Hybrid composites usually are defined as composites having different types of reinforcements such as fibers and particles. The major advantage of hybrid composites is able to control the material properties such as optical, electrical, and mechanical properties. For this reason, hybrid composites ar...
Hybrid composites usually are defined as composites having different types of reinforcements such as fibers and particles. The major advantage of hybrid composites is able to control the material properties such as optical, electrical, and mechanical properties. For this reason, hybrid composites are widely used in automotive, marine, household, and electrical industries. The objective of this work was to investigate processing characteristics in the compression molding of hybrid thermoplastic composites. The mechanical properties of composites manufactured in various forming conditions were monitored. The composites contained randomly oriented long carbon fiber and carbon black in polypropylene(PP) matrix were used. The carbon fiber contents of composites were 5%, 10%, 15%, and 20%, and carbon black contents were 5%, 10%, 15%, 20%, and 25% by weight. Compression molding was conducted at various mold temperatures. Crstallinity was also measured by using X-RD. The tensile modulus of the composites increased with increasing the mold temperature. However, the impact strength of the composites decreased as the mold temperature increased.
Hybrid composites usually are defined as composites having different types of reinforcements such as fibers and particles. The major advantage of hybrid composites is able to control the material properties such as optical, electrical, and mechanical properties. For this reason, hybrid composites are widely used in automotive, marine, household, and electrical industries. The objective of this work was to investigate processing characteristics in the compression molding of hybrid thermoplastic composites. The mechanical properties of composites manufactured in various forming conditions were monitored. The composites contained randomly oriented long carbon fiber and carbon black in polypropylene(PP) matrix were used. The carbon fiber contents of composites were 5%, 10%, 15%, and 20%, and carbon black contents were 5%, 10%, 15%, 20%, and 25% by weight. Compression molding was conducted at various mold temperatures. Crstallinity was also measured by using X-RD. The tensile modulus of the composites increased with increasing the mold temperature. However, the impact strength of the composites decreased as the mold temperature increased.
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문제 정의
(4~10) 이러한 장점에도 불구하고 아직 이러한 재료의 제품 제조에 가장 널리 사용될 수 있는 압축성형의 공정 조건에 대한 연구는 미미한 실정이다.(11~13)본 실험에서는 탄소섬유에 카본블랙 입자가 강화된 열가소성 복합재료의 제품 제조에 가장 적합한 공정기술인 압축성형에서의 여러 성형 조건이 재료의 내부 변화 및 성형품의 물성에 미치는 영향을 관찰하였다. 본 연구에서 실제 제품 성형의 결정적인 영향을 미칠 것으로 여겨지는 금형 온도, 탄소섬유 함유량, 카본블랙 함유량이 물성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
받는다. 그러므로 본 연구에서는 성형 동안의 복합재료 내부에서의 온도변화를 관찰하였다. 내부온도는 복합재료 판재를 적층할 때 중앙부위에 열전대를 삽입하여 측정하였다.
(11~13)본 실험에서는 탄소섬유에 카본블랙 입자가 강화된 열가소성 복합재료의 제품 제조에 가장 적합한 공정기술인 압축성형에서의 여러 성형 조건이 재료의 내부 변화 및 성형품의 물성에 미치는 영향을 관찰하였다. 본 연구에서 실제 제품 성형의 결정적인 영향을 미칠 것으로 여겨지는 금형 온도, 탄소섬유 함유량, 카본블랙 함유량이 물성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
하이브리드(hybrid) 열가소성 복합재료의 압축성형 동안의 금형 온도 및 강화재의 함유량이 성형품에 미치는 영향을 파악하기 위한 본 연구를 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
5%, 10%, 15%, 20%를 카본블랙은 중량비로 5%, 10%, 15%, 20%, 25%를 각각 첨가하여 복합재료를 제조하였다. 수지는 호남석유화학에서 제공한 폴리프로필렌(J-370)의 분말형태의 수지를 사용하였다.
금형 온도는 성형에 큰 영향을 주는 중요한 요소로써 이들에 대한 영향을 연구하기 위해 금형의 온도를 30℃, 70℃, 110℃로 증가시키면서 실험을 행하였다. 성형속도는 2mm/sec로 하였으며, 성형압력은 5QMPa로 하였고, 시간은 600초 동안 동일 압력으로 하였다.
카본블랙은 (주)코리아 카본블랙의 HIBLACK 40B2가 사용되었고 사용된 카본블랙의 직경은 23nm이다. 복합재료 제작 순서는 수지와 카본블랙을 트윈 스크류(twin screw) 컴파운딩(compounding) 기계를 이용하여 컴파운딩하고 면이 고른 금형에 컴파운딩한 카본블랙을 함유한 수지를 분산하여 얇은 층을 만들고 그 위에 바인더(binder)를 제거한 탄소섬유를 적층하였다. 이와 같은 방법으로 각각의 재료를 모두 3층으로 적층한 후 가열, 가압하여 300mm×220mm의 하이브리드(hybrid) 복합재료 판재를 제작하였다.
성형 조건의 변화와 강화재의 함유량이 재료 내부의 결정화도와 성형품의 기계적 성질에 어떤영향을 주는지 알아보기 위하여 각각의 성형품에서 인장시편과 충격시편을 채취하여 인장시험과 충격시험을 행하였다. 각각의 시험즈건에서 5번의 반복시험을 통하여 그 결과를 얻었다.
충격시험은 Zwick회사의 충격시험기를 사용하였다. 성형시 금형 온도와 카본블랙의 함량에 따른 재료 내부의 결정화도의 차이를 확인하기 위해 X-선 회절 분석기 (X-RD, Rigaku D/MAX 2500)로 X-선 회절 패턴들을 얻어 결정화도를 측정하였다. 주사속도는 3°/min이었고, 2θ = 5°~50° 범위에서 측정하였으며, Cu-Ka 선이 사용되었다.
복합재료 제작 순서는 수지와 카본블랙을 트윈 스크류(twin screw) 컴파운딩(compounding) 기계를 이용하여 컴파운딩하고 면이 고른 금형에 컴파운딩한 카본블랙을 함유한 수지를 분산하여 얇은 층을 만들고 그 위에 바인더(binder)를 제거한 탄소섬유를 적층하였다. 이와 같은 방법으로 각각의 재료를 모두 3층으로 적층한 후 가열, 가압하여 300mm×220mm의 하이브리드(hybrid) 복합재료 판재를 제작하였다.
각각의 시험즈건에서 5번의 반복시험을 통하여 그 결과를 얻었다. 인장시편은 150mm×25mm血!인 직사각형 형태로 밀링을 이용하여 기계 가공하였다. 인장시험은 ASTM D3039에 따라 UTM (United Testing Machine)을 사용해 실시하였다.
주사속도는 3°/min이었고, 2θ = 5°~50° 범위에서 측정하였으며, Cu-Ka 선이 사용되었다. 전압과 전류는 각각 40kV, 30mA로 하여 측정하였다.
인장시험은 ASTM D3039에 따라 UTM (United Testing Machine)을 사용해 실시하였다. 충격시편은 63mm×12.5mm인 직사각형 형태로 가공하여, ASTM D4812-93에 제시한 방법중 임의 방향으로 배향된 섬유강화 복합재료에 많이 사용되는 노치(notch)가 없는 시편을 이용하여 Izod 충격시험을 행하였다. 충격시험은 Zwick회사의 충격시험기를 사용하였다.
탄소섬유와 카본블랙의 함량이 변함에 따른 공정변수와의 관계를 연구하기 위하여 각 함량별로 제작된 복합재료를 95mm×170mm의 크기로 잘라 220℃의 오븐 안에서 30분 동안 유지시켜 완전 용융시켰다. 금형 온도는 성형에 큰 영향을 주는 중요한 요소로써 이들에 대한 영향을 연구하기 위해 금형의 온도를 30℃, 70℃, 110℃로 증가시키면서 실험을 행하였다.
카본블랙과 탄소섬유의 함유량이 많아질수록 재료의 열전달 계수가 높아져 복합재료가 빨리 냉각되는 것을 알 수 있다. 폴리프로필렌의 결정화(crystallization)가 멈추는 온도는 130℃ 이기 때문에 복합재료의 결정화도(crystallinity)에 결정적인 역할을 할 것으로 사려되는 130℃ 이상으로 유지되는 시간을 관찰하였다.
대상 데이터
제조하였다. 수지는 호남석유화학에서 제공한 폴리프로필렌(J-370)의 분말형태의 수지를 사용하였다. 탄소섬유는 태광산업(주)의 TZ-507 (12K)가 사용되었고 사용된 탄소섬유의 직경은 6.
872㎛이고 길이는 12mm이다. 카본블랙은 (주)코리아 카본블랙의 HIBLACK 40B2가 사용되었고 사용된 카본블랙의 직경은 23nm이다. 복합재료 제작 순서는 수지와 카본블랙을 트윈 스크류(twin screw) 컴파운딩(compounding) 기계를 이용하여 컴파운딩하고 면이 고른 금형에 컴파운딩한 카본블랙을 함유한 수지를 분산하여 얇은 층을 만들고 그 위에 바인더(binder)를 제거한 탄소섬유를 적층하였다.
수지는 호남석유화학에서 제공한 폴리프로필렌(J-370)의 분말형태의 수지를 사용하였다. 탄소섬유는 태광산업(주)의 TZ-507 (12K)가 사용되었고 사용된 탄소섬유의 직경은 6.872㎛이고 길이는 12mm이다. 카본블랙은 (주)코리아 카본블랙의 HIBLACK 40B2가 사용되었고 사용된 카본블랙의 직경은 23nm이다.
이론/모형
인장시편은 150mm×25mm血!인 직사각형 형태로 밀링을 이용하여 기계 가공하였다. 인장시험은 ASTM D3039에 따라 UTM (United Testing Machine)을 사용해 실시하였다. 충격시편은 63mm×12.
5mm인 직사각형 형태로 가공하여, ASTM D4812-93에 제시한 방법중 임의 방향으로 배향된 섬유강화 복합재료에 많이 사용되는 노치(notch)가 없는 시편을 이용하여 Izod 충격시험을 행하였다. 충격시험은 Zwick회사의 충격시험기를 사용하였다. 성형시 금형 온도와 카본블랙의 함량에 따른 재료 내부의 결정화도의 차이를 확인하기 위해 X-선 회절 분석기 (X-RD, Rigaku D/MAX 2500)로 X-선 회절 패턴들을 얻어 결정화도를 측정하였다.
성능/효과
(1) 압축성형동안의 금형 온도가 증가할수록 재료 내부의 결정화도가 증가하여 재료의 탄성계수와 인장강도는 증가하고, 충격강도는 감소한다.
(2) 탄소섬유와 카본블랙의 함유량이 증가할수록 냉각속도가 빨라지며, 이로 인하여 복합재료 내부의 결정화도는 감소한다.
(3) 카본블랙의 함유량이 증가할수록 복합재료의 탄성계수, 인장강도, 충격강도는 감소함을 보이며, 탄소섬유의 함유량이 증가할수록 복합재료의 탄성 계수, 인 장강도, 충격강도는 증가함을 보인다.
함유량이 5%, 15%, 25%일 때 성형된 시편에서 얻어진 X-RD 패턴이다. 결과로부터 금형 온도가 30t, 70 ℃ , 110℃로 증가할수록 최고점(peak)의 강도(intensity)가 증가하는 것을 알 수 있으며, 카본블랙의 함유량이 증가할수록 최고점(peak)의 강도(intensity)는 감소하는 것을 알 수 있다.
대체적으로 카본블랙의 함유량이 증가함에 따라 카본섬유가 5% 함유된 복합재료를 제외하고는 복합재료의 탄성계수와 인장강도는 감소하고 있다. 반면에 탄소섬유의 함유량이 증가함에 따라 탄성계수와 인장강도는 증가함을 보인다.
6의 (b)는 카본블랙을 15%로 일정하게 하였을 때 각각의 탄소섬유의 함유량과 금형 온도의 변화에 따른 hybrid 복합재료의 충격강도의 변화를 나타낸 것이다. 탄소섬유의 함유량이 증가할수록 충격강도는 증가하며, 금형 온도를 높일수록 충격강도는 감소하고 있음을 보이고 있다. Fig.
5는 카본블랙의 함유량을 15%로 일정하게 하고 탄소섬유의 함유량과 금형 온도의 변화에 따른 하이브리드(hybrid) 복합재료의 탄성계수와 인장강도의 변화를 나타낸 것이다. 탄소섬유의 함유량이 증가할수록, 금형 온도가 높을수록 탄성계수와 인장강도는 증가하고 있음을 보인다. Fig.
후속연구
(4) 강화재의 함유량에 따른 금형 온도를 적절하게 조절함으로써 요구되는 물성치에 적합한 하이브리드(hybrid) 열가소성 복합재료의 최적 공정조건을 선정할 수 있을 것이다.
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