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문제 정의
- 본 연구에서는 구조보강용 FRP 복합체의 함침·접착수지로 사용되는 에폭시 수지의 사용가능시간을 실험적으로 파악하기 위하여 기존의 시험규격에서 제안하는 방법에 따라 대표적인 수지를 대상으로 실험을 실시하고, 실험결과에 대한 비교 · 분석을 통하여 기존시험방법의 적합성을 분석함과 동시에 사용가능시간 분석을 위한 합리적인 시험방법 및 평가기준에 대한 개선방향을 모색하였다.
- 본 연구에서는 여러가지 시험법 중에서 측정이 용이할 것으로 생각되는 점도변화법과 발열온도상승법을 대상으로 검토하였다. 점도변화법에서는 다중 성분 접착수지의 초기점도가 특정값 이상으로 점성이 변하는데 걸리는 시간을 측정하여 사용가능시간을 정의한다.
- 합리적인 사용가능시간 측정방법을 검토하기 위하여 본 연구에서는 발열온도상승법과 점도변화법을 대상으로 탄소섬유쉬트의 함침·접착용 에폭시 수지와 탄소섬유판의 접착용 에폭시 수지를 각각 실험하였다. 발열온도상승법에서는 Table 3에서 보는 바와 같이 배합량 100, 200, 300g의 3종류에 대하여 배합량 및 각 규준에서 제시하는 판정기준에 따른 사용가능시간의 차이를 평가하였다.
제안 방법
- FRP 보강제의 함침 및 접착제로 사용되는 2액형 에폭시 수지의 합리적인 사용가능시간을 평가하고, 적합한 시험방법 및 평가방법을 도출하기 위한 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 발열온도상승법에서는 Table 3에서 보는 바와 같이 배합량 100, 200, 300g의 3종류에 대하여 배합량 및 각 규준에서 제시하는 판정기준에 따른 사용가능시간의 차이를 평가하였다. 점도변화법에서는 브룩필드 RVDV-Ⅱ+형의 회전점도계를 이용하여 점도를 측정하였으며 스핀들의 회전판이 샘플내에 완전히 침식될 수 있도록 각각의 비중을 고려하여 에폭시 수지 양을 결정하였다.
- 발열온도상승법에서는 Table 3에서 보는 바와 같이 배합량 100, 200, 300g의 3종류에 대하여 배합량 및 각 규준에서 제시하는 판정기준에 따른 사용가능시간의 차이를 평가하였다. 점도변화법에서는 브룩필드 RVDV-Ⅱ+형의 회전점도계를 이용하여 점도를 측정하였으며 스핀들의 회전판이 샘플내에 완전히 침식될 수 있도록 각각의 비중을 고려하여 에폭시 수지 양을 결정하였다. 이와 같이 결정된 탄소섬유쉬트 함침·접착용 에폭시 수지 및 탄소섬유판 접착용 에폭시 수지의 배합양은 각각 400g 및 600g 이다.
대상 데이터
- 이에 따라 본 연구에서는 국내에서 대표적으로 사용되고 있는 탄소섬유쉬트용 함침·접착 수지(저점도 수지)와 탄소섬유판용 접착용 수지(고점도 수지)를 각각 선정하여 에폭시 수지의 사용가능시간 측정을 위한 실험재료로 선정하였다. 에폭시 수지의 물성치를 정리하여 나타면 Table 2와 같다.
이론/모형
- 이러한 현상은 점도변화법에서도 동일하게 관측된 것으로 수지의 특성에 기인하는 것이라 판단된다. 본 그림에서 최고온도가 명확히 나타나지 않는 100g에서는 사용가능시간을 평가하는 일본 수도고속도로공단의 판정기준에 따라 0.5Tmax 로 평가하였다.
성능/효과
- 1) EN의 규격에서 규정된 바와 같이, 점도변화법에 의해 초기 점도의 2배가 되는 점도를 측정한 결과, 탄소섬유쉬트와 탄소섬유판용 에폭시 수지 모두 사용가능시간은 67분으로 나타났다. 점도변화법은 수지의 물성변화를 직접적으로 측정하는 실험 방법으로서 실효성 측면에서 우수할 것으로 예상되나 실험방법이 복잡하고 스핀들의 망실이 발생되므로 실험결과에 대한 기준치로만 고려할 필요가 있다고 판단된다.
- 2) 점도변화법에서는 점도계의 스핀들이 회전함에 따라서 스핀들 주변에서의 에폭시 수지의 경화가 지연되므로 현장배합 시 사용가능시간은 초기점도의 2배가 되는 시점보다 짧아져야 할 것으로 판단된다. 따라서 점도변화법에서 측정된 사용가능시간을 감소를 고려할 수 있는 감소계수의 도입이 필요하다고 판단된다.
- 3) 발열온도상승법에 의한 시험방법 중에서 40℃ 도달 시간을 기준으로 사용가능시간을 판정하는 방법(EN 규정)은 배합량에 따라 결과 값이 변하며, 고점도의 에폭시 경우에는 적용이 불가능한 것으로 나타났다. 이에 대하여 최고온도 도달시간을 기준으로 평가하는 방법(일본 수도고속도로공단 제안법)은 수지의 종류 및 발열특성에 관계없이 적용이 가능하며 EN에 의한 평가결과를 포함하는 것으로 나타나 신뢰성이 높은 것으로 판단된다.
- 4) 점도변화법과 발열온도상승법에 의한 사용가능시간결과가 상호 유사하게 나타나는 평가기준은 수지의 종류 및 발열온도 특성에 관계없이 최고온도의 약 50~60%에 도달하는 시간인 것으로 나타났다. 한편, 점도변화법에서 측정된 실험결과에도 어느 정도의 안전율이 필요한 것으로 파악되었으므로 발열온도상승법에서 최고온도에 도달하는 시간의 약 50%를 기준으로 사용가능시간을 결정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- 급격히 상승하는 것으로 나타났다. EN 규격에서 지정한 점도변화법에 의해 초기 점도의 2배가 되는 점도를 측정한 결과, Fig. 1에서 보는 바와 같이 탄소섬유쉬트 함침 · 접착용 수지의 사용가능시간은 67분으로 나타났다. 특히 탄소섬유쉬트 함침용 수지는 점도가 2배로 증가되는 시점에서 점도를 측정하기 어려울 정도로 화학반응이 급격히 진행되는 것으로 파악되었다.
- 표에서 보는 바와 같이 일본 수도고속도로공단의 평가방법에 따른 사용가능시간은 배합량에 관계없이 약 75분 내외인 것으로 나타났다. 그러나, EN규정에 의한 사용가능시간은 배합량에 따라서 크게 변화되는 것으로 나타났으며, 특히 기준배합량인 100g의 경우에는 측정이 불가능한 것으로 조사되었다. 이는 고점도 수지의 발열온도 특성이 최고온도가 명확하지 않고, 또한 전반적으로 낮은 것에 기인하는 것으로 판단된다.
- 이에 대하여 최고온도 도달시간을 기준으로 평가하는 방법(일본 수도고속도로공단 제안법)은 수지의 종류 및 발열특성에 관계없이 적용이 가능하며 EN에 의한 평가결과를 포함하는 것으로 나타나 신뢰성이 높은 것으로 판단된다. 따라서, 최고온도 도달시간을 기준으로 에폭시 수지의 사용가능시간을 평가하는 것이 합리적일 것으로 사료된다.
- 이에 대하여 발열온도상승법은 동시 다점 측정이 가능하고 적용이 간편한 장점 등으로 인하여 실용성이 우수한 것으로 평가되지만, 혼합액의 양(부피)에 따라 발열특성이 변화하며 또한 화학반응으로 인한 최고온도 발열특성이 명확하지 않을 경우에는 적용이 불가능한 것으로 조사되었다. 따라서 점도변화법에 의해 예측되는 사용가능시간 예측 기준점을 간접적으로 평가할 수 있는 발열온도상승법의 시험규격 및 평가기준을 설정하면 실용성 및 적합성이 우수한 실험방법을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
- 점도변화법은 수지의 workability를 직접적으로 측정하여 평가하는 방법으로서, EN규격에서 규정하는 바와 같이 혼합액의 점도가 초기점도의 2배로 증가되는 시점은 수지의 화학반응이 급격히 증가되는 점과 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 이 점을 기준으로 사용가능시간의 한계를 결정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- 점도변화에 의한 사용가능시간 측정방법을 실제 에폭시 수지에 적용해 본 경험에 의하면, 점도계의 스핀들이 회전함에 따라서 스핀들 주변에서는 에폭시 수지의 경화가 지연되는 것으로 관측되었다. 그로 인하여 스핀들에 의해서 초기점도의 2배에 도달하기 전에 스핀들 외곽 및 하부의 수지는 Photo 3에서 보는 바와 같이 이미 경화가 상당히 진행된 상태인 것으로 파악되었다.
- 2에서 보는 바와 같이 주제와 경화제를 배합한 후, 온도가 서서히 상승함에 따라 초기점도는 감소되지만, 점도측정 후약 30분이 경과되면서 서서히 점도가 증가되기 시작하여 60분 이후에는 급격히 점도가 증가되는 것으로 나타났다. 즉, 탄소섬유쉬트 함침 · 접착용 수지에 비하여 경화반응이 완만히 진행되는 특성이 있는 것으로 파악되었다. EN에서 규정한 사용가능시간인 초기 점도의 2배가 되는 시점은 67.
- 탄소섬유쉬트 함침용 수지를 주제와 경화제를 혼합하고 시간 경과에 따른 점도변화를 측정해 본 결과, 배합의 초기에는 온도가 증가됨에 따라서 점도는 서서히 저하되지만, 일정시간이 경과하여 경화가 촉진되는 시점에서는 폭발적인 발열반응에 의해서 온도 및 점도가 급격히 상승하는 것으로 나타났다. EN 규격에서 지정한 점도변화법에 의해 초기 점도의 2배가 되는 점도를 측정한 결과, Fig.
- 탄소섬유판 접착용 고점도 수지는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 주제와 경화제를 배합한 후, 온도가 서서히 상승함에 따라 초기점도는 감소되지만, 점도측정 후약 30분이 경과되면서 서서히 점도가 증가되기 시작하여 60분 이후에는 급격히 점도가 증가되는 것으로 나타났다. 즉, 탄소섬유쉬트 함침 · 접착용 수지에 비하여 경화반응이 완만히 진행되는 특성이 있는 것으로 파악되었다.
- 그림에서 보는 바와 같이 탄소섬유판 접착용 에폭시 수지는 시간의 경과에 따른 발열온도 변화가 완만한 곡선을 이루며, 최고온도가 명확하게 나타나지 않았다. 특히, 배합량의 증가에 따라서 최고온도가 증가하지만 그 차이는 저점도 수지에 비하여 크지 않은 것으로 나타났으며, 200g 이하로 배합된 경우는 최고온도가 EN규격에서 정의하고 있는 40C 보다 낮은 것으로 나타났다. 이러한 현상은 점도변화법에서도 동일하게 관측된 것으로 수지의 특성에 기인하는 것이라 판단된다.
- 그림에서 보는 바와 같이 탄소섬유쉬트 함침·접착용 에폭시 수지는 배합량의 증가에 따라서 발열온도가 상승하며, 최고온도 도달시간은 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 함침용 에폭시의 혼합량이 200g 이상일 경우, 시간에 따른 발열온도 곡선에서 최고온도 지점이 명확한 것으로 나타났다. 이와 같은 실험결과를 바탕으로 일본 수도고속도로공단의 판정방법 및 EN의 평가방법을 각각 적용하여 나타나면 Table 6과 같다.
- 표에서 보는 바와 같이 발열온도상승법에 의한 판정 기준에서 점도변화법과 발열온도상승법의 결과가 상호 유사하게 나타나는 판정기준은 수지의 종류 및 발열온도 특성에 관계없이 최고온도의 약 50~60% 정도인 것으로 나타났다. 그러나, 점도변화법에서도 어느 정도의 안전율이 필요하므로, 발열온도상승법에서 최고온도의 약 50%를 기준으로 사용가능시간을 결정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- 이와 같은 실험결과를 바탕으로 일본 수도고속도로공단의 판정방법 및 EN의 평가방법을 각각 적용하여 나타나면 Table 6과 같다. 표에서 보는 바와 같이 일본 수도고속도로공단의 평가방법에 따른 사용가능시간은 100g의 혼합량일 경우 약 110분 내외, 그 이상의 혼합량의 경우에는 약 70분 내외의 값을 나타내는 것으로 파악되었다. 이러한 측정값은 40℃에도 달하는 시간을 기준으로 평가하는 EN 규정에 의하여 얻어진 사용가능시간과 상호 유사한 것으로 상당히 신뢰성이 높은 것으로 판단된다.
- Table 7과 같다. 표에서 보는 바와 같이 일본 수도고속도로공단의 평가방법에 따른 사용가능시간은 배합량에 관계없이 약 75분 내외인 것으로 나타났다. 그러나, EN규정에 의한 사용가능시간은 배합량에 따라서 크게 변화되는 것으로 나타났으며, 특히 기준배합량인 100g의 경우에는 측정이 불가능한 것으로 조사되었다.
- 나타났다. 한편, 점도변화법에서 측정된 실험결과에도 어느 정도의 안전율이 필요한 것으로 파악되었으므로 발열온도상승법에서 최고온도에 도달하는 시간의 약 50%를 기준으로 사용가능시간을 결정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
후속연구
- 것으로 조사되었다. 따라서 점도변화법에 의해 예측되는 사용가능시간 예측 기준점을 간접적으로 평가할 수 있는 발열온도상승법의 시험규격 및 평가기준을 설정하면 실용성 및 적합성이 우수한 실험방법을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
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