KR102337821B1 - 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치 및 방법 - Google Patents

접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 종래 탄소섬유시트공법의 경우에, 탄소섬유시트가 이물질(먼지, 수분)이나 외압에 의해 구겨지거나, 들뜨거나, 기포가 생겨 접착부위에서 탈락되는 문제점과, 기존 탄소섬유시트보강법이 공정이 복잡하고, 작업시간이 오래 걸리고, 설치단가가 비싸지는 문제점과, 합성수지에 혼입시킨 탄소섬유의 방향이 불균일한 상태에서 제조되어, 각 탄소섬유의 지진동 전달 면적이 점접촉으로 작게 되어, 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성, 구조물의 휨내력이 약해지고, 탄소섬유시트 자체의 기능이 나빠져 버리는 문제점을 개선하고자, 레일형 보강브라켓(100), 탄소섬유시트바(200), 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트(300)로 이루어진 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치가 구성됨으로서, 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장 표면에 설치되어, 접착제를 통한 접착과 슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식으로 탄소섬유시트를 구조물 표면에 형성시킬 수 있어, 시공성이 우수하여, 기존에 비해 작업속도를 80% 향상시킬 수 있고, 유지보수 비용을 50% 이하로 낮출 수 있으며, 동일 방향으로 배열된 굵은 탄소섬유 사이에 가는 탄소섬유를 혼입시킬 수 있기 때문에, 각 탄소섬유의 지진동 전달 면적을 크게 해 주어 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성을 기존 탄소섬유시트에 비해 2배~4배 향상시킬 수 있고, 레일형 보강브라켓과 탄소섬유시트바를 통해 측면방향으로 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 1차 탄력성있게 지지해주고, 접착제를 통해 표면방향에서 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 2차 접착 지지해줄 수 있어, 구조물의 내력회복과 균열의 활동을 억제, 유지시키며, 구조물의 휨내력을 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있는 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치 및 방법{Hybrid bonded carbon fiber sheet reinforcement device and method consisting of adhesive and slide fitting}
본 발명은 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장 표면에 설치되어, 접착제를 통한 접착과 슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식으로 탄소섬유시트를 구조물 표면에 형성시킬 수 있는 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장 등에 균열이 발생한 콘크리트 구조물의 경우, 지진동에 대해 표면을 강화하고 파손 등을 방지하기 위해서는 탄소섬유시트보강법이 수행된다.
종래기술로, "수성도막방수재가 함침된 섬유보강시트를 이용한 PVC시트 벽체마감공법(국내등록특허공보 제10-2221528호(2021.02.26 공고))"과, "보강용 탄소 섬유 시트(국내공개특허공보 제10-2018-0129814호(2018.12.05 공개))"가 제시된 바 있었다.
하지만, 구조물 표면에 탄소섬유시트가 접착제를 통해 접착되고 있으나, 콘크리트 표면과 탄소섬유시트의 가장자리 부분이 이물질(먼지, 수분)이나 외압에 의해 구겨지거나, 들뜨거나, 기포가 생겨 접착부위에서 탈락되는 문제점이 자주 발생하였다.
또한, 기존 탄소섬유시트보강법이 공정이 복잡하고, 다수의 인원이 투입되어, 수작업을 통한 접착제 부착방식으로만 작업해야 하기 때문에 작업시간이 오래 걸리고, 설치단가가 비싸지는 문제점이 있었다.
그리고, 기존에 사용되는 탄소섬유시트의 경우에 탄소섬유시트제조시, 합성수지에 혼입시킨 탄소섬유의 방향이 불균일한 상태에서 제조되어, 각 탄소섬유의 지진동 전달 면적이 점접촉으로 작게 되어, 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성, 구조물의 휨내력이 약해지고, 탄소섬유시트 자체의 기능이 나빠져 버리는 문제점이 발생하였다.
1. 국내등록특허공보 제10-2221528호(2021.02.26 공고) 2. 국내공개특허공보 제10-2018-0129814호(2018.12.05 공개)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장 표면에 설치되어, 접착제를 통한 접착과 슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식으로 탄소섬유시트를 구조물 표면에 형성시킬 수 있고, 동일 방향으로 배열된 굵은 탄소섬유 사이에 가는 탄소섬유를 혼입시킨 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 제공함으로서, 각 탄소섬유의 지진동 전달 면적을 크게 해 주어 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성, 구조물의 휨내력을 기존에 비해 향상시킬 수 있는 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치는
보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장 표면에 설치되어, 접착제를 통한 접착과 슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식으로 탄소섬유시트를 구조물 표면에 형성시키는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치는
보강하고자 하는 구조물에 길이방향을 따라 탈부착고정되어, 탄소섬유시트 바가 레일홈을 따라 슬라이드 삽입되도록 안내하면서 외부로 이탈되지 않도록 탄소섬유시트바를 탄력성있게 지지하는 레일형 보강브라켓(100)과,
탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트와 일체형을 이루며 형성되고, 레일형 보강브라켓에 슬라이드 안내되면서 결합되는 탄소섬유시트바(200)와,
탄소섬유시트바와 일체형을 이루며 형성되고, 레일형 보강브라켓에 의해 측면방향으로 탄력성있게 지지되면서 구조물 표면에 접착 일체화되어 구조물의 강도 내구성 및 내진 성능을 보강시켜주는 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트(300)로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는
첫째, 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장 표면에 설치되어, 접착제를 통한 접착과 슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식으로 탄소섬유시트를 구조물 표면에 형성시킬 수 있어, 시공성이 우수하여, 기존에 비해 작업속도를 80% 향상시킬 수 있고, 유지보수 비용을 50% 이하로 낮출 수 있다.
둘째, 동일 방향으로 배열된 굵은 탄소섬유 사이에 가는 탄소섬유를 혼입시킬 수 있기 때문에, 각 탄소섬유의 지진동 전달 면적을 크게 해 주어 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성을 기존 탄소섬유시트에 비해 2배~4배 향상시킬 수 있다.
셋째, 레일형 보강브라켓과 탄소섬유시트바를 통해 측면방향으로 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 1차 탄력성있게 지지해주고, 접착제를 통해 표면방향에서 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 2차 접착 지지해줄 수 있어, 구조물의 내력회복과 균열의 활동을 억제, 유지시키며, 구조물의 휨내력을 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치(1)의 구성요소를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 레일형 보강브라켓의 구성요소를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 탄소섬유시트바가 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트와 일체형을 이루며 형성되어, 레일형 보강브라켓에 슬라이드 안내되면서 결합된 것을 도시한 일실시예도,
도 5는 본 발명에 따른 바인더가 되는 열가소성 합성수지에, 탄소섬유를 제1 지름을 가지는 제1 탄소섬유셀과, 그 제1 지름보다 작은 지름을 가지는 제2 탄소섬유셀이 구성되고. 그 제1 탄소섬유셀과 제2 탄소섬유셀을 동일 방향으로 가지런히 배열시켜 형성시킨 것을 도시한 일실시예도,
도 6은 본 발명에 따른 제1 탄소섬유셀과 제2 탄소섬유셀을 동일 방향으로 가지런히 배열시켜 형성시키는 것을 전자현미경으로 촬영한 사진,
도 7은 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트가 탄소섬유시트바와 일체형을 이루며 형성되고, 레일형 보강브라켓에 의해 측면방향으로 탄력성있게 지지되면서 구조물 표면에 접착 일체화되어 형성된 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강방법 중 보강하고자하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장의 외벽 표면을 그라인딩하는 것을 도시한 일실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 에폭시 퍼티 처리가 완료된 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장의 외벽 표면에 접착제가 발라진 레일형 보강브라켓을 고정시키는 앙카볼트를 박아서 형성시키는 것을 도시한 일실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장의 외벽 표면에 형성된 앙카볼트 상(上)에 접착제가 발라진 레일형 보강브라켓을 설치하는 것을 도시한 일실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 탄소섬유시트가 탄소섬유시트바와 레일형 보강브라켓에 의해 측면방향으로 탄력성있게 지지되면서 구조물 표면에 형성되는 것을 도시한 일실시예도,
도 12는 본 발명에 따른 레일형 보강브라켓에 삽입지지된 탄소섬유시트바를 통해 구조물 표면상에 형성된 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 면접촉을 갖는 진동다짐기를 통해 누르는 힘과 진동의 힘으로 표면 다짐하여, 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강을 완료하는 것을 도시한 일실시예도,
도 13은 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강을 완료한 부위 중 단차로 인한 빈 공간을 에폭시 충진시켜 빈공간을 메우는 것을 도시한 일실시예도,
도 14는 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강방법을 도시한 순서도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치(1)의 구성요소를 도시한 사시도에 관한 것으로, 이는 레일형 보강브라켓(100), 탄소섬유시트바(200), 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트(300)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 레일형 보강브라켓(100)에 관해 설명한다.
상기 레일형 보강브라켓(100)은 보강하고자 하는 구조물에 길이방향을 따라 탈부착고정되어, 탄소섬유시트 바가 레일홈을 따라 슬라이드 삽입되도록 안내하면서 외부로 이탈되지 않도록 탄소섬유시트바를 탄력성있게 지지하는 역할을 한다.
이는 도 3에 도시한 바와 같이, 브라켓몸체(110), 보강부위접촉고정부(120), 트윈형레일날개부(130)로 구성된다.
상기 브라켓몸체(110)는 장방향의 길이방향을 따라 형성되어, 각 기기를 지지해주는 역할을 한다.
이는 보강하고자 하는 구조물에 보강부위접촉고정부가 형성되고, 보강부위접촉고정부 후단 중심을 기준으로 트윈형레일날개부가 형성된다.
상기 보강부위접촉고정부(120)는 보강하고자 하는 부위에 탈부착고정되는 역할을 한다.
이는 보강하고자 하는 부위에 따라 반호형상, 사각형상 등 다양한 형상으로 형성된다.
그리고, 접촉표면상에 접착제가 발라지고, 앙카볼트와 맞춤형으로 삽입되어 끼워져 결합되도록 요홈삽입구(121)가 형성된다.
상기 트윈형레일날개부(130)는 트윈날개형상으로 형성되어, 탄소섬유시트바가 레일홈을 따라 슬라이드 삽입되도록 안내하면서 외부로 이탈되지 않도록 지지하는 역할을 한다.
이는 탄소섬유시트바와 접촉되는 부위가 얇은 사각 판형이기 때문에 이에 대응되는 얇은사각레일홈구조로 형성되어 구성된다. 여기서, 얇은사각레일홈구조에서 얇은 사각레일은 두께(t)가 0.1mm~10mm로 형성되는 것을 말한다.
여기서, 0.1mm~10mm로 형성되는 이유는 0.1mm 이하에서는 금형설계가 힘들고, 탄소섬유시트바가 슬라이드 삽입시 뻑뻑하여 슬라이드 삽입이 잘 안되는 문제점이 발생되고, 10mm 이상에서는 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트 사이에 단차로 인한 빈 공간이 크게 생겨 들뜨는 현상이 발생되기 때문에, 두께(t)가 0.1mm~10mm로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 탄소섬유시트바와 접촉되는 부위가 원형이면, 이에 대응되는 반호형상의 홈구조로 형성되어 구성된다.
그리고, 내부면이 중공의 홈이 형성되어, 지진동이 중공의 홈에서 소산되도록 한다.
본 발명에 따른 트윈형레일날개부의 내부구조가 얇은사각레일홈구조로 형성되는 이유는 도 13에 도시한 바와 같이, 원형이나 반호형으로 형성되면, 탄소섬유시트바와 슬라이드 결합되어 접촉되는 부위와, 그 부위에 연결된 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트 사이에 단차로 인한 빈 공간이 생겨 들뜨는 현상이 발생되어, 단차로 인한 빈 공간의 면적을 최소화하기 위해서 얇은사각레일홈형상으로 형성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 탄소섬유시트바(200)에 관해 설명한다.
상기 탄소섬유시트바(200)는 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트와 일체형을 이루며 형성되고, 레일형 보강브라켓에 슬라이드 안내되면서 결합된다.
이는 도 4에 도시한 바와 같이, 길이방향을 따라 형성되는 얇은 사각 판형상으로 형성된다. 그리고, 사용목적과 형태에 따라 다양한 형상으로 형성된다.
상기 탄소섬유시트바(200)는 탄소나노튜브, 탄소섬유, 금속합금, 플라스틱 중 어느 하나가 선택되어 형성된다. 또한, 구부리거나 휘어질 수 있는 재질이 포함되어 형성된다.
여기서, 탄소섬유시트바가 얇은 사각 판형상으로 형성되는 이유는 도 13에 도시한 바와 같이, 원형이나 반호형으로 형성되면, 레일형 보강브라켓의 트윈형레일날개부와 슬라이드 결합되어 접촉되는 부위와, 그 부위에 연결된 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트 사이에 단차로 인한 빈 공간이 생겨 들뜨는 현상이 발생되어, 단차로 인한 빈 공간의 면적을 최소화하기 위해서 얇은 사각 판형상으로 형성된다.
이때, 단차로 인한 빈 공간은 에폭시 충진되어 빈공간을 메우게된다.
다음으로, 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트(300)에 관해 설명한다.
상기 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트(300)는 도 7에 도시한 바와 같이, 탄소섬유시트바와 일체형을 이루며 형성되고, 레일형 보강브라켓에 의해 측면방향으로 탄력성있게 지지되면서 구조물 표면에 접착 일체화되어 구조물의 강도 내구성 및 내진 성능을 보강시켜주는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시한 바와 같이, 바인더가 되는 열가소성 합성수지와 그 열가소성 합성수지에 함유되는 탄소섬유를 구비해서 이루어진 탄소섬유 함유 시트로 이루어지고, 보다 구체적으로는 상기 탄소섬유를 제1 지름을 가지는 제1 탄소섬유셀과, 그 제1 지름보다 작은 지름을 가지는 제2 탄소섬유셀을 구비해 구성된다.
그리고 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 탄소섬유셀과 제2 탄소섬유셀을 동일 방향으로 가지런히 배열시켜 형성시킨다.
그리고, 원료의 배합량으로서는 열가소성합성수지 40~60% 중량부와, 가소제 20~40% 중량부와, 열 안정제 2~7% 중량부와, 제1 탄소섬유셀 6~35% 중량부와, 제2 탄소섬유셀 3~5% 중량부의 조성물로 배합되어 제조된다.
이렇게 구성하면, 동일 방향으로 배열된 굵은 탄소섬유(제1 탄소섬유셀) 사이에 가는 탄소섬유(제2 탄소섬유셀)를 혼입시킬 수 있기 때문에, 각 탄소섬유의 지진동 전달 면적을 크게 해 주어 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성을 기존 탄소섬유시트에 비해 2배~4배 향상시킬 수 있고, 구조물의 내력회복과 균열의 활동을 억제, 유지시키며, 구조물의 휨내력을 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있다.
여기서, 동일 방향으로 가지런히 해 배열시킬 경우, 바람직하게는,70% 이상의 탄소섬유를 약 30도 이내의 각도로 방향을 가지런히 하도록 한다.
또한 이러한 특성을 가지도록 하기 위해 본 발명에 있어서 상기 제1 탄소섬유셀과 제2 탄소섬유셀의 섬유 직경 비를30:1내지200:1로 한다.
이와 같이 하면, 굵은 지름의 제1 탄소섬유셀로 탄소섬유 함유 시트의 강도를 유지할 수 있음과 동시에, 가는 지름의 제2 탄소섬유셀과의 지진동 전달 면적을 크게 해 주어 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성을 기존 탄소섬유시트에 비해 2배~4배 향상시킬 수 있고, 구조물의 내력회복과 균열의 활동을 억제, 유지시키며, 구조물의 휨내력을 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있다.
또한 상기 제1 탄소섬유셀의 섬유길이를 10μm내지 150μm로 하고, 제2 탄소섬유셀의 섬유길이를 제1 탄소섬유셀보다 짧게 구성한다.
이와 같이 하면, 탄소섬유 함유 시트의 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성, 구조물의 휨내력을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 상기 제1 탄소섬유셀에 대해서 제2 탄소섬유셀을 3 ~ 5% 중량부의 비율로 혼입시키도록 한다.
이와 같이 구성하면, 굵은 제1 탄소섬유셀의 간극에 제2 탄소섬유셀을 들어가게 하고, 각 탄소섬유의 지진동 전달 면적을 크게 할 수 있게 된다.
또한 이러한 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 제조할 경우, PAN계의 탄소섬유를 기류 분쇄시켜 제1 지름을 가지는 제1 탄소섬유셀과, 당해 제1 지름보다 작은 지름을 가지는 제2 탄소섬유셀을 생성되는 공정과, 당해 제1 탄소섬유셀과 제2 탄소섬유셀을 가열시킨 열가소성합성수지에 혼입시키고 회전 교반시키는 공정과, 열가소성합성수지, 제1 탄소섬유셀, 제2 탄소섬유셀을 열압기(Hot press, Daejin Mold & Plastic, Korea)를 이용하여 고온압착공정과, 캘린더 롤에 통함으로써, 제1 탄소섬유셀과 제2 탄소섬유셀을 동일 방향으로 가지런히 해 배열시키는 공정을 수행해 완성된 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 제조한다.
이와 같이 하면, 기류 분쇄에 의해 PAN계의 탄소섬유를 서로 충돌시켜 분쇄시킬 수 있기 때문에, 다른 분쇄 방법에 비해 이경의 섬유 요소에 분쇄시킬 수 있게 된다. 또한 이와 같이 분쇄시킨 후, 회전 교반시켜 캘린더 롤을 통하기 때문에, 상류에서 하류를 향해서 섬유의 방향이 갖추어져, 탄소섬유에 배향성을 갖게 할 수 있게 된다.
다음은 본 실시의 형태의 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트의 구성성분에 대해 상세하게 설명한다.
우선 바인더가 되는 열가소성 합성수지는 시트 본체의 베이스가 되는 것으로서, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 염화비릴리덴(PVDC), 플로오르수지, 아크릴 수지, 폴리아세트산 비닐수지, 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드 수지(PA), 아세탈 수지, 폴리테닐렌옥사이드, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리아미드(PI), 아크릴니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 메타크릴 수지(PMMA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리올레핀(PO), 에틸렌초산비닐(EVA) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 구성된다.
또한 본 실시의 형태에서는 탄소섬유를 일방향으로 배열시킨다.
상기 열가소성 합성수지에 함유되는 탄소섬유는 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트의 시트 본체에 강도를 갖게 함과 동시에, 일방향을 따르는 지진동 전달 면적을 크게 해 주어 지진동에 대한 탄력 특성과 구조물의 휨내력을 갖게 하도록 한 것으로서, 이 실시 형태에서는 PAN계의 탄소섬유를 기류 분쇄시킨 탄소섬유를 이용한다.
여기서 PAN계 이외에 피치계의 탄소섬유를 이용할 수도 있으나, 이러한 피치계의 탄소섬유는 가는 섬유의 집합체이기 때문에,이것을 분쇄시킨 경우, 각 섬유가 뿔뿔이 흩어지게 되어 균일한 지름의 섬유 요소로 분해되어 버린다.
이것에 대해서 PAN계 탄소섬유를 분쇄시킨 경우, 불균일한 섬유 직경의 섬유 요소에 분쇄시킬 수 있기 때문에, 이 실시 형태에서는 PAN계 탄소섬유를 이용하도록 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트의 제조방법에 관해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트는 열가소성 합성수지에 가소제, 열 안정제, 제1 탄소섬유셀 3, 제2 탄소섬유셀 4를 포함시킨 원료를 준비한다. 이 원료의 배합량으로서는 열가소성합성수지 40~60% 중량부와, 가소제 20~40% 중량부와, 열 안정제 2~7% 중량부와, 제1 탄소섬유셀 6~35% 중량부와, 제2 탄소섬유셀 3~5% 중량부의 조성물로 배합되어 제조된다.
상기 가소제로서는 열가소성 합성수지에 유연성이나 내후성을 더하도록 한 것으로서, 프탈산 에스테르인 프탈산디옥틸(DOP), 프탈산 디이소노닐(DINP), 프탈산 디이소데실(DIDP), 프탈산 디부틸(DBP), 아디핀산 에스테르인 아디핀산 디옥틸(DOA), 아디프산 디이소노닐(DINA), 트리멜리트산 에스테르인 트리멜리트산 트리오 옥틸(TOTM), 폴리에스테르, 인산 에스테르, 구연산 에스테르, 에폭시화 식물유, 세바스산 에스테르, 아젤라산 에스테르, 말레산 에스테르, 안식향산 에스테르 등을 이용한다.
또한 열 안정제로서는 열에 의한 시트의 열화를 방지하는 것으로서 고급 지방산의 아연염, 바륨염, 아연염과 칼슘염의 조합 유기 주석 말레에이트나 유기 주석 메르캅토 등의 주석계를 이용한다.
이때, 탄소섬유의 섬유 요소의 배향성을 손상시키지 않는 점성이 적은 안정제를 적합하게 사용한다.
또한 제1 탄소섬유셀로서는 섬유길이가 10 내지 150μm로 섬유 직경이 3 내지 20μm정도의 제1 탄소섬유셀을 이용해 20 내지 30 중량부의 범위로 함유시킨다. 이 때, 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 부드럽게 할 경우는 20 중량부로 하고, 경화성을 갖게 할 경우는 30 중량부로 한다.
한편, 제2 탄소섬유셀로서 섬유길이가 19μm이하에서 섬유 직경이 100nm~400 nm정도의 제2 탄소섬유셀를 이용해 3% 중량부 정도의 범위에서 배합시킨다.
그리고 이러한 원료를 믹서에 투입하고 80 내지 90℃의 가열 상태에서 1000 rpm 내지 1500 rpm에서 회전 교반시킨다.
그러면, 이 회전 교반에 의해 각 재료가 서로 섞임과 동시에, 제1 탄소섬유셀이 분산된 상태에서 각 섬유 요소가 회전 방향을 따라 배향하게 된다.
그리고 이와 같이 교반시킨 원료를 170 내지 190℃으로 가열한 한 쌍의 믹싱 롤에서 혼련하고, 각 재료를 균등하게 한다. 이 때, 섬유 요소는 믹싱 롤의 축방향으로 갖추어지게 된다.
이어서 이러한 혼련에 의해 균등화한 원료를 강도향상시키기 위해 열압기(Hot press, Daejin Mold & Plastic, Korea)를 이용하여 고온압착을 수행한다.
열가소성 합성수지의 용융점을 기준으로 열압기의 온도를 설정하여 2~5분 동안 4~10 MPa 압력으로 진행힌다.
이어서, 압착후, 6개의 캘린더 롤에서 시트형으로 성형해 간다. 이 성형 시의 가공 온도는 170 내지 190℃에서 캘린더 롤의 클리어런스는 최종 부분에서 0.35 mm정도가 되도록 해 둔다. 이 때, 믹서이나 믹싱 롤에 의해 섬유 요소를 배향시킨 상태가 되어 있어 또한 클리어런스가 작은 간극으로 유속이 빨라지기 때문에, 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트의 길이 방향을 따라 제1 탄소섬유셀이나 제2 탄소섬유셀이 분산된 상태에서 배향하게 된다.
또한 본 발명은 상기 실시 형태로 제한되지 않고 다양한 양태로 실시할 수 있다.
예를 들면 상기 실시 형태에서는 탄소섬유로서 PAN계의 탄소섬유를 이용하도록 했으나, 피치계의 탄소섬유로 지름이 다른 섬유 요소를 혼합시킬 수 있을 경우는 피치계의 탄소섬유를 이용하도록 할 수 있다. 혹은 피치계와 PAN계의 혼합을 이용하도록 할 수 있다.
또한 상기 실시 형태에서는 같은 방향으로 배열된 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 예로 들어 설명했으나, 이것을 직교 방향으로 적층시켜 다른 방향으로도 지진동 전달 면적을 크게 해 주어 지진동에 대한 강도 및 탄력 특성, 구조물의 휨내력을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강방법의 구체적인 과정에 관해 설명한다.
도 14는 본 발명에 따른 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강방법을 도시한 순서도에 관한 것이다.
[표면그라인딩단계(S10)]
이는 도 8에 도시한 바와 같이, 레일형 보강브라켓의 충분한 접착력 확보를 위해 보강하고자하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장의 외벽 표면의 도장부위, 오염, 열화층을 그라인더로 제거하고, 연마하여 강도가 높고, 접착력이 좋은 표면을 형성시킨다.
이때, 연마 후 분진은 압축공기, 걸레(헝겊)으로 완전히 제거한다.
그리고, 물을 사용하여 세정한 경우에는 충분하게 건조시킨다.
[에폭시 퍼티 처리단계(S20)]
이는 접착강도, 점도, 경화속도를 고려하여 에폭시 퍼티재료를 선택한다.
프라이머가 완전히 건조된 후, 보강하고자 하는 구조물 표면상의 구멍, 요철부위를 고무 또는 얇은 쇠, 플라스틱 주걱을 사용하여 퍼티로 메워 매끈하게 마감한다.
[보강하고자 하는 구조물 표면에 앙카볼트 형성단계(S30)]
이는 도 9에 도시한 바와 같이, 에폭시 퍼티 처리가 완료된 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장의 외벽 표면에 접착제가 발라진 레일형 보강브라켓을 고정시키는 앙카볼트를 박아서 형성시킨다.
본 발명에 따른 레일형 보강브라켓은 접착제로 인한 접착과 앙카볼트와 너트로 인한 결합으로 이루어진 하이브리드결합방식으로 단단하게 결합된다.
여기서, 앙카볼트는 레일형 보강브라켓의 보강부위접촉고정부에 형성된 요홈삽입구에 맞춤형으로 삽입되고, 레일형 보강브라켓의 트윈형레일날개부를 따라 슬라이드되어 삽입되는 탄소섬유시트바가 걸리지 않도록 요홈삽입구에 음각형상으로 함몰된 구조로 결합된다. 즉, 레일형 보강브라켓의 보강부위접촉고정부에 형성된 요홈삽입구를 바라봤을 때, 요홈삽입구 내부공간에 앙카볼트와 너트가 음각형상으로 함몰된 구조로 형성된다.
[레일형 보강브라켓 설치 단계(S40)]
이는 도 10에 도시한 바와 같이, 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장의 외벽 표면에 형성된 앙카볼트 상(上)에 접착제가 발라진 레일형 보강브라켓을 설치한다.
즉, 레일형 보강 브라켓의 보강부위접촉고정부 접촉표면상에 접착제를 바른 후, 앙카볼트와 맞춤삽입되도록 보강부위접촉고정부의 요홈삽입구를 앙카볼트를 기준으로 정위치시킨 후, 맞춤삽입시킨다.
이처럼, 레일형 보강브라켓은 접착제로 인한 접착과 앙카볼트와 너트로 인한 결합으로 이루어진 하이브리드결합방식으로 단단하게 결합된다.
[프라이머 도포단계(S50)]
이는 구조물 표면에 형성되는 탄소섬유시트의 접착성이 단단해지고 견고해져서, 탄소섬유시트가 들뜨는 현상없이 장시간 접착되도록 하기 위해, 탄소섬유시트바가 레일형 보강 브라켓에 슬라이드 삽입되기 전에, 표면그라인딩된 표면 상(上)에 프라이머가 도포된다.
시공면의 청결상태(먼지, 수분)를 확인하고, 온도를 고려하여 적절한 프라이머 타입을 선택한다.
그리고, 프라이머의 주제와 경화제를 무게비 2:1(저울사용)로 혼합용기에 담아 전동믹서로 약 2~5분간 색상이 균일하게 될 때까지 혼합시킨다.
적당한 배분용기로 혼합된 프라이머를 옮긴 다음, 시공 면에 도포롤러로 균일하게 도포한다.
도포량은 시공면의 상태에 따라 150g/m2~500g/m2으로 한다.
프라이머의 침투량이 많은 부위는 프라이머가 손에 묻지 않을 정도로 건조된 후 추가 도포를 실시한다.
[탄소섬유시트바 슬라이드 삽입단계(S60)]
이는 도 10에 도시한 바와 같이, 보강하고자 하는 구조물의 외벽 표면에 세로의 길이방향을 따라 레일형 보강브라켓이 순차적으로 설치가 완료되면, 탄소섬유시트바가 레일형 보강브라켓의 레일형홈에 슬라이드 안내되어 삽입된다.
이때, 탄소섬유시트는 도 11에 도시한 바와 같이, 탄소섬유시트바와 레일형 보강브라켓에 의해 측면방향으로 탄력성있게 지지되면서 구조물 표면에 형성된다.
구조물 표면상에 미리 프라이머가 도포되어 있어, 프라이머의 점성력에 의해 탄소섬유시트바가 레일형 보강브라켓의 레일형홈에 슬라이드 안내되어 삽입되도록 힘을 가해도 당겨지지 않는 현상이 발생되기 때문에, 와이어로프와, 와이어감김모터를 통해 강한 힘으로 당기면서 슬라이드 삽입시킨다.
[진동다짐단계(S70)]
이는 도 12에 도시한 바와 같이, 레일형 보강브라켓에 삽입지지된 탄소섬유시트바를 통해 구조물 표면상에 형성된 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트를 면접촉을 갖는 진동다짐기를 통해 누르는 힘과 진동의 힘으로 표면 다짐하여, 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강을 완료한다.
이때, 도 13에 도시한 바와 같이, 단차로 인한 빈 공간은 에폭시 충진되어 빈공간을 메우게된다.
1 : 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치
100 : 레일형 보강브라켓
200 : 탄소섬유시트바
300 : 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트

Claims (7)

  1. 보강하고자 하는 구조물인 보, 기둥, 슬라브, 천장 표면에 설치되어, 접착제를 통한 접착과 슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식으로 탄소섬유시트를 구조물 표면에 형성시키도록 하기 위해,
    보강하고자 하는 구조물에 길이방향을 따라 탈부착고정되어, 탄소섬유시트 바가 레일홈을 따라 슬라이드 삽입되도록 안내하면서 외부로 이탈되지 않도록 탄소섬유시트바를 탄력성있게 지지하는 레일형 보강브라켓(100)과,
    탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트와 일체형을 이루며 형성되고, 레일형 보강브라켓에 슬라이드 안내되면서 결합되는 탄소섬유시트바(200)와,
    탄소섬유시트바와 일체형을 이루며 형성되고, 레일형 보강브라켓에 의해 측면방향으로 탄력성있게 지지되면서 구조물 표면에 접착 일체화되어 구조물의 강도 내구성 및 내진 성능을 보강시켜주는 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트(300)로 구성되고,
    상기 레일형 보강브라켓(100)은
    장방향의 길이방향을 따라 형성되어, 각 기기를 지지해주는 브라켓몸체(110)와,
    보강하고자 하는 부위에 탈부착고정되는 보강부위접촉고정부(120)와,
    트윈날개형상으로 형성되어, 탄소섬유시트바가 레일홈을 따라 슬라이드 삽입되도록 안내하면서 외부로 이탈되지 않도록 지지하는 트윈형레일날개부(130)로 구성되는 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치에 있어서,
    상기 트윈형레일날개부(130)는 탄소섬유시트바와 접촉되는 부위가 두께(t) 0.1mm~10mm의 얇은사각레일홈구조로 형성되어, 탄소섬유시트바와 슬라이드 결합되어 접촉되는 부위와, 그 부위에 연결된 탄소-탄소 복합형 탄소섬유시트 사이에 단차로 인한 빈 공간의 면적을 최소화하고, 단차로 인한 빈 공간을 에폭시 충진시켜 빈공간을 메우는 것을 특징으로 하는 접착·슬라이드끼움으로 이루어진 하이브리드결합식 탄소섬유시트보강장치.
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