KR20240067374A - 인장강도와 탄성계수가 향상된 탄소섬유 보강근 및 이의 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수 가닥의 탄소섬유 결합을 위한 혼합수지의 온도, 경화온도 및 혼합수지 조성 성분비를 조절하여 도출되는 인장강도와 탄성계수가 향상된 탄소섬유 보강근 및 그러한 탄소섬유 보강근 제조 장치에 관한 것이다.
본 발명은 「에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 30~60℃ 온도조건에서 함침·코팅된 다수 가닥의 탄소섬유가 결합되어 형성된 리바(Rebar); 및 상기 리바 외주연에 섬유가 와인딩되어 형성된 리브(Rib); 를 포함하여, 2,860 MPa 이상의 인장강도가 발현되고, 철근과의 탄성계수 차이가 50 GPa 이하로 좁혀지는 탄소섬유 보강근」을 제공한다.
또한, 본 발명은 「다수의 보빈에 감긴 탄소섬유가 각각 장력을 유지하며 풀려 나가도록 받쳐주는 보빈랙(Bobbin Rack); 상기 보빈에서 풀려 나가는 탄소섬유가 지나가며, 수용된 혼합수지의 함침·코팅이 이루어지도록 하는 함침조; 에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 함침·코팅된 탄소섬유 다수 가닥이 모아진 상태로 통과하여 리바(Rebar)를 형성시키는 성형부; 상기 리바 외연에 섬유를 감아 리브를 형성시키는 와인딩부; 상기 리바가 통과함에 따라, 열에 의해 혼합수지를 경화시키는 경화로; 상기 리바가 지나감에 따라, 리바를 외기에 노출하여 냉각시키는 냉각부; 상기 리바를 사이에 두고 맞물리는 캐터필러의 구동으로 상기 리바를 지속적으로 당겨주며 작업을 진행시키는 인발부; 및 상기 인발부를 거쳐 나간 리바를 설정된 길이로 절단하는 절단부; 를 포함하며, 상기 함침조 하부에는 발열체가 구비되어 수용된 혼합수지의 온도를 30~60℃로 유지시키고, 상기 경화로는 상기 와인딩부를 거쳐 나온 리바가 내부온도 90~130℃로 제어되는 1구간 및 내부온도 150∼200℃로 제어되는 2구간을 차례로 통과하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근 제조 장치」를 함께 제공한다.

Description

인장강도와 탄성계수가 향상된 탄소섬유 보강근 및 이의 제조 장치{Carbon fiber reinforced polymer rebar with improved tensile strength and modulus of elasticity, and manufacturing apparatus thereof}

본 발명은 다수 가닥의 탄소섬유 결합을 위한 혼합수지의 온도, 경화온도 및 혼합수지 조성 성분비를 조절하여 도출되는 인장강도와 탄성계수가 향상된 탄소섬유 보강근 및 그러한 탄소섬유 보강근 제조 장치에 관한 것이다.

FRP(Fiber Reinforced Polymer) 보강근은 인장에 저항하는 섬유와 결합재 역할을 수행하는 수지를 인발성형 등의 공법으로 제조한 선형 부재로서, 중량 대비 강도가 우수하고 부식되지 않는 FRP 보강근을 철근 대체재로 사용하기 위한 연구, 개발 및 현장 적용이 확대되고 있다. FRP 보강근을 구성하는 섬유로는 탄소섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유, 현무암 섬유 등이 사용되며, 수지로는 폴리에스터, 비닐에스터, 에폭시 등이 사용된다.

FRP 보강근 인발성형 방식은 크게 유압 인발대 방식, 무한궤도(캐터필러) 방식 및 롤러인발 방식 등의 3가지로 구분되고 있으나, 국내외 대부분의 FRP 보강근 제조 설비에는 무한궤도 방식이 적용되어 있다.

[도 1]은 무한궤도(캐터필러) 방식이 적용된 섬유 보강근 인발성형 장비를 도시한 것으로, 다수의 보빈에 감긴 탄소섬유가 각각 장력을 유지하며 풀려 나가도록 받쳐주는 보빈랙(1. Bobbin Rack), 섬유류에 수지를 함침·코팅시키기 위한 함침조(2. Resin Bath), 다수 가닥의 섬유를 모아 리바(Rebar) 외형을 잡아주는 성형부(3. Molding Part), 상기 리바 외연에 섬유를 감아 리브를 형성시키는 와인딩부(4. Rib Winding), 리바가 통과함에 따라 열에 의해 수지를 경화시키는 경화로(5. Furnace), 수지 경화 후 리바를 외기에 접촉시켜 식히는 구간인 냉각부(6. Cooling), 맞물리는 캐터필러의 구동으로 리바를 지속적으로 당겨주며 작업을 진행시키는 인발부(7. Caterpillar) 및 인발된 리바를 설정된 길이로 절단하는 절단부(8. Cutting)의 구조와 각 부 사진을 나타낸 것이다.

본 명세서에서는 다수 가닥의 섬유가 성형부를 거쳐 뭉쳐진 상태부터 절단부에서 절단되기 전까지를 "리바"라 하고, 소정의 길이로 절단된 이후부터는 "섬유 보강근"이라 구분하여 칭한다.

시중에서 판매되는 탄소섬유 보강근은 인장강도가 약 2,200 MPa, 탄성계수가 약 120 GPa 수준이고, 유리섬유 보강근은 인장강도가 약 1,000 MPa, 탄성계수가 약 50 GPa 수준이다. 인장강도 및 탄성계수는 탄소섬유 보강근이 유리섬유 보강근 보다 우수하나, 유리섬유 보강근은 경제성이 우수하여 건설소재로의 적용이 용이한 상황이다. 한편, 철근은 인장강도 450 MPa 이상, 탄성계수 약 200 GPa로 탄소섬유 보강근 대비 인장강도는 낮으나, 탄성계수가 좀 더 우수하다는 장점을 갖는다.

따라서, 탄소섬유 보강근에 대한 기술 연구 개발은 유리섬유 보강근이 갖는 경제성 측면의 장점을 충분히 상회할 정도로 인장강도를 극대화시키는 방향으로 이루어져야 하며, 탄성계수 측면에서는 철근과의 격차를 줄이는 방향으로 기술 개발이 이루어져야 한다.

탄소섬유 보강근의 물성을 위와 같이 향상시키기 위해서는 최초 원료 선정ㆍ배합 조건 및 생산 공정 최적화 등에 관한 다양한 기술 개발이 필요하다.

FRP 보강근 관련 종래의 특허는 제조 설비에 관한 것들이 많으며, FRP 보강근 제조 시 섬유사와 더불어 시트를 복합화 하거나, 섬유사에 단섬유를 복합화 하는 방법 등도 제시되어 있다.

등록특허 10-2198226은 발명의 명칭이 "콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조장치 및 이를 통해 제조된 섬유강화 복합체 보강근"이며, 로드의 형상을 가공하는 전단부 몰드를 나팔관처럼 출구로 갈수록 내부통로가 좁아지게 형성하여, 병목현상을 통해 보강근 로드에 함침되는 수지량을 증가시킬 수 있는 장치가 개시되어 있다.

등록특허 10-2311409는 발명의 명칭이 "수지 함침 방법 및 장치"이며, 강화 섬유 기재 내에 분말상의 열가소성 수지를 분산침투시킨 후 가열 용융하여 열가소성 수지를 1차 함침시키고, 이어서 1차 수지 함침된 강화 섬유 기재의 편면 또는 양면에 열가소성 수지 필름을 적층하고 가열 용융하여 열가소성 수지를 2차 함침시키는 것을 특징으로 하는 수지 함침 방법 및 장치가 개시되어 있다.

등록특허 10-2349380은 발명의 명칭이 "콘크리트용 보강근 제조장치 및 이를 이용한 보강근 제조방법”이며, 에폭시에 함침된 보강근 로드 외주면에 리브용 시트를 와인딩하는 공정이 연속 수행되도록 구조 개선되어 보강근 로드와 리브용 시트 간에 일체성이 향상되면서 내구성이 고도로 증대되고, 보강근 로드 외주면에 나선형 보강살대가 돌출 형성되어 보강근 로드 내구성이 보강됨과 더불어 콘크리트와의 결합력 향상을 도모할 수 있도록 함침부, 인발부, 와인딩부, 경화로를 포함한 장치가 개시되어 있다.

등록특허 10-2437838은 발명의 명칭이 "탄소나노튜브 융합기반 유리섬유 복합 보강근 및 이의 제조 방법"이며, 레진(Resin)에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 설정된 배합비로 분산시켜 유리섬유 복합재를 생성하는 복합재 생성단계; 상기 유리섬유 복합재를 보강근 몸체로 성형하는 1차 성형단계; 상기 보강근 몸체에 섬유사 복합재를 피복하는 섬유사 피복단계; 및 상기 섬유사 복합재가 피복된 보강근 몸체를 가열 및 절단하는 2차 성형단계를 포함하는 유리섬유 복합 보강근 제조 방법이 개시되어 있다.

등록특허 10-2397056은 발명의 명칭이 "고인장 및 내식성 강화형 열경화성 복합소재 보강근의 성형시스템"으로, 불포화 폴리에스텔 수지를 이용하는 시스템을 개선하여 에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스텔 등으로 대체하며, 또한 기존의 수지조 함침방식을 수지주입이 가능한 인젝션 다이스를 채택하거나, 기존 수지조 방식을 개선하여 수지 함침조 방식의 단점인 시간에 따른 수진 점도 상승으로 인한 보강섬유와의 함침 접착력 저하에 따른 물성 저하를 개선하는 방법이 개시되어 있다.

위의 선행기술들은 섬유류가 수지 함침조를 거친 후 성형부 및 경화로로 이동되어 경화되는 열경화 방식을 사용한다. 이때 경화로 온도는 다양하게 제어되나, 수지 함침조 온도는 상온 유지 방식으로 가동된다. 이때 수지 점도를 감소시키기 위해 대부분의 열경화성 수지 시스템에서는 스티렌 또는 메틸 메타크릴레이트(MMA)와 같은 모노머 단량체가 불포화 폴리에스터 수지의 희석제로 사용된다. 하지만 일반적으로 위와 같은 반응성 희석제는 경화물의 기계적, 열적, 화학적, 전기적 특성을 저하시키므로, 희석제 사용은 가능한 한 자제되어야 한다.

1. 등록특허 10-2198226, "콘크리트용 섬유강화 복합체 보강근 제조장치 및 이를 통해 제조된 섬유강화 복합체 보강근" 2. 등록특허 10-2311409, "수지 함침 방법 및 장치" 3. 등록특허 10-2349380, "콘크리트용 보강근 제조장치 및 이를 이용한 보강근 제조방법” 4. 등록특허 10-2437838, "탄소나노튜브 융합기반 유리섬유 복합 보강근 및 이의 제조 방법" 5. 등록특허 10-2397056, "고인장 및 내식성 강화형 열경화성 복합소재 보강근의 성형시스템"

본 발명은 시중에서 판매되는 탄소섬유 보강근보다 인장강도가 30% 이상 향상되어, 최소 2,860 MPa 이상의 인장강도가 발현되고, 철근과의 탄성계수 차이가 50 GPa 이하로 좁혀져 150 GPa 이상(200 GPa 이하)의 탄성계수를 갖는 탄소섬유 보강근 및 이를 위해 개선된 탄소섬유 보강근 제조 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 「에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 30~60℃ 온도조건에서 함침·코팅된 다수 가닥의 탄소섬유가 결합되어 형성된 리바(Rebar); 및 상기 리바 외주연에 섬유가 와인딩되어 형성된 리브(Rib); 를 포함하여, 2,860 MPa 이상의 인장강도가 발현되고, 철근과의 탄성계수 차이가 50 GPa 이하로 좁혀지는 탄소섬유 보강근」을 제공한다.

상기 혼합수지는 에폭시와 경화제가 중량비 1.0 : 1.0∼1.2로 혼합되어, 30℃∼60℃ 온도조건에서 점도 140~350 cps가 되는 것을 적용할 수 있다.

상기 리바 외주연에 와인딩된 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유 및 아라미드 섬유 중 어느 하나를 적용할 수 있다.

상기 탄소섬유 보강근은 상기 리브 형성 후 경화로를 지나며 상기 혼합수지의 경화가 이루어지되, 90~130℃ 온도조건에서 1차 경화 후, 150∼200℃ 온도조건에서 2차 경화가 이루어져, 상기 리브에 혼합수지 방울이 맺히지 않도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 「다수의 보빈에 감긴 탄소섬유가 각각 장력을 유지하며 풀려 나가도록 받쳐주는 보빈랙(Bobbin Rack); 상기 보빈에서 풀려 나가는 탄소섬유가 지나가며, 수용된 혼합수지의 함침·코팅이 이루어지도록 하는 함침조; 에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 함침·코팅된 탄소섬유 다수 가닥이 모아진 상태로 통과하여 리바(Rebar)를 형성시키는 성형부; 상기 리바 외연에 섬유를 감아 리브를 형성시키는 와인딩부; 상기 리바가 통과함에 따라, 열에 의해 혼합수지를 경화시키는 경화로; 상기 리바가 지나감에 따라, 리바를 외기에 노출하여 냉각시키는 냉각부; 상기 리바를 사이에 두고 맞물리는 캐터필러의 구동으로 상기 리바를 지속적으로 당겨주며 작업을 진행시키는 인발부; 및 상기 인발부를 거쳐 나간 리바를 설정된 길이로 절단하는 절단부; 를 포함하며, 상기 함침조 하부에는 발열체가 구비되어 수용된 혼합수지의 온도를 30~60℃로 유지시키고, 상기 경화로는 상기 와인딩부를 거쳐 나온 리바가 내부온도 90~130℃로 제어되는 1구간 및 내부온도 150∼200℃로 제어되는 2구간을 차례로 통과하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근 제조 장치」를 함께 제공한다.

본 발명에 따른 탄소섬유 보강근은 실험 상 인장강도가 최소 2,993 MPa, 최대 3,501 MPa까지 나타나, 종래의 탄소섬유 보강근 인장강도 2,200 MPa에 대비하여 30% 이상 향상된 인장강도 성능이 확보되고, 탄성계수는 최소 165 GPa, 최대 182 GPa로 나타나, 철근 탄성계수 200 GPa와의 50 GPa 이하의 격차가 확보된다.

[도 1]은 FRP 보강근 제조 설비의 구조도 및 각 부 사진이다.
[도 2]는 인장강도와 탄성계수가 향상된 탄소섬유 보강근 제조 장비 구성도이다.
[도 3]은 45℃ 및 60℃ 혼합수지를 함침시킨 탄소섬유 단면의 광학현미경 사진 및 기공 사진이다.
[도 4]는 경화로 바닥에 수지가 떨어져 내린 상태를 촬영한 사진이다.
[도 5]는 리브에 혼합수지 방울이 맺힌 탄소섬유 보강근을 촬영한 사진이다.
[도 6]은 경화로 1,2구간 온도 제어에 따라 리브에 혼합수지 방울이 생성되지 않은 상태의 탄소섬유 보강근을 촬영한 사진이다.
[도 7]은 에폭시 및 경화제 중량비에 따른 탄소섬유 보강근의 광학현미경 사진 및 기공사진이다.
[도 8]은 탄소섬유 보강근의 종방향, 횡방향 및 3차원 입체구조의 개념을 나타낸 것이다.
[도 9]는 탄소섬유 보강근의 종방향, 횡방향 및 3차원 입체구조의 X-Ray CT 사진이다.
[도 10]은 탄소섬유 보강근의 인장강도와 광학현미경 기공율의 상관성 분석을 나타낸 그래프 및 상관관계 방정식이다.

탄소섬유 보강근 제조를 위한 원료는 탄소섬유와 수지류 등이 있다. FRP 보강근을 구성하는 섬유를 접착시키기 위해 사용하는 수지류는 폴리에스터, 비닐에스터 및 에폭시 등이 있으나, 폴리에스터 및 비닐에스터는 탄소섬유 보강근 제조에 적합하지 않아 사용이 매우 제한적이며, 에폭시를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 에폭시는 단독으로 사용되지 않고, 고온 경화를 위한 경화제와 혼합하여 사용된다. 수지 제조업체들은 탄소섬유 결합에 적합하도록 에폭시와 경화제를 1:1로 배합한 제품을 판매하고 있다.

본 발명은 탄소섬유 보강근의 인장강도와 탄성계수를 향상시키기 위한 것으로, 본 발명에서 적용된 기술 수단은 다음과 같다.

1) 탄소섬유가 함침되는 혼합수지 온도 조절

2) 혼합수지 경화 온도 조절

3) 혼합수지에 포함되는 에폭시와 경화제 비율 조정

본 발명은 위 기술 수단을 적용하여, 「에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 30~60℃ 온도조건에서 함침·코팅된 다수 가닥의 탄소섬유가 결합되어 형성된 리바(Rebar); 및 상기 리바 외주연에 섬유가 와인딩되어 형성된 리브(Rib); 를 포함하여, 2,860 MPa 이상의 인장강도가 발현되고, 철근과의 탄성계수 차이가 50 GPa 이하로 좁혀지는 탄소섬유 보강근」을 제공한다.

상기 혼합수지는 에폭시와 경화제가 중량비 1.0 : 1.0∼1.2로 혼합되어, 30℃∼60℃ 온도조건에서 점도 140~350 cps가 되는 것을 적용할 수 있고, 상기 리바 외주연에 와인딩된 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유 및 아라미드 섬유 중 어느 하나를 적용할 수 있다.

상기 탄소섬유 보강근은 상기 리브 형성 후 경화로를 지나며 상기 혼합수지의 경화가 이루어지되, 90~130℃ 온도조건에서 1차 경화 후, 150∼200℃ 온도조건에서 2차 경화가 이루어져, 상기 리브에 혼합수지 방울이 맺히지 않도록 할 수 있다.

상기 "2,860 MPa 이상의 인장강도"는 종래 탄소섬유 보강근의 인장강도 2,200 MPa 보다 30% 높은 수치로, 본 발명에 따라 발현되는 인장강도의 최소 기준을 나타낸 것이다.

후술하겠으나, 본 발명에 따라 개선된 탄소섬유 보강근은 인장강도가 높아짐에 따라 탄성계수가 향상되었으며, 시험을 통해 도출된 본 발명 실시예의 탄성계수가 최소값 165 GPa, 최대값 182 GPa로 나타나 철근 탄성계수 200 GPa와의 차이가 50 GPa 이내로 나타나는 것이 확인되었다.

또한, 본 발명에서는 위 기술 수단 구현을 위해 [발명의 배경이 되는 기술]에 기재되고 [도 1]에 나타난 거치부(1), 함침조(2), 성형부(3), 와인딩부(4), 경화로(5), 냉각부(60), 인발부(7) 및 절단부(80)를 포함하여 구성된 섬유 보강근 인발성형 장비에서 함침조(2)와 경화로(5)를 아래와 같이 개조하여, [도 2]와 같은 탄소섬유 보강근 제조 장치를 제작하였다.

1) 함침조(2)에 수용된 혼합수지의 온도를 일정 범위안에서 유지할 수 있도록 함침조(2) 하부에 발열체 부가

2) 경화로(3)의 구간 구분 및 구분된 구간별 경화 온도 조절 기능 부가

본 발명은 위 개조 사항을 반영함에 따라, 「다수의 보빈에 감긴 탄소섬유가 각각 장력을 유지하며 풀려 나가도록 받쳐주는 보빈랙(Bobbin Rack, 1); 상기 보빈에서 풀려 나가는 탄소섬유가 지나가며, 수용된 혼합수지의 함침·코팅이 이루어지도록 하는 함침조(2); 에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 함침·코팅된 탄소섬유 다수 가닥이 모아진 상태로 통과하여 리바(Rebar)를 형성시키는 성형부(3); 상기 리바 외연에 섬유를 감아 리브를 형성시키는 와인딩부(4); 상기 리바가 통과함에 따라, 열에 의해 혼합수지를 경화시키는 경화로(5); 상기 리바가 지나감에 따라, 리바를 외기에 노출하여 냉각시키는 냉각부(6); 상기 리바를 사이에 두고 맞물리는 캐터필러의 구동으로 상기 리바를 지속적으로 당겨주며 작업을 진행시키는 인발부(7); 및 상기 인발부(7)를 거쳐 나간 리바를 설정된 길이로 절단하는 절단부(8); 를 포함하며, 상기 함침조(2) 하부에는 발열체가 구비되어 수용된 혼합수지의 온도를 30~60℃로 유지시키고, 상기 경화로(5)는 상기 와인딩부(4)를 거쳐 나온 리바가 내부온도 90~130℃로 제어되는 1구간 및 내부온도 150∼200℃로 제어되는 2구간을 차례로 통과하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근 제조 장치」를 제공한다.

또한, 위와 같은 기술 수단 적용 및 장비 개조 효과 검토를 위해 아래와 같은 시험을 실시하였다.

1) 함침조(2) 내 혼합수지 온도 조정에 따른 탄소섬유 분석 및 탄소섬유 보강근의 인장강도 측정

2) 경화로(3)의 구간별 경화 온도 조정에 따른 혼합수지 상태 검토 및 탄소섬유 보강근의 인장강도 측정

3) 혼합수지의 성분(에폭시와 경화제) 함량비에 따른 탄소섬유 분석 및 탄소섬유 보강근의 인장강도 측정

4) 탄소섬유 보강근에 대한 X-Ray CT 관찰

이하, 시험예와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

이하 각 시험에서는 24K 탄소섬유를 사용했다. 24K 탄소섬유는 필라멘트 24,000개가 뭉쳐 1개의 가닥(Tow)을 형성하는 것이며, 이러한 24K 탄소섬유 14 가닥(Tow)이 뭉쳐져 리바(Rebar)를 이루게 된다. 탄소섬유를 결합시키는 에폭시는 비스페놀 F계 에폭시를 사용하였으며, 경화제는 프탈산 무수물을 사용하였다. 리바에 리브를 형성시켜 탄소섬유 보강근을 제조하기 위해 탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유 등을 다양하게 사용할 수 있으나, 이하 각 시험에서는 유리섬유를 와인딩하여 리브를 형성시켰다.

또한, 함침조 하부에 발열체를 결합시켜 내부 온도 조절이 이루어지도록 하고, 경화로는 2구간으로 구분하여 구간별 온도조절이 이루어지도록 개조된 '개선형 탄소섬유 보강근 인발성형 장치"를 이용하여, 각 시험을 위한 탄소섬유 보강근을 제작하였다.

이하에서는 다수 가닥의 탄소섬유가 성형부를 거친 다음부터 절단되기 전까지의 상태를 "리바"라 하고, 절단된 이후를 "탄소섬유 보강근"이라 구분하여 칭한다.

1. 함침조 내 혼합수지 온도 변화 시험

탄소섬유 보강근 제조를 위해서는 탄소섬유에 수지가 함침되어 일체화 되어야 하며, 이때 탄소섬유에 수지가 일정하게 코팅되어 결함 등이 발생되지 않는 일체화 기술이 필요하다. 함침조에는 에폭시와 경화제가 혼입되어 있고, 이하에서는 이를 '혼합수지'로 칭한다.

탄소섬유에 혼합수지가 일정하게 코팅되기 위해서는 수지 점도가 매우 중요하며, 수지 점도를 낮추기 위해 [발명의 배경이 되는 기술]에서 설명한 바와 같이 희석제를 사용한다. 하지만 희석제 사용 시 품질하락 등의 문제가 발생하는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 수지 희석제를 사용하는 대신 함침조 온도(함침 수지 온도)를 조정하여 점도를 낮추고자 하였다.

함침조 하부에 발열체를 결합시켜 열을 가하고, 함침조 내부 혼합수지의 온도를 측정하면서 수지 온도 변화에 따른 코팅 품질 시험을 진행하였다. 함침조 가열을 통해 혼합수지 온도 30℃, 45℃, 60℃ 및 60℃를 초과하는 온도 조건에서 각각 탄소섬유 가닥들에 대한 혼합수지 함침 작업을 진행하였으며, 이후의 경화로 최대 온도는 150℃, 에폭시와 경화제는 중량비 1 : 1로 고정하였다.

위와 같은 조건으로 제조된 탄소섬유 보강근의 인장강도는 혼합수지 30℃ 조건에서 2,993MPa, 45℃ 조건에서 3,028MPa이었으며, 60℃ 조건에서 3,430MPa로 증가하였다. 즉 혼합수지 온도 상승에 따라 탄소섬유 보강근의 인장강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 혼합수지 온도가 60℃를 초과할 경우에는 3시간 이상 작업 시 수지 함침조 내부에서 수지 경화현상이 발생하여 더 이상의 탄소섬유 보강근 제작이 불가능하였다. 따라서 혼합수지 온도는 60℃ 이하로 통제되어야 한다.

또한, 상온 조건(20℃ 내외)에서 탄소섬유에 수지를 함침시켜 제작한 탄소섬유 보강근은 인장강도가 약 2,200 MPa인 점을 고려할 때, 혼합수지 30℃ 조건에서 제작된 탄소섬유 보강근도 인장강도 향상 효과를 인정할 수 있다.

[도 3]은 수지가 함침된 탄소섬유 단면의 광학현미경 사진이다. "(a) 광학현미경 사진"에서 밝은 원형 부분이 탄소섬유 필라멘트, 어두운 부분이 수지(에폭시+경화제)이다. "(b) 기공 사진"은 흰색 비분이 기공인데, 관찰된 기공율은 혼합수지 45℃ 조건에서 6.51%, 혼합수지 60℃ 조건에서 5.12% 수준으로 나타났다. 즉, 혼합수지 온도를 상승시킬 경우, 탄소섬유 보강근의 기공율이 낮아짐을 알 수 있다.

이는 함침조 내부 혼합수지의 점도가 온도 상승에 따라 감소하고, 점도 감소에 따라 혼합수지 내부에 있던 기공이 외부로 좀 더 쉽게 빠져 나가기 때문이다. 하지만 혼합수지 점도가 너무 낮을 경우에는 오히려 혼합수지가 탄소섬유 표면에 쉽게 부착되지 않아 탄소섬유 보강근의 물성은 감소하게 된다. 이 점에서도 혼합수지 온도는 60℃ 이하로 통제되어야 한다.

따라서, 인장강도 향상을 위한 혼합수지 온도는 30~60℃ 범위가 적합하다는 것이 확인된다.

2. 경화온도 변화 시험

탄소섬유 보강근을 이루는 탄소섬유는 개별적으로 함침조(2)를 거친 후 다수 가닥의 탄소섬유가 성형부(3)를 통과하며 뭉쳐져 리바(Rebar)가 형성되고, 와인딩부(4)를 거치며 리브를 이루는 섬유에 의해 묶임으로써 탄소섬유 보강근이 형성되나, 경화로(5)를 거쳐 혼합수지가 경화된 후에 탄소섬유 보강근의 강한 일체성이 확보된다.

일반적으로 혼합수지가 굳지 않은 상태로 경화로(5)에 들어간 탄소섬유 보강근에서는 수지가 흘러 나오며, [도 4]에서와 같이 흘러나온 수지는 경화로(5) 바닥에 떨어지고, [도 5]에서와 같이 탄소섬유 보강근의 리브 부분에는 바닥에 떨어지지 못한 수지가 방울로 맺혀 경화된다. 이와 같은 현상으로 인해, 탄소섬유 보강근에서 수지가 빠져나간 부분에 기공이 생성되며, 이에 따라 인장강도 및 내알칼리성 등이 불량해진다. 따라서 탄소섬유 보강근 내부에 함침되어 있는 수지가 빠져 나오지 않도록 조정되어야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 경화로 구역을 1,2구간으로 구분하여 가열 온도를 각각 조정하였다. 탄소섬유 보강근이 맨 처음 투입되는 1구간 온도가 매우 높을 경우, 액상의 혼합수지 점도가 급격히 낮아져 보강근 내부에서 흘러 나오게 된다. 이를 방지하기 위해 경화로 1구간은 온도가 130℃를 초과하지 않도록 하고, 130℃ 이하로 유지하여 혼합수지 점도가 큰 영향을 받지 않도록 하였다.

상기 인발부(7)에서 3㎝/min 속도로 탄소섬유 보강근을 잡아당기므로, 상기 혼합수지는 30㎝ 길이의 1구간을 10분간 지나고, 1m 길이의 2구간을 33분 이상(이하 '약 33분'으로 표기) 지나며 경화되는데, 온도 조건을 다양하게 조절하여 시험을 진행한 결과, 1구간 온도를 90∼130℃로 유지하고, 2구간 온도를 150∼200℃ 범위로 조정하여 탄소섬유 보강근을 제조함에 따라 [도 6]과 같이 보강근 내부에서 수지가 전혀 흘러 나오지 않게 되었다.

즉 탄소섬유 보강근의 고인장 특성을 발현하기 위해서는 경화로 구역별 온도를 제어해야 하며, 이때 1구간 온도는 90℃ 이상에서 130℃ 이하로 유지하고, 2구간 온도는 150℃ 이상에서 200℃ 이하로 유지하여야 한다는 것을 알 수 있었다.

3. 혼합수지의 성분(에폭시와 경화제) 함량비에 따른 탄소섬유 보강근 인장강도

함침조(2) 내 혼합수지 온도 45℃, 경화로(5) 1구간 온도 100℃(경화 시간 10분), 2구간 최대 온도 170℃(경화 시간 약 33 분)로 고정한 후 에폭시 및 경화제 혼합 비율을 변화시켜 제조된 탄소섬유 보강근의 인장강도를 측정하였다.

이때 에폭시와 경화제의 중량비는 1.1:1.0, 1.0:1.0, 1.0:1.1 및 1.0:1.2 로 조정하였다.

위의 혼합비율로 이루어진 혼합수지에 의해 일체를 이루는 탄소섬유 보강근의 인장강도는 순서대로 3,255MPa, 3,300MPa, 3,501MPa, 3,438MPa이었다. 즉 경화제 함량 증가에 따라 인장강도는 증가하였으며, 이때 인장강도는 1.0:1.1에서 가장 높은 값을 나타내었다. 1.0:1.1 조건에서의 인장강도는 1.1:1.0 보다 약 8% 상승된 값이다.

[도 7]은 혼합수지 성분의 중량비 조건별 광학현미경 촬영 사진이다. [도 7]의(a)는 광학현미경 사진,(b)는 광학현미경 사진 촬영 후 기공율 분석 프로그램(DSX)을 사용하여 전환한 기공 사진을 나타낸 것이다.

에폭시와 경화제 비율을 1.1:1.0으로 제조한 혼합수지를 함침시킨 탄소섬유의 기공율은 4.56%, 1.0:1.0 비율에서의 탄소섬유 기공율은 2.88%이었다. 1.0:1.1 비율에서의 탄소섬유 기공율은 2.60%, 1.0:1.2 비율에서의 탄소섬유 기공율은 3.75%였다. 즉 에폭시와 경화제 비율을 1.1:1.0에서 1.0:1.1로 변경시킬 경우, 기공율 감소 폭은 1.96%이었으며, 이는 기공율이 약 43% 감소한 수준이다.

위와 같이, 에폭시와 경화제 비율 1.0:1.0을 기준으로 에폭시 함량이 많은 경우보다는 경화제 함량이 많을 때 기공율이 감소되었다. 다만, 위 비율이 1.0:1.2를 초과하면서 기공율이 증가하는 경향을 보이므로, 에폭시와 경화제 비율은 1.0:1.0∼1.2 수준이 적합한 것으로 사료된다.

4. X-Ray CT 관찰 결과

상기 혼합수지가 탄소섬유와 제대로 함침 및 코팅되어 일체화 되었는지 확인하기 위해 X-Ray CT를 촬영하였다.

특히 1) 인장강도가 상대적으로 낮게 나타나는 ⅰ) 함침조(혼합수지) 30℃, ⅱ) 경화로 1구간 90℃, 2구간 최대 온도 150℃, ⅲ) 에폭시:경화제 = 1.0:1.0 조건에서 제조된 탄소섬유 보강근(이하 '1시험체')과,

2) 인장강도가 상대적으로 높게 나타나는 ⅰ) 함침조(혼합수지) 45℃, ⅱ) 경화로 1구간 100℃, 2구간 최대 온도 170℃, ⅲ) 에폭시:경화제 = 1.0:1.1 조건에서 제조된 탄소섬유 보강근의 X-Ray CT 사진을 [도 9]에 나타내었다. 이때 탄소섬유 보강근(이하 '2시험체')의 종방향, 횡방향 및 3차원 입체구조의 정의는 [도 8]에 나타내었다.

[도 9]에 나타난 X-Ray CT 사진의 왼쪽에는 빨간색에서 파란색까지의 스케일 바가 있으며, 스케일 바의 색상이 파란색에서 빨간색으로 갈수록 기공의 크기가 커진다는 것을 의미한다. 모든 X-Ray CT 촬영 사진에서 기공의 존재가 확인되는데, 특히 함침조 30℃ 조건에서 제조된 탄소섬유 보강근에서 탄소섬유 사이에 존재하는 기공들이 상대적으로 많게 관찰되었고, 특히 3차원 입체 구조 사진에서 상대적으로 기공이 큰 빨간색 및 남색 기공들이 다수 관찰되었다. 또한 이들 기공들은 탄소섬유 사이를 따라 직선 모양으로 존재하기도 하였다. 이는 상기 혼합수지가 탄소섬유에 제대로 코팅되지 못하고 있다는 것을 나타내는 것이다. 즉 초기 함침조에서 에폭시가 제대로 코팅되어야 하나, 에폭시 내부에 함유된 기공이 외기로 빠져나가지 못하고 수지 내부에 그대로 존재한다는 것을 의미한다.

기공이 많을수록 탄소섬유 보강근에 가해지는 하중이 수지를 통해 고르게 전파되지 않아 인장강도에 영향을 준다. [도 10]은 탄소섬유 보강근의 인장강도와 광학현미경 기공율의 상관성 분석을 나타낸 그래프 및 상관관계 방정식이다.

1,2시험체를 서로 비교해 볼 때, 다양한 제조인자 제어에 따라 인장강도는 2,993MPa(탄성계수 165GPa)에서 3,501MPa(탄성계수 182GPa)로 증가되었으며, 이때 인장강도 증진율은 약 17%(탄성계수 증가율 약 10%)에 이른다.

2시험체를 시중 판매 탄소섬유 보강근과 비교하면 인장강도는 약 60%(2,200Mpa → 3,501MPa) 향상된 것이고, 탄성계수는 약 52%(120GPa → 182Gpa)가 약 52% 향상된 것이다.

상대적으로 인장강도가 낮은 1시험체도 시중 판매 탄소섬유 보강근과 비교하면, 인장강도는 약 36%(2,200Mpa → 2,993MPa) 향상된 것이고, 탄성계수는 약 52%(120GPa → 165Gpa)가 약 38% 향상된 것이다.

정리하면,

(1) 함침조 온도(혼합수지 온도)는 탄소섬유의 코팅 및 함침을 위해 매우 중요하며, 30~60℃ 온도범위를 유지토록 한다.

(2) 경화로는 구간 구분이 필요하며, 리바가 처음 진입하는 1구간 온도는 90∼130℃로 유지하고, 2구간 온도는 150∼200℃ 범위로 조정한다. 이와 같은 조건이 유지되지 않을 경우, 탄소섬유 보강근 내부 수지가 외부로 흘러 나오며, 이에 따라 탄소섬유 보강근의 기공 함량 증가 및 물성 하락이 발생된다.

(3) 혼합수지는 에폭시와 경화제를 중량비 1.0:1.1∼1.2로 혼합한다. 위 혼합 조건에서 탄소섬유 보강근의 기공율이 상대적으로 낮으며, 우수한 인장강도가 발현된다.

(4) 위 조건이 모두 충족되는 "본 발명 실시범위" 중 인장강도가 낮게 발현된 함침조(혼합수지) 30℃, 에폭시:경화제 = 1.0:1.0 조건에서 혼합수지 점도가 140 cps로 측정되고, 인장강도가 높게 발현된 함침조(혼합수지) 45℃, 에폭시:경화제 = 1.0:1.1 조건에서 혼합수지 점도가 350 cps로 측정되므로, 적정 혼합수지 점도는 140~350 cps로 사료된다.

이상에서 본 발명에 대하여 구체적인 실시예와 함께 상세하게 살펴보았다. 그러나 본 발명은 위의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 및 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 및 변형을 포함한다.

1: 보빈랙 2 : 함침조
3 : 성형부 4 : 와인딩부
5 : 경화로 6 : 냉각부
7 : 인발부 8 : 절단부

Claims (6)

1. 에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 30~60℃ 온도조건에서 함침·코팅된 다수 가닥의 탄소섬유가 결합되어 형성된 리바(Rebar); 및
   상기 리바 외주연에 섬유가 와인딩되어 형성된 리브(Rib); 를 포함하여,
   2,860 MPa 이상의 인장강도가 발현되고, 철근과의 탄성계수 차이가 50 GPa 이하로 좁혀지는 탄소섬유 보강근.
   
2. 제1항에서,
   상기 혼합수지는 에폭시와 경화제가 중량비 1.0 : 1.0∼1.2로 혼합된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근.
   
3. 제2항에서,
   상기 혼합수지는 30℃∼60℃ 온도조건에서 점도 140~350 cps인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근.
   
4. 제1항에서,
   상기 리바 외주연에 와인딩된 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유 및 아라미드 섬유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근.
   
5. 제1항에서,
   상기 탄소섬유 보강근은 상기 리브 형성 후 경화로를 지나며 상기 혼합수지의 경화가 이루어지되,
   90~130℃ 온도조건에서 1차 경화 후, 150∼200℃ 온도조건에서 2차 경화가 이루어져, 상기 리브에 혼합수지 방울이 맺히지 않는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근.
   
6. 다수의 보빈에 감긴 탄소섬유가 각각 장력을 유지하며 풀려 나가도록 받쳐주는 보빈랙(Bobbin Rack, 1);
   상기 보빈에서 풀려 나가는 탄소섬유가 지나가며, 수용된 혼합수지의 함침·코팅이 이루어지도록 하는 함침조(2);
   에폭시와 경화제가 혼합된 혼합수지가 함침·코팅된 탄소섬유 다수 가닥이 모아진 상태로 통과하여 리바(Rebar)를 형성시키는 성형부(3);
   상기 리바 외연에 섬유를 감아 리브를 형성시키는 와인딩부(4);
   상기 리바가 통과함에 따라, 열에 의해 혼합수지를 경화시키는 경화로(5);
   상기 리바가 지나감에 따라, 리바를 외기에 노출하여 냉각시키는 냉각부(6);
   상기 리바를 사이에 두고 맞물리는 캐터필러의 구동으로 상기 리바를 지속적으로 당겨주며 작업을 진행시키는 인발부(7); 및
   상기 인발부(7)를 거쳐 나간 리바를 설정된 길이로 절단하는 절단부(8); 를 포함하며,
   상기 함침조(2) 하부에는 발열체가 구비되어 수용된 혼합수지의 온도를 30~60℃로 유지시키고,
   상기 경화로(5)는 상기 와인딩부(4)를 거쳐 나온 리바가 내부온도 90~130℃로 제어되는 1구간 및 내부온도 150∼200℃로 제어되는 2구간을 차례로 통과하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 보강근 제조 장치.