KR200420515Y1

KR200420515Y1 - 탄소섬유를 다방향으로 배치하여 제조한 다방향 탄소판

Info

Publication number: KR200420515Y1
Application number: KR2020060003801U
Authority: KR
Inventors: 김원기; 한상훈
Original assignee: 김원기; 한상훈
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2006-07-04

Abstract

본 고안은 구조물 보강용 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판에 관한 것으로, 일측 방향으로 배치되는 다수개의 제1 방향탄소섬유와, 상기 제1 방향탄소섬유에 대하여 약 45°의 기울기로 교차 배치되는 다수개의 제2 방향탄소섬유, 및 상기 제2 방향탄소섬유에 대하여 약 90°의 기울기로 교차 배치되는 다수개의 제3 방향탄소섬유를 포함하는 것이 특징이다.

본 고안에 의하면, 제1 방향탄소섬유에 제2 방향탄소섬유와 제3 방향탄소섬유가 교차 배치되어 탄소판에 홀을 형성시킬 수 있다. 따라서, 구조물의 전단 예상 부분에 체결부재를 이용하여 구조물에 덧붙임 공사를 할 수 있다. 그리고, 탄소판에 에폭시를 부착시킨 후 볼트로 덧붙임 공사를 할 때, 탄소판의 양단부에서 조기 계면 박리되는 것을 예방/방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 화재시 에폭시 접착력이 없어져도, 볼트 덧붙임 공사로 인해 구조물이 붕괴되는 것을 방지하고 탄소판의 본래 강도를 최대의 효율로 사용할 수가 있다.

탄소판, 탄소섬유, 카본

Description

탄소섬유를 다방향으로 배치하여 제조한 다방향 탄소판{Carbon fiber Laminate with multi direction}

도 1은 본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 제조과정을 도시한 개략적인 도면,

도 2는 본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 바람직한 실시예를 도시한 평면도,

도 3은 본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 바람직한 실시예에 따른 단면도,

도 4는 본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 다른 실시예를 도시한 단면도,

도 5는 본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 또 다른 실시예를 도시한 단면도,

도 6은 본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 롤 2 : 에폭시

3 : 가압 롤러 4 : 건조기

10 : 탄소판 11 : 제1 방향탄소섬유

12 : 제2 방향탄소섬유 13 : 제3 방향탄소섬유

14 : 보호필름

본 고안은 구조물에 보강용으로 사용되는 탄소판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소판을 구조물에 에폭시로 부착한 후 탄소판에 홀을 형성하여 구조물에 앵커링 볼트로 고정할 때, 홀 주위에서 균열이 발생하거나 탄소판과 구조물이 단락되지 않는 구조물 보강용 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판에 관한 것이다.

일반적으로, 탄소판은 제1 방향탄소섬유(Carbon Fiber)를 제조 길이 방향으로 에폭시 함침 및 압착한 후, 건조 제조된 판으로 동일한 두께를 갖는 금속판보다 몇 배의 강도를 갖는다. 이러한 탄소판은 보통 건축물이나 교량 등의 구조물에 보강용으로 사용되고 있다.

시공된 모든 구조물은 시간이 경과함에 따른 노후화로 인해 내하력이 감소된다. 그리고 설계나 시공 오류, 또는 대형 차량 및 과적 차량의 운행으로 인하여 교량 등과 같은 구조물에 파손 현상이 발생 되기도 한다. 따라서, 이러한 구조물의 내하력 증진을 위해 보강 공법을 실행한다.

상기한 구조물의 보강 공법으로는 상판의 재시공 공법, 섬유 시트공법, 강판보강 공법, 탄소판 부착공법 등이 사용된다.

상술한 공법 중 섬유시트 공법은, 종래에 많이 사용되어 왔던 공법이다. 그러나, 작업의 복잡성과 시트의 부착매수가 증가함에 따라 접착제와 시트 사이에 접착률이 저하되는 문제점이 있었다. 그리고 균열에 대해 취약한 점과 보강부위의 관찰 불가능 이라는 단점을 항상 내포하고 있는 공법이다.

그리고 상기 강판 보강공법은 강판의 무게로 인해서 설치에 어려운 문제가 있었다. 따라서, 시공성이 불량할 뿐만 아니라 금속의 특성으로 인해서 부식발생률이 제기되었다. 또한, 기존 구조물에 추가하중을 부담시키는 등의 문제점이 있는 공법이다.

그리고, 기존에 제공된 탄소판을 이용한 부착공법의 경우 부착된 탄소판의 양 끝단에서 일정 이상의 하중이 부과되면 쉽게 계면 박리 되는 문제점이 있었다. 따라서, 본래 탄소판이 가진 강도를 충분히 사용하지 못하는 이유가 되기도 하였다. 그리고, 건물 내부 보강시 화재 발생으로 인한 화염으로 인해서 탄소판이 쉽게 탈락하여 구조물의 보강효과가 미비한 문제점도 있었다.

뿐만 아니라, 구조물에 탄소판을 체결하기 위해서 상기 탄소판에 홀을 형성시키는데, 상기 홀 주위에서 균열이 발생되어 상기 탄소판이 일측 방향으로 파괴되는 문제점도 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은, 탄소판을 구조물에 부착할 때 에폭시를 탄소판에 부착하고 볼트로 체결하여 조기 계면 박리 현상을 예방하는 구조물 보강용 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판을 제공하는 데 있다.

또한, 탄소판에 홀을 형성시킬 때 상기 홀 주위에서 파열 및 균열이 발생되지 않는 구조물 보강용 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판을 제공하는 데 있다.

그리고, 탄소판을 구조물에 부착한 후 하중으로 인해서 상기 탄소판이 파괴되는 것을 저감시킨 구조물 보강용 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

그리고, 탄소판에 에폭시를 부착한 후, 양단부에 2 개 또는 수개의 볼트로 추가 고정 작업을 함으로써, 상기 탄소판이 가진 강도를 최대한 활용하고, 양단부에서 조기 박리 되는 것을 방지/예방함을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판은, 일측 방향으로 배치되는 다수개의 제1 방향탄소섬유; 상기 제1 방향탄소섬유에 대하여 약 45°의 기울기로 교차 배치되는 다수개의 제2 방향탄소섬유; 및 상기 제2 방향탄소섬유에 대하여 약 90°의 기울기로 교차 배치되는 다수개의 제3 방향탄소섬유;를 포함하는 것이 특징이다.

본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 제1 방향탄소섬유의 상면과 하면에 각각 교차 배치된다.

본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 제1 방향탄소섬유의 상면 또는 하면에 서로 교차 배치된다.

본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 방향탄소섬유는 상기 탄소판의 전체 중량에서 약 80 내지 90의 중량비로 구비되고, 제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 탄소판의 전체 중량에서 약 10 내지 20%의 중량비를 갖는다.

본 고안의 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 방향탄소섬유는 다층으로 구비되고, 상기 제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 제1 방향탄소섬유들 사이에 배치된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 구조물 보강용 다방향 탄소판의 구성 및 제조방법을 설명하도록 한다.

먼저, 제1 방향탄소섬유는 유기섬유를 비활성기체 속에서 적당한 온도로 열처리하여 그 분자구조 및 결정을 변화시켜 제조된다. 이러한 제1 방향탄소섬유는 셀룰로오스, 아크릴 섬유, 비닐론, 피치(pitch) 등을 원료로 하며, 사용되는 원료에 따라 또는 처리 온도에 따라 분자배열과 결정의 변화가 생기게 된다. 그리고, 금속광택 및 흑색 또는 회색의 색상을 갖는다.

일반적인 제1 방향탄소섬유의 강도는 10∼20g/d, 비중 1.5∼2.1. 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하다. 또한 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가기 때문에 중량이 감소되고, 알루미늄보다 가벼우면서도 금속보다는 탄성과 강도가 매우 뛰어나다.

이러한 특성으로 인해 제1 방향탄소섬유는 스포츠용품(낚싯대, 골프채, 테니스 라켓), 항공우주산업(내열재, 항공기 동체), 자동차, 토목건축(경량재, 내장재 ), 전기전자, 통신(안테나), 환경산업(공기정화기, 정수기) 등 각 분야의 고성능 산업용 소재로 널리 쓰인다.

본 고안의 구조물 보강용 다방향 탄소판은 다측 방향으로 제조되는 것이 특징이다. 구조물 보강용 다방향 탄소판(10)은 제1 방향탄소섬유(11), 제2 방향탄소섬유(12), 제3 방향탄소섬유(13)로 크게 구분된다.

상기 제1 방향탄소섬유(11)와 제2 방향탄소섬유(12), 그리고 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 동일한 소재로 구성된다. 즉, 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 상기 제1 방향탄소섬유(11)와 동일한 제1 방향탄소섬유(11)로 구성되는 것이다.

첨부된 도 1에서 보는 바와 같이, 앞서 언급한 제1 방향탄소섬유(11)들은 매우 미세한 직경을 가지며 롤에 감겨진 상태로 구비된다. 별도의 구동장치로 인해서 상기 롤(1)에 감겨진 상태의 상기 제1 방향탄소섬유(11)들을 에폭시(2)에 함침 시킨다. 여기서, 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)를 상기 제1 방향탄소섬유(11)와 동일한 조건에서 함침시켜 동시에 진행시킬 수도 있다. 그리고, 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 각각 별도로 진행시킬 수도 있다.

상기 제1 방향탄소섬유(11)를 일측 방향으로 이송시키면서 가압 롤러(3)로 상기 제1 방향탄소섬유(11)를 1차적으로 압착한다. 이후, 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)를 각각 상기 제1 방향탄소섬유(11)에 배치시켜 상기 3개의 탄소섬유(11,12,13)를 하나로 일체화시킨다. 여기서, 상기 제1 방향탄 소섬유(11)를 1차적으로 압착하기 전에 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)를 각각 배치시켜 3개의 섬유(11,12,13)를 동시에 압착시킬 수도 있다.

첨부된 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 제2 방향탄소섬유(12)는 상기 제1 방향탄소섬유(11)의 길이 방향에 대하여 약 45°정도 기울어지도록 교차 배치된다. 그리고, 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 상기 제2 방향탄소섬유(12)에 대하여 약 90° 정도 기울어지도록 교차 배치된다. 즉, 상기 제1 방향탄소섬유(11)는 평면에서 봤을 때, 수평 방향(일방향)인 0°의 위치를 가진다. 그리고, 상기 제2 방향탄소섬유(12)는 상기 제1 방향탄소섬유(11)에 대하여 "+" 또는 "-"의 45°기울기를 갖도록 배치되는 것이다. 또한, 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 상기 제2 방향탄소섬유(12)에 대하여 "+" 또는 "-"의 90°정도의 기울기를 갖도록 배치되는 것이다. 따라서, 상기 제1 방향탄소섬유(11), 상기 제2 방향탄소섬유(12), 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 다방향으로 배치되는 것이다.

첨부된 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 제2 방향탄소섬유(12)는 상기 제1 방향탄소섬유(11)의 상면 또는 하면에 배치된다. 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 상기 제2 방향탄소섬유(12)의 상면에 배치될 수도 있다. 그리고, 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 상기 제1 방향탄소섬유(11)의 양면에 각각 배치될 수도 있다. 뿐만 아니라, 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 각각 상기 제1 방향탄소섬유(11)의 상면과 하면에 각각 한 쌍으로 배치될 수도 있는 것이다.

그리고, 첨부된 도 6에서 보는 바와 같이, 상기 제1 방향탄소섬유(11)는 적어도 두개의 층으로 구성될 수도 있다. 또한, 상기 제1 방향탄소섬유(11) 사이에 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)가 각각 배치된다.

상기 제1 방향탄소섬유(11)는 탄소판(10)의 전체 중량에서 약 80 내지 90%로 구비되고, 상기 제2 방향탄소섬유(12)와 상기 제3 방향탄소섬유(13)는 탄소판(10)의 전체 중량에서 약 10 내지 20%로 구비된다.

상기 제1 방향탄소섬유(11)와 상기 제2 방향탄소섬유(12), 그리고 상기 제3 방향탄소섬유(13)로 얻어진 탄소판(10)은 건조기(4)를 통해 수분을 제거하고 절단기를 통해 최종 성형물이 완성되는 것이다.

이렇게 얻어진 탄소판(10)은 그 표면을 거칠게 형성시키고, 상기 표면에 에폭시 접착 면적을 증대시키기 위해 보호필름(14)을 부착시킨다. 상기 보호필름(14)으로 인해서 상기 탄소판(10)의 부착면에 이물질이 존재하지 않게 되어 신속한 시공을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 전단 저항력이 더욱더 증대되는 효과가 있다.

상기한 방법으로 얻어진 본 고안의 구조물 보강용 다방향 탄소판(10)은, 상기 탄소판(10)에 홀을 형성시킬 수가 있다. 즉, 구조물 보강용으로 구비되는 탄소판(10)은 전단이 예상되는 부분에 홀을 형성시켜 볼트 또는 앵커볼트와 별도의 스테인레스 너트로 덧붙임 공사를 진행하게 된다. 그러나, 앞서 종래 기술의 문제점에도 언급한 바와 같이, 종래의 탄소판은 제1 방향탄소섬유가 일측 방향으로만 제조되기 때문에 홀을 형성시킬 수가 없다. 즉, 종래의 탄소판에 홀을 형성시킬 경우 홀 주위에서 섬유의 함침 방향으로 균열이 발생된다. 따라서, 상기 탄소판이 쉽게 파열되거나 보강재와 조기 계면 박리 되는 문제점이 있었다. 그러나, 본 고안의 구조물 보강용 다방향 탄소판(10)은 이러한 종래의 탄소판의 문제점을 극복할 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 구성된 본 고안의 구조물 보강용 다방향 탄소판은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 제1 방향탄소섬유에 제2 방향탄소섬유와 제3 방향탄소섬유가 교차 배치되어 탄소판에 홀을 형성시킬 수 있다. 따라서, 탄소판을 에폭시 부착후 구조물의 전단 예상 부분에 체결부재를 이용하여 구조물에 덧붙임 공사를 할 수 있다.

둘째, 제1 방향탄소섬유와 제2 방향탄소섬유, 그리고 제3 방향탄소섬유가 다측 방향으로 교차 배치되어 탄소판의 강도 및 강성, 그리고 전단 저항력이 증대되는 효과가 있다.

셋째, 탄소판 부착후 추가적으로 볼트 앵커링 공사를 할수 있기 때문에, 탄소판의 양단부에서 발생되는 조기 계면 박리 현상을 예방하거나 방지할 수 있다.

넷째, 탄소판을 볼트로 앵커링 하여 구조물에 부착시키기 때문에 화재 발생시에도 구조물이 붕괴되는 것을 최소화할 수 있다.

다섯째, 탄소판의 일면에 보호 필름을 부착시켜 시공시 필름을 떼어내고, 별도의 세척작업을 하지 않고 에폭시를 도포한 후 구조물에 부착시킬 수 있다. 따라서, 탄소판을 구조물에 보강하는 작업을 신속하게 진행할 수 있다.

Claims

일측 방향으로 배치되는 다수개의 제1 방향탄소섬유;

상기 제1 방향탄소섬유에 대하여 45°의 기울기로 교차 배치되는 다수개의 제2 방향탄소섬유; 및

상기 제2 방향탄소섬유에 대하여 90°의 기울기로 교차 배치되는 다수개의 제3 방향탄소섬유;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판.
제 1항에 있어서,

상기 제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 제1 방향탄소섬유의 상면과 하면에 각각 교차 배치된 것을 특징으로 하는 상기 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 제1 방향탄소섬유는 상기 탄소판의 전체 중량에서 80 내지 90%의 중량비로 구비되고,

제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 탄소판의 전체 중량에서 10 내지 20%의 중량비를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판.
제 3항에 있어서,

상기 제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 제1 방향탄소섬유의 상면 또는 하면에 교차 배치된 것을 특징으로 하는 상기 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판.
제 4항에 있어서,

상기 탄소판의 외측면에는 보호필름;이 더 포함된 것을 특징으로 하는 상기 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판.
제 5항에 있어서,

상기 제1 방향탄소섬유는 다층으로 구비되고, 상기 제2 방향탄소섬유와 상기 제3 방향탄소섬유는 상기 제1 방향탄소섬유들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 상기 다방향 탄소섬유를 갖는 탄소판.