KR20040058611A - 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 섬유 보강 고분자 스트립(strip)을 이용한 지오그리드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 보강 섬유로 고분자 스트립을 보강하여 높은 인장강력, 낮은 인장 변형률, 낮은 크리프(creep) 변형 특성을 가지며, 내시공성을 향상시킨 지오그리드 및 그 제조방법에 대한 것이다.
본 발명은 압출된 용융수지가 흐르는 공압출 다이에 섬유를 공급하여 고분자 내에 섬유가 존재하도록 고분자 스트립을 압출하면서 미리 제조된 섬유 보강 고분자 스트립을 상기 공압출 스트립에 대하여 격자형태가 되도록 공급한다.
서로 포개어진 경방향 스트립과 위방향 스트립을 압착, 가열 시킨 후 접착시켜서 격자 형태의 지오그리드를 제조하는 것을 특징으로 한다.
이렇게 제조된 섬유 보강 고분자 스트립으로 구성된 지오그리드는 옹벽보강, 사면보강, 연약지반보강 등의 토목분야에서 보강재로 사용된다.
Description
본 발명은 보강 섬유로 고분자 스트립(strip)을 보강하여 높은 인장강력, 낮은 인장 변형률, 낮은 크리이프(creep) 변형 특성과 우수한 내시공성을 갖는 토목용 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지오그리드를 옹벽보강, 사면보강, 도로보강 등의 용도로 사용되는 지오그리드의 재료와 그 제조 방법 등이 다양하게 발전되어 왔다.
지오그리드는 제조방법 및 재료에 따라서 플라스틱 지오그리드와 텍스타일 지오그리드로 구분할 수 있다.
플라스틱 지오그리드는 제조 방법에 따라서 한국특허 공개번호 제 91-5998 호에 기재된 바와 같이, 압출기를 통과한 고분자 시트를 롤러에 통과시켜 격자모양의 그리드 형태로 구멍을 뚫은 다음 일축 또는 이축으로 연신시켜 제조하는 지오그리드가 있고, GB 2266540, EP 1038654, WO 94/26503, WO 99/28564와 같이 고분자를 스트립 형태로 압출한 후 한 방향으로 연신하여 경방향 스트립과 위방향 스트립을 만든 다음에 이들을 레이저 또는 초음파를 이용하여 격자형태로 접합시킨 지오그리드가 있다.
하지만, 천공 후 연신하여 제조한 제품의 경우, 소재가 폴리프로필렌 또는 고밀도 폴리에틸렌이기 때문에 장시간 하중이 부여되는 동안 발생하는 높은 변형률로 인하여 이 제품을 사용할 경우에 보강구조물의 안정성에 문제가 있다.
또한, 고분자 시트에 구멍을 뚫고 연신하기 위한 장치나 레이저 또는 초음파 접합장치가 거대하고 가격이 높기 때문에 제조 비용이 많이 든다.
텍스타일 지오그리드는 한국특허 공개번호 제 98-2337 호와 같이, 고강력 섬유를 각각 경·위사 방향으로 공급하여 격자형태의 직물을 형성하고, 경위사의 보호와 결합점에서의 접점을 강화하고 일광 및 자외선에 대한 저항성을 향상시키기위하여 폴리비닐클로라이드, 역청, 아크릴, 라텍스 및 고무계 수지 등으로 피복하며, 경·위사로는 주로 고강력 폴리에스테르가 사용된다. 하지만, 텍스타일 지오그리드는 인장, 크리프 특성이 우수하나, 피복용 합성수지를 텍스타일 지오그리드용 직물에 피복하기 위해서는 합성수지를 적당한 용제에 녹여야 한다.
이러한 텍스타일 지오그리드의 제조방법은 공정이 복잡할 뿐만 아니라 경제적으로도 바람직하지 않으며, 시공시 토양의 상태에 따라 지오그리드가 손상을 입을 가능성이 크기 때문에 내시공성이 저하되는 단점이 있다.
따라서, 상기의 플라스틱 지오그리드의 단점인 높은 크리프 변형률과 텍스타일 지오그리드의 단점인 낮은 내시공성을 개선한 지오그리드가 요구되고 있다.
USP 5068142는 고분자 수지의 매트릭스(matrix)에 섬유가 존재하며, 각각의 섬유의 10% ~ 70%가 고분자 매트릭스 내에 서로 분리되어 있고, 나머지는 최소 하나의 섬유 다발을 형성하며 서로 직접 접해 있는 것을 특징으로 하고 있으며 이러한 섬유 보강 스트립을 접합한 망상(net-like)구조의 제품에 대해 최초로 언급 하고 있다.
하지만, 상기 미국 특허의 제조방법은 섬유 보강된 고분자 스트립을 펠렛(pellet)화한 후에 압출 또는 사출 성형하여 지오그리드를 제조 하고 있으며, 경방향과 위방향을 접합하는 방법에 대하여는 구체적으로 언급하지 않고 있다.
USP 5045377은 섬유 보강 고분자 스트립을 서로 일정한 간격으로 교차시켜 망상구조를 만들기 위한 장치와 재료를 설명하고 있다.
즉, 망상구조를 만들기 위하여 첫 번째 요소인 고분자로 코팅된 전구체(prepreg)를 크로스 헤드 다이에 삽입하며, 다이 앞 부분이 상하 운동을 하는 장치에 의해 두 번째 고분자 요소가 첫 번째 요소에 접합되어 망상구조를 이룬다.
이 방법은 첫 번째 요소를 전구체를 사용하고 있으며, 공압출 다이를 이용한 연속공정으로 제품을 만드는 방법은 아니다.
위에서 언급한 바와 같이 새로운 지오그리드의 제조방법에 대한 연구가 여러 각도에서 다양하게 진행되고 있지만, 제조방법 및 장치가 매우 복잡하고 지오그리드의 제품 특성이 잘 나타나지 않기 때문에 지오그리드 본래의 기능인 보강재로서의 기능을 충분히 발휘 할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 지오그리드를 간단한 제조방법에 의하여 연속 공정으로 대량생산할 수 있으며, 특히 지금까지 공지된 제품에 비하여 크리프 변형 저항성과 내시공성이 우수한 지오그리드와 그 제조방법을 제공하는데 기술적 과제를 두고 있다.
도 1a는 본 발명의 전체 공정도로서 측면에서 본 것.
도 1b는 본 발명의 전체공정도로서 위에서 바라본 것.
도 2는 본 발명의 한 실시예를 보인 공정도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 보인 공정도.
도 4는 본 발명에 사용되는 공압출용 다이의 종단면 설명도.
도 5, 6a, 6b, 7a 및 7b는 경방향 스트립과 위방향 스트립의 격자 형태를 보이고 있는 사시도.
도 8a는 본 발명의 의한 원형 단면의 섬유보강 스트립의 횡단면도.
도 8b는 본 발명의 의한 4각형 단면의 섬유보강 스트립의 횡단면도.
본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀계 수지와 폴리에스텔 수지를 고분자 매트릭스로 하고, 상기 고분자 수지의 강도, 내열성 등의 물성과 형태 안정성 등을 향상시키기 위하여 고강력 폴리에스텔사, 유리섬유, 탄소섬유 등의 보강 섬유를 사용하였으며, 상기 고분자 매트릭스와 보강섬유를 공압출다이로 공압출하여서 섬유보강 고분자 스트립을 제조한 다음에, 이것을 미리 제조한 섬유보강 고분자 스트립과 함께 연속 공정에 의하여 격자형으로 접합시키는 것을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
즉 본 발명은 경방향과 위방향의 스트립 모두가 보강섬유로 보강되어 있으며, 미리 제조된 섬유 보강 고분자 스트립과 공압출되는 섬유 보강 고분자 스트립을 격자형태로 형성시킨 다음에, 서로 포개어진 경방향 스트립과 위방향 스트립을 1차 압착롤러로 접착시킨 다음에 다시 가열장치를 거쳐서 고분자 수지를 연화 또는 용융시킨 후 2차 압착롤러로 접착시켜서 격자형 지오그리드를 제조함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 격자형 경위방향 스트립의 배열 형태를 다양하게 변화시킴으로써 제품의 보강특성이 더욱더 잘 발현될 수 있게 함을 특징으로 한다.
본 발명에서 섬유 보강 고분자스트립의 재료인 고분자 수지(14)로는 용융지수(MI)가 1 ~ 60g/10분의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀계 수지와 IV가 0.64~1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드 (polyvinylchloride, PVC), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔 (polybutadiene) 등이고, 보강 섬유(11)로는 폴리에스테르 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유이며, 보강 섬유의 횡단면적 합은 스트립 전체 횡단면적의 20 ~ 80%를 구성한다. 보강 섬유의 횡단면적 합이 20% 미만이면 보강섬유에 의해 크게 영향을 받는 크리프 변형에 대한 저항성이 떨어지며 인장력이 작용할 경우에 고분자 매트릭스에서 보강섬유가 뽑히는 현상이 발생하고 횡단면적합이 80%를 초과할 경우에는 보강섬유 외부를 감싸고 있는 고분자 수지 층의 두께가 너무 얇기 때문에 토목현장에서 사용될 경우에 다짐 등 여러 작업을 하는 동안에 보강섬유가 외부의 충격에 대하여 보호되지 않고 손상을 입게 되므로 내시공성이 저하된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 이용되는 제조장치는 도 1에서와 같이 고분자 수지(14)를 용융시키기 위한 압출기(1), 용융된 고분자 수지(14)와 보강섬유(11)가 만나 섬유 보강 고분자 스트립(12, 13)을 형성시키기 위한 공압출 다이(2), 위방향 스트립(13)을 공급시키기 위한 위방향 스트립 공급장치(3), 서로 직각으로 포개어진 위방향 스트립(13)과 경방향 스트립(12)을 가열시켜 서로 접착될 수 있는 상태로 만들기 위한 가열장치(4), 1차 및 2차 압착롤러(6a)(6b), 필요한 경우에 상기 압착롤러(6a)(6b)로 접착시킨 지오그리드를 냉각시키기 위한 냉각조(7), 그리고 마지막으로 냉각된 지오그리드를 일정한 속도로 장력을 가해주며 감기 위한 권취롤러(10)로 구성되어 있다.
상기 제조장치를 구성별로 상세히 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 사용되는 공압출 다이(2)를 도 4에 나타내었다.
광폭 제품을 제조하기 위해서는 10 ~ 40개의 보강 섬유 스트립(12, 13)이 동시에 5 ~ 100mm 간격으로 공압출 되어야 한다.
따라서, 본 발명에서는 보강섬유(11)가 수지(14)의 압출 방향으로 유입되도록 공압출 다이(2)를 도 4와 같이 설계하였다.
먼저 보강 섬유(11)가 다이 입구(15)를 통하여 유입되고, 이와 동시에 용융 고분자 수지(14)가 수지 투입구(17)를 통하여 유입되어서, 다이(2) 내부에서 보강 섬유(11)와 수지(14)가 만나 다이 출구(16)를 지나서 섬유 보강 스트립(12, 13)이 형성된다.
이때, 다이 출구(16)의 갯수는 10 ~ 40이며, 바람직하게는 10 ~ 20으로 한다.
그리고, 다이 출구(16)의 간격은 경방향 스트립 중심 사이의 거리가 5 ~ 100mm가 되도록 하며, 바람직하게는 30 ~ 70 mm가 되도록 다이 출구의 간격을 결정한다.
한편, 유입구(15)에 유입되는 보강섬유(11)가 한 가닥, 두 가닥 또는 그 이상의 가닥으로 유입되도록 하여서 스트립 단면에서 보강섬유(11)의 배열형태를 변화시킬 수 있다.
이렇게 하면 도 8a 및 도 8b와 같이 보강섬유(11)가 다양한 형태로 배열되어 있는 섬유 보강 고분자 스트립(12, 13)을 얻을 수 있으며, 다이 출구(16)를 원형 또는 사각형으로 변화시키면 단면이 둥근 형태(8a)와 사각형 형태(8b)를 갖는 스트립을 만들 수 있다.
상기 섬유 보강 고분자 스트립(12, 13)은 폭 1 ∼ 20㎜, 두께 1 ∼ 5㎜인 사각형 또는 지름이 1 ∼ 10㎜인 원형의 횡단면을 갖는다.
또한 토목 분야에서 사용이 용이한 제품 폭을 만들기 위하여 도 1의 공정에서 압출기(1)를 횡으로 여러 대 배치하여 보통 폭이 1 ~ 5m, 바람직하게는 2 ~ 4m폭의 제품을 생산할 수 있다.
도 1에서 위방향 스트립 공급장치(3)는 미리 제조된 일정한 길이의 섬유 보강 위방향 스트립(13)을 함유할 수 있으며 일정한 시간간격으로 떨어뜨릴 수 있도록 제작된 위방향 스트립 홀더(3a)와 스트립 홀더에서 떨어진 위방향 스트립을 운반하여 경방향 스트립(12)이 배열되어 운반되는 경방향 스트립 운반 장치에 일정한 시간간격으로 위방향 스트립을 떨어트려 주는 위방향 스트립 운반장치(3b)로 구성되어 있다.
위방향 스트립이 떨어지는 시간에 따라 격자 크기가 결정되며, 격자 크기(위방향 스트립 중심 사이의 거리)는 보통 10 ~ 100mm이며, 바람직하게는 30 ~ 70mm가 되도록 위방향 스트립이 떨어지는 시간을 조정할 수 있도록 위방향 스트립 공급장치(3)가 설계되어 있다.
위방향 스트립(13)은 경방향 스트립(12)에 대하여 보통 80 ~ 100°의 각도를 이루면서 떨어지며, 바람직하게는 90°를 이루도록 떨어지게 하는 것이 더욱 좋다.
아직 고화되지 않은 경방향 스트립(12) 위에 위방향 스트립(13)이 놓여진 후, 압착 롤러(6a)를 통과하여 1차로 접착되며, 접착을 강화시키기 위하여 가열장치(4)를 통과한다.
가열장치는 두 개의 가열판(4a, 4b)으로 이루어져 있으며, 두 판은 온도를 조절할 수 있도록 되어 있어서 보강 섬유의 외부를 덮고 있는 수지가 연화 또는 용융될 수 있는 분위기 온도를 만들어 준다.
예를 들어, 폴리프로필렌으로 사용할 경우, 폴리프로필렌의 용융온도는 일반적으로 160℃이므로, 가열판(4a, 4b)의 온도를 조절하여 가열장치(4) 내의 온도가 140 ~ 180℃가 되도록 한다.
따라서, 격자를 형성하고 있는 경, 위 방향 스트립(12, 13)이 가열장치(4)를 통과하면서 보강섬유(11)를 감싸고 있는 고분자 수지(14)의 표면이 연화 또는 용융되어 경위방향 스트립이 접착되고, 가열장치를 통과한 스트립은 2차 압착롤러(6b)를 통과하여 경, 위방향 스트립의 접착이 강화된다.
접착된 제품의 형태는 도 5와 같이 격자 형태를 갖게 된다.
그 다음에 필요한 경우에 냉각조(7)에서 냉각시킨 후, 권취 롤러(10)에 감기게 된다.
본 발명에서는 위방향 스트립 공급장치(3)와 압출기(1)의 배치를 달리하여 경, 위방향 스트립이 다양하게 접착되어 있는 다양한 제품을 만들 수 있다.
도 2의 공정은 도 1과 달리 위방향 스트립 공급장치(3)를 이용하여 위방향 스트립(13)을 스트립 운반장치(5)에 일정한 간격으로 배치시킴과 동시에 전방으로 이동시킨다.
배열된 위방향 스트립(13) 상, 하부에 공압출다이(2)로부터 공압출 되는 경방향 스트립(12)이 경방향으로 공급되어 접착하게 된다.
이렇게 접착된 섬유 보강 스트립은 도 1에서와 같이 1차 압착롤러(6a), 가열장치(4), 2차 압착롤러(6b)를 지나면서 경위방향 스트립이 접착되어서 권취 롤러(10)에 감기게 된다.
위방향 스트립(13)과 만나게 되는 경방향 스트립(12)의 상, 하 배열을 조절하여 6a와 6b와 같은 형태를 지니게 할 수 있다.
위와 아래에서 압출되는 경방향 스트립(12)을 서로 엇갈리게 배치시켜 접착시키면, 6a와 같은 형태가 되며, 경방향 스트립(12)이 서로 마주치게 배열하면 도 6b와 같은 형태를 유지하게 된다.
도 3의 경우, 도 2의 경우와는 반대로 경방향의 스트립(12)의 상, 하에 위방향의 스트립(13)이 접착되는 공정이다.
이것은 도 1의 공정에 더하여서 위방향 스트립(13)이 아래에서도 공급되도록 장치를 배열한 것이다.
이 경우에 제품은 도 7a 및 도 7b에 표시한 바와 같은 형태를 유지하게 된다.
압출 이동되는 경방향 스트립(12)에 접착되는 상, 하의 위방향 스트립(13)을 일정한 시간차를 두어 공급하여 접착시키면 도 7a와 같은 형태를 취하게 되며, 상,하의 위방향 스트립을 같은 시간에 공급하면, 도 7b와 같은 형태의 제품을 얻을 수 있다.
도 7b의 경우에는 경위방향 스트립(12)의 접합 강력이 우수하다.
실시예의 물성측정방법은 다음과 같다.
* 광폭 인장강도 : ASTM D 4595
변형제어식 인장시험기의 상·하에 붙어 있는 클램프사이의 거리를 10±3%/분의 속도로 인장을 하여 인장 변형에 따른 인장응력을 측정한다.
시료의 폭은 20 cm로 하여 측정한다.
* 크리프 시험 : ASTM D 5262
일정한 온도조건에서 지속적인 인장 하중이 작용할 때 지오그리드의 불구속 인장 크리프 거동을 평가하여 장기 설계인장강도 산정시 고려되는 크리프에 의한 인장강도 감소계수를 결정하기 위한 것임.
크리프 변형 특성 평가를 위한 재하하중으로는 지오그리드 시료의 최대 인장강도에 대한 45%의 하중으로 하였으며, 인장 변형 측정은 자동계측시스템을 사용하여 1,000시간 이상 측정하였다.
* 내시공성 평가 : ASTM D 5818
기초노상을 실제 구조물 축조시와 동일하게 처리한 후 최소 면적 10m2의 지오그리드 시료를 포설하고 그 상부에 성토재를 포설한 후 실제 구조물 축조시와 동일하게 다짐한다.
성토재로는 크기가 최대 20mm인 골재를 사용하였다.
다짐 완료 후에는 다짐된 골재를 지오그리드에 손상이 가지 않도록 제거하여 지오그리드 시료를 추출하고, 추출된 시료에 대한 인장시험을 수행하여 원시료의 인장강도와 비교하였다.
따라서, 내시공성은 강도 감소율(%)로 표시된다.
실시예 1
섬도가 16,000 데니어의 폴리에스테르 고강력사와 용융지수가 4인 폴리프로필렌 수지를 공압출하여 위방향 스트립(13)을 제조한 다음 위방향 스트립 공급장치(3)에 준비하였고, 도 1a의 장치를 이용하여 압출기(1)에는 용융지수가 4인 폴리프로필렌 수지(14)를 공급하여 공압출 다이(2)로 보내고, 공압출 다이(2)에 섬도가 24,000 데니어인 폴리에스테르 고강력사를 공급하여 공압출 시킨 후, 미리 제조한 위방향 스트립(13)을 위방향 스트립 공급장치(3)를 이용하여 압출되는 경방향 스트립(12) 위에 직각으로 떨어뜨림으로써 격자를 형성시키고, 압착롤러(6a)를 지나 1차로 접착되고, 160℃로 가열된 가열장치(4)를 지난 후, 경방향 스트립(12)과 위방향 스트립(13)을 접착시켜 경방향 스트립(12)의 한쪽 면에 위방향 스트립(13)이 접착된 도 5의 형태를 갖는 지오그리드를 제조하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
실시예 2
보강 섬유로써 폴리에스테르 섬유 대신 유리섬유를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유 보강 지오그리드를 제조하였다.
이때, 위방향 스트립(13)에는 2,600 텍스의 유리섬유를 사용하였으며, 경방향 스트립(12)에는 4,400 텍스의 유리섬유를 사용하였다.
제조된 지오그리드의 단위 길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m)을 표 1에 나타내었다.
실시예 3
도 2의 공정에 따라, 섬도가 16,000 데니어의 폴리에스테르 고강력사와 용융지수가 4인 폴리프로필렌 수지를 공압출하여 위방향 스트립(13)을 제조한 다음 위방향 스트립 공급장치(3)로 위방향 스트립 운반장치(5)에 일정한 간격으로 연속적으로 떨어뜨리고, 위방향 스트립(13)의 위, 아래로 섬유 보강 경방향 스트립(12)이 위방향 스트립(13)에 직각으로 공급되도록 압출기(1)에 용융지수가 4인 폴리프로필렌 수지를 공급하여 공압출 다이(2)로 보내고, 공압출 다이(2)에 섬도가 24,000 데니어인 폴리에스테르 고강력사를 공급하여 공압출시켰다.
이때, 섬유 보강 위방향 스트립(13)의 위아래로 공급되는 경방향 스트립(12)이 서로 만나지 않도록 엇갈리게 배열하였다.
이렇게 배열된 경위방향 스트립(12, 13)은 압착롤러(6a)를 지나 1차로 접착되고, 160℃로 가열된 가열장치(4)를 지난 후, 2차 압착롤러(6b)에 의해 경방향 스트립과 위방향 스트립이 접착되어 도 6a와 같이 일정한 간격의 위방향 스트립(13)의 양쪽 면에 위아래의 경방향 스트립(12)이 서로 엇갈린 형태를 갖는 지오그리드를 제조하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
실시예 4
위방향 스트립(13)의 아래와 위에 배열되는 경방향 스트립(12)이 도 6b처럼 서로 겹치도록 경방향 스트립(12)을 배열하여 실시예 3과 동일한 재료와 제조 공정을 이용하여 지오그리드를 제조하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%),강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
실시예 5
보강 섬유로써 폴리에스테르 섬유 대신 유리섬유를 사용하여 실시예 3과 동일한 방법으로 섬유 보강 지오그리드를 제조하였다.
이때, 위방향 스트립(13)에는 2600 텍스의 유리섬유를 사용하였으며, 경방향(12)에는 4,400 텍스의 유리섬유를 사용하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m)을 표 1에 나타내었다.
실시예 6
보강 섬유로써 폴리에스테르 섬유 대신 유리섬유를 사용하여 실시예 4와 동일한 방법으로 섬유 보강 지오그리드를 제조하였다.
이때, 위방향 스트립(13)에는 2,600 텍스의 유리섬유를 사용하였으며, 경방향(12)에는 4,400 텍스의 유리섬유를 사용하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m)을 표 1에 나타내었다.
실시예 7
도 3의 공정에 따라, 섬도가 24,000 데니어인 폴리에스테르 고강력사를 공압출 다이(2)에 공급함과 동시에 용융지수가 4인 폴리프로필렌을 공압출 다이(2)에 공급하여 섬유 보강 경방향 스트립(12)을 연속적으로 압출하면서, 섬도가 16,000 데니어의 폴리에스테르 고강력사와 용융지수가 4인 폴리프로필렌 수지를 공압출하여 미리 제조한 위방향 스트립(13)을 위방향 스트립 공급장치(3)를 이용하여 공압출되는 경방향 스트립(12)과 직각을 이루도록 경방향 스트립(12)의 위와 아래에 일정한 간격으로 연속적으로 떨어뜨려 격자를 형성시켰다.
이때, 경방향의 아래에서 공급되는 위방향 스트립(13)과 경방향의 위에서 공급되는 위방향 스트립(13)이 서로 만나지 않도록 서로 엇갈리게 배열하였다.
서로 포개어진 경방향 스트립(12)과 위방향 스트립(13)은 1차 압착롤러(6a)에 의해 압착되고, 160℃로 가열된 가열장치(4)를 지나 2차 압착롤러(6a)에 의해 경방향과 위방향 스트립이 접착되어 도 7a와 같이 일정한 간격의 경방향 스트립(12)의 양쪽 면에 위방향 스트립(13)이 서로 엇갈린 형태를 갖는 지오그리드를 제조하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
실시예 8
경방향 스트립(12)의 위와 아래에 배열되는 위방향 스트립(13)이 서로 겹치도록 위방향 스트립(13)을 배열하여(도 7b) 실시예 7과 동일한 재료와 제조 공정을 이용하여 지오그리드를 제조하였다.
제조된 지오그리드의 단위 길이당 리브수(ribs/m), 인장 강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
실시예 9
보강 섬유로써 폴리에스테르 고강력사 대신에 유리섬유를 사용하여 실시예 7과 동일한 방법으로 섬유 보강 지오그리드를 제조하였다.
이때, 위방향 스트립(13)에는 2600 텍스의 유리섬유를 사용하였으며,경방향(12)에는 4,400 텍스의 유리섬유를 사용하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수, 광폭 인장강도(kN/m)을 표 1에 나타내었다.
실시예 10
보강 섬유로써 폴리에스테르 고강력사 대신에 유리섬유를 사용하여 실시예 8과 동일한 방법으로 섬유 보강 지오그리드를 제조하였다.
이때, 위방향 스트립(13)에는 2,600 텍스의 유리섬유를 사용하였으며, 경방향(12)에는 4,400 텍스의 유리섬유를 사용하였다.
제조된 지오그리드의 단위길이 당 리브수, 광폭 인장강도(kN/m)을 표 1에 나타내었다.
비교예 1
폴리에스테르 고강력 섬유를 각각 경·위사 방향으로 공급하여 격자형태의 직물로 제직한 다음에 이것을 폴리비닐클로라이드 수지로 코팅하여 경위사의 보호와 결합점에서의 접점을 강화시키고 일광 및 자외선에 대한 저항성을 향상시킨 종래의 제조방법으로 제조된 텍스타일 지오그리드 제품의 물성을 측정하였다.
상기 텍스타일 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
비교예 2
폴리올레핀계 수지를 사용하여 시트로 압출한 후, 천공하여 일축으로 연신하는 종래의 플라스틱 지오그리드의 제조방법으로 제조된 플라스틱 지오그리드의 물성을 측정하였다.
상기 플라스틱 지오그리드의 단위길이 당 리브수(ribs/m), 광폭 인장강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%), 강도 감소율(%)을 표 1에 나타내었다.
< 표 1 >
| 구 분 | 경방향 | 위방향 | ||||||
| 리브수(ribs/m) | 광폭인장강도(kN/m) | 인장변형률(%) | 강도감소율(%) | 크리프변형률(%) | 리브수(ribs/m) | 광폭인장강도(kN/m) | 인장변형률(%) | |
| 실시예 1 | 30 | 57 | 10.3 | 11.5 | 5.2 | 25 | 31 | 10.3 |
| 실시예 2 | 30 | 55 | 3.1 | - | - | 25 | 33 | 2.8 |
| 실시예 3 | 30 | 57 | 11.0 | 11.2 | 5.4 | 25 | 36 | 10.2 |
| 실시예 4 | 30 | 116 | 10.7 | 12.4 | 5.2 | 25 | 33 | 10.5 |
| 실시예 5 | 30 | 55 | 2.8 | - | - | 25 | 34 | 3.0 |
| 실시예 6 | 30 | 112 | 2.5 | - | - | 25 | 36 | 2.8 |
| 실시예 7 | 30 | 58 | 9.9 | 12.1 | 5.0 | 25 | 30 | 10.5 |
| 실시예 8 | 30 | 62 | 10.5 | 11.4 | 5.2 | 25 | 64 | 10.6 |
| 실시예 9 | 30 | 60 | 2.4 | - | - | 25 | 35 | 2.6 |
| 실시예 10 | 30 | 62 | 2.9 | - | - | 25 | 65 | 2.5 |
| 비교예 1 | 41 | 69 | 9.7 | 15.8 | 5.1 | 40 | 36 | 12.7 |
| 비교예 2 | 43 | 54 | 12.9 | 11.2 | 15.0 | - | - | - |
실시예와 비교예에서 나타난 바와 같이 주로 토목공사용 매설 자재로 사용 되는 본 발명의 제품은 기존의 제품과 대비하였을 때 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 표 1에서 본 발명의 섬유 보강 지오그리드와 비교예 1의 기존의 텍스타일 지오그리드는 광폭 인장강도(kN/m), 인장 변형률(%), 크리프 변형률(%)에서는 서로 비슷한 값을 보이고 있지만, 강도 감소율(%)은 기존의 비교예 1의 플라스틱 지오그리드가 본 발명의 섬유 보강 지오그리드 보다 큰 값을 보이고 있다.
강도 감소율(%)은 내시공성을 예측할 수 있는 값이므로, 강도 감소율이 높다는 것은 내시공성이 좋지 않다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 섬유 보강 지오그리드가 기존의 텍스타일 지오그리드에 비하여 내시공성이 우수하다는 것을 보여주고 있으며, 이것은 본 발명 제품이 기존의 텍스타일 지오그리드에 비하여 보강 섬유가 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 고분자 수지로 보호되어 있기 때문에 시공시 받게 되는 손상을 방지할 수 있으며, 암석이 많은 토양에서도 사용 가능하도록 시공성이 크게 향상되었기 때문이다.
둘째, 본 발명의 제품과 기존의 비교예 2의 플라스틱 지오그리드 제품을 비교해 보면, 광폭인장강도(kN/m), 강도 감소율(%)은 본 발명의 제품과 기존의 플라스틱 지오그리드 제품과 비슷한 특성을 보이고 있지만, 인장 변형률(%)과 크리프 변형률(%)에서 차이를 보이고 있다.
특히, 크리프 변형률(%)은 비교예 2가 실시예 보다 3배의 큰 값을 보이고 있다.
이것은 기존의 플라스틱 지오그리드가 본 발명의 지오그리드에 비해 크리프 변형률에 대한 저항성이 낮다는 것을 보여주고 있는데, 이것은 기존 플라스틱 지오그리드의 소재인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등은 분자구조 및 배열로 인해 크리프 변형률이 높기 때문에 기존 플라스틱 지오그리드의 크리프 변형률이 높게 나타났고, 본 발명의 섬유 보강 지오그리드는 크리프 변형률에 대한 저항성이 큰 섬유로 보강되어있기 때문에 크리프 변형률에 대한 저항성이 크게 향상되었다.
셋째, 지오그리드는 격자의 크기와 경·위 방향 리브(rib)수에 따라서 토양과의 마찰 또는 인발 저항 특성이 변화하게 된다.
참고로, 본 발명의 제품은 경방향의 물성에 의해 크게 결정되므로, 기존의텍스타일 지오그리드 혹은 플라스틱 지오그리드의 물성은 경방향의 물성만으로 비교하였다.
본 발명에 의한 지오그리드는 고분자 수지를 매트릭스로 하고 보강 섬유를 상기 수지와 함께 공압출하여 제조한 경사 및 위사 스트립을 격자형으로 접합시켜 제조한 것이므로 보강섬유에 의해 높은 인장강도, 낮은 인장 변형률, 낮은 크리프 변형 특성을 나타내며, 고분자 수지가 매트릭스를 형성하여 내시공성이 우수한 특성을 지니게 되어 각종 토목구조물에 보강재로 활용 할 수 있다.
또 본 발명은 경, 위 방향 섬유보강 스트립(12, 13)의 격자형태를 다양한 형태가 되도록 제조할 수 있으므로 토목 현장의 특성에 맞는 다양한 형태의 지오그리드를 제조 할 수 있다.
또 본 발명은 간단한 제조방법을 이용하여 연속공정으로 대량 생산 할 수 있으므로 저렴하게 지오그리드를 제조 할 수 있다.
Claims (18)
- 공압출다이에서 용융시킨 고분자 수지와 보강섬유를 공압출하여 경방향 섬유보강 고분자 스트립을 제조하는 단계와, 연속적으로 공압출하여 제조되는 상기 경방향 섬유 보강 고분자 스트립과 미리 제조된 또 다른 위방향 섬유 보강 고분자 스트립을 격자형으로 형성시키는 단계와, 상기 격자형의 경, 위 방향의 섬유 보강 고분자 스트립을 압착, 가열 시켜서 접착시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조방법.
- 제 1 항에서, 상기 경방향 섬유 보강 고분자 스트립의 한쪽 면에만 미리 제조된 또 다른 위방향 섬유보강 스트립을 공급하여 격자형으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조방법.
- 제 1 항에서, 상기 경방향 섬유 보강 고분자 스트립의 상, 하면에 미리 제조된 또 다른 두개의 위방향 섬유 보강 고분자 스트립을 공급하여 격자형으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드 제조방법.
- 제 1 항에서, 미리 제조된 위방향 섬유 보강 고분자 스트립을 진행시키면서 상, 하면에 각각 연속적으로 공압출하여 제조하는 2개의 경방향 섬유 보강 고분자 스트립을 공급하여 격자형으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자스트립을 이용한 지오그리드 제조 방법.
- 제 1 항에서 상기 고분자는 용융지수(MI)가 1 ~ 60g/10분인 폴리올레핀계 수지 또는 고유점도(IV)가 0.64 ~ 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드 (polyvinylchloride, PVC), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔(polybutadiene)으로 이루어지는 군에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어 상기 보강 섬유는 폴리에스테르 섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유로 구성되는 군에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 보강 섬유의 횡단면적의 합은 경방향 및 위방향스트립 전체 횡단면적의 20 ~ 80%인 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 연속적으로 공압출하여 제조되는 상기 섬유 보강 고분자스트립의 갯수가 10 ∼ 40개임을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 경방향 및 위방향 스트립은 폭 1 ~ 20mm, 두께 1 ~ 5mm인 사각형 혹은 지름이 1 ~ 10mm인 원형 형상의 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 경방향 스트립의 중심사이의 간격은 5 ~ 100mm이고 위방향 스트립의 중심 사이의 간격은 10 ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 위방향 스트립이 경방향 스트립에 대하여 80 ~ 100°의 각도를 이루도록 위방향 스트립으로부터 위방향이 공급되는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 제 1 항에 의해 제조되어지는 지오그리드의 폭이 1 ~ 5m인 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드의 제조 방법.
- 고분자 수지와 보강 섬유를 공압출하여 제조한 경방향 및 위방향 섬유보강 고분자 스트립을 격자형으로 접착시킨 것을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드.
- 제 13 항에서 상기 고분자 수지는 용융지수(MI)가 1 ~ 60g/10분인 폴리올레핀계 수지, 고유점도(IV)가 0.64 ~ 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔 (polybutadiene)로 이루어지는 군에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드.
- 제 13 항에서 상기 보강 섬유는 폴리에스테르 고강력사, 유리섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유로 이루어지는 군에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드.
- 제 13 항에서 상기 보강 섬유의 횡단면적의 합이 경, 위방향 섬유 보강 고분자 스트립 전체 횡단면적의 합의 20 ~ 80%인 것을 특징으로 하는 섬유보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드.
- 제 13 항에 있어서, 상기 경방향 및 위방향 섬유 보강 고분자 스트립은 폭 1~ 20 mm, 두께 1 ~ 5mm인 사각형 혹은 지름이 1 ~ 10mm인 원형 형상의 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드
- 제 13 항에 있어서 상기 경방향 스트립의 중심사이의 간격은 5 ~ 100mm이고 위방향 스트립의 중심 사이의 간격은 10 ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 섬유 보강 고분자 스트립을 이용한 지오그리드.
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