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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.5 pp.1-7
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.5.001

Development of Polyurethane-based Composite Material Technology for the Manufacturing Synthetic Compound Sleeper Products

Chul-hyeon Hwang1, Woo-kwean Han2, In-seop Gwak3, In-chul Back4
1President, U1 Platform, N418, 11-3, Techno 1-ro, Youseong-gu, Daejeon, Korea
2Head of Research Center, U1 Platform, N418, 11-3, Techno 1-ro, Youseong-gu, Daejeon, Korea
3Research Engineer, U1 Platform, N418, 11-3, Techno 1-ro, Youseong-gu, Daejeon, Korea
4Ph.D., KORAIL

본 논문에 대한 토의를 2019년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2019년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hwang, Chul-hyeon U1 Platform, N418, Techno 1-ro, Youseong-gu, Daejeon, Korea Tel: 042-931-8005 Fax: 042-931-8006, E-mail: chhwang@u1pf.com
July 24, 2019 September 8, 2019 September 15, 2019

Abstract


Sleepers have commonly used wood and concrete sleepers. However, Wood sleepers rot due to moisture or short life due to insect damage. In addition it is difficult to repair requires periodic replacement and there is a problem in the supply and demand of wood. Concrete sleepers are difficult to transport and lack the ability to absorb breakage, cracks and impacts. Also there is a problem such as a reduction in the capacity of the rail due to noise and severe vibration. Therefore this study conducted a synthetic compound sleeper experiment to replace traditional wood and concrete sleepers. The main material of synthetic compound sleepers is polyurethane, and the contents of polyol and isocyanate, which are the constituents of polyurethane, have been changed and the effects on various forms and contents of reinforcing agents As a result, the mechanical properties of synthetic compound sleepers tended to increase with increasing polyol functionality and isocyanate content, and also increased with increasing content of reinforcing agents to improve the mechanical properties of synthetic composite sleepers. The results of this study are expected to contribute to the development of synthetic compound sleepers products that will replace wood and concrete sleepers.



합성 침목 제조를 위한 폴리우레탄 기반 복합 소재 기술 개발

황 철현1, 한 우권2, 곽 인섭3, 백 인철4
1유원플렛폼 대표이사
2유원플렛폼 연구팀장
3유원플렛폼 연구원
4한국철도공사 박사

초록


철도침목은 일반적으로 목재 및 콘크리트 침목을 많이 사용하고 있다. 그러나 목침목은 수분과 충해등으로 인해 썩 기 쉽다. 게다가 짧은 수명으로 인해 교체를 자주해줘야 하지만 자원고갈로 인한 공급의 어려움이 있다. 콘크리트 침목은 중량 이 무거워 시공장소에 제한이 있고 운반이 어려운 단점을 갖고 있다. 또한 균열발생이나 파손이 일어났을 때 소음이 발생하고 심한 진동으로 인해 레일의 수용저하등의 문제가 있다. 그러므로 이번 연구에서는 전통적으로 사용하던 목재 및 콘트리트 침목 을 대신할 합성침목을 개발하는 것이다. 합성침목의 주원료는 폴리올과 이소시아네이트로 구성된 폴리우레탄이다. 폴리우레탄을 수지로 사용하게 되면 강도가 약해 이를 보완해야 하는데 현재까지는 유리섬유나 석탄재와 같은 원료를 사용하였다. 유리섬유 는 인체에 유해하고 침목의 폐기 시 자연에서 분해되지 않은 단점이 있으므로 이 연구에서는 자연에서 분해될 수 있는 천연보 강재를 사용하여 기계적 물성은 유지하면서 가공성 및 경제성이 우수한 합성수지 침목을 개발하는 실험을 진행하였다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19RTRP-B138007-03

    1. 서 론

    철도용 침목으로는 레일의 고정 및 안정성을 위해 전통적으로 목재 및 콘크리트 침목을 주로 사용하고 있다. 목재침목은 운반, 장착 및 가공이 쉬운 장점을 갖고 있으나 수분에 약하여 썩기 쉽고, 충해 등으로 수명이 짧아 보수가 어렵고 주기적인 교체가 요구되 며 자원고갈로 인한 공급상의 어려움과 방부제 사용으 로 인한 환경문제가 대두되고 있다(Park, 2018). 더불어 교체를 주기적으로 해야 하므로 유지보수인원의 확 보가 필수적이지만, 인건비의 상승으로 인해 이 또 한 제한적이다(Koller, 2009).

    콘크리트 침목은 철근을 사용하므로 내구성이 높 고 강도도 높다. 하지만 중량이 무거워 시공장소에 제한이 있으며 운반이 어렵다. 그리고 콘크리트 침 목은 균열 발생 또는 파손이 일어났을 때 충격의 흡 수력이 부족하여 소음이 발생하고 심한 진동으로 인 한 레일의 수용저하 등의 문제가 있다(Go, 2010).

    최근 고속 철도의 개통으로 더 무거운 축중과 더 빠른 속도를 수용해야 하는 필요성에 따라 새로운 재료가 필요하게 되었다. 이로 인해 침목원료 개발 이 다양하게 진행되고 있으며 이 중 발포수지 또는 합성수지 등을 이용한 합성 침목에 대한 연구가 진 행되고 있다.

    발포수지 침목은 생산 원가가 매우 높고 환경오 염 등의 문제가 있다. 폴리에틸렌과 석탄재, 왕겨가 루를 혼합하여 압출, 사출하여 제조되는 침목에 관 한 연구가 있지만(Lee, 1999), 왕겨가루는 섬유질이 약하여 합성수지의 강도를 보완하는 데 그 기능이 떨어지며, 석탄재는 습도를 제어하는 역할을 하나 강도를 낮추어 균열 등이 발생하기 쉬우므로 실용화 에 문제점이 있다. 그리고 저밀도 폴리에틸렌, 고밀 도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리아미드 등의 폐합성수지에 폐지와 모래를 혼합하여 제조하는 합 성수지 침목에 대한 연구는(Kang, 1996), 여름철 레 일 하부의 60도 이상의 고온 하에서 수축, 팽창 등 의 신축이 높아 치수안정을 유지하기 어렵고 내마모 성도 적합하지 못하다. 이에 우수한 강도를 갖고 내마 모성과 내열성이 우수하며 동시에 취성을 갖는 침목 의 개발이 필요한 실정이다(Kaewunruen, 2014).

    일본에서는 1980년대부터 목재 침목을 대체할 합 성수지 침목을 개발하였고, 현재는 개발된 합성수지 침목을 사용하고 있다. 일본의 합성수지 침목은 Glass Fiber를 강화재로 사용하고 경질 발포우레탄 수지에 함침을 한 구조의 복합재료로 우레탄 발포 및 경화하 여 목침목의 대체용으로 사용하고 있다(Sekisui, 2014).

    경질 발포우레탄 수지를 사용하면 소음, 진동의 저감 효과로 승차감이 좋고 뛰어난 내구성을 보유하 면서도 반영구적 사용이 가능하여 유지 보수비가 줄 어 경제성 효과도 있어서 합성수지 침목은 철도 산업 에 광범위하게 적용될 것임은 명확하다. 그러나 Glass Fiber는 인체에 유해하고 침목의 폐기 시 자연에서 분 해되지 않고 높은 생산 가격으로 인해 문제점이 있다.

    따라서 자연에서 분해될 수 있는 천연보강재를 사용하여 친환경적이면서 유리섬유 등의 무기섬유 사용 시와 동등 이상의 기계적 물성을 유지할 수 있 고, 가공성 및 경제성이 우수한 합성수지 침목을 개 발하여 철도 침목 산업에 도입하고자 실험을 진행하 였다(Manalo et al., 2010;Ferdous et al., 2014).

    2. 본 론

    합성수지 침목의 개발에서 합성수지는 경질 폴리우 레탄 수지를 기본으로 하였고 합성 침목의 물성 강 화를 위하여 여러 가지 강화재를 투입하여 합성 침 목 개발에 적용하였다(Liu et al., 2012;Louie, 2013).

    합성수지 침목의 기계적 물성에서 기재인 폴리우 레탄의 물성도 중요하나 보강재의 종류와도 밀접한 관계가 있기 때문에 여러 보강재를 활용하여 물성 평가를 진행하였다. 열차의 하중에 견뎌야 되어 기 계적 강도가 중요한 인자인데 여러 규격 중 굴곡 강 도와 Modulus를 중점적으로 평가하였다. 굴곡 강도 는 합성수지 침목의 크기가 장대하여 기계적 물성 확 보를 확인하기 위함이며, Modulus는 강도의 안정성 확 보를 위한 평가 근거로 삼고자 굴곡강도와 Modulus 평가를 진행하였는데, 기준은 ISO 12856-1을 참조하 였다(ISO, 2014). ISO 12856-1은 철도침목규격으로써 물리적⋅기계적⋅전기적 성질을 평가하여 철도침목 으로 사용하였을 때, 문제가 없는지를 판단하는 국 제표준규격이다.

    2.1 시편 제작

    본 실험에서 사용한 폴리우레탄 시험체의 크기 및 측정규격은 ISO 12856-1에 규정된 방법에 의하여 제 작 및 측정하였다.

    폴리올 시스템은 여러 폴리올과, 정포제, 촉매 및 첨가제를 함량비에 맞춰 전자저울을 활용하여 계량 한 후 교반기를 활용하여 혼합을 먼저 진행하며 이 후 시스템을 경화제인 Isocyanate와 배합비에 맞추어 투입한 후 고속 교반기를 사용하여 시편을 제조하였 다. 교반조건은 폴리올 시스템과 Isocyante의 액온은 20℃이며 교반속도 및 시간은 2,500rpm * 50sec 조건 으로 발포를 진행하였다.

    시편 제조를 위한 기기로는 가열 방식의 핫 프레 스 설비를 활용하였는데, 프레스 기기는 Fig. 1에 나 타내었다. 시편 제조 시의 가공 조건으로는 온도는 70℃에서 40분 후 탈형을 진행하였다.

    2.2 시험 방법

    ISO 12856-1에 따른 합성수지 침목의 물성 규격을 Table 1에 나타내었으며, 기계적 물성(굴곡강도, Modulus)을 측정하였다.

    2.2.1 PU Matrix 개발

    합성수지 개발을 위한 폴리우레탄의 배합비는 Table 2 에 나타내었는데 기계적 강도를 위해 관능기가 높은 폴리올들을 사용하였고 기포를 안정화시키기 위해 경질 정포제를 사용하였으며, 우레탄 반응을 촉진 시키는 촉매를 활용하여 발포를 진행하였다. 또한 폴리올 변화를 통하여 측정된 기계적 물성 결과는 Table 3에 나타내었다.

    폴리올A는 Sorbitol base polyether polyol이며 관능 기는 6이고, 폴리올B는 Suc/gly base polyether polyol 이며 관능기는 5이다. 또한 폴리올C는 Glycerin base polyether polyol이며 관능기는 3이고, 폴리올D는 관 능기 3을 가지는 polyol이다. 폴리올E는 Glycerin base polyether polyol이며 관능기는 3이다. 정포제는 경질 용 Silicon 정포제이며, 촉매는 경질, 반경질에 사용 되는 아민계 촉매이다.

    여러 Polyol을 사용하여 기계적 물성을 평가한 결 과 Formulation 4의 경우 굴곡 강도는 우수하나, Modulus 결과가 낮았으며, Formulation 5의 경우는 굴곡 강도는 중간 정도이나, Modulus가 우수한 결과 를 보였다. 이에 Formulation 5의 Polyol 배합비를 사 용하여 추가적인 실험을 진행하였다.

    2.2.2 MDI(Isocyanate) 및 INDEX 변화 실험

    2.2.1에서 선정된 폴리올 시스템에서 Formulation 5로 고정을 하고 MDI 종류와 Index 변화 실험을 진행하 였다. MDI는 Polyol과 반응하여 Hard Segment를 구 성하기 때문에 MDI의 종류와 Polyol과의 배합비가 물 성을 변화시킬 것이라 예상했으며 그 결과를 Table 4 에 나타내었다.

    MDI A는 Viscosity 500cPs, 4,4mdi이며, MDI B는 Viscosity 330cPs, 4,4mdi이다. 폴리우레탄에서 Index는 물성을 결정하는데 큰 역할을 하는데, Index가 높아 지게 되면 MDI 투입량이 많아지게 되고 Hard Segment의 비율이 높아지게 되어 우레탄의 기계적 강도가 강하게 나타난다. Index는 MDI별로 120, 140, 160 3개의 실험을 진행하였다.

    실험 결과 동일 Index에서 MDI A가 MDI B보다 뛰어난 기계적 강도를 보였으며, MDI에선 INDEX 140 의 기계적 강도가 가장 높게 측정되었다. 하지만 폴 리올 시스템의 점도가 높아 Filler를 사용하였을 때 함침이 되지 않을 것을 우려하여 MDI A와 동일한 구조와 물성을 가지지만 점도가 110cPs로 낮은 MDI C(C는 Viscosity 110cPs. 4,4MDI)로 대체하여 Filler 함침 실험에 사용하였다.

    2.3 Filler 변화 실험

    PU를 단독으로 기계적 물성을 평가한 결과 철도 침 목에서 요구하는 ISO 12856-1의 규격보다 떨어지고 취성이 강하여 침목에 사용하기 어려운 점을 보완하 기 위하여 여러 가지 형태의 Filler를 도입하여 기계 적 물성을 개선하고자 하였다. Filler는 기계적 물성 을 강하게 하고, 함침이 잘 되는 구조이며 경제성을 확보할 수 있는 물질들로 실험을 진행하였다.

    2.3.1 Filler의 형태

    철도 침목 개발에 사용되는 여러 가지 강화재(Reinforcement) 의 형태를 Fig. 2에 나타내었다.

    강화재의 형태는 Powder Type과 Mesh Type으로 나뉘어 실험을 진행하였다.

    2.3.2 Si Powder Type

    Si Powder Type을 사용하여 경질 폴리우레탄에 투입 하여 시편을 제조한 후 기계적 물성을 측정한 결과 를 아래 Fig. 3과 Table 5에 나타내었다.

    Si Powder를 PU Matrix에 5, 10, 20pbw를 분산하 여 시편을 제작하였다. Si Powder를 투입한 시편들의 물성에서 투입량이 5pbw가 가장 높은 굴곡 강도를 나타내었고, Modulus의 경우엔 Filler의 함량이 증가 할수록 증가하여 20pbw에서 1.23GPa으로 가장 높았 다. 결과를 보면 Si Powder의 첨가량에 따라 밀도 증 가와 결합력 증가로 기계적 강도가 증가하지만, 일 정 함량 이상 증가하게 되면 Si Powder가 Urethane 결합 및 믹싱 효율을 방해하여 물성치가 떨어지는 것으로 판단된다. 따라서 Si Power를 사용하여 합성 수지 침목에 사용할 수 없으며, 다른 Filler와 Hybrid 형식으로 사용되어야 할 것으로 예상된다.

    2.3.3 PE Powder Type

    PE Powder Type을 사용하여 경질 폴리우레탄에 투 입하여 시편을 제조한 후 기계적 물성을 측정한 결 과를 아래 Fig. 4와 Table 6에 나타내었다.

    PE Powder는 Si Powder와 동일하게 PU Matrix에 10, 20pbw 분산시켜 시편을 제조하였다. 기계적 물성 을 측정한 결과 10pbw에서 물성이 크게 떨어지고 20pbw에서는 10pbw보다 물성이 상승하였다. 하지만 Filler를 넣지 않은 것보다 물성이 떨어지는 현상을 보였으며, 20pbw 이상 첨가하게 되면 PU Matrix의 점도가 상승하여 가공성이 떨어지는 현상이 발견되 었으며, Si Powder와 마찬가지로 합성수지 침목에 적 용하기엔 기계적 물성이 부족하였다.

    2.3.4 PPTA Yarn Type

    PPTA Yarn Type을 사용하여 경질 폴리우레탄에 투 입하여 물성 평가용 시편을 제조한 후 기계적 물성 을 측정하였고 평가된 결과를 아래 Fig. 5와 Table 7 에 나타내었다.

    PPTA Yarn을 함침 형태로 사용하였을 때 함침이 적절하게 이루어지지 않아 Wetting 형식으로 변경하 여 실험을 진행하였다. PPTA Yarn은 40, 60, 80pbw 를 사용하였다. Wetting하여 사용한 결과 Bending strength는 80pbw에서 165.8MPa으로 가장 높게 측정 되었으며, Modulus도 6.23GPa으로 가장 높게 나와 ISO 12856-1의 규정에 만족하였다. 하지만 PPTA 섬 유의 가격이 높아 경제성에 문제가 있을 것으로 예 상된다.

    2.3.5 PPTA Yarn Type + Si Powder Type

    PPTA Yarn과 Si Powder Hybrid Type을 사용하여 합성수지 침목용 시편을 제조하였고 기계적 물성을 측정한 결과를 아래 Fig. 6과 Table 8에 나타내었다.

    PPTA Yarn과 Si Powder Hybrid Type을 사용하여 합 성수지 침목용 시편을 제조한 결과 Bending strength와 Modulus 둘 다 증가하였지만, ISO 12856-1 규격에는 못 미쳐 철도침목에 사용하기는 어려울 것으로 예상된다.

    2.3.6 Basalt Reinforced Mesh Type

    Basalt Mesh Type을 사용하여 기계적 물성을 측정한 결과를 아래 Fig. 7과 Table 9에 나타내었다.

    Basalt Reinforced Mesh(BRM)은 물성 개선을 위해 Basalt Mesh에 특수 코팅을 처리한 물질이다.

    BRM을 40, 60, 100, 200pbw를 첨가하여 사용하 였고 BRM을 200pbw를 투입한 시편의 Bending strength 가 118.26MPa으로 가장 높게 측정되었으며, Modulus 또한 7.42GPa로 가장 높게 측정되었으며 ISO 12856-1 규격에도 만족하였다.

    2.3.7 천연섬유 Type

    천연섬유 Type을 사용하여 기계적 물성을 측정한 결 과를 아래 Fig. 8과 Table 10에 나타내었다.

    천연섬유의 경우 과실섬유로 이루어져서 가격이 저렴하면서도 질기고 강한 탄성력의 특징을 가지고 있어 Modulus에 도움이 될 것으로 예상되어 합성수지 침목 개발에 사용하였다. 천연섬유를 Mesh형태로 100, 150pbw를 사용하였다.

    Bending strength는 150pbw에서 118.9MPa로 가장 높게 측정되었으며, Modulus 또한 7.86GPa으로 가장 높게 측정되어 ISO 12856-1의 규정에 부합되었다.

    2.3.8 Acryl Type

    Acryl Type의 Fiber를 사용하여 기계적 물성을 측정 한 결과를 아래 Fig. 9와 Table 11에 나타내었다.

    Acryl Type Fiber의 경우 Acryl을 탄화시키는 과정 에서 나오는 산업 부산물로 가격이 매우 저렴하고 강 한 기계적 물성을 가지고 있을 것으로 판단되어 합성 수지 침목에 접목하여 사용하였다. Acryl 섬유의 경우 100pbw를 사용하였는데, Bending strength는 90.48MPa로 높게 나왔으며, Modulus도 6.07GPa로 높게 형성되어 ISO 12856-1의 규격에 부합되는 것으로 나왔다.

    3. 결 론

    본 연구는 복합 합성 침목 개발을 위해 진행된 것으 로 기재인 경질 폴리우레탄의 물성 확보를 위해 여러 가지 폴리올을 사용하여 평가를 진행하였고, 물성 보 강재로 투입되는 다양한 강화재(Reinforcement)를 도입 하여 복합 합성 침목의 물성을 확보하기 위한 실험을 진행하였고, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

    • 1) 복합 합성 침목의 PU Matrix 개발에서 폴리올 의 구조에서 관능기가 증가함에 따라 기계적 물성이 개선되는 경향을 보였다.

    • 2) 복합 합성 침목의 재질에서 강화재 첨가 함량에 따라 기계적 물성이 상승하는 경향을 보였다.

    • 3) 복합 합성 침목의 재질에서 강화재 형태에서 Powder형보다 Mesh형태의 기계적 물성이 증가 하는 경향을 보였다.

    • 4) PU Matrix의 Formulation 5번과 MDI C를 사용 한 결과 기계적 강도가 우수하였고 합성수지 침목의 물성을 개선하기 위하여 여러 가지 사 용한 Filler들 중에서 Basalt Reinforced mesh, 천연섬유, Acryl를 투입한 시편들이 합성 침목 규격인 ISO 12856-1을 만족시켰다.

    본 실험을 통하여 복합 합성 침목 제품 개발에 기여할 수 있을 것을 기대하며 추가적인 제조 공법 개선 및 소재의 다양화를 통하여 상업화를 위한 지 속적인 연구 개발을 진행을 통하여 복합 합성 침목 제품 개발을 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토 교통부 철도 기술 연구개발사업 (19RTRP-B138007-03) 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Hot Press for Sleeper Specimen
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    Type of Fillers
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    Physical Properties According to Si Powder Type
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    Physical Properties According to PE Powder Type
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    Physical Properties According to PPTA Yarn Type
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    Physical Properties According to PPTA Yarn + Si Powder Hybrid Type
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    Physical Properties According to Basalt Mesh Type
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    Physical Properties According to Natural Fiber Type
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    Physical Properties According to Acryl Type

    Table

    Synthetic Sleeper Specifications
    Mixing Ratio of PU Matrix
    Mechanical Properties of Polyols
    Mixing Ratio of PU Matrix by Index
    Physical Properties According to Si Powder Type
    Physical Properties According to PE Powder Type
    Physical Properties According to PPTA Type
    Physical Properties According to PPTA Yarn + Si Powder Hybrid Type
    Physical Properties According to Basalt Mesh Type
    Physical Properties According to Natural Fiber Type
    Physical Properties According to Acryl Type

    Reference

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