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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 매트릭스로서 기존의 폴리프로필렌(PP) 섬유나 유리섬유와 같은 합성고분자 대신 천연수지인 전분(Starch)을 사용하고, 국내에서 재배한 케나프 섬유를 보강섬유로 사용하여 양 성분 모두 분해 가능한 친환경 바이오복합재료의 개발을 시도하였다. 복합재 제조 시 몰딩(Molding) 조건 즉, 온도, 시간, 압력 등에 따른 물성특성을 측정하여 몰딩 시의 최적 조건을 설정하였으며, 보강섬유로 사용된 케나프 섬유의 길이와 케나프 섬유의 함량' 그리고 복합재 제조 시적 층 매수를 달리하여 각 조건에 따른 Kenaf/Starch 복합재의 주요 물리적 특성(인장특성, 굴곡특성, 파단 특성)을 조사연구함으로써 케나프 섬유의 산업용 복합재로서의 이용 가능성을 연구검토하고자 하였다.
- 복합재 제조 시 몰딩(Molding) 조건 즉, 온도, 시간, 압력 등에 따른 물성특성을 측정하여 몰딩 시의 최적 조건을 설정하였으며, 보강섬유로 사용된 케나프 섬유의 길이와 케나프 섬유의 함량' 그리고 복합재 제조 시적 층 매수를 달리하여 각 조건에 따른 Kenaf/Starch 복합재의 주요 물리적 특성(인장특성, 굴곡특성, 파단 특성)을 조사연구함으로써 케나프 섬유의 산업용 복합재로서의 이용 가능성을 연구검토하고자 하였다.
제안 방법
- Differential scanning calorimeter(DSC: 2010DSC, TA Instrument)를 이용하여 유리전이온도(Tg) 및 녹는점 (Tm)을 측정하였다. 시료는 각 복합재로부터 약 5~8mg 을 취하여 상온에서부터 280℃까지 분당 5℃의 속도로 승온하였다.
- Kenaf/Starch 복합재 제조 시 몰딩의 최적조건을 설정하기 위하여 압력은 3000PSI, 시간은 30분으로 동일하게 유지하고 온도를 100℃, 120℃, 140℃로 변화시키면서 처리한 Kenaf/Starch 복합재의 인장강도와 신도를 측정하였고 그 결과를 V그림 3>에 나타내 었다.
- 제조하였다. Kenaf/Starch 복합재 제조 시 몰딩조건 (온도, 압력, 시간)에 따른 복합재의 물성특성과 또한 복합재 제조 시 삽입되는 케나프 섬유의 길이(약 1cm, 약 5cm)와 케나프 섬유의 함량(10, 20, 30, 40%), 그리고 복합재의 적층매수(1~4매)를 달리하여 각각의 조건에 따른 물성특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- Kenaf/Starch 복합재 제조 시 케나프 섬유의 함량에 따른 물성의 차이점을 조사하기 위하여 케나프 섬유의 함량을 10, 20, 30, 40%로 달리하여 복합재를 완성한 후 복합재의 인장특성과 굴곡특성을 알아보았으며, 케나프 섬유의 함량에 따른 인장강도와 신도를에 나타내었다.
- Kenaf/Starch 복합재를 적층시켜 제조한 복합재의 적층매수에 따른 물성을 비교해 보기 위하여 1~4매의 적층 Kenaf/Starch 복합재의 인장특성과 굴곡 특성을 측정하였다.
- Tensile strength 측정 시 파단된 Kenaf7Starch 복합재의 표면을 진공상태에서 Gold Coating 처리하여 주사형 전자현미경 (SEM, ABT-32, Topcon co., Jspan)을 사용하여 500배로 확대해 절단특성 및 섬유와 매트릭스 간의 접착특성을 조사하였다.
- , LTD/ KYOTO, JANPAN)을 부어 Oven 온도 약 35℃에서 24시 간 건조시켰다. 건조시킨 프리프레그를 Hot press 를 이용하여 온도 100, 120, 140, 시간 20, 30, 40분, 압력 2,000, 3, 000, 4, OOOPS1[의 다양한 몰딩 (molding) 조건에서 열처리하여 복합재를 완성하였다. 복합 재제조 시 케나프의 함량(10, 20, 30, 40%)과 케나프 섬유의 길이(1, 5cm), 그리고 복합재 적층매수(1~4매)에 따른 다양한 복합재를 제조하였다.
- 000PSI, 그리고 몰딩시간 30분의 조건에서 매트릭스인 전분의 유동성이 적합하여 섬유를 적절하게 함 침 시킴으로써 매트릭스와 보강섬유 간의 결속력이 커졌기 때문으로 사료된다. 따라서 KenaFStarch 복합재 제조 시 몰딩의 최적시간인 30분으로 하여 제조하였다.
- 먼저 레팅한 섬유번들 2g을 13.5x 13.5cm 크기의 플레이트에 길이 및 굵기가 일정하도록 배열한 후 PVA (10wt%)를 첨가하여 물에 용해시킨 전분(1급 시약, mp 256-258℃, YAKURI PURE CHEMICAL CO., LTD/ KYOTO, JANPAN)을 부어 Oven 온도 약 35℃에서 24시 간 건조시켰다. 건조시킨 프리프레그를 Hot press 를 이용하여 온도 100, 120, 140, 시간 20, 30, 40분, 압력 2,000, 3, 000, 4, OOOPS1[의 다양한 몰딩 (molding) 조건에서 열처리하여 복합재를 완성하였다.
- 몰딩시간조건에 따른 Kenaf/Starch 복합재의 인장강도와 신도를 알아보기 위하여 온도와 압력을 120℃, 3, 000 PSI으로 동일하게 유지하고 처리시간을 20분, 30분 40분으로 변화시켜 시간조건에 따른 Kenaf/Starch 복합재의 인장강도와 신도를 에 나타내었다.
- 건조시킨 프리프레그를 Hot press 를 이용하여 온도 100, 120, 140, 시간 20, 30, 40분, 압력 2,000, 3, 000, 4, OOOPS1[의 다양한 몰딩 (molding) 조건에서 열처리하여 복합재를 완성하였다. 복합 재제조 시 케나프의 함량(10, 20, 30, 40%)과 케나프 섬유의 길이(1, 5cm), 그리고 복합재 적층매수(1~4매)에 따른 다양한 복합재를 제조하였다.
- 사진의 파단특성은 복합재를 구성하고 있는 케나프 섬유와 전분 매트릭스의 계면결합상태를 좀 더 세밀하게 관찰하기 위하여 전분 매트릭스를 둘러싸고 있는 케나프 섬유 가닥에 초점을 맞추었다.
- 측정된 시편은 길이 150mm, 너비 15mm, 두께 5mtn로 하였으며, load cell 은 30kN, crosshead speed는 분당 10mm이었다. 시편은 각 조건의 Kenaf/Starch 복합재마다 10회 측정 하여 평균치를 사용하였다.
- 측정된 시편은 길이 150mm, 너비 15mm, 두께 5mtn로 하였으며, load cell 은 30kN, crosshead speed는 분당 10mm이었다. 시편은 각 조건의 Kenaf/Starch 복합재마다 10회 측정 하여 평균치를 사용하였다.
- 제조한 KenaeStarch 복합재를 ASTM D 790M-86에의 거하여 UTM(Instron Corporation Series IX Automated) 을 사용하여 3점 굴곡(Three-point bending) 시험을 수행하였다. 측정된 시편은 길이 50mm, 너비 25mm, 두께 2mm의 크기에 span-to-depth 비율은 16:1로 하였으며, load celle 30kN, crosshead speed는 분당 0.
- 케나프 섬유의 길이에 따른 Kenaf7Starch 복합재의 물성 특성을 확인하기 위하여 KenagStarch 복합재 제조 시 삽입된 케나프 섬유의 길이를 1cm와 5cm로 달리해서 복합재를 제조하여 인장강도와 신도의 측정 결과를에 나타내었다.
대상 데이터
- 국내에서 재배된 케나프 섬유를 보강섬유로 사용하고 열가소성 천연수지인 전분을 매트릭스로 사용하여 양 성분 분해 가능한 새로운 친환경 바이오복합재료를 제조하였다. Kenaf/Starch 복합재 제조 시 몰딩조건 (온도, 압력, 시간)에 따른 복합재의 물성특성과 또한 복합재 제조 시 삽입되는 케나프 섬유의 길이(약 1cm, 약 5cm)와 케나프 섬유의 함량(10, 20, 30, 40%), 그리고 복합재의 적층매수(1~4매)를 달리하여 각각의 조건에 따른 물성특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 충청북도 청주시 소재 밭에서 직접 재배한지 105일이 되는 케나프를 줄기의 인피 부(Bark)와 목질 부(Com) 를 분리하여 인피 부를 건조시켜 보관한 후 시료로 사용하였다.
- UTM(Instron Corporation Series IX Automated)을 사용하여 인장시험을 수행하였다. 측정된 시편은 길이 150mm, 너비 15mm, 두께 5mtn로 하였으며, load cell 은 30kN, crosshead speed는 분당 10mm이었다. 시편은 각 조건의 Kenaf/Starch 복합재마다 10회 측정 하여 평균치를 사용하였다.
- 측정된 시편은 길이 50mm, 너비 25mm, 두께 2mm의 크기에 span-to-depth 비율은 16:1로 하였으며, load celle 30kN, crosshead speed는 분당 0.85mm 이었다. 시편은 각 조건의 Kenaf/Starch 복합재마다 10회 측정하여 평균치를 사용하였다.
이론/모형
- 제조한 Kenaf/Starch 복합재를 DIN 53455에 의거하여 UTM(Instron Corporation Series IX Automated)을 사용하여 인장시험을 수행하였다. 측정된 시편은 길이 150mm, 너비 15mm, 두께 5mtn로 하였으며, load cell 은 30kN, crosshead speed는 분당 10mm이었다.
성능/효과
- 10% 케나프 함량의 복합재가 케나프 섬유와 전분 매트릭스 사이에 탈결합이 일어나 가장 좋지 않은 계면결합상태를 보였으며 30% 케나프 함량의 복합 재가 가장 양호한 계면결합상태를 보였다.
- 4매를 적층시켜 제조한 복합재의 경우 전분 매트릭스가 케나프 섬유를 잘 감싸고 있었으며 이는 복합재 매수가 적층되면서 가해진 열과 압력에 의해 매트릭스와 보강섬유 간의 밀착성이 크게 향상되었기 때문으로 사료된다, 이에 반해 1매 적층하여 제조한 복합재의 경우 케나프 섬유와 전분 매트릭스 사이의 결합이 완전하지 않음을 보였고 섬유와 매트릭스 사이에 탈결합이 일어나 벌어진 작은 틈을 확인할 수 있었다. 이러한 탈결합은 복합재의 물성저하를 가져오며 따라서 복합재 제조 시 사용되는 섬유와 매트릭스의 고유한 성질 외에 매트릭스와 섬유 간의 계면 접착 특성도 복합재의 물성에 큰 영향을 미치고 있다고 사료된다(Lee et al.
- 이는 섬유의 길이가 길면 섬유 간의 응집력도 커져 복합재의 물성도 좋아진 것으로 보여 진다. Kenaf/Starch 복합재 제조 시 케나프 섬유의 함량을 달리한 결과, 케나프 섬유의 함량이 증가할 수 록인 장강 도와 신도가 증가하여 30%일 때 가장 우수한 것으로 나타났다. 이와는 반대로 케나프 섬유의 함량이 증가할수록 굴곡강도와 굴곡탄성률은 감소하였다.
- 결과이다. Kenaf/Starch 복합재를 1~4매까지 겹칠수록 인장강도 및 신도 그리고 인장탄성률 모두 향상됨을 보였다. 특히 Kenaf/Starch 복합재 4매 적층의 경우 1매 적층의 것에 비해 인장강도 및 신도 그리고 인장탄성률 모두 두드러지게 향상된 것으로 나타났다.
- Kenaf/Starch 복합재에 삽입된 케나프 섬유의 길이를 약 1cm와 약 5cm로 달리하여 KenafStarch 복합재의 물성특성을 측정한 결과, 약 5cm 길이의 케나프 섬유로 제조한 복합재가 인장강도와 신도 모두 높게 나타났다. 이는 섬유의 길이가 길면 섬유 간의 응집력도 커져 복합재의 물성도 좋아진 것으로 보여 진다.
- Kenaf/Starch 복합재의 DSC 열분석결과 유리 전이온도는 약 115~120℃ 부근에서 나타났으며, 융점은 약 270~275℃ 부근에서 관찰되었다.
- SEM 사진을 통해 KenafStarch 복합재의 파단표면의 파단거동을 조사해 본 결과 섬유길이 5cm, 케나프 섬유 함량 30%, 그리고 4장을 적층한 복합재가 케나프 섬유와 전분 매트릭스 간의 계면접착이 가장 우수하였다. 이와 같은 결과는 각 조건별 복합재의 물성 특성 결과와 일치하는 경향을 보임으로써 케나프 섬유와.
- lcm의 케나프 섬유를 삽입하여 제조한 Kenaf/Starch 복합재의 경우 짧은 섬유길이 때문에 케나프 섬유와 전분 매트릭스 사이에 계면접착상태가 좋지 않아 케나프 섬유가 전분 매트릭스에 결합되지 않고 빠져나갔음을 확인할 수 있었고, 이와는 반대로 5cm의 케나프 섬유를 삽입하여 제조한 KenaeStarch 복합재의 경우는 탈결합이 일어나는 부분이 적고 비교적 계면접착상태가 양호하였다.
- 굴곡강도 역시 복합재의 적층매수가 중가할수록 굴곡강도가 향상되었으며, 굴곡탄성률은 약간 감소하였다.
- 이는 케나프 섬유의 함량이 많아질수록 뻣뻣함 때문에 굴곡강도가 오히려 떨어지는 결과를 초래한 것이라 보여 진다. 굴곡탄성률의 경우 10%의 함량에서 가장 낮은 굴곡탄성률을 보였고 20%의 함량에서 증가하였다가 30%의 함량에서는 소폭 감소하였으나 40%의 함량에서는 다시 증가하는 모습을 보였다.
- 이와 같이 케나프 섬유의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하나 인장탄성률은 케나프 섬유의 고유의 성질인 뻣뻣함과 낮은 탄성 때문에 섬유함량이 증가할수록 감소하는 것으로 생각된다. 따라서 인장강도가 좋은 KenafStarch 복합재를 제조하려 면 복합재 구성조합 비율이 케나프 섬유 함량 30%인 것이 적절하다고 사료된다.
- 복합재 제조 시 몰딩 시의 열처리조건을 달리 하여 제조한 결과, 온도 120℃, 압력 3000PSI, 열처리시간 30분 처리 시 Kenaf/Starch 복합재의 인장강도와 신도와 같은 물성치가 가장 우수하였다. 이는 위의 조건에서 전분의 유동성이 가장 적당하여 복합막에 고르게 분포되면서 복합막의 인장강도와 신도가 높게 나타난 것으로 사료된다.
- 이는 케나프 섬유의 함량이 많아질수록 케나프 섬유의 고유 특성인 뻣뻣한 성질 때문에 굴곡 강도와 굴곡 탄성률이 저하한 것이라 사료된다. 복합재의 적층매수를 달리하여 제조한 Kenaf/Starch 복합재의 물성측정 결과, 4매를 적층한 복합재의 인장강도 및 신도, 인장탄성률, 굴곡강도 모두 두드러지게 향상된 것으로 나타났다.
- 이에 반해 140℃의 온도에서는 매트릭스의 유동성이 높아 매트릭스와 섬유 간의 결속력이 오히려 떨어졌기 때문으로 풀이된다. 신도 역시 인장강도와 같은 경향을 보였으며, 몰딩온도 100℃에서 0.45%, 120℃에서 0.53%로 증가하였으며, 140℃의 온도조건에서 0.52% 로 몰딩온도에 따라 미미한 차이만 보였을 뿐 KenafZ Starch 복합재의 신도는 0.5% 내외로 낮은 신도를 나타내었다. 따라서 Kenaf/Starch 복합재 제조 시 몰딩 온도는 120℃로 setting하여 제조하였다.
- 28kg#mn?로 약간 감소하였다. 압력 조건을 달리하여 제조한 KenMStarch 복합재의 신도는 인장강도와 비슷한 경향으로 역시 2,000 PSI의 조건에서 가장 낮은 0.22%의 신도를 나타냈고, 3000 PSI에서 0.52%, 그리고 4, 000 PSI에서 0.43%의 신도를 나타내었다. 이와 같은 결과는 몰딩온도 120℃, 3, 000 PSI 의 압력조건에서 매트릭스인 전분의 유동성이 적당하여 효율적으로 Kenaf/Starch 복합막에 고르게 분포되면서 인장강도와 신도가 높게 나타난 것으로 추정된다.
- 열적특성을 측정한 결과이다.<그림 1>은 Kenaff Starch 복합재의 매트릭스로 사용한 전분의 DSC 분석 결과인데, 전분은 약 95℃ 부근에서 유리 전이온도가 나타났으며 녹는점은 약 260~270℃ 부근에서 관찰되었다.<그림 2>는 케나프 섬유 함량 30% Kenaf Starch 복합재의 DSC 분석결과이다.
- Kenaf/Starch 복합재 제조 시 케나프 섬유의 함량을 달리한 결과, 케나프 섬유의 함량이 증가할 수 록인 장강 도와 신도가 증가하여 30%일 때 가장 우수한 것으로 나타났다. 이와는 반대로 케나프 섬유의 함량이 증가할수록 굴곡강도와 굴곡탄성률은 감소하였다. 이는 케나프 섬유의 함량이 많아질수록 케나프 섬유의 고유 특성인 뻣뻣한 성질 때문에 굴곡 강도와 굴곡 탄성률이 저하한 것이라 사료된다.
- 신도 역시 강도와 마찬가지로 30%의 함량까지는 신도가 증가하였고 40%의 함량에서 소폭 감소하였다. 인장탄성률의 경우는 인장강도 및 신도와는 반대로 10%의 함량에서 275kgf7mm2로가장 높았으며 함량이 증가할수록 인장탄성률은 감소하는 경향을 보였다. 이와 같이 케나프 섬유의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하나 인장탄성률은 케나프 섬유의 고유의 성질인 뻣뻣함과 낮은 탄성 때문에 섬유함량이 증가할수록 감소하는 것으로 생각된다.
- 이와 같은 결과는 각 조건별 복합재의 물성 특성 결과와 일치하는 경향을 보임으로써 케나프 섬유와. 전분 매트릭스 간의 계면접착특성이 Kena&Starch 복합재의 물성에 큰 영향을 미치고 있음을 알았다.
- 결과이다. 케나프 섬유의 함량에 따른 굴곡강도는 인장강도와는 반대의 경향으로 10%의 함량에서 가장 높은 굴곡강도를 보였으며, 섬유함량이 증가할수록 굴곡강도는 감소하였다. 이는 케나프 섬유의 함량이 많아질수록 뻣뻣함 때문에 굴곡강도가 오히려 떨어지는 결과를 초래한 것이라 보여 진다.
- 케나프 섬유의 함량에 따른 인장강도는 10%의 함량에서 0.23kgf, mm2로 가장 낮은 인장강도를 나타냈으며, 함량이 증가할수록 인장강도도 증가하여 30% 의 함량에서 O.48kg0mm2로 가장 높았으며 40%의 함량에서 약간 감소하였다. 신도 역시 강도와 마찬가지로 30%의 함량까지는 신도가 증가하였고 40%의 함량에서 소폭 감소하였다.
- Kenaf/Starch 복합재를 1~4매까지 겹칠수록 인장강도 및 신도 그리고 인장탄성률 모두 향상됨을 보였다. 특히 Kenaf/Starch 복합재 4매 적층의 경우 1매 적층의 것에 비해 인장강도 및 신도 그리고 인장탄성률 모두 두드러지게 향상된 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 Kenaf/Starch 복합재의 물성향상을 위해서는 계면특성에 대한 분석학적 연구와 계면접착성 향상을 위한 보강섬유의 개질연구 등이 필요할 것으로 사료된다.
- 이와 같은 결과는 산업용 소재로서 KenaPStarch 복합재를 사용함에 있어 높은 인장강도와 굴곡강도가 동시에 요구되는 용도에는 적층 Kenaf/Starch 복합재의사용이 바람직할 것으로 사료된다.
- , 2004; Song & Kim, 2009). 케나프 섬유를 이용한 바이오복 합재는 생분해성이 높아 실내용 건축자재를 비롯하여 포장재, 판넬 등 친환경 산업용 자재로 활용이 기대된다. 특히 케나프 섬유는 흡음성과 내열성이 좋아 인슐레이터(insulatior)와 같은 내장재용 판넬이나 package tray, 시트백, 헤드라이너, 콘솔커버 등의 자동차 산업 분야에의 용도 활용이 기대된다(조동환 외, 2002; Parikh et al.
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