KR960012713B1 - 탄소섬유 보강 경량압출시멘트 복합재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

요약없음

Description

탄소섬유 보강 경량압출시멘트 복합재 및 그 제조방법

제1도는 시멘트 복합재에 대한 굴곡강도 시험을 나타내는 그림으로서, 섬유배향이 (A)는 압출방향, (B)는 압출수직 방향인 경우를 나타냄.

본 발명은 토목, 건축재등으로 사용되는 경량압출 시멘트 복합재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 경량골재를 이용하고 보강 탄소섬유가 일방향으로 배향된 탄소섬유 보강 경량 압출 시멘트 복합재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 복합재는 그 강화형식에 따라 분산강화 복합재, 입자강화 복합재, 섬유강화 복합재 및 이들의 조합된 형태들이 있다. 이들 중에서 섬유강화 형식이 복합재 제조에 있어서 가장 효과적인 방법으로 주목받고 있으며 특히, 섬유보강 시멘트의 경우는 실용적인 측면에서 볼때 비교적 새로운 토목, 건축재료에 속하나, 이들에 관한 많은 연구개발 노력과 더불어 그 우수한 성능이 확인되고 있으므로 금후의 새로운 건축 소재 분야를 이끌어 나갈 수 있는 시멘트계 복합재료로 그 사용 및 보급이 확대되고 있다.

이러한 시멘트 복합재료 제조용 보강섬유로는 오래전부터 석면이 사용되어 왔으며, 최근에는 유리섬유의 사용도 크게 증가하는 경향을 보여주고 있다.

그러나, 석면은 발암물질로 규정됨으로써 건축물등에의 사용이 불가능하게 되었으며, 유리섬유는 내알칼리성이 부족하여 시간이 경과함에 따라 강도저하가 현저히 일어날 뿐만 아니라 오토클레이브 양생이 불가능하므로 양생에 장시간이 요구되는 등의 문제점이 제기되고 있다.

한편, 탄소섬유는 주로 스포츠용품등에 사용되어 왔으며 개발초기에는 경제적 부담증가를 유발하므로 건축용 재료로의 활용에는 어려움이 있었다. 그러나, 최근의 연구 결과들로부터 섬유의 기계적 특성 및 안정성이 높아 시멘트 판넬의 보강재로 이용할 경우, 두께 및 중량의 감소 뿐만 아니라 건설공기의 단축이 가능하므로 탄소섬유의 활용에 관한 관심이 확대되어지고 있다. 특히, 핏치류를 이용한 범용탄소 섬유의 개발에 따른 가격의 하락 및 고기능성 부재의 개발요구가 증대됨에 따라 탄소섬유의 사용이 급격히 증가하고 있다. 또한, 탄소섬유는 생체에 대한 친화성이 매우 우수할 뿐만 아니라 강섬유의 7배 이상의 비강도를 갖고 있으며 내알칼리성이 강하여 일본을 비롯한 선진국에서는 탄소섬유 보강시멘트의 개발을 위한 많은 연구와 노력이 행하여지고 있으며 이를 이용한 건축물의 건설이 활발히 추진되고 있다.

이러한 탄소섬유를 보강섬유로 사용하는 종래의 섬유강화법으로는 장섬유 보강법 및 단섬유 보강법등이 있으나, 장섬유 보강법의 경우에는 일본 공개특허공보 평1-305842에도 알 수 있듯이, 가공조립에 상당한 노력과 시간이 소요될 뿐만 아니라, 압출시멘트 복합재 제조에도 적용이 곤란하다.

또한, 단섬유 보강법의 일례로서 일본공개 특허공보 (소) 64-42345의 경우에는 프리믹스(pre-mix)법을 이용하여 성형함으로써 참가한 보강섬유가 3차원적으로 랜덤 배향을 하기 때문에 장섬유에 비하여 굴곡강도 측정시 굴곡방향에 있어서 이론적으로 약 18%의 보강섬유 배향을 밖에 갖지 못하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 시멘트계 복합재료 제조시 첨가하는 보강섬유의 굴곡방향에 있어서의 배향율을 높혀 복합재의 굴곡강도를 최대로 하기 위하여 제안된 것으로서, 경량골재를 이용고 압출조건을 제어하므로서 일방향 배향성을 갖는 탄소섬유 보강 경량 압출시멘트 복합재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다. 이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 섬유보강 압출시멘트 복합재에 있어서, 중량비로, 실리카홈 : 0. 05~0. 3, 경량골재 : 0. 05~0. 3, 및 잔부 시멘트로 이루어진 바인더에, 상기 바인더 중량에 대하여 중량비로, 압출조제 : 0. 005~0. 02, 탄소섬유 : 0. 005~0. 05, 수분 : 0. 3~0. 5가 첨가되어 조성되고, 상기 탄소섬유가 일방향 배향됨을 특징으로 하는 탄소섬유 보강 경량 압출 시멘트 복합재에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 섬유보강 압출 시멘트 복합재의 제조방법에 있어서, 중량비로, 실리카홈 : 0. 05~0. 3. 경량골재 : 0. 05~0. 3 및 잔부 시멘트로 이루어진 바인더에 상기 바인더 중량에 대하여 중량비로 0. 3~0. 5의 수분, 0. 005~0. 02의 압출조제 및 0. 005~0. 05의 탄소섬유를 첨가하여 혼련한 후, 압출성형 다이의 개구비(배출부 면적/도입부 면적)를 0. 15~0. 4로 하여 압출성형한 다음, 양생시킴을 특징으로 하는 탄소섬유 보강 경량 압출 시멘트 복합재의 제조방법에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 시멘트 복합재에 대하여 설명한다.

상기 바인더는 시멘트, 실리카 홈 및 경량골재로 이루어지는데, 상기 실리카홈은 고반응성 포졸란으로서, 그 첨가량이 상기 바인더 중량에 대하여 중량비로 0. 05보다 적을 경우에는 섬유 사이의 충진 효과를 충분히 제공하지 못함으로써 고강도의 치밀한 성형체를 얻을 수 없으며, 0. 3이상일 경우는 점도저하에 따른 압출시 일방향 섬유배향을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 시멘트 슬러리가 압출기의 벽이외에도 스크류에 강하게 점착함으로 인한 압출불능 현상이 발생하므로 바람직하지 못하다.

상기 경량골재는 시멘트 복합재의 경량효과 및 성형 효과를 위하여 첨가되며, 특히 경량효과를 위하는 비중이 0. 2미만인 펄라이트를 사용함이 바람직하다.

그러나, 상기 경량 골재의 함량이 상기 바인더 중량에 대하여 중량비로, 0. 05보다 적을 경우에는 경량 효과를 기대할 수 없으며, 0. 3이상일 경우 결합력이 저하하여 흡합, 성형이 어렵기 때문에 바람직하지 못하다.

상기 압출조제로는 메틸셀룰로즈, 에틸셀룰로즈, 카복시메틸셀룰로즈등이 사용될 수 있으며, 그 첨가량은 상기 바인더 중량에 대하여 0. 005~0. 02의 범위가 바람직한데, 그 이유는 0. 005 보다 적게 첨가되면 압출제품의 가소성이 저하하며, 0. 02이상으로 첨가되면, 그 이상의 첨가효과를 기대할 수 없기 때문이다.

상기 보강재로 사용되는 탄소단섬유는 통상인 탄소섬유인 길이 3~15㎜의 탄소섬유를 사용하며, 그 첨가량이 상기 바인더 중량에 대하여 중량비로 0. 005 이하의 경우는 보강효과를 기대할 수 없으며, 0. 05 이상의 경우는 균일분산 및 혼합이 어려우므로 그 첨가량은 0. 005~0. 05가 바람직하다.

상기 시멘트 매트릭스에 첨가되는 수분의 양은 통상적인 수분함량인 바인더에 대하여 중량비로 0. 3~0. 5 정도로 첨가하면 좋다.

상기 시멘트 복합재의 주성분인 시멘트는 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트가 바람직하며, 그 이외에도 고로슬래그 시멘트, 포조란 시멘트, 플라이애쉬 시멘트와 같은 혼합시멘트 및 알루미나 시멘트등의 특수 시멘트도 사용할 수 있다.

상기한 조성을 이루는 시멘트 복합재는 탄소섬유가 일방향으로 배향되어 강화된 복합재를 이루는 것이 중요하며, 이는 일방향 배향성을 갖는 탄소섬유 보강 압출시멘트 복합제의 경우가 일반적인 짧은 불연속 섬유를 사용한 2차원 또는 3차원적으로 강화된 복합재의 경우보다 강도가 우수하기 때문이다. 이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

상기한 조성을 갖는 시멘트 복합재의 강도를 최대로 하기 위하여 압출성형시 일방향 배향성을 갖도록 함이 중요하다.

즉, 상기 조성의 시멘트 바인더에 압출조제 및 탄소단섬유를 충분히 분산시키고, 물을 첨가하여 혼련한 다음, 압출성형시 압출기 다이의 개구부를 0. 15~0. 4로 함이 바람직한데, 그 이유는 개구비가 0. 4 이상이면 압출기 다이의 직경이 작을 경우에는 관계없지만 직경이 커질 경우에는 압출성형체의 중심부위로 갈수록 섬유의 일방향과 배향도가 점점 낮아지는 경향이 있으며, 개구비가 0. 15 이하이면 과다한 압력이 발생하여 탄소섬유가 파손될 우려가 있어 바람직하지 못하기 때문이다.

상기 압출성형후 제조된 압출 성형체는 통상의 방법으로 오토클레이브 양생을 거치면, 본 발명에 의한 탄소섬유 보강 경량 압출 시멘트 복합체가 제조될 수 있다. 이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1

하기표 1과 같이 평균입도가 4. 98㎛인 고반응성 포졸란(실리카홈) 및 평균입도가 44㎛이고, 비중이 0. 098인펄라이트(경량골재)로 이루어지는 시멘트 바인더에 압출조제로 메틸 셀룰로즈를 상기 바인더에 대하여 중량비로 0. 01 첨가하고 6㎜의 핏치계 탄소섬유를 바인더에 대하여 중량비로 0. 001~0. 06의 범위로 변화시켜 첨가한 후 건식 혼합을 하여 탄소섬유를 충분히 분산시키고 물을 상기 바인더에 대하여 중량비로 0.30~0. 55의 범위로 첨가하여 혼련한 다음, 이축(Twin Screw) 압축기에 주입하여 하기표 1과 같은 개구비로 압출성형하여 성형체를 제조하였다.

제조된 압출성형체는 통상의 방법으로 오토클레이브 양생을 거쳐 경화시키고 양생이 끝난 압출 성형체에 대하여 비중, 굴곡강도, 혼합성 및 압출성형성을 평가하고 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

하기표 1에서의 굴곡강도 측정은 제1도에 나타난 바와 같이 압출성형체(1)를 지지봉(3)에 올려놓고 상부에서 하중(4)을 걸었을때 파단되는 정도치로 나타내었으며, (A)의 경우는 배향섬유(2)가 압출방향인 경우이며, (B)는 배향섬유(2)가 압출방향과 수직일때의 경우이다.

[표 1]

기호 О : 혼합 및 성형이 양호 △ : 성형체 표면 불량 × : 혼합 또는 성형불량

상기 표1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 발명예(1~6)는 높은 굴곡강도 및 양호한 혼합, 성형성을 갖는 반면에, 비교예(a) 및 (b)는 실리카흄의 함량이 본 발명의 범위보다 적거나 많은 경우로서 ,실리카흄의 함량이 0. 35인 경우인 비교예(a)는 혼합성은 좋았으나 점도저하에 따른 압출압력이 형성되지 못하여 성형이 불가능하였으며 0. 01의 경우는 비교예(b)는 혼합성 및 성형성이 양호하지 못하였다.

또한, 비교예(c)는 경량골재의 함량이 본 발명의 범위보다 큰 경우로서 경량골재의 함량 증가에 따라 바인더로서의 기능을 상실하여 결합력이 저하함으로써 혼합이 불가능하였으며, 비교예(d)의 경우는 경량골재의 함량이 작기 때문에 성형성 및 강도는 우수하였으나 경량의 경화체를 얻을 수 없었다.

또한, 비교예(e) 및 (f)는 탄소섬유의 함량이 본 발명의 범위보다 적거나 많은 경우로서 적은 경우인 비교예(e)는 강도발현을 충분히 하지 못하였고 많은 경우인 비교예(f)는 탄소섬유가 바인더 내에서 충분히 분산되지 못함으로써 혼합이 불가능하였다.

한편, 비교예(g)는 개구비를 본 발명의 범위보다 크게 한 경우로서 발명예(1) 및 (2)와 비교해볼때 섬유의 일방향 배향성이 양호하지 못함으로 인하여 압출방향(A)으로의 굴곡강도가 비교적 낮았으며, 또한 압출방향(A) 및 압출수직방향(B)으로 굴곡강도 차이도 적음을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 비중이 적은 경량 골재를 이용하고 압출조건을 제어하므로서, 일방향 배향성을 갖는 탄소섬유 보강 경량 압출 시멘트 복합재를 제공하여 강도가 우수하고 경량화된 토목, 건축소재로 활용할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. 섬유보강 압출시멘트 복합재에 있어서, 중량비로, 실라카흄 : 0. 05~0. 3, 경량골재 : 0. 05~0. 3, 및 잔부 시멘트로 이루어진 바인더에 상기 바인더 중량에 대하여 중량비로, 압출조제 : 0. 005~0. 02, 탄소섬유 : 0. 005~0. 05, 수분 : 0. 3~0. 5가 첨가되어 조성되고, 상기 탄성섬유가 일방향 배향됨을 특징으로 하는 탄성섬유 보강 경량 압출 시멘트 복합재.
2. 제1항에 있어서, 상기 경량 골재의 비중이 0. 2 미만인 펄라이트임을 특징으로 하는 탄소섬유 보강 경량 압출 시멘트 복합재.
3. 섬유 보강 압출시멘트 복합재의 제조방법에 있어서, 중량비로, 실리카흄 : 0. 05~0. 3, 경량골재 : 0. 05~0. 3, 잔부 시멘트로 이루어지는 바인더에 상기 바인더의 중량에 대하여 중량비로 0. 3~0. 5의 수분, 0. 005~0. 02의 압출조제 및 0. 005~0. 05의 탄소섬유를 첨가하여 혼련한 후, 압출성형 다이의 개구비(배출부 면적/도입부면적)를 0. 15~0. 4로 하여 압출성형한 다음, 양생시킴을 특징으로 하는 탄소섬유보강 경량 압출 시멘트 복합재의 제조방법.