[논문]유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 이용한 일방향 탄소섬유시트 제조공정이 콘크리트 보강에 미치는 영향

권지은; 권선민; 채시현; 정예담; 김종원

doi:10.5764/tcf.2022.34.3.185

유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 이용한 일방향 탄소섬유시트 제조공정이 콘크리트 보강에 미치는 영향
Effect of Unidirectional Carbon Fiber Sheet Manufacturing Process Using Coated Glass Fiber and Carbon Fiber on Concrete Reinforcement 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.34 no.3, 2022년, pp.185 - 196

권지은 (영남대학교 파이버시스템공학과) , 권선민 (영남대학교 파이버시스템공학과) , 채시현 (영남대학교 파이버시스템공학과) , 정예담 (영남대학교 파이버시스템공학과) , 김종원 (영남대학교 파이버시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, carbon fiber and coated glass fiber are applied to warp and weft fiber in order to reduce the amount of carbon fiber used in carbon fiber fabrics, which are often used for reinforcement of building structures. A low-cost thermoplastic resin was coated on glass fibers to prepare a shape-stabilizing glass fiber. A unidirectional carbon fiber sheet was manufactured using the prepared coated glass fiber and carbon fiber. In order to identify whether it can be used for reinforcing architectural and civil structures, it was attached to a concrete specimen and its mechanical properties were analyzed. The optimum manufacturing conditions for the coated glass fiber were 0.3 mm in diameter of the coating nozzle, the coating temperature was 190 ℃, and the coating speed was 0.3 m/s. 14 mm was optimal for the weft spacing of the coated glass fiber. The flexural strength of the concrete reinforced with the manufactured unidirectional carbon fiber sheet was slightly lower than that of the concrete reinforced with carbon fiber fabric, but it was confirmed that the reinforcement effect was better when the amount of carbon fiber was considered.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Properties of thermoplastic resin
그림 Figure 1. Schematic of coated glass fiber manufacture.
그림 Figure 2. Schematic for the process of attaching a unidirectional carbon fiber sheet to the concrete.
그림 Figure 3. Adhesive strength measurement.
그림 Figure 4. Measurement schematic diagram of deflection degree.
그림 Figure 5. (a) Coating weight and (b) Tensile strength and (c) Adhesive strength of specimen spinneret diameter.
그림 Figure 6. Viscosity of thermoplastic resin with temperature.
그림 Figure 8. Viscosity of thermoplastic resin with shear rate.
그림 Figure 7. (a) Coating weight and (b) Tensile strength of specimen according to coating temperature.
그림 Figure 9. (a) Coating weight and (b) Tensile strength of specimen according to coating speed.
그림 Figure 10. (a) Cross section of 0.3 mm sample and (b) Side of 0.3 mm sample.
그림 Figure 11. Effect of the press conditions on adhesive strength of unidirectional carbon fiber sheet.
그림 Figure 12. Unidirectional carbon fiber sheet according to spacing coated glass fiber; (a) 6 mm, (b) 8 mm, (c) 10 mm, (d) 12mm, (e) 14 mm.
그림 Figure 13. (a) Deflection angle of the unidirectional carbon sheet according to the coated glass fiber spacing and (b) Example of deflection measurement.
그림 Figure 14. (a) Effect of coated glass fiber spacing on the flexural strength of concrete reinforced with unidirectional carbon fiber sheet, (b) Before measuring specimen flexural strength and (c) After measuring specimen flexural strength.
그림 Figure 15. Adhesive strength of reinforced concrete according to the type of reinforced materials.
그림 Figure 16. Effect of reinforcement location of unidirectional carbon fiber on the flexural strength of concrete.
그림 Figure 17. (a) Effect of reinforced materials on flexural strength and (b) Reinforcement efficiency compared to weight of reinforced materials.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 일방향 탄소섬유의 형태고정과 높은 가격의 일반 코팅사를 고려하여 저가용 열가소성 수지를 유리 섬유에 코팅한 형태고정용 유리섬유 코팅사를 제조한 후, 그 특성을 분석하였다. 또한 제조된 유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 활용하여 일방향 탄소섬유시트를 제작하고, 이를 건축, 토목 구조물 보강에 활용 가능한지 확인하기 위해 콘크리트 공시체에 접착하여 그 기계적 물성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 건축 구조물 보강에 적용가능한 소재를 제조하기 위하여 저가용 열가소성 수지를 유리섬유에 코팅하여 형태고정용 유리섬유 코팅사를 제조하여 그 특성을 분석하였으며, 제조된 유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 활용하여 일방향 탄소섬유시트를 제작하고, 이를 이용하여 콘크리트 공시체에 접착하여 그 효과를 확인하였다.

제안 방법

Figure 3은 접착강도를 측정하는 사진이다. SEM(Scanning Electron Microscope, HITACHI, Japan)을 이용하여 유리섬유 코팅사의 단면, 측면을 관찰하며 코팅 상태를 확인하였다.
인장강도는 섬도(Denier)에 대한 하중값(gf)을 측정하여 분석하였다. 구금의 직경에 따른 유리섬유 코팅사의 접착강도를 알아보기 위해 위사(구금 직경에 따른 4가지 유리섬유 코팅사) 6올, 경사(탄소섬유 12K) 11올로 시트를 제작한 후, 6번째 경사를 제거하고 새로운 탄소섬유를 대체하여 융착시킨 시트를 활용하였다. 대체된 탄소섬유와 제직된 시트를 분리하는 형태로 접착 정도를 확인하였다.
일방향 탄소섬유시트는 형태 고정을 위해 한방향으로 나열된 탄소섬유에 유리섬유 코팅사를 위사로 적용하고 위사밀도(위사밀도간격 : ６, 8, 10, 12, 14 mm)를 달리하여 제직하였다. 그 후, Hot-Press기(MH10-SP, Youngshin Hydraulic Press Co., Ltd, Korea)를 활용하여 0.1 MPa의 압력, 90℃, 100℃ 온도의 조건으로 유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 융착시켜 일방향 탄소섬유시트를 제작하였다.
따라서 본 연구에서는 일방향 탄소섬유의 형태고정과 높은 가격의 일반 코팅사를 고려하여 저가용 열가소성 수지를 유리 섬유에 코팅한 형태고정용 유리섬유 코팅사를 제조한 후, 그 특성을 분석하였다. 또한 제조된 유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 활용하여 일방향 탄소섬유시트를 제작하고, 이를 건축, 토목 구조물 보강에 활용 가능한지 확인하기 위해 콘크리트 공시체에 접착하여 그 기계적 물성을 분석하고자 한다.
Figure 12 (a) ~ (e)는 유리섬유 코팅사 간격에 따른 제조된 일방향 탄소섬유시트를 나타낸 것이다. 위사로 사용된 유리섬유 코팅사의 간격이 일방향 탄소섬유시트가 콘크리트 보강의 작업성에 미치는 영향을 확인하기 위해 처짐 정도 분석을 진행하였다.
유리섬유 코팅사는 22.5 tex인 유리섬유의 굵기를 고려하여 구금의 직경(0.2, 0.3, 0.4, 0.5 mm), 코팅 속도(1.67, 0.25, 0.3 m/s), 코팅 온도(160, 170, 180, 190 ℃)로 다양한 조건으로 시편을 제작하였다.
융착 조건(온도, 시간)에 따른 유리섬유 코팅사와 탄소섬유 간의 일체화 정도를 분석하기 위해 이전 실험과 동일방법인 Figure 3과 같이 접착강도 분석을 진행하였고, 일방향 탄소섬유시트의 작업성을 고려하여 처짐성을 분석하였다. 처짐성 분석은 위사 간격에 따른 일방향 탄소섬유시트를 가로 50 mm x 세로 100 mm로 절단하여 Figure 4와 같이 평평한 면에 일방향 탄소섬유시트를 위치시켜 A에서 A″지점까지의 변화를 P점을 기준으로 각도를 측정하여 처짐 정도를 확인하였다.
Figure 1은 유리섬유 코팅사 제조 모식도이다. 일방향 탄소섬유시트는 형태 고정을 위해 한방향으로 나열된 탄소섬유에 유리섬유 코팅사를 위사로 적용하고 위사밀도(위사밀도간격 : ６, 8, 10, 12, 14 mm)를 달리하여 제직하였다. 그 후, Hot-Press기(MH10-SP, Youngshin Hydraulic Press Co.
3 mm 두께로 도포 후 일방향 탄소섬유시트를 부착하여 7일 정도 경화시켰다. 일방향 탄소섬유시트의 보강 위치에 따른 보강 효과를 확인하고자 콘크리트의 상부, 하부, 측부에 동일한 방법으로 콘크리트를 보강하여 시편을 제조하였다.
일방향 탄소섬유시트의 콘크리트 보강률을 확인하기 위해 4-point 굽힘강도를 측정하였다. 일방향 탄소섬유시트로 보강한 콘크리트의 굽힘강도 측정은 ASTM C 1609에 의거하였으며, 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UNITECH-M RB301, Korea)를 활용하였다.

대상 데이터

유리섬유 코팅사의 코어사로 사용된 유리섬유는 인장강도 1,286 MPa, 22.5 tex(200f)인 PFG FIBER GLASS사의 E225 제품을 사용하였다. 탄소섬유는 Toray사의 T700SC(12K)를 전처리 공정없이 그대로 사용하였다.
코팅 수지로는 P&T 사의 PT-1127 열가소성 수지를 사용하였으며, 열가소성 수지의 분해온도, 용융점은 Table 1에 나타내었다.
5 tex(200f)인 PFG FIBER GLASS사의 E225 제품을 사용하였다. 탄소섬유는 Toray사의 T700SC(12K)를 전처리 공정없이 그대로 사용하였다.

이론/모형

일방향 탄소섬유시트의 콘크리트 보강률을 확인하기 위해 4-point 굽힘강도를 측정하였다. 일방향 탄소섬유시트로 보강한 콘크리트의 굽힘강도 측정은 ASTM C 1609에 의거하였으며, 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UNITECH-M RB301, Korea)를 활용하였다. 콘크리트 공시체와 일방향 탄소섬유시트 간의 접착강도는 ASTM D 5528-01(Double-Cantil ever-beam(DCB), Mode Ⅰ)에 의거하여 측정하였다.
일방향 탄소섬유시트로 보강한 콘크리트의 굽힘강도 측정은 ASTM C 1609에 의거하였으며, 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UNITECH-M RB301, Korea)를 활용하였다. 콘크리트 공시체와 일방향 탄소섬유시트 간의 접착강도는 ASTM D 5528-01(Double-Cantil ever-beam(DCB), Mode Ⅰ)에 의거하여 측정하였다.

성능/효과

따라서 구금 직경, 온도, 속도가 도포량 및 인장강도에 미치는 영향을 확인한 결과 코팅구금 직경은 0.2 mm일 때 인장강도가 높았으나 접착강도가 가장 낮은 것을 확인하였고, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm의 구금의 접착강도가 크게 차이 나지 않은 것을 고려하여 0.3 mm의 코팅구금이 효율적인 것으로 판단하였다. 코팅 온도는 적은 코팅 수지의 도포량으로 높은 인장강도를 보인 190℃로, 코팅 속도는 생산성과 높은 인장강도를 고려하여 0.
따라서 탄소섬유 사용량을 고려하였을 때는 탄소섬유직물을 이용한 보강법보다 일방향 탄소섬유시트를 이용한 보강법이 더 경제적임을 알 수 있었다.
앞의 조건을 활용하여 접착강도 측정을 통해 일반 탄소섬유 직물의 접착성과 큰 차이를 보이지 않았고, 콘크리트 보강 위치에 따른 보강 정도 분석에서는 하부보강의 정도가 가장 높다는 결과를 확인하였다. 또한 탄소섬유직물과 일방향 탄소섬유 시트의 탄소섬유량 대비 보강효과를 분석한 결과에서는 14 mm의 유리섬유 코팅사 간격의 제조 조건이 가장 높은 보강 효율을 보인다는 결론을 얻을 수 있었다.
하지만 Figure 17(b)의 보강 효율성 분석 그래프는 Figure 17(a)의 결과와 다른 양상을 보였다. 보강에 사용된 탄소섬유의 무게로 굽힘강도를 나눈 값에서는 탄소섬유직물이 보강된 경우는 1.77 MPa/g의 값으로 가장 낮은 보강 효율성이 나타났으며 14 mm의 일방향 탄소섬유시트의 보강효율성이 2.30 MPa/g으로 가장 높은 양상을 보였다.
탄소섬유직물은 경사, 위사 모두 탄소섬유로 직조되어 굽힘강도 측정값이 높은 것으로 판단된다. 유리섬유 코팅사 간격에 따른 일방향 탄소섬유시트의 굽힘강도 차이는 크지 않지만 유리섬유 코팅사 간격이 커질수록 보강 정도가 미세하게 증가함을 확인할 수 있다. 이는 일방향 탄소섬유시트의 유리섬유 코팅사와 탄소섬유의 교차점이 줄어들어 탄소섬유의 접착제의 접착 면적이 넓어진 것으로 판단된다.
코팅 수지의 점도를 고려하여 조건별로 유리섬유 코팅사를 제조하여 분석한 결과, 코팅구금 직경은 0.3 mm, 코팅 온도는 190℃, 코팅속도는 0.3 m/s로 적용하였을 때 형태고정용 유리 섬유 코팅사의 최적 제조 조건임을 확인하였다. 탄소섬유와 코팅사의 융착 조건에서는 90℃, 30초가 최적의 조건이였으며, 14 mm의 유리섬유 코팅사 간격을 가진 일방향 탄소섬유시트가 경제적이며 효율적인 것을 확인하였다.
콘크리트 공시체의 굽힘강도는 6.5 MPa로 가장 낮았으며, 하부 보강의 굽힘강도가 24.5 MPa로 가장 높은 보강 효과를 보였고 상부보강은 9.2 MPa, 측부 보강은 15.9 MPa로 나타났다.
3 m/s로 적용하였을 때 형태고정용 유리 섬유 코팅사의 최적 제조 조건임을 확인하였다. 탄소섬유와 코팅사의 융착 조건에서는 90℃, 30초가 최적의 조건이였으며, 14 mm의 유리섬유 코팅사 간격을 가진 일방향 탄소섬유시트가 경제적이며 효율적인 것을 확인하였다.

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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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