KR19990081749A - 강화 섬유 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강화 섬유를 한 방향으로 배열하여 이루어지는 강화 섬유 시트에 있어서, 시공시의 취급성이 뛰어나며 3차원적인 곡면을 갖는 구조체를 용이하게 보수·보강할 수가 있는 강화 섬유 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 강화 섬유 시트는, 한 방향으로 정돈된 강화 섬유로 이루어지는 기재 시트의 한 면 또는 양면에, 강화 섬유의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 날실이 번수 100∼1200 데니르인 유리 섬유와, 강화 섬유의 연장 방향과 직행하는 방향으로 연장되는 씨실이 번수 100∼600 데니르인 유기 섬유로 이루어지는 2축 메시 형상체를 부착하여 이루어진다.

Description

강화 섬유 시트

본 발명은 강화 섬유를 한 방향으로 배열하여 이루어지는 강화 섬유 시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복잡한 곡면을 갖는 구조물의 보수·보강에 적합한 강화 섬유 시트에 관한 것이다.

탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등의 강화 섬유를 한 방향으로 배열하여 이루어지는 강화 섬유 시트는, 강화 섬유 플라스틱에 의한 강화용 기재로서 토목·건축용 구축물의 보강뿐만 아니라, 강화 섬유 플라스틱제의 보트 등의 핸드 레이업(lay up)으로 제작하는 제품의 기재로서 널리 이용되는 것이 가능하다. 이와 같은 강화 섬유 시트는, 교량이나 고속 도로 등의 보강 현장에서 강화 섬유층에 시공 수지(매트릭스 수지)를 함침(含浸)시켜서 경화시키고, 교량 등의 구조물의 보강에 사용된다.

콘크리트 구조물 등의 보수·보강에 사용되는 시트 형상의 강화 섬유 기재는, 성형 가공시에 행해지는 절단, 적층 혹은 가압 등의 취급에 있어서도 시트 형상이 유지되도록, 직포, UD 로빙 클로스(roving cloth) 혹은 보강 섬유에 메시(mesh)를 부착하는 방법 등 여러 가지 방책이 고안되고 있다.

토목·건축용 구조물의 보수에 섬유 강화 시트를 사용하는 공법이 보급되어 오고 있으나, 현재는 교각이나 마루판의 평면부에서의 적용이 대부분이다. 이것은 3차원적인 곡면을 지닌 복잡한 형상 부분의 보수는 섬유 강화 기재의 곡면에의 추종성이 나쁘기 때문에, 시공 수지를 함침시킨 후에, 시트의 들뜸이 발생하게 되고, 그것을 고치는데 많은 시간과 노력이 필요해지기 때문이다.

시트 형상의 강화 섬유 기재의 일종인 직포는, 강화 섬유 다발을 평직, 주자직 혹은 능직 등으로 제직한 강화 섬유 기재이지만, 날실와 씨실이 얽혀 있으므로, 3차원적인 변형에는 적합하지 않음과 아울러, 얽힘 부분에 크림프(crimp)라 불리는 강화 섬유의 물결침이 있으며, 강화 섬유가 지닌 기계 물성을 충분히 발현할 수가 없다고 하는 본질적인 결점이 있다. 또한, UD 로빙 클로스는 다수의 강화 섬유 다발을 한 방향으로 정돈하고, 이 강화 섬유 다발을 가느다란 씨실로 고정한 기재이다. UD 로빙 클로스는 직포에 비하여 곡면에의 추종성은 양호하지만, UD 로빙 클로스는 씨실을 꿰는 제직 공정이 필요하므로, 제조 속도를 올릴 수가 없기 때문에, 비용이 높아지지 않을 수 없다.

또한, 일본국 특허공개 평7-228714호 공보에는, 메시 형상체가 3축인 유리 섬유를 이면 보강재로 하는 보강 시트가 제안되어 있으나, 메시 형상체가 3축이기 때문에, 기하학적으로도 변형 성능이 떨어진다는 것은 자명한 이치이며, 게다가 유리 섬유 자신이 강성이 높고, 낭창낭창함이 부족하다는 결점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 강화 섬유를 한 방향으로 배열하여 이루어지는 강화 섬유 시트에 있어서, 시공시의 취급성이 뛰어나며 3차원적인 곡면을 갖는 구조체를 용이하게 보수·보강할 수 있는 강화 섬유 시트를 제공하는데 있다.

도 1은 메시 형상체가 양면에 있는 강화 섬유 시트를 나타내는 사시도이다.

도 2는 강화 섬유 시트의 제작 방법의 한 예를 나타내는 도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1: 한 방향으로 배열된 강화 섬유 시트(기재 시트)

2, 12: 메시 형상체

11: 강화 섬유

21: 풀 롤러

31: 와인딩 머신

본 발명자들은, 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 메시 형상체의 재질, 구조에 관하여 열심히 검토를 거듭한 결과, 강화 섬유의 섬유 방향의 메시의 재질에 있어서 날실이 번수 100∼1200 데니르(denier)인 유리 섬유와, 씨실이 번수 100∼600 데니르인 유기 섬유로 이루어지는 2축 메시 형상체가, 3차원적인 곡면을 갖는 구조체의 보수·보강에 가장 뛰어나다는 것을 발견하고, 본 발명에 도달하였다.

즉, 본 발명은 한 방향으로 정돈된 강화 섬유로 이루어지는 기재 시트의 한 면 또는 양면에 강화 섬유의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 날실이 번수 100∼1200 데니르인 유리 섬유와, 강화 섬유의 연장 방향과 직행하는 방향으로 연장되는 씨실이 번수 100∼600 데니르인 유기 섬유로 이루어지는 2축 메시 형상체를 부착하여 이루어지는 강화 섬유 시트를 제공한다.

이하, 본 발명에 관하여 상세히 설명하겠다.

본 발명에 사용되는 강화 섬유로서는, 예를 들면 피치계 탄소 섬유, PAN계 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 강(鋼)섬유 등의 각종의 고강도 섬유를 들 수 있다. 이 강화 섬유는 인장 강도가 1GPa이상, 섬유 인장 탄성율이 50GPa이상인 것을 요한다. 특히, 콘크리트 구조물의 보수·보강에 사용하여, 충분한 보수·보강 효과를 얻기 위해서는, 섬유 인장 탄성율이 100GPa이상인 것이 바람직하다. 섬유 인장 강도가 1GPa 미만, 섬유 인장 탄성율이 50GPa미만인 섬유를 사용하면 충분한 보강 효과를 얻을 수가 없다. 또한, 섬유의 형태는 직경 5∼50μm의 단일 섬유를 집속제(集束劑)를 사용하거나 혹은 꼬임을 가하여 50∼48,000개로 묶여진 스트랜드가 좋지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

한 방향 섬유 강화 시트로 이루어지는 기재 시트의 기계 물성을 최대한으로 끌어내기 위해서는, 섬유를 가능한 한 균일하게 정돈하는 것이 필요하며, 이를 위하여, 시트의 제조시에 강화 섬유에 균일하게 장력을 부여하지 않으면 안된다. 이 때, 이면 보강재인 2축 메시 형상체에도 장력이 부여되게 되며, 강성이 적은 섬유를 날실로 하면, 그 장력에 의하여 날실이 늘어나고, 장력이 해제되었을 때에는 반대로 줄어들게 된다. 특히, 메시 형상체를 날실, 씨실 모두 유기 섬유로 하면, 그 유기 섬유 메시 형상체의 강화 섬유에의 가열 접착시에 유기 섬유는 늘어나고, 그 후의 냉각시에 수축된다. 그 결과, 날실의 수축에 따라서 메시 형상체에 접착되어 있는 강화 섬유가 꾸불꾸불하게 되고, 강화 섬유의 기계 물성의 발현성이 현저히 방해된다.

본 발명은 이면 보강재로서 강화 섬유의 연장 방향과 동일 방향으로 연장되는 날실이 번수 100∼1200 데니르(d)인 유리 섬유와, 강화 섬유의 연장 방향와 직행하는 방향으로 연장되는 씨실이 번수 100∼600d인 유기 섬유로 이루어지는 2축 메시 형상체를 사용함으로써, 이와 같은 강화 섬유의 물결침을 억제하는 것이다. 날실의 유리 섬유가 100d보다 적은 번수의 것에서는, 강화 섬유와의 접촉 면적이 적고 접착 강도가 떨어지며, 1200d를 넘는 번수의 것에서는, 강성이 너무 커서 강화 시트의 낭창낭창함이 부족하다. 또한, 씨실의 유기 섬유가 100d보다 적은 번수의 것에서는, 강화 섬유와의 접착 강도가 적어지며, 600d를 넘는 번수의 것에서는, 강화 시트의 낭창낭창함이 부족하다. 게다가, 데니르(d)는 길이 900mm당의 무게 g로 표현된다.

날실에 사용되는 유리 섬유로서는, 특히 제한은 없지만, 인장 탄성율이 높은 것이 바람직하다. 또한, 씨실에 사용되는 유기 섬유로서는, 특히 제한은 없으며, 예를 들면, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비닐론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄 등의 합성 섬유나, 레이온 등의 재생 섬유나, 면, 마, 양모, 견 등의 천연 섬유 등을 들 수 있다.

이 2축 메시 형상체의 실의 간격은, 통상 1∼100mm정도이지만, 바람직하게는 2∼50mm이다.

2축 메시 형상체는, 한 방향 강화 섬유 시트로 이루어지는 기재 시트의 한 면에만 부착하여도 되고, 양면에 부착하여도 된다.

또한, 이 기재 시트에 2축 메시 형상체를 부착하여 본 발명의 강화 섬유 시트를 제조하기 위하여 사용되는 접착 수지는, 상온 경화형의 것, 가열 경화형의 것 어느 것이라도 되지만, 상온 경화형은 생산 속도가 제약되므로, 바람직하게는 가열 경화형이 바람직하다. 가열 경화형의 접착 수지로서는, 예를 들면, 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴프탈레이트 수지, 비스말레이미드 수지, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리우레탄 수지 등을 들 수 있다. 강화 섬유 시트에 있어서의 접착 수지의 함유량은, 0.2∼5중량% 정도, 바람직하게는 0.5∼2중량%정도이다.

여기서, 기재 시트에 2축 메시 형상체를 부착하는 방법으로서는, 예를 들면 먼저 2축 메시 형상체를 구성하는 섬유의 표면에 가열 경화형의 접착 수지를 미리 부착시키고, 이어서 이 접착 수지가 부착된 2축 메시 형상체를 기재 시트의 한 면 또는 양면에 적층하여 가열가압하에 접착하여, 2축 메시 형상체의 섬유 부분만으로 기재 시트에 부착하는 방법이나, 기재 시트의 한 면 또는 양면에 상온 경화형 또는 가열 경화형의 접착 수지로 2축 메시 형상체를 스폿 용접함으로써, 기재 시트에 2축 메시 형상체를 부분적으로 부착하는 방법이나, 기재 시트의 한 면 또는 양면에 상온 경화형 또는 가열 경화형의 접착 수지를 균등하게 또는 부분적으로 도포하여 접착 수지층을 형성시키고, 그 위에 2축 메시 형상체를 적층하여 접착함으로써, 기재 시트상에 접착 수지층을 통하여 2축 메시 형상체를 부착하는 방법 등을 들 수 있다.

(발명의 실시 형태)

도 1은 본 발명에 관한 메시 형상체가 양면에 있는 강화 섬유 시트를 나타내는 사시도이다. 도 1에 있어서, 한 방향으로 배열된 강화 섬유 시트(1)의 양면에, 메시 형상체(2)를 부착하여 강화 섬유층을 형성한 것이다. L방향은 강화 섬유의 방향을 나타내며, 메시 형상체(2)의 L방향은 유리 섬유이며, T방향은 강화 섬유와 직행하는 방향을 나타내며, 메시 형상체(2)의 T방향은 유기 섬유이다.

도 2는 본 발명의 강화 섬유 시트의 제작 방법의 한 예를 나타내는 도이다. 게다가, 이 예에서는 시트의 양면에 메시 형상체를 갖는 강화 섬유 시트에 관하여 설명하겠으나, 한 면에만 메시 형상체를 갖는 것이어도 된다.

강화 섬유(11)를 정돈하고, 시트형상으로 한 양면에 메시 형상체(12)를 포개고, 풀 롤러(21)에 의해 장력을 가하면서, 와인딩 머신(31)으로 와인딩한다. 메시 형상체(12)와 강화 섬유(11)의 접착제는 한정되는 것은 아니지만, 가열 경화형의 접착제를 사용하는 경우에는, 메시 형상체의 날실이 가열에 의하여 연화하고 장력에 의한 늘어남이 더욱 현저해지기 때문에, 본 발명에 의한 메시 형상체의 재료 구성이 더욱 바람직하다.

(실시예 1)

강화 섬유(11)로서 평균 지름 7μm, 수속(收束) 개수 12,000개의 PAN계 탄소섬유 스트랜드를 이용한 강도 300g/m²의 한 방향 배열 강화 섬유 시트(기재 시트)에, 메시 형상체(12)로서 날실: 유리 섬유, 번수 300d, 단위 길이중에 포함되는 날실의 수(thread count): 1개/10mm, 씨실: 폴리에스테르 섬유, 번수 250d, 단위 길이중에 포함되는 씨실의 수: 1개/10mm인 메시 형상체를 그 섬유의 부분에서만 부착하여 강화 섬유 시트를 제작하였다.

(비교예 1)

강화 섬유(11)로서 평균 지름 7μm, 수속 개수 12,000개의 PAN계 탄소섬유 스트랜드를 이용한 강도 300g/m²의 한 방향 배열 강화 섬유 시트(기재 시트)에, 메시 형상체(12)로서 날실: 유리 섬유, 번수 125d×2개, 단위 길이중에 포함되는 날실의 수: 1개/10mm, 씨실: 폴리에스테르 섬유, 번수 250d, 단위 길이중에 포함되는 씨실의 수: 1개/10mm, 강도 8.0g/m²인 메시 형상체를 그 섬유의 부분에서만 부착하여 강화 섬유 시트를 제작하였다.

실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 강화 섬유 시트에, 각각 상온 경화형 에폭시 수지를 직경 60mm의 고무 롤러로 4Kgf의 힘으로 압압함으로써 함침시키고, 25℃에서 60시간 방치하여 수지를 완전히 경화시켰다. 그 후, 폭 12.5mm×길이 250mm로 절단하고, 절단 주변의 양단에 유리 탭을 접착하여 인장 시험편으로 하고, JIS K7073에 의거하여 인장 시험을 행하고, 파단(破斷) 하중을 측정하였다. 인장 시험의 결과, 실시예 1의 강화 섬유 시트가 915.4Kgf, 비교예 1의 강화 섬유 시트가 754.6Kgf이었다. 이것으로부터 확실한 바와 같이, 비교예 1은 실시예 1과 비교하면 17.5%정도의 강도 저하가 보여졌다. 또한, 시험편의 단면 관찰에 있어서도, 비교예 1의 것은 강화 섬유의 물결침이 발생하고 있었다.

(비교예 2)

강화 섬유(11)로서 평균 지름 7μm, 수속 개수 12,000개의 PAN계 탄소섬유 스트랜드를 이용한 강도 300g/m²의 한 방향 배열 강화 섬유 시트(기재 시트)에, 메시 형상체(12)로서 날실: 유리 섬유, 번수 150d, 실 간격; 9.0mm, 강도 13.0g/m²인 3축 메시 형상체를 그 섬유의 부분에서만 부착시킨 강화 섬유 시트를 제작하고, 실시예와의 취급성을 비교하였다. 저면의 직경이 20cm, 높이가 30cm의 원추형에 각 시트를 따르게 한 바, 비교예 2의 강화 섬유 시트는 부분적으로 주름이 생기고, 들떠 올라서 물결침이 있었다. 한편, 실시예 1의 것은 원추를 따라서 양호한 밀착도이었다.

(비교예 3)

강화 섬유(11)로서 평균 지름 7μm, 수속 개수 12,000개의 PAN계 탄소섬유 스트랜드를 이용한 강도 300g/m²의 한 방향 배열 강화 섬유 시트(기재 시트)에, 메시 형상체(12)로서 날실: 유리 섬유, 번수 150d×2개, 단위 길이중에 포함되는 날실의 수: 1개/10mm, 씨실: 유리 섬유, 번수 150d, 단위 길이중에 포함되는 씨실의 수: 1개/10mm, 강도 8.0g/m²인 메시 형상체를 그 섬유의 부분에서만 부착시킨 강화 섬유 시트를 제작하고, 취급성을 실시예 1과 비교한 바, 강성이 높고, 드레이프성(drape)도 떨어지며, 곡면 형상으로 성형할 경우, 주름이나 접힘이 발생할 우려가 있는 것이었다.

이상 설명한 바와 같이, 날실이 유리 섬유, 씨실이 폴리에스테르 섬유로 이루어지는 메시 형상체로 강화 섬유를 접착한 본 발명의 섬유 강화 시트는, 강화 섬유의 강도 발현이 우수하며, 변형 특성이 양호하기 때문에, 섬유 강화 플라스틱의 제조 혹은 콘크리트 구조물 등의 보수·보강, 특히 곡면 구조를 갖는 구조물에 강화 섬유 기재로서 바람직하게 사용할 수가 있다.

Claims (5)

1. 한 방향으로 정돈된 강화 섬유로 이루어지는 기재 시트의 한 면 또는 양면에, 강화 섬유의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 날실이 번수 100∼1200 데니르인 유리 섬유와, 강화 섬유의 연장 방향과 직행하는 방향으로 연장되는 씨실이 번수 100∼600 데니르인 유기 섬유로 이루어지는 2축 메시 형상체를 부착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 시트.
2. 제 1항에 있어서, 2축 메시 형상체의 실의 간격이 2∼50mm인 것을 특징으로 하는 강화 섬유 시트.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 2축 메시 형상체는 그 섬유의 부분에서 기재 시트에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 시트.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 2축 메시 형상체는 기재 시트에 스폿 접착에 의하여 부분적으로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 시트.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 2축 메시 형상체는 기재 시트 위에 도포된 접착 수지층을 통하여 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 섬유 시트.