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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 실제 제품 성형시 결정적 영향을 미칠 것으로 생각되는 금형 온도, 성형재료(charge)의 표면적 비, 유리섬유 함유량에 따른 성형품의 기계적 특성 및 치수에 미치는 영향을 연구하였다. 이러한 성형 변수의 영향을 연구하기 위해 압축성형시험을 행하였고, 성형조건에 따른성형품의 치수안정성, 성형품의 기계적 특성 및 결정화도를 측정하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 열가소성 복합재료의 압축성형 동안의 금형 온도 및 성형재료(charge) 크기가 성형품에 미치는 영향을 파악하였다. 다음은 본 연구를 통해 얻은 결론이다.
제안 방법
- 연구하였다. 이러한 성형 변수의 영향을 연구하기 위해 압축성형시험을 행하였고, 성형조건에 따른성형품의 치수안정성, 성형품의 기계적 특성 및 결정화도를 측정하여 분석하였다.
- 복합재료에 대한 압축성형 시험을 위해 유압식 프레스를 사용하였다. 속도와 압력은 리니어 엔코더 (linear encoder)와 서보밸브(servo valve) 및 로드 셀(load cell), 그리고 컴퓨터를 사용하여 제어하였다.
- 사용하였다. 속도와 압력은 리니어 엔코더 (linear encoder)와 서보밸브(servo valve) 및 로드 셀(load cell), 그리고 컴퓨터를 사용하여 제어하였다. 또한 성형재료(charge)의 표면적 비를 다르게 하기 위해 시편의 길이, 폭을 67mm× 67mm, 95mm× 95mm, 135mm× 135mm의 3가지 크기로 제작하였다.
- 1은 압축성형에 사용된 몰드의 모양 및 성형 시편의 모양을 보인다. 금형온도와 성형재료(charge)의 크기는 성형에 큰 영향을 주는 중요한 요소로써 이들에 대한 영향을 연구하기 위해 금형의 온도를 30℃, 70℃, 110℃로 증가시켰고, 각각의 온도에 대해 성형재료(charge)의 크기는 67mm× 67mm, 95mm× 95mm, 135mm× 135mm로 하여 각각 몰드 표면적의 21%, 42%, 86%가 되도록 하였다. 성형동안의 재료표면의 온도는 금형 표면에 열전대를 설치하여 성형동안의 온도를 측정하였고 재료 내부온도는 복합재료 판재를 적층할 때 중앙부위에 열전대를 삽입하여 측정하였다.
- 금형온도와 성형재료(charge)의 크기는 성형에 큰 영향을 주는 중요한 요소로써 이들에 대한 영향을 연구하기 위해 금형의 온도를 30℃, 70℃, 110℃로 증가시켰고, 각각의 온도에 대해 성형재료(charge)의 크기는 67mm× 67mm, 95mm× 95mm, 135mm× 135mm로 하여 각각 몰드 표면적의 21%, 42%, 86%가 되도록 하였다. 성형동안의 재료표면의 온도는 금형 표면에 열전대를 설치하여 성형동안의 온도를 측정하였고 재료 내부온도는 복합재료 판재를 적층할 때 중앙부위에 열전대를 삽입하여 측정하였다. 성 형속도는 일반적으로 압축성형에서 많이 사용되고 있는 20mm/sec의 일정한 속도로 성형하였고, 압력은 200kg/cm2로 일정하게 유지하였다.
- 시료는 유리섬유가 포함된 것을 감안하여 10mg을 기준으로 사용하였다. 금형 온도와 성형재료(charge) 표면적 비의 변화에 따른 복합재료의 결정화도의 차이를 X-선 회절 분석기(X-ray diffractometer, XRD, Rigaku III/A type)를 이용하여 X-선 회절 패턴(X-ray diffraction pattern) 들로부터 얻었다. 결정화도는 전체산란(total scattering)에 대한 결정산란(crystalline scattering)을 적분한 비율로써 구해졌다.
- 성형 변수가 성형품의 치수 안정성에 미치는 영향을 연구하기 위해 압축성형 시 90° 각도를 갖던 성형품의 치수가 성형 후 각이 줄어드는 현상인 스프링수축각(spring-forward angle)을 측정하여 조사하였다. 스프링수축각(spring-forward angle)의 변화는 성형 후 6시간 동안 상온에서 유지한 후 곡면 측정 각도계를 사용하여 각의 변화를 측정하였다.
- 조사하였다. 스프링수축각(spring-forward angle)의 변화는 성형 후 6시간 동안 상온에서 유지한 후 곡면 측정 각도계를 사용하여 각의 변화를 측정하였다. 섬유함유량이 변화할 때와 금형 온도가 30℃, 70℃, 110℃로 변할 때, 성형재료(charge) 표면적 비가 21%, 42%, 86%로 변할 때 각도 변화를 관찰하였다.
- 스프링수축각(spring-forward angle)의 변화는 성형 후 6시간 동안 상온에서 유지한 후 곡면 측정 각도계를 사용하여 각의 변화를 측정하였다. 섬유함유량이 변화할 때와 금형 온도가 30℃, 70℃, 110℃로 변할 때, 성형재료(charge) 표면적 비가 21%, 42%, 86%로 변할 때 각도 변화를 관찰하였다.
- 성형 조건의 변화에 따른 내부의 결정화도와 성형동안의 유리섬유와 수지의 이동이 성형품의 기계적 성질에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위하여 성형품의 여러 부위에서 인장시편을 채취하여 인장시험을 행하였다. 인장시험은 ASTM D3039에 따라 UTM(Universal Testing Machine)을 사용해 실시하였다.
- 사용되어진 시편은 직사각형 형태로, 크기는 120mm× 25mm이다. 복합재료 특성상 재료 자체가 가지는 불균일성으로 인해 각 시편마다 오차가 발생할 수 있으므로 각 조건마다 5번의 반복 실험을 통하여 인장 강도와 탄성계수를 측정하였다.
- 성형조건에 따른 치수안정성을 파악하기 위해 스프링수축각(spring-forward angle)을 측정하였으며, Fig. 9에서는 유리섬유가 20%, 30%, 40%로 증가했을 때 측정된 스프링수축각(spring-forward angle)을 나타낸다. 유리섬유 함량이 증가함에 따라 스프링수축각(spring-forward angle)이 감소하는 것을 볼 수 있다.
- 성형시 성형조건에 따른 재료 내부의 결정화도의 차이를 확인하기 위해 열분석기(Differential Scanning Calorimeter, DSC)를 이용 분석 실험을 행하였다. 분석 장비는 TA instrument사의 모델 2010을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 복합재료는 유리섬유를 중량비로 20%, 30%, 40%를 함유하고 있는 (주)한화종합화학에서 생산하는 폴리프로필렌(polypropylene) 복합재료 판재 GMT RD20, RD30, RD40을 사용하였다. 이 판재에는 평균 길이가 약 50mm인 유리섬유가 임의의 방향으로 배열되어 있다.
- 이 판재에는 평균 길이가 약 50mm인 유리섬유가 임의의 방향으로 배열되어 있다. 사용된 폴리프로필렌의 유리전이 온도(glass transition temperature)는 -10℃, 용융온도(melting temperature)는 165℃이며, 사용된 유리섬유는 E-glass이다. 또한 사용된 복합재료 판재의 두께는 3.
- 속도와 압력은 리니어 엔코더 (linear encoder)와 서보밸브(servo valve) 및 로드 셀(load cell), 그리고 컴퓨터를 사용하여 제어하였다. 또한 성형재료(charge)의 표면적 비를 다르게 하기 위해 시편의 길이, 폭을 67mm× 67mm, 95mm× 95mm, 135mm× 135mm의 3가지 크기로 제작하였다. 그리고, 재료를 압축 성형하기 전에 220℃의 oven안에서 10분 동안 유지시켜 완전 용융시켰다.
- 시료의 승온 속도는 10 ℃/min 로 30℃에서 200℃까지 질소를 주입시키며 가열하였다. 시료는 유리섬유가 포함된 것을 감안하여 10mg을 기준으로 사용하였다. 금형 온도와 성형재료(charge) 표면적 비의 변화에 따른 복합재료의 결정화도의 차이를 X-선 회절 분석기(X-ray diffractometer, XRD, Rigaku III/A type)를 이용하여 X-선 회절 패턴(X-ray diffraction pattern) 들로부터 얻었다.
- 인장시험은 ASTM D3039에 따라 UTM(Universal Testing Machine)을 사용해 실시하였다. 사용되어진 시편은 직사각형 형태로, 크기는 120mm× 25mm이다. 복합재료 특성상 재료 자체가 가지는 불균일성으로 인해 각 시편마다 오차가 발생할 수 있으므로 각 조건마다 5번의 반복 실험을 통하여 인장 강도와 탄성계수를 측정하였다.
이론/모형
- 분석 장비는 TA instrument사의 모델 2010을 사용하였다. 시료의 승온 속도는 10 ℃/min 로 30℃에서 200℃까지 질소를 주입시키며 가열하였다.
- 인장시험을 행하였다. 인장시험은 ASTM D3039에 따라 UTM(Universal Testing Machine)을 사용해 실시하였다. 사용되어진 시편은 직사각형 형태로, 크기는 120mm× 25mm이다.
성능/효과
- 6은 동일조건에서 반복 실험한 3개 시편(A, B, C)의 결과를 보이며, 유리섬유 40%가 함유된 복합재료를 70℃에서 성형한 시편을 30℃에서 200℃까지 3℃/min으로 온도를 상승시키며 측정한 그래프이다. DSC 분석을 행하였을 때 판재 내부에서 측정한 흡열량(흡열곡선과 밑면 사이의 면적)과 피크점의 절대값이 판재 표면에서 측정한 것에 비해 모두 높게 나타났다. 이는 외부보다 내부에서 130℃ 이상의 유지 시간이 길어 결정이 많이 생성되었음을 나타낸다.
- 7은 유리섬유의 함유량이 20%인 재료를 금형 온도가 30℃, 70℃, 110℃일 때 반복 실험한 3개의 시편(A, B, C)에서 얻어진 XRD 패턴이다. 3개 시편의 반복실험 결과 그래프가 거의 일치하는 것을 보이며, 금형 온도가 30℃, 70℃, 110℃ 로 증가할수록 피크의 강도(intensity)도 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 30℃와 70℃와는 달리에서는 a구조 외에 6구조의 결정형태도 관찰되어졌다.
- 성형재료(charge)의 표면적비가 증가할수록 성형 시 재료의 적은 유동으로 인해 발생되는 재료 내부의 섬유와 수지사이의 충전(packing)이 나빠지고, 재료 내부에서의 결정화를 일으킬 수 있는 결정화 시간이 줄어들어 결정화도가 떨어짐에 따라서 재료의 탄성계수가 감소하는 것으로 사려된다. 또한 유리섬유의 함량이 20%, 30%, 40%로 증가할 때 탄성계수는 증가함을 보이며, 각 금형 온도별로 위의 거동은 거의 유사하였다.
- (2) 동일 부피를 가지는 성형품의 경우 성형재료(charge)의 크기가 증가할수록 재료 내부의 온도가 비교적 빠르게 냉각되어 결정화도가 감소함을 보이며, 이로 인해 성형품의 탄성계수는 감소한다.
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