선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 내진성능 보강공법에 적용할 하이브리드 그리드 직물을 제조하기 위해 적절한 강성과 연성을 가지는 탄소섬유 복합사를 제조하였으며, 그리드 직물의 최적 구조를 설계, 점검하였다.
- 본 연구에서 제조한 탄소섬유 복합사는 위와 같은 보강역할을 담당하므로 탄소섬유 복합사의 인장물성을 평가하는 데 평가의 초점을 두었다. 이때 ASTM D3039 시험법을 참고하여 평가하였으며, 평가결과의 안정성에 중점을 두어 한 개의 yarn이 아닌 다수의 yarn을 시편으로 하여 평가하였다.
- 본 연구에서는 내진성능 보강공법에 적용할 하이브리드그리드를 제조하기 위해 적절한 강성과 연성을 가지는 탄소섬유 복합사를 제조하였으며 그리드의 최적 구조를 설계, 점검하였다.
제안 방법
- 각 용액에 원사를 일정 간격으로 잘라 딥 코팅을 실시한 후 건조기(130 oC)에서 약 5분간 건조시켰다. TPU 5190AP를 이용하여 압출방식에 의한 TPU 피복 사 가공을 진행하였다. 성형공정에서는 코팅, 건조, 권취 단계를 거쳤으며 압출 온도는 165−200 oC로 설정하였다.
- 더블 커버링 공정으로 제조된 탄소섬유 복합사의 형태 안정성을 위해 코팅성형공정을 진행하였다. 보다 적합한 공정을 알아보기 위해 우레탄사함침과 TPU 압출 코팅방식으로 Toray의 T700SC를 코팅하여 그 강도를 비교하였다.
- 탄소섬유를 코어사로 하고 아라미드 섬유와 고강력 PET 섬유를 이펙트사로 하였으며, 아라미드 원사는 실의 집속성이 떨어져 안정적인 커버링을 위해 원사에 꼬임을 주어 진행하였다. 또한 원활한 커버링 작업을 위해 아라미드 섬유에는 Z 방향, 고강력 PET 섬유에는 S 방향 와인딩을 진행하였다.
- 더블 커버링 공정으로 제조된 탄소섬유 복합사의 형태 안정성을 위해 코팅성형공정을 진행하였다. 보다 적합한 공정을 알아보기 위해 우레탄사함침과 TPU 압출 코팅방식으로 Toray의 T700SC를 코팅하여 그 강도를 비교하였다.
- 하이브리드 그리드용 복합사는 탄소섬유 12K를 주 소재로 하였으며, 탄소섬유의 연성을 보완해줄 수 있는 PET 고강력사와 아라미드 섬유를 부소재로 사용하였다. 섬유의 복합화는 더블 커버링(double covering) 공정으로 이루어졌다. 이후 제조된 복합사의 물성을 알아보기 위해 섬도, 인장강도, 신율 등을 측정하였다.
- 또한 코팅의 두께가 두꺼울수록 이후 그리드를 제조하는데 있어 불리할 수 있으며 건조 후 발생되는 수지덩어리의 최소화를 위해 얇은 두께로 복합사의 형태안정성을 유지할 수 있는 soft 코팅제가 코팅의도에 적당한 것으로 판단할 수 있었다. 이후 soft 코팅제를 기준으로 함량별 간이 노즐 평가를 진행하였다.
- 섬유의 복합화는 더블 커버링(double covering) 공정으로 이루어졌다. 이후 제조된 복합사의 물성을 알아보기 위해 섬도, 인장강도, 신율 등을 측정하였다. 실험에 사용된 각 섬유의 강도를 Table 1에 나타내었다.
- 하이브리드 그리드의 제조에 앞서 주 소재의 적정 섬도를 알아보기 위해 polyester 고강력사를 이용하여 그리드 직물을 설계하였다. 일방향성 직물 3가지, 이방향성 직물 1가지로, 총 4가지 조건의 그리드 형태를 설계 및 제조하였으며 각 시편의 강도를 분석하여 최적의 직물구조를 도출하였다. 각 시편의 조건은 Table 2에 제시하였다.
- 제조된 탄소섬유 복합사에 대한 평가항목 선정을 위해 섬유를 통한 콘크리트의 보강원리를 검토하였다. 일반적으로 섬유를 이용해 콘크리트의 낮은 인장력과 취성을 보완하기 위해 섬유보강 콘크리트를 사용한다.
- 사함침에서는 WPU(water born polyurethane) YJ-300S(soft), YJ-300C(midium), YJ-350H(hard) 세 가지 수지를 코팅제로 이용하였다. 준비한 세 가지 수지조건 외에 soft와 medium 수지, medium 수지와 hard 수지를 각각 혼합해 그 점도에따라 soft, soft-medium, medium, hard-medium, hard 5가지의 수지 용액으로 실험을 진행하였다. 각 용액에 원사를 일정 간격으로 잘라 딥 코팅을 실시한 후 건조기(130 oC)에서 약 5분간 건조시켰다.
- 탄소섬유 복합사 제조 Figure 1에 더블 커버링 공정의 모식도를 나타내었다. 탄소섬유를 코어사로 하고 아라미드 섬유와 고강력 PET 섬유를 이펙트사로 하였으며, 아라미드 원사는 실의 집속성이 떨어져 안정적인 커버링을 위해 원사에 꼬임을 주어 진행하였다. 또한 원활한 커버링 작업을 위해 아라미드 섬유에는 Z 방향, 고강력 PET 섬유에는 S 방향 와인딩을 진행하였다.
- 하이브리드 그리드의 제조에 앞서 주 소재의 적정 섬도를 알아보기 위해 polyester 고강력사를 이용하여 그리드 직물을 설계하였다. 일방향성 직물 3가지, 이방향성 직물 1가지로, 총 4가지 조건의 그리드 형태를 설계 및 제조하였으며 각 시편의 강도를 분석하여 최적의 직물구조를 도출하였다.
대상 데이터
- 사함침에서는 WPU(water born polyurethane) YJ-300S(soft), YJ-300C(midium), YJ-350H(hard) 세 가지 수지를 코팅제로 이용하였다. 준비한 세 가지 수지조건 외에 soft와 medium 수지, medium 수지와 hard 수지를 각각 혼합해 그 점도에따라 soft, soft-medium, medium, hard-medium, hard 5가지의 수지 용액으로 실험을 진행하였다.
- 하이브리드 그리드용 복합사는 탄소섬유 12K를 주 소재로 하였으며, 탄소섬유의 연성을 보완해줄 수 있는 PET 고강력사와 아라미드 섬유를 부소재로 사용하였다. 섬유의 복합화는 더블 커버링(double covering) 공정으로 이루어졌다.
이론/모형
- 본 연구에서 제조한 탄소섬유 복합사는 위와 같은 보강역할을 담당하므로 탄소섬유 복합사의 인장물성을 평가하는 데 평가의 초점을 두었다. 이때 ASTM D3039 시험법을 참고하여 평가하였으며, 평가결과의 안정성에 중점을 두어 한 개의 yarn이 아닌 다수의 yarn을 시편으로 하여 평가하였다.
성능/효과
- 전체적으로 경사의 강도가 더 크게 나타났으며 신율은 위사가 더 높게 측정되었다. 4가지 시료 모두 위사의강도는 큰 차이가 없었으나 경사의 강도는 UD_3, UD_2, UD_1, BD_1 순으로 나타났다. UD_3 시편이 다른 시편에 비해 약 1.
- 4가지 시료 모두 위사의강도는 큰 차이가 없었으나 경사의 강도는 UD_3, UD_2, UD_1, BD_1 순으로 나타났다. UD_3 시편이 다른 시편에 비해 약 1.8배 이상 큰 인장강도를 가지고 있는 것으로 확인되었으며 BD_1의 인장강도는 UD_3과 비교해 약 1/4 정도로 나타났다. 이 경사의 인장강도는 각 시편의 경사두께순서와 일치하며 경사의 두께가 두꺼워지면서 큰 강도를 보인 것으로 생각된다.
- 수지 용액은 25%, 50%, 75%, 100% 4종류로 제조하였으며 그 결과 수지의 농도가 높아질수록 코팅 이후 섬유 표면에서 수지덩어리가 많이 발생되는 것을 확인할 수 있었다(Figure 4). 각 농도별 코팅결과를 육안으로 평가 비교해본 결과 25% 농도의 용액에서도 충분히 높은 형태안정성을 얻을 수 있었으며 수지의 농도가 높아지면서 발견되는 수지덩어리 및 코팅의 두께를 고려했을 때 25% 용액이 복합사 사함침에 가장 적당한 것으로 판단된다.
- 더블 커버링 공정으로 탄소섬유/아라미드 섬유/고강도 PET 섬유의 복합사를 제조하였으며 주소재인 탄소섬유와 비교해 인해 강도가 크게 증가하였음을 확인하였고 신율또한 약 0.5% 가량 증가하였다. 제조한 복합사의 형태안정성을 위해 진행한 코팅공정에서는 우레탄 사함침 보다 TPU 압출 코팅방법이 섬유의 강도 및 안정성 부분에서 더 적합할 것으로 판단할 수 있었다.
- 두가지 코팅사의 강도를 확인해본 결과 TPU 압출 코팅 방법으로 코팅된 섬유의 강도가 더 크게 나타났다. 또한 사함침의 경우 섬유 표면에서 관찰된 수지덩어리들이 이후 공정상에서 방해요인이 될 수 있어 그리드 제조에는 적합하지 않다고 판단했다.
- 탄소섬유 복합사를 하이브리드 그리드에 적용시키기 위해 최적의 섬도 및 그리드 구조를 도출하기 위한 비교에서는 사용된 섬유의 두께가 두꺼울수록 더 큰 강도를 보였다. 또한 UD_1, UD_2의 구조는 위사방향의 신율에서,UD_3의 구조는 경사방향의 신율에서 유리한 특성을 보였다. 한편 강도 및 신율을 모두 비교했을 때 일방향 구조의 그리드에 비해 양방향 그리드는 크게 이점이 나타나지 않았으나 이 부분에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 코팅 효과: 사함침 결과 수지의 코팅량이 많아질수록 평평한 형태에서 둥근 형태로 변화하는 모습을 확인할 수 있었으며 건조 후 수지덩어리도 많이 발생되었다(Figure 3). 또한 코팅의 두께가 두꺼울수록 이후 그리드를 제조하는데 있어 불리할 수 있으며 건조 후 발생되는 수지덩어리의 최소화를 위해 얇은 두께로 복합사의 형태안정성을 유지할 수 있는 soft 코팅제가 코팅의도에 적당한 것으로 판단할 수 있었다. 이후 soft 코팅제를 기준으로 함량별 간이 노즐 평가를 진행하였다.
- 더블 커버링: 더블 커버링 공정이 끝난 탄소섬유 복합사를 Figure 2에 나타내었으며 이 복합사의 섬도, 인장강도, 신도를 Table 3에 제시하였다. 사용한 탄소섬유의 신율은 2.1%로 제조된 복합사의 신율과 비교했을 때 복합사의 신율이 약 0.5% 가량 높게 나타났으며 강도 또한 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다.
- 수지 용액은 25%, 50%, 75%, 100% 4종류로 제조하였으며 그 결과 수지의 농도가 높아질수록 코팅 이후 섬유 표면에서 수지덩어리가 많이 발생되는 것을 확인할 수 있었다(Figure 4). 각 농도별 코팅결과를 육안으로 평가 비교해본 결과 25% 농도의 용액에서도 충분히 높은 형태안정성을 얻을 수 있었으며 수지의 농도가 높아지면서 발견되는 수지덩어리 및 코팅의 두께를 고려했을 때 25% 용액이 복합사 사함침에 가장 적당한 것으로 판단된다.
- 인장강도와 신율을 비교해본 결과 섬유의 두께가 두꺼울수록 강한 인장강도를 부여할 수 있으며, 시편의 구조는 UD_1, UD_2와 같은 구조가 위사방향 신율에 유리한 것으로 판단할 수 있다. 그러나 경사방향의 신율은 UD_3가 가장 높게 나타나고 있어 상황에 따라 적당한 구조를 선택하는 것이 중요할 것으로 보인다.
- 보강용 그리드 직물을 제조할 때 필요한 최적의 섬도 및 직물구조를 도출하기 위해 설계된 위의 4종류 그리드직물의 강도 및 신율을 측정하였으며 그 값을 Figure 7에 제시하였다. 전체적으로 경사의 강도가 더 크게 나타났으며 신율은 위사가 더 높게 측정되었다. 4가지 시료 모두 위사의강도는 큰 차이가 없었으나 경사의 강도는 UD_3, UD_2, UD_1, BD_1 순으로 나타났다.
- 5% 가량 증가하였다. 제조한 복합사의 형태안정성을 위해 진행한 코팅공정에서는 우레탄 사함침 보다 TPU 압출 코팅방법이 섬유의 강도 및 안정성 부분에서 더 적합할 것으로 판단할 수 있었다.
- 코팅 효과: 사함침 결과 수지의 코팅량이 많아질수록 평평한 형태에서 둥근 형태로 변화하는 모습을 확인할 수 있었으며 건조 후 수지덩어리도 많이 발생되었다(Figure 3). 또한 코팅의 두께가 두꺼울수록 이후 그리드를 제조하는데 있어 불리할 수 있으며 건조 후 발생되는 수지덩어리의 최소화를 위해 얇은 두께로 복합사의 형태안정성을 유지할 수 있는 soft 코팅제가 코팅의도에 적당한 것으로 판단할 수 있었다.
- 탄소섬유 복합사를 하이브리드 그리드에 적용시키기 위해 최적의 섬도 및 그리드 구조를 도출하기 위한 비교에서는 사용된 섬유의 두께가 두꺼울수록 더 큰 강도를 보였다. 또한 UD_1, UD_2의 구조는 위사방향의 신율에서,UD_3의 구조는 경사방향의 신율에서 유리한 특성을 보였다.
- 그러나 경사방향의 신율은 UD_3가 가장 높게 나타나고 있어 상황에 따라 적당한 구조를 선택하는 것이 중요할 것으로 보인다. 한편 BD_1의 시편은 강도 부분에서도, 신율부분에서도 다른 일방향 구조를 가지는 시편들에 비해 낮은 물성을 보였다. 본 실험에서는 양방향 구조의 큰 이점이 나타나지 않았으나 양방향 구조와 일방향구조 그리드 직물에 사용된 섬유의 두께, 구조의 형태 등의 비교가 부족하므로 보다 신뢰성 있는 결과를 위해 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
후속연구
- 한편 BD_1의 시편은 강도 부분에서도, 신율부분에서도 다른 일방향 구조를 가지는 시편들에 비해 낮은 물성을 보였다. 본 실험에서는 양방향 구조의 큰 이점이 나타나지 않았으나 양방향 구조와 일방향구조 그리드 직물에 사용된 섬유의 두께, 구조의 형태 등의 비교가 부족하므로 보다 신뢰성 있는 결과를 위해 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 이후 연구에서는 제작된 탄소섬유복합사를 하이브리드 그리드 직물에 직접 적용하고 하이브리드 복합체의 내진성능 향상을 위한 탄소복합섬유의 역학적 특성 및 내진성능평가를 진행할 예정이다.
- 또한 UD_1, UD_2의 구조는 위사방향의 신율에서,UD_3의 구조는 경사방향의 신율에서 유리한 특성을 보였다. 한편 강도 및 신율을 모두 비교했을 때 일방향 구조의 그리드에 비해 양방향 그리드는 크게 이점이 나타나지 않았으나 이 부분에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.