KR20040004938A - 친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌보강섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명은, 모재에서 고른 분산 혼입이 이루어지고, 따라서 자체 뭉침현상을 방지할 수 있게 되며, 이로써 모재의 보강성 저하 방지 및 모재 조직의 손쉬운 파괴 현상을 방지할 수 있게 하기 위한 것이다.

이의 실현을 위하여 본 발명에서는, 일정 폭 및 길이를 갖는 다수의 PP(polypropylene) 섬유를 일정 폭 및 길이를 갖는 판재 형태로 두껍게 적층한 상태에서 열 및 압력을 가하여 다수의 라운딩부가 연쇄적으로 연장된 형태로 소성된 것 그 전체의 표면에 무수말레인산층을 형성하여서 됨을 특징으로 하는 친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유가 제공된다.

Description

친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유 및 그의 제조방법{Reinforced Polypropylene Fiber Applied Hydrophilic Surface Treatment for Concrete and Shotcrete and its manufacturing}

본 발명은 콘크리트의 보강과 터널 및 사면 공사시 타설되는 숏크리트의 성능 보강에 이용되는 혼입 폴리프로필렌 섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘크리트 및 숏크리트 타설시 모재에 다수를 혼입하여 양생물의 강도 및 인성을 증가시키는 폴리프로필렌 보강섬유을 친수화 표면처리하여, 젖음성이 증가되도록 함으로써 콘크리트 모재 안에서의 분산성이 향상되게 한, 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 토목 및 건축공사시 사용되는 콘크리트, 그리고 터널공사시 사용되는 콘크리트와 급결제의 혼합물인 숏크리트 등은 양생의 완료 후, 인장 및 동적 하중하에서 급작스런 파괴를 일으키는 취성을 갖게 되며, 특히 양생과정 중에서 균열이 생성 및 성장된다.

이러한 콘트리트 및 숏크리트 양생 중에 발생되는 수축 균열은 축조물의 역학적 성질을 나쁘게 하는 주요 원인이 되고 있기 때문에, 숏크리트의 강도 및 파괴인성 등을 증가시켜 축조물의 역학적 성질을 개선할 목적으로 대개는 철근을 와이어메쉬 형태로 하여 콘크리트 및 숏크리트 등에 매립시키고 있다.

그런데, 상기한 바와 같이 철근으로 된 와이어메쉬나 강섬유를 콘크리트 및 숏크리트 등에 매립시키게 될 경우, 콘트리트 및 숏크리트의 타설작업을 어렵게 하여 공법상의 난점을 제공하게 되고, 장비를 손상시키게 됨과 아울러 대인 피해를 초래하게 된다.

근래 들어서는 상기한 바와 같은 철근 와이어메쉬 대신 불연속적이며 단상인 섬유질재료로 된 보강재를 콘크리트 및 숏크리트 등에 분산,혼합시켜 콘크리트및 숏크리트 양생시의 수축 균열 발생을 방지하고, 인장저항력과 같은 물리적 성질을 향상시켜줄 수 있도록 하고 있다.

상기 보강재로서는, 강섬유(steel Fiber), 유리섬유(glass Fiber), 나이론섬유(nylon Fiber), 폴리프로필렌섬유(polypropylene Fiber), 석면섬유(asbestos Fiber), 탄소섬유(carbon Fiber) 등이 쓰이고 있다.

특히 강섬유로 된 보강재는 철재로 되어 있는데, 압축강도의 증진뿐만 아니라 인장강도 및 휨강도가 향상되어 콘크리트의 최대 약점인 낮은 인장강도를 개선할 수 있고, 또한 연성이 우수하여 도로포장, 공항활주로, 수리항만구조물, 충격하중과 반복하중을 받는 구조물의 축조에 적합하나, 타설용 설비를 손상 및 파손시킬 소지를 제공하게 된다.

뿐만 아니라, 강섬유는 그 자체가 가지는 중량이 무거운 관계로 가격도 높을 뿐만 아니라 화학적 반응에 의한 안전성이 떨어지는 단점이 있고, 또한 펌핑시 배송 장치에 손상을 주는 경우가 있었다.

이러한 문제점들을 보완하고자 최근에는, 폴리프로필렌 섬유가 널리 사용되고 있으며, 도 1에서와 같이 일정 길이의 PP(polypropylene) 섬유재를 2∼5가닥 겹쳐 상기 몸체(2)를 형성하고, 이러한 몸체(2) 양 끝부에 열을 가하여 상기팁(3a)(3b)이 형성되는 구조로 되어 있다.

이와 같이 형성됨으로써, 콘크리트 및 숏크리트(1)가 양생될 때, 도 2에서와 같이 몸체(2)의 양 끝부에 몸체(2)보다 큰 직경으로 형성된 팁(3a)(3b)에 의해 콘크리트 및 숏크리트(1) 조직의 균열을 억제시키게 된다.

그런데, 상기한 바와 같은 종래 폴리프로필렌 섬유재로 이루어진 보강재는 콘크리트 및 숏크리트 내에 혼입될 때 그 양 끝을 제외한 부분이 원래의 가닥으로 찢어지게 되므로 그 목적하는 바를 이룰 수가 없게 된다.

이러한 종래 폴리프로필렌 섬유재로 이루어진 보강재의 단점을 해소하기 위한 보강재가 본 출원인에 의하여 기 출원(출원번호:제2002-0000501호)된 바 있는데, 이 또한 그 자체의 표면 성질이 매우 강한 소수성을 가지고 있어, 물이 50% 이상인 콘크리트 및 숏크리트 등의 모재에서 고른 분산 혼입이 이루어지지 않고 자체적으로 뭉침현상이 강하게 나타나며, 이러한 뭉침현상은 보강 콘크리트 및 숏크리트의 보강 효과를 크게 떨어뜨리고, 모재를 쉽게 파괴시키는 현상을 유발시키게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 본 출원인의 기 출원 고안(출원번호 제2002- 0000501호)을 보완하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 그 자체의 변형 및 파손이 어렵고 따라서 원래의 목적하는 바 콘크리트 및 숏크리트 등의 양생과정에서의 균열 방지 즉, 그 전체적인 길이방향에 대해 교차되는 방향으로 발생되는 균열의 성장 및 다수 부위에서의 별도 균열의 발생 등을 방지할 수 있게 됨은 물론, 모재에서 고른 분산 혼입이 이루어지고, 따라서 자체 뭉침현상을 방지할 수 있게 되며, 이로써 모재의 보강성 저하 방지 및 모재 조직의 손쉬운 파괴 현상을 방지할 수 있게 된 친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유 및 그의 제조방법을 제공하려는데 있다.

도 1은 종래 일반적인 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강재를 나타낸 사시도,

도 2는 종래 일반적인 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강재의 사용 상태를 나타내기 위한 모재 단면도,

도 3은 본 발명의 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유 외관을 나타내는 사시도,

도 4 및 도 5는 망사형 섬유의 경우에 있어서 mPP처리전,후의 표면사진,

도 6 및 도 7은 단사형 섬유의 경우에 있어서 mPP처리전,후의 표면사진,

도 8a 내지 도 8c는 mPP 농도에 따른 흡착량을 섬유량별로 나타낸 그래프,

도 9a 내지 도 9c는 mPP 농도에 따른 흡착량을 반응시간별로 나타낸 그래프,

도 10a 내지 도 10c는 섬유량에 따른 흡착량을 반응시간별로 나타낸 그래프,

도 11a 내지 도 11b는 망사형 섬유를 혼입하여 30분 교반한 후의 모재 단면 비교사진(우측 사진은 mPP처리섬유, 좌측 사진은 비처리 섬유),

도 12a 내지 도 12b는 단사형 섬유를 혼입하여 30분간 교반한 후의 모재 단면 비교사진(우측 사진은 mPP처리섬유, 좌측 사진은 비처리 섬유)이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일정 폭 및 길이를 갖는 다수의 PP(polypropylene) 섬유를 일정 폭 및 길이를 갖는 판재 형태로 두껍게 적층한 상태에서 열 및 압력을 가하여 다수의 라운딩부가 연쇄적으로 연장된 형태로 소성된 것 그 전체의 표면에 무수말레인산층을 형성하여서 됨을 특징으로 하는 친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유를 제공한다.

또한 본 발명에서는, 구상의 폴리프로필렌 입자를 용융하는 단계; 상기 단계에서 얻어진 용융물을 필름형태로 사출 성형하는 단계; 상기 단계에서 얻어진 성형물을 상온으로 냉각시키는 단계; 상기 단계에서 얻어진 냉각물을 일정 폭 및 길이를 갖는 띠의 형태로 절단하는 단계; 상기 단계에서 얻어진 절단물 다수를 두껍게 적층하는 단계; 상기 단계에서 얻어진 적층물을 다수의 라운딩부가 연쇄적으로 연장된 형태로 소성되도록 100∼110℃의 열 및 90∼110㎏/㎠의 압력을 5분 동안 가하여 소성하는 단계; 상기 단계에서 얻어진 소성물을 상온으로 자연 냉각시키는 단계; 8중량％의 mPP(maleic anhydride grafted polypropylene:무수말레인산이 그라프트된 폴리프로필렌)가, 용해된 톨루엔 용액과의 혼합으로 얻어져서 78∼82℃로 유지되는 혼합용액에, 상기 단계에서 얻어진 소성물을 1시간 이상 침지시켜 기제인폴리프로필렌 섬유의 표면에 mPP 입자가 2.5중량％의 중량비로 흡착되게 하여 반응물을 얻는 단계; 상기 단계에서 얻어진 반응물을 68∼72℃의 열풍으로 건조시키는 단계; 물을 이용해 상기 단계에서 얻어진 건조물을 세척하는 단계; 상기 단계에서 얻어진 세척물을 일정 길이로 절단하는 단계를 포함하는 친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 일정폭 및 길이를 갖는 다수의 PP(polypropylene) 섬유를 일정 폭 및 길이를 갖는 판재 형태로 하여 두껍게 적층성형되는 콘크리트보강재에 관련된다.

한편, 상기한 바와 같이 적층된 것에 열 및 압력을 가하면 적층된 다량의 판재들은 서로 융착되는데, 이때 다수의 라운딩부가 연쇄적으로 연장된 형태로 형성되게 한다.

따라서, 적층된 다수 폴리프로필렌 섬유재들은 일체화되면서 둥근 파형으로 성형되며, 콘크리트 및 숏크리트 등에 분산, 혼합되었을 때, 콘크리트 및 숏크리트 양생시의 수축 균열 발생을 방지하게 된다.

뿐만 아니라, 콘크리트 및 숏크리트 등에 혼입될 때 모재 입자와의 마찰에 따라 끝이 갈라지게 되고 이 갈라진 틈새로 모재 입자들이 스며들어 모재와의 혼입률을 극대화시키게 된다.

또한, 상기한 바와 같은 소성물 전체의 표면에 무수말레인산층을 형성하여서그 표면 성질이 매우 강한 친수성을 가지게 되며, 이로써 물이 50% 이상인 콘크리트 및 숏크리트 모재에서 고르게 분산 혼입됨과 아울러, 서로간의 뭉침현상이 방지된다.

즉, 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 보강섬유는, 구상의 폴리프로필렌 입자(PP Pellet)를 용융하고, 이에서 얻어진 용융물을 필름형태로 사출 성형하여 상온으로 자연 냉각시키되, 냉각된 후의 성형물을 일정 폭 및 길이를 갖는 띠의 형태로 절단하여 다수의 필름띠를 얻는다.

또, 상기한 바와 같이 얻어진 필름띠 다수를 두껍게 적층하여 두고, 이에 100∼110℃(바람직하게는 105℃)의 열 및 90∼110㎏/㎠(바람직하게는 100㎏/㎠)의 압력을 5분 동안 가함으로써, 다수의 라운딩부가 연쇄적으로 연장된 형태의 소성물을 얻는다.

또, 이와 같이 하여 얻어진 소성물을 상온으로 자연 냉각시킨 후, 8중량％의 mPP(maleic anhydride grafted polypropylene:무수말레인산이 그라프트된 폴리프로필렌)가 용해된 톨루엔 용액의 혼합으로 얻어져서 78∼82℃로 유지되는 혼합용액에 상기 단계에서 얻어진 소성물을 1시간 이상 침지시켜 기제인 폴리프로필렌섬유의 표면에 mPP 입자가 2.5중량％의 중량비로 흡착되게 하는 반응이 이루어지게 함으로써, 무수말레인산이 흡착 함유된 반응물을 얻는다.

이렇게 얻어진 반응물은 68∼72℃의 열풍으로 건조되며, 이 건조물을 또 물로 세척함과 아울러, 일정 길이로 절단하여 포장한다.

한편, 폴리프로필렌은 화학적 안정성과 인장강도나 충격강도 등의 강도물성측면에서 매우 뛰어난 화합물이나 자체의 결합 안정성이 너무 강해 여타 물질과 결합이 힘든 반면, mPP는 그 기제가 폴리프로필렌이지만 일반적인 폴리프로필렌 분자량의 1/100∼1/1,000정도의 미세한 분자상 PP로 상기 폴리프로린렌 분자와 동일한 분자 구조를 갖고 있으므로, 여타의 다른 물질에 비해 폴리프로필렌과의 결합성이 용이하다.

또, 분자 상태의 mPP(maleic anhydride grafted PP:무수말레인산이 그라프팅된 폴리프로필렌)는 Benzene이나 solvent에의 용해 정도가 미미한 정도이지만, 톨루엔(Toluene)용액에는 완전용해가 가능하며, 이와 같이 톨루엔(Toluene)용액에 mPP가 완전 용해되면 폴리프로필렌 표면에 mPP 자체가 폴리프로필렌 필름표면에 흡착되면서 그 흡착면 표면이 친수화 경향이 큰 특성을 띠게 된다.

-mPP의 흡착에 의한 PP 섬유의 친수화도 시험예-

[흡착률의 측정]

1) 아래의 표 12.에서와 같은 물성을 갖는 폴리프로필렌 섬유를 80℃의 건조로에서 24시간동안 건조된 상태의 것으로 준비한다.

재 질	비 고	인장강도(㎏/㎠)	탄성계수(㎏f/㎠)	용융점(℃)	흡수율
단일중합체폴리프로필렌	0.91	약 2,600	약 3.5 x104	약 162	0

표 12. 폴리프로필렌 섬유의 물성

2) 각 농도별로 mPP(maleic anhydride grafted PP:무수말레인산이 그라프팅된 폴리프로필렌)를 준비한다.

3) 80℃의 각 중탕기에서 톨루엔(Toluene)용액과 상기 2)항의 농도별 mPP를각각 혼합하고 1시간동안 선교반한다.

4) 80℃로 유지되는 중탕기에서 각각의 반응시간동안 농도별 mPP와 폴리프로필렌을 반응시켜서 폴리프로필렌의 입자 표면에 이온화된 무수말레인산 및 mPP 입자가 흡착되도록 한다.

5) 이러한 흡착 반응 후의 폴리프로필렌 섬유를 70℃의 상압 건조로에서 톨루엔을 건조시켜 제거한다.

6) 상기한 바와 같이 톨루엔을 제거시킨 후의 폴리프로필렌 섬유를 증류수로 세척하면서 필터링하고, 70℃의 온도로 24시간동안 건조하여, 완전 표면흡착되지 않은 mPP가 제거된 폴리프로필렌 섬유를 얻는다.

7) 최종 건조물의 중량변화 상태를 측정하여, 아래 ①식에 따라 수율을 백분율로 나타내었다.

①식.....[(MB-MA)/MA] X 100 (단, MA는 반응전 질량, MB는 반응 후 질량)

이때 무수말레인산의 흡착정도는, 망사형 섬유의 경우에 있어서 mPP 처리전(도 4 참조)과 mPP처리 후(도 5 참조)의 편광현미경 촬영 사진을 비교함으로써 대비되고, 단사형 섬유의 경우에 있어서 mPP 처리전(도 6 참조)과 mPP처리 후(도 7 참조)의 사진을 비교함으로써 대비된다.

즉, 도 4와 도 5는 망사형 섬유의 mPP처리전,후의 표면사진이고, 도 6과 도 7은 단사형 섬유의 mPP처리전,후의 표면사진으로서, 단사형 섬유의 경우는 그 직경이 밀리미터(㎜) 단위로 표시되는 망사형 섬유에 비해 직경이 데니어(Denier) 단위로 표시될 정도로 가늘며, 아울러 mPP처리후의 섬유는 그 표면이 매끄러운 mPP처리전의 섬유에 비해 다른 물질과의 반응이 상대적으로 쉽기 때문에 어떤 물질의 표면흡착작용 정도 어떤 물질과의 중합작용 정도가 높고 따라서, 콘크리트/ 숏크리트 등의 모재내에서 고르게 분포되는 것이다.

한편, 상기 4)항에서와 같은 처리 공정을 거쳐 얻어진 결과물에 대하여, 각 반응시간 및 mPP농도 그리고 폴리프로필렌 섬유량 등의 조건별로, mPP처리에 따른 표면흡착 결과는 도 8a 내지 도 10c에서와 같다.

즉, 도 8a에서는 반응시간을 30분간으로 하였을 때 mPP농도에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를, 도 8b에서는 반응시간을 60분간으로 하였을 때 mPP농도에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를, 도 8c에서는 반응시간을 90분간으로 하였을 때 mPP농도에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를 알 수 있다.

도 9a에서는 섬유량을 5g으로 하였을 때 mPP농도에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를, 도 9b에서는 섬유량을 10g으로 하였을 때 mPP농도에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를, 도 9c에서는 섬유량을 20g으로 하였을 때 mPP농도에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를 알 수 있다.

도 10a에서는 mPP농도를 6으로 하였을 때 PP섬유량에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를, 도 10b에서는 mPP농도를 8로 하였을 때 PP섬유량에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를, 도 10c에서는 mPP농도를 10으로 하였을 때 PP섬유량에 따른 흡착량과 흡착율의 변화를 알 수 있다.

[팽윤도(Swelling Test)시험]

상기 1)항 내지 6)항의 전 공정을 거쳐 얻어진 결과물과 그렇지 않은 폴리프로필렌 섬유를 물에 일정시간동안 담가 함수율을 측정한 결과는 아래의 표 13.에서와 같다.

표 13

침수시간	10	20	30	60
원섬유 팽윤도(wt%)	44.57	58.00	58.99	61.00
표면처리섬유 팽윤도(wt%)	63.52	117.30	125.52	125.53

상기한 바와 같이 표 13의 측정결과를 그래프로 나타내면 다음과 같다.

즉, 본원의 친수화 표면처리된 폴리프로필렌 섬유는 그렇지 않은 폴리프로필렌 섬유에 비해, 표면에너지 증가에 따라 수분에 대한 젖음성이 크게 향상되며, 이에 따라서 도 11a 내지 도 12b에서와 같이, 콘크리트 및 숏크리트 등의 모재내에서서로 뭉치지 않고 고르게 분산될 수 있게 됨을 알 수 있다.

뿐만 아니라, 상기한 바와 같은 mPP 처리된 폴리프로필렌 섬유가 모재에 혼입 분산된 정도는 모재의 강도에 영향을 주게 되는데, 각종 시료에 대한 강도의 측정결과가 다음의 표 3.에서와 같다.

실험번호	시료종류	압축강도(kgf/㎠)	증가폭(전단계 비교,%)	증가폭(무처리 기준,%)	증가폭(종류별 비교,%)
A	무 혼 입	95.40
B-1	무처리-단사	107.79	13	13
B-2	무처리-망사	117.67	9	23
C-1	처리-단사	119.98	2	26	11
C-2	처리-망사	128.82	7	35	9

표 . 각 시료별 재령 1일강도 결과와 비교상기한 바와 같이 표 3의 측정결과를 그래프로 나타내면 다음과 같다.

즉, 섬유의 분산도 향상이 모재의 강도 증가에 미치는 영향을 살펴보고자 일축압축 실험을 실시한 결과, mPP 처리된 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 시편의 강도는 그렇지 않은 시편보다 높은 강도를 갖는 결과를 나타내었다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 그 자체의 변형 및 파손이 어렵고 따라서 원래의 목적하는 바, 콘크리트 및 숏크리트 등의 양생과정에서의 균열 방지 즉, 그 전체적인 길이방향에 대해 교차되는 방향으로 발생되는 균열의 성장 및 다수 부위에서의 별도 균열의 발생 등을 방지할 수 있게 된다는데 그 잇점이 있다.

아울러, 모재에서 고른 분산 혼입이 이루어지고, 따라서 자체 뭉침현상을 방지할 수 있게 되며, 이로써 모재의 보강성 저하 방지 및 모재 조직의 손쉬운 파괴 현상을 방지할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 일정 폭 및 길이를 갖는 다수의 PP(polypropylene) 섬유를 일정 폭 및 길이를 갖는 판재 형태로 두껍게 적층한 상태에서 열 및 압력을 가하여 다수의 라운딩부가 연쇄적으로 연장된 형태로 소성된 것 그 전체의 표면에 무수말레인산층을 형성하여서 됨을 특징으로 하는 친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유.
2. 구상의 폴리프로필렌 입자를 용융하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 용융물을 필름형태로 사출 성형하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 성형물을 상온으로 냉각시키는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 냉각물을 일정 폭 및 길이를 갖는 띠의 형태로 절단하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 절단물 다수를 두껍게 적층하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 적층물을 다수의 라운딩부가 연쇄적으로 연장된 형태로 소성되도록 100∼110℃의 열 및 90∼110㎏/㎠의 압력을 5분 동안 가하여 소성하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 소성물을 상온으로 자연 냉각시키는 단계;

   8중량％의 mPP(maleic anhydride grafted polypropylene:무수말레인산이 그라프트된 폴리프로필렌)가 용해된 톨루엔 용액의 혼합으로 얻어져서 78∼82℃로 유지되는 혼합용액에 상기 단계에서 얻어진 소성물을 1시간 이상 침지시켜 기제인 폴리프로필렌 섬유의 표면에 mPP 입자가 2.5중량％의 중량비로 흡착되게 하여 반응물을 얻는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 반응물을 68∼72℃의 열풍으로 건조시키는 단계;

   물을 이용해 상기 단계에서 얻어진 건조물을 세척하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 세척물을 일정 길이로 절단하는 단계;

   상기 단계에서 얻어진 세척물을 일정 길이로 절단하는 단계를 포함하는 친수화 표면개질된 콘크리트/숏크리트용 폴리프로필렌 보강섬유의 제조방법.