다구치 기법을 사용한 나노클레이가 첨가된 아마섬유 강화 복합재료의 충격 거동 및 연소 특성 Impact and Fire Retardant Properties of Flax Fiber Reinforced Nanoclay Composites by Taguchi Method원문보기
본 연구에서는 단방향, 직교방향, 임의의 방향 총 세 방향성을 가진 아마섬유에 첨가형 난연제로 널리 쓰이는 나노클레이를 분사한 뒤, 이 섬유를 복합재료의 제조에 사용하였다. 나노클레이는 분산성이 다른 세가지 분사방법을 사용하였으며, 제조에 사용한 기지재는 열가소성 수지인 폴리프로필렌과 열경화성 수지인 에폭시이다. 다구찌 실험계획법을 이용해서 실험을 단순화 하였으며, 실험결과 인장강도, 탄성계수, 총 충격흡수에너지, 열 방출율에 대한 최적의 복합재료 제조 조건을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 단방향, 직교방향, 임의의 방향 총 세 방향성을 가진 아마섬유에 첨가형 난연제로 널리 쓰이는 나노클레이를 분사한 뒤, 이 섬유를 복합재료의 제조에 사용하였다. 나노클레이는 분산성이 다른 세가지 분사방법을 사용하였으며, 제조에 사용한 기지재는 열가소성 수지인 폴리프로필렌과 열경화성 수지인 에폭시이다. 다구찌 실험계획법을 이용해서 실험을 단순화 하였으며, 실험결과 인장강도, 탄성계수, 총 충격흡수에너지, 열 방출율에 대한 최적의 복합재료 제조 조건을 얻을 수 있었다.
This paper deals with the study of mechanical properties and impact energy absorbed by composites, made by using thermoplastic and thermoset as matrix, flax fiber and nanoclay as reinforcements. The nanoclay was sprayed on the fiber laminate directly after mixing with ethanol. This experiment design...
This paper deals with the study of mechanical properties and impact energy absorbed by composites, made by using thermoplastic and thermoset as matrix, flax fiber and nanoclay as reinforcements. The nanoclay was sprayed on the fiber laminate directly after mixing with ethanol. This experiment designed by Taguchi method and have variable factors, i.e three types of fiber direction(F), three different nanoclay wt%(N) and three spray gun hole shapes(S). According to these conditions, composites were made and the optimum conditions were found to be F1N3S1, F1N2S1, F1N2S1 and F3N2S1 for thermoplastic, and F1N3S2, F1N3S2, F1N2S2 and F3N2S1 for thermoset which were matched with tensile strength, modulus, total impact absorbed energy and heat release rate respectively.
This paper deals with the study of mechanical properties and impact energy absorbed by composites, made by using thermoplastic and thermoset as matrix, flax fiber and nanoclay as reinforcements. The nanoclay was sprayed on the fiber laminate directly after mixing with ethanol. This experiment designed by Taguchi method and have variable factors, i.e three types of fiber direction(F), three different nanoclay wt%(N) and three spray gun hole shapes(S). According to these conditions, composites were made and the optimum conditions were found to be F1N3S1, F1N2S1, F1N2S1 and F3N2S1 for thermoplastic, and F1N3S2, F1N3S2, F1N2S2 and F3N2S1 for thermoset which were matched with tensile strength, modulus, total impact absorbed energy and heat release rate respectively.
첨가형 난연제로 쓰이는 나노클레이는 어느정도 분산성이 있을경우, 가소화 역할을 하게 되며 그렇지 못한 경우는 충전재로만 사용하게 된다. 따라서, 이번 연구에서는 다구찌 실험계획법에 따라서 나노클레이를 분산성이 다른 세 가지 방법으로 아마섬유에 분사한 뒤, 아마섬유를 이용해서 복합재료를 제조하였으며 인장, 충격 및 연소시험을 통해서 그 특성을 평가하는 연구를 진행하였다.
제안 방법
나노클레이의 첨가량 및 아마섬유에서 나노클레이의 분산성에 따른 연소특성을 확인하기 위해서 콘 모양 히터의 열원 하에서 시험편에서 발생하는열방출율, 연기발생률, 착화시간, 산소 소모량, 일산화 및 이산화탄소의 생성량, 질량감소율 등을 측정하는 콘칼로리미터 시험(Cone calorimeter test)을 실시했다. ASTM standard E1354에 의거하여 제작된 콘칼로리미터 시험기를 사용했고, 90 mm×90 mm으로 절단하여 시편을 제작했다.
섬유에 나노클레이를 분사하는 방법으로 나노클레이를 에탄올과 혼합시켜 혼합액을 만든 후 스프레이건을 사용해 섬유에 직접 분사하는 방법을 사용했다. 스프레이를 사용해 분사 할 때 분사구의 형상를 변경시켜 분사했다.
섬유에 나노클레이를 분사하는 방법으로 나노클레이를 에탄올과 혼합시켜 혼합액을 만든 후 스프레이건을 사용해 섬유에 직접 분사하는 방법을 사용했다. 스프레이를 사용해 분사 할 때 분사구의 형상를 변경시켜 분사했다. Fig.
대상 데이터
또한 시트(Sheet) 형태의 폴리프로필렌(Poly propylene, Moplen RP241G, LyondellBasell Industries)과 에폭시수지(epoxy resin)를 각각 기지재로 하여 복합재료를 제조했다.
아마섬유 강화 복합재료에 첨가할 나노클레이(Nanoclay)의 경우 nanoclay particles(SiO2 Nanolin DK1 series from the Zhejdiang FH nanoclay Chemical Technology Company)를 사용했다. 이 나노클레이의 평균 직경과 밀도는 각각 25 nm, 0.
이론/모형
낙추 충격시험은 ASTM standard D7136/D7136M-12을 참고하여 실시했다. 시험장비는 Imatek drop weight impact tester IM10-20을 사용했고, 시편 중 가장 충격에 약한 단방향 직조섬유 복합재료에 대한 시험을 미리 실시하여 최대한 견딜 수 있는 낙하에너지 7.
성능/효과
연소 특성에서 폴리프로필렌 기지재 복합재료와 에폭시 기지재 복합재료의 최적조건은 동일하게 나타났고, 가장 큰 영향을 미치는 요인으로는 폴리프로필렌 기지재 복합재료의 경우 나노클레이의 첨가량이고, 에폭시 기지재 복합재료의 경우에는 섬유의 방향성임을 확인할 수 있었다.
인장강도와 탄성계수, 총 충격흡수에너지와 같은 기계적 물성에 가장 큰 영향을 준 요인은 섬유의 방향성에 대한 요인으로 세 수치 모두 일방향 섬유 복합재료를 사용하였을 때 최적의 조건임을 나타냈다. 다른 두 요인은 섬유 방향성에 비해 그 영향이 매우 낮은 것을 확인할 수 있었다.
충격 흡수에너지의 경우, 섬유의 방향성, 나노클레이의 첨가량이, 분사구의 형태와 관계없이 Falx/PP와 Flax/Epxoy 복합재료의 충격 흡수에너지는 비슷하게 나타났으며, 이를 통해 세 인자가 충격 흡수에너지에 영향을 주지 않음을 알 수 있다. S/N비의 경우, Flax/Epoxy 복합재료에서 가장 높게 나타났는데, 그 이유는 제조과정에서, 섬유의 방향성에 따른 시편의 두께차이에 의한 영향으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 섬유에 나노클레이를 분사하기 위해 어떤 방법을 사용했는가?
섬유에 나노클레이를 분사하는 방법으로 나노클레이를 에탄올과 혼합시켜 혼합액을 만든 후 스프레이건을 사용해 섬유에 직접 분사하는 방법을 사용했다. 스프레이를 사용해 분사 할 때 분사구의 형상를 변경시켜 분사했다.
바이오 복합재료가 개발된 이유는 무엇인가?
기존의 복합재료는 자연환경 내에서 쉽게 분해되지 않고, 재활용도 어려운 일반 보강재 및 충진재를 포함하고 있으며, 환경에 대한 사회적 인식의 변화 및 이에 따른 규제의 강화에 따라 이러한 소재의 활용이 점점 제한을 받기 시작했다. 이를 극복하기 위해 개발된 것이 아마(flax), 대마(hemp) 등의 천연섬유를 보강재로 사용한 바이오 복합재료(bio composites)이다.
콘칼로리미터 시험은 무엇을 측정하는가?
나노클레이의 첨가량 및 아마섬유에서 나노클레이의 분산성에 따른 연소특성을 확인하기 위해서 콘 모양 히터의 열원 하에서 시험편에서 발생하는열방출율, 연기발생률, 착화시간, 산소 소모량, 일산화 및 이산화탄소의 생성량, 질량감소율 등을 측정하는 콘칼로리미터 시험(Cone calorimeter test)을 실시했다. ASTM standard E1354에 의거하여 제작된 콘칼로리미터 시험기를 사용했고, 90 mm×90 mm으로 절단하여 시편을 제작했다.
참고문헌 (3)
Im, K.H., Park, N.S., Kim, Y.N., Kim, S.K., Sim, J.K., and Yang, I.Y., "Fracture Mechanism and Characterizaion of Falling Weight Impact in CF/Epoxy Composite Plates under Lowvelocity Impact," Korea Society for Composites Materials, Vol. 17, No. 4, 2007, pp 53-61
Yoo, S.Y., Kim, J.H., and Jeon, J.Y., "Evaluation of Impact sound Reduction in Floor Structure Using Taguchi Method," Conference of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 2010, pp. 535-536.
Cung, Y.-J., "Combustion Properties of Ethylene - Propylene Dienemonomer/polyprolylene/clay Nanocomposites Based on EDPM/PP," Journal of the Korean Oil Chmistes' Society, Vol. 28, No. 4, 2011, pp. 410-417.
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