KR20240043250A - Frp 리바 제조장치 - Google Patents

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KR20240043250A KR1020220122088A KR20220122088A KR20240043250A KR 20240043250 A KR20240043250 A KR 20240043250A KR 1020220122088 A KR1020220122088 A KR 1020220122088A KR 20220122088 A KR20220122088 A KR 20220122088A KR 20240043250 A KR20240043250 A KR 20240043250A
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추용식
권도영
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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은, 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하는 와인딩 플레이트(410); 상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하는 크릴부(420); 및 상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하고 상기 크릴부(420)에 권취된 리브용 섬유(22)를 상기 코어(10) 쪽으로 풀어지도록 가이드하면서 상기 리브용 섬유(22)가 느슨하게 쳐지는 것을 억제하기 위한 가이드로드(430)를 포함하며, 상기 크릴부(420)에서 풀려진 리브용 섬유(22)는 상기 가이드로드(430)를 거쳐서 상기 코어(10)의 외주면에 감겨지는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 코어의 외주면에 와인딩 장력을 통해 압착하듯이 리브용 섬유를 나선형으로 감기 때문에 FRP 리바의 밀도를 높여 강도를 높일 수 있고, 장력 부하용 스프링과 조임나사를 통해 코어를 구성하는 코어용 섬유들이 느슨하지 않고 단단하고 조밀하게 묶여 있도록 제어할 수 있으며, 리브용 섬유로 코어를 감기 전 리브용 섬유가 수지함침조에 함침되어 수지 코팅이 이루어질 수 있으므로 리브의 일체화가 가능할 수 있다.

Description

FRP 리바 제조장치{Manufacturing apparatus of fiber reinforced polymer rebar}
본 발명은 FRP 리바 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어의 외주면에 와인딩 장력을 통해 압착하듯이 리브용 섬유를 나선형으로 감기 때문에 FRP 리바의 밀도를 높여 강도를 높일 수 있고, 장력 부하용 스프링과 조임나사를 통해 코어를 구성하는 코어용 섬유들이 느슨하지 않고 단단하고 조밀하게 묶여 있도록 제어할 수 있으며, 리브용 섬유로 코어를 감기 전 리브용 섬유가 수지함침조에 함침되어 수지 코팅이 이루어질 수 있으므로 리브의 일체화가 가능할 수 있는 FRP 리바 제조장치에 관한 것이다.
철근은 우수한 탄성, 연성 및 소성 특성을 보유하여 콘크리트 구조물 강화를 위해 폭넓게 사용되고 있다. 하지만, 해안지역의 철근 사용은 부식 등에 의한 구조물 서비스 수명을 단축시키거나, 제설제에 의한 철근 부식도 도로 수명 단축 및 복구비용을 증가시킨다. 또한, 콘크리트 내에 철근이 부식되면 철근 단면 손실로 인한 내하력의 감소, 철근 마디(리브) 손상에 의한 부착력 저하 등으로 인해 철근-콘크리트 구조물의 안전성에 악영향을 미친다.
따라서, 이와 같은 문제점 해결을 위해 FRP(Fiber Reinforced Polymer) 리바(Rebar)가 철근 부식 방지용 대체재로 새롭게 개발·적용되고 있다. 특히, FRP 리바는 우수한 인장 강성, 경량성, 내구성 등을 가지며, 일부 콘크리트 구조물에는 이미 적용되고 있는 상황이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2198226호(콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조장치 및 이를 통해 제조된 섬유강화 복합체 보강근)에서는 '복합체 보강근 로빙 섬유가 권선된 복수의 권취부; 상기 복수의 권취부로부터 상기 로빙 섬유 각각을 다발로 풀어내어 함침되도록 형성되는 수지함침부; 상기 수지함침부에 함침된 상기 로빙 섬유 다발이 함께 투입되어 인발 성형으로 보강근 로드를 가공하되, 나팔관처럼 출구로 갈수록 내부통로가 좁아져 상기 로빙 섬유 다발을 모우는 전단부 몰드와, 상기 전단부 몰드를 통과한 상기 로빙 섬유 다발의 형상을 가공하도록 내부통로가 일자로 형성된 후단부 몰드를 포함하는 로드가공부; 상기 로드가공부에서 배출되는 상기 보강근 로드의 외주면에 리브용 섬유를 나선형으로 와인딩하여 리브를 형성하는 와인딩부; 상기 리브가 형성된 상기 보강근 로드에 열을 가하여 경화 반응을 촉진시키는 경화부; 상기 경화부에서 가열된 보강근 로드에 유체를 공급하여 냉각하는 냉각부; 상기 냉각부를 통과한 상기 보강근 로드를 후방으로 당겨, 전체 공정에서 상기 보강근 로드를 후속 공정으로 이송하는 이송부 등으로 구성되어 있다'고 하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1936499호(나선형 리브를 가진 복합소재 리바의 제조방법)에서는 '심재용 섬유들을 다발로 풀어내어 수지 함침조에 함침시키는 수지 함침단계와, 상기 수지 함침조에 함침된 상기 심재용 섬유 다발을 인발성형기를 통해 인발 성형하여 리바 로드를 형성하는 리바 로드 형성단계와, 상기 인발성형기로부터 인발 성형된 상기 리바 로드의 외주면에 와인딩 섬유실을 감아 상기 리바 로드의 외주면에 와인딩 섬유실층을 형성하는 제1 와인딩 단계와, 상기 와인딩 섬유실층이 형성된 상기 리바 로드를 제1 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제1 경화단계와, 상기 제1 경화실에서 가경화되어 나온 상기 리바 로드의 상기 와인딩 섬유실층 외주면에 리브용 섬유를 나선형으로 감아 리브를 형성하는 제2 와인딩 단계와, 상기 리브가 형성된 상기 리바 로드를 제2 경화실에 투입한 후 열을 가하여 가경화시키는 제2 경화단계와, 상기 제2 경화실에서 가경화되어 나온 복합소재 리바를 당김부를 통해 후방으로 연속해서 당겨주는 당김 단계를 포함하여 이루어진다'라고 하였다.
그런, 상기 방법들의 문제점은 크게 2가지가 있다. 첫 번째는 FRP 리바에 감겨져 있는 리브용 섬유가 수지에 함침되지 않아 FRP 리바의 코어에 존재하는 수지를 흡수하는 특징이 있다는 것이다. 이에 따라 FRP 리바의 코어 부분 중 리브가 부착되어 있는 부분에서 코어에 함유된 수지가 리브로 빠져나가 기공이 발생되게 된다. 두 번째는 수지가 없는 리브와 수지가 있는 코어가 일체화되지 않아 이동 및 설치 작업 중 리브가 탈락되는 현상이 발생한다. 더불어 수지가 함침되지 않은 리브가 일체화되지 않아 콘크리트 매립 후 콘크리트에 외부 하중이 가해질 경우에도 리브가 끊어지거나, 분리되기도 한다. 이에 따라 FRP 리바의 인장강도는 하락하고, 콘크리트와의 부착강도는 크게 낮아지게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-2198226호 대한민국 등록특허공보 제10-1936499호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 코어의 외주면에 와인딩 장력을 통해 압착하듯이 리브용 섬유를 나선형으로 감기 때문에 FRP 리바의 밀도를 높여 강도를 높일 수 있고, 장력 부하용 스프링과 조임나사를 통해 코어를 구성하는 코어용 섬유들이 느슨하지 않고 단단하고 조밀하게 묶여 있도록 제어할 수 있으며, 리브용 섬유로 코어를 감기 전 리브용 섬유가 수지함침조에 함침되어 수지 코팅이 이루어질 수 있으므로 리브의 일체화가 가능할 수 있는 FRP 리바 제조장치를 제공함에 있다.
본 발명은, 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)의 외주면에 리브용 섬유를 와인딩하기 위한 와인딩부(400)를 포함하는 FRP 리바 제조장치에 있어서, 상기 와인딩부(400)는, 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하는 와인딩 플레이트(410); 상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하는 크릴부(420); 및 상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하고 상기 크릴부(420)에 권취된 리브용 섬유(22)를 상기 코어(10) 쪽으로 풀어지도록 가이드하면서 상기 리브용 섬유(22)가 느슨하게 쳐지는 것을 억제하기 위한 가이드로드(430)를 포함하며, 상기 크릴부(420)에서 풀려진 리브용 섬유(22)는 상기 가이드로드(430)를 거쳐서 상기 코어(10)의 외주면에 감겨지는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치를 제공한다.
상기 크릴부(420)는 상기 와인딩 플레이트(410)의 가장자리 부근에 고정되고, 상기 가이드로드(430)는 상기 크릴부(420) 보다 상기 와인딩 플레이트(410)의 중심부에 가깝게 고정되며, 상기 와인딩 플레이트(410)가 상기 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하고 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420)에서 상기 회전에 연동되어 함께 회전하면서 리브용 섬유(22)가 풀려지고 상기 가이드로드(430)를 거쳐 상기 코어(10)의 길이 방향을 따라 외주면에 상기 리브용 섬유(22)가 감겨진다.
리브(20)의 장력을 제어하기 위해 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420) 측면에 압력을 주기 위한 장력 부하용 스프링(440)과 조임나사(450)가 상기 크릴부(420) 측면에 구비되어 있을 수 있다.
리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420) 측면에 설치된 장력 부하용 가압판(460)에 상기 장력 부하용 스프링(440)에 의한 압력이 가해지고, 상기 장력 부하용 가압판(460)에 가해지는 압력이 상기 크릴부(420)에 전달되어 상기 리브(20)의 장력이 제어될 수 있다.
상기 크릴부(420) 측면에 부가하는 장력을 측정하기 위해 스프링 장력 측정장치가 설치되어 있을 수 있다.
상기 가이드로드(430)에는 리브용 섬유(22)가 통과하는 구멍이 형성되어 있을 수 있다.
상기 크릴부(420)는 복수 개 구비될 수 있고, 이에 대응하여 상기 가이드로드(430)도 복수 개 구비될 수 있다.
상기 리브용 섬유(22)로 코어(10)를 감기 전 리브용 섬유(22)가 수지함침조(480)에 함침되어 수지 코팅이 이루어지도록 조정할 수 있다.
상기 수지함침조(480)는 자유 회전이 가능하도록 하여 상기 와인딩 플레이트(410) 회전 시 상기 수지함침조(480) 내부에 있는 수지가 외부로 쏟아지지 않게 하는 것이 바람직하다.
상기 수지함침조(480) 외부에 발열체를 설치하여 상기 수지함침조(480) 내부에 있는 수지의 온도를 제어할 수 있다.
상기 와인딩 플레이트(410)는 전체적으로 원판 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 코어의 외주면에 와인딩 장력을 통해 압착하듯이 리브용 섬유를 나선형으로 감기 때문에 FRP 리바의 밀도를 높여 강도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 장력 부하용 스프링과 조임나사를 통해 코어를 구성하는 코어용 섬유들이 느슨하지 않고 단단하고 조밀하게 묶여 있도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 리브용 섬유로 코어를 감기 전 리브용 섬유가 수지함침조에 함침되어 수지 코팅이 이루어질 수 있으므로 리브의 일체화가 가능할 수 있다.
도 1은 FRP 리바 제조장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 권취부의 일 예를 보여주는 사진이다.
도 3은 수지함침부의 일 예를 보여주는 사진이다.
도 4는 인발성형부의 일 예를 보여주는 사진이다.
도 5는 와인딩부의 일 예를 보여주는 사진이다.
도 6은 경화부의 일 예를 보여주는 사진이다.
도 7은 당김부의 일 예를 보여주는 사진이다.
도 8은 커팅부의 일 예를 보여주는 사진이다.
도 9는 와인딩부의 일 예를 더욱 구체적으로 보여주는 사진이다.
도 10은 와인딩부에 수지함침조가 설치된 일 예를 보여주는 도면이다.
도 11a는 리브의 장력이 약할 경우의 모습을 보여주는 도면이고, 도 11b는 코어를 감는 리브의 장력이 적절할 경우를 보여주는 도면이다.
도 12a는 실험예 1에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 50㎛)를 보여주고, 도 12b는 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 50㎛)를 보여주며, 도 12c는 실험예 1에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 400㎛)를 보여주고, 도 12d는 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 400㎛)를 보여준다.
도 13a 내지 도 13f는 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 3차원 특성을 확인하기 위해 X-ray CT를 측정한 사진이다.
도 14a 리브 장력 부하 장치 및 수지함침조 설치 후 리브용 섬유에 수지를 코팅시키지 않고 FRP 리바를 제조한 경우의 미세구조를 보여주는 도면이고, 도 14b는 리브 장력 부하 장치 및 수지함침조 설치 후 리브용 섬유에 수지를 코팅시켜 FRP 리바를 제조한 경우의 미세구조를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FRP 리바 제조장치는, 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)의 외주면에 리브용 섬유를 와인딩하기 위한 와인딩부(400)를 포함하는 FRP 리바 제조장치로서, 상기 와인딩부(400)는, 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하는 와인딩 플레이트(410); 상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하는 크릴부(420); 및 상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하고 상기 크릴부(420)에 권취된 리브용 섬유(22)를 상기 코어(10) 쪽으로 풀어지도록 가이드하면서 상기 리브용 섬유(22)가 느슨하게 쳐지는 것을 억제하기 위한 가이드로드(430)를 포함하며, 상기 크릴부(420)에서 풀려진 리브용 섬유(22)는 상기 가이드로드(430)를 거쳐서 상기 코어(10)의 외주면에 감겨진다.
상기 크릴부(420)는 상기 와인딩 플레이트(410)의 가장자리 부근에 고정되고, 상기 가이드로드(430)는 상기 크릴부(420) 보다 상기 와인딩 플레이트(410)의 중심부에 가깝게 고정되며, 상기 와인딩 플레이트(410)가 상기 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하고 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420)에서 상기 회전에 연동되어 함께 회전하면서 리브용 섬유(22)가 풀려지고 상기 가이드로드(430)를 거쳐 상기 코어(10)의 길이 방향을 따라 외주면에 상기 리브용 섬유(22)가 감겨진다.
리브(20)의 장력을 제어하기 위해 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420) 측면에 압력을 주기 위한 장력 부하용 스프링(440)과 조임나사(450)가 상기 크릴부(420) 측면에 구비되어 있을 수 있다.
리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420) 측면에 설치된 장력 부하용 가압판(460)에 상기 장력 부하용 스프링(440)에 의한 압력이 가해지고, 상기 장력 부하용 가압판(460)에 가해지는 압력이 상기 크릴부(420)에 전달되어 상기 리브(20)의 장력이 제어될 수 있다.
상기 크릴부(420) 측면에 부가하는 장력을 측정하기 위해 스프링 장력 측정장치가 설치되어 있을 수 있다.
상기 가이드로드(430)에는 리브용 섬유(22)가 통과하는 구멍이 형성되어 있을 수 있다.
상기 크릴부(420)는 복수 개 구비될 수 있고, 이에 대응하여 상기 가이드로드(430)도 복수 개 구비될 수 있다.
상기 리브용 섬유(22)로 코어(10)를 감기 전 리브용 섬유(22)가 수지함침조(480)에 함침되어 수지 코팅이 이루어지도록 조정할 수 있다.
상기 수지함침조(480)는 자유 회전이 가능하도록 하여 상기 와인딩 플레이트(410) 회전 시 상기 수지함침조(480) 내부에 있는 수지가 외부로 쏟아지지 않게 하는 것이 바람직하다.
상기 수지함침조(480) 외부에 발열체를 설치하여 상기 수지함침조(480) 내부에 있는 수지의 온도를 제어할 수 있다.
상기 와인딩 플레이트(410)는 전체적으로 원판 형태로 이루어질 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FRP 리바 제조장치를 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 FRP 리바 제조장치의 일 예를 도시한 도면이고, 도 2는 권취부의 일 예를 보여주는 사진이며, 도 3은 수지함침부의 일 예를 보여주는 사진이고, 도 4는 인발성형부의 일 예를 보여주는 사진이며, 도 5는 와인딩부의 일 예를 보여주는 사진이고, 도 6은 경화부의 일 예를 보여주는 사진이며, 도 7은 당김부의 일 예를 보여주는 사진이고, 도 8은 커팅부의 일 예를 보여주는 사진이며, 도 9는 와인딩부의 일 예를 더욱 구체적으로 보여주는 사진이며, 도 10은 와인딩부에 수지함침조가 설치된 일 예를 보여주는 도면이다. 도 11a는 리브(20)의 장력이 약할 경우의 모습을 보여주는 도면이고, 도 11b는 코어(10)를 감는 리브(20)의 장력이 적절할 경우를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 11b를 참조하면, 본 발명에서는 FRP 리바를 인발성형 방식으로 제조하며, FRP 리바 제조장치는 FRP 리바를 제조하기 위하여 권취부(100), 수지함침부(200), 인발성형부(300), 와인딩부(400), 경화부(500), 당김부(600) 및 커팅부(700)를 포함한다.
FRP(Fiber Reinforced Polymer)는 우수한 내후성, 내수성, 내유성, 내산화성 등을 가지며, 섬유를 수지로 다층 접착하여 경화시킨 복합재료로서, 철강 소재에 비하여 경량으로 만들 수 있고, 제작이 용이하며, 기계적 강도가 우수한 특징이 있다.
FRP 리바를 제조하기 위한 권취부(100)에는 FRP 리바의 코어를 구성하기 위한 섬유(이하, '코어용 섬유'라 함)(12)가 권선되어 있다. 복수의 코어용 섬유(12)가 뭉쳐서 FRP 리바의 코어를 구성하여 FRP의 근간을 이룬다. FRP 리바를 제조하기 위해 권취부(100)는 복수로 구성되며, 권취부(100)의 수는 FRP 리바의 코어 직경에 대응한다. 권취부(100)를 통해 코어용 섬유(12)가 풀어지고, FRP 리바를 제조하기 위해 뭉쳐지는 코어용 섬유(12)의 갯수에 따라 FRP 리바의 코어 직경이 결정된다. 코어용 섬유(12)는 PVA 섬유, 탄소 섬유, 폴리에스테르 섬유, 아라미드 섬유, 유리 섬유 등이거나, 이들을 결합한 복합섬유일 수 있다.
코어용 섬유(12)가 감긴 복수의 권취부(100) 각각으로부터 풀려진 다발의 코어용 섬유들은 수지함침부(200)로 이동되어 함침된다. 수지함침부(200)는 복수의 권취부(100)로부터 이동된 코어용 섬유(12) 다발을 수지에 함침시키는 역할을 한다. 수지함침부(200)는 수조 형태로서 코어용 섬유(12) 다발이 동시에 함침될 수 있도록 수용공간 내에 수지가 채워져 있다. 수지함침부(200)에 채워진 수지는 FRP 리바의 인장강도, 탄성계수 상승 등을 위한 것으로 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지, 비닐에스테르 수지 등일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 FRP 리바의 인장강도, 탄성계수 상승 등을 위해 사용될 열경화성 수지라면 상관이 없다. 수지함침부(200)에는 수지 이외에 경화제, 착색제 등이 더 수용되어 있을 수 있다.
수지함침부(200)에서 수지가 충분하게 함침된 다발의 코어용 섬유(12)들은 인발성형부(300)로 이동된다. 인발성형부(300)는 수지가 함침된 코어용 섬유(12) 다발이 투입되면 인발 성형으로 FRP 리바의 코어 형상으로 가공하는 장치이다. 인발성형부(300)는 입구가 넓고 출구로 갈수록 좁아지는 마치 나팔관 형태의 구조를 이루고 있을 수 있다. 인발성형부(300)의 입구는 출구에 비해 상대적으로 넓어 수지가 함침된 코어용 섬유(12) 다발을 모울 수 있는 구조를 이루고 있다. 인발성형부(300)의 출구로 일정 부분 갈수록 그 단면이 좁아져 코어용 섬유 다발은 병목현상으로 서로 단단하게 뭉쳐지게 된다. 이를 통해 코어용 섬유(12) 다발은 더욱 밀착될 수 있고 단위면적당 밀도가 높아면서 직경이 최소화되고, 코어용 섬유(12) 다발이 뭉쳐져서 형성되는 코어(10)는 보다 큰 강도를 가질 수가 있다.
인발성형부(300)로 이동된 다발의 코어용 섬유(12)들은 봉 형상(로드(rod) 형태)의 코어로 성형된다. 수지함침조(200)에 함침된 코어용 섬유(12) 다발은 인발성형부(300)를 통해 인발성형되어 FRP 리바의 근간을 이루는 코어(10)를 구성한다. 코어용 섬유(12) 다발은 인발성형부(300)의 직경에 대응하여 인발성형되고, 인발성형되어 형성되는 코어(10)는 그 단면이 원형이고 길이 방향을 따라 로드(rod) 형상을 가진다. 코어(100)에서 코어용 섬유(12)들은 길이 방향을 따라 배열된다.
인발성형부(300)를 통해 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)는 와인딩부(400)로 이송된다. 와인딩부(400)는 코어(10)의 외주면에 리브용 섬유(22)를 감아 코어(10)의 외주면에 리브(200)를 형성하는 장치이다. 와인딩부(400)는 인발성형부(300)에서 배출되는 코어(10)의 외주면에 리브용 섬유(22)를 나선형으로 와인딩하여 FRP 리바의 리브(20)를 형성한다. 리브용 섬유(22)는 PVA 섬유, 탄소 섬유, 폴리에스테르 섬유, 아라미드 섬유, 유리 섬유 등이거나, 이들을 결합한 복합섬유일 수 있다.
와인딩부(400)는 이송되는 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하는 와인딩 플레이트(410)와, 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되고 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하는 크릴부(420)와, 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되고 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하며 크릴부(420)에 권취된 리브용 섬유(22)를 코어(10) 쪽으로 풀어지도록 가이드하면서 리브용 섬유(22)가 느슨하게 쳐지는 것을 억제하기 위한 가이드로드(430)를 포함한다. 크릴부(420)에서 풀려진 리브용 섬유(22)는 가이드로드(430)를 거쳐서 코어(10)의 외주면에 감겨지게 된다. 가이드로드(430)에는 리브용 섬유(22)가 통과하는 구멍(432)이 형성되어 있을 수 있다. 크릴부(420)는 복수 개 구비될 수 있고, 크릴부(420)가 복수 개 구비되는 경우에 이에 대응하여 가이드로드(430)도 복수 개 구비될 수 있다. 와인딩 플레이트(410)는 전체적으로 원판 형태로 이루어질 수 있고, 코어(10)는 와인딩 플레이트(410)의 중심부를 통과하게 구성된다. 크릴부(420)는 와인딩 플레이트(410)의 가장자리 부근에 고정되고, 가이드로드(430)는 크릴부(420) 보다 와인딩 플레이트(410)의 중심부에 가깝게 고정된다. 와인딩 플레이트(410)가 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하고 리브용 섬유(22)가 권취된 크릴부(420)에서 상기 회전에 연동되어 함께 회전하면서 리브용 섬유(22)가 풀려지고 가이드로드(430)를 거쳐 코어(10)의 길이 방향을 따라 외주면에 리브용 섬유(22)가 감겨진다. 와인딩부(400)가 리브용 섬유(22)를 와인딩할 때, 코어(10)의 외주면에 형성되는 리브(20)가 1∼50 ㎜ 정도의 간격을 이루도록 와인딩하는 것이 바람직하다.
리브(20)는 코어(10)를 구성하는 코어용 섬유(12)들이 느슨하지 않고 단단하고 조밀하게 묶여 있도록 제어하는 것이 바람직하다. 리브(20)의 장력이 약할 경우(도 11a 참조), 코어용 섬유(12)간 거리가 멀어지고, 코어용 섬유들 사이에 존재하는 기공 크기가 크며, 기공도 많아지게 된다. 하지만, 코어(10)를 감는 리브(20)의 장력이 적절할 경우(도 11b 참조), 리브(20)의 압축력에 의해 코어(10) 내에 존재하는 기공이 작아지며, 또한 일부 기공은 외부로 방출되는 효과도 얻게 된다. 따라서, 리브(20)에 장력을 줄 수 있는 장비가 필요하다.
리브(20)에 장력을 주기 위해서는 리브용 섬유(22)가 권취된 크릴부(420) 측면에 압력을 가해주는 것이 바람직하다. 크릴부(420) 측면에 압력을 가해 주기 위해, 도 9와 같이 크릴부(420) 측면에 장력 부하용 스프링(440)과 조임나사(450)를 설치한다. 장력 부하용 스프링(440)은 리브용 섬유가 권취된 크릴부(420) 측면에 설치된 장력 부하용 가압판(460)에 압력을 주어 최종적으로는 크릴부(420)에 압력을 줄 수 있도록 제어한다. 리브용 섬유(22)가 권취된 크릴부(420) 측면에 설치된 장력 부하용 가압판(460)에 상기 장력 부하용 스프링(440)에 의해 압력이 가해지고 상기 장력 부하용 가압판(460)에 가해지는 압력이 크릴부(420)에 전달되어 리브(20)의 장력이 제어된다. 조임나사(450)를 돌려서 장력 부하용 스프링(440)에 의해 가해지는 압력을 조절할 수 있다. 크릴부(420)에 압력을 더욱 가해주기 위해서는 조임나사(450)를 일정 방향(예컨대, 시계 방향)으로 돌려 장력 부하용 스프링(440)이 좀 더 압축되도록 하며, 반대로 크릴부(420)에 압력을 줄여주기 위해서는 조임나사(450)를 반대 방향(예컨대, 시계 반대 방향)으로 돌려준다. 크릴부(420) 측면에서 압력을 받게 되면 크릴부(420)는 리브용 섬유(22)를 푸는 속도가 느려지며, 이에 따라 리브용 섬유(22)도 서서히 풀어져 이동하는 코어(10)를 단단하게 감게 된다. 이때 크릴부(420) 측면에 가해지는 압력 세기, 즉 리브용 섬유(22)의 풀어지는 속도는 코어(10)의 이동 속도와 연계하여 조정되어야 한다. 더불어 크릴부(420) 측면에 부가하는 장력을 측정하기 위해 스프링 장력 측정장치(미도시)를 추가 설치하여 장력을 수치화하여 조정할 수 있다.
FRP 리바 제조 시에는 리브의 일체화 기술이 매우 중요하며, 일체화를 위해서는 리브용 섬유(22)의 수지 함침이 필요하다.
리브용 섬유(22)로 코어(10)를 감기 전 리브용 섬유(22)가 수지함침조(480)에 함침되어 수지 코팅이 이루어지도록 조정하는 것이 바람직하다. 수지함침조(480)는 복수의 크릴부(420)로부터 풀린 리브용 섬유(22)을 수지에 함침시키는 역할을 한다. 수지함침조(480)는 수조 형태로서 리브용 섬유(22)가 함침될 수 있도록 수용공간 내에 수지가 채워져 있다. 수지함침조(480)에 채워진 수지는 리브의 인장강도, 탄성계수 상승 등을 위한 것으로 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지, 비닐에스테르 수지 등일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 FRP 리바의 인장강도, 탄성계수 상승 등을 위한 열경화성 수지라면 상관이 없다. 수지함침조(480)에는 수지 이외에 경화제, 착색제 등이 더 수용되어 있을 수 있다.
수지함침조(480)는 자유 회전이 가능하도록 하여 와인딩 플레이트(410) 회전 시 수지함침조(480) 내부에 있는 수지가 외부로 쏟아지지 않도록 한다. 수지함침조(480) 외부에 발열체(미도시)를 설치하여 수지함침조(480) 내부에 있는 수지 온도를 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 발열체를 설치하는 이유는 수지 온도 변화에 따라 리브용 섬유(22)의 수지 코팅량 등을 제어하고, 최종적으로는 FRP 리바 물성을 좌우할 수 있기 때문이다.
와인딩부(400)를 통해 리브용 섬유(22)를 코어(10)의 외주면에 감게 되면, 코어(10)를 이루는 코어용 섬유(12)가 코어(10)의 길이 방향을 따라 배열되고, 와인딩부(400)를 통해 리브용 섬유(22)는 코어(10)의 길이 방향에 대하여 외주면에 나선형으로 감긴다. 코어(10)의 외주면에 와인딩 장력을 통해 압착하듯이 리브용 섬유(22)를 나선형으로 감기 때문에 FRP 리바의 밀도를 높여 강도를 높일 수 있다. 코어(10)의 길이 방향으로 배열된 코어용 섬유들의 외주면에 리브용 섬유(22)가 감겨지므로 보다 큰 강도를 얻을 수 있다. 코어(10)의 외주면에 나선형으로 리브용 섬유(22)가 감겨져서 리브(20)를 이루기 때문에 콘크리트와의 접촉면적을 극대화시킬 수 있고, 리브(20) 사이에도 콘크리트가 충진되어 양생됨에 따라 FRP 리바와 콘크리트는 일체로 거동할 수 있다.
코어(10)의 외주면에 리브용 섬유(22)가 와인딩되어 리브(20)가 형성되면, 경화부(500)로 이송시켜 코어(10)와 리브(20)에 열을 가하여 일체로 경화시킨다. 경화부(500)는 리브(20)가 형성된 FRP 리바에 열을 가하여 수지를 경화시키는 역할을 한다. 경화 온도는 코어용 섬유(12), 리브용 섬유(22), 함침에 사용하는 수지의 종류 등에 따라 결정될 수 있으며, 예컨대 100∼250℃ 정도일 수 있다.
경화된 FRP 리바는 당김부(600)로 이송된다. 당김부(600)로 이동되는 중에 경화된 리바는 냉각되게 된다. 코어(10)와 리브(20)가 형성된 FRP 리바가 경화부(500)를 통해 경화된 후 외부에 노출됨으로써 공기 중에서 빠르게 냉각되어 FRP 리바의 강성이 확보될 수 있다. 당김부(600)는 경화부(500)를 통과한 FRP 리바를 후방으로 당기는 역할을 한다. 당김부(600)의 상부 및/또는 하부에는 회전하는 롤러가 구비되어 있어 FRP 리바를 후방으로 당길 수가 있다.
커팅부(700)는 당김부(600)를 통해 배출되는 FRP 리바를 미리 설정된 소정 길이로 커팅하는 역할을 한다. 미리 설정된 길이로 FRP 리바를 절단함으로써 제품화, 보관 및 이송이 용이해질 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
코어용 섬유(12)가 감긴 복수의 권취부(100)에서 각각의 스풀(실패)로부터 풀려진 코어용 섬유들을 수지함침부(200)로 이동시켜 수지를 함침시키고, 수지함침부(200)에서 수지가 충분하게 함침된 코어용 섬유(12)들을 인발성형부(300)로 이동시켜 인발성형한 후, 경화부(500)에서 경화시켰다.
코어용 섬유는 탄소 섬유를 사용하였고, 수지함침부(200)에서는 에폭시 수지를 사용하였다.
실험예 1은 코어(10)의 외주면에 리브(200)를 형성하지 않은 경우이다.
도 12a 및 도 12c는 코어의 외주면에 리브를 형성하지 않은 조건으로 제조된 FRP 리바의 광학현미경 사진(미세구조)을 나타낸 것이다. 도 12a는 실험예 1에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 50㎛)를 보여주고, 도 12c는 실험예 1에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 400㎛)를 보여준다.
<실험예 2>
코어용 섬유(12)가 감긴 복수의 권취부(100)에서 각각의 스풀(실패)로부터 풀려진 코어용 섬유들을 수지함침부(200)로 이동시켜 수지를 함침시키고, 수지함침부(200)에서 수지가 충분하게 함침된 코어용 섬유(12)들을 인발성형부(300)로 이동시켜 인발성형한 후, 인발성형부(300)를 통해 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)를 와인딩부(400)로 이송시키고, 코어(10)의 외주면에 리브용 섬유(22)를 감아 코어(10)의 외주면에 리브(200)를 형성하고, 경화부(500)에서 경화시켰다. 와인딩 시에 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420) 측면에 압력을 주기 위해 장력 부하용 스프링(440)과 조임나사(450)를 이용하여 상기 크릴부(420) 측면에 압력을 인가하였다.
코어용 섬유는 탄소 섬유를 사용하였고, 리브용 섬유는 유리 섬유를 사용하였으며, 수지함침부(200)에서는 에폭시 수지를 사용하였다.
실험예 2는 코어(10)의 외주면에 리브(200)를 형성한 경우이다.
도 12b 및 도 12d는 리브 장력 부하 장치(장력 부하용 스프링(440)과 조임나사(450)) 설치한 후, 리브용 섬유를 수지함침조(480)에서 수지 함침시키지 않은 조건에서 제조된 FRP 리바의 광학현미경 사진(미세구조)을 나타낸 것이다. 도 12b는 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 50㎛)를 보여주며, 도 12d는 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 미세구조(스케일 바 400㎛)를 보여준다.
도 12a 내지 도 12d를 참조하면, FRP 리바의 미세구조 관찰 결과, 탄소 섬유는 흰색의 둥근 입자로 관찰되었으며, 수지는 둥근 흰색의 탄소 섬유를 제외한 회색 또는 검은색 바탕 부분으로 관찰되었다.
실험예 1에 따라 코어(10)의 외주면에 리브(20)를 형성하지 않은 경우로서 크릴부(420)에 적정 압력이 가해지지 않은 경우에 도 12a와 같이 탄소 섬유 간 거리가 상대적으로 멀고, 수지가 넓은 범위에서 관찰되었다. 실험예 2에 따라 리브 장력 부하 장치를 사용하여 크릴부(420)에 적정 압력이 가해진 경우에, 도 12b와 같이 코어를 이루는 탄소 섬유들이 밀집되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.
광학현미경 사진 측정 후 이미지 분석 프로그램을 사용하여 코어 부분의 기공율을 분석한 결과, 표 1과 같이 리브 없이 제조 시(실험예 1의 경우)에는 기공율 2.32%, 리브 사용 시(실험예 2의 경우)에는 기공율 0.91%이었다. 리브 사용 시에는 리브가 없을 때보다 기공율은 약 61%가 감소되는 결과가 도출되었다.
구 분 실험예 1 실험예 2 비 고
기공율 (%) 2.32 0.91 기공율 61% 감소
휨강도 (MPa) 14.60 18.34 휨강도 25.6% 상승
휨강도 측정 시, 리브가 없을 때(실험예 1의 경우) 14.60MPa, 리브 사용 시(실험예 2의 경우) 18.34MPa로 약 25.6%의 휨강도 증진이 도출되었다. 따라서, 리브가 감겨 있을 경우, FRP 리바의 동일 단면적에 탄소 섬유가 좀 더 많이 존재하며, 또한 섬유 간 사이가 치밀하여 FRP 리바의 물성이 향상된 것으로 판단되었다.
도 13a 내지 도 13f는 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 3차원 특성을 확인하기 위해 X-ray CT를 측정한 사진이다. 도 13a는 실험예 1에 따라 제조된 FRP 리바의 종단면을 측정한 것이고, 도 13b는 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 종단면을 측정한 것이며, 도 13c는 실험예 1에 따라 제조된 FRP 리바의 횡단면을 측정한 것이고, 도 13d는 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 횡단면을 측정한 것이며, 도 13e는 실험예 1에 따라 제조된 FRP 리바의 3차원을 측정한 것이고, 도 13f는 실험예 2에 따라 제조된 FRP 리바의 3차원을 측정한 것이다.
도 13a 내지 도 13f를 참조하면, X-Ray CT 분석은 FRP 리바의 종단면, 횡단면 및 3차원 구조로 분석하였으며, FRP 리바들에서는 결함이 관찰되었다. 사진별 왼쪽 수직바에서 나타낸 바와 같이 결함 부피에 따라 결함 색상을 다르게 표현하였다. 결함(기공) 부피가 클수록 빨간색으로, 작을수록 파란색으로 나타내었다.
크릴 압력이 전혀 존재치 않는 리브 무 조건(실험예 1의 경우)에서 최대 기공 부피는 0.07mm3, 최대 기공 지름 0.51mm, 기공율 2.47% 이었다. 그러나, 적정 크릴 압력이 작용할 경우(실험예 2의 경우), 최대 기공 부피는 0.01mm3, 최대 기공 지름 0.27mm, 기공율 0.90% 이었다. 상기 광학현미경 관찰 시와 동일 경향이 관찰되었으며, 이는 크릴부 압력이 부하되어 리브용 섬유에 최적의 압력이 작용해야 한다는 것을 확인할 수 있는 결과이다. 따라서, FRP 리바를 제조하기 위해서는 리브가 감겨져야 하며, 이때 최적 장력을 가할 수 있는 리브 장력 부하 장치가 설치되어야 함이 바람직하다.
도 14a 리브 장력 부하 장치 및 수지함침조 설치 후 리브용 섬유에 수지를 코팅시키지 않고 FRP 리바를 제조한 경우의 미세구조를 보여주는 도면이고, 도 14b는 리브 장력 부하 장치 및 수지함침조 설치 후 리브용 섬유에 수지를 코팅시켜 FRP 리바를 제조한 경우의 미세구조를 보여주는 도면이다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 리브용 섬유의 수지 미함침 조건에서는 리브 부분에서 수백 마이크로 수준의 거대 기공들이 관찰되었으나, 리브용 섬유의 수지 함침 후에는 거대 기공들이 대부분 제거되었음을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 코어
12: 코어용 섬유
20: 리브
22: 리브용 섬유
100: 권취부
200: 수지함침부
300: 인발성형부
400: 와인딩부
410: 와인딩 플레이
420: 크릴부
430: 가이드로드
440: 장력 부하용 스프링
450: 조임나사
460: 장력 부하용 가압판
480: 수지함침조
500: 경화부
600: 당김부
700: 커팅부

Claims (11)

  1. 코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)의 외주면에 리브용 섬유를 와인딩하기 위한 와인딩부(400)를 포함하는 FRP 리바 제조장치에 있어서,
    상기 와인딩부(400)는,
    코어용 섬유(12) 다발이 인발성형되어 형성된 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하는 와인딩 플레이트(410);
    상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하는 크릴부(420); 및
    상기 와인딩 플레이트(410)의 일면에 고정되어 있고 상기 와인딩 플레이트(410)와 연동되어 회전하고 상기 크릴부(420)에 권취된 리브용 섬유(22)를 상기 코어(10) 쪽으로 풀어지도록 가이드하면서 상기 리브용 섬유(22)가 느슨하게 쳐지는 것을 억제하기 위한 가이드로드(430)를 포함하며,
    상기 크릴부(420)에서 풀려진 리브용 섬유(22)는 상기 가이드로드(430)를 거쳐서 상기 코어(10)의 외주면에 감겨지는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 크릴부(420)는 상기 와인딩 플레이트(410)의 가장자리 부근에 고정되고,
    상기 가이드로드(430)는 상기 크릴부(420) 보다 상기 와인딩 플레이트(410)의 중심부에 가깝게 고정되며,
    상기 와인딩 플레이트(410)가 상기 코어(10)의 외주면에서 연속해서 회전하고 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420)에서 상기 회전에 연동되어 함께 회전하면서 리브용 섬유(22)가 풀려지고 상기 가이드로드(430)를 거쳐 상기 코어(10)의 길이 방향을 따라 외주면에 상기 리브용 섬유(22)가 감겨지는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  3. 제1항에 있어서, 리브(20)의 장력을 제어하기 위해 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420) 측면에 압력을 주기 위한 장력 부하용 스프링(440)과 조임나사(450)가 상기 크릴부(420) 측면에 구비된 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  4. 제3항에 있어서, 리브용 섬유(22)가 권취된 상기 크릴부(420) 측면에 설치된 장력 부하용 가압판(460)에 상기 장력 부하용 스프링(440)에 의한 압력이 가해지고, 상기 장력 부하용 가압판(460)에 가해지는 압력이 상기 크릴부(420)에 전달되어 상기 리브(20)의 장력이 제어되는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 크릴부(420) 측면에 부가하는 장력을 측정하기 위해 스프링 장력 측정장치가 설치된 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가이드로드(430)에는 리브용 섬유(22)가 통과하는 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 크릴부(420)는 복수 개 구비되고, 이에 대응하여 상기 가이드로드(430)도 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  8. 제1항에 있어서, 리브용 섬유(22)로 코어(10)를 감기 전 리브용 섬유(22)가 수지함침조(480)에 함침되어 수지 코팅이 이루어지도록 조정하는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 수지함침조(480)는 자유 회전이 가능하도록 하여 상기 와인딩 플레이트(410) 회전 시 상기 수지함침조(480) 내부에 있는 수지가 외부로 쏟아지지 않게 하는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 수지함침조(480) 외부에 발열체를 설치하여 상기 수지함침조(480) 내부에 있는 수지의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 와인딩 플레이트(410)는 전체적으로 원판 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 FRP 리바 제조장치.
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KR102198226B1 (ko) 2020-09-23 2021-01-05 (주)나우이엔에스 콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조장치 및 이를 통해 제조된 섬유강화 복합체 보강근

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