[논문]단섬유강화 복합재료에서 사출측/금형측 노즐 크기 변화에 따른 섬유손상 및 기계적 성질

이인섭; 이동주

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.4.564

단섬유강화 복합재료에서 사출측/금형측 노즐 크기 변화에 따른 섬유손상 및 기계적 성질
The Fiber Damage and Mechanical Properties of Short-fiber Reinforced Composite Depending on Nozzle Size Variations in Injection/Mold Sides 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.25 no.4 = no.187, 2001년, pp.564 - 573

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The mechanical properties of short carbon/glass fiber reinforced polypropylene are experimentally measured as functions of fiber content and nozzle diameter. Also, these properties are compared with the survival rate of reinforced fibers and fiber volume fraction using image analysis after pyrolytic decomposition. The survival rate of fiber aspect ratio as well as fiber volume fraction is influenced by injection processing condition, the used materials and mold conditions such as diameter of nozzle, etc. In this study, the survival rate of fiber aspect ratio is investigated by nozzle size variations in injection/mold sides. It is found that the survival rate of glass fiber is higher that the survival rate of glass fiber is higher than that of carbon fiber. Both tensile modulus and strength of short-fiber reinforced polypropylene are improved s the fiber volume fraction and nozzle diameter are increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그래서 본 연구에서 기지재는 폴리프로필렌, 강화재는 단섬유 형태인 탄소섬유와 유리섬유를 사용하여 실험하였으며 이때, 사출측/금형측 노즐의 크기 변화에 따른 섬유손상의 정도를 실험한 후, 사출성형시 단섬유강화 복합재료의 기계적 성질에 어떠한 영향을 주는지에 대해서 비교 검토하였다.
사출성형에 의한 단섬유강화 복합재료에서, 사출측/금형측 노즐의 크기 변화가 섬유생존율에 미치는 영향과, 이러한 섬유생존율이 기계적 성질에 어떠한 영향을 주는지에 대한 연구를 수행하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

임계섬유길이 (L_c)는 식 (5)와 같이 섬유의 최대 인장강도와 직경 그리고 섬유의 최대변형율에서의 기지재의 강도를 계면전단강도 τ로 가정하여 구하였고, 카본과 유리섬유 모두 평균섬유길이가 임계섬유길이보다 작다. 임계섬유길이가 일정할 때, 평균섬유길이가 증가할수록 섬유의 길이효과 (λ₂)가 커지게 되고, 인장강도 (σ_c)는 증가하게 된다.
임계섬유길이는 강화된 탄소섬유와 유리섬유의 최대변형율 1.5%와 4.0%에서 기지재인 폴리프로필렌의 인장강도를 계면강도로 가정하고 구한값 1.32mm와 1.19mm를 기준으로 하였다.

제안 방법

그리고 대부분의 섬유들이 기지속에 묻혀 있어 제품 표면상에서는 손상된 실제의 섬유길이를 측정하기가 매우 곤란하다. 따라서 성형후의 손상된 섬유길이를 측정하기 위해 연소를 실시하였고, 이때 잔존하는 섬유들을 Image Pro 3.0을 이용하여 섬유길이의 손상정도를 측정하였다.
001g의 저울을 이용하였다. 먼저 기지재인 폴리프로필렌과 강화재인 탄소(유리) 섬유를 같은 형태의 용기 2개를 이용하여 각각의 무게비로서 측정하여 담고, 이 두재료를 또다른 용기에서 임의로 혼합한 뒤, 호퍼속에 투입하였다. 일반적으로 기지재와 강화재의 비중이 서로달라서 배합에 어려움이 있기 때문에, 성형전 압출기등을 이용한 배합작업이 먼저 이루어진다.
본 연구에서는 최대한 초기 섬유길이를 일정하게 유지하기 위해서 성형전 별도의 혼합방식은 채택되지 않았고, 이론식에 사용된 섬유의 길이는 각 섬유함유량에서 측정된 전체 평균 섬유길이값을 사용하였다.
사출측/금형측 노즐크기를 변화시키는데 대한, 실제 섬유손상길이와 섬유체적비를 구하기 위해 각 조건의 시편으로부터 연소실험을 하였다. 연소실험은 전기로에서 카본섬유와 유리섬유가 손상을 입지 않는 온도범위인 약 400℃에서 90분 동안 실시되었다.
양노즐의 크기가 3/3, 6/6, 9/9(mm)로 동일하게 증가하는 노즐크기 변화에 대한 각각의 섬유체적비를, 연소후 카본섬유와 유리섬유가 공통적인 범위에 속하는 3%, 5%, 7%로 결정하였다. 사용된 강화재의 섬유직경은 카본섬유가 6.

대상 데이터

여기서 구한 평균섬유길이는 이론적 인 물성값을 구하는데 이용되었다. 물성치는 실험에서 가장 유사한 값을 보인 시편5개의 값을 평균하여 나타내었고, 각 조건에 대해서 10개 이상의 시편이 사용되었다.
본 연구에서 사용된 기지재는 (주)선경의 폴리프로필렌이고, 강화재는 길이 3mm의 촙트스트랜드인 (주)한국화이버의 카본섬유(TZ-507)와 유리섬유(E-Glass)를 사용하였다. "
본 연구에서 사용된 사출기 최대압력은 13.7MPa 이고, 인장실험에 사용된 장비는 Shimadzu AG 5000을 사용하였다. 각각의 조건에 대해 제작된 시편의 인장실험은 실온상태(23 ±2℃)에서 이루어졌으며, 실험의 속도는 5mm/min로 하였다.
사용된 강화재의 섬유직경은 카본섬유가 6.8μm이고 유리섬유가 13.7μm이다.

이론/모형

본 연구에서 실험적 종탄성계수는 응력-변형율 곡선에서 초기 직선 부분에 해당하는 탄성한도 내에서 Hook의 법칙을 이용하여 구하였다.
본 연구에서 이론적 종탄성계수는 실험에서 직접 측정된 평균섬유종횡비를 Halpin-Tsai의 실험식에 대입하여 구하였다. Halpin-Tsai의 실험식은 초기 섬유종횡비를 고려하지만, 성형후 평균섬유종횡비를 고려했을때가 실험치에 가까웠기 때문이다.
시험편을 만들기위해서 재료의 성형수축률(1.2~2.0%)을 고려하여 금형을 제작하였고, 시편의 형태는 ASTM D638⁽¹⁷⁾에 따라 Fig. 1과 같았다.

성능/효과

(1) 강화된 카본섬유와 유리섬유의 경우 모두, 노즐의 크기가 증가할수록 섬유생존율이 높았고 노즐 크기 변화에 대해서 뚜렷한 영향을 보였다. 노즐의 크기가 작을수록 섬유생존율이 낮았던 것은 사출성형시 강화된 섬유가 노즐을 통과할 때, 사출속도에 따른 전단력의 영향을 받았기 때문이다.
(2) 강화섬유의 생존율은 유리섬유에 비해서 카본섬유가 전체적으로 약 7% 정도 낮게 나타났고, 그것은 카본섬유가 보다 취성적이기 때문에 노즐크기에 큰 영향을 받으며, 노즐직경이 작은 경우에는 쉽게 손상됨을 알 수 있었다.
(3) 단섬유강화 복합재료의 기계적 성질은 노즐의 크기와 섬유체적비가 증가할수록 향상되었다. 노즐크기와 섬유체적비가 가장 클때를 작을 때와 비교해보면, 인장강도와 탄성비가 최대 탄소섬유 40.
(4) 단섬유강화 복합재료의 사출성형시 성형품의 품질에 영향을 주지 않는한, 노즐의 크기를 단섬유 길이보다 크게 할 필요성이 있고, 배합작업시에도 주의를 기울여야한다.
Fig. 5는 (a)카본섬유와 (b)유리섬유 각각의 경우로 사줄즉/금형즉 노즐의 크기가 증가할 때, 섬유체적비에 따른 인장강도 값을 이론치와 실험치로 나타내었다. 일반적으로 노즐의 크기와 섬유체적비가 증가할수록 인장강도의 값이 향상되 었다.
Fig. 7에서는 (a)카본섬유와 (b)유리섬유의 경우로 사출측/금형측 노즐의 크기가 증가할 때, 섬유체적비에 따른 탄성비를 이론치와 실험치로 나타내었다. 양측 노즐의 크기와 섬유체적비가 증가할수록 탄성비가 향상되었다.
대한 섬유체적비의 결과를 Table 3에 나타내었다. 노즐크기 변화에 대해서 초기 성형 전 섬유함유율이 성형후 섬유함유율과 일정하지 않음을 알 수 있었다. 이는 기지재인 폴리프로필렌과 강화재로 사용된 각각의 섬유의 비중이 달라 배합이 잘 이루어지지 않은 원인이기도 하다.
향상되었다. 노즐크기와 섬유체적비가 가장 클때를 작을 때와 비교해보면, 인장강도와 탄성비가 최대 탄소섬유 40.3% 87.8%, 유리섬유 68.4% 84.4% 각각 증가하였다. 이는 단섬유의 종횡비가 기계적 성질에 영향을 주는 중요한 인자임을 증명한다.
본 연구에서 실험적인 인장강도 값이, 섬유체적비가 5% 미만일 때 유리섬유가 카본섬유에 비해서 약간 높은 값을 보였다. 물론 섬유체적비가 낮았고, 섬유종횡비가 같지는 않았지만, 카본섬유가 유리섬유보다 물성면에서 우수하다는 것을 고려했을 때, 유리섬유가 카본섬유 보다 우수한 물성값을 보인 것은, 유리섬유의 섬유생존율이 높았고, 카본섬유에 비해서 유리섬유가 배향과 분산이 더 잘이루어졌기 때문으로 보인다.
7에서는 (a)카본섬유와 (b)유리섬유의 경우로 사출측/금형측 노즐의 크기가 증가할 때, 섬유체적비에 따른 탄성비를 이론치와 실험치로 나타내었다. 양측 노즐의 크기와 섬유체적비가 증가할수록 탄성비가 향상되었다.
유리섬유의 경우는 초기 섬유길이에 비해서 노즐이 클경우에 평균섬유종횡비가 유사하여 이론적인 물성값은 비슷한 경향을 보였으나, 실험적인 물성값은 노즐크기와 섬유체적비가 증가할수록 향상되었다.
이러한 현상은 사출시 보강된 섬유들이 노즐을 통과할 때, 노즐크기와 사출속도에 따른 영향을 받은 전단저항력의 차이이며, 노즐크기가 같거나 작을 때에 더욱 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 즉, 섬유생존율은 노즐크기 변화에 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있었다. 따라서 단섬유강화 복합재료를 사출성형으로 제작할 때에는, 성형품의 품질에 영향을 주지 않는 한 사출측/금형측 노즐을 주어진 조건에 맞게 조정할 필요성이 있다.
6은 사출측/금형측 노즐크기와 섬유체적비의 증가에 따른 생존한 섬유 각각의 섬유종횡비로 (a)카본섬유와 (b)유리섬유에 대한 인장강도값을 나타내었다. 카본섬유와 유리섬유 모두, 노즐의 크기와 섬유체적비가 증가할수록 향상된 강도 값을 나타내었다. 이것은 노즐의 크기가 증가할수록, 사출될 때 전단저항을 작게 받았기 때문에 섬유생존율이 높아진 결과이다.
따라서 섬유종횡비가 클수록 탄성비가 높아진다. 카본섬유와 유리섬유모두, 노즐의 크기와 섬유체적비가 증가할수록 향상된 탄성비를 나타내었다. 이것은 노즐이 클수록 초기 설정압력이 떨어졌고, 그에 따르는 전단저항력이 감소하여 실제의 섬유생존율이 높았기 때문이다.
따라서 단섬유강화 복합재료를 사출성형으로 제작할 때에는, 성형품의 품질에 영향을 주지 않는 한 사출측/금형측 노즐을 주어진 조건에 맞게 조정할 필요성이 있다. 카본섬유와 유리섬유의 손상정도는, 카본섬유가 유리섬유에 비해서 섬유손상이 많이 발생되었음을 알 수 있었다. 이는 카본섬유가 유리섬유보다 강성이며, 취성적인 성질을 가지기 때문에 쉽게 파손을 일으킨 결과이다.

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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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