섬유강화복합재료의 계면특성, 젖음성 특성 및 기능적 특성 평가: 섬유배열; 코팅에 따른 난연특성; 섬유의 사이징제; 표면거칠기에 따른 결로특성; 3차원 전기저항 맵핑을 이용한 손상감지 Evaluation of Interfacial, Wetting and Multi-Functional Properties of Composites : Fiber mat array; Flammable retardant coating; Fiber sizing effect; Defrost surface by roughness; Damage sensing by 3-D ER mapping원문보기
최근 다양한 산업분야에서 고분자섬유강화복합재료의 수요가 점진적으로 증가하고 있으며, 용도에 따라서 첨가제, 표면처리 등을 통한 난연, 내열성, 결로지연 등의 기능적 특성 연구가 필수적이다. 첨가제 및 표면처리가 복합재료의 기지재나 강화재에 적용됨에 따라 기지재와 강화재 간의 계면특성이 달라지게 되며, 복합재료의 물성과 기지재와 강화재 간의 젖음성 특성이 개선 될 수 있다. 본 연구에서는 섬유배열과 ...
최근 다양한 산업분야에서 고분자섬유강화복합재료의 수요가 점진적으로 증가하고 있으며, 용도에 따라서 첨가제, 표면처리 등을 통한 난연, 내열성, 결로지연 등의 기능적 특성 연구가 필수적이다. 첨가제 및 표면처리가 복합재료의 기지재나 강화재에 적용됨에 따라 기지재와 강화재 간의 계면특성이 달라지게 되며, 복합재료의 물성과 기지재와 강화재 간의 젖음성 특성이 개선 될 수 있다. 본 연구에서는 섬유배열과 나노입자 코팅정도, 수지의 점도에 따른 함침 및 계면특성을 비교하였고, 다양한 기능성 복합재료의 최적제작 조건모색 및 복합재료 손상감지에 대하여 연구하였다. 첫째, 섬유매트의 배열에 따른 최적의 성형 조건을 선정하기 위하여 일방향, 이방향, 무작위로 짜인 세 가지 섬유 매트를 사용하였다. 섬유의 짜임에 따른 손상정도를 알아보기 위하여 단섬유 인장실험을 진행하였고, 그에 따른 계면강도의 영향을 평가하기 위하여 숏빔 전단실험을 진행하였다. 수지의 젖음성 특성을 평가하기 위하여 실시간 정적접촉각 변화 및 퍼미어빌리티 측정을 이용하였다. 이를 통하여 섬유매트의 짜임에 따른 계면특성 및 수지의 젖음성 특성에 차이가 있음을 볼 수 있었다. 둘째, 유리섬유매트에 각기 다른 농도의 인산암모늄 수용액을 코팅함으로써 표면처리를 진행하였다. 이에 따른 난연특성 및 계면특성을 평가하였고 이를 통하여 최적의 인산암모늄 수용액의 농도를 선정하였다. 인산암모늄 수용액의 농도에 따른 섬유물성의 변화를 평가하기 위하여 단섬유 인장실험을 진행하였고, 유리섬유강화복합재료를 이용한 난연실험을 통하여 난연특성을 평가하였다. 유리섬유의 인산암모늄 코팅 정도에 따른 계면특성은 마이크로드롭렛 인발실험을 통하여 평가하였고, 유리섬유 매트의 코팅 정도에 따른 젖음성 특성을 알아보기 위하여 수지와의 정적접촉각 변화를 실시간으로 관찰·비교 하였다. 셋째, 서로 다른 관능기를 섬유표면에 도입함에 따른 섬유와 수지간 계면물성 평가를 진행하였다. 관능기의 차이는 FT-IR를 통하여 분석하였고, 마이크로드롭렛 인발실험과 프레그멘테이션 실험을 통해 계면물성을 평가하였다. 복합재료의 물성은 인장, 굴곡 및 충격실험을 통하여 분석하였다. 추가적으로 수지로 사용된 폴리디사이클로펜타디엔의 저온에서 물성을 알아보기 위하여 그에 따른 물성 또한 추가적으로 실험을 진행하였다. 넷째, 복합재료 표면의 거칠기에 따른 결로특성을 알아보기 위하여 여러가지 입자크기를 가진 사포를 이용하여 복합재료의 표면에 인위적으로 각기 다른 거칠기를 도입하였다. 거칠기에 따른 복합재료 표면의 소수성 정도를 증류수를 이용한 정적접촉각을 통하여 알아보았고, 복합재료 표면에서의 결로발생을 실시간으로 관찰하였다. 이를 통하여 결로를 방지하는 데 최적의 거칠기를 선정하였다. 다섯째, 수지의 점도 및 기초적 물성에 따른 복합재료의 계면특성에 대해 3차원전기저항맵핑을 통하여 평가를 진행하였다. 각기 다른 수지를 이용해 제작한 탄소섬유강화복합재료에 드릴을 이용하여 홀 공정 작업을 진행하였고 복합재료의 손상 정도를 전기저항을 통하여 평가하였다. 이를 3차원 전기저항 맵핑을 통하여 보다 시각적으로 손상 정도를 평가하였다. 수지로는 범용적인 에폭시 수지와 불포화폴리에스테르 수지를 이용하였고, 마이크로드롭렛 인발실험과 숏빔 전단실험을 통하여 수지와 탄소섬유간의 계면을 평가하였다. 계면 평가 결과와 3차원 전기저항 맵핑 결과를 비교 및 대조하였을 때, 에폭시를 이용한 탄소섬유 복합재료의 계면이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
최근 다양한 산업분야에서 고분자섬유강화복합재료의 수요가 점진적으로 증가하고 있으며, 용도에 따라서 첨가제, 표면처리 등을 통한 난연, 내열성, 결로지연 등의 기능적 특성 연구가 필수적이다. 첨가제 및 표면처리가 복합재료의 기지재나 강화재에 적용됨에 따라 기지재와 강화재 간의 계면특성이 달라지게 되며, 복합재료의 물성과 기지재와 강화재 간의 젖음성 특성이 개선 될 수 있다. 본 연구에서는 섬유배열과 나노입자 코팅정도, 수지의 점도에 따른 함침 및 계면특성을 비교하였고, 다양한 기능성 복합재료의 최적제작 조건모색 및 복합재료 손상감지에 대하여 연구하였다. 첫째, 섬유매트의 배열에 따른 최적의 성형 조건을 선정하기 위하여 일방향, 이방향, 무작위로 짜인 세 가지 섬유 매트를 사용하였다. 섬유의 짜임에 따른 손상정도를 알아보기 위하여 단섬유 인장실험을 진행하였고, 그에 따른 계면강도의 영향을 평가하기 위하여 숏빔 전단실험을 진행하였다. 수지의 젖음성 특성을 평가하기 위하여 실시간 정적접촉각 변화 및 퍼미어빌리티 측정을 이용하였다. 이를 통하여 섬유매트의 짜임에 따른 계면특성 및 수지의 젖음성 특성에 차이가 있음을 볼 수 있었다. 둘째, 유리섬유매트에 각기 다른 농도의 인산암모늄 수용액을 코팅함으로써 표면처리를 진행하였다. 이에 따른 난연특성 및 계면특성을 평가하였고 이를 통하여 최적의 인산암모늄 수용액의 농도를 선정하였다. 인산암모늄 수용액의 농도에 따른 섬유물성의 변화를 평가하기 위하여 단섬유 인장실험을 진행하였고, 유리섬유강화복합재료를 이용한 난연실험을 통하여 난연특성을 평가하였다. 유리섬유의 인산암모늄 코팅 정도에 따른 계면특성은 마이크로드롭렛 인발실험을 통하여 평가하였고, 유리섬유 매트의 코팅 정도에 따른 젖음성 특성을 알아보기 위하여 수지와의 정적접촉각 변화를 실시간으로 관찰·비교 하였다. 셋째, 서로 다른 관능기를 섬유표면에 도입함에 따른 섬유와 수지간 계면물성 평가를 진행하였다. 관능기의 차이는 FT-IR를 통하여 분석하였고, 마이크로드롭렛 인발실험과 프레그멘테이션 실험을 통해 계면물성을 평가하였다. 복합재료의 물성은 인장, 굴곡 및 충격실험을 통하여 분석하였다. 추가적으로 수지로 사용된 폴리디사이클로펜타디엔의 저온에서 물성을 알아보기 위하여 그에 따른 물성 또한 추가적으로 실험을 진행하였다. 넷째, 복합재료 표면의 거칠기에 따른 결로특성을 알아보기 위하여 여러가지 입자크기를 가진 사포를 이용하여 복합재료의 표면에 인위적으로 각기 다른 거칠기를 도입하였다. 거칠기에 따른 복합재료 표면의 소수성 정도를 증류수를 이용한 정적접촉각을 통하여 알아보았고, 복합재료 표면에서의 결로발생을 실시간으로 관찰하였다. 이를 통하여 결로를 방지하는 데 최적의 거칠기를 선정하였다. 다섯째, 수지의 점도 및 기초적 물성에 따른 복합재료의 계면특성에 대해 3차원 전기저항 맵핑을 통하여 평가를 진행하였다. 각기 다른 수지를 이용해 제작한 탄소섬유강화복합재료에 드릴을 이용하여 홀 공정 작업을 진행하였고 복합재료의 손상 정도를 전기저항을 통하여 평가하였다. 이를 3차원 전기저항 맵핑을 통하여 보다 시각적으로 손상 정도를 평가하였다. 수지로는 범용적인 에폭시 수지와 불포화폴리에스테르 수지를 이용하였고, 마이크로드롭렛 인발실험과 숏빔 전단실험을 통하여 수지와 탄소섬유간의 계면을 평가하였다. 계면 평가 결과와 3차원 전기저항 맵핑 결과를 비교 및 대조하였을 때, 에폭시를 이용한 탄소섬유 복합재료의 계면이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
Recently, demand for polymer-fiber reinforced composites is gradually increasing in various industrial fields, and essential properties such as flame retardant, heat resistance, and defrost are studied according to use. As additives and surface treatment are applied to matrix or reinforcement of com...
Recently, demand for polymer-fiber reinforced composites is gradually increasing in various industrial fields, and essential properties such as flame retardant, heat resistance, and defrost are studied according to use. As additives and surface treatment are applied to matrix or reinforcement of composite materials, the interface properties of matrix and reinforcement can vary, and mechanical and wetting properties of composite materials can be improved. In this study, wetting and interfacial properties was compared with fiber mat array, coating degree of nanoparticle, and viscosity of resins. And optimum condition of manufacturing of multi-functional composites and detecting of damage were studied with surface roughness, nanoparticle coating. First, optimum manufacturing condition was selected with array of glass fiber (GF) mats. The glass fiber (GF) mats were used unidirectional (UD), bidirectional (BD, 0/90 degree), and randomly-chopped (RC). Single fiber tensile test was performed to determine defect degree by fiber weave. Short beam shear test was performed to determine interfacial properties. Static contact angle variation and permeability measurement were performed to determine wetting properties with GF mat array. The interfacial and wetting properties were determined to arrays of GF mats using these all results. Second, optimum manufacturing condition was selected with ammonium dihydrogen phosphate (ADP) solution with the different weight fraction via interfacial, wetting and flame retardant properties. GF mat was coated to ammonium dihydrogen phosphate (ADP) solution with the different weight fraction to dipping and drying method. Single fiber tensile test was performed to determine effect of mechanical properties of GFs with ADP coating solution. Flame retardant test was performed to select optimum ADP coating solution based on UL-94 V test. Microdroplet pull-out test was performed to determine interfacial properties of GF and unsaturated polyester (UP). Static contact angle variation was performed to compare wetting properties with ADP weight fraction of ADP coating solution. Optimum condition of ADP weight fraction of ADP coating solution was determined using these results. Third, two different GFs were used to compare interfacial and wetting properties with p-DCPD. Interfacial properties of two different GFs and p-DCPD were compared using interfacial shear stress (IFSS). IFSS was determined using fragmentation test of dual fiber composite (DFC) and cyclic loading test. Wetting properties were obtained from dynamic and variation of static contact angles. Surface energy and to determine work of adhesion of two different GFs and p-DCPD was calculated using dynamic contact angle. Sizing agent of two different GFs was extracted using acetone extraction method and compared using FT-IR spectra. Mechanical properties of two different GFs and p-DCPD composites were compared using tensile and Izod impact test at room and low temperature. The relationship between interfacial properties and mechanical properties was determined and optimum fiber sizing condition was obtained using these all results. Forth, frost retardant of composites was evaluated with surface roughness using sand paper. Surface of GFRCs was sanded using sanding machine with different grit of sand papers. Load of sanding surface of GFRCs using sanding machine was quantified using load cell. Static contact angle was performed to determine hydrophobicity with surface roughness of GFRCs. Observation of thickness of frost was performed to evaluate frost retardant with GFRCs surface roughness at low temperature. Roughness of GFRCs surface was quantified and observed using atomic force microscope (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Optimum condition of surface roughness was determined to frost retardant using these results. Fifth, CFRC plates were manufactured using two different resins, epoxy and unsaturated polyester (UP), by a vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) process. The permeability, as indicated by the spreading difference via VARTM, was measured for two composites with the same fiber volume fraction but different viscosities. The interfacial properties of the CFRC, manufactured using these different resins, were evaluated utilizing the interlinear shear strength (ILSS) test and contact angle measurements. Three dimensional electrical resistance (3D ER) mapping was used to detect damage caused by the drilling of holes in the CFRC plates. Typically such drilling results in damage such as delamination, for which the location and extent of damage of was determined using 3D ER mapping. It was determined that the carbon fiber/UP composite experienced more damage during drilling than the carbon fiber/epoxy composite.
Recently, demand for polymer-fiber reinforced composites is gradually increasing in various industrial fields, and essential properties such as flame retardant, heat resistance, and defrost are studied according to use. As additives and surface treatment are applied to matrix or reinforcement of composite materials, the interface properties of matrix and reinforcement can vary, and mechanical and wetting properties of composite materials can be improved. In this study, wetting and interfacial properties was compared with fiber mat array, coating degree of nanoparticle, and viscosity of resins. And optimum condition of manufacturing of multi-functional composites and detecting of damage were studied with surface roughness, nanoparticle coating. First, optimum manufacturing condition was selected with array of glass fiber (GF) mats. The glass fiber (GF) mats were used unidirectional (UD), bidirectional (BD, 0/90 degree), and randomly-chopped (RC). Single fiber tensile test was performed to determine defect degree by fiber weave. Short beam shear test was performed to determine interfacial properties. Static contact angle variation and permeability measurement were performed to determine wetting properties with GF mat array. The interfacial and wetting properties were determined to arrays of GF mats using these all results. Second, optimum manufacturing condition was selected with ammonium dihydrogen phosphate (ADP) solution with the different weight fraction via interfacial, wetting and flame retardant properties. GF mat was coated to ammonium dihydrogen phosphate (ADP) solution with the different weight fraction to dipping and drying method. Single fiber tensile test was performed to determine effect of mechanical properties of GFs with ADP coating solution. Flame retardant test was performed to select optimum ADP coating solution based on UL-94 V test. Microdroplet pull-out test was performed to determine interfacial properties of GF and unsaturated polyester (UP). Static contact angle variation was performed to compare wetting properties with ADP weight fraction of ADP coating solution. Optimum condition of ADP weight fraction of ADP coating solution was determined using these results. Third, two different GFs were used to compare interfacial and wetting properties with p-DCPD. Interfacial properties of two different GFs and p-DCPD were compared using interfacial shear stress (IFSS). IFSS was determined using fragmentation test of dual fiber composite (DFC) and cyclic loading test. Wetting properties were obtained from dynamic and variation of static contact angles. Surface energy and to determine work of adhesion of two different GFs and p-DCPD was calculated using dynamic contact angle. Sizing agent of two different GFs was extracted using acetone extraction method and compared using FT-IR spectra. Mechanical properties of two different GFs and p-DCPD composites were compared using tensile and Izod impact test at room and low temperature. The relationship between interfacial properties and mechanical properties was determined and optimum fiber sizing condition was obtained using these all results. Forth, frost retardant of composites was evaluated with surface roughness using sand paper. Surface of GFRCs was sanded using sanding machine with different grit of sand papers. Load of sanding surface of GFRCs using sanding machine was quantified using load cell. Static contact angle was performed to determine hydrophobicity with surface roughness of GFRCs. Observation of thickness of frost was performed to evaluate frost retardant with GFRCs surface roughness at low temperature. Roughness of GFRCs surface was quantified and observed using atomic force microscope (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Optimum condition of surface roughness was determined to frost retardant using these results. Fifth, CFRC plates were manufactured using two different resins, epoxy and unsaturated polyester (UP), by a vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) process. The permeability, as indicated by the spreading difference via VARTM, was measured for two composites with the same fiber volume fraction but different viscosities. The interfacial properties of the CFRC, manufactured using these different resins, were evaluated utilizing the interlinear shear strength (ILSS) test and contact angle measurements. Three dimensional electrical resistance (3D ER) mapping was used to detect damage caused by the drilling of holes in the CFRC plates. Typically such drilling results in damage such as delamination, for which the location and extent of damage of was determined using 3D ER mapping. It was determined that the carbon fiber/UP composite experienced more damage during drilling than the carbon fiber/epoxy composite.
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