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문제 정의
- 본 논문의 목적은 자기장에 반응하고 센서나 액추에이터로 응용 가능한 MRRC를 개발하기 위한 것이다. 연구에 사용된 탄성체는 범용고무인 SBR(styrene butadiene rubber)이고 자기화 분말은 카르보닐기 철 분말(IP)과 다중벽 탄소나노튜브(CNT)를 사용한다.
- 연구에 사용된 탄성체는 범용고무인 SBR(styrene butadiene rubber)이고 자기화 분말은 카르보닐기 철 분말(IP)과 다중벽 탄소나노튜브(CNT)를 사용한다. 주요 변수로는 ① IP 및 CNT 함유량, ② 성형 시 자기장 형성에 의한 배향효과, 그리고 ③ 성형 후 시험 시에 가하는 자기장 유무이며, 이들이 압축특성에 미치는 영향에 대해 연구하고자 한다. 향후 능동적 진동제어 시스템에 적용을 목표로 연구 중이다.
제안 방법
- 산화철 분말(IP)은 아모메탈(주)의 S-1640(Φ=3~5㎛)을 사용하였고, 함유량은 0, 30, 60, 90(phr)이었다. CNT의 분산을 위하여 초음파 처리를 하였다. CNT 1g에 용제(toluene) 100㎖의 비율로 1시간 초음파 분산하여 용액을 제조하였으며 초음파 분산용 기계는 Sonic & Material사의 Vibra CellⓇ(750Watts, 20kHz)를 사용하였다.
- 하지만 본 연구에서는 성형 중에 가류물의 점도가 낮아지는 시간동안 산화철 입자(IP, iron particle)에 자기력을 부여하는 방법을 이용하여 이방성 복합재료를 제작하였다. 또한 아직 미진한 연구 분야인 탄소나노튜브(CNT, carbon nano-tube)의 배향에 대한 시도를 하였다. 타 CNT 배향 관련 연구들(11~13)의 자기력 세기는(MFD, magnetic flux density) 0.
- 본 연구에서는 성형 중에 혼합물의 점도가 낮아질 때, 강화입자에 자기력 부여하는 방법을 적용하였으며 이를 위해 가류특성시험 결과를 이용하였다. 미가류(未加硫) 상태 고무의 가류특성 시험을 위해 ODR(oscillating disc rheometer, Monsanto사, D-100) 시험기(ASTM D2084, KS M 6687)를 사용하였다.
- 본 실험에서는 기계적 특성 평가 전에 Fig. 3과 같이 330 militesla(mT)의 영구자석에서 투과된 자기력 세기(MFD)를 측정하여 MRRC의 이방성을 판단하였다. Fig.
- 시험편(∅20 × 10t) 제작을 위해 혼합된 고무를 시편 금형에 넣고 압축프레스(80tons)를 사용하여 압축성형 하였다. 본 연구에서는 성형 중에 혼합물의 점도가 낮아질 때, 강화입자에 자기력 부여하는 방법을 적용하였으며 이를 위해 가류특성시험 결과를 이용하였다. 미가류(未加硫) 상태 고무의 가류특성 시험을 위해 ODR(oscillating disc rheometer, Monsanto사, D-100) 시험기(ASTM D2084, KS M 6687)를 사용하였다.
- 성형 후 자기력에 의한 각 조건별 이방성을 판단하기 위하여 Fig. 3과 같이 Koshava4Ⓡ 테슬라미터를 이용 투과된 자기력 세기(mT, militesla)를 측정하여 비교하였다. 압축시험은 Shimadzu사의 Autograph(Model AG-5000E)를 사용하였으며, 시험속도는 분당 2㎜로 최대 30% 변형까지 변위를 가하였다.
- 시험편(∅20 × 10t) 제작을 위해 혼합된 고무를 시편 금형에 넣고 압축프레스(80tons)를 사용하여 압축성형 하였다.
- 3과 같이 Koshava4Ⓡ 테슬라미터를 이용 투과된 자기력 세기(mT, militesla)를 측정하여 비교하였다. 압축시험은 Shimadzu사의 Autograph(Model AG-5000E)를 사용하였으며, 시험속도는 분당 2㎜로 최대 30% 변형까지 변위를 가하였다. 압축시험의 경우도 성형 시 자기력 세기의 구분과 별도로 시편 상하에 영구자석을 이용하여 자기력의 영향을 검토하였다.
- 압축시험은 Shimadzu사의 Autograph(Model AG-5000E)를 사용하였으며, 시험속도는 분당 2㎜로 최대 30% 변형까지 변위를 가하였다. 압축시험의 경우도 성형 시 자기력 세기의 구분과 별도로 시편 상하에 영구자석을 이용하여 자기력의 영향을 검토하였다.
- 2와 같이 자기력 부여장치에서 자기력 부여(시간: ts2-30"), ④ 다시 열 프레스에서 가압(온도: 170℃, 압력: 14㎫, 시간: tc90-ts2), ⑤ 상하 금형을 열고 시편 이형. 이때 각 조건별 시험편에 대해 자기력 세기를 다르게 하였으며, 자기력 세기는 0.5, 1, 1.5 그리고 2 tesla(T)로 구분하였다.
- 그러므로 범용고무를 기반으로 하는 이방성 복합재료를 제조하기 위해서는 Chen 등(13)이 제안한 가압과 자기력 부여가 가능한 특수 구조의 프레스 설비가 필요하다. 하지만 본 연구에서는 성형 중에 가류물의 점도가 낮아지는 시간동안 산화철 입자(IP, iron particle)에 자기력을 부여하는 방법을 이용하여 이방성 복합재료를 제작하였다. 또한 아직 미진한 연구 분야인 탄소나노튜브(CNT, carbon nano-tube)의 배향에 대한 시도를 하였다.
대상 데이터
- CNT 1g에 용제(toluene) 100㎖의 비율로 1시간 초음파 분산하여 용액을 제조하였으며 초음파 분산용 기계는 Sonic & Material사의 Vibra CellⓇ(750Watts, 20kHz)를 사용하였다.
- 배합고무의 제조는 ASTM D3182와 D3190을 따랐으며, 혼합용 롤(roll)은 직경이 203.2㎜(8") 길이가 406.4㎜(16")의 개방형을 사용하였다.
- SBR은 천연고무에 비해 내마모성, 내노화성, 내열성이 뛰어나고, 가류특성이 안정적이며 가공성이 양호하여 사용범위가 넓은 합성고무이다. 보강재의 종류로는 CNT와 IP를 사용하였다. CNT는 Thermal CVD 공법으로 제조된 직경 10∼15nm, 순도 95% 이상인 한화나노텍(주)의 CM-100이었고, 함유량은 0, 5(phr)이었다.
- 산화철 분말(IP)은 아모메탈(주)의 S-1640(Φ=3~5㎛)을 사용하였고, 함유량은 0, 30, 60, 90(phr)이었다.
- 실험에 사용된 고무는 Table 1과 같이 Styrene(CH2 = CH-C6H5)과 Butadiene(CH2 = CH-CH = CH2)을 공중합하여 만든 대표적인 범용고무인 SBR를 사용하였다. SBR은 천연고무에 비해 내마모성, 내노화성, 내열성이 뛰어나고, 가류특성이 안정적이며 가공성이 양호하여 사용범위가 넓은 합성고무이다.
- 본 논문의 목적은 자기장에 반응하고 센서나 액추에이터로 응용 가능한 MRRC를 개발하기 위한 것이다. 연구에 사용된 탄성체는 범용고무인 SBR(styrene butadiene rubber)이고 자기화 분말은 카르보닐기 철 분말(IP)과 다중벽 탄소나노튜브(CNT)를 사용한다. 주요 변수로는 ① IP 및 CNT 함유량, ② 성형 시 자기장 형성에 의한 배향효과, 그리고 ③ 성형 후 시험 시에 가하는 자기장 유무이며, 이들이 압축특성에 미치는 영향에 대해 연구하고자 한다.
성능/효과
- (1) 고무 혼합물의 가류특성 및 전자석 장치를 이용하여 범용고무를 기지로 하는 이방성 MRRC의 제조가 가능하였다.
- (2) 산화철 입자(IP) 함유량의 증가에 따라 MRRC의 자기 투과율은 증가하였으며, 불규칙 배향(RD)에 비해 2 tesla로 배향(AL)시킨 경우가 1.8~2배 높게 나타났다. CNT만 강화한 MRRC는 2 tesla에서 자기 투과율은 3.
- (3) IP 90 + CNT 5 & 2 tesla 배향의 MRRC는 압축시험 시 0.49 tesla의 자기장 하에서 압축응력이 기지에 비해 2.1배 증가하였다.
- (4) IP 함유량 증가에 따라 MR 효과는 증가하였으며 IP 90phr AL(2 tesla)의 경우 20.4%의 MR 효과를 보였고, RD의 경우에 비해 AL(2 tesla)의 경우가 1.6배 정도 높은 MR 효과를 나타냈다.
- 5% 정도 작은 값을 보였다. 2 tesla의 배향으로 CNT만 강화한 경우 뚜렷한 자기장의 영향을 확인하였지만, IP 90 + CNT 5의 MRRC를 2 tesla로 배향한 결과는 자기력 세기 증가에 따른 기울기와 큰 차이가 없었다. 이는 앞 절에서 고찰한 바와 같이 IP 90에 CNT 5를 첨가하면 상대적으로 IP의 함유량이 감소한다.
- 이러한 MR 효과는 Figs. 6-7의 자기 투과율과 유사한 증가 기울기를 보였고, 시험편 제조시의 자기력 배향뿐만 아니라 압축시험 시의 자기력 부여도 중요한 인자임을 확인하였다.
- 이는 CNT의 직경(10∼15nm)이 매우 작고, 튜브형태로 IP에 비해 작은 양이지만 표면적과 종횡비가 크기 때문으로 보인다. CNT 5phr 강화 MRRC의 압축응력은 2T 배향으로 2.0% 증가하였고, 영구자석의 영향으로 2.9%까지 증가하였다. 한편, IP 90 + CNT 5의 경우 자기 배향(2 tesla)한 MRRC의 압축응력은 시험 시 0.
- 6배 증가하게 된다. CNT 5phr만 강화한 MRRC의 압축응력은 기지에 비해 40% 증가하여 IP에 비해 작은 양으로도 큰 영향이 있음을 알 수 있다. 이는 CNT의 직경(10∼15nm)이 매우 작고, 튜브형태로 IP에 비해 작은 양이지만 표면적과 종횡비가 크기 때문으로 보인다.
- 7은 성형 시 부여한 자기력 세기 증가에 따른 자기 투과율 결과를 나타냈다. CNT만 강화한 MRRCs는 1 tesla이하에서는 자기장의 영향이 없었으며, 2 tesla에서 자기장의 영향이 뚜렷이 확인되었다. 이때의 자기 투과율은 3.
- 8~2배 높게 나타났다. CNT만 강화한 MRRC는 2 tesla에서 자기 투과율은 3.7%로 자기장의 영향이 뚜렷이 확인되었다.
- 기울기가 크다는 의미는 초기 변형률에서 저항이 큰 것으로 보강재의 배향성을 판단할 수 있다. CNT만 강화한 MRRC의 기울기 비(AL/RD)는 2.8이었고 IP만 강화한 경우 기울기 비는 6.4로, 강자성의 IP가 CNT에 비해 배향이 양호함을 알 수 있다.
- 6배 정도 높은 MR 효과를 나타냈다. Fig. 13에서 2 tesla의 자기력 세기에서 제조된 CNT 강화 MRRC는 7.8%, IP 90 + CNT 5의 경우는 18.7%의 MR 효과를 보였다. 이러한 MR 효과는 Figs.
- 8% 정도의 MR 효과가 나타나는데, 이는 압축시험 시 시험편 상하에 설치한 영구자석의 영향을 의미한다. IP 함유량 증가에 따라 MR 효과는 비례적으로 증가하였으며, IP 90phr AL(2 tesla)의 경우 20.4%의 MR 효과를 보였다. 또한 RD의 경우에 비해 AL(2 tesla)의 경우가1.
- 는 시편의 높이 유지 시 투과 자기력 세기(135 militesla)를 의미한다. IP 함유량의 증가에 따라 자기 투과율은 증가하였으며, 불규칙 배향(RD, random dispersion)에 비해 2 tesla(T)로 배향(AL, alignment)시킨 경우가 1.8~2배 높게 나타났다. 따라서 성형시 부여했던 자기력에 의해 입자의 배향이 형성되었음을 알 수 있다.
- 21㎫이고 IP의 함유량 증가에 따라 MRRCs의 압축응력은 증가하였다. IP 함유량이 90phr인 MRRC의 압축응력은 자기배향(2 tesla)으로 5.4% 증가하였으며, 압축시험 시 0.49 tesla의 자기장 영향으로 13.4%까지 증가하였다. 또한 자기 배향(2 tesla)과 시험 시 0.
- 4-5는 열성형 전 고무 혼합물의 가류특성 시험 결과를 나타냈다. MRRC의 ML은 기지(5.05)에 비해 IP 함유량 증가에 따라 미소한 증가를 보였고, IP를 90phr 함유한 경우도 기지에 비해 6%의 증가를 나타냈다. 또한 기지와 IP(90phr)에 CNT를 첨가한 경우도 각각의 경우에서 미소한 증가를 보였다.
- 7%였다. 강자성의 IP만 90phr 강화한 MRRC는 RD 즉, 0 tesla에서 8.2%, AL(2 tesla)에서는 15.6%의 높은 자기 투과율을 보였다. 한편 IP + CNT의 경우는 IP만 강화한 경우에 비해 1.
- 9는 기지 및 RD와 AL(2 tesla) 배향 MRRC의 압축응력-변형률 관계를 나타냈다. 기지에 비해 변형률 증가에 따라 MRRC의 응력은 크게 증가하였고, RD의 경우에 비해 AL의 경우가 크게 증가함을 알 수 있다. 특히 초기 변형률 영역에서 AL의 경우가 큰 응력 값을 보였는데, 이는 입자들이 배향되었을 때, 외부 하중에 대한 저항력이 크기 때문으로 판단된다.
- 또한 기지와 IP(90phr)에 CNT를 첨가한 경우도 각각의 경우에서 미소한 증가를 보였다. 기지의 MH는 28.8였고, IP의 함유량 증가에 따라 증가하였으며, IP 90phr에서는 기지에 비해 14% 증가하였다. 기지와 IP(90phr)에 CNT를 첨가한 경우도 각각의 경우에서 3% 증가한 값을 보였다.
- 49 tesla)을 넣고 시험한 경우 이고, (b)는 영구자석 없이 시험한 경우로 시편의 성형 시 뿐만 아니라 압축시험 시 자기장의 영향을 비교하였다. 기지의 압축 응력은 1.21㎫이고 IP의 함유량 증가에 따라 MRRCs의 압축응력은 증가하였다. IP 함유량이 90phr인 MRRC의 압축응력은 자기배향(2 tesla)으로 5.
후속연구
- (5) 시험편 제조 시 부여했던 자기력 배향과 압축시험 시 부여한 자기력 세기가 MRRC의 압축 특성에 미치는 영향이 크다고 볼 수 있다. 이러한 특성을 응용하면 액추에이터나 센서, 능동적 진동제어 시스템 등의 부품 소재에 자기유동 고무 복합재료의 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 주요 변수로는 ① IP 및 CNT 함유량, ② 성형 시 자기장 형성에 의한 배향효과, 그리고 ③ 성형 후 시험 시에 가하는 자기장 유무이며, 이들이 압축특성에 미치는 영향에 대해 연구하고자 한다. 향후 능동적 진동제어 시스템에 적용을 목표로 연구 중이다.
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