KR20130137196A - 고강도 및 고탄성 복합재 및 이를 사용하여 기재를 강화시키는 방법 - Google Patents

고강도 및 고탄성 복합재 및 이를 사용하여 기재를 강화시키는 방법 Download PDF

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KR20130137196A
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토마스 엘. 앳타드
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유니버시티 오브 테네시 리서치 파운데이션
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Abstract

개시된 보호대상의 다양한 실시양태에 따라, 복합재가 제공된다. 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 복합재는 고인성 섬유 강화된 중합체 직물, 및 이 중합체 직물의 하나 이상의 표면 상에서 형성된 폴리우레아 코팅 층을 포함한다. 상기 복합재는 상당한 강도, 가요성 및 에너지 소산을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 복합재는 구조적 기재 및 비구조적 기재를 강화시키는 데에 사용될 수 있다.

Description

고강도 및 고탄성 복합재 및 이를 사용하여 기재를 강화시키는 방법{HIGH STRENGTH AND HIGH ELASTICITY COMPOSITE MATERIALS AND METHODS OF REINFORCING SUBSTRATES WITH THE SAME}
관련 출원에 대한 교차참조
본원은 전체적으로 본원에 참고로 도입되는, 2010년 12월 6일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/420,159호의 이익을 주장한다.
저작권 표시
본 특허 문헌의 개시내용의 일부는 저작권 보호에 의해 보호될 자료를 함유한다. 저작권자는 특허 문헌 또는 특허 개시내용이 특허청 특허 파일 또는 기록에서 나타나는 경우 제3자에 의한 상기 특허 문헌 또는 특허 개시내용의 복제 재생산에 대해 반대하지 않으나, 그렇지 않은 경우에는 모든 저작권을 반드시 보유한다.
기술분야
개시된 보호대상(subject matter)은 고인성(high tenacity) 섬유 강화된 중합체 직물(fabric), 예컨대, 탄소 섬유 강화된 중합체, 및 상기 중합체 직물의 하나 이상의 표면 상에서 코팅된 폴리우레아 층을 포함하는 복합재에 관한 것이다. 또한, 개시된 보호대상은 기재, 예컨대, 목재, 콘크리트, 석조, 강재 또는 다른 구성요소를 상기 복합재로 강화시키는 것에 관한 것이다.
지진은 자연의 가장 치명적인 힘 중 하나로 남아 있다. 지진이 손상을 야기하는 한 방식은 지진이 지반 진동 및 지반 파열로 인해 건축물 및 다른 구조물에 발휘하는 응력이다. 손상은 건축물 및 다른 구조물이 사용될 수 없게 만들 수 있거나 최악의 경우 이들의 완전한 붕괴를 야기하여 종종 인간 상해 또는 사망을 초래할 수 있다. 예를 들면, 2010년 아이티 지진은 많은 가옥 및 의료 기반시설에 대한 상당한 손상 또는 파괴를 야기하여 170,000명 이상의 사상자를 발생시켰고 3백만명의 사람들에게 영향을 미쳤다.
나아가, 지진(예를 들면, 1906년 샌프란시스코 지진)은 종종 관련된 화재 재난(즉, "지진 후 화재" 재난)을 개시한다. 지진 관련 화재는 경제적 손실 및 최초 지진 사건과 관련된 생명의 손실에 상당히 기여할 수 있다. 샌안드레아스 단층 및 이의 다양한 자매 단층들을 따라 위치하는 북부 및 남부 캘리포니아의 지역들은 이들의 인구 및 기반시설 밀도로 인해 "지진 후 화재" 재난에 대한 일차 후보이다. 1906년 샌프란시스코 지진 및 화재와 동일한 규모의 "지진 후 화재" 재난으로부터 발생하는 현대 손상의 최근 모델링은 북부 캘리포니아의 거의 1,000만명의 체류자들이 경제적 요인, 사회적 요인 및 사망 요인에 의해 영향을 받을 것이라고 평가하였다. 총 경제적 손실은 약 1500억 달러일 것으로 평가되었다.
지진 및 다른 지진에 의한 사건 이외에, 구조 손상은 건축물 및 다른 구조물에 대한 응력을 발휘하는 다른 자연적 또는 비자연적 사건(예를 들면, 허리케인, 토네이도, 산사태, 갑작스런 홍수, 쓰나미, 및 전쟁 또는 테러로 인한 폭발을 포함함)에 의해 야기될 수도 있다. 나아가, 구조 손상은 특정 대재앙적 사건의 부재 하에서 조차도 일어날 수 있다. 예를 들면, 구조물에 대한 손상은 정기적인 장기간 사용, 환경적 요인에의 장기간 노출, 및/또는 증가하는 인구 수요로 인한 구조물의 증가된 사용 및/또는 하중에 의해 야기될 수 있다.
적어도 이들 이유들로 인해, 구조 부재, 예컨대, 콘크리트 판, 벽, 보(beam), 기둥 및 토대를 강화시키기 위한 다양한 방법들이 개발되었다. 예를 들면, 새로운 콘크리트 구조 부재 및 기존 콘크리트 구조 부재를 강화시키는 한 방법은 이들을 다양한 강재 형태, 예컨대, 강재 메쉬, 강재 강화 봉(bar) 및 강재 격자로 강화시키는 것이다. 그러나, 이들 구조 부재들을 강화시키는 데에 사용되는 강재 또는 다른 적합한 금속은 부식된다. 부식의 생성물은 콘크리트 구조물의 붕괴 및 악화를 야기할 수 있는 스폴링(spalling) 효과를 야기하는 강재 기둥의 팽창을 초래한다. 또한, 다른 내부식성 재료들이 고려되었지만, 이들 재료들은 다른 어려움, 예컨대, 박리(delamination), 보다 낮은 연성 또는 보다 높은 가격을 야기한다.
따라서, 종래기술의 이들 결함 및 다른 결함을 극복하는 고강도, 고감쇠 및/또는 고탄성 복합재를 제공하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 비틀림 및/또는 전단 및 인장 응력으로 인한 손상, 예컨대, 구조 가속도 및 변위 동안 발생할 손상에 대하여 구조물(예를 들면, 건축물 및 다른 기반시설)을 강화시키거나 이러한 손상 후 이들을 강화시키는 보호 시스템이 계속 필요하다. 또한, 화재 손상으로부터 건축물 및 다른 기반시설도 보호할 수 있고/있거나, 다른 추가적 보호, 예컨대, 자외선, 물 손상 및/또는 환경 오염물질로부터의 보호를 제공할 수 있고/있거나, 예를 들면, 강화된 구조물에서 난방 및/또는 냉방 비용을 감소시키는 절연 효과를 제공할 수 있는 재료가 필요하다.
발명의 개요
개시된 보호대상의 다양한 실시양태에 따라, 복합재가 제공된다. 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 복합재는 고인성 섬유 강화된 중합체 직물, 및 이 중합체 직물의 하나 이상의 표면 상에서 형성된 폴리우레아 코팅 층을 포함한다. 상기 복합재는 상당한 강도, 가요성, 점성 감쇠 및 에너지 소산을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 복합재는 추가 보호성, 예컨대, 내화성, UV 보호성 또는 내습성을 갖도록 형성될 수도 있다.
상기 복합재는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 복합재는 구조적 기재 및/또는 비구조적 기재를 강화시켜 이들을 (예를 들면, 지진 또는 바람 활동, 화재, 충격, 하중 및/또는 폭발력으로 인한) 손상으로부터 보호하는 데에 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합재는 기재의 하나 이상의 표면 상에서 상기 복합재를 형성함으로써(예를 들면, 전체 기재 둘레에 밀착 래핑되어 있거나(tightly wrapped) 기재 내의 크랙(crack) 상에서 형성되어 있음) 손상 후 구조적 기재 및/또는 구조적 비구조적 기재를 강화시키는 데에 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합재는 특정 보호성, 예컨대, UV 보호, 내화성, 내부식성, 내습성 및/또는 에너지 효율을 기재에 제공하는 데에 사용될 수 있다. 또 다른 적합한 예에서, 상기 복합재는 강도 및 강성도를 갖는 독립형 구조물로서 사용될 수 있고, 1종 이상의 보호성, 예컨대, UV 보호, 내화성, 내부식성, 내습성 및/또는 에너지 효율을 제공하면서 상당한 감쇠를 제공한다.
보다 구체적인 예에서, 상기 복합재는 에너지 소산 및 지속가능한 강도 성질을 경골 목재 건축물, 콘크리트 및 석재 구조물, 및/또는 강재 구조물에 제공하여 극도의 하중 사건(예를 들면, 지진; 또는 탄도 또는 폭발 하중을 수반하는 고충격 하중을 갖는, 인간에 의해 유도된 위험) 동안 입주자 생명을 구하고 기반시설을 보호하는 데에 사용될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 복합재는 안전성, 성능 및 연료 효율을 개선할, 차량 구성요소의 경량 설계를 위해 사용될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 개시된 보호대상은 고강도/고강성도 재료에 지속가능한 에너지 소산 및 연성을 겸비시킴으로써 구조 가속도 및 변위를 감소시키는 보호 시스템을 제공할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 이 보호 시스템은 기재의 외면 또는 표면 주위에 밀착 래핑되어 있거나 상기 외면 또는 표면에 층(ply)으로서 도포되어 있는(예를 들면, 부착되어 있는) 복합재를 포함함으로써 상기 복합재와 아래에 있는 기재 사이의 계면 상호작용을 지속시켜 지속가능한 탄성중합체 상태로 전이되는 점탄성 거동 성질을 제공할 수 있다. 상기 복합재는 극도의 하중 사건 동안, 예를 들면, 지진 동안 기재에 대한 구조 손상을 최소화하는 지속가능한 에너지 소산 및 큰 점성 유형 감쇠를 제공함으로써 에너지 방출 밸브로서 작용할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 복합재/기재 시스템은 점성 감쇠 비의 변화를 허용할 수 있다(예를 들면, 상기 복합재/기재 시스템은 기재 단독과 상이한 점성 감쇠 비를 갖는다).
개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따라, 기재; 상기 기재의 적어도 일부에 부착된 섬유 강화된 중합체 직물 층; 및 상기 섬유 강화된 중합체 직물 층의 노출된 표면 상에 형성된 폴리우레아 코팅 층을 포함하는 복합재가 제공된다.
몇몇 실시양태에서, 기재는 목재, 석재, 콘크리트, 강재 및 이들의 조합 중 하나이다.
몇몇 실시양태에서, 기재는 하나 이상의 손상된 부분을 갖고, 섬유 강화된 중합체 직물 층 및 폴리우레아 코팅 층은 상기 기재의 상기 하나 이상의 손상된 부분 상에서 형성된다.
몇몇 실시양태에서, 섬유 강화된 중합체 직물 층은 탄소 섬유 강화된 중합체 직물이다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 코팅 층은 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 섬유 강화된 중합체 직물 층의 노출된 표면에 도포함으로써 형성되고, 이때 상기 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액은 방향족 폴리우레아 코팅 층을 형성한다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 첨가제 성분을 추가로 포함하고, 이때 상기 첨가제 성분은 자외선(UV) 보호 첨가제, 난연제, 부식 보호 첨가제, 내습 첨가제 및 세라믹 마이크로구(microsphere) 중 하나 이상이다.
몇몇 실시양태에 따라, 기재를 제공하는 단계; 상기 기재의 적어도 일부에 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 부착시키는 단계; 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물의 노출된 표면에 포화제(saturant) 조성물을 도포하는 단계로서, 포화 조성물은 중합체 수지를 포함하는 것인 단계; 상기 포화제 조성물을 경화시켜 점착성 표면을 형성하는 단계; 상기 점착성 표면에 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 도포하는 단계; 및 상기 폴리우레아 형성 성분 용액을 경화시켜 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 단계를 포함하는, 기재를 강화시키는 방법이 제공된다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 프라이머 층을 기재의 표면에 도포하는 단계; 및 또 상기 프라이머 층에 다른 포화제 조성물을 도포하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 프라이머 층은 기재를 준비하고/하거나 층이 기재와 결합하는 것을 보조하는 데에 사용될 수 있다. 상기 포화제 조성물은 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 기재와 결합시키는 데에 사용될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 기재는 목재, 석재, 콘크리트, 강재 및 이들의 조합 중 하나이다.
몇몇 실시양태에서, 기재는 신축된 구조물 및 기존 구조물 중 하나에서 사용된다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 기재의 적어도 일부 상에서 표면 준비를 수행하는 단계를 추가로 포함하고, 이때 상기 표면 준비는 기재를 매끄럽게 하는 것, 기재의 하나 이상의 손상된 부분을 퍼티(putty) 물질로 충전시키는 것 및 기재를 세정하는 것 중 하나 이상을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물은 기재 둘레에 래핑된다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 이소시아네이트 성분 및 폴리아민 성분을 포함하고, 상기 방법은 상기 용액을 포화제의 점착성 표면에 도포하기 전에, 상기 이소시아네이트 성분과 상기 폴리아민 성분을 혼합하여 상기 폴리우레아 형성 성분 용액을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 폴리우레아 형성 성분 용액은 과량의 이소시아네이트 성분을 갖는다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 폴리우레아 형성 성분 용액을 점착성 표면 상에 분무하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 첨가제 성분을 폴리우레아 형성 성분 용액 내로 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 이때 상기 첨가제 성분은 자외선(UV) 보호 첨가제, 난연제, 부식 보호 첨가제, 내습 첨가제 및 세라믹 마이크로구 중 하나이다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 코팅 층은 일정한 두께를 갖고, 상기 방법은 상기 폴리우레아 코팅 층의 두께를 조절하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 고인성 섬유 강화된 직물 층 상의 포화제 조성물이 점착성을 띠게 되는 소정의 시간 후에 폴리우레아 형성 성분 용액을 도포하여 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 단계 및 상기 폴리우레아 코팅 층의 두께를 조절하는 단계를 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 소정의 시간은 약 2시간 내지 약 5시간이다.
몇몇 실시양태에서, 포화제 조성물은 제1 시간 동안 경화되고, 이때 폴리우레아 형성 성분 용액은 제2 시간 동안 경화되고, 상기 방법은 상기 제1 시간 및 상기 제2 시간을 변경하여 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 상의 폴리우레아 코팅 층의 물성을 수득하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액의 제1 성분 및 고인성 섬유 강화된 중합체 직물에 도포된 포화제 조성물의 점착성 표면의 제2 성분은 상호작용하여 상기 폴리우레아 코팅 층과 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 사이에 지속가능한 계면을 형성한다.
몇몇 실시양태에서, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 제공하는 단계, 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물의 표면에 포화제 조성물을 도포하는 단계로서, 포화제 조성물은 중합체 수지를 포함하는 것인 단계, 상기 포화제 조성물을 경화시켜 점착성 표면을 형성하는 단계, 상기 점착성 표면에 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 도포하는 단계 및 상기 폴리우레아 형성 성분 용액을 경화시켜 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 상에 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 단계를 포함하는, 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 형성하는 과정; 상기 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 기재 상에 위치시키기 전에 강화될 기재의 적어도 일부를 준비하는 과정; 및 상기 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 상기 기재의 적어도 손상된 부분에 부착시키는 과정을 포함하는, 손상된 부분을 갖는 기재를 강화시키는 방법이 제공된다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 퍼티 물질을, 손상된 부분을 갖는 기재에 도포하여 상기 기재 상에서 매끄러운 표면을 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 또 다른 포화제 조성물을 기재와 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 사이의 계면에 도포하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 기재의 손상된 부분의 평가에 적어도 부분적으로 기초한 두께의 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 고인성 섬유 강화된 직물 층 상의 포화제 조성물이 점착성을 띠게 되는 소정의 시간 후에 기재의 손상된 부분의 평가에 적어도 부분적으로 기초한 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액의 적어도 제1 성분 및 고인성 섬유 강화된 중합체 직물에 도포된 포화제 조성물의 점착성 표면의 제2 성분은 상호작용하여 폴리우레아 코팅 층과 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 사이에 지속가능한 계면을 형성한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 방법은 다수의 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 형성하는 단계 및 다수의 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 각각을 기재의 상이한 부분에 부착시키는 단계를 추가로 포함한다.
도 1은 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따라 기재의 표면 상에서 형성된 적어도 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 층 및 폴리우레아 코팅 층을 갖는 복합재의 예시적 횡단면도이다.
도 2는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따라 기재의 표면 상에서 적어도 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 층 및 폴리우레아 코팅 층을 갖는 복합재를 형성하는 공정의 실례이다.
도 3은 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따라 적어도 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 층 및 폴리우레아 코팅 층을 갖는 복합재로 기재(예를 들면, 손상된 기재)를 보강하는 공정의 실례이다.
도 4는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물의 성질을, 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물의 성질과 비교하는 인장력 대 축 변위의 예시적 그래프이다.
도 5는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로 래핑된 목재 막대의 비틀림 성질을, 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 복합재로 래핑된 목재 막대의 비틀림 성질과 비교하는 회전력(torque) 대 비틀림 각도의 예시적 그래프이다.
도 6a는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 다양한 목재 기재에 대해 수행된 목재 보 굽힘 연구의 결과를 보여주는 예시적 힘-휨 그래프이다.
도 6b는 도 6a에 제시된 결과를 제공하는 시험 동안 시험 장치 및 복합재로 래핑된 목재 보의 예시적 이미지이다.
도 6c는 도 6b에 제시된 시험 장치를 이용한 시험 후 복합재로 래핑된 목재 보의 예시적 이미지이다.
도 7은 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따라 강화된 중합체 직물 층 및 폴리우레아 코팅 층(1/8 인치 두께)을 갖는 복합재로 래핑된 목재 보 기재에 대한 목재 보 굽힘 연구의 결과를 보여주는 예시적 힘-휨 그래프이다.
도 8은 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 다양한 목재 기재들의 변형률 성능 및 탄성중합체 유동을 보여주는 예시적 그래프이다.
도 9는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 다양한 목재 기재들에 대한 하중-휨 곡선을 보여주는 예시적 그래프이다.
도 10a는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 복합재로 래핑된 이층 목재 구조물의 모의실험된 가속도-시간 이력의 그래프이다.
도 10b는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 복합재 없이 래핑된 이층 목재 구조물의 모의실험된 가속도-시간 이력의 그래프이다.
도 10c는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따라 지진과 유사한 힘을 받은 도 10a 및 10b의 2층 목재 구조물의 예시적 이력현상 곡선이다.
도 11a는 손상된 기재를 준비하고 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 복합재로 상기 손상된 기재를 보강하는 예시적 이미지를 보여준다.
도 11b는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 보강된 기재의 예시적 횡단면을 보여준다.
도 11c는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 다양한 보강된 강재 강화된 콘크리트 복합재 보의 예시적 하중-휨 곡선을 보여준다.
도 12a는 손상된 전단 벽 기재를 준비하고 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로 상기 손상된 전단 벽 기재를 보강하는 예시적 이미지를 보여준다.
도 12b는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 다양한 보강된 전단 벽 기재의 예시적 힘-휨 곡선을 보여준다.
도 12c는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 복합재로 보강된 손상된 전단 벽 기재에 대한 연성, 횡구속(confinement) 및 압축 강도의 증가를 예시하는 이미지를 보여준다.
도 13a는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물을 갖는 발포체 코어(foam core) 기재와 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 갖는 발포체 코어 기재 사이의 충격 시험의 결과를 예시하는 이미지를 보여준다.
도 13b는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물을 갖는 발포체 코어 기재 및 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 갖는 발포체 코어 기재의 충격 시험 동안 예시적 힘 대 변위 그래프를 보여준다.
도 14a는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물을 갖는 얇은 강재 보 기재 및 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 갖는 얇은 강재 보 기재의 점성 감쇠 성질을 보여준다.
도 14b는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물을 갖는 얇은 강재 보 기재 및 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 갖는 얇은 강재 보 기재의 전력 스펙트럼 및 모델 성질을 보여준다.
도 15a는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 갖는 얇은 강재 보에 대한 폴리우레아 코팅 층의 두께의 함수로서 감쇠 비를 보여주고, 이때 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 갖는 얇은 강재 보의 감쇠 비는 얇은 강재 보, 및 탄소 섬유 강화된 중합체 직물을 갖는 얇은 강재 보의 감쇠 비와 비교된다.
도 15b는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 갖는 얇은 강재 보의 경화 시간의 함수로서 감쇠 비를 보여준다.
도 15c는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 자체에 대한 폴리우레아 코팅 층의 두께의 함수로서 감쇠 비를 보여주고, 이때 상기 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재의 감쇠 비는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물의 감쇠 비와 비교된다.
도 15d는 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 자체에 대한 경화 시간의 함수로서 감쇠 비를 보여준다.
개시된 보호대상은 대표적 실시양태가 제시되어 있는 첨부된 실시예 및 도면과 관련하여 지금부터 이하에서 보다 완전히 기재될 것이다. 그러나, 본원의 개시된 보호대상은 상이한 형태로 구현될 수 있고 본원에 기술된 실시양태로 한정되는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시양태는 본 개시내용이 철저하고 완전하도록 제공되고 당분야에서 숙련된 자에게 실시양태의 범위를 완전히 전달할 것이다.
본 명세서 및 특허청구범위 전체에서 주어진 화학식 및 화학명은 모든 광학 이성질체들 및 입체이성질체뿐만 아니라 라세미체 혼합물(이러한 이성질체들 및 혼합물이 존재하는 경우)도 포괄할 것이다.
정의
하기 용어들은 당분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 잘 이해될 것으로 생각되지만, 하기 정의는 개시된 보호대상의 설명을 용이하게 하기 위해 기술된다.
달리 정의되어 있지 않은 한, 본원에서 사용된 모든 기술 용어들 및 과학 용어들은 본원의 개시된 보호대상이 속하는 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 통상적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기술된 방법, 장치 및 물질과 유사하거나 동등한 임의의 방법, 장치 및 물질이 본원의 개시된 보호대상의 실시 또는 시험에서 사용될 수 있지만, 대표적 방법, 장치 및 물질이 지금부터 기술된다.
오래된 특허법 약정에 따라, 용어 "한", "하나" 및 "상기"는 특허청구범위를 포함하는 본원에서 사용될 때 "하나 이상"을 지칭한다. 따라서, 예를 들면, "하나의 첨가제"에 대한 언급은 다수의 이러한 첨가제들 등을 포함한다.
달리 표시되어 있지 않은 한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 크기, 양, 연신 백분율, 인장 강도, 반응 조건 등의 양을 표현하는 모든 수치들은 모든 경우에서 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되어 있지 않은 한, 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기술된 수치 파라미터는 본원의 개시된 보호대상에 의해 수득되고자 하는 원하는 성질에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 크기, 중량, 농도, 시간 또는 백분율의 값 또는 양을 지칭할 때 용어 "약"은 몇몇 실시양태에서 특정된 양으로부터 ±20%의 편차, 몇몇 실시양태에서 특정된 양으로부터 ±10%의 편차, 몇몇 실시양태에서 특정된 양으로부터 ±5%의 편차, 몇몇 실시양태에서 특정된 양으로부터 ±1%의 편차, 몇몇 실시양태에서 특정된 양으로부터 ±0.1%의 편차를 포괄하기 위한 것인데, 이는 이러한 편차가 개시된 방법을 수행하는 데에 있어서 적절하기 때문이다.
2종 이상의 활성, 조건 또는 결과를 기술하는 데에 사용될 때 용어 "및/또는"은 나열된 조건들 둘다가 포함되는 경우 또는 2종의 나열된 조건들 중 하나만이 포함되는 경우를 지칭한다.
"포괄하는", "함유하는" 또는 "을 특징으로 하는"과 동의어인 용어 "포함하는"은 포괄적이거나 제한이 없고 추가 비언급된 부재 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. "포함하는"은 명시된 부재가 필수적이지만 다른 부재가 추가될 수 있고 여전히 본 발명의 범위 내의 건축물을 형성할 수 있다는 것을 의미하는, 특허청구범위 표현에서 사용되는 기술 용어이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 어구 "로 구성된"은 특허청구범위에서 특정되어 있지 않은 임의의 부재, 단계 또는 성분을 배제한다. 어구 "로 구성된다"가 서문 직후보다는 오히려 특허청구범위의 본문의 절에 기재되어 있는 경우, 상기 어구는 해당 절에 기술된 부재만을 한정하고, 다른 부재는 전체로서 특허청구범위로부터 배제되지 않는다.
본원에서 사용된 바와 같이, 어구 "본질적으로 . . .로 구성된"은 특허청구범위를 특정된 물질 또는 단계, 및 청구된 보호대상의 기본 및 신규 특징(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는 물질 또는 단계로 한정한다.
용어 "포함하는", "로 구성된" 및 "본질적으로 . . .로 구성된"과 관련하여, 이들 3개의 용어들 중 하나가 본원에서 사용되는 경우, 본원에서 개시되고 청구된 보호대상은 다른 2개의 용어들 중 어느 하나의 사용을 포함할 수 있다.
용어 "섬유"는 일반적으로 폭 및 두께의 횡단 치수보다 훨씬 더 큰 길이 치수를 갖는 연신된 물체를 지칭한다. 용어 섬유는 규칙적인 또는 불규칙적인 횡단면을 갖는 제작된 또는 천연 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 리본, 스트립, 스테이플 및 다른 형태의 잘려진, 절단된 또는 불연속 섬유 등을 포함한다. 용어 "섬유"는 다수의 임의의 상기 물질들 또는 이들의 조합을 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 섬유의 횡단면은 원형, 평면형 또는 장방형일 수 있다. 이들은 섬유의 직선 또는 세로 축으로부터 돌출되어 있는 하나 이상의 규칙적인 또는 불규칙적인 엽(lobe)을 갖는 불규칙적인 또는 규칙적인 다중엽 횡단면일 수 있다.
고인성 섬유는 높은 최종 인장 강도 및 높은 탄성률(예를 들면, 높은 영률 또는 인장률)을 갖는 섬유이다. 고인성 섬유는 고도로 배향된 고분자량 폴리올레핀 섬유, 특히 고탄성률 폴리에틸렌 섬유 및 폴리프로필렌 섬유; 아라미드 섬유; 폴리벤즈아졸 섬유, 예컨대, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 및 폴리벤조티아졸(PBT); 폴리비닐 알코올 섬유; 폴리아크릴로니트릴 섬유; 액정 코폴리에스테르 섬유; 유리 섬유; 탄소 섬유; 현무암 또는 다른 광물 섬유; 강성 막대 중합체 섬유; 및 이들의 혼합물 및 블렌드를 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 몇몇 실시양태에서, 고인성 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유(예를 들면, e-유리 또는 s-유리), 아라미드(예를 들면, 메타-아라미드 또는 파라-아라미드), 액정 코폴리에스테르 섬유, 현무암 섬유 또는 이들의 조합이다.
고인성 섬유를 포함하는 직물은 직포, 편포 또는 부직포 형태의 섬유의 네트워크를 포함할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 직물 내의 섬유의 50 중량% 이상이 고인성 섬유이다. 몇몇 실시양태에서, 직물 내의 섬유의 약 75 중량% 이상이 고인성 섬유이다. 몇몇 실시양태에서, 직물 내의 실질적으로 모든 섬유가 고인성 섬유이다.
본원의 개시된 보호대상의 직물은 하나 이상의 상이한 고인성 섬유들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 직물 내의 방적사는 본질적으로 평행하게 정렬되어 있을 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 방적사는 비틀려져 있을 수 있거나, 래핑되어 있을 수 있거나, 또는 얽혀있을 수 있다. 본원의 개시된 보호대상의 직물은 날실 및 씨실 방향으로 또는 다른 방향으로 상이한 섬유들을 갖는 방적사로 직조될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "단량체"는 중합되어 올리고머 또는 중합체의 필수 구조에 구성 유닛(즉, 원자 또는 원자 군)을 제공할 수 있는 분자를 지칭한다.
"올리고머"는 중간 상대적 분자 질량의 분자를 지칭하고, 이의 구조는 보다 낮은 상대적 분자 질량의 분자로부터 유도된 소수의 유닛(예를 들면, 약 2개 내지 약 10개의 반복 유닛)을 포함한다.
"중합체"는 보다 작은 분자(예를 들면, 단량체 또는 올리고머)로부터 유도된 다수의 반복 유닛을 포함하는 분자를 지칭한다. 몇몇 실시양태에서, 중합체는 10개 초과의 반복 유닛, 25개 초과의 반복 유닛, 50개 초과의 반복 유닛 또는 100개 초과의 반복 유닛을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 중합체는 1,000개 초과, 5,000개 초과, 10,000개 초과, 50,000개 초과, 100,000개 초과 또는 250,000개 초과의 반복 유닛을 가질 수 있다.
"공중합체"는 1종 초과의 단량체로부터 유도된 중합체를 의미한다.
용어 "예비중합체(prepolymer)"는 반응하여 보다 큰(예를 들면, 보다 높은 분자량) 중합체 또는 공중합체를 형성할 수 있는 반응성 말단 기(예를 들면, 에폭시, 에스테르, 카복실산(또는 카복실레이트), 하이드록실, 비닐 또는 아민 기)를 갖는 단량체, 올리고머 또는 단쇄 중합체를 지칭한다. 몇몇 실시양태에서, "단쇄 중합체"는 1,000개 이하의 반복 유닛(예를 들면, 1,000개, 750개, 500개, 400개, 300개, 200개, 150개, 100개, 75개, 60개, 50개, 40개 또는 30개 이하의 반복 유닛)을 갖는 중합체를 지칭한다. 몇몇 실시양태에서, 단쇄 중합체는 10,000 g/몰 미만(예를 들면, 10,000 g/몰, 7,500 g/몰, 5,000 g/몰, 4,000 g/몰, 3,000 g/몰, 2,000 g/몰 또는 1,000 g/몰 미만)의 분자량을 갖는다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "수지" 또는 "중합체 수지"는 중합에 의해 경화될 수 있는 하나 이상의 중합체, 올리고머 또는 단량체 물질을 포함하는 조성물을 지칭한다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 수지는 중합되어 고체를 형성할 수 있는 점성 액체 조성물이다. 적합한 수지는 에폭시 수지, 비닐 에스테르 수지, 폴리에스테르 수지 및 메틸메타크릴레이트 수지를 포함하나 이들로 한정되지 않는다.
수지의 경화(또는 추가 중합)는 "경화"로도 지칭될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 경화는 중합 개시제, 예를 들면, 유기 과산화물을 필요로 한다. 몇몇 실시양태에서, 경화 수준은 시간 및 온도에 의존한다. 몇몇 실시양태에서, "경화"는 부분적 경화, 예를 들면, 수지의 추가 중합이 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90% 완료까지 진행되게 하는(즉, 경화 전에 수지에 존재하는 중합가능한 기의 백분율에 비해 약 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20% 또는 약 10%의 비반응된 중합가능한 기가 남아 있게 하는) 경화를 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "점착성"은 부분적으로 경화된 수지, 예를 들, 원래 수지의 중합 중 일부 수준의 중합이 일어나되 이용가능한 비반응된 중합가능한 기가 여전히 존재하는 수지 또는 포화제를 지칭한다.
용어 "폴리우레아"는 다수의 우레아 결합(즉, 화학식 -NR-C(=O)-NR-(이때, R은 H, 알킬 또는 아릴임)을 갖는 결합)을 포함하는 중합체를 지칭한다. 폴리우레아는 이소시아네이트-종결된 예비중합체와 아민 함유 성분(예를 들면, 아민-종결된 중합체 수지, 아민-종결된 올리고머 또는 아민 함유 단량체)의 반응에 의해 형성될 수 있다.
용어 "이소시아네이트"는 -N=C=O 기를 지칭한다.
용어 "아민"은 R' 및 R"가 독립적으로 H, 알킬 또는 아릴인 -NR'R" 기를 지칭한다. "일차 아민"은 R' 및 R"가 H인 화합물이다. "이차 아민"은 R' 및 R" 중 하나가 H이고 나머지가 알킬 또는 아릴인 화합물이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "알킬"은 예를 들면, 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, tert-부틸, 펜틸, 헥실, 옥틸, 에테닐, 프로페닐, 부테닐, 펜테닐, 헥세닐, 옥테닐, 부타다이에닐, 프로피닐, 부티닐, 펜티닐, 헥시닐, 헵티닐 및 알레닐 기를 포함하는 C1-20 선형(즉, "직쇄"), 분지형 또는 환형의 포화된 또는 적어도 부분적으로 포화된(몇몇 경우 전체적으로 불포화된(즉, 알케닐 및 알키닐)) 탄화수소 쇄를 지칭한다. "분지형"은 저급 알킬 기, 예컨대, 메틸, 에틸 또는 프로필이 선형 알킬 쇄에 부착되어 있는 알킬 기를 지칭한다. "저급 알킬"은 1개 내지 약 8개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기(즉, C1-8 알킬), 예를 들면, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기를 지칭한다. "고급 알킬"은 약 10개 내지 약 20개의 탄소 원자, 예를 들면, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개 또는 20개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기를 지칭한다. 일부 실시양태에서, "알킬"은 특히, C1-8 직쇄 알킬을 지칭한다. 다른 실시양태에서, "알킬"은 특히, C1-8 분지쇄 알킬을 지칭한다.
알킬 기는 임의적으로 동일하거나 상이할 수 있는 하나 이상의 알킬 기 치환기로 치환될 수 있다. 용어 "알킬 기 치환기"는 알킬, 할로, 아릴아미노, 아실, 하이드록실, 아릴옥실, 알콕실, 알킬티오, 아릴티오, 아르알킬옥실, 아르알킬티오, 카복실, 알콕시카보닐, 옥소 및 사이클로알킬을 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 임의적으로 알킬 쇄를 따라 하나 이상의 산소, 황, 또는 치환된 또는 비치환된 질소 원자가 삽입될 수 있고, 이때 질소 치환기는 수소, 저급 알킬(본원에서 "알킬아미노알킬"로서도 지칭됨) 또는 아릴이다.
용어 "아릴"은 단일 방향족 고리일 수 있거나, 또는 함께 융합되어 있거나, 공유연결되어 있거나 공통의 기, 예컨대, 메틸렌 또는 에틸렌 잔기에 연결되어 있는 다중 방향족 고리일 수 있는 방향족 치환기를 지칭하기 위해 본원에서 사용된다. 상기 공통의 연결기는 벤조페논에서와 같은 카보닐, 디페닐에테르에서와 같은 산소, 또는 디페닐아민에서와 같은 질소일 수도 있다. 방향족 고리(들)는 특히, 페닐, 나프틸, 비페닐, 디페닐에테르, 디페닐아민 및 벤조페논을 포함할 수 있다. 구체적인 실시양태에서, 용어 "아릴"은 5원 및 6원 탄화수소 및 헤테로환형 방향족 고리를 포함하는, 약 5개 내지 약 10개의 탄소 원자를 포함하는 환형 방향족을 의미한다.
아릴 기는 임의적으로 동일하거나 상이할 수 있는 하나 이상의 아릴 기 치환기로 치환될 수 있고, 이때 "아릴 기 치환기"는 알킬, 아릴, 아르알킬, 하이드록시, 알콕실, 아릴옥시, 아르알콕실, 카복시, 아실, 할로, 니트로, 알콕시카보닐, 아릴옥시카보닐, 아르알콕시카보닐, 아실옥실, 아실아미노, 아로일아미노, 카바모일, 알킬카바모일, 디알킬카바모일, 아릴티오, 알킬티오, 알킬렌 및 -NR'R"를 포함하고, 이때 R' 및 R"는 각각 독립적으로 수소, 알킬, 아릴 및 아르알킬일 수 있다.
아릴 기의 구체적 예로는 사이클로펜타디에닐, 페닐, 푸란, 티오펜, 피롤, 피란, 피리딘, 이미다졸, 이소티아졸, 이속사졸, 피라졸, 피라진, 피리미딘 등이 있으나 이들로 한정되지 않는다.
용어 "마이크로구"는 약 1,000 마이크론 미만의 하나 이상의 치수를 갖는 입자를 지칭한다. 몇몇 실시양태(그러나, 모든 실시양태는 아님)에서, 마이크로구는 본질적으로 구형이고 약 1,000 마이크론, 750 마이크론, 500 마이크론, 400 마이크론, 300 마이크론, 200 마이크론, 100 마이크론, 75 마이크론, 50 마이크론, 25 마이크론, 10 마이크론, 5 마이크론 또는 1 마이크론 미만의 직경을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 마이크로구는 불규칙한 형태를 가질 수 있거나 막대 유사 형태, 원반 형태 또는 입방체 형태를 가질 수 있다.
일반적 고려사항
일반적으로 말하자면, 개시된 보호대상은 고인성 섬유 강화된 중합체 직물, 및 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 상에서 형성된 폴리우레아 코팅 층을 포함하는 복합재를 제공한다. 상기 복합재는 임의의 적합한 기재(예를 들면, 목재, 강화된 콘크리트, 강재, 임의의 다른 적합한 기재, 및/또는 이들의 임의의 조합물) 상에서 형성될 수 있다. 상기 복합재는 이 복합재와 기저 기재 사이의 지속가능한 계면 상호작용을 통해 점탄성 거동 성질을 통합시키는 재료를 제공한다.
상기 복합재는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 복합재는 구조적 기재 및/또는 비구조적 기재를 강화시켜 이들을 (예를 들면, 지진 활동, 화재, 충격, 하중 및/또는 폭발력으로 인한) 손상으로부터 보호하는 데에 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합재는 기재의 하나 이상의 표면 상에서 상기 복합재를 형성함으로써(예를 들면, 전체 기재 둘레에 밀착 래핑되어 있거나 기재 내의 크랙 상에서 형성되어 있음) 손상 후 구조적 기재 및/또는 비구조적 기재를 강화시키는 데에 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합재는 특정 보호성, 예컨대, UV 보호, 내화성, 내부식성, 내습성 및/또는 에너지 효율을 기재에 제공하는 데에 사용될 수 있다.
보다 구체적인 실시양태에서, 개시된 보호대상은 고강도/고강성도 재료에 지속가능한 에너지 소산 및 연성을 겸비시킴으로써 구조 가속도 및 변위를 감소시키는 보호 시스템을 제공할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 이 보호 시스템은 기재의 외면 또는 표면 둘레에 밀착 래핑되어 있거나 상기 외면 또는 표면에 층으로서 도포되어 있는(예를 들면, 부착되어 있는) 복합재를 포함함으로써 상기 복합재와 기저 기재 사이의 계면 상호작용을 지속시켜 지속가능한 탄성중합체 상태로 전이되는 점탄성 거동 성질을 제공할 수 있다. 상기 복합재는 극도의 하중 사건 동안, 예를 들면, 지진 동안 기재에 대한 구조 손상을 최소화하는 지속가능한 에너지 소산 및 큰 점성 유형 감쇠를 제공함으로써 에너지 방출 밸브로서 작용할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 복합재/기재 시스템은 점성 감쇠 비의 변화를 허용할 수 있다(예를 들면, 상기 복합재/기재 시스템은 기재 단독과 상이한 점성 감쇠 비를 갖는다).
또 다른 적합한 실시양태에서, 개시된 보호대상의 복합재는 고강도 및 고강성도를 갖는 독립형 구조물을 구축하는 데에 사용될 수 있고 상당한 감쇠를 제공한다. 또한, 상기 복합재는 1종 이상의 보호성, 예컨대, UV 보호, 내화성, 내부식성, 내습성 및/또는 에너지 효율을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 복합재는 특히, 자동차 부품, 운동 용품 장치 및 자전거 프레임을 제작하는 데에 사용될 수 있다. 보다 구체적인 예에서, 이들 부품 또는 구조물 각각은 바람직한 성질 세트, 예컨대, 소정의 백분율보다 더 큰 감쇠 비를 가질 수 있다. 하기 설명된 바와 같이, 상기 복합재는 경화 시간을 변경하고/하거나 폴리우레아 코팅 층의 두께를 변경하여 특정 성질을 달성함으로써 변경될 수 있다.
본원에 기술된 바와 같이, 상기 복합재는 고인성 섬유 강화된 중합체(FRP)의 층, 및 상기 고인성 섬유 강화된 중합체의 층 상에서 형성된 탄성중합체 폴리우레아의 층을 포함할 수 있다. 보다 구체적인 실시양태에서, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물은 제1 포화제 조성물의 사용을 통해 기재에 부착될 수 있고, 제2 포화제는 고인성 섬유 강화된 중합체 직물의 노출된 표면에 도포될 수 있고 점착성 표면을 형성할 때까지 경화될 수 있고, 탄성중합체 폴리우레아는 상기 점착성 표면 상에서 형성될 수 있다. 폴리우레아 코팅 층의 사용은 상대적으로 딱딱하고 깨지기 쉬운 FRP 단독에 비해 복합재에서 연성 및 에너지 소산을 약 100%까지 증가시킬 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 상기 복합재의 성질은 시간 관련(tc) 및 부피 분율(hp) 중합체 성질의 함수로서 기재될 수 있다. 예를 들면, 복합재의 제조에 있어서 시간 관련 계수(예를 들면, 폴리우레아 층의 전구체와 FRP의 중합체의 전구체의 반응과 관련된 시간 계수)는 전체로서 FRP 및/또는 복합재의 점성 및/또는 연신 백분율에 영향을 미침으로써, 생성된 하중 지지 복합재의 강도가 큰 변형에서 지속될 수 있게 할 수 있다.
예를 들면, 본원에 기술된 바와 같이, 개시된 복합재, 및 복합재로 래핑된 목재 틀 구조물의 연구는 기재를 본원에 개시된 복합재로 래핑하는 것이 기재를 상승작용적으로 횡구속할 수 있고 예를 들면, 래핑된 목재 틀 구조물의 토대와 그 구조물의 지붕 사이에 연속적인 하중 경로를 제공할 수 있다. 나아가, 개별 복합재 랩 구성요소들 사이에 또는 랩과 목재 틀 기재 사이에 탈착이 나타나지 않았다. 따라서, 외면 복합재 밀착 랩(tight-wrap)과 틀 사이의 상호작용 또는 상승작용은 예를 들면, 전통적인 목재 구조물에서 전형적으로 사용되는 패스너를 통한 외면 목재 피복 격막과 틀의 상호작용을 대체하는 데에 사용될 수 있다. 큰 점성 유형 감쇠의 통합은 지반 움직임 동안 틀로부터 잡아당겨질 수 있거나 끌어당겨질 수 있는 전단 벽 패스너의 이력 감쇠, 또는 통상적으로 전통적인 목재 구조물에서 구조 구성요소 및 비구조 구성요소에 의해 제공되는 최소한의 점성 감쇠에 대한 의존을 방지할 수 있다.
또 다른 예에서, 본원에 기술된 바와 같이, 개시된 복합재는 강화된 콘크리트 보, 전단 벽 및 다른 구조물에 적용될 수 있다. 보다 구체적으로, 구조물 또는 구조 부재는 복합재로 보강될 수 있다. 시험 후 하중 성능이 그의 피크 값의 대략 40%까지 떨어질 정도로 다수의 크랙을 갖는 손상된 구조 부재는 복합재로 보강될 수 있다. 손상된 구조 부재의 부분 상에서 복합재를 형성하였을 때, 강화된 구조 부재는 그의 원래의 하중 성능을 회복하였고 상기 구조 부재의 연성의 상당한 증가를 제공받았다. 구조 부재 상에서 형성된 복합재의 연성은 상기 구조 부재가 큰 변형을 견뎌낼 수 있게 한다. 즉, 크랙의 형성 후 에너지가 용이하게 소산되어 새로운 크랙 표면의 형성을 억제할 수 있고 추가 손상이 일어나는 것을 억제할 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 기재 둘레에 래핑된 복합재는 강도, 강성도 및 점성의 증가를 통해 래핑된 기재에서의 가속도 및 탄성 변위를 그들의 피크 하중 응력까지 감소시킬 수 있다. 극도의 하중 동안, 비래핑된 기재가 그의 최대 강도를 초과하여 비탄성적으로 하중을 받을 경우, 복합재 랩은 몇몇 실시양태에서 점성 감쇠 기작을 유도하여 (안정한 크랙 에너지 방출을 유발함으로써) 크랙 기재 성장을 안정화시키고 변형 에너지를 소산시켜 래핑된 기재가 고도의 강도를 유지하게 함으로써 손상의 최소화를 돕는 "지속가능한 음의 강성도"를 제공할 수 있다. 래핑된 기재의 점탄성 거동의 모델은 예를 들면, 연속체 역학 이론에 근거하여 만들어진 기존 비선형 구성 재료 모델에 기초하여 개발될 수 있다. 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 도입되는 문헌(Attard, T.L. et al., J. of Eng. Mechanics, ASCE, 134(10), 881 (2008))을 참조하다.
복합재
몇몇 실시양태에서, 개시된 보호대상은 하나 이상의 표면 상에서 탄성중합체 폴리우레아를 포함하는 코팅 층으로 코팅된 직물을 포함하는 복합재를 제공하고, 이때 상기 직물은 중합체 매트릭스에 의해 강화된 고인성 섬유(종종 본원에서 섬유 강화된 중합체(FRP) 직물로서 지칭됨)이다. 상기 복합재는 종종 본원에서 카본플렉스(CarbonFlex)로서 지칭된다.
도 1을 참조하건대, 개시된 보호대상의 몇몇 실시양태에 따른 복합재로 강화된 기재 표면의 횡단면이 제공된다. 도 1의 횡단면에서 제시된 바와 같이, 기재(100)가 제공될 수 있다. 본원에 일반적으로 기술된 바와 같이, 기재(100)는 임의의 적합한 재료, 예컨대, 목재, 석재(예를 들면, 벽돌, 돌, 치장벽토, 타일), 콘크리트(강재 또는 다른 금속으로 강화된 콘크리트를 포함함), 강재 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.
복합재는 기재 없이 형성될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 즉, 복합재는 독립형 구조물을 구축하는 데에 사용될 수 있다. 대안적으로, 복합재는 기재 없이 형성될 수 있고, 나중에 기재에 부착될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 기재(100)는 손상될 수 있고 기재(100)의 표면에서 크랙, 구덩이(pit), 깨진 파편(chip) 및/또는 홈(groove)을 포함할 수 있다. 균일하고/하거나 매끄러운 표면을 제공하기 위해, 기재(100)를 퍼티 물질을 사용하여 준비할 수 있다. 도 1에서 제시된 바와 같이, 퍼티 물질(105)을 도포하여 복합재로 강화시킬 매끄러운 표면을 제공하였다. 대안적으로, 임의의 적합한 절차를 수행하여 기재(100)를 준비할 수 있다. 예를 들면, 분사 가공을 수행하여 기재(100)의 표면으로부터 느슨한 물질을 제거할 수 있다. 또 다른 예에서, 에폭시 수지 및/또는 시멘트성 모르타르(mortar)를 도포하여 기재(100)의 표면의 일부를 회복할 수 있다.
기재(100)에 도포된 퍼티 물질(105)은 신축된 구조물 또는 일반적으로 손상되지 않은 기재를 위해 사용될 수 없다는 것이 인지되어야 한다.
몇몇 실시양태에서, 기재(100)(및 이의 준비된 표면)는 프라이머(110) 및 제1 포화제 조성물(120)과 접촉될 수 있다. 프라이머(110)는 고인성 섬유 강화된 중합체 직물(130)(예를 들면, 경화, 예를 들면, 제1 포화제 조성물(120)의 경화에 의해 형성된 중합체 매트릭스를 갖는 고인성 섬유 직물)의 한 면과 접촉될 수도 있다. 섬유 강화된 중합체 직물(104)의 부착은 직물(130)에서 중합체 매트릭스의 경화 동안 프라이머(110), 포화제 조성물(120) 및/또는 섬유 강화된 중합체 직물(130)의 중합체 성분들 사이에 상호작용 또는 결합(예를 들면, 공유결합)이 일어나도록 수행될 수 있다. 예를 들면, 프라이머(110) 및/또는 제1 포화제 조성물(120)은 고인성 섬유 강화된 중합체 직물(130)과 기재(100)의 결합을 개선할 수 있다. 또 다른 예에서, 프라이머(110)는 제1 포화제 조성물(120)과 기재(100)의 결합을 개선할 수 있다. 또 다른 예에서, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물(130)이 기재(100)와 결합하거나 상호작용하도록 추가 층의 형성 전에 예정된 시간이 경과될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 섬유 강화된 중합체 직물(130)의 노출된 면은 계면(135)에서 폴리우레아 코팅 층(150)과 접촉할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 포화제 조성물(140)은 섬유 강화된 중합체 직물(130)의 노출된 표면에 도포될 수 있다. 소정의 시간(예를 들면, 약 2시간 내지 5시간) 동안 제2 포화제 조성물(140)을 적어도 부분적으로 경화시킴으로써 점착성 표면을 형성한 경우, 폴리우레아 코팅 층(150)은 고인성 섬유 강화된 중합체 직물(130) 상에서 형성될 수 있다. 제2 포화제 조성물(140)을 갖는 섬유 강화된 중합체 직물(130) 및 폴리우레아 코팅 층(140) 둘다로부터의 중합체 성분들은 계면(135)에서 (예를 들면, 공유결합을 통해) 상호작용하여 복합재의 완전한 경화 후 섬유 강화된 중합체 직물(130)과 폴리우레아 코팅 층(140)의 분리를 방지할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 제2 포화제 조성물의 경화가 기재(100)와 섬유 강화된 중합체 직물(130) 사이에 도포된 제1 포화제 조성물을 경화시킬 수 있다는 것도 인지되어야 한다.
폴리우레아 코팅 층(150)의 두께는 복합재로 코팅된 기재의 원하는 성질에 기초하여 변경될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 복합재의 성질(예를 들면, 점성 감쇠 성질 대 강성도 성질)은 일반적으로 시간 관련(tc) 및 부피 분율(hp) 중합체 성질의 변경에 의해 변경될 수 있다. 예를 들면, 폴리우레아 코팅 층(150)의 전구체와 섬유 강화된 중합체 직물(130)의 중합체의 반응과 관련된 시간은 전체로서 복합재의 점성 및/또는 연신 백분율에 영향을 미칠 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 원하는 경우, 첨가제 층(110)은 폴리우레아 코팅 층(108)의 한 면 상에서 형성될 수 있다. 첨가제 층(110)은 예를 들면, 세라믹 마이크로구 또는 추가 보호제 층(예를 들면, 내습 층, UV 보호 층, 내부식 층, 난연제 층 등)을 함유할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 임의적 첨가제 층(110)은 존재하지 않는다.
따라서, 프라이머 층(110), 제1 포화제 조성물 층(120), 섬유 강화된 중합체 직물 층(130), 제2 포화제 조성물 층(140), 폴리우레아 코팅 층(150) 및/또는 첨가제 층(160) 내의 다양한 성분들의 상호작용 또는 상승작용은 바람직한 강도, 강성도 및 감쇠 성질을 갖는 복합재를 형성한다. 상기 복합재의 강도, 강성도 및 감쇠 성질은 시간 관련(tc) 및 부피 분율(hp) 중합체 성질에 기초하여 변경될 수 있다. 예를 들면, 복합재의 제조에 있어서 시간 관련 계수(폴리우레아 코팅 층(150)의 성분과 섬유 강화된 중합체 직물 층(130)의 중합체의 전구체 사이의 상호작용을 생성하는 제2 포화제 조성물을 경화시키기 위한 시간)는 복합재의 점성 및/또는 연신 백분율에 영향을 미침으로써, 생성된 하중 지지 복합재의 강도가 큰 변형에서 지속되게 할 수 있다.
전술된 바와 같이, 복합재 또는 복합 재료는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들면, 복합재는 손상 후 기재를 강화시키기 위해 또는 장래에 손상이 일어나는 것을 방지하기 위해 건축물, 건축 구성요소 및 다른 구조물, 및 이들의 부품 또는 부재를 포함하는 기재를 래핑하는 데에 사용될 수 있다. 복합재는 건축 재료를 위한 강화 삽입체를 제공하는 데에 사용될 수도 있다. 예를 들면, 콘크리트 구조물을 위한 랩으로서 사용되는 것 이외에, 복합재를 포함하는 재료는 콘크리트 구조물 내에 파묻힐 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 복합재는 무장된 차량, 예컨대, 군대 수송 또는 무기 차량을 위한 랩(wrap)으로서 사용될 수 있다. 또한, 추가 용도는 보호 의류(예를 들면, 방탄 조끼 등) 또는 생체의학적 용도, 예컨대, 보철 또는 보철의 부품의 제작에서의 사용을 포함한다. 추가로, 복합재는 고진동, 고충격 또는 고쇼크 하중 제품, 예컨대, 자전거, 헬멧 등에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 복합재는 발포체 코어의 주위에서 형성되어 내충격성을 상기 발포체 코어에 부여할 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 복합재는 건축 재료 자체로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 복합재는 자전거 프레임, 자동차 부품 및/또는 보호 의류를 구축하는 데에 사용될 수 있다. 보다 구체적인 예에서, 복합재는 안전성, 성능 및 연료 효율을 개선할, 차량 구성요소의 경량 설계 및 제작을 위해 사용될 수 있다.
폴리우레아 코팅 층을 위해 임의의 적합한 탄성중합체 폴리우레아가 사용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 폴리우레아는 가격, 내마모성, 가요성, 내화학성, 시간의 경과에 따라 폴리우레아에 의해 생성된 화학물질의 독성/휘발성, UV 내성, 내습성 등을 포함하는 임의의 적합한 요인에 기초하여 선택될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 약 100% 이상의 연신율(즉, 파단시 연신율)을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 약 600% 이상의 연신율을 가질 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 약 1,500 파운드/평방 인치(psi) 내지 약 2,000 psi(예를 들면, 약 1,500 psi, 약 1,600 psi, 약 1,700 psi, 약 1,800 psi, 약 1,900 psi 또는 약 2,000 psi)의 인장 강도를 갖는다. 많은 폴리우레아의 성질이 당분야에서 공지되어 있고/있거나 당분야에서 공지된 기법, 예컨대, ASTM D412에 의해 측정될 수 있다.
개시된 보호대상에서 사용되기에 적합한 폴리우레아는 이소시아네이트와 아민을 혼합함으로써(예를 들면, 반응시키거나 중합시킴으로써) 제조될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트는 디이소시아네이트-종결된 예비중합체(즉, 화학식 O=C=N-R-N=C=O를 갖는 화합물, 이때 R은 지방족 또는 방향족 기를 포함할 수 있고 중합체 또는 비중합체일 수 있음)이다. 예를 들면, 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트의 구조에 기초한 화합물일 수 있다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트는 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), p-페닐렌 디이소시아네이트(PPDI), m-페닐렌 디이소시아네이트(MPDI), 톨루엔 디이소시아네이트(TDI) 또는 이들의 혼합물을 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 적합한 이소시아네이트는 폴리에테르에 기초한 골격을 포함할 수도 있다. 적합한 이소시아네이트의 추가 예는 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 도입되는 미국 특허 제5,415,499호에 기재되어 있다.
전형적으로, 아민 함유 성분은 2개 이상의 반응성 아민 기를 포함한다. 반응성 아민 기는 일차 또는 이차 아민일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 아민 함유 성분은 아민-종결된 예비중합체, 예컨대, 아민-종결된 중합체 수지 및/또는 단량체 지방족 또는 방향족 폴리아민(예를 들면, 디아민, 트리아민, 테트라아민 등)을 포함한다. 예시적 아민-종결된 중합체 수지는 폴리옥시알킬렌 디아민 및/또는 트리아민, 및 방향족 폴리아민, 예컨대, 디에틸톨루엔디아민 및 디메틸티오톨루엔디아민(DMTDA)을 포함하는 블렌드를 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 아민 함유 성분, 예컨대, 아민-종결된 폴리프로필렌 글리콜(예를 들면, 미국 텍사스주 더 우드랜드에 소재하는 헌츠맨 코포레이션(Huntsman Corporation)으로부터 입수가능한 제파민(JEFFAMINE)(등록상표) D2000 및 제파민(등록상표) T5000), 디에틸톨루엔디아민(즉, 미국 루이지애나주 바톤 루즈에 소재하는 알베말 코포레이션(Albemarle Corporation)으로부터 입수가능한 에타큐어(ETHACURE)(등록상표) 100), 또는 sec-부틸 기를 포함하는 디아민(미국 텍사스주 스타포드에 소재하는 도르프 케탈 케미칼스 엘엘씨(Dorf Ketal Chemicals LLC)로부터 입수가능한 유니링크(UNILINK) 4200™)(그러나, 이들로 한정되지 않음)을 포함할 수 있다. 본원의 보호대상에서 사용되기에 적합한 아민-종결된 화합물은 일반적으로 약 2.0 내지 3.0의 평균 작용가 및 약 150 내지 6,000의 평균 분자량을 갖는다. 적합한 아민 함유 성분의 추가 예는 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 도입되는 미국 특허 제5,415,499호에 기재되어 있다.
따라서, 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 층은 이소시아네이트-종결된 화합물 또는 중합체를 아민-종결된 중합체 및/또는 지방족 또는 방향족 디아민 화합물과 혼합하고 반응시킨 후, 생성된 반응 혼합물을 코팅될 (예를 들면, 직물의) 표면에 본질적으로 즉시 도포함으로써 제공된다. 2종의 반응물의 혼합은 혼합물의 도포에 이용되는 분무 총 내에서 직접 수행될 수 있다(즉, 충돌 혼합). 물론, 적합한 이소시아네이트-종결된 화합물들의 혼합물 및 적합한 아민-종결된 화합물들의 혼합물이 사용될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 다소 과량의 이소시아네이트 등가물이 사용될 수 있다. 예를 들면, 성분들은 반응성 아민 기보다 약간 더 많은 반응성 이소시아네이트 기가 존재하도록 혼합될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 약 1% 내지 약 10% 과량의 이소시아네이트 등가물이 존재한다. 몇몇 실시양태에서, 약 5% 과량의 이소시아네이트 등가물이 존재한다.
몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트 풍부 폴리우레아 층(예를 들면, 5% 농후 이소시아네이트)의 제공이 폴리우레아 층의 성분과 섬유 강화된 중합체 층의 성분 사이의 분자 반응성을 향상시킬 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트 풍부 폴리우레아 층의 제공이 비오염된 상태를 생성하여 폴리우레아 층과 섬유 강화된 중합체 층 사이에 슬립 부재(no-slip) 조건을 생성할 수 있다는 것도 인지되어야 한다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 방향족이다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트 성분 및 아민 성분 중 하나 또는 둘다가 방향족 잔기를 포함할 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 내화성 폴리우레아이다. 내화성 폴리우레아의 사용은 복합재 및 이 복합재로 강화된 기재에 내화성을 제공할 수 있다. 예를 들면, 내화성 폴리우레아의 사용은 폴리우레아 및 복합재에 대한 열 강도를 감소시킬 수 있고/있거나 독성 탈기를 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 내화성 폴리우레아는 팽창성도 나타낸다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 복합재는 단일 강화재 형태로 고강도, 고에너지 소산 및 내화성을 겸비한다.
폴리우레아 또는 다른 물질의 내화성은 당분야에서 공지된 방법, 예를 들면, ASTM E84-05(물질의 표면 연소 특징에 대한 표준 시험 방법)에 의해 시험될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 ASTM E84-05의 이용을 통해 측정될 때 약 50 이하의 화염 확산 등급 및/또는 약 200 이하의 발연 등급을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 약 20의 화염 확산 등급 및/또는 약 115의 발연 등급을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 퀀텀 코팅스(Quantum Coatings)(캐나다 알버타주 에드몬톤 소재)에 의해 시스템 550D-FR로서 시판되는 폴리우레아이다.
몇몇 실시양태에서, 다양한 첨가제들이 폴리우레아 층에 포함될 수 있다. 예를 들면, 첨가제는 폴리우레아가 제조될 때 이소시아네이트 반응물 및/또는 아민 반응물에 첨가될 수 있다. 첨가제는 예를 들면, 유기 및 무기 색소 또는 염료, UV 보호제, 접착 촉진제, 충전제 및 다른 가공 보조제 또는 향상제를 포함한다.
UV 보호제는 광 안정화제, UV 흡수제 및 항산화제를 포함할 수 있다. 적합한 광 안정화제의 예로는 장애 아민, 예컨대, 비스-(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)세박케이트 및 비스-(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세박케이트가 있다.
UV 흡수제는 자외선 광의 흡수에 대해 폴리우레아와 경쟁함으로써 광분해로부터 보호할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, UV 흡수제는 약 290 nm 내지 약 400 nm의 UV 범위에 걸쳐 넓은 흡수를 갖는다. 적합한 UV 흡수제는 트리아진, 벤즈옥사지논, 벤조트리아졸, 벤조페논, 벤조에이트, 포름아미딘, 신나메이트/프로페노에이트, 방향족 프로판디온, 벤즈이미다졸, 지환족 케톤, 포름아닐리드(옥사미드를 포함함), 시아노아크릴레이트, 벤조피라논 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나 이들로 한정되지 않는다.
다른 한편으로, 항산화제는 그들의 구조에 따라 상이한 방식으로 분해 과정을 방해할 수 있다. 항산화제의 주요 분류는 일차 항산화제 및 이차 항산화제이다. 일차 항산화제, 예컨대, 입체 장애 페놀은 퍼옥시 라디칼과 신속히 반응하여 분해 주기를 중단시킨다. 이차 항산화제, 예컨대, 아릴아민은 산소 중심 라디칼에 대해 장애 페놀보다 더 높은 반응성을 나타낸다. 이차 항산화제는 과산화수소와 반응하여 비라디칼 비반응성 생성물을 발생시키고 종종 과산화수소 분해제로 지칭된다. 다기능성 항산화제, 예컨대, 장애 아민 안정화제("HAS")는 일차 항산화제의 기능 및 이차 항산화제의 기능을 겸비한다.
접착 촉진제의 예로는 티타네이트 및 지르코네이트뿐만 아니라 다양한 유기기능성 실란(특히, 아민 기능성 실란)이 있으나 이들로 한정되지 않는다. 유용한 충전제의 예로는 산화아연("ZnO"), 황산바륨, 산화칼슘, 탄산칼슘 및 실리카뿐만 아니라 이들의 임의의 염 및 산화물이 있으나 이들로 한정되지 않는다. 또한, 추가 충전제 및/또는 첨가제는 발포제, 유리, 세라믹 및/또는 플라스틱 마이크로구, 및 다양한 금속을 포함하나 이들로 한정되지 않는다.
다양한 첨가제들은 일반적으로 총 폴리우레아 조성물의 약 10 중량% 미만의 양으로 (개별적으로 또는 전체로서) 존재한다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 층은 약 5 중량% 이하의 하나 이상의 첨가제를 함유한다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 층은 약 1 중량% 이하의 하나 이상의 첨가제를 함유한다.
몇몇 실시양태에서, 복합재의 성질은 폴리우레아 코팅 층의 두께를 조절함으로써 조절될 수 있다. 상기 코팅 층의 두께의 조절은 전체로서 상기 복합재 중의 탄성중합체 폴리우레아의 부피 분율을 변경할 수 있다. 전형적으로, 폴리우레아 코팅 층은 직물보다 더 두껍다(예를 들면, 직물 두께가 포화제의 도포 전에 측정될 때 상기 직물보다 약 5배, 10배, 20배, 30배, 40배, 50배, 100배, 250배 또는 500배 이상 더 두껍다). 몇몇 실시양태에서, 상기 코팅 층은 약 1/16 인치(즉, 약 0.0625 인치) 내지 약 1/8 인치(즉, 0.125 인치)의 두께를 갖는다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 상기 코팅 층은 약 0.0625 인치, 약 0.0675 인치, 약 0.0725 인치, 약 0.0775 인치, 약 0.0825 인치, 약 0.0875 인치, 약 0.0925 인치, 약 0.0975 인치 또는 약 0.125 인치의 두께를 갖는다. 대조적으로, 직물은 전형적으로 약 0.01 인치 미만의 두께를 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 직물은 (포화제 조성물의 첨가 및 경화 전에) 약 0.0013 인치 내지 약 0.0065 인치(예를 들면, 약 0.0013 인치, 약 0.0017 인치, 약 0.0021 인치, 약 0.0025 인치, 약 0.0029 인치, 약 0.0033 인치, 약 0.0037 인치, 약 0.0041 인치, 약 0.0045 인치, 약 0.0049 인치, 약 0.0053 인치, 약 0.0057 인치, 약 0.0061 인치 또는 약 0.0065 인치)의 두께를 갖는다.
본원의 개시된 복합재의 직물은 고인성 섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 직물은 직포, 편포 또는 부직포일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 고인성 섬유는 상기 섬유가 일반적으로 평행한 방식으로 정렬되도록 일방향으로 존재한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 고인성 섬유는 상기 섬유가 평행한 방향 및 수직 방향 둘다로 정렬되도록 이방향으로 존재한다.
임의의 적합한 고인성 섬유 또는 섬유의 조합물이 사용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 예를 들면, 몇몇 실시양태에서, 고인성 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유(예를 들면, e-유리 또는 s-유리), 아라미드(예를 들면, 메타-아라미드 또는 파라-아라미드), 액정 코폴리에스테르 섬유, 현무암 섬유 또는 이들의 임의의 적합한 조합물이다. 몇몇 실시양태에서, 고인성 섬유는 탄소 섬유를 포함하고, 직물은 탄소 섬유 강화된 중합체(CFRP) 직물을 포함한다. CFRP는 다른 FRP에 비해 상대적으로 저렴하고 뛰어난 강도 및 내구성을 갖는다. 보다 구체적으로, 바스프 컨스트럭션 케미칼스 엘엘씨(BASF Construction Chemicals LLC)(미국 미네소타주 샤코페 소재)로부터 상업적으로 입수가능한 엠비레이스(MBrace)(등록상표) 천을 포함하나 이것으로 한정되지 않는다.
고인성 섬유 직물은 일반적으로 중합체 수지, 예컨대, 에폭시 수지, 비닐 에스테르 수지 및 폴리에스테르 수지(그러나, 이들로 한정되지 않음)에 기초한 중합체 매트릭스를 열경화시킴으로써 강화된다. 몇몇 실시양태에서, 개시된 복합재는 에폭시 수지에 기초한 중합체 매트릭스로 강화된 탄소 섬유 강화된 중합체(CFRP) 직물을 포함한다.
직물 내에 미리 파묻혀진(또는 미리 함침된) 후 원하는 경우 상기 수지의 경화를 야기하도록 추가로 처리된 적어도 일부 중합체 수지를 갖는 직물이 수득될 수 있다. 대안적으로, 중합체 수지를 갖지 않는 직물이 수득될 수 있고, 상기 중합체 수지는 포화제 조성물의 일부로서 도포될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 본원에 개시된 복합재는 중합체 수지(예를 들면, 에폭시, 비닐 에스테르 또는 폴리에스테르 수지)를 포함하는 혼합물(예를 들면, 포화제 조성물)로 처리된 CFRP 직물을 포함한다. 상기 혼합물은 원하는 경우, 예컨대, 수지의 경화를 촉진하기 위한 추가 화학물질 또는 첨가제(예를 들면, 중합 개시제 또는 경화 가속화제), 및/또는 희석제도 포함할 수 있다. 추가 첨가제는 충전제, 색소, UV 보호제, 점도 변경제, 소포제 및 표면 건조제 등 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
전형적으로, 에폭시 수지는 에폭시-종결된 예비중합체(예를 들면, 에폭시-종결된 단량체, 올리고머 또는 단쇄 중합체), 및 폴리아민(예를 들면, 트리에틸렌테트라민)을 포함하는 경화제를 포함할 수 있다. 에폭시-종결된 예비중합체는 예를 들면, 에피클로로하이드린과 비스페놀 A의 반응으로부터 제조될 수 있다. 따라서, 적합한 에폭시 수지는 다가 페놀의 글리시딜 에테르, 예컨대, 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 비스페놀 S 에폭시 수지, 페놀계 노볼락 에폭시 수지, 크레졸 노볼락 에폭시 수지, 브롬첨가된 비스페놀 A 에폭시 수지 및 브롬첨가된 페놀계 노볼락 에폭시 수지; 글리시딜 에스테르, 예컨대, 디글리시딜 프탈레이트, 디글리시딜 헥사하이드로프탈레이트, 디글리시딜 테트라하이드로프탈레이트 및 벤조산 또는 이량체 산 글리시딜 에스테르; 헤테로환형 에폭시 수지, 예컨대, 1,3-디글리시딜-5,5-디메틸하이단토인 및 트리글리디실 이소시아누레이트; 및 지환족 에폭시 수지, 예컨대, 나프탈렌에 기초한 에폭시 수지 및 2,2',4,4'-테트라글리시독시비페닐을 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 이들 에폭시 수지들은 단독으로 사용될 수 있거나 2종 이상의 특정 수지들의 혼합물로서 사용될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 에폭시 수지는 예를 들면, 비스페놀 A 에폭시 수지, 알킬 글리시딜 에테르, 비결정질 실리카, 이소포론디아민, 벤질 알코올 및 살리실산을 포함하는 포화제 조성물 또는 조성물들의 일부로서 제공된다. 몇몇 실시양태에서, 에폭시 수지는 상업적으로 입수가능한 엠비레이스(등록상표) 포화제, 예컨대, 엠비레이스(등록상표) 포화제 LTC(바스프 컨스트럭션 케미칼스 엘엘씨(미국 미네소타주 샤코페 소재)로부터 입수가능함)의 일부로서 제공된다.
비닐 에스테르 수지는 전형적으로 에폭시 수지 및 모노카복실산을 포함한다. 모노카복실산의 예로는 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 신남산, 소르비탄산, 아크릴계 이량체, 모노메틸 말레이트, 모노프로필 말레이트, 모노부틸 말레이트, 모노(2-에틸헥실)말레이트 등이 있으나 이들로 한정되지 않는다.
폴리에스테르 수지는 디카복실산 또는 폴리카복실산과 다가 알코올(즉, 2개 이상의 하이드록실 기를 포함하는 화합물인 폴리올)의 반응에 의해 제조될 수 있다. 폴리카복실산은 푸말산, 말레산 무수물, 말레산, 이타콘산, 이소프탈산, 테레프탈산, 테트라하이드로프탈산, 아디프산 및 세박산을 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 다가 알코올은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 2,2-디메틸-1,3-프로판디올, 사이클로헥산-1,4-디메탄올, 비스페놀 A의 에틸렌 옥사이드 부가물, 및 비스페놀 A의 프로필렌 옥사이드 부가물을 포함하나 이들로 한정되지 않는다.
몇몇 실시양태에서, 중합체 매트릭스 강화된 직물(예를 들면, 폴리우레아 코팅 층의 부재 하에서 경화된 FRP)은 이 직물의 길이를 따른 방향으로 측정될 때 약 145 ksi(1.0 GPa) 이상의 최종 인장 강도 및 약 20,000 ksi(138 GPa) 이상의 인장 탄성률을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 상기 직물은 약 500 ksi(3.45 GPa) 이상의 최종 인장 강도 및 약 30,000 ksi(207 GPa) 이상의 인장 탄성률을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 상기 직물은 약 550 ksi(3.79 GPa) 이상의 최종 인장 강도 및 약 33,000 ksi(228 GPa) 이상의 인장 탄성률을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 상기 직물은 항복점을 초과한 약 0.5% 내지 2.0%(예를 들면, 약 0.5%, 1.0%, 1.5% 또는 약 2.0%)의 연신 백분율과 함께 약 1.90 GPa 내지 약 5.74 GPa(예를 들면, 약 1.90 GPa, 2.40 GPa, 2.90 GPa, 3.40 GPa, 3.90 GPa, 4.40 GPa, 4.90 GPa, 5.40 GPa 또는 약 5.74 GPa)의 최종 인장 강도를 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 상기 직물은 (가닥 당) 인치 당 약 3.575 kips의 유닛 폭 당 최종 인장 강도를 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 상기 직물은 (유닛 폭 당 가닥 당) 인치 당 약 214.5 kips의 최종 탄성률을 갖는다. 인장성은 당분야에서 공지된 임의의 적합한 방법, 예를 들면, ASTM D3039에 의해 측정될 수 있다.
FRP 직물을 탄성중합체 폴리우레아 층과 조합함으로써 복합재의 탄성, 비탄성 및 점성을 전체로서 상당히 향상시킬 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 복합재는 약 100% 이상(예를 들면, 약 100%, 약 150%, 약 200%, 약 250%, 약 300% 또는 약 400% 이상)의 연신율을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 복합재는 약 600%의 연신율을 갖는다.
본원에 개시된 복합재는 강도와 에너지 소산의 조합을 제공하는 것 이외에 발암 독성을 갖지 않는다. "발암 독성을 갖지 않는다"는 것은 복합재가 휘발성 발암 화학물질을 본질적으로 갖지 않고 장기간 동안 인간 주변에서 사용되는 경우, 예컨대, 복합재가 건축물용 랩 또는 보호 의류로서 사용되는 경우 상기 복합재에 노출된 인간이 상기 복합재에 노출되지 않은 인간에 비해 암 발병의 통계학적 증가를 경험하지 않는다는 것을 의미한다.
몇몇 실시양태에서, 상기 복합재는 FRP 직물 및 하나 이상의 폴리우레아 코팅 층 이외에 추가 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 복합재는 양면 상에서 폴리우레아 코팅 층으로 코팅된 FRP 직물을 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 상기 복합재는 예를 들면, 상기 복합재와 다양한 다른 재료들의 부착을 향상시키기 위한 접착제로 코팅될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 상기 복합재는 폴리우레아 코팅 층 내로 파묻혀 있거나 폴리우레아 코팅 층의 표면(예를 들면, FRP 직물과 접촉하지 않은 폴리우레아 코팅 층의 표면) 상에서 별도의 층으로 추가되어 있는 마이크로구, 예컨대, 세라믹 마이크로구를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 세라믹 마이크로구는 추가 절연성을 상기 복합재에 부가할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 상기 복합재는 구조물, 예를 들면, 목재로 구축된 가옥의 에너지 효율 등급을 증가시키는 데에 사용될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 세라믹 마이크로구를 포함하는 복합재의 사용은 구조물의 에너지 효율을 상기 복합재가 사용되지 않은 상응하는 구조물의 에너지 효율의 약 2배 내지 약 4배(예를 들면, 약 2배, 3배 또는 4배)까지 증가시킬 수 있다.
기재를 강화시키는 방법
도 2는 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 포함하고 폴리우레아 층이 제공되어 있는 복합재로 기재, 예컨대, 신축된 구조물로부터의 기재를 강화시키는 예시적 방법이다. 도 2 예시적 방법 및 본원에 기술된 다른 순서도에서 몇몇 단계들이 추가될 수 있고/있거나, 몇몇 단계들이 생략될 수 있고/있거나, 단계의 순서가 재배열될 수 있고/있거나, 몇몇 단계들이 동시에 수행될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
제시된 바와 같이, 방법 200은 단계 210에서 기재를 제공하는 것으로 시작된다. 개시된 보호대상에 따른 복합재는 임의의 적합한 기재와 함께 사용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 적합한 기재는 목재, 석재(예를 들면, 벽돌, 돌, 치장벽토, 타일), 콘크리트(강재 또는 다른 금속으로 강화된 콘크리트를 포함함), 강재 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 이들로 한정되지 않는다. 대안적으로, 본원에 기술된 실시양태에서 제시된 바와 같이, 적합한 기재는 발포체(예를 들면, 발포된 폴리스티렌, 발포된 폴리우레탄 등)일 수 있다. 기재는 임의의 적합한 형태(예를 들면, 벽, 보, 판, 봉, 기둥, 막대, 지지 받침대) 또는 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시양태에서, 기재는 가옥 또는 다른 건축물(예를 들면, 사무용 건축물, 병원, 학교, 상점, 전력 시설, 공항 등), 교량, 도로, 댐, 터널, 옹벽, 부두 또는 선창의 신축에서 사용될 건축 구성요소이다.
단계 220에서, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 부착시키기 전에 제1 포화제 조성물을 기재의 표면에 도포할 수 있다. 단계 220에서 제1 포화제 조성물을 도포하였을 때, 단계 230에서 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 기재의 적어도 부분에 부착시킬 수 있다. 전술된 바와 같이, 임의의 적합한 고인성 섬유 직물을 사용할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시양태에서, 상기 직물은 적어도 일부 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 보다 구체적인 실시양태에서, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물은 탄소 섬유 강화된 중합체 직물이다.
고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 기재에 부착시키는 것은 임의의 적합한 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 스테이플링(stapling) 또는 못질(nailing)로 기재 표면에 부착시킬 수 있다. 또 다른 적합한 실시양태에서, 기재의 표면의 적어도 일부를 프라이머 조성물 및/또는 제1 포화제 조성물로 코팅하여 코팅된 기재를 제공하고 상기 코팅된 기재를 고인성 섬유 직물과 접촉시킴으로써 상기 부착을 수행할 수 있다. 상기 프라이머 조성물 및/또는 제1 포화제 조성물은 고인성 섬유 강화된 중합체 직물, 및 몇몇 경우 상기 직물이 코팅된 표면과 접촉한 후 상기 직물에 도포되는 제2 포화제 조성물과 (예를 들면, 공유결합 또는 비공유결합을 통해) 상호작용할 수 있는 접착제 및/또는 중합체 수지를 포함할 수 있다.
임의의 적합한 중합체 수지가 상기 프라이머 또는 포화제 조성물에서 사용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 상기 프라이머에서 사용되기에 적합한 중합체 수지는 에폭시 수지, 비닐 에스테르 수지, 폴리에스테르 수지 및 메틸메타크릴레이트 수지를 포함할 수 있으나 이들로 한정되지 않는다. 중합체 수지를 포함하는 프라이머가 사용되는 경우, 상기 수지는 포화제 조성물 중의 중합체 수지(230에서의 중합체 수지)와 동일한 수지 또는 동일한 유형의 수지일 수 있거나 상이한 유형의 중합체 수지일 수 있다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 포화제 중의 중합체 수지 및 프라이머 중의 중합체 수지는 둘다 에폭시 수지일 수 있다.
단계 240에서, 제2 포화제 조성물을 직물의 노출된 표면에 도포할 수 있다. 전술된 바와 같이, 제2 포화제 조성물은 고인성 섬유 강화된 중합체 직물과 (예를 들면, 공유결합 또는 비공유결합을 통해) 상호작용할 수 있는 접착제 및/또는 중합체 수지를 포함할 수 있다. 단계 240에서 포화제를 (예를 들면, 페인팅 또는 분무로) 상기 직물의 노출된 표면에 도포한 후, 단계 250에서 상기 포화제를 적절한 시간 동안 경화시켜 점착성 표면(상기 직물에 대한 점착성 외면)을 제공할 수 있다. 제2 포화제 조성물을 경화시키기 위한 시간은 포화제의 화학 조성, 온도 및/또는 습도에 기초하여 변경될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 몇몇 실시양태에서, 제2 포화제 조성물은 약 2시간 내지 약 3시간(예를 들면, 약 120분, 130분, 140분, 150분, 160분, 170분 또는 약 180분) 동안 경화될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 포화제 조성물은 부분적으로 경화될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 제2 포화제 조성물은 약 5시간만큼 긴 시간 동안 경화될 수 있다.
단계 250에서 포화제가 부분적으로 경화된 때, 단계 260에서 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 점착성 표면에 도포할 수 있다. 표면이 점착성을 나타내는 동안 상기 폴리우레아 형성 성분 용액을 도포하는 것은 상기 폴리우레아 형성 성분 용액 중의 화학물질 또는 성분과 상기 포화제 조성물 중의 수지 또는 다른 성분 사이의 상호작용(예를 들면, 공유결합 또는 비공유결합)을 허용할 수 있다. 제조 동안의 이 상호작용은 예를 들면, 강화된 기재가 다양한 응력 또는 사건에 노출될 때 폴리우레아 코팅 층과 섬유 강화된 중합체 직물 층 사이의 지속된 계면 상호작용을 허용할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 탄성중합체 폴리우레아 형성 용액은 점착성 표면 상에 분무될 수 있거나 브러싱될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 방향족 폴리우레아 층을 형성하는 물질을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 층은 내화성을 나타낸다. 예를 들면, 폴리우레아 층은 ASTM E84-05를 이용하여 측정할 때 약 50 이하(예를 들면, 약 50, 약 40, 약 30 또는 약 20 이하)의 화염 확산 등급을 가질 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 층은 ASTM E84-05에 의해 측정될 때 약 200 이하(예를 들면, 약 200, 약 180, 약 160, 약 140 또는 약 120 이하)의 발연 등급을 가질 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 층은 약 20의 화염 확산 등급 및 약 115의 발연 등급을 갖는다. 몇몇 실시양태에서, 내화성 폴리우레아 층은 팽창성을 나타낸다. 적합한 내화성 팽창성 폴리우레아는 예를 들면, 퀀텀 코팅스(캐나다 알버타주 에드몬톤 소재)에 의해 시스템 550D-FR로서 시판되는 폴리우레아를 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 이소시아네이트(예를 들면, 이소시아네이트 예비중합체)인 제1 성분, 및 아민을 포함하는 제2 성분(예를 들면, 아민-종결된 예비중합체)을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트는 디이소시아네이트-종결된 예비중합체(즉, 화학식 O=C=N-R-N=C=O를 갖는 화합물, 이때 R은 지방족 또는 방향족 기를 포함할 수 있고 중합체 또는 비중합체일 수 있음)이다. 예를 들면, 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트의 구조에 기초한 화합물일 수 있다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 이소시아네이트는 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), p-페닐렌 디이소시아네이트(PPDI), m-페닐렌 디이소시아네이트(MPDI), 톨루엔 디이소시아네이트(TDI) 또는 이들의 혼합물을 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 적합한 이소시아네이트는 폴리에테르에 기초한 골격을 포함할 수도 있다. 적합한 이소시아네이트의 추가 예는 예를 들면, 전체적으로 본원에 참고로 도입되는 미국 특허 제5,415,499호에 기재되어 있다.
아민-종결된 예비중합체는 2개 이상의 반응성 아민 기를 포함할 수 있다. 상기 반응성 아민 기는 일차 또는 이차 아민일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 아민-종결된 예비중합체는 아민-종결된 중합체 수지 및/또는 단량체성 지방족 또는 방향족 폴리아민(예를 들면, 디아민, 트리아민, 테트라아민 등)을 포함한다. 예시적 아민-종결된 중합체는 폴리옥시알킬렌 디아민 및/또는 트리아민 및 방향족 폴리아민, 예컨대, 디에틸톨루엔디아민 및 디메틸티오톨루엔디아민(DMTDA)을 포함하는 블렌드를 포함할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아는 아민 함유 성분, 예컨대, 아민-종결된 폴리프로필렌 글리콜(예를 들면, 미국 텍사스주 더 우드랜드에 소재하는 헌츠맨 코포레이션으로부터 입수가능한 제파민(등록상표) D2000 및 제파민(등록상표) T5000), 디에틸톨루엔디아민(즉, 미국 루이지애나주 바톤 루즈에 소재하는 알베말 코포레이션으로부터 입수가능한 에타큐어(등록상표) 100), 또는 sec-부틸 기를 포함하는 디아민(미국 텍사스주 스타포드에 소재하는 도르프 케탈 케미칼스 엘엘씨로부터 입수가능한 유니링크 4200™)(그러나, 이들로 한정되지 않음)을 포함할 수 있다. 본원의 보호대상에서 사용되기에 적합한 아민-종결된 화합물은 일반적으로 약 2.0 내지 3.0의 평균 작용가 및 약 150 내지 6,000의 평균 분자량을 갖는다. 적합한 아민-종결된 예비중합체의 추가 예는 예를 들면, 미국 특허 제5,415,499호에 기재되어 있다.
폴리아민 형성 성분 용액의 성분들은 전형적으로 점착성 표면에의 도포 직전에 혼합될 수 있다. 예를 들면, 상기 성분들은 이들이 분무될 때 분무 총 내에서 혼합될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리아민 형성 성분 용액의 성분들은 일정한 비로 혼합될 수 있고, 이때 다소 과량의 이소시아네이트 등가물(즉, 반응성 이소시아네이트 기)이 존재한다. 몇몇 실시양태에서, 상기 성분들은 약 1% 내지 약 10% 과량의 이소시아네이트 등가물(예를 들면, 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% 또는 10% 과량의 이소시아네이트 등가물)이 존재하도록 혼합될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 5% 과량의 이소시아네이트 등가물이 존재한다. 몇몇 실시양태에서, 다소 과량의 이소시아네이트의 사용은 폴리우레아 형성 용액으로부터의 이소시아네이트 성분과 섬유 강화된 중합체 직물의 포화제 중의 비반응된 중합체 기의 상호작용으로 인해 폴리우레아 층과 섬유 강화된 중합체 직물의 상호작용을 향상시킬 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 강화된 기재의 기능성 또는 외관을 향상시키기 위한 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 UV 보호 첨가제, 예컨대, 유기 안료(그러나, 이에 한정되지 않음)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 약 1 부피% 내지 약 10 부피%(예를 들면, 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8%, 약 9% 또는 약 10%)의 UV 보호 첨가제를 포함할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 약 5 부피%의 UV 보호 첨가제를 포함할 수 있다.
폴리우레아 형성 성분 용액의 도포 후, 단계 270에서 폴리우레아 성분 용액을 경화시켜 코팅 층을 형성할 수 있다. 몇몇 폴리우레아는 상대적으로 신속히 경화될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 몇몇 실시양태에서, 폴리우레아 성분 용액은 약 1분 내지 5분(예를 들면, 약 60초, 90초, 120초, 150초, 180초, 210초, 240초, 270초 또는 300초) 동안 경화될 수 있고, 폴리우레아가 여전히 점착성을 나타내는 동안, 첨가제는 상기 코팅 층(예를 들면, 상기 코팅 층의 노출된 표면)에 도포된다. 몇몇 실시양태에서, 첨가제는 세라믹 마이크로구를 포함한다.
본원에 기술된 바와 같이, 복합재의 성질(예를 들면, 점성 감쇠 성질, 강도 성질 및/또는 강성도 성질)은 폴리우레아 코팅 층의 두께를 조절함으로써 변경될 수 있다. 폴리우레아 코팅 층의 두께의 조절은 복합재 중의 탄성중합체 폴리우레아의 부피 분율을 변경할 수 있고, 이것은 생성된 복합재의 성질을 변경할 수 있다. 또 다른 예에서, 폴리우레아 코팅 층과 섬유 강화된 중합체 직물의 중합체 사이의 반응과 관련된 시간은 생성된 복합재의 점성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 특정 재료 규격이 제시되어 있을 때(예를 들면, 설비가 고도로 감쇠된 재료를 요구하는 경우), 복합재는 이러한 규격을 충족시키도록 만들어질 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 기재를 강화시키는 방법은 이전에 구축된 구조물, 보다 구체적으로 이미 손상된 구조물에 적용될 수 있다. 도 3을 참조하건대, 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 및 폴리우레아 층을 포함하는 복합재를 사용하여 손상된 부분을 갖는 기재를 강화시키는 예시적 방법이 제공되어 있다.
제시된 바와 같이, 방법 300은 단계 310에서 손상된 부분을 갖는 기재를 제공하는 것으로 시작된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 기재는 이전에 구축된 건축물 또는 다른 구조물에 이미 존재할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 이전에 구축된 건축물 또는 다른 구조물은 대재앙적 사건, 예컨대, 지진, 화재, 토네이도, 허리케인, 태풍, 홍수 또는 폭발로 인해 손상된 건축물 또는 다른 구조물일 수 있다. 대안적으로, 몇몇 실시양태에서, 상기 건축물 또는 다른 구조물은 이러한 사건의 증가된 가능성이 존재하는 지역에 존재한다. 예를 들면, 상기 건축물 또는 구조물은 단층선 근처, 해안선 근처 또는 전쟁 지역에 위치할 수 있고/있거나 테러범 공격의 증가된 위험을 갖는 건축물 또는 구조물, 예컨대, 경제적 또는 정치적으로 중요한 건축물 또는 높은 인구 밀도 사건과 관련된 건축물(예를 들면, 운동 경기장, 극장 등)일 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 이전에 구축된 건축물은 정상적인 마모 및 인열로 인한 손상 및/또는 노화와 관련된 손상을 가질 수 있거나 이러한 손상을 갖는 것으로 의심될 수 있다. 예를 들면, 콘크리트는 상대적으로 알칼리성을 나타내어 콘크리트 구조물 내에 존재하는 임의의 강화 금속 봉의 부식을 방지한다. 그러나, 시간의 경과에 따라 콘크리트는 공기 중의 이산화탄소의 작용으로 인해 중화될 수 있다. 일단 콘크리트가 중화되면, 상기 금속 봉은 부식 및 부피의 증가에 민감하게 되어 구조물에서 크랙을 야기할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 콘크리트는 이미 크랙되어 있고, 금속 봉은 부식에 민감하다. 몇몇 실시양태에서, 보다 오래된 구조물은 구조물의 이용이 시간의 경과에 따라 변하기 때문에 손상에 대한 후보가 될 수 있다. 예를 들면, 교량은 교량의 설계 동안 산정된 수준을 초과하는 교통량의 증가로 인해 손상의 후보가 될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 건축물 또는 다른 구조물은 10년 이상(예를 들면, 10년, 20년, 30년, 40년, 50년, 60년, 70년, 80년, 90년 또는 100년 이상) 오래된 건축물 또는 다른 구조물일 수 있다.
대안적으로, 몇몇 실시양태에서, 건축물 또는 다른 구조물은 강화가 손상을 방지하기 위해 수행되도록 신축된(예를 들면, 최근 10년, 5년, 4년, 3년 또는 2년 이내에 구축된) 건축물 또는 다른 구조물일 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 신축된 건축물 또는 다른 구축물은 최근 12개월 이내에 구축된 구조물이다.
몇몇 실시양태에서, 건축물 또는 다른 구조물은 구축되고 있거나, 또는 기재는 향후 구축에서 사용되기 위한 것이다.
손상된 부분(또는 예를 들면, 마모 및 인열로 인한 의심된 손상)을 갖는 기재를 사용하는 경우, 상기 기재는 단계 320에서 준비될 수 있다. 이것은 예를 들면, 기재를 선택하는 단계, 및 상기 기재의 표면을 세정하는 것, 상기 기재의 표면을 매끄럽게 하는 것 및 직물의 부착 전에 상기 기재의 표면에서 크랙, 구덩이, 깨진 파편 및/또는 홈을 충전시키는 것 중 하나 이상으로 상기 기재를 준비하는 단계를 포함한다. 세정은 임의의 적합한 방법, 예컨대, 강력 세척, 또는 표면 먼지 및/또는 다른 비기재 물질을 제거하는 임의의 다른 방법에 의해 수행될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 기재의 제공은 기재의 표면을 퍼티 물질로 충전시키고/시키거나 매끄럽게 하는 단계를 포함할 수 있다. 매끄럽게 하는 것은 사포질(sanding) 또는 임의의 다른 적합한 방법에 의해 수행될 수 있다. 기재의 표면에서 크랙, 구덩이, 깨진 파편, 홈 또는 다른 함몰부 또는 손상부는 임의의 적합한 물질, 예컨대, 목재 충전제, 시멘트, 콘크리트 또는 모르타르(그러나, 이들로 한정되지 않음)로 충전될 수 있다. 일반적으로, 충전 물질은 직물의 부착을 방해하지 않아야 한다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 충전 물질은 고인성 섬유 직물을 부착시키기 위해 프라이머의 부분으로서 기재의 표면에 도포된 중합체 수지와, 또는 고인성 섬유 직물에 존재하거나 첨가된 (예를 들면, 포화제 중의) 중합체 성분과 (예를 들면, 공유결합 또는 비공유결합을 통해) 상호작용할 수 있는 물질이다.
도 3의 단계 330 내지 380은 도 2의 단계 220 내지 270과 유사하다. 구체적으로, (단계 330에서) 제1 포화제 조성물을 기재의 표면에 도포하고, (단계 340에서) 제1 포화제 조성물을 사용하여 고인성 섬유 강화된 직물을 상기 기재의 적어도 일부에 부착시키고, (단계 350에서) 중합체 수지를 포함하는 제2 포화제 조성물로 상기 고인성 섬유 직물을 코팅하고, (단계 350에서) 상기 제2 포화제 조성물을 일정 시간(예를 들면, 약 2시간 내지 5시간) 동안 경화시켜 점착성 표면을 제공하고, (단계 360에서) 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 상기 점착성 표면에 도포하고, (단계 370에서) 상기 폴리우레아 형성 성분 용액을 경화시켜 복합재를 제공함으로써 복합재를 제조할 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 먼저 제조된 복합재를 기재에 부착시킴으로써 기재를 강화시킬 수 있고, 이때 상기 먼저 제조된 복합재는 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 및 폴리우레아 코팅 층을 포함한다. 따라서, 몇몇 실시양태에서, 기재를 강화시키는 방법은 복합재를 제조하는 단계 및 상기 복합재를 기재에 부착시키는 단계를 포함한다. 상기 먼저 제조된 복합재는 임의의 적합한 방법을 통해, 예컨대, 상기 복합재를 기재에 스테이플링하거나 못질하고/하거나, 상기 복합재를 기재 및/또는 복합재 상에 코팅된 접착제 및/또는 중합체 수지를 통해 상기 기재에 접착시킴으로써(그러나, 이들로 한정되지 않음) 기재에 부착될 수 있다.
기재(예를 들면, 목재 가옥, 강화된 콘크리트 교량, 강재 구조물, 자동차, 항공 구조물 등)의 강화는 지진 활동(예를 들면, 지진), 화재 및/또는 (예를 들면, 탄도로 인한) 폭발력으로 인한 기재에의 손상을 억제하거나 감소시킨다는 것이 인지되어야 한다. 몇몇 실시양태에서, 기재의 강화는 물 손상(예를 들면, 갑작스런 홍수 또는 주형 감소에 의한 기계적 응력으로 인한 물 손상 또는 기재 내로의 물 포화로 인한 다른 손상), 환경 오염물질 및/또는 태양 손상에 대한 내성을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시양태에서, 보호성은 적어도 부분적으로 섬유 강화된 중합체 직물 또는 폴리우레아 층에 첨가된 특정 첨가제(예를 들면, UV 보호제, 난연제, 내습제 등)와 관련될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 보호성은 섬유 강화된 중합체 직물 및/또는 폴리우레아 층의 화학 조성과 관련된다. 예를 들면, 폴리우레아는 내습성 및/또는 항진균성을 나타낼 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 예컨대, 마이크로구 첨가제가 사용되는 경우, 강화는 절연 효과를 기재에 제공함으로써 강화된 기재를 비강화된 기재보다 더 에너지 효율적인 건축물 재료로 만들 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 강화는 에너지 효율을 비강화된 기재의 에너지 효율보다 약 2배 내지 4배(예를 들면, 2배, 3배 또는 4배)까지 증가시킬 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 몇몇 실시양태를 더 예시하지만 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 한정하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.
실시예 1: 인장 복합재 쿠폰 결과
비스페놀 A 에폭시 수지, 알킬 글리시딜 에테르 및 비결정질 실리카를 포함하는 조성물을 이소포론디아민, 벤질 알코올 및 살리실산을 포함하는 조성물과 혼합하여 제조한 포화제로 포화되고 비내화성 폴리우레아 형성 조성물로 코팅된 엠비레이스(등록상표) FRP 천(약 0.068 인치 두께 x 약 1 인치 폭; 미국 미네소타주 샤코페에 소재하는 바스프 컨스트럭션 케미칼스 엘엘씨로부터 입수가능함)을 사용하여 복합재 쿠폰을 제조하였다. 약 0.19 인치 두께 x 약 1 인치 폭 또는 약 0.32 인치 두께 x 약 1 인치 폭의 최종 복합재 치수를 제공하는 2개의 상이한 폴리우레아 층 두께(예를 들면, 약 1/8 인치 두께 또는 약 1/16 인치 두께)를 갖는 쿠폰을 제조하였다.
도 4는 (CFRP - 시험 1(곡선 420) 및 CFRP - 시험 2(곡선 430)로 표시된) 탄소 섬유 강화된 중합체 직물의 탄성을 (카본플렉스, 1x 폴리 - 시험 1(곡선 410) 및 카본플렉스, 1x 폴리 - 시험 2(곡선 440)로 표시된) 1/16 인치 또는 (카본플렉스, 2x 폴리 - 시험 1(곡선 450)로 표시된) 1/8 인치의 두께를 갖는 폴리우레아 코팅 층을 갖는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물의 탄성과 비교하는 인장력 대 축 변위의 예시적 그래프이다. 도 4의 곡선 410 및 440에서 제시된 바와 같이, 각각의 면 상에 1/16 인치 두께의 폴리우레아 코팅 층을 갖는 폴리우레아-코팅된 인장 쿠폰의 변위는 (곡선 420 및 430과 비교되었을 때) 비코팅된 CFRP 쿠폰의 변위보다 약 3.75배 더 컸다. 더욱이, 면 당 1/8 인치 두께의 폴리우레아 코팅 층을 갖는 폴리우레아-코팅된 인장 쿠폰의 변위(곡선 450)는 비코팅된 CFRP 쿠폰의 변위(곡선 420 및 430)보다 약 6.25배 더 컸다. 도 4에서 곡선의 연속성은 폴리우레아와 CFRP 사이에 계면 슬립이 발생되지 않았다는 것을 암시한다는 것도 인지되어야 한다.
실시예 2: 복합재로 래핑된 목재의 비틀림 결과
도 5는 길이가 12 인치이고 직경이 1/2 인치인 스트로부스소나무 목재 막대에 대해 수행된 비틀림 연구의 결과를 보여주는 예시적 그래프이다. 이 실시양태에서, 상기 막대는 개시된 보호대상의 전술된 방법에 따라 폴리우레아-코팅된(1/16 인치) CFRP 복합재로 래핑되었다. 도 5에서 제시된 바와 같이, 복합재 랩은 표본의 고도로 비선형적인 반응에 의해 암시되는 바와 같이 필요한 에너지 소산 및 강도 구성요소를 제공하여 폴리우레아-코팅된 복합재로 래핑된 목재 구조물이 80.0 파운드 인치(lbs-in)의 최대 회전력 판독치를 달성하게 할 수 있었다. 이 최대 회전력 판독치는 비래핑된 스트로부스소나무의 비틀림 강도(약 22.9 파운드 인치)의 거의 4배이다. 도 5에서 제시된 곡선의 연속성 및 래핑된 막대의 여러 횡단면 슬라이스의 시각적 검사는 복합재와 목재 구조물 사이에 결합 슬립이 발생하지 않았다는 것을 보여준다.
실시예 3: 복합재로 래핑된 목재의 굽힘 결과
스트로부스소나무(white pine)의 3개 2 x 4 목재 보(각각 28 인치의 폭을 가짐)에 대한 목재 보 굽힘 연구를 수행하였다. 상기 목재 보 각각을 상이하게 제조하였는데, 도 6a에서 제시된 바와 같이, 곡선 610은 목재 보 그 자체("목재만"으로 표지됨)에 상응하고, 곡선 620은 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로 래핑된 목재 보("목재 + CFRP"로 표지됨)에 상응하고, 곡선 630은 개시된 보호대상의 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 목재 보에 상응한다. 이들 목재 보 각각을 도 6a의 힘 축 상에서 표시된 바와 같이 집중된 중간-폭 힘에 노출시켰다. 예를 들면, 도 6b는 이들 목재 보를 집중된 중간-폭 힘에 노출시킨 예시적 시험 셋업을 보여준다. 도 6a에서 제시된 바와 같이, 결과는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 보에서 변위, 전단 강도 및 에너지 소산의 상당한 증가를 보여준다. 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 랩은 갑작스런 강도 강하 후 손상된 목재 보를 함께 잘 지탱할 수 있었고, 이것은 (임의의 한 이론에 구속받고자 하는 것은 아니지만) 에너지가 꾸준히 소산되는 동안 하중이 상기 랩에 재분배될 수 있게 하였다. 시험은 변위, 연성 및 에너지 소산 값이 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로만 래핑된 보의 변위, 연성 및 에너지 소산을 100% 이상의 수준까지 초과할 수 있다는 것을 보여주었다. 도 6c는 도 6b에서 제시된 시험 셋업을 이용한 시험 후 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 목재 보의 사진을 보여주는 한 예를 예시한다.
유사하게, 도 7은 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 목재 보의 목재 보 굽힘 연구의 결과를 보여주는 그래프를 보여주는데, 이때 폴리우레아 층은 1/8 인치 두께를 갖는다. 또한, 도 6a와 유사하게, 그래프의 원형 부분은 강도 강하를 표시한다. 1/8 인치 두께의 폴리우레아 층을 포함하는 복합재로 래핑된 목재 보의 경우 강도 강하 직후 회복 응력(경화)이 존재하였다는 것도 인지되어야 한다. 이 거동은 적어도 부분적으로 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재의 점탄성 및 이의 계면 화학적 상호작용에 기인한다. 보다 두꺼운 폴리우레아의 코트(예를 들면, 1/16 인치 대 1/8 인치)는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물(뿐만 아니라 전체 시스템)에 보다 높은 지지 및 강성도를 제공하여 하중 재분배시 조절가능한 바람직한 성질 및 보다 높은 에너지 소산 및 연성을 제공한다는 것도 인지되어야 한다.
도 8로 전환하건대, 도 8은 목재 기재에 도포된 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 복합재의 변형률 성능 및 탄성중합체 유동을 보여주는 그래프이다. 제시된 바와 같이, 곡선 830은 상기 복합재의 폴리우레아와 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 구성요소 사이의 계면에서의 변형률과 관련된 데이터를 보여주고, 곡선 840은 상기 복합재와 목재 기재 사이의 계면에서의 변형률과 관련된 데이터를 보여준다. 또한, 도 8은 비래핑된 목재 기재에 대한 변형률과 관련된 데이터를 보여주는 곡선 810, 및 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로만 레핑된 목재 기재에 대한 변형률과 관련된 데이터를 보여주는 곡선 820을 포함한다. 도 7과 유사하게, 빈 원은 강도 강하를 표시한다는 것이 인지되어야 한다. 채워진 원은 항복점을 표시한다는 것도 인지되어야 한다.
표시된 바와 같이, 도 8은 4분의 1 폭 위치에서 목재와 폴리우레아 계면 상에서의 평행한 변형률을 보여주고, 이것은 탈착이 없다는 것을 암시하는 반면, 무시할만한 변형률은 폴리우레아에서 변형이 없다는 것을 표시한다. 또한, 임의의 한 이론에 구속받고자 하는 것은 아니지만, 도 8에서 제시된 데이터는 목재 기재가 그의 강도 강하에 도달한 후 순수한 탄성중합체 폴리우레아-탄소 섬유 강화된 중합체 시스템의 존재, 및 상기 점 이전(그러나, 항복점 후)에 점탄성 에너지 소산 시스템의 존재를 뒷받침한다.
도 9는 정적 하중 하에서 복합재로 래핑된 목재 보에 대한 추가 연구의 결과를 보여주고 복합재로 래핑된 보(곡선 930 및 940)가 탄소 섬유 강화된 중합체 단독으로 래핑된 목재 보(곡선 920)에 비해 연성에서 150%의 상당한 증가를 갖는다는 것을 보여준다. 상기 탄소 섬유 강화된 중합체 단독은 1.5%만의 연신율을 갖는다. 추가로, 비래핑된 목재 보(곡선 910)에 비해, 복합재로 레핑된 보는 연성에서 800%의 상당한 증가를 갖는다. 도 9는 다양한 하중-휨 곡선을 보여주고, 복합재로 래핑된 2개의 보(하나가 부피 및/또는 두께를 기준으로 약 2배의 양의 폴리우레아를 가짐; 카본플렉스 x 목재 보 2xV(곡선 940) 참조)가 탄소 섬유 강화된 중합체로 래핑된 목재 보에 비해 상대적으로, 연장된 휨 및 연속된 기재 크랙에 걸쳐 지속가능한 음의 강성도 및 강도를 나타낸다는 것을 보여준다.
곡선 940으로 표시된 2xV 보는 최종 강도 강하 후 탄성-소성 유사 영역을 보여준다는 것이 인지되어야 한다. 따라서, 경화 시간 및 폴리우레아 부피 분율을 조정하여 특정 구조 성능 요구를 충족시키기 위한 밀착 랩을 설계할 수 있다.
추가로, 도 9에서 1xV 및 2xV 보의 하중-휨 곡선들의 비교는 손상된 목재 부재 내의 크랙이 성장함에 따라 음의 강성도가 보다 작은 음의 값을 갖게 되고 하중이 점진적으로 복합재로 전달된다는 것을 암시한다. 도 9에서 제시된 최종 강도 강하(이때, 기재가 약해짐) 후, 실제로 응력을 회복하는 변형 경화 영역이 뒤따라 발생한다. 강성도의 음의 기울기의 증가하는 성질은 복합재가 거의 순수한 점성 물질로 전이됨에 따라 상기 복합재가 목재 크랙 성장을 안정화시킨다는 것을 표시한다.
실시예 4: 래핑된 목재 구조물에서 가속도 및 이력현상의 모의실험
도 10a 내지 10c에서 제시된 바와 같이, 컴퓨터 모의실험을 수행함으로써 1994년 노쓰리지(Northridge) 지진과 유사한 조건에 노출된, 복합재로 래핑된 2층 목재 구조물(도 10c에서 CF로 표시됨)의 성능을 비래핑된 구조물(도 10c에서 W로 표시됨)의 성능과 비교하였다. 내부 석고 보드 벽 외장재 및 치장벽토 마감재는 이 모델에 포함되지 않았고 이력의 핀칭(pinching)은 없었다. CF 밀착 랩의 항복 후 점탄성 부분은 이전에 기술된 모델에 기초하였고(예를 들면, 문헌(Attard, International Journal of Solids and Structures, 42(21-22), 5656-5668 (2005)) 및 문헌(Attard and Mignolet, J. Engineering Mechanics, 134(10), 881-891 (2008)) 참조), 실험 데이터의 회귀를 이용하여 지속가능한 음의 강성도 영역을 모델링하였다. CF 구조물의 횡구속을 비선형 "밀착 핏(fit)" 부재로서 모델링하였고, 실험 데이터를 이용하여 점성 + 이력 감쇠를 ξeq = 32%로서 계산하였는데, 이때 13%는 점성 유형 감쇠로부터 계산되었다. Ws 구조물의 경우, 점성 감쇠는 ξeq = 20% 중 2%에 기여하였다. 문헌(Filiatrault et al., Engineering Structures, 25, 461-471 (2003))을 참조한다. "심부 전단" 변위를 CF 모델의 음의 강성도 영역에서 변화하는 전단 탄성률의 함수로서 평가하였다. CF 모델 및 Ws 모델을 포괄적 비선형 시간-이력 코드 NONLIN 내로 넣었다. 문헌(Attard, T.L., "Modeling of Higher-Mode Effects in Various Structures Using a Pushover Analysis," Doctoral Dissertation, Arizona State University, Tempe, Arizona (2003)) 및 문헌(Attard and Fafitis, Engineering Structures, 29(8), 1977-1989 (2007))을 참조한다.
비교를 위해, 도 10a는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 복합재로 래핑된 2층 목재 구조물의 모의실험된 가속도 시간-이력의 예시적 그래프를 보여주고, 도 10b는 본원에 기술된 복합재를 갖지 않는 2층 목재 구조물의 모의실험된 가속도 시간-이력의 예시적 그래프를 보여준다. 도 10a 및 10b에서 모의실험의 가속도 결과의 분석은 CF 구조물에서 상당히 더 큰 강성도 및 점성 유형 감쇠를 보여주는데, 이로 인해 CF 구조물에서의 피크 가속도는 상층 및 하층에서 Ws 구조물에서의 피크 가속도보다 각각 25% 및 35% 더 작을 수 있다. 가속도 시간-이력의 표준 편차는 39% 및 47% 더 작았고, 이것은 실질적인 전반적인 감소를 나타낸다. 도 10c는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 복합재를 사용한 하층에 대한 건축물 손상의 상당한 감소 및 탄성을 유지하는 상층에 대한 손상 부재를 표시하는, 상기 2개 구조물에서의 이력현상 및 층간 이동(%)을 보여준다. 상기 두 층들에 대한 상당한 손상을 받은 Ws 구조물에 비해, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 복합재로 래핑된 구조물은 최대 탄성 후 층간 이동을 81%까지 감소시킬 수 있었는데, 이때 상기 탄성 후 이동은 본원에서 주기 당 항복 후 이동으로서 정의된다.
실시예 5: 강재 강화된 콘크리트 복합재 보( SRCC )의 보강( retrofitting )
본원에 기술된 바와 같이, 기재를 강화시키는 방법은 이전에 구축된 구조물, 특히 이미 손상된 구조물에 적용될 수 있다.
도 11a에서 제시된 바와 같이, 개시된 복합재로 기재를 보강하기 전에, 예를 들면, 기재의 재성형, 강재 형태 용접 및 그라우팅(grouting)을 통해 기재를 준비할 수 있다. 또한, 도 11a에서도 제시된 바와 같이, 본 실시예에서 2개의 콘크리트 보를 준비하여 보강하였다(하나는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로 보강하였고, 나머지 하나는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 보강하였다).
도 11b는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로 보강된 콘크리트 보의 다양한 횡단면을 보여준다. 예를 들면, 단면 A1-A1은 인장력을 운반하는 데에 이용된 3층 하부 적층체를 보여주고, 단면 A2-A2는 상기 보의 하부 주위에서 형성된 3층 복합재, 및 상기 보의 모든 4개 면 주위에서 형성된 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물을 보여준다. 추가로, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물은 상기 보의 특정 부분 주변에서 형성될 수 있다. 예를 들면, 단면 A3-A3은 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 직물이 상기 보의 하부 주위에서 형성된 복합재와 함께 "U"형 복합재 재킷을 형성하도록 상기 보의 반대 면에 부착될 수 있다는 것을 보여준다.
도 11c는 상이한 보들에 대한 힘-휨 반응 연구의 결과를 보여준다 - 제시된 바와 같이, 곡선 1110은 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 부분으로 보강된 강재 강화된 콘크리트 복합재(SRCC) 보(B1로 표지됨)에 상응하고, 곡선 1120은 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 부분만으로 보강된 SRCC 보(B2로 표지됨)에 상응하고, 곡선 1130은 용접된 강재를 갖지 않는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 부분으로 보강된 SRCC 보(B1로 표지됨)에 상응한다. 결과는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 부분의 사용이 SRCC 보로 하여금 변위 및 에너지 소산의 상당한 증가를 겪을 수 있게 한다는 것을 보여준다. 상기 복합재로 래핑된 SRCC 보(곡선 1110 및 1130)는 탄소 섬유 강화된 중합체로 래핑된 목재 보(곡선 1120)에 비해 상대적으로, 안정화된 기재 크랙 하에서 연장된 휨에 걸쳐 큰 점성 감쇠, 지속가능한 음의 강성도 및 강도를 나타낸다.
실시예 6: 지진에 의해 손상된 강화된 콘크리트 전단 벽의 보강
전술된 실시예와 유사하게, 기재를 강화시키는 방법은 이전에 구축된 구조물, 특히 이미 손상된 구조물에 적용될 수 있다. 본 실시예에서, 강화된 콘크리트 전단 벽은 주기적 하중 하에서 손상되었다. 주기적 시험은 상기 벽의 하부 모서리 중 2개의 모서리에서 3 mm 폭의 횡단 크랙 및 콘크리트 붕괴를 포함하는, 상기 강화된 콘크리트 전단 벽에 대한 심각한 손상을 발생시켰다. 상기 벽의 시험 후 하중 성능은 그의 피크 값의 대략 40%까지 떨어졌다.
도 12a의 부분 1210에서 제시된 바와 같이, 기재를 개시된 복합재로 보강하기 전에, 예를 들면, 그라우팅 및 크랙 주입을 통해 전단 벽 기재를 준비할 수 있다. 도 12a의 부분 1220에서 제시된 바와 같이, 전단 벽 기재의 다양한 부분들, 예컨대, 상기 기재의 크랙된, 붕괴된 및/또는 손상된 부분들을 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 보강하여 강화시킬 수 있다. 구체적으로, 전체 기재를 상기 복합재로 래핑하기 전에 전단 벽 기재의 특정 부분을 상기 복합재로 강화시켰다. 전술된 바와 같이, 상기 복합재를 제조한 후 기재에 부착시킬 수 있거나 상기 복합재를 기재의 표면 상에서 직접 형성할 수 있다.
도 12b 및 12c로 전환하건대, 보강되고 강화된 전단 벽에 대한 힘-휨 반응 연구의 결과는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 부분의 사용이 전단 벽으로 하여금 상기 전단 벽의 원래의 하중 성능의 약 80%를 회복할 수 있게 한다는 것을 보여준다. 추가로, 도 12c의 예시적 이미지에서 제시된 바와 같이, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재는 연성의 실질적인 증가를 제공한다. 연성의 이 증가는 상기 강화된 콘크리트 전단 벽이 큰 변형을 견뎌낼 수 있게 하고, 이때 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재의 에너지 소산 성질은 크랙 성장을 안정화시켰고 상기 콘크리트가 붕괴된 후조차도 구조물의 고강도를 지속시켰다. 크랙의 형성 후 에너지를 용이하게 소산시킴으로써 새로운 크랙 표면의 형성 및/또는 추가 손상이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 도 12c의 이미지에서 제시된 바와 같이, 이 보강된 벽에서 상당한 횡구속 및 압축 강도의 실질적인 증가가 존재한다는 것이 인지되어야 한다.
실시예 7: 복합재로 래핑된 기재의 점성 감쇠 및 내충격성
본 실시예에서, 발포체 코어 기재를 사용하였는데, 이때 1개의 발포체 코어 기재를 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로만 래핑하였고, 1개의 발포체 코어 기재를 개시된 보호대상의 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑하였다. 그 다음, 이들 발포체 코어 기재들에 대해 내충격성 시험을 수행하였는데, 이때 고하중 속도(쇼크 하중) 또는 초 당 4 m를 이용하였다.
도 13a 및 13b에서 제시된 바와 같이, 발포체 코어 기재 둘레에 래핑된 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재에 의해 지탱되는 하중의 양은 탄소 섬유 강화된 중합체 직물만으로 래핑된 발포체 코어 기재와 극명한 대조를 보인다. 이미지 1310 및 1315에서 제시된 바와 같이, 충격 시험을 수행하였을 때, 탄소 섬유 강화된 중합체 직물은 발포체 코어 기재로부터 탈착된다. 비교하건대, 이미지 1320 및 1325는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재가 충격으로부터 훨씬 더 많은 에너지를 흡수할 수 있고 에너지를 소산시킬 수 있다는 것을 보여준다. 결과적으로, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재는 발포체 코어가 변위 및 에너지 소산의 상당한 증가를 겪을 수 있게 한다. 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 발포체 코어에서 탈착이 없다는 것이 인지되어야 한다.
도 14a 및 14b로 전환하건대, 2개의 얇은 강재 보 기재들에 대한 고진동 시험을 수행하였다. 전술된 바와 같이, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재는 점탄성 재료에서 거의 점성 재료로 전이된다. 상기 복합재는 극도의 하중 사건 동안, 예컨대, 지진 동안 지속가능한 에너지 소산 및 큰 점성 유형 감쇠를 제공함으로써 에너지 방출 밸브로서 작용할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 복합재/기재 시스템은 점성 감쇠 비의 변화를 허용할 수 있다(예를 들면, 상기 복합재/기재 시스템은 기재 단독과 상이한 점성 감쇠 비를 가짐).
제시된 바와 같이, 탄소 섬유 강화된 중합체 직물로만 래핑된 강재 보 기재과 개시된 보호대상의 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 강재 보 기재를 비교하였을 때, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재는 시험 동안 점성 유형 감쇠를 제공하여 진동을 최소화한다.
실시예 8: 복합재의 감쇠 비
몇몇 실시양태에서, 시간 관련(tc) 및 부피 분율(hp) 중합체 성질을 변경함으로써 복합재의 성질을 변경할 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 예를 들면, 도 15a 및 15c에서 제시된 바와 같이, 폴리우레아 코팅 층의 두께를 조절함으로써 복합재의 성질, 예컨대, 감쇠 비를 변경할 수 있다. 폴리우레아 코팅 층의 두께의 조절은 복합재 중의 탄성중합체 폴리우레아의 부피 분율을 변경할 수 있고, 이것은 생성된 복합재의 성질을 변경할 수 있다. 또 다른 예에서, 도 15b 및 15d에서 제시된 바와 같이, 복합재의 제조에 있어서 시간 관련 계수(예를 들면, 폴리우레아 층의 전구체와 FRP의 중합체의 전구체의 반응과 관련된 시간 계수)는 전체로서 복합재의 감쇠 비에 영향을 미침으로써, 생성된 하중 지지 복합재의 강도가 큰 변형에서 지속될 수 있게 할 수 있다. 따라서, 복합재는 이 복합재의 제작(예를 들면, 도 2의 방법 200, 도 3의 방법 300 등) 동안 원하는 성질을 달성하도록 변경될 수 있다.
도 15a로 전환하건데, 얇은 강재 보를 사용하였다. 감쇠 비 측정은 강재 보 그 자체, 탄소 섬유 강화된 중합체 직물만으로 래핑된 강재 보, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 강재 보(이때, 폴리우레아 층은 1/32 인치임) 및 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 강재 보(이때, 폴리우레아 층은 1/16 인치임)를 포함하였다. 도 15a에서 제시된 바와 같이, 감쇠 비는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 강재 보의 경우 상당히 더 크다. 추가로, 도 15a는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재로 래핑된 강재 보의 감쇠 비가 폴리우레아 층의 두께의 함수로서 달라질 수 있다는 것을 보여준다. 폴리우레아 층의 두께의 증가(예를 들면, 1/32 인치에서 1/16 인치로의 증가)는 감쇠 비를 실질적으로 증가시킨다.
도 15b에서 제시된 바와 같이, 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 상에서 폴리우레아 층을 형성하기 위한 경화 시간(이때, 복합재는 강재 보 상에서 형성됨)은 2시간 내지 5시간이었다. 감쇠 비는 복합재의 제조에 있어서 시간 관련 계수(tc)의 함수로서 달라질 수 있다. 그러나, 경화 시간을 증가시킴으로써 다른 성질, 예컨대, 다소 더 큰 강성도를 달성할 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
본 실시예에서, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재 그 자체를 사용하여 이들 시험들을 수행하였다. 예를 들면, 이것은 얇은 강재 보로부터 임의의 기여 효과를 제거할 수 있다. 도 15c에서 제시된 바와 같이, 탄소 섬유 강화된 중합체 직물, 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재(이때, 폴리우레아 층은 1/16 인치임) 및 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재(이때, 폴리우레아 층은 1/8 인치임)에 대한 감쇠 비를 측정하였다. 도 15c에서 제시된 바와 같이, 감쇠 비는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 그 자체만을 사용한 경우보다 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재를 사용한 경우 상당히 더 크다. 도 15a와 유사하게, 도 15c는 폴리우레아-코팅된 탄소 섬유 강화된 중합체 복합재의 감쇠 비가 폴리우레아 층의 두께의 함수로서 달라질 수 있다는 것을 보여준다. 폴리우레아 층의 두께의 증가(예를 들면, 1/16 인치에서 1/8 인치로의 증가)는 감쇠 비를 실질적으로 증가시킨다. 또한, 폴리우레아 층의 두께가 클수록, 상기 복합재의 강도 및 강성도 성질은 더 커진다. 따라서, 폴리우레아 층의 두께는 생성된 복합재의 원하는 성질에 기초하여 변경될 수 있다.
도 15b와 유사하게, 도 15d는 탄소 섬유 강화된 중합체 직물 상에서 폴리우레아 층을 형성하기 위한 경화 시간이 감쇠 비에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 그러나, 도 15d는 경화 시간이 증가함에 따라 감쇠 비가 감소한다는 것을 보여주지만, 경화 시간을 변경하여 원하는 범위의 감쇠 비를 갖는 복합재를 달성할 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 복합재의 제조에 이용된 경화 시간은 생성된 복합재의 원하는 성질에 기초하여 변경될 수 있다.
따라서, 고강도 및 고탄성 복합재 및 이를 사용하여 기재를 강화시키는 방법이 제공된다.
본 발명이 상기 예시적 실시양태에서 기재되고 예시되어 있지만, 본 개시내용은 예로서만 제공되고 하기 특허청구범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 실시의 세부사항에서 다수의 변경을 만들 수 있다는 것이 이해된다. 개시된 실시양태의 특징은 다양한 방식으로 조합될 수 있고 재배열될 수 있다.

Claims (20)

  1. 기재(substrate);
    상기 기재의 적어도 일부에 부착된 섬유 강화된 중합체 직물 층; 및
    상기 섬유 강화된 중합체 직물 층의 노출된 표면 상에 형성된 폴리우레아 코팅 층
    을 포함하는 복합재(composite).
  2. 제1항에 있어서, 상기 기재가 목재, 석재, 콘크리트, 강재 및 이들의 조합 중 하나 이상인 복합재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기재는 하나 이상의 손상된 부분을 갖고, 상기 섬유 강화된 중합체 직물 층 및 폴리우레아 코팅 층은 상기 기재의 하나 이상의 손상된 부분 상에 형성되는 것인 복합재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유 강화된 중합체 직물 층이 탄소 섬유 강화된 중합체 직물인 복합재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리우레아 코팅 층은 상기 섬유 강화된 중합체 직물 층의 노출된 표면에 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 도포함으로써 형성되고, 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액은 방향족 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 것인 복합재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폴리우레아가 첨가제 성분을 추가로 포함하고, 첨가제 성분이 자외선(UV) 보호 첨가제, 난연제, 부식 보호 첨가제, 내습 첨가제, 세라믹 마이크로구(microsphere) 및 이들의 조합 중 하나 이상인 복합재.
  7. 기재를 제공하는 단계;
    상기 기재의 적어도 일부에 고인성(high tenacity) 섬유 강화된 중합체 직물을 부착시키는 단계;
    상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물의 노출된 표면에 포화제(saturant) 조성물을 도포하는 단계로서, 포화제 조성물은 중합체 수지를 포함하는 것인 단계;
    상기 포화제 조성물을 경화시켜 점착성 표면을 형성하는 단계;
    상기 점착성 표면에 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 도포하는 단계; 및
    상기 폴리우레아 형성 성분 용액을 경화시켜 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 단계
    를 포함하는, 기재를 강화시키는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기재가 목재, 석재, 콘크리트, 강재 및 이들의 조합 중 하나 이상인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 포화제 조성물은 제1 시간 동안 경화되고, 상기 폴리우레아 형성 성분 용액은 제2 시간 동안 경화되고, 상기 방법은 상기 제1 시간 및 제2 시간을 변경하여 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 상의 폴리우레아 코팅 층의 물성을 수득하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  10. 제7항에 있어서, 기재의 적어도 일부 상에서 표면 준비(surface preparation)를 수행하는 단계로서, 표면 준비는 기재를 매끄럽게 하는 것, 기재의 하나 이상의 손상된 부분을 퍼티(putty) 물질로 충전시키는 것 및 기재를 세정하는 것 중 하나 이상을 포함하는 것인 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물은 기재 둘레에 래핑(wrapped)되는 것인 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 폴리우레아 형성 성분 용액은 이소시아네이트 성분 및 폴리아민 성분을 포함하고, 상기 방법은 이소시아네이트 성분 및 폴리아민 성분을, 점착성 표면에 도포하기 전에, 혼합하여 폴리우레아 형성 성분 용액을 형성하는 단계로서, 폴리우레아 형성 성분 용액은 과량의 이소시아네이트 성분을 갖는 것인 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 점착성 표면 상에 폴리우레아 형성 성분 용액을 분무하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 폴리우레아 형성 성분 용액 내로 첨가제 성분을 제공하는 단계로서, 첨가제 성분은 자외선(UV) 보호 첨가제, 난연제, 부식 보호 첨가제, 내습 첨가제, 세라믹 마이크로구 및 이들의 조합 중 하나 이상인 것인 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제7항에 있어서, 상기 폴리우레아 코팅 층은 일정 두께를 갖고, 상기 방법은 폴리우레아 코팅 층의 두께를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  16. 제7항에 있어서, 적어도 상기 형성 성분 용액의 제1 성분 및 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물에 도포된 포화제 조성물의 점착성 표면의 제2 성분은 상호작용하여 상기 폴리우레아 코팅 층과 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 사이에 지속가능한 계면을 형성하는 것인 방법.
  17. 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 형성하는 단계를 포함하는, 복합재를 제공하는 방법으로서, 상기 형성 단계는
    고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 제공하는 단계;
    상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물의 표면에 포화제 조성물을 도포하는 단계로서, 포화제 조성물은 중합체 수지를 포함하는 것인 단계;
    상기 포화제 조성물을 경화시켜 점착성 표면을 형성하는 단계;
    상기 점착성 표면에 탄성중합체 폴리우레아 형성 성분 용액을 도포하는 단계; 및
    상기 폴리우레아 형성 성분 용액을 경화시켜 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 상에 폴리우레아 코팅 층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 기재 상에 위치시키기 전에 강화하고자 하는 기재의 적어도 일부를 준비하는 단계; 및
    상기 기재의 손상된 부분에 상기 폴리우레아-코팅된 고인성 섬유 강화된 중합체 직물을 부착시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 포화제 조성물은 제1 시간 동안 경화되고, 상기 폴리우레아 형성 성분 용액은 제2 시간 동안 경화되고, 상기 방법은 상기 제1 시간 및 제2 시간을 변경하여 기재의 손상된 부분의 평가에 적어도 부분적으로 기초한 두께의 폴리우레아 코팅 층을 수득하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  20. 제17항에 있어서, 적어도 상기 폴리우레아 형성 성분 용액의 제1 성분 및 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물에 도포된 포화제 조성물의 점착성 표면의 제2 성분은 상호작용하여 상기 폴리우레아 코팅 층과 상기 고인성 섬유 강화된 중합체 직물 사이에 지속가능한 계면을 형성하는 것인 방법.
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