KR20010017073A - 텍스타일 지오그리드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균일한 물성을 가진 텍스타일 지오그리드를 경제적으로 제조하기 위하여 제, 편직공정과 수지침지 공정을 연동화시켜서 1단계 공정으로 제조함과 동시에, 코팅장력에 의하여 제어되는 수축율에 의하여 최종제품의 신도가 예측될 수 있도록 제조함을 특징으로 한다.

Description

텍스타일 지오그리드의 제조방법{Method of preparing a textile geogrid}

본 발명은 건축 또는 토목공사에서 보강재로 사용되는 텍스타일 지오그리드(Textile Geogrid)의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업용도의 고강력 섬유를 사용하여 격자형의 원단을 제직 또는 제편한 후 합성수지를 코팅함에 있어 원단의 제, 편직공정과 수지 코팅 공정의 연동화 즉, 1 단계 공정에 의하여 균일한 물성을 갖는 텍스타일 지오그리드를 제조하는 방법에 관한 것이다.

섬유재료를 각종 토목공사에 이용하기 위한 시도는 오래 전부터 있었으며, 보다 경제적이고 효과적인 재료를 얻고자 고분자 합성수지제품인 지오신세틱스(Geosynthetics)가 개발되어 우수한 시공성, 적용성 및 경제성 등을 바탕으로 최근 각종 토목구조물에 보강, 배수, 분리, 봉쇄 및 침식방지재 등으로 폭넓게 사용되고 있다. 지오신세틱스에는 투과성을 가진 지오텍스타일 (Geotextile)류, 차수성의 지오멤브레인(Geomembrane), 고강도 보강제품인 지오그리드, 지오네트(Geonet) 및 지오컴포지트(Geocomposite)등이 최근에 개발, 상품화되고 있다.

지오신세틱스가 본격적으로 사용된 1970년대 초기에는 주로 토사의 세굴방지와 여과의 목적으로 이용되었다가 그 후에는 지반의 분리, 보강 또는 배수의 기능으로 널리 이용되어 왔으며, 최근에는 방수, 균열방지, 지반구조물 보호, 충격흡수 등의 목적으로 사용되고 있다. 특히 본 발명에 관련되는 지오그리드는 토사가 격자를 통해 유입됨으로서 지오그리드 상하부층이 일체화되고 분리되지 않아서 연약지반보강, 옹벽보강, 사면보강 등에 널리 사용되고 있다.

지오그리드는 경, 위방향의 각 리브(Rib) 사이가 대략 1O ∼100mm의 격자를 가진 재료로서 리브의 구성, 교차연결 또는 결합방법을 다양하게 변화시킬 수 있고, 하중을 받는 방향의 구조보강재로 사용된다. 지오그리드는 플라스틱(강성, 시트형) 지오그리드와 텍스타일(연성, 직물형) 지오그리드가 있으며, 플라스틱 지오그리드는 압출기를 통해 얻은 고밀도 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 시트에 구멍을 뚫은 다음 일축 또는 이축연신하여 제조하며(GB2266540, USP4374798, EP0374365A, GB2256164A), 텍스타일 지오그리드는 합성섬유를 격자형으로 제편 또는 제직하여 폴리염화비닐, 아크릴, 라텍스, 고무, 역청 등의 수지를 피복시켜 제조한다(USP5091247, 일본 특개 평9-100527, 일본 실공 평 2-17030, 일본 실개 평 2-125038). 특히 텍스타일 지오그리드는 플라스틱 지오그리드에 비해 제조원가면에서 경제적이며 제품자체가 유연하므로 포장, 운반 및 시공면에서 상대적으로 유리하다고 알려져 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 텍스타일 지오그리드는 그 제조공정에 있어서 몇가지 문제점을 가지고 있다.

먼저 합성섬유를 사용하여 제, 편직을 하는 공정과 합성수지를 피복하는 코팅공정이 분리되어 있으므로 제, 편직된 원단을 코팅공정으로 이송할 때 원단의 격자형태가 흐트러지거나 일정량의 권량으로 한정해야 한다는 문제가 있고, 코팅작업시에는 각 코팅로트(lot)별로 시작과 끝 작업에서 발생하는 로스(loss)가 생산수율 저하로 이어져 원가상승 및 작업의 번거로움을 일으키므로 경제성이 떨어진다는 문제가 있다.

또한 구성소재가 합성섬유이므로 코팅공정에서 받는 고온의 열이력에 의해 원래의 물리적 성질 즉, 모듈러스(=탄성율) 혹은 신도가 변하게 되고, 특히 신도의 경우 열수축과 관련하여 심한 상승변화를 가져오게 되어 토목용 보강재로서의 목표한계신도(대개 15%미만이 바람직함)를 벗어나거나, 제품의 인장시험시에 인장거동이 변화되어 강력이용율이 저하되는 등 문제를 일으키게 되므로, 지오그리드의 제조공정시 이러한 열수축 거동을 효과적으로 제어하는 것이 중요한 기술적 과제였다.

본 발명의 목적은 텍스타일 지오그리드를 경제적으로 제조할 수 있으며 외관과 강력이 우수하고 신도가 15% 미만이 되는 텍스타일 지오그리드를 효율적으로 공정관리하면서 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1 은 본 발명에 관련된 텍스타일 지오그리드의 연속제조장치의 개략도.

도 2 는 본 발명에 관련된 텍스타일 지오그리드의 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

1 : 경사빔, 2 : 제직기 또는 제편기, 3 : 욕조,

4 : 압착롤러, 5 : 열처리기, 6 : 완충집적장치(Accumulator),

7 : 권취롤러, 8 : 텍스타일 지오그리드, 8a : 리브(Rib)

도 1을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하면 아래와 같다.

경사빔(1)에 정경된 고강력 섬유를 직기 또는 편기(2)에서 격자형태의 조직으로 제직 또는 제편하고, 이렇게 만들어진 원단은 욕조(3)를 통과하면서 코팅액에 침지되고, 압착롤러(4)를 거쳐 과잉의 코팅액을 제거한 후, 열처리구간(5)을 통과하면서 코팅액이 고화되어서 완성된 텍스타일 지오그리드는 도 2 에 표시한 바와 같은 형태를 가지게 된다. 이어서 완충집적장치(6)의 다수의 롤러를 거쳐서 권취롤러(7)에 권취된다.

완충집적장치(6)는 권취장력의 균일화를 위해 사용되는 장치로서 감지된 장력에 대응하여서 수개의 상부롤러들이 상하로 운동하도록 되어 있다. 지오그리드에 사용되는 합성섬유는 폴리에스테르 섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유, 폴리비닐알콜섬유 등이며, 일반적으로는 우수한 물리적 성질을 가진 고강력 폴리에스테르 섬유가 주로 사용된다.

본 발명에서는 고유점도가 0.8 이상인 폴리에스테르 고분자를 일반적인 산업용 고강력사 제조공정에 의해 500 ∼ 3000데니어, 강도 8g/d이상, 신도 13% 이하의 섬유로 제조하여 사용하고, 필요에 따라 상기 섬유를 합사 및 연사하여 사용한다.

이와 같이 제조한 고강력사를 이용하여 격자크기가 10 ∼ 100mm가 되도록 제직 또는 제편한다. 이때 격자를 형성하는 리브(Rib)(8a)는 수 가닥의 경사본에 의해 이루어지며 수 가닥의 경사본이 벌어지지 않고 밀착되도록 익조직(Leno직)등의 다양한 조직을 응용한다.

본 발명에서 경사본의 총굵기, 리브간의 격자크기 및 리브당 경사본수는 원하는 제품설계에 따라 변화시킬수 있다.

특히 위입경편기를 이용하여 원단을 제조하는 경우에는 지편사로 이루어진 수개 열의 웨일(Wale)내에 경사본을 길이방향으로 배열 삽입, 배열시키고, 이것에 직각인 코스(Course)방향으로 위사본을 위입, 배열시켜서 제조한다.

이렇게 만들어진 격자형태의 원단은 형태 안정성, 내구성, 내후성을 부여하기 위해 폴리염화비닐, 아크릴, 라텍스, 역청질의 재료로 코팅한다. 일반적인 보강용 지오그리드는 주로 폴리염화비닐수지를 사용하는데 코팅액은 페이스트용 폴리염화비닐수지 100부(part)에 대하여 프탈산계, 인산계, 아디프산계 등 가소제를 30 ∼100부를 넣고 열안정제, 점도조절용 첨가제, 안료(혹은 카본블랙)등을 넣어 혼합후 일정시간이상 고속교반하여 염화비닐수지의 졸(Sol)을 만든 다음, 이를 침지법, 분사법 등에 의해 원단에 피복시킨후 열처리를 통해 젤화(Gelation), 퓨전(Fusion)을 시킨다.

이렇게 제조된 지오그리드의 강력은 ASTM D 4595의 광폭 인장강력시험 방법에 의해 측정하고 측정결과를 환산하여 1m 폭의 강력으로 나타내게 된다. 지오그리드는 제품설계에 따라 다르지만 대개 강력이 20kN/m ∼ 200kN/m 범위로 제조되고, 파단신도는 15% 미만, 바람직하게는 13% 이하로 유지하도록 제조한다. 강력의 경우 목표제품에 따라 설계변경이 가능하나, 신도의 경우에는 파단강력에 관계없이 일정한 수준 이하이어야 하므로, 고온의 열처리 조건에서 변화하는 제품의 신도를 조절 예측하는 것은 매우 중요하다.

따라서 본 발명에서는 제조공정중에 지오그리드의 격자 크기측정에 의해 신도를 효과적으로 예측 제어할 수 있는 품질공학적 실험에 의한 결과를 1 차 상관방정식으로 제공한다. 지오그리드 제조에 사용된 폴리에스테르 고강력사는 고강력을 발현하기 위해 제사단계에서 고배율 연신을 행함으로써 섬유내부 분자쇄의 배향도를 최대한 높인다. 그러나 가공공정중 고온의 열을 받게 되면 섬유축 방향으로 배향된 분자쇄가 흐트러지면서 수축이 발생하게 되며, 이와같은 현상은 결과적으로 신도의 상승을 유발시킨다.

따라서 연속제조공정의 열처리시에 부여하는 장력을 근거로 하여 공정중의 수축율을 제어하면 효과적으로 최종 제품의 신도조절이 가능하다는 것을 알 수 있다. 열처리 조건에 따른 수축율과 신도의 관계를 파악하기 위해 온도별, 장력별로 수많은 실험들을 거듭 실시한 결과 공정중의 수축율과 최종 제품의 신도와의 상관계수는 0.92였으며, 다음과 같은 1 차 희귀 방적식으로 나타낼 수 있었다.

y = 0.145 + c + 0.95x ………………………… 식(1)

여기서, y 는 최종제품의 신도(%),

단, 10.0 ≤y ≤ 20.0 이고, y ≥ c 이다.

c 는 초기 원단상태에서의 신도(%)

x 는 공정내 열에 의한 수축율(%) 이며,

단, 식(1)이 적용되는 공정상 처리온도는

140℃ ∼ 200℃ 범위이다.

따라서 코팅전후의 격자 크기를 측정하여 수축율을 계산하고 코팅전 원단의 신도를 알면, 식(1)에 의하여 코팅후 지오그리드의 신도를 예측할 수 있다. 또한 최종제품의 목표신도를 결정하고 최종제품의 격자크기를 계산하여 제조공정을 관리하면 지오그리드 제조시 신도를 조절할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 제품 제조현장에서 고가의 분석장비 없이도 쉽게 완제품의 물성을 상관계수 92% 이상에서 조절할 수 있는 효율적인 공정 및 제품관리 방법이다.

* 평가방법

1. 지오그리드의 강력과 신도는 ASTM D 4595의 방법으로 평가하였다.

2. 수축율은 코팅전후의 경사 및 위사방향의 각각의 격자크기를 측정하여 계산하였다.

단, 본 발명의 정확성을 높이기 위하여 500mm이상 혹은 격자 20개에 해당하는 길이를 측정범위로 설정하였다.

3. 예측신도는 식(1)에 의해 계산하였다.

단, 코팅전 원단 신도는 10.5%이었다.

4. 외관은 제조된 각각 20개의 롤 전부를 육안검사하여 양호, 보통, 불량으로 판정하였으며 육안평가 요소는 격자크기의 균일성, 리브를 구성하고 있는 섬유본의 벌어짐 정도, 리브의 사형도 및 코팅의 균일성을 대상으로 하였다.

5. 본 발명의 생산수율은 다음식으로 구하였다.

실시예 1

도 1 의 지오그리드 제조장치에서 제직과 코팅의 연동화 작업을 통해 지오그리드를 제조하였다. 통상의 제조방법으로 제조된 폴리에스테르 고강력사 2000데니어 원사를 2 합하여 4000데니어로 만들고 이것을 경사 1 본으로 하여 8본의 경사가 경방향의 한 개의 리브를 형성하고, 1500데니어 원사를 2 합하여 3000데니어로 만들고 이것을 위사 1 본으로 하여 4 본의 위사가 위방향의 한 개의 리브를 형성하게 하여 리브와 리브의 간격, 즉 격자크기가 31mm ×32mm 가 되도록 하였다.

코팅액은 페이스트용 폴리염화비닐수지 100부에 프탈산계 가소제인 디옥틸프탈레이트 70부를 넣고 열안정제, 점도조절제, 카본블랙을 소량씩 넣어 혼합한 후 3 시간이상 고속교반하여 졸(sol)을 만들었으며, 코팅시의 열처리온도는 180℃이었다.

또한 코팅장력을 조절하여 수축율이 1% 이하가 되도록 격자크기의 변화율을 최소 500mm 길이 이상에서 측정하여 장력조건을 결정하여 제조하였다.

최종제품은 롤길이 50m를 포장단위로 하고 20개의 롤을 제조하였다. 연속작업시의 권취롤의 교체는 완충집적장치를 이용하여 교체시의 연속 작업을 수행하였다. 이렇게 제조된 지오그리드의 경방향 물성, 외관상태 및 사용된 원사에 대한 최종제품의 수율을 표 1 에 나타내었다.

실시예 2

코팅장력을 조절하여 수축율이 2% 이하가 되도록 제조한 것을 제외하고 실시예 1 과 같은 방법으로 지오그리드를 제조하여 그 평가 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 3

통상의 제조방법으로 제조된 폴리에스테르 고강력사 1500데니어 원사를 2 합하여 3000데니어로 만들고 이것을 위사 각 1 본으로 하여 4 본의 경사가 경방향의 한 개의 리브를 형성하고, 2 본의 위사가 위방향의 한 개의 리브를 형성하게 하여 리브와 리브의 간격 즉, 격자크기가 23mm ×23mm가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 지오그리드를 제조하여 그 평가 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 4

통상의 제조방법으로 제조된 폴리에스테르 고강력사 2000데니어 원사를 4 합하여 8000데니어로 만들고 이것을 경사 1 본으로 하여 8 본의 경사가 경방향의 한 개의 리브를 형성하고, 2000데니어 원사를 2합하여 4000데니어로 만들고 이것을 위사 1 본으로 하여 6 본의 위사가 위방향의 한 개의 리브를 형성하게 하여 리브와 리브의 간격 즉, 격자크기가 33mm × 37mm가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1 과 같은 방법으로 지오그리드를 제조하여 그 결과를 표 1 에 나타내었다.

비교예 1

도 1 의 제조장치를 사용하지 않고 직기에서 제직하여 권취한 다음, 다시 별도의 코팅기에서 코팅하는 2 단계의 분리공정에 의해 지오그리드를 제조한 것과 180℃의 열처리시에 제품에 코팅장력을 무리하게 부여하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1 과 같이 하였다.

이렇게 제조된 지오그리드의 경방향 물성과 외관상태 및 사용된 원사에 대한 최종제품의 수율을 표 1 에 나타내었다.

비교예 2

수축율이 4.5%가 되도록 코팅장력을 조절한 것을 제외하고는 비교예 1 과 같다.

이렇게 제조된 지오그리드의 경방향 물성과 외관상태 및 사용된 원사에 대한 최종제퓸의 수율을 표 1 에 나타내었다.

비교예 3

도 1 의 제조장치를 사용하지 않고 직기에서 제직하여 권취한 다음, 다시 별도의 코팅기에서 코팅하는 2 단계 분리공정에 의해 지오그리드를 제조하는 것과 180℃의 열처리시에 코팅장력을 무리하게 부여하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3 과 같이 하였다.

이렇게 제조된 지오그리드의 경방향 물성과 외관상태 및 사용된 원사에 대한 최종제품의 수율을 표 1 에 나타내었다.

비교예 4

도 1 의 제조장치를 사용하지 않고 직기에서 제직하여 권취한 다음, 다시 별도의 코팅기에서 코팅하는 2단계 분리공정에 의해 지오그리드를 제조하는 것과 180℃ 의 열처리시에 코팅장력을 무리하게 부여하지 않은 것을 제외하고는 실시예 4 와 같다.

이렇게 제조된 지오그리드의 경방향 물성과 외관상태 및 사용된 원사에 대한 최종제품의 수율을 표 1 에 나타내었다.

실시예에서 처럼 제직과 코팅 연동화 장치를 이용하여 제조한 지오그리드는 제품외관이 양호할 뿐만 아니라 제조공정의 수율도 높음을 알 수 있으며, 코팅장력을 적절히 부여하여 공정 수축율을 제어함으로서 최종제품의 신도를 예측할 수 있고, 이렇게 예측된, 신도는 실제 제품의 신도와 잘 일치하였다.

따라서 제직과 코팅을 1 단계의 연동화 연속제조장치로 실시하고 식(1)에 기초한 공정관리 방법대로 적절한 코팅장력을 부여하면 토목공사 보강재의 특성을 만족하는 우수한 품질의 지오그리드를 제조할 수 있다.

그러나 비교예에서는 제직과 코팅공정을 분리하여 지오그리드를 제조함으로서 제품외관이 불량해졌으며 수율도 상대적으로 매우 낮아 비경제적인 제조방법임을 알 수 있고, 또한 코팅장력을 부여하지 않거나 수축율을 충분히 제어하지 못하는 코팅장력을 부여함으로서 과도한 수축이 발생하여 제품 신도가 높게 나옴으로서 토목공사 보강재로서의 요구특성을 만족시킬 수 없었다.

본 발명은 제직 또는 제편공정과 코팅공정을 1 단계 공정으로 연동화 시켰으므로 종래의 제조방법과는 다르게 각 공정사이의 불필요한 작업을 생략할 수 있어 경제적이고 효율적으로 지오그라드를 제조할 수 있으며 격자크기등 외관상태가 양호한 제품을 제조할 수 있다. 또한 작업시 적절한 코팅장력을 부여하여 수축율이 제어되도록 하였으므로 목표신도를 예측하면서 지오그리드를 제조할 수 있다.

이렇게 제조된 지오그리드는 옹벽보강, 사면보강, 연약지반보강 등의 토목공사 보강재로서 활용할 수 있다.

Claims (2)

1. 고강력사를 격자형태의 조직으로 제직 또는 제편한 후 합성수지로 처리하여 텍스타일 지오그리드를 제조함에 있어서, 제, 편직공정과 코팅공정을 1 단계 공정으로 연동화시켜서 제조하는 것을 특징으로 하는 텍스타일 지오그리드(Textile Geogrid)의 제조방법.
2. 청구항 1에서, 식(1)이 만족되도록 제조하는 것을 특징으로하는 텍스타일 지오그리드의 제조방법.

   여기서, y 는 최종제품의 신도(%),

   단, 10.0 ≤ y ≤ 20.0 이고, y ≥ c 이다.

   c 는 초기 원단상태에서의 신도(%)

   x 는 공정내 열에 의한 수축율(%)

   단, 식(1)이 적용되는 공정상 열처리온도는

   140℃ ∼ 200℃ 범위이다.