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1 주요 응용 프로그램

1.1트위리스 로빙

일상생활에서 접하는 무연 로빙은 구조가 단순하며, 평행한 모노필라멘트들이 다발로 모여 구성됩니다. 무연 로빙은 무알칼리 로빙과 중알칼리 로빙으로 나뉘며, 주로 유리 조성의 차이에 따라 구분됩니다. 고품질 유리 로빙을 생산하려면 사용되는 유리 섬유의 직경이 12~23μm여야 합니다. 이러한 특성 덕분에 와인딩 및 풀트루전 공정과 같은 일부 복합 소재 성형에 직접 사용할 수 있습니다. 또한, 장력이 매우 균일하여 로빙 직물로 직조할 수도 있습니다. 또한, 초핑 로빙의 적용 분야 또한 매우 넓습니다.

1.1.1제트용 꼬임 없는 로빙

FRP 사출 성형 공정에서 꼬임 없는 로빙은 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.

(1) 생산과정에서 연속적인 절단작업이 요구되므로 절단작업 시 정전기 발생을 적게 하는 것이 필요하며, 이를 위해서는 양호한 절단성능이 요구된다.

(2) 재단 후 최대한 많은 원사를 생산할 수 있으므로 견사 성형 효율이 높고, 재단 후 로빙을 가닥으로 분산시키는 효율이 더 높습니다.

(3) 절단 후 원사가 금형에 완전히 덮일 수 있도록 원사는 양호한 피막 코팅을 가져야 합니다.

(4) 기포를 밀어내기 위해 쉽게 납작하게 펴질 수 있어야 하므로 수지에 매우 빠르게 침투시킬 필요가 있습니다.

(5) 각종 분무기의 모델이 다르므로, 다양한 분무기에 맞게 사용하기 위해서는 원사의 두께가 적당한지 확인하십시오.

1.1.2SMC용 꼬임 없는 로빙

SMC(시트 몰딩 컴파운드)는 자동차 부품, 욕조, 각종 시트 등 일상생활 곳곳에서 SMC 로빙을 볼 수 있습니다. 생산 과정에서 SMC 로빙에 대한 다양한 요구 사항이 있습니다. 생산된 SMC 시트가 품질을 보증하려면 우수한 촉감, 우수한 대전 방지 성능, 그리고 적은 양의 울(wool)이 필수적입니다. 유색 SMC의 경우, 로빙에 대한 요구 사항이 다르며, 안료 함량이 수지에 쉽게 침투해야 합니다. 일반적으로 일반적인 유리 섬유 SMC 로빙은 2400tex이며, 경우에 따라 4800tex인 경우도 있습니다.

1.1.3감기용 꼬임 풀림 로빙

두께가 다른 FRP 파이프를 제작하기 위해 저장 탱크 와인딩 공법이 개발되었습니다. 와인딩용 로빙은 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.

(1) 테이프로 붙이기 쉬워야 하며, 일반적으로 평평한 테이프 모양이어야 합니다.

(2) 일반 꼬임이 풀린 로빙은 보빈에서 꺼낼 때 루프에서 빠지기 쉽기 때문에 분해성이 비교적 좋아야 하며, 생성된 실크가 새 둥지처럼 지저분해서는 안 됩니다.

(3) 장력은 갑자기 크거나 작아질 수 없고, 오버행 현상이 발생할 수 없습니다.

(4) 꼬임이 없는 로빙의 선형 밀도 요구 사항은 균일해야 하며 지정된 값보다 작아야 합니다.

(5) 수지탱크를 통과할 때 젖기 쉽도록 하기 위해서는 로빙의 투과성이 좋아야 한다.

1.1.4풀트루전을 위한 로빙

풀트루전(Pultrusion) 공정은 균일한 단면을 가진 다양한 프로파일 제조에 널리 사용됩니다. 풀트루전용 로빙은 유리 섬유 함량과 단방향 강도가 높은 수준을 유지해야 합니다. 생산에 사용되는 풀트루전용 로빙은 여러 가닥의 원사를 조합한 형태이며, 일부는 직접 로빙일 수도 있는데, 두 가지 모두 가능합니다. 다른 성능 요건은 와인딩 로빙과 유사합니다.

1.1.5 직조용 꼬임 없는 로빙

일상생활에서 두께가 서로 다른 깅엄 원단이나 같은 방향으로 로빙(roving)된 원단을 흔히 볼 수 있는데, 이는 직조에 사용되는 로빙의 또 다른 중요한 용도를 보여줍니다. 로빙은 직조용 로빙이라고도 합니다. 이러한 원단은 대부분 수작업으로 FRP를 성형하는 데 사용됩니다. 로빙을 직조하려면 다음 요건을 충족해야 합니다.

(1) 비교적 내마모성이 우수하다.

(2) 테이프로 붙이기 쉽다.

(3) 주로 직조에 사용되므로 직조 전에 건조단계가 반드시 필요하다.

(4) 장력 측면에서는 주로 급격하게 커지거나 작아지지 않고 균일하게 유지되어야 하며, 오버행 측면에서 특정 조건을 충족해야 합니다.

(5) 분해성이 좋다.

(6) 수지탱크를 통과할 때 수지가 침투하기 쉽기 때문에 투과성이 좋아야 합니다.

1.1.6 프리폼용 꼬임 없는 로빙

일반적으로 프리폼 공정은 사전 성형(preforming)을 의미하며, 적절한 공정을 거쳐 제품을 생산합니다. 생산 시에는 먼저 로빙을 절단하고, 절단된 로빙을 네트에 분사합니다. 네트의 네트 형상은 미리 정해진 형상이어야 합니다. 그런 다음 수지를 분사하여 형상을 만듭니다. 마지막으로, 성형된 제품을 금형에 넣고 수지를 주입한 후 열간 압착하여 제품을 얻습니다. 프리폼 로빙의 성능 요건은 제트 로빙의 성능 요건과 유사합니다.

1.2 유리섬유 로빙 직물

로빙 원단은 여러 종류가 있으며, 그중 하나가 깅엄 체크입니다. FRP 핸드레이업 공정에서 깅엄 체크는 가장 중요한 소재로 널리 사용됩니다. 깅엄 체크의 강도를 높이려면 원단의 경사와 위사 방향을 변경하여 단일 방향 깅엄 체크로 만들어야 합니다. 체크무늬 원단의 품질을 보장하려면 다음과 같은 특성이 보장되어야 합니다.

(1) 원단은 전체적으로 평평하고, 튀어나온 부분이 없고, 가장자리와 모서리는 곧아야 하며, 더러운 부분이 없어야 합니다.

(2) 원단의 길이, 폭, 재질, 무게, 밀도 등은 일정한 기준을 충족해야 합니다.

(3) 유리섬유 필라멘트는 깔끔하게 말아야 합니다.

(4) 수지의 침투가 빠르다.

(5) 각종 제품에 사용되는 직물의 건조성과 습도는 일정한 요건을 충족해야 합니다.

1.3 유리섬유 매트

1.3.1다진 스트랜드 매트

먼저 유리 섬유 스트랜드를 잘라 준비된 메쉬 벨트 위에 뿌립니다. 그런 다음 바인더를 뿌리고 가열하여 녹인 후 냉각하여 굳히면 초핑 스트랜드 매트가 완성됩니다. 초핑 스트랜드 섬유 매트는 수작업 적층 공정과 SMC 멤브레인 직조에 사용됩니다. 초핑 스트랜드 매트의 최상의 사용 효과를 얻기 위해 생산 과정에서 다음과 같은 요건을 충족해야 합니다.

(1) 전체 다진 가닥 매트는 평평하고 고르다.

(2) 다진 스트랜드 매트의 구멍은 작고 크기가 균일합니다.

(4) 특정 기준을 충족합니다.

(5) 수지로 빠르게 포화시킬 수 있습니다.

1.3.2 연속 스트랜드 매트

유리 섬유는 특정 요건에 따라 메시 벨트 위에 평평하게 놓입니다. 일반적으로 8자 모양으로 평평하게 놓도록 규정합니다. 그런 다음 분말 접착제를 뿌리고 열을 가하여 경화시킵니다. 연속 스트랜드 매트는 복합 재료 보강에 있어 절단 스트랜드 매트보다 훨씬 우수한데, 이는 연속 스트랜드 매트의 유리 섬유가 연속적이기 때문입니다. 이러한 보강 효과가 우수하여 다양한 공정에 사용되고 있습니다.

1.3.3표면 매트

표면 매트는 일상생활에서도 흔히 사용되는데, FRP 제품의 수지층과 같은 중알칼리 유리 표면 매트가 그 예입니다. FRP를 예로 들면, 표면 매트는 중알칼리 유리로 만들어져 화학적으로 안정적입니다. 또한, 표면 매트는 매우 가볍고 얇기 때문에 더 많은 수지를 흡수할 수 있어 보호 기능뿐만 아니라 미관상으로도 뛰어난 효과를 발휘합니다.

1.3.4니들 매트

니들 매트는 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다. 첫 번째 유형은 초핑 파이버 니들 펀칭입니다. 제작 공정은 비교적 간단합니다. 먼저 약 5cm 크기의 유리 섬유를 초핑하여 모재 위에 무작위로 뿌립니다. 그런 다음 기판을 컨베이어 벨트에 놓고 코바늘로 기판을 뚫습니다. 코바늘의 효과로 섬유가 기판에 꿰뚫려 3차원 구조를 형성합니다. 선택된 기판은 특정 요건을 충족해야 하며, 푹신한 촉감을 가져야 합니다. 니들 매트 제품은 그 특성상 방음 및 단열재에 널리 사용됩니다. 물론 FRP에도 사용할 수 있지만, 강도가 약하고 파손되기 쉬워 널리 사용되지는 않았습니다. 다른 유형은 연속 필라멘트 니들 펀칭 매트라고 하며, 제작 공정 또한 매우 간단합니다. 먼저 와이어 투사 장치를 사용하여 미리 준비된 메쉬 벨트 위에 필라멘트를 무작위로 던집니다. 마찬가지로, 침술에 사용되는 코바늘을 사용하여 3차원 섬유 구조를 형성합니다. 유리 섬유 강화 열가소성 플라스틱에서는 연속 스트랜드 니들 매트가 많이 사용됩니다.

1.3.5스티치매트

절단 유리 섬유는 스티치본딩 기계의 스티칭 작용을 통해 일정 길이 범위 내에서 두 가지 형태로 변형될 수 있습니다. 첫 번째는 바인더 본딩 절단 스트랜드 매트를 효과적으로 대체하는 절단 스트랜드 매트입니다. 두 번째는 연속 스트랜드 매트를 대체하는 장섬유 매트입니다. 이 두 가지 형태는 공통적인 장점을 가지고 있습니다. 생산 과정에서 접착제를 사용하지 않아 오염과 낭비를 방지하고 자원 절약 및 환경 보호라는 사람들의 요구를 충족시켜 줍니다.

1.4 밀링 섬유

분쇄 섬유의 생산 공정은 매우 간단합니다. 해머 밀이나 볼 밀에 잘게 자른 섬유를 넣습니다. 섬유의 분쇄 및 분쇄는 생산 과정에서 다양한 용도로 사용됩니다. 반응 주입 공정에서 분쇄된 섬유는 보강재 역할을 하며, 다른 섬유보다 성능이 훨씬 우수합니다. 주조 및 성형 제품 제조 시 균열을 방지하고 수축률을 개선하기 위해 분쇄된 섬유를 충전재로 사용할 수 있습니다.

1.5 유리섬유 직물

1.5.1유리 천

유리 섬유 직물의 일종입니다. 생산지에 따라 유리 섬유 천의 규격이 다릅니다. 우리나라 유리 섬유 직물 분야에서는 주로 무알칼리 유리 섬유 천과 중알칼리 유리 섬유 천의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 유리 섬유 천의 적용 범위는 매우 광범위하며, 무알칼리 유리 섬유 천의 그림에서 차량 차체, 선체, 공용 저장 탱크 등을 확인할 수 있습니다. 중알칼리 유리 섬유 천은 내식성이 우수하여 포장재 및 내식성 제품 생산에 널리 사용됩니다. 유리 섬유 직물의 특성을 판단하려면 주로 섬유 자체의 특성, 유리 섬유 원사의 구조, 경사 및 위사 방향, 직물 패턴의 네 가지 측면에서 시작해야 합니다. 경사 및 위사 방향의 밀도는 원사의 구조와 직물 패턴의 차이에 따라 달라집니다. 직물의 물리적 특성은 경사 및 위사 밀도와 유리 섬유 원사의 구조에 따라 달라집니다.

1.5.2 유리 리본

유리 리본은 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다. 첫 번째 유형은 셀비지이고, 두 번째 유형은 평직 패턴에 따라 직조된 부직포 셀비지입니다. 유리 리본은 높은 유전 특성이 요구되는 전기 부품, 고강도 전기 장비 부품에 사용될 수 있습니다.

1.5.3 단방향 패브릭

일상생활에서 쓰이는 단방향 직물은 서로 다른 두께의 두 가지 실로 짜여지며, 그 결과 직물은 주방향으로 높은 강도를 갖습니다.

1.5.4 3차원 직물

3차원 직물은 평면 직물과 구조가 다르며, 3차원적이기 때문에 일반 평면 섬유보다 효과가 우수합니다. 3차원 섬유 강화 복합 재료는 다른 섬유 강화 복합 재료에는 없는 장점을 가지고 있습니다. 섬유가 3차원이기 때문에 전체적인 효과가 더 좋고 손상 저항성이 더 강해집니다. 과학기술의 발전과 함께 항공우주, 자동차, 선박 분야에서 수요가 증가함에 따라 이 기술은 점점 더 성숙해졌으며, 이제는 스포츠 및 의료 장비 분야에서도 자리를 차지하고 있습니다. 3차원 직물의 종류는 크게 다섯 가지로 나뉘며, 그 형태도 다양합니다. 3차원 직물의 발전 가능성이 매우 크다는 것을 알 수 있습니다.

1.5.5 모양의 직물

성형 직물은 복합 재료를 강화하는 데 사용되며, 그 형태는 주로 강화 대상의 형태에 따라 달라지며, 규정 준수를 위해 전용 기계에서 직조해야 합니다. 생산 시에는 제약이 적고 전망이 좋은 대칭 또는 비대칭 형태를 제작할 수 있습니다.

1.5.6 홈이 있는 코어 패브릭

홈 코어 직물의 제작 또한 비교적 간단합니다. 두 겹의 직물을 평행하게 배치한 후, 수직 막대로 연결하고, 단면적은 정삼각형 또는 직사각형이 되도록 합니다.

1.5.7 유리섬유 봉제 원단

매우 특별한 직물로, 사람들은 이를 니트 매트(knit mat) 또는 우븐 매트(woven mat)라고 부르지만, 우리가 흔히 아는 직물이나 매트와는 다릅니다. 날실과 위사로 짜여진 것이 아니라, 날실과 위사가 번갈아 겹쳐진 스티치드 패브릭(stitched fabric)이 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다.

1.5.8 유리섬유 절연 슬리브

생산 공정은 비교적 간단합니다. 먼저 유리 섬유 원사를 선별하여 관 모양으로 직조합니다. 그런 다음, 다양한 단열 등급 요건에 따라 수지를 코팅하여 원하는 제품을 만듭니다.

1.6 유리섬유 조합

과학기술 전시회의 급속한 발전과 함께 유리섬유 기술 또한 상당한 발전을 이루었으며, 1970년대부터 현재까지 다양한 유리섬유 제품이 출시되었습니다. 일반적으로 다음과 같은 제품들이 있습니다.

(1) 다진 스트랜드 매트 + 꼬이지 않은 로빙 + 다진 스트랜드 매트

(2) 꼬이지 않은 로빙 원단 + 다진 스트랜드 매트

(3) 다진 스트랜드 매트 + 연속 스트랜드 매트 + 다진 스트랜드 매트

(4) 랜덤 로빙 + 초핑 원비율 매트

(5) 단방향 탄소섬유 + 다진 스트랜드 매트 또는 천

(6) 표면매트 + 다진 가닥

(7) 유리천 + 유리박막대 또는 단방향 로빙 + 유리천

1.7 유리섬유 부직포

이 기술은 우리나라에서 처음 발견된 것이 아닙니다. 가장 초기의 기술은 유럽에서 개발되었습니다. 이후 인류의 이주로 인해 이 기술은 미국, 한국 등 여러 나라로 전파되었습니다. 우리나라는 유리 섬유 산업 발전을 촉진하기 위해 비교적 대규모 공장을 여러 개 설립하고 고급 생산 라인을 구축하는 데 막대한 투자를 했습니다. 우리나라의 유리 섬유 습식 매트는 주로 다음과 같은 범주로 나뉩니다.

(1) 루핑매트는 아스팔트 멤브레인 및 컬러 아스팔트 싱글의 성능을 향상시켜 더욱 우수하게 만들어 주는 핵심적인 역할을 합니다.

(2) 파이프 매트: 이름에서 알 수 있듯이 이 제품은 주로 파이프라인에 사용됩니다. 유리 섬유는 내식성이 뛰어나 파이프라인을 부식으로부터 효과적으로 보호할 수 있습니다.

(3) 표면매트는 주로 FRP제품의 표면에 부착하여 표면을 보호하는 용도로 사용된다.

(4) 베니어 매트는 주로 벽과 천장에 사용되는데, 페인트의 갈라짐을 효과적으로 방지할 수 있고, 벽을 더욱 평평하게 만들어 주며, 수년간 다듬을 필요가 없습니다.

(5) 바닥매트는 주로 PVC바닥재의 기본재로 사용됩니다.

(6) 카펫 매트; 카펫의 기본 소재로 사용됨.

(7) 동박적층판에 부착된 동박적층판 매트는 펀칭 및 드릴링 성능을 향상시킬 수 있습니다.

2 유리섬유의 특정 응용 분야

2.1 유리섬유 보강 콘크리트의 보강 원리

유리섬유 강화 콘크리트의 원리는 유리섬유 강화 복합 재료의 원리와 매우 유사합니다. 우선, 콘크리트에 유리섬유를 첨가하면 유리섬유가 재료의 내부 응력을 지지하여 미세 균열의 확장을 지연 또는 방지합니다. 콘크리트 균열이 형성되는 동안 재료는 골재 역할을 하여 균열 발생을 방지합니다. 골재의 효과가 충분히 좋으면 균열이 확장되어 침투하지 못합니다. 콘크리트에서 유리섬유의 역할은 골재로서 균열의 발생과 확장을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 균열이 유리섬유 근처로 확산되면 유리섬유는 균열의 진행을 막아 균열이 우회하도록 유도하고, 이에 따라 균열의 확장 면적이 증가하여 손상에 필요한 에너지 또한 증가합니다.

2.2 유리섬유 보강 콘크리트의 파괴 메커니즘

유리섬유 보강 콘크리트가 파괴되기 전에는 콘크리트와 유리섬유가 인장력을 주로 공유합니다. 균열이 발생하는 동안 응력은 콘크리트에서 인접한 유리섬유로 전달됩니다. 인장력이 계속 증가하면 유리섬유가 손상되며, 손상 유형은 주로 전단 손상, 인장 손상, 그리고 풀림 손상입니다.

2.2.1 전단 파괴

유리섬유 보강 콘크리트가 받는 전단응력은 유리섬유와 콘크리트가 공유하며, 이 전단응력이 콘크리트를 통해 유리섬유로 전달되어 유리섬유 구조물이 손상됩니다. 그러나 유리섬유는 자체적인 장점을 가지고 있습니다. 길이가 길고 전단저항 면적이 작기 때문에 유리섬유의 전단저항력 향상 효과는 미미합니다.

2.2.2 인장 파괴

유리섬유의 인장력이 일정 수준 이상이 되면 유리섬유가 파손됩니다. 콘크리트에 균열이 발생하면 인장 변형으로 인해 유리섬유가 너무 길어지고, 측면 체적이 수축되어 인장력이 더 빨리 파손됩니다.

2.2.3 풀오프 손상

콘크리트가 파손되면 유리섬유의 인장력이 크게 강화되고, 인장력이 유리섬유와 콘크리트 사이의 힘보다 커지게 되어 유리섬유가 파손되어 뽑히게 됩니다.

2.3 유리섬유 강화 콘크리트의 휨 특성

철근 콘크리트가 하중을 지지할 때, 응력-변형률 곡선은 그림과 같이 기계적 해석을 통해 세 단계로 구분됩니다.첫 번째 단계: 탄성 변형이 먼저 발생하여 초기 균열이 발생합니다.이 단계의 주요 특징은 변형이 유리 섬유 보강 콘크리트의 초기 균열 강도를 나타내는 A 지점까지 선형적으로 증가한다는 것입니다.두 번째 단계: 콘크리트에 균열이 발생하면 지지하는 하중이 인접한 섬유로 전달되어 지지하고 지지력은 유리 섬유 자체와 콘크리트와의 결합력에 따라 결정됩니다.B 지점은 유리 섬유 보강 콘크리트의 극한 휨 강도입니다.세 번째 단계: 극한 강도에 도달하면 유리 섬유가 끊어지거나 뽑히지만 나머지 섬유는 여전히 하중의 일부를 지지하여 취성 파괴가 발생하지 않도록 합니다.

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