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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 매트릭스로 사용된 페놀수지와, 보강재로 사용된 유리섬유의 함량과 첨가되는 충전재의 종류 및 함량에 따른 GFRP의 열적 기계적 성질에 대해 연구하였다.
제안 방법
- GFRP 시편의 공기 분위기에서의 내열특성을 알기 위해 각각의 시편 3개를 Barnstead사의 전기로에 넣고 200℃, 400℃, 600℃, 800℃, 1000℃에서 1시간 동안 태운 후 중량 변화를 측정하여 평균치를 백분율로 표시하였다.
- GFRP 시편의 열적 안정성을 평가하기 위하여 열중량분석기(TA 5000/SDT 2960 DSCQ10)를 이용하여, N2 100 cc/min의 질소 기류하에서 분당 20℃씩 온도를 상승하며 측정하였다.
- GFRP의 비중변화를 알기 위해 각 조건 당시편 3개를 Mirage사의 ED-120T 전자 비중 측정기로 측정하여 평균을 내었다. 흡수율은 ASTM D570 분석법으로 시험 전 시편의 중량을 측정하고 항온 수조에 물의 온도를 23℃로 유지시킨 후 시편을 물에 담그고 24시간 후에 물기를 완전히 닦은 후 중량의 변화를 측정하여 백분율로 표시하였다.
- 그리고 성형시간을 단축하고 기계적 강도 실험 시 용이하도록 하기 위해 금형 크기는 400×400 mm2, 두께는 3 mm로 설정하여 압축성형법으로 성형하였다.
- 시편의 균일한 분산을 위해서 ball mill을 사용하여 1시간 동안 혼합한 뒤 2차적으로 mixer를 통해 10분간 혼합하였다. 시료의 혼합단계 후 tablet 형태로 1차 성형하여 고주파 예열을 실시하여 내부 성형이 균일하게 되도록 하였다. 그리고 성형시간을 단축하고 기계적 강도 실험 시 용이하도록 하기 위해 금형 크기는 400×400 mm2, 두께는 3 mm로 설정하여 압축성형법으로 성형하였다.
- 우수한 인장강도와 페놀수지와의 친화력을 나타내는 GFRP를 제조하기 위하여 목분과 탄산칼슘의 상호 함량 비를 변화시켜 시편을 성형하였다. 이에 따른 GFRP의 기계적 성질을 Table 7에 나타내었다.
대상 데이터
- 본 실험에서 매트릭스는 국내 강남화성에서 제조된 노볼락(novolac) 형태의 페놀수지(Phenolite 1364)를 사용하였으며 기본 특성을 Table 1에 나타내었다. 보강재로 사용된 유리섬유는 (주)부양소재에서 제조된 milled 유리섬유(080-H)였으며 충전재로는 (주)동호물산의 탄산칼슘(TPT), (주)KG케미칼의 산화알루미늄(41EO-0001), (주)도일의 목분(120F)을 사용하였고 착색제로 (주)한국카본의 카본블랙(HIBLACK)을 사용하였다.
- 본 실험에서 매트릭스는 국내 강남화성에서 제조된 노볼락(novolac) 형태의 페놀수지(Phenolite 1364)를 사용하였으며 기본 특성을 Table 1에 나타내었다. 보강재로 사용된 유리섬유는 (주)부양소재에서 제조된 milled 유리섬유(080-H)였으며 충전재로는 (주)동호물산의 탄산칼슘(TPT), (주)KG케미칼의 산화알루미늄(41EO-0001), (주)도일의 목분(120F)을 사용하였고 착색제로 (주)한국카본의 카본블랙(HIBLACK)을 사용하였다.
이론/모형
- 굴곡 및 인장강도는 United사의 만능시험기(UTM)인 STM-10을 이용하여 측정하였다. 굴곡강도는 ASTM D790에 따라 3점 굽힘에 의한 방법으로 측정 속도는 5 mm/min으로 설정하여 시편의 폭과 두께, 길이를 측정하였고 측정된 하중 값을 이용하여 굴곡강도를 계산하였다.
- 굴곡 및 인장강도는 United사의 만능시험기(UTM)인 STM-10을 이용하여 측정하였다. 굴곡강도는 ASTM D790에 따라 3점 굽힘에 의한 방법으로 측정 속도는 5 mm/min으로 설정하여 시편의 폭과 두께, 길이를 측정하였고 측정된 하중 값을 이용하여 굴곡강도를 계산하였다. 인장강도는 ASTM D638에 따라 시행했으며 측정 속도는 5 mm/min로 시편 좁은 부분의 두께와 폭을 측정 한 다음 시편의 항복점에서의 하중을 기록한 후 인장강도를 계산하였다.
- 굴곡강도는 ASTM D790에 따라 3점 굽힘에 의한 방법으로 측정 속도는 5 mm/min으로 설정하여 시편의 폭과 두께, 길이를 측정하였고 측정된 하중 값을 이용하여 굴곡강도를 계산하였다. 인장강도는 ASTM D638에 따라 시행했으며 측정 속도는 5 mm/min로 시편 좁은 부분의 두께와 폭을 측정 한 다음 시편의 항복점에서의 하중을 기록한 후 인장강도를 계산하였다.
- GFRP의 비중변화를 알기 위해 각 조건 당시편 3개를 Mirage사의 ED-120T 전자 비중 측정기로 측정하여 평균을 내었다. 흡수율은 ASTM D570 분석법으로 시험 전 시편의 중량을 측정하고 항온 수조에 물의 온도를 23℃로 유지시킨 후 시편을 물에 담그고 24시간 후에 물기를 완전히 닦은 후 중량의 변화를 측정하여 백분율로 표시하였다.
성능/효과
- 1. 페놀수지와 유리섬유를 사용하여 성형된 복합재료는 페놀수지의 함량이 증가하고 유리섬유의 함량이 감소할수록 열적 안정성이 낮아졌다. 페놀수지의 함량이 46% 경우 굴곡강도는 페놀수지가 복합재료에 가해지는 압력을 골고루 분산해주어 강도가 가장 높아졌으나 인장강도는 반대로 보강재인 유리섬유의 함량이 적어져 낮아졌다.
- CW-3가 최대 인장강도(68 MPa)를, CW-4가 최대 굴곡강도(119 MPa)를 나타내었다. 1000℃에서 CW-4는 31%의 질량 감소를 나타냈고 열중량분석 결과 35%의 질량 감소를 보였다. 따라서 탄산칼슘의 함량이 감소하고 목분의 함량이 증가할수록 기계적인 물성은 증가하지만 열 안정성이 낮아졌다.
- 2. 충전재로 탄산칼슘을 첨가한 경우, 인장강도(67 MPa) 및 굴곡강도(146 MPa)가 가장 높아 기계적으로 우수한 반면, 산화알루미늄을 첨가한 경우가 1000℃의 연소 조건에서 32%의 질량 감소를 보여 열 안정성이 가장 우수하였다.
- 3. CW-3가 최대 인장강도(68 MPa)를, CW-4가 최대 굴곡강도(119 MPa)를 나타내었다. 1000℃에서 CW-4는 31%의 질량 감소를 나타냈고 열중량분석 결과 35%의 질량 감소를 보였다.
- 4. GFRP 제조 시 기계적 성질과 열적 성질을 동시에 높이는 것은 매우 힘들며, 적절한 유기 및 무기충전재의 선정 및 함량 조절이 매우 중요한 요소임을 알 수 있었다.
- 비중은 페놀수지가 유리섬유보다 작기 때문에 페놀수지의 함량이 증가할수록 시편의 전체 비중은 감소하였고 페놀수지와 유리섬유의 흡수율은 큰 변화가 없었다. PM-1이 인장강도(28 MPa)가 가장 높았고, PM-2의 굴곡강도(77 MPa)가 가장 높았다. PM-3에서 인장강도와 굴곡강도는 PM-2에 비해 약간의 변화를 보이는 데 그쳤다.
- 흡수율은 일반적으로 흡수율이 가장 높은 목분을 첨가한 조건보다 탄산칼슘을 첨가한 경우 더 높게나왔는데 이는 충전재를 21% 첨가하였기 때문에 시편 내부에 머물러 흡수율에 큰 영향을 미치지 못한 것으로 판단된다. 굴곡 및 인장강도는 탄산칼슘을 첨가한 경우 각각 146 MPa, 67 MPa로 가장 높으며, 굴곡강도는 차례로 산화알루미늄, 목분 순이며 반대로 인장강도는 목분, 산화알루미늄 순으로 감소했다. 이는 탄산칼슘의 비중이 가장 높기 때문으로 판단되며 목분은 입자의 가로 세로비가 작아 굴곡강도가 약하지만 페놀수지와의 친화력이 좋아 인장강도는 높게 나오는 것으로 판단된다.
- 산화알루미늄을 첨가한 경우 1000℃에서의 연소실험 결과 32%의 질량 감소를 나타냈고, 열중량분석 결과는 15%의 질량이 감소하여 열적 안정성이 가장 우수하였다. 다음으로 탄산칼슘을 첨가한 경우, 연소실험 및 열중량분석 결과는 각각 39%와 24%의 질량 감소를 나타냈고, 목분을 첨가한 경우, 각각 49%와 29%의 질량이 감소하여 열적 안정성이 가장 낮았다. 이는 첨가된 충전재 자체의 열적 안정성이 산화알루미늄, 탄산칼슘, 목분 순으로 감소하기 때문이다.
- 1000℃에서 CW-4는 31%의 질량 감소를 나타냈고 열중량분석 결과 35%의 질량 감소를 보였다. 따라서 탄산칼슘의 함량이 감소하고 목분의 함량이 증가할수록 기계적인 물성은 증가하지만 열 안정성이 낮아졌다.
- 복합 충전재의 경우 목분 함량이 증가할수록 열적 안정성이 낮아졌으며, 약250℃ 이후에 중량감소가 일어나기 시작하여 1000℃에서의 연소실험 결과 CW-4는 39%의 질량 감소를 나타내었다. 이는 목분의 열적안정성이 탄산칼슘보다 낮기 때문이다.
- 비중은 페놀수지가 유리섬유보다 작기 때문에 페놀수지의 함량이 증가할수록 시편의 전체 비중은 감소하였고 페놀수지와 유리섬유의 흡수율은 큰 변화가 없었다. PM-1이 인장강도(28 MPa)가 가장 높았고, PM-2의 굴곡강도(77 MPa)가 가장 높았다.
- 산화알루미늄을 첨가한 경우 1000℃에서의 연소실험 결과 32%의 질량 감소를 나타냈고, 열중량분석 결과는 15%의 질량이 감소하여 열적 안정성이 가장 우수하였다. 다음으로 탄산칼슘을 첨가한 경우, 연소실험 및 열중량분석 결과는 각각 39%와 24%의 질량 감소를 나타냈고, 목분을 첨가한 경우, 각각 49%와 29%의 질량이 감소하여 열적 안정성이 가장 낮았다.
- 실험 결과, 페놀수지의 함량이 증가할수록 열적 안정성이 떨어졌으며, 약 400℃ 이상에서 중량 감소가 일어나기 시작하여 PM-3의 경우 1000℃에서의 1시간 연소 후 61%의 질량 감소를 보였고 열중량분석에서는 52%의 질량이 감소하였다. 이는 매트릭스인 페놀수지보다 비중과 열적안정성이 높은 보강재인 유리섬유의 함량이 줄어들기 때문으로 판단된다.
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