[논문]고온 수침 환경에서 UPE 겔코트 코팅된 지중 매설 파이프용 GFRP의 열화 및 크랙 발생 특성에 관한 연구

김대훈; 엄재원; 고영종; 이강일

doi:10.12814/jkgss.2018.17.4.169

[국내논문] 고온 수침 환경에서 UPE 겔코트 코팅된 지중 매설 파이프용 GFRP의 열화 및 크랙 발생 특성에 관한 연구
Study on the Crack and Thermal Degradation of GFRP for UPE Gelcoat Coated Underground Pipes Under the High Temperature Water-Immersion Environment 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.17 no.4, 2018년, pp.169 - 177

김대훈 (Korea Conformity Laboratories) , 엄재원 (Korea Conformity Laboratories) , 고영종 (Korea Conformity Laboratories) , 이강일 (Dept. of Civil Engineering, Daejin University)

초록
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유리섬유강화폴리에스테르 복합소재는 지중 매설 파이프, 탱크용 구조재, 선체 등 가혹한 환경에서 구조재로 널리 사용되고 있으며, 장기 내수성을 필요로 하는 소재이다. 특히, 물에 잠겨 있을 때 삼투압으로 인하여 겔코트와 복합소재의 박리 등 열화가 진행된다. 본 연구에서는 지중 매설 파이프로 활용되는 GFRP 복합소재의 내구성 향상을 위해 인퓨전(진공성형) 공정으로 UPE (unsaturated polyester) 겔코트 표면 처리한 복합소재를 제작하여, 고온 수침 환경 ($65^{\circ}C$, $75^{\circ}C$, $85^{\circ}C$)에서의 표면 결함 및 크랙 발생과 경도 변화 특성을 확인하였다. 마이크로 CT 단층 촬영을 통하여 수침 온도에 따른 크랙의 침투 깊이를 조사하였으며, $75^{\circ}C$와 $85^{\circ}C$ 조건에서 크랙이 복합소재까지 침투하여 내구성을 저하시키는 것으로 확인되었다. 최초 크랙이 발생하는 지점을 고장시간으로 정의하고 아레니우스식을 활용하여 $23^{\circ}C$ 상온에서의 수명 예측을 실시하였다. 본 연구로 토목, 건축, 해양산업분야 등 겔코트가 적용되는 다양한 산업분야의 신뢰성 평가에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Glass fiber reinforced polyester (GFRP) composites are widely used as structural materials in harsh environment such as underground pipes, tanks and boat hulls, which requires long-term water resistance. Especially, these materials might be damaged due to delamination between gelcoat and composites through an osmotic process when they are immersed in water. In this study, GFRP laminates were prepared by surface treatment of UPE (unsaturated polyester) gelcoat by vacuum infusion process to improve the durability of composite materials used in underground pipes. The composite surface coated with gelcoat was examined for surface defects, cracking, and hardness change characteristics in water-immersion environments (different temperatures of $60^{\circ}C$, $75^{\circ}C$, and $85^{\circ}C$). The penetration depth of cracks was investigated by micro CT imaging according to water immersion temperature. It was confirmed that cracks developed into the composites material at $75^{\circ}C$ and $85^{\circ}C$ causing loss of durability of the materials. The point at which the initial crack initiated was defined as the failure time and the life expectancy at $23^{\circ}C$ was measured using the Arrhenius equation. The results from this study is expected to be applied to reliability evaluation of various industrial fields where gelcoat is applied such as civil engineering, construction, and marine industry.

Keyword

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Application example of GFRP in water environment
그림 Fig. 2. Fiber reinforced material
표 Table 1. Experimental values of Polyester Gelcoat measured
그림 Fig. 3. Infusion manufacturing method
그림 Fig. 4. Preparation of water-immersion test (laboratory aging)
표 Table 2. Aging test conditions
그림 Fig. 5. Photo images of gelcoat surface after distilled water aging at various immersion temperatures
그림 Fig. 6. Number of gelcoat surface cracks as a function of aging time at various immersion temperatures
그림 Fig. 7. The number of gelcoat cracks on the surface and the depth of crack after immersion test at various temperatures
그림 Fig. 8. Micro CT scan images of GFRP laminates after water immersion for 30 days
그림 Fig. 9. FTIR results from sample aged for 30 days at various immersion temperatures
그림 Fig. 10. Arrhenius plots, initial crack occurrence time of Gelcoat after immersion test at high temperature (65℃, 75℃, 85℃)
그림 Fig. 11. Life time of the gelcoat as a function of temperature
표 Table 3. Shore D type hardness of Gelcoat resin immersed in distilled water at various temperatures for 24 hours
표 Table 4. First crack (h) in 65℃, 75℃, and 85℃ Ortho type gelcoat specimens

AI 본문요약
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문제 정의

Lemoine(1995)는 유리전이 온도가 다른 다양한 소재의 겔코트를 20°C에서 80°C까지 온도별로 고온 수침 열화 실험으로 겔코트와 복합소재가 박리되는 시간을 고장으로 하여 상온에서의 수명을 예측하였다. 본 연구에서는 인퓨전 공법으로 겔코트가 도포된 복합소재를 제작 후 고온 수침 환경에서 장기간 노출시켜 겔코트 표면 특성 변화를 관찰하고, 최초 크랙이 발생하는 시점을 고장으로 정의 하여 23°C 상온에서의 수명평가를 실시하여 겔코트 적용 복합소재의 내구성 개선을 위한 연구의 기초자료로 활용 하고자 한다.
본 연구에서는 고온 수침에 따른 복합소재의 Micro CT 크랙 발생 및 경도변화 분석 및 신뢰성평가를 수행하여 토목･건축, 해양산업분야에 GFRP 복합소재에 적용되는 Ortho계열의 겔코트에 대하여 수명예측을 하였으며 그 결과는 다음과 같다.

제안 방법

고온 수침 열화 실험을 위한 복합소재의 제작은 진공 흡인력으로 내부 기포를 줄여 유리섬유 체적률을 높이면서 경화공정 시간을 줄여줄 수 있는 인퓨전 공법을 채택하였다. 이 공법은 몰드에 진공을 걸면 몰드면의 압력이 대기압보다 낮아지게 되며, 이 상태에서 대기압 상의 함침수지를 연결하게 되면 압력차에 의하여 함침수지가 몰드로 주입되어 함침되는 원리이다(Park, 2011).
성형된 복합소재의 고온 수침 열화를 통한 겔코트의 표면 열화 특성을 확인하기 위해 가로 세로 6cm의 정사각형으로 시험편을 절단한 후 겔코트 표면 외 다른 부분은 수분 침투가 최소화 되도록 에폭시로 몰딩하였다. 복합소재샘플은 증류수를 넣은 항온수조에서 55°C부터 85°C까지 10°C 간격으로 Table 2에 따라 고온 수침 열화를 실시하 였다.
온도에 따른 경도(Shore D) 변화 관찰을 위해 두께 10mm, 지름 100mm의 원형으로 경도 테스트용 겔코트 시험편을 제작한 후 상온에서 15일간충분히 경화를 진행하였다. 제작된 샘플은 고온 수침에 따른 경도 변화를 관찰하기 위해 23°C에서 85°C까지 10°C 온도 간격으로 항온수조에 수침하였다. 24h 경과 후 즉시항온수조에서 꺼내어 KS M ISO 868(KATS, 2016)에 따라 Shore D 타입 경도 테스터를 활용하여 경도변화를 확인하였다.
(1) 인퓨전 공법으로 복합소재를 제작한 후 30일간 고온 수침 환경에서 열화를 실시하여 표면 마감성능 및 내구성에 대한 특성변화를 고찰하였다. 55°C 열화조건에서는 겔코트 표면에 블리스터가 전 면적에서 관찰되었으나, 크랙은 발생하지 않았다.

대상 데이터

본 연구에서는 파이프, 선박, 물탱크 등에 사용되는 것으로 Ortho Polyester계열의 겔코트를 사용하였으며 특성은 Table 1과 같다. 인퓨전(Infusion)용 저점도 비닐에스테르 수지를 유리섬유 함침 레진으로 활용하였으며, 경화제와 촉진제는 Methyl ethyl ketone peroxide(MEKPO)와 코발트 계열의 촉진제를 사용하였다.
보강섬유로는 토목 보강용, 선박용으로 사용되는 3∼5cm 길이로 절단된 유리섬유를 임의 방향으로 분산하여 부직포 형태로 제작된 촙드스트랜드 매트와 유리섬유가 교차로 직조된 로빙크로스 매트를 사용하였다.

이론/모형

복합소재샘플은 증류수를 넣은 항온수조에서 55°C부터 85°C까지 10°C 간격으로 Table 2에 따라 고온 수침 열화를 실시하 였다. 고온 수침에 따른 화학 결합 변화는 적외선분광분석법 (Fourier transform infrared spectroscopy)를 통해 확인하였다.
블리스터가 형성되고, 크랙으로 성장하여 겔코트와 복합 소재가 파괴되는 현상을 관찰하기 위해 마이크로 이미징 단층 스켄(Micro CT)을 활용하였다. 겔코트 표면에서 깊이방향으로 20㎛ 간격으로 2,000㎛까지 단층 촬영하면서 삼투압으로 인해 증류수가 크랙경로를 따라 복합소재로 침투되는 결함을 관찰하였다.
제작된 샘플은 고온 수침에 따른 경도 변화를 관찰하기 위해 23°C에서 85°C까지 10°C 온도 간격으로 항온수조에 수침하였다. 24h 경과 후 즉시항온수조에서 꺼내어 KS M ISO 868(KATS, 2016)에 따라 Shore D 타입 경도 테스터를 활용하여 경도변화를 확인하였다.
겔코트의 수명 예측을 위해 고온 수침 열화 실험 데이터를 바탕으로 수침 온도를 가속변수로 설정하여 아레니우스 관계식을 적용하였다. 아레니우스 관계식은 초기 특성값이 여러 온도에서 일정 변화가 생기는 시점을 수명으로 결정하여 온도와 시간간의 관계식으로 표현 된다.
고온 수침 열화실험(Fig. 7)에서 측정된 크랙 발생 여부를 바탕으로 Ortho계열의 겔코트에 대해 아레니우스식을 이용하여 복합소재의 수명을 예측하였다. 본 연구에서는 크랙이 발생하는 시점을 고장시간으로 규정하여 Table 4 와 같이 복합소재의 고장 시간을 실험을 통해 확인하였다.

성능/효과

(3) 고온 수침 열화실험으로 측정된 크랙 발생여부를 바탕으로 아레니우스식을 적용하여 복합소재에 도포된 겔코트의 수명을 예측하였으며, 23°C 상온에서 Life time은 6.7년으로 예측되었다.

후속연구

(4) 겔코트는 GFRP 복합소재 수명연장에 중요한 소재이므로, 크랙을 활용한 수명예측과 Micro CT를 통한 크랙 침투 깊이 등을 고려하여 토목･건축, 해양산업분야등 겔코트가 적용되는 다양한 산업분야의 신뢰성평가에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	겔코트의 역할은?	, 2011). 겔코트는 수분, 화학적 침식등 가혹한 열화환경에 장기간 노출되는 복합소재를 보호 하여 내구성 및 신뢰성을 확보하기 위한 핵심 코팅 소재로, 겔코트의 내구성 향상이 복합소재의 수명연장에 중요한 요인이 된다.
	블리스터는 무엇인가?	블리스터는 모기에 물려 살이 부풀어 오르는 현상과 같이 겔코트 표면에 형성되는 것을 말한다. 블리스터는 물분 자가 겔코트를 통과하여 복합소재 내 불포화폴리에스테르 미반응 물질인 수용성 글리콜, 유기산 등이 용해되어 고농도 용액이 형성되며, 이 용액이 삼투압을 발생시켜 더 많은 물이 복합소재 내로 침투되어 겔코트 표면이 부풀어 오른다.
	열경화성 플라스틱에 수분이 침투하면 어떻게 되는가?	UPE와 같은 대부분의 열경화성 플라스틱은 70°C 이상의 고온에서 수분에 의해 가수분해 되기 쉬우며 기계적 강도가 현저히 떨어지는 현상이 발생한다. 특히 수분 침투로 인해 분자사슬의 이동성 증가로 유리상(Glassy)에서 고무상(Rubbery)으로 가소화 되며, 이로 인해 유리전이 온도(Tg)가 낮아져 상대적으로 수분 침투를 용이하게 되어 열화가 가속화 된다(Broughton, 2012). Landowski et al.

참고문헌 (21)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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