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문제 정의
- 따라서 일반적인 플라스틱과 사용조건이 다르기 때문에 사용 환경에 대한 플라스틱의 특성변화에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 기계적 물성이 향상된 고온용 유리섬유강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastic, 이하 GFRP)을 대상으로 해당 GFRP 의 기계적 성질을 저하시킬 수 있는 온도와 습도에 대한 영향을 실험적으로 평가하였다. 특히 기존의 유리섬유/에폭시 적층 복합재가 아닌 사출성형을 통한 복잡한 형상에 적용이 가능하도록 short fiber가 사용된 GFRP 를 평가하였다.
제안 방법
- 하지만 엔진 부품들의 형상이 복잡해서 판재 형태의 적층 복합재의 사용이 어려워 사출성형이 가능한 순수 폴리머에 대한 연구가 주로 진행되었다.(8,9) 기존에 엔진 부품사인 Denso 사 및 완성차 메이커인 현대자동차 등에서 플라스틱 풀리에 대해 개발 및 평가를 진행하였다. Denso 사의 경우 다섯 가지 일반적으로 사용되는 플라스틱 수지(PF, PA, PAA, PRT, PPS)를 가지고 밀도, 제조정밀도, 강도, 열충격, 내열성, 내화학성, 생산성을 비교하여 내열성이 약한 열가소성수지는 모두 배제하고 열 충격, 생산성이 약간 떨어지지만 페놀수지를 최종 선정하였고, 수치해석을 이용하여 벨트 장력에 의한 풀리 치형부 크랙을 분석하기 위해 최대 벨트장력에 의한 피로해석을 Computer Aided Engineering (CAE) 를 통하여 수행하여 만족함을 보였다.
- (8) 또한 현대자동차에서는 쉬운 재활용을 위해 열가소성수지사용을 기본으로 원가절감을 위해 표준 그레이드를 사용하였다. 동적하중에 잘 견디고 긴 내구성을 가지며 엔진룸 내부 온도에 견딜 수 있고 뛰어난 마모 특성을 가진 재료를 선정하도록 하였다.(9)
- 시편제작은 대량생산이 적합하도록 사출성형으로 제작되었다. 또한, 사용 환경을 고려하여 시편을 제작하였고, 준비한 시편 수는 하나의 조건에 3 개의 시편을 사용하여 상온 인장시험, 85℃ 고온 인장시험을 물속에 0, 100, 300, 500 시간 동안 수분을 흡수시킨 후의 시편을 이용하여 인장 시험을 진행하였다. Fig.
- 총 실험에 사용된 시편의 조건은 Table 2 에 정리하였고, 이때 조건당 3개의 시편을 평가하였다. 물속에 두지 않은 시편은 사출직후 가급적 빠른 시간에 인장시험을 수행하였고, 물속에 둔 시편의 경우 대기 중에서 수분손실을 최소화하기 위해 표면의 물기만을 제거하고 즉시 인장시험을 실시하였다.
- 수분에 의한 기계적 성질변화를 살펴보기 위해 인장시험을 실시하였다. 전체 실험은 Fig.
- 시편의 수분 흡수율을 빠른 시간에 높이기 위해서는 고온의 물속에 침전시키는 가속시험을 사용하였다. 통상적인 엔진룸 온도를 고려하여 시편을 85±2℃로 온도가 조절되는 환경시험 챔버에 두고 주기적으로 수분흡수율을 측정하였다.
- 온도 및 수분에 대한 기계적 성질 저하를 평가하기 위하여 기계적 성질을 평가하는 시험법 중에서 대표적인 인장시험을 수행하였다. 준비한 시편은 인장시편에 대한 표준인 ASTM D638 을 근거로 제작하였다.
- 7%에서 수렴하는 것을 확인하였다. 이때 확산계수를 이용하여 시간에 따른 수분흡수에 대한 식을 실험데이터와 비교하였다. 시편의 확산 계수는 식 (1)과 같이 수분흡수율과 시편두께 및 최대 수분흡수율로 구할 수 있다.
- 이와 같은 원인을 관찰하기 위해서 500 시간의 수분함유 시편의 상온 및 고온 인장시험 시편의 파단면을 Fig. 7 에서와 같이 전자현미경으로 관찰하였다. 파단면을 보면 유리섬유가 그대로 뽑혀진 단면을 확인할 수 있었다.
- 인장시험은 시편에 Strain gauge 를 부착하여 푸아송 비와 영률을 측정하였다. 측정장비는 LabView 의 Strain gauge 모듈을 사용하였고 인장시험기는 Instron 5582 를 사용하여 측정하였다.
- 수분에 의한 기계적 성질변화를 살펴보기 위해 인장시험을 실시하였다. 전체 실험은 Fig. 3 에서와 같이 수분흡수가 거의 없도록 물속에 두지 않은 시편과 100 시간, 300 시간, 500 시간 동안 물속에 둔 시편에 대한 상온 및 고온에서의 인장시험을 실시하여 기계적 물성변화를 서로 비교하였다. 총 실험에 사용된 시편의 조건은 Table 2 에 정리하였고, 이때 조건당 3개의 시편을 평가하였다.
- 지금까지 엔진룸의 사용조건을 고려하여 열과 수분에 의한 플라스틱 풀리용 재료의 기계적 성질 변화를 인장 시험을 통해 알아보았다. 본 실험을 통하여 알 수 있었던 결론은 다음과 같다.
- 최대 수분 흡수율을 달성하기 위해 총 500 시간 동안 주기적으로 수분흡수율을 측정하였다. 측정 주기는 초기 24 시간까지는 수분흡수율이 빠르게 변화하므로 1 시간 또는 3 시간단위로 측정하였고 이후에는 12 시간 또는 24 시간 단위로 측정하였다.
- 최대 수분 흡수율을 달성하기 위해 총 500 시간 동안 주기적으로 수분흡수율을 측정하였다. 측정 주기는 초기 24 시간까지는 수분흡수율이 빠르게 변화하므로 1 시간 또는 3 시간단위로 측정하였고 이후에는 12 시간 또는 24 시간 단위로 측정하였다. 측정방법은 표면에 있는 물기를 제거한 후 0.
- 측정 주기는 초기 24 시간까지는 수분흡수율이 빠르게 변화하므로 1 시간 또는 3 시간단위로 측정하였고 이후에는 12 시간 또는 24 시간 단위로 측정하였다. 측정방법은 표면에 있는 물기를 제거한 후 0.001g 의 정밀도를 갖는 저울로 무게를 측정하여 초기 물속에 넣기 전의 무게와 비교하여 함수율을 계산하였다. 측정시 발생할 수 있는 수분흡수율의 하락을 최소화 하기 위해 3 개의 시편을 돌아가면서 측정하여 개당 측정주기를 최소화하였다.
- 001g 의 정밀도를 갖는 저울로 무게를 측정하여 초기 물속에 넣기 전의 무게와 비교하여 함수율을 계산하였다. 측정시 발생할 수 있는 수분흡수율의 하락을 최소화 하기 위해 3 개의 시편을 돌아가면서 측정하여 개당 측정주기를 최소화하였다. Fig.
- 통상적인 엔진룸 온도를 고려하여 시편을 85±2℃로 온도가 조절되는 환경시험 챔버에 두고 주기적으로 수분흡수율을 측정하였다.
- 본 연구에서는 기계적 물성이 향상된 고온용 유리섬유강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastic, 이하 GFRP)을 대상으로 해당 GFRP 의 기계적 성질을 저하시킬 수 있는 온도와 습도에 대한 영향을 실험적으로 평가하였다. 특히 기존의 유리섬유/에폭시 적층 복합재가 아닌 사출성형을 통한 복잡한 형상에 적용이 가능하도록 short fiber가 사용된 GFRP 를 평가하였다.
- 틸을 플라스틱으로 대체하고 표준조건에서의 기계적인 물성만 고려하여 평가를 진행하였다. 하지만 엔진 부품이 장착되는 위치인 엔진룸의 특성상 사용 온도가 높고 부동액, 세척액, 빗물 등 물과의 접촉 빈도가 많으며 마모, 마찰이 지속적으로 발생하는 환경을 고려하지 않았다.
대상 데이터
- 확산계수를 구할 때 구간을 임의로 선정하여 값을 구해보면 구간에 따라 확산계수의 값이 달라진다. 따라서 측정값이 많고 일정한 경향성을 보이는 0 에서 100 시간이내의 값을 구해서 사용하였다. 이렇게 구한 확산계수를 이용하여 시간에 따른 수분흡수율 함수를 구하면 식 (2)와 (3)을 이용하여 구할 수 있다.
- 사용재료는 EMS 사에서 개발한 GRIVORY XE 3844 재료로 성분은 Polyphtalamide 가 기본 matrix 으로 사용되었고 유리섬유와 여러 가지 미네랄이 함유된 복합재료이다. 특히 열에 대한 내구성이 강화된 재료로써 녹는점이 325℃이고 장시간 사용 가능 온도도 150℃이므로 엔진룸의 고온에 견딜 수 있도록 제작되었다.
- 3 에서와 같이 수분흡수가 거의 없도록 물속에 두지 않은 시편과 100 시간, 300 시간, 500 시간 동안 물속에 둔 시편에 대한 상온 및 고온에서의 인장시험을 실시하여 기계적 물성변화를 서로 비교하였다. 총 실험에 사용된 시편의 조건은 Table 2 에 정리하였고, 이때 조건당 3개의 시편을 평가하였다. 물속에 두지 않은 시편은 사출직후 가급적 빠른 시간에 인장시험을 수행하였고, 물속에 둔 시편의 경우 대기 중에서 수분손실을 최소화하기 위해 표면의 물기만을 제거하고 즉시 인장시험을 실시하였다.
이론/모형
- 온도 및 수분에 대한 기계적 성질 저하를 평가하기 위하여 기계적 성질을 평가하는 시험법 중에서 대표적인 인장시험을 수행하였다. 준비한 시편은 인장시편에 대한 표준인 ASTM D638 을 근거로 제작하였다. 시편제작은 대량생산이 적합하도록 사출성형으로 제작되었다.
- 인장시험은 시편에 Strain gauge 를 부착하여 푸아송 비와 영률을 측정하였다. 측정장비는 LabView 의 Strain gauge 모듈을 사용하였고 인장시험기는 Instron 5582 를 사용하여 측정하였다. Strain gauge 가 고온에서 오차가 많이 발생하여 측정값은 상온 인장시험에만 활용하였다.
성능/효과
- (1) 섬유강화플라스틱을 고온, 다습한 환경에 노출하였을 경우 최대인장강도의 급격한 감소를 인장 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
- (2) Long fiber 형태가 아닌 Short fiber 형태의 보강재료는 온도와 수분에 의해서 fiber 가 보강재의 역할을 제대로 수행하지 못함을 확인할 수 있었다.
- (3) 특히, 온도 또는 수분의 개별적인 영향보다 동시에 주어졌을 때 기계적 물성하락이 아주 큰 것을 확인할 수 있었다.
- (4) 고온와 수분의 영향으로 short fiber 와 matrix 사이의 결합력이 급격히 낮아져서 기계적 물성하락을 야기시킴을 추정할 수 있었다.
- (8,9) 기존에 엔진 부품사인 Denso 사 및 완성차 메이커인 현대자동차 등에서 플라스틱 풀리에 대해 개발 및 평가를 진행하였다. Denso 사의 경우 다섯 가지 일반적으로 사용되는 플라스틱 수지(PF, PA, PAA, PRT, PPS)를 가지고 밀도, 제조정밀도, 강도, 열충격, 내열성, 내화학성, 생산성을 비교하여 내열성이 약한 열가소성수지는 모두 배제하고 열 충격, 생산성이 약간 떨어지지만 페놀수지를 최종 선정하였고, 수치해석을 이용하여 벨트 장력에 의한 풀리 치형부 크랙을 분석하기 위해 최대 벨트장력에 의한 피로해석을 Computer Aided Engineering (CAE) 를 통하여 수행하여 만족함을 보였다.(8) 또한 현대자동차에서는 쉬운 재활용을 위해 열가소성수지사용을 기본으로 원가절감을 위해 표준 그레이드를 사용하였다.
- (12) 그리고 수분흡수가 있는 시편의 고온인장시험의 경우는 모든 경우에 시편에 수직인 파단면이 관찰되었다. 가장 주된 원인으로는 수분 및 고온에 의해서 matrix 의 기계적 물성이 하락하였고 이와 함께 matrix 와 short fiber 의 결합력이 낮아져서 fiber 의 파단이 아닌 matrix 와 fiber 의 분리가 발생되었을 것으로 판단되었다. 또한, matrix 와 fiber 의 결합력이 강하더라도 fiber 주변의 matrix 는 결합되어 있는 상태에서 matrix 간의 결함이 약해져서 fiber 주변 matrix 이 파단될 수도 있을 것이다.
- 이는 matrix가 열에 의해서 약해져서 발생한 것으로 보여진다. 따라서 사출성형으로 제작된 GFRP 의 경우 많은 수분흡수 및 고온에 의해서 matrix 의 기계적 물성 하락으로 유리섬유가 보강재의 역할을 제대로 수행할 수 없었음을 단면사진을 통해 확인할 수 있었고, 이는 최대인장강도 하락의 메커니즘으로 추정할 수 있다.
- 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 영률 (그래프의 기울기)은 큰 변화가 없었으나 최대인장강도의 값은 아주 큰 차이를 보였다. 또한 3 개의 시편에서의 푸아송 비를 비교해보면 수분이 없을 때에는 평균적으로 0.367 이었고 최대수분흡수일 때는 0.376 으로 큰 차이가 없었다. 영률은 18.
- 그림에서 부착되어 있는 유리섬유와 유리섬유가 뽑혀진 자리를 확인할 수 있었다. 또한 수분만 있는 상태보다 고온까지 있는 환경에서 matrix 의 파단면이 더 불규칙한 것이 관찰되었고 유리섬유 주변의 matrix 가 일부 부착되어 있는 경우를 함께 관찰할 수 있었다. 이는 matrix가 열에 의해서 약해져서 발생한 것으로 보여진다.
- 6 에서 보이는 바와 같이 파단된 시편을 살펴보았다. 수분흡수가 없을 때의 상온 및 고온인장시험의 결과를 보면 파단면이 길이방향에 수직이 아닌 사선으로 진행된 것을 볼 수 있었다. 이것은 일반적인 인장시험에서는 잘 관찰되지 않는 것으로 Short fiber 가 사용된 복합재료에서 관찰이 가능하며 fiber를 피해 resin 이 파단되는 Crack avoidance mode 특성을 보이며 파단면이 사선으로 전파될 수 있다.
- 5 에 정리하였다. 수분흡수율에 의해서 선형적으로 최대인장강도의 하락을 확인할 수 있었고, 고온 환경하에서는 수분에 의한 기계적 물성의 하락폭이 더욱 증가됨을 확인할 수 있었다.
- 2 에서처럼 유사한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 500 시간 동안 거의 100%의 수분흡수를 확인할 수 있었다.
- 2 는 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 초기에 급격히 수분흡수율이 증가하다가 300 시간이 넘어가자 약 1.7%에서 수렴하는 것을 확인하였다. 이때 확산계수를 이용하여 시간에 따른 수분흡수에 대한 식을 실험데이터와 비교하였다.
- 최대인장강도의 고온 영향을 분석하기 위해 고온에서 인장실험을 실시한 결과를 살펴보면 열에 의해서는 최대인장강도가 약 23% 감소하였고, 열과 최대 수분흡수에 의해 70% 감소가 발생하였다. 수분흡수와 온도에 대한 영향은 Fig.
후속연구
- 이러한 수분흡수율과 최대인장강도 실험결과를 바탕으로 적용 환경에서의 수분흡수에 대해 적절한 최대인장강도를 추정할 수 있는 자료를 제시하였고, 이를 통하여 사출성형을 이용한 Short fiber GFRP를 이용한 설계과정에서 CAE 를 통한 해석시 환경을 고려한 적절한 최대인장강도 값을 제시하여 적합한 재료선정에 중요한 데이터로 활용될 수 있을 것이다. 또한, 온도와 수분의 영향으로 낮아지는 결합력을 보다 정량적으로 확인하기 위해서는 온도 및 수분흡수율에 따른 short fiber 의 결합력을 별도로 측정하는 연구가 필요하다고 판단된다.
- 이러한 수분흡수율과 최대인장강도 실험결과를 바탕으로 적용 환경에서의 수분흡수에 대해 적절한 최대인장강도를 추정할 수 있는 자료를 제시하였고, 이를 통하여 사출성형을 이용한 Short fiber GFRP를 이용한 설계과정에서 CAE 를 통한 해석시 환경을 고려한 적절한 최대인장강도 값을 제시하여 적합한 재료선정에 중요한 데이터로 활용될 수 있을 것이다. 또한, 온도와 수분의 영향으로 낮아지는 결합력을 보다 정량적으로 확인하기 위해서는 온도 및 수분흡수율에 따른 short fiber 의 결합력을 별도로 측정하는 연구가 필요하다고 판단된다.
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