내충격 및 방폭 성능이 강화된 유기계 하이브리드 섬유보강재 및 이를 이용한 구조물{Organic Hybrid Fiber and structure using the same}

본 발명은 유기계 섬유를 혼합하여 각 섬유의 장점이 발현됨으로써 내충격 및 방폭 성능이 배가된 하이브리드 섬유보강재에 관한 것이다.

일반적으로 군사시설, 원전 및 국가 주요시설 관련 구조물 등은 외부충격 및 폭발에 대한 저항성을 갖추고 있어야 한다. 이러한 외부충격 및 폭발은 항공기 오작동에 의한 충돌, 특히 대한민국의 경우 남북 대치상황, 최근에 대두되는 테러에 대한 위협에 대해 안전지대라고 할 수 없으므로 외부충격 및 폭발에 대한 내충격성 강화 및 폭발압력의 흡수가 중요한 실정이다.

현재 이러한 내충격성 강화 및 폭발압력의 흡수를 위한 해결책으로 제시되는 것은 고작 벽체두께를 크게 함으로서 이를 보강하고자 하는 정도인데 이렇게 벽체두께를 크게 하는 것은 비경제적일 뿐 아니라 온도균열 등의 내구성에 있어서도 문제가 발생할 수 있다.

이러한 방호 및 방폭의 기능을 발현시키기 위한 기술로서 대한민국 공개특허 제10-2012-0014194호에서는 "제 1 외표면 및 상기 제 1 외표면과 반대쪽에서 일반적으로 상기 제 1 외표면에 평행한 제 2 외표면을 포함하는 무기 세라믹 매트릭스; 및 상기 제 1 외표면과 제 2 외표면 사이의 무기 세라믹 매트릭스 내에 배치된 하나 이상의 개방 직조(open weave) 유리섬유 직물을 포함하는 복합 물질"을 개시하고 있다.

그러나 상기 기술은 구조물로서 콘크리트 구조에 혼입되는 것으로 이질의 재질간의 상호 작용을 충분히 기대할 수 없어 외부충격에 대한 충분한 내충격 및 방폭 성능이 발현되는 것을 장담할 수 없다.

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 콘크리트 내에 혼입되는 보강섬유를 하이브리드 하여 외부충격 및 폭발에 대한 에너지를 충분히 완충시킬 수 있는 보강재를 제공하고자 함이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내충격 및 방폭 성능이 강화된 유기계 하이브리드 섬유보강재는 표면에 소수성 계면활성제에 의해 코팅층이 형성된 개질 아라미드 섬유와 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 섬유가 혼합된 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 표면에 개질 아라미드 섬유는 코팅층의 도포후 에칭처리에 의해 코팅층에 섬유노출부가 복수로 구성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로 개질 아라미드 섬유는 아라미드 섬유 표면에 코팅층을 도포하고 용기에 송이와 혼합한 후에 교반시키며 교반 후 물을 혼합하여 비중에 따라 개질 아라미드 섬유만을 분리하여 건조시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 소수성 계면활성제는 폴리옥시에틸렌 스테아릴 에테르 유도체, 솔비탄 지방산 에스테르 유도체, 폴리옥시에틸렌 올레일 아민 유도체 중 선택된 1 또는 혼합물인 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명에서는 상기 내충격 및 방폭 성능이 강화된 유기계 하이브리드 섬유보강재가 배합되어 형성되는 구조물에 대해서도 제시하고 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내충격 및 방폭 성능이 강화된 유기계 하이브리드 섬유보강재는 각각 섬유보강재의 장점이 발현되고 단점이 보완되어 내충격 및 방폭 성능이 강화되며, 분산성이 향상되어 균일한 물성이 발현되는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 콘크리트 구조물을 시공하는 경우 콘크리트 타설량을 줄이면서도 충분한 내충격 및 방폭 성능이 확보되도록 하여 경제적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 내충격 및 방폭 성능이 강화된 유기계 하이브리드 섬유보강재가 페이스트 내부에 내재된 상태를 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 구성인 개질 아라미드 섬유의 실시 예를 나타내는 개략도이고,
도 3은 폴리아미드 섬유가 혼입된 시료의 휨강도-처짐 그래프이고,
도 4는 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 섬유가 혼입된 시료의 휨강도-처짐 그래프이고,
도 5는 아라미드 섬유가 혼입된 시료의 휨강도-처짐 그래프이고,
도 6은 본 발명의 섬유보강재가 혼입된 시료의 휨강도-처짐 그래프이다.

아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 내충격 및 방폭 성능이 강화된 유기계 하이브리드 섬유보강재(10)는 도 1에서 보는 바와 같이 표면에 소수성 계면활성제에 의해 코팅층이 형성된 개질 아라미드 섬유(11)와 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 섬유(12)가 혼합된 것을 특징으로 한다.

이렇게 본 발명의 섬유보강재는 소수성 계면활성제에 의해 코팅층이 형성된 개질 아라미드 섬유(11)와 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 섬유(12)가 혼합되어 각각 섬유의 장점이 발현되도록 함으로써 내충격 및 방폭 성능이 배가되도록 하는 유기계 하이브리드 섬유보강재에 대한 것이다.

특히 본 발명의 일 구성으로서 개질 아라미드 섬유(11)는 아라미드 섬유 표면에 소수성 계면활성제에 의해 코팅층이 형성되도록 함에 특징이 있다.

이와 같이 코팅층이 형성되도록 하는 이유는 분산성을 향상시키기 위함이며 특히 내층격성을 향상시키기 위한 것이다.

즉 상기 아라미드 섬유 자체는 친수성 섬유로 시멘트와 강한 결합력을 발생시키도록 하여 인성을 강화시키되, 그 표면을 소수성 계면활성제로 코팅함으로써 너무 강한 결합력에 의해 섬유 절단의 문제를 해결하여 충격저항성을 향상시키도록 하는 것이다.

환언하면 친수성 섬유인 아라미드 섬유를 첨가함으로써 시멘트 페이스트와의 수소결합력을 증대시켜 인성을 강화하는 것이며, 이러한 수소결합력이 너무 커지면 시멘트 페이스트에 있어 외부충격 등에 의해 변형 발생시 너무 큰 결합력에 의해 섬유 절단의 문제가 발생하여 내충격성 면에서 불리할 수 있는 바, 아라미드 섬유에 소수성 계면활성제로 코팅을 함으로써 그 표면을 친유기 처리하여 아라미드 섬유 고유의 인장강도 등의 물성이 그대로 발휘되면서 일정 충격에 의한 변형발생시 뽑힘이 발생하도록 하여 내충격성을 강화시키기 위함이다.

특히 본 발명에서는 상기 소수성 계면활성제로는 디메틸 실리콘오일이 사용됨에 특징이 있다. 디메틸 실리콘오일은 강인하고 유연한 분자구조(폴리티메틸실옥산)를 가지기 때문에 여러 가지 우수한 특성을 지니며, 그 중에서도 내열성이 높고 점도 온도계수와 표면장력이 작고 생리활성이 없다는 것이 특징이 있다.

즉 아라미드 섬유를 디메틸 실리콘오일로 코팅층이 형성되도록 하여 내충격성, 분산성은 물론 폭렬시에도 내열성을 가지고 있어 아라미드 섬유의 물성이 유지되도록 하는 점에 장점이 있는 것이다. 환언하면 디메틸 실리콘오일의 메틸기의 일부를 페닐기로 치환한 형태의 디메틸 실리콘오일은 내열성과 내방사선성 등의 특징이 향상되며, 유기변성 실리콘오일은 화학적으로 수시된 관능기의 성직이 부가되어 있기 때문에 디메틸 실리콘오일과는 상당히 다른 성질을 가짐으로 아라미드 섬유를 디메틸 실리콘오일로 개질함으로써 내충격성 및 방폭성능이 배가되도록 하는 것이다.

이러한 소수성 계면활성제로 구성된 코팅층은 아라미드 섬유 전체 중량대비 0.5 ~ 2중량%인 것이 바람직한 바, 0.5중량%미만의 경우 친유기가 너무 적어 섬유절단의 문제를 해결할 수 없는 것이며, 2중량%를 초과하는 경우 시멘트 페이스트와의 수소결합을 너무 저해하게 되므로 오히려 인성 및 내충격성 면에서 불리하게 되는 것이다.

한편 개질된 아라미드 섬유(11)의 경우 아라미드 섬유 표면을 코팅층이 완전히 도포되는 경우 외부충격이 작은 경우에도 섬유 뽑힘현상이 발생되어 오히려 아라미드 섬유 자체의 물성이 제대로 발현되지 않는 문제가 있을 수 있다. 이에 본 발명에서는 도 2에서 보는 바와 같이 다른 실시 예의 개질 아라미드 섬유(11)를 제시하고 있다.

본 실시 예의 개질 아라미드 섬유(11)는 아라미드 섬유(111)에 코팅층(112)의 도포후 에칭처리에 의해 코팅층(112)에 섬유 노출부(113)가 복수로 구성됨을 특징으로 한다. 즉 본 실시 예의 개질 아라미드 섬유(11)는 도 2에서 보는 바와 같이 아라미드 섬유(111)와 그 표면의 코팅층(112)과 코팅층(112)에 형성되는 복수의 섬유노출부(113)로 구성됨에 특징이 있는 것이다.

이와 같이 섬유노출부(113)가 더 구성되도록 하는 이유는 아라미드 섬유(111) 자체가 섬유노출부(113)를 통해 시멘트 페이스트와 직접적으로 접촉이 되도록 하여 수소결합에 의한 부착력이 발현되도록 함으로써 외부충격 발생시 섬유가 조기에 뽑힘이 발생되어 섬유자체의 물성이 발현되지 못하는 것을 방지하기 위한 것이다.

결과적으로 본 실시 예의 개질 아라미드 섬유(11)는 섬유 고유의 휨강도, 탄성 등의 물성이 그대로 발휘되도록 일정 충격 이상에서 변형발생시 뽑힘이 발생하도록 하여 내충격성을 배가시키도록 하는 것이다.

또한 본 발명에서는 코팅층(112)이 형성된 아라미드 섬유(111)를 에칭에 의해 상기 섬유노출부(113)가 형성되도록 하는데 있어 하나의 실시 예를 제시하고 있는데, 기존 약품, 플라즈마 등에 의한 에칭처리시 약품의 잔재, 정전기에 의한 이물질의 부착 등으로 개질된 아라미드 섬유(11)에 이물질이 부착됨으로써 시멘트 페이스트의 강도를 저하시키거나 섬유물성 발현을 방해하는 문제 등을 제어하기 위한 것이다.

이를 위해 본 실시 예의 개질 아라미드 섬유(11)는 아라미드 섬유(111) 표면에 코팅층(112)을 도포하고 용기에 송이와 혼합한 후에 교반시키며 교반 후 물을 혼합하여 비중에 따라 개질 아라미드 섬유(11)만을 분리하여 건조시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.

코팅층(112)이 도포된 아라미드 섬유(111)를 송이와 같이 혼합하여 교반을 시키도록 하는데 이와 같이 송이와 같이 혼합하여 교반을 시키는 이유는 송이와 코팅층(112)이 도포된 아라미드 섬유(111)가 교반과정에서 상호 충돌을 하여 물리적으로 코팅층(112)이 에칭됨에 의해 섬유노출부(113)가 형성되도록 하는 것이며 이러한 물리적 충돌을 송이에 의해 수행되도록 하는 이유는 송이가 교반 및 충돌과정에서 발생되는 이물질을 흡착하여 개질된 아라미드 섬유(111)에 이물질이 부착되는 것을 방지하기 위한 것이다.

이러한 교반과정에서는 적정의 물이 혼합되는 것이 타당한 바, 적정의 물이 혼합됨에 의해 송이에 의한 이물질의 흡착효율을 배가시키기 위한 것이다.

상기와 같이 교반이 충분히 이루어지면 물을 더 혼합하여 개질된 아라미드 섬유(11)을 부유시키고 흡착이 이루어진 송이는 침강되도록 하여 개질된 아라미드 섬유(11)만을 분리하여 건조시키면 제조과정이 마무리 되는 것이다.

이와 같이 에칭공정이 수행되도록 함으로써 개질된 아라미드 섬유(11)는 이물질의 부착, 침적이 없는 상태가 되어 시멘트 페이스트의 물성저하 및 시멘트 페이스트에서 고유의 물성저하가 제어되도록 하는 것이다.

상기와 같이 본 발명은 개질된 아라미드 섬유(11)와 PET 섬유(12)가 하이브리드 되는데 PET 섬유(12)의 경우 분산성이 좋고 개질된 아라미드 섬유(11)의 경우도 개질에 의해 분산성이 향상되어 균일한 물성이 발현되도록 하며, 특히 내충격성이 상호 장점의 발현으로 배가되는데 이러한 내충격성의 향상에 대해서는 이하에서 실험 예를 통해 설명한다.

도 2 내지 도 5에서는 각 유기계 섬유보강재, 본 발명의 하이브리드 섬유보강재가 첨가된 시료에 대한 휨강도-처짐 그래프를 나타내고 있다. 각 시료에 대한 실험은 KS F 2566에 따라 각 시료에 대해 4점 재하실험을 통해 도출된 각각의 그래프이다.

우선 도 3에서 보는 바와 같이 유기계 섬유보강재로서 폴리아미드 섬유가 첨가된 시료에 대한 실험결과를 보면 처짐에 따라 휨강도의 감소폭이 큰 것을 알 수 있다. 즉 폴리아미드 섬유는 신율이 큰 것이 특징인데 이에 따라 휨강도와 처짐에 의해 형성되는 면적이 작아지는 것을 알 수 있다.

결과적으로 폴리아미드 섬유는 휨강도 면에서는 다소 우수하나 신율이 커서 면적으로 제시되는 에너지 흡수면에서 바람직하지 못한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다. 상기 그래프에서 PA-1 및 PA-2는 동일 시료에 대해 2번의 실험결과를 도출한 것이다.

또한 도 4에서 보는 바와 같이 유기계 섬유보강재로서 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 섬유가 첨가된 시료에 대한 실험결과를 보면 도 3과 대비시 휨강도 면에서 유사하거나 다소 낮은 결과가 도출되는 것을 알 수 있으나 신율이 작아 전체 면적에서는 유리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.

즉 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 섬유가 첨가된 시료의 경우는 폴리아미드 섬유가 첨가된 시료와 대비 휨강도면에서 거의 유사한 경향을 나타내고 있으나 내충격성 면에서는 유리한 것을 알 수 있다. 상기 그래프에서 PET-1 및 PET-2는 동일 시료에 대해 2번의 실험결과를 도출한 것이다.

또한 도 5에서 보는 바와 같이 유기계 섬유보강재로서 아라미드 섬유가 첨가된 시료에 대한 실험결과를 보면 도 3 및 도 4와 대비시 휨강도 면에서 훨씬 유리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.

단, 이 경우도 도 3과 유사하게 신율이 다소 커서(신율이 작은 경우보다) 전체 면적에서는 불리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다. 즉 아라미드 섬유가 첨가된 시료의 경우는 폴리아미드 섬유가 첨가된 시료 및 PET 섬유가 첨가된 시료와 대비 휨강도 면에서 훨씬 유리한 점이 발현되는 것을 알 수 있으나 내충격성 면에서는 다소 불리한 것을 알 수 있다.

또한 본 시험에 있어 AM-1은 도 1에 도시된 개질된 아라미드 섬유(11)(코팅층만 형성된 경우)가 혼입된 시료에 대한 실험결과이며, AM-2는 도 2에 도시된 개질된 아라미드 섬유(11)(코팅층 및 섬유노출부가 형성된 경우)가 혼입된 시료에 대한 실험결과를 나타내고 있다.

도 5에서 보는 바와 같이 휨강도 면에서는 상호 유사한 결과를 나타내나, 전체 면적 즉 내충격성 면에서는 AM-2가 더 우수한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다. 이는 도 2에 도시된 개질된 아라미드 섬유(11)(코팅층 및 섬유노출부가 형성된 경우)가 혼입된 시료의 경우가 아라미드 섬유(111) 자체의 물성이 잘 발현되도록 적정의 시기 이후에 섬유 뽑힘이 발생되도록 하는데 기인한 것으로 판단된다.

또한 도 6에서 보는 바와 같이 본 발명의 개질된 아라미드 섬유와 PET섬유가 하이브리드 되어 첨가된 시료에 대한 실험결과를 보면 도 3 및 도 4와 대비시 휨강도 면에서 훨씬 유리한 결과가 도출되며, 도 5와 대비시 내충격성 면에서 훨씬 유리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.

즉 개질된 아라미드 섬유와 PET섬유가 혼입되어 PET섬유의 휨강도가 보강되며 개질된 아라미드 섬유의 신율이 보강되어 결과적으로 내충격성이 배가되는 것을 알 수 있다.

이 경우도 AM-1은 도 1에 도시된 개질된 아라미드 섬유(11)(코팅층만 형성된 경우)가 혼입된 시료에 대한 실험결과이며, AM-2는 도 2에 도시된 개질된 아라미드 섬유(11)(코팅층 및 섬유노출부가 형성된 경우)가 혼입된 시료에 대한 실험결과를 나타내고 있으며, 도 6에서 보는 바와 같이 휨강도 면에서는 상호 유사한 결과를 나타내나, 전체 면적 즉 내충격성 면에서는 AM-2가 더 우수한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.

결론적으로 본 발명은 개질된 아라미드 섬유(11)의 휨강도와 PET 섬유의 낮은 신율의 장점이 하이브리드 되어 높은 내충격성이 발현되도록 하는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

10 : 본 발명 11 : 개질 아라미드 섬유
12 : 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET) 섬유