따라 탄소섬유 내지 프리폼 내지 중간재의 교차 투입이 이루어져 실린더나 파이프의 형상 구현이 실시되되, 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 편조기(braiding machine)에 의해 제조되는 것을 포함하고, 상기 편조기(braiding machine)는 탄소섬유 방향으로 설정 범위 내 직물 패턴이 유지되되, 중심부가 내통되어 로봇이 제공하는 관의 일방향 진입을 허용하는 프레임 및 프레임의 가장자리에서 탄소섬유를 공급하는 복수의 롤러로 이루어짐에 따라 복수의 탄소섬유 가닥이 관의 일측 단부에 융착된 후 로봇이 관을 회전시키면서 프레임 중심부로 진입시키면 단부에 융착된 복수의 탄소섬유 가닥이 관의 외경을 따라 기설정된 격자 형태로 직조되면서 성형이 이루어지는 것을 포함하고,
상기 거푸집 건조단계(S300)는 진공 조건에서 열을 공급하여 경화하는 Vacuum microwave kiln을 포함하되, 탄소섬유를 내부 수용하고 작업 수순에 따라 내부 공간을 진공 상태로 형성하는 건조 프레임과, 외부로부터 건조 프레임의 내부를 차폐하는 도어와, 건조 프레임의 내부공간과 연계되어 진공상태를 조성하는 진공펌프로 이루어지는 것을 포함하고,
상기 후처리단계(S400)는 거푸집을 이루는 탄소섬유에 제1열가소성 수지를 함침한 후 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하여 탄소섬유 복합재를 형성하되, 상기 탄소섬유 복합재는 탈지와 탈수가 완료된 탄소섬유를 제1열가소성 수지가 담수된 탱크에 투입한 후 압력을 가하여 함침하는 수지 함침단계(S410) 및 제1열가소성 수지가 함침된 탄소섬유를 수회 탈지와 탈수, 샌딩 처리한 후 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하는 수지 표면처리단계(S420)로 이루어지고,
상기 수지 함침단계(S410)는 진공의 작업공간 내에서 탄소섬유를 탈지 및 탈수하는 1차 전처리 공정과, 탄소섬유를 제1열가소성 수지가 담수된 탱크에 투입한 후 압력을 가해 물성을 개선하는 2차 전처리 공정으로 구분되고, 2차 전처리 공정이 완료된 탄소섬유를 원심분리하는 1차 후처리 공정과, 탄소섬유의 표면에 잔류하는 제1열가소성 수지를 세척 및 건조하는 2차 후처리 공정으로 구분되는 것을 포함하고,
상기 1차 전처리 공정은 탄소섬유를 진공 환경에서 25 내지 30분간 탈지 및 탈수하여 불순물을 제거하되, 탈지는 에탄올을 이용한 기화방식 및 계면활성제를 이용한 약품방식인 것을 포함하며, 상기 탈수는 탄소섬유의 표면에 설정 압력의 에어를 분사하여 함침되지 못한 잔류 에탄올 또는 계면활성제를 제거하는 것을 포함하고,
상기 수지 표면처리단계(S420)는 탄소섬유 복합재를 탈지 및 탈수한 후 표면을 샌딩 처리하는 1차 전처리 공정과, 샌딩 처리된 탄소섬유 복합재의 표면에 제2열가소성 수지를 프라이머 도포하는 2차 전처리 공정으로 구분되고, 2차 전처리 공정이 완료된 탄소섬유 복합재를 80℃의 온도 조건에서 열처리하는 1차 후처리 공정과, 300℃의 온도 조건에서 재차 열처리하는 2차 후처리 공정으로 구분되는 것을 포함하는 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 관체(10)는 제1열가소성 수지 및 제2열가소성 수지의 표면 처리로 획득된 탄소섬유 복합재를 이용하여 상하 관통형 중공부(11)가 보유된 것을 포함하고,
상기 어뎁터(20)는 골조용 H빔의 상호 연결을 위해 사방으로 진입부(21)가 구비된 어뎁터(20)의 형상으로 성형 가공되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재를 이용한 기능성 거푸집의 제조방법.
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