KR20020004602A - 각형 튜브로 구성된 코아를 갖는 복합재료 대형합성수지관의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본발명은 적은 량의 재료로 강도(强度)는 물론 강성(剛性)을 증가시켜 작은 단면으로도 큰 하중을 감당할 수 있고 내력에 대하여 충분한 안전성을 갖고 있으며, 처짐 기준도 만족하는 비등방성 재료를 사용하고 역학적으로 합리적이고 경제적인 합성수지관을 제공하기 위한 것이다.

본발명의 기술구성상의 특징은; 대형원통형 제작대에 제작대를 회전시키는 유리섬유매트(glass-fiber mat)나 우븐로빙(Woven Roving)을 회전장치를 이용하여 여러층으로 적층하고 습식수지(Resin)로 레이업(lay up)시켜 적층성형(Lamination)하든지 혹은 필라멘트 와인딩(Filament winding)하여 적층성형하는 과정으로 대형관의 내측 각질(Skin)부분을 다층으로 레이업 시켜서 제작하는 각형 튜브로 구성된 코아를 갖는 복합재료 대형 합성수지관의 제조방법이다.

Description

각형 튜브로 구성된 코아를 갖는 복합재료 대형 합성수지관의 제조방법{Method of Manufacturing Double-Walled Plastic Pipe}

현재 산업시설이나 상하수도에 사용되는 대형관은 철근콘크리트 흄관, Box형 철근콘크리트관, 대형강관 그리고 파형(corrugate type)강관 등이 사용되고 있고, 소형관에는 폴리에틸렌(polyethylene)관이 사용되고 있으며, 소형파이프로는 일본공개실용신안 공보 61-173887에 제시되어 있는 허니콤(Honeycomb)형태의 이중벽을 갖는 합성수지관이 사용되고 있다. 이런 관들은 재료의 역학적 성질과 용도, 제작성 및 경제성을 고려하여 선택적으로 사용하고 있다.

급속한 산업발달에 따라 폐수의 성분이나 종류가 다양해지고 폐수량도 매일 증가하고 있는 하수관에는 극심한 부식의 영향으로 철근콘크리트 흄관과 Box형 콘크리트관과 같은 대형 하수관이 필요하게 되었다.

현재 사용하고 있는 사출형 폴리에틸렌(polyethylene)관은 재료의 강도가 낮고 처짐에 영향을 주는 탄성계수(Elasticity modules)가 매우 낮은 재료이므로 허니콤 코아(Honeycomb core)를 갖도록 고안되어 있다 하더라도 강성(Rigidity)이 매우 작으므로 처짐의 제한조건을 만족시킬 수 없기 때문에 대형관으로 사용 할 수 없는 단점을 가지고 있다.

또한, 소형관으로 일본국 공개실용신안 공보 61-173887에 제시된 코아(core)내부에 종방향으로 보강재(Rib)를 갖는 이중벽 사출형 합성수지관도 단일재료인 수지만을 사용한 관계로 대형관으로 응용 제작되더라고 관의 두께가 증대되고 단면이 매우 커지게 되며, 제작이 불가능하고 제작이 되더라고 이로 인하여 매우 큰 처짐이 발생하므로 경제성이 없을 뿐만 아니라 안전성도 결여되어 사용할 수 없게 된다.

본발명은 적은 량의 재료로 강도(强度)는 물론 강성(剛性)을 증가시켜 작은 단면으로도 큰 하중을 감당할 수 있고 내력에 대하여 충분한 안전성을 갖고 있으며, 처짐 기준도 만족하는 비등방성 재료를 사용하고 역학적으로 합리적이고 경제적인 구조체가 되도록 한 것이다.

도1 내지 도5는 본발명에 의하여 제조된 합성수지관을 나타낸 것임

도6 내지 도8은 본발명의 합성수지관의 연결방법을 나타낸 것임

본 발명에서 제시하는 비등방성 구조체는 충분한 강성(强性)을 갖도록 탄성계수가 큰 재료를 강성이 증가되는 방향으로 배치하고 기하학적으로 관 주위방향과 관 종방향으로 서로 상이한 역학적인 특성을 갖는 재료가 기하학적인 형상이 직교하는 방향으로 배치된 직교 이방성 구조체를 구성하여 기존의 동일재료로 구성된 구조체보다 역학적인 효율을 높일 수 있도록 하였다.

또한 압력관의 경우처럼 특수한 경우에는 탄성계수가 큰 방향을 임의 방향으로 배치하여 역학적으로 최적의 방향으로 재료를 배치하는 비등방성 구조체가 되도록 한 것이다.

이와 같은 구조체의 제작방법은 대형원통형 제작대에 제작대를 회전시키는 유리섬유매트(glass-fiber mat)나 우븐로빙(Woven Roving)을 회전장치를 이용하여 여러층으로 적층하고 습식수지(Resin)로 레이업(lay up)시켜 적층성형(Lamination)하든지 혹은 필라멘트 와인딩(Filament winding)하여 적층성형하는 과정으로 대형관의 내측 각질(Skin)부분을 다층으로 레이업 시켜 제작할 수 있다.

여기에 사용되는 코아(core)재는 삼각형 또는 제형의 사각 튜브(Tube)는 대형 관의 기하학적인 조건에 의하여 정하여진 규격과 재료의 물리적인 특성 역학적 특성에 의하여 결정된 두께를 갖는 단면의 튜브(Tube)를 정하여진 길이만큼 인출성형법(Pultrusion)가 공법으로 제조한 복합재료의 각형 튜브로서 수지(Resin)재료는 에폭시(Epoxy)나 폴리에스터(polyester)등을 연속인출성형(Continuous Pultrusion)방법으로 가공하여 응고 제조한 복합재료이다. 이렇게 가공한 재료를 그림 제1도에서 보는 바와 같이 이들 튜브(Tube)들을 중첩하여 코아(core)부분을형성시킨다.

그림 제1도와 같이 원형으로 중첩 형성시킬 때에는 접착제를 사용하여 형성시킨다. 중첩형성 시킨 후 외측 부분의 각질(skin)은 내측과 같은 방법으로 유리섬유매트(glass fiber mat)나 우븐로빙(woven roving)을 연속으로 적층하든지 혹은 초프트 스프랜드 매트(chopped strand mat)와 합성수지를 이용하여 각부(skin)는 내측과 외측의 적층이관의 중심 축에 대하여 대칭이 되도록 다층적층(multilayer)으로 제조한다.

여기서 유리섬유보강 매트(glass fiber mat)는 연속적이나 초프트 스프랜드 매트(chopped strand mat)를 열가소성 수지(thermo-plastic resin)를 이용하여 성형하고 우븐로빙(woven roving)은 페브릭 폼(fabric form)이나 유리섬유 로빙(glass fiber roving)으로 웨어링(wearing)한 후 제조하도록 한다.

매우 큰 대형 관에서는 코아(core)부분을 보강하기 위하여 그림 제4도에서와 같이 코아(core)의 각형 튜브의 층이 이중으로 형성된 합성수지관으로 계획하여 대형 관에서의 코아의 강성을 더욱 향상 시킬 수 있다.

이러한 복합재료의 대형 각형 튜브로 구성된 코아(core)를 갖는 관은 구조 역학적으로 매우 우수한 성능을 갖게 된다. 이때 원주 방향의 저항 휨 모멘트의 값이 커지도록 내측 및 외측 각부(skin)재료를 원주방향으로 강축이 형성되도록 섬유(fiber)방향을 원주방향으로 배치한다. 경우에 따라 압력 관으로 제조할 경우에는 관축방향으로의 보강이 필요하므로 코아(core)부의 튜브(Tube)는 적절한 섬유(fiber)로 보강하여 종방향으로 큰 저항 축방향력과 강성을 갖도록 제조하여야한다.

관의 구조를 두 부분으로 구분하여 복합재료의 구조적 성능을 선택적으로 비교할 경우 일반적으로 유리섬유-폴리에스터 복합재료(fiber glass-polyester composite)의 경우 성분의 비율에 따라 차이는 있으나 대개 강도는 20∼30ksi이고 탄성계수(E)는 0.8∼1.5×10⁶psi로서 경제적이고 저렴한 편이고 수지(resin)가 비닐에스터(vinylester)일 경우는 인장강도가 우수하고 신장률이 높다. 유리섬유-에폭시 복합재료(fiber glass-epoxy composite)는 강도도 우수하고 탄성계수도 매우커서 구조재료로서 매우 우수하다. 역학적으로 매우 우수한 고강도와 고탄성계수의 강성을 요할 경우에는 탄소섬유-에폭시 복합재료(carbon fiber-epoxy composite)는 복합재료구조가 선택되는데 이 경우는 매우 우수한 구조이나 경제적으로 값비싼 구조형식이 될 것이다.

코아(core)재의 경우는 유리섬유 폴리에스터(fiber glass-polyester)혹은 유리섬유 에폭시 적층(fiber glass-epoxy composite)이 선별적으로 사용될 수 있는데 일반적으로 유리섬유 폴리에스터 적층(fiber glass-polyester composite)이고 안정적인 고강도 구조재일 경우 유리섬유 에폭시(fiber glass-epoxy)가 사용될 수 있다. 물론 경제성과 제작성을 고려할 때 선택적으로 열가소성(Thermo-plastic)공정이나 열경화성(Thermo-set)공정을 선택하여 설계, 제작설계 할 수 있다.

압력 관이 아닌 일반 하수관인 경우에는 원둘레방향의 저항모멘트가 크게 지배하게 되므로 둘레방향으로의 강성이 큰 구조체가 되도록 하고 축강성인 {A}_{ij}은 작은 값이 되어 무시하면 관의 휨강성은 다음과 같다.

휨강성와 탄성계수인의 값은 fiber의 방향이 원주방향일 경우의 값이 매우 큰 값이 되고는 관의 종방향으로의 휨강성을 원주방향의 강성에 비하여 작은 값이 된다.

압력 관의 경우는 관 전체의 축강성의 값에서 관축방향으로의 내력이 증가되므로 이 경우에는 관축방향으로의 저항 축력을 갖도록 하기 위하여 코아(core)부의 튜브(Tube)에 섬유(fiber)의 방향을 튜브축방향으로 배열해야 되므로 코아 튜브(core Tube)를 인출(pultrusion)공정에 의하여 제조 할 경우 섬유 함량(fiber contents)을 증가시키든지 아니면 섬유(fiber)재료를 고강도 재료로 배치함으로서 역학적으로 합리적인 복합구조 시스템(system)을 형성할 수 있도록 선택적으로 설계할 수 있다.

각부(skin)구조나 코아(core)구조나 관을 제조 할 경우 제조방법은 경제성, 제작성,그리고 안전성을 고려하여 선택적으로 설계 할 수 있다.

현장 연결부는 그림 제6도와 같이 플랜지가 달린 Ring 형상의 연결부의 애답터를 파이프의 규격에 맞도록 제조하되 좌우로 파이프의 코아에 설치된 Tube와 같은 형상의 연결 Tube를 코아의 Tube에 삽입이 가능하고 약간의 틈이 발생하도록 그림 제 8도와 같이 끝부분에 연질의 packing을 설치한다. 삽입 후에 간극이 발생하지 않도록 제조하고, 둘레 방향으로는 가공설치 시에 편의성을 고려하여 몇등분하여 현장 연결시에 그림 제7도와 같이 기계적인 접합, 즉 Bolt 접합이 되도록 한다.

일단 현장에서 양족 pipe의 코아부분을 Ring에 돌출된 Tube 연결재를 서로 삽입토록 한후 연결 Ring을 둘레방향으로 서로 연결하여 볼트로 조이므로써 조립을 완료한다. 다음으로 pipe의 내측 접합부에 preprey형태의 Tape를 접합시킨 후에 접착제를 Injection 주입방법으로 서로 이격된 틈사이로 주입하면 접착제는 그림 제 7도에서와 같이 골고루 주입되어 양쪽 pipe와 애답터 Ring이 접착제에 의하여 진충된 후 접착제가 경화됨으로서 현장 연결부가 시공 완료된다.

여기서 애답터 Ring은 HDPE와 polyester, 폭은 Epoxy 등으로 가공할 수 있고, 다양한 Molding Form으로 제조할 수 있다. 즉, Resin Transfer molding, 또는 Injection Molding, Compressing, Auto elave molding 등의 다양한 Molding에서 최적의 Molding을 선택하여 경제적이고 역학적으로 적합한 방법을 선택하여야 한다. 접착제는 Epoxy Polyurethane arcrylic을 사용할 수 있다. 공정상 가장 적절한 접착제를 선별 사용할 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본발명은 적은 량의 재료로 강도(强度)는 물론 강성(剛性)을 증가시켜 작은 단면으로도 큰 하중을 감당할 수 있고 내력에 대하여 충분한 안전성을 갖고 있으며, 처짐 기준도 만족하는 비등방성 재료를 사용하고 역학적으로 합리적이고 경제적인 합성수지관을 얻을 수 있는 효과를 가지게 되는 것이다.

Claims (1)

1. 대형원통형 제작대에 제작대를 회전시키는 유리섬유매트나 우븐로빙을 회전장치를 이용하여 여러층으로 적층하고 습식수지로 레이업시켜 적층 성형하든지 혹은 필라멘트 와인딩하여 적층성형하는 과정으로 대형관의 내측 각질 부분을 다층으로 레이업시켜 제작함을 특징으로 하는 각형 튜브로 구성된 코아를 갖는 복합재료 대형 합성수지관의 제조방법.