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문제 정의
- 4) 성형 압력을 증가시킨 결과, 보다 우수한 굽힘 강도(>65MPa)를 얻을 수 있었으며, 향후 성형 압력 증가 및 수지 비율 변화를 통해 소재의 물성을 향상시키고자 한다.
- 본 연구에서는 전도성 충진재로써 팽창흑연과 탄소섬유가 혼합 보강된 전도성 고분자 복합재료를 제조하고, 충진재의 조성 변화에 따른 전기적, 기계적 특성을 연구하였다. 이를 통해 얻어지는 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 1) 2단계 성형 공정을 이용하여 팽창흑연/탄소섬유 혼합 보강 전도성 고분자 복합재료를 제조하였으며, 충진재의 조성에 대한 물성 최적화를 통해 전기 전도도(>250 Scm-1) 와 굽힘 강도(>55MPa)가 우수한 전도성 복합재료를 개발하였다.
- 필요하다고 알려져 있다[12]. 따라서 이전 실험에서 얻은 최적화된 혼합 비율(팽창흑연/탄소섬유/페놀수지 36:24:40wt.%) 에 대하여 다른 성형 조건들은 모두 이전 실험과 동일하게 하고 주성형 압력을 3.5~20.7MPa로 변화시키면서 실험을 하였다. Fig.
- 본 연구에서의 실험 변수는 탄소섬유의 중량 비율이다. 사용 소재의 전체 질량은 21g로, 그 중에서 페놀수지의 비율은 40wt.
- 5mm3의 규격을 가지고, 전기 전도도를 측정한 시편을 동일하게 사용하였다. 실험을 통하여 얻은 변위와 하중 그래프에서 파괴 시 최대 하중(P)과 초기 기울기(M)을 계산하고, 아래의 식으로 굽힘 강도(FS)와 굽힘 탄성계수(FM)를 구한다. 이때 w는 시편의 폭이다.
- 모든 데이터는 측정값 세 개의 평균값으로 나타내었다. 이론 밀도는 구성 소재들의 밀도에 중량 비율을 곱한 값을 선형적으로 합하여 계산하였다. 탄소섬유와 페놀분말의 이론밀도는 압축 하중을 받아도 본래의 값이 변하지 않기 때문에 제조사에서 제공된 자료를 그대로 사용하였다.
- 이를 바탕으로 본 연구에서는 팽창흑연/탄소섬유 혼합 보강복합재료를 2단계 성형 공정으로 제조하였으며, 탄소섬유의 혼합 비율에 따른 제조 상태 및 전기적 기계적 특성 변화를 연구하였다. 이를 통하여 전도성 고분자 복합재료 내 탄소섬유의 치밀화 거동을 관찰하였으며, 전기적 기계적 물성이 최적화된 혼합 비율을 도출하였다.
- 이를 통하여 전도성 고분자 복합재료 내 탄소섬유의 치밀화 거동을 관찰하였으며, 전기적 기계적 물성이 최적화된 혼합 비율을 도출하였다.
- 탄소섬유의 첨가 비율에 따른 복합재료의 제조 상태를 알아보기 위하여 주사 전자 현미경(SEM)으로 미세 구조를 관찰하였다.
- 탄소섬유의 첨가에 따른 복합재료의 치밀화 정도는 상대 밀도를 계산하여 분석하였다. 상대밀도는 시편의 측정밀도를 이론 밀도로 나눈 무차원 값으로 나타내어지며, 측정밀도는 아르키메데스 원리(ASTM D792-00)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 복합재료의 전도성 충진재로는 팽창흑연(Hyundai-kish, Korea) 과 직경 14㎛, 길이 200㎛인 탄소섬유(M-102S, Kreca, Japan)를 사용하였다. 충진재의 기본 물성과 형상은 Table 1과 Fig.
- 본 연구는 산업자원부의 수소 . 연료전지사업단 지원을 받아 수행되었습니다.
- 본 연구에서는 복합재료의 기지재로써 25ym 페놀 수지 분말 (Kolon Chemical, Korea)을 사용하였다. 페놀 수지는 열경화성 고분자로써 경제성이 뛰어나고 낮은 수축률, 높은 내부식성과 기계적 강도를 갖기 때문에 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있는 수지이다.
- 본 연구에서는 예비성형과 주성형으로 이루어진 2단계 성형공정으로 복합재료를 제조하였다. 예비성형은 페놀수지가 약간 경화된 상태의 예비성형체를 저압에서 제조하는 단계이며, 주성형은 예비성형체를 고온, 고압에서 성형하여 분리판을 제조하는 단계이다[15].
- 하중점과 지지대는 직경 10mm의 원통 형태이며, 지지대 사이의 간격 (L, span length)과 시편두께(1)의 비(L/t)는 16 이다. 시편은 80xl2.7x2.5mm3의 규격을 가지고, 전기 전도도를 측정한 시편을 동일하게 사용하였다. 실험을 통하여 얻은 변위와 하중 그래프에서 파괴 시 최대 하중(P)과 초기 기울기(M)을 계산하고, 아래의 식으로 굽힘 강도(FS)와 굽힘 탄성계수(FM)를 구한다.
- 저항의 측정은 Multimeter 34401 A(Agilent)를 이용하였으며, 시편의 규격은 80xl2.7x2.5mm3이다.
- 이론 밀도는 구성 소재들의 밀도에 중량 비율을 곱한 값을 선형적으로 합하여 계산하였다. 탄소섬유와 페놀분말의 이론밀도는 압축 하중을 받아도 본래의 값이 변하지 않기 때문에 제조사에서 제공된 자료를 그대로 사용하였다. 하지만 팽창흑연은 입자 자체에 공극이 많기 때문에 외부 압력을 받으면 자체의 밀도가 변하게 된다.
이론/모형
- 굽힘 강도와 굽힘 탄성계수는 UTM(Shimadzu, 5ton)을 이용한 3점 굽힘 실험 (ASTM D-790)으로 계산하였다. 하중점과 지지대는 직경 10mm의 원통 형태이며, 지지대 사이의 간격 (L, span length)과 시편두께(1)의 비(L/t)는 16 이다.
- 계산하여 분석하였다. 상대밀도는 시편의 측정밀도를 이론 밀도로 나눈 무차원 값으로 나타내어지며, 측정밀도는 아르키메데스 원리(ASTM D792-00)를 이용하여 측정하였다. 모든 데이터는 측정값 세 개의 평균값으로 나타내었다.
성능/효과
- 2) 굽힘 강도는 탄소섬유의 비율이 높아질수록 증가하다가, 24wt.% 이후에는 감소하였다.
- 3) 전기 전도도는 탄소섬유의 비율이 높아질수록 감소하였다. 이는 전도성 네트워킹을 이루는 팽창흑연의 절대량이 감소하고, 탄소섬유에 의해 입자간 전도성 네트워킹이 저하되었기 때문으로 판단된다.
- 이는 팽창흑연이 압축을 받으면 입자내 공극과 입자간 공극이 모두 감소하기 때문이다. 따라서 주성형 압력인 lOMPa에서 소재 내부와 외부 공극의 감소 정도를 고려한 실험을 통하여 팽창흑연의 이론 밀도 값을 계산하였고, 그 결과 lOMPa로 압축한 상태에서 팽창흑연의 밀도는 1.822gcm-3이었다[16, 19].
후속연구
- 7MPa의 성형 압력에서 65MPa 이 상의값에 도달하는 것을 볼 수 있는데, 이는 섬유가 첨가된 복합재료의 경우 주성형 압력을 더욱 증가시킴으로써 보다 우수한 굽힘 강도를 얻을 수 있음을 의미한다. 따라서 추후 압력의 증가에 따른 복합재료의 기계적 물성을 추가로 연구하여 보다 향상된 물성을 갖는 복합재료를 제조할 수 있을 것이라고 기대한다.
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