[국내논문]탈크 및 유리단섬유로 강화된 폴리프로필렌 복합재료의 기계적 물성 예측 모델 개발 Development of a Prediction Model for the Mechanical Properties of Polypropylene Composites Reinforced by Talc and Short Glass Fibers원문보기
본 연구에서는 입자형태인 두 가지 이상의 강화제가 기지 내에 무작위로 분포하여 하이브리드 복합재료를 이룰 때, 강화제의 함유량에 따른 복합재료의 인장강도 및 탄성계수를 예측할 수 있는 이론 모델을 제안하였다. 이를 위하여 연속적인 두 강화제가 기지 내에 평행하게 분포한 복합재료 모델에 입자형태의 한 가지 강화제가 무작위하게 분포한 복합재료 모델을 수정 적용하였다. 본 연구에서 제안한 모델의 정확성과 타당성을 논의하기 위해, 산업체에서 널리 쓰이고 있는 폴리프로필렌을 기지로 하고, 탈크와 유리단섬유를 서로 다른 강화제로 한 복합재료를 제작하여 인장강도 및 탄성계수를 측정하였다. 인장강도 값을 예측하는 경우, 이전의 이론 모델이 실험 측정값과 7배 이상의 오차를 보이는 반면 본 연구의 모델은 비슷한 값을 예측하였다. 탄성계수의 경우에도 본 연구의 모델은 비교적 정확하게 실험 측정 값을 예측할 수 있었다.
본 연구에서는 입자형태인 두 가지 이상의 강화제가 기지 내에 무작위로 분포하여 하이브리드 복합재료를 이룰 때, 강화제의 함유량에 따른 복합재료의 인장강도 및 탄성계수를 예측할 수 있는 이론 모델을 제안하였다. 이를 위하여 연속적인 두 강화제가 기지 내에 평행하게 분포한 복합재료 모델에 입자형태의 한 가지 강화제가 무작위하게 분포한 복합재료 모델을 수정 적용하였다. 본 연구에서 제안한 모델의 정확성과 타당성을 논의하기 위해, 산업체에서 널리 쓰이고 있는 폴리프로필렌을 기지로 하고, 탈크와 유리단섬유를 서로 다른 강화제로 한 복합재료를 제작하여 인장강도 및 탄성계수를 측정하였다. 인장강도 값을 예측하는 경우, 이전의 이론 모델이 실험 측정값과 7배 이상의 오차를 보이는 반면 본 연구의 모델은 비슷한 값을 예측하였다. 탄성계수의 경우에도 본 연구의 모델은 비교적 정확하게 실험 측정 값을 예측할 수 있었다.
In this paper, we developed a theoretical model which is able to predict the tensile strength and elastic modulus of hybrid composites reinforced by two types of randomly distributed discontinuous reinforcements. For this, we considered two known models; One is a prediction model based on the assump...
In this paper, we developed a theoretical model which is able to predict the tensile strength and elastic modulus of hybrid composites reinforced by two types of randomly distributed discontinuous reinforcements. For this, we considered two known models; One is a prediction model based on the assumption that the composite is reinforced by two types of well aligned continuous reinforcements. The other is a statistical model for the composite which is reinforced by only one type of randomly distributed discontinuous reinforcements. In order to evaluate the validity of accuracy of our prediction model, we measured the strength and elastic modulus of polypropylene hybrid composite reinforced by talc and short glass fiber. We found that the present model drastically enhances the accuracy of strength prediction compared to an existing model, and predicts the elastic modulus within the same order with experimentally measured values.
In this paper, we developed a theoretical model which is able to predict the tensile strength and elastic modulus of hybrid composites reinforced by two types of randomly distributed discontinuous reinforcements. For this, we considered two known models; One is a prediction model based on the assumption that the composite is reinforced by two types of well aligned continuous reinforcements. The other is a statistical model for the composite which is reinforced by only one type of randomly distributed discontinuous reinforcements. In order to evaluate the validity of accuracy of our prediction model, we measured the strength and elastic modulus of polypropylene hybrid composite reinforced by talc and short glass fiber. We found that the present model drastically enhances the accuracy of strength prediction compared to an existing model, and predicts the elastic modulus within the same order with experimentally measured values.
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문제 정의
본 논문에서는 두 가지 강화제가 서로 다른 중량비로 첨가되었을 때, 하이브리드 복합재료의 인장강도 및 탄성계수의 값을 예측하는 모델을 기존 모델에 대한 수정을 통해 제안하였으며, 이를 실험적 측정을 통해 검증하였다. 이를 위해 먼저, 탈크 또는 유리단섬유만을 추가했을 때의 인장강도 및 탄성계수의 변화를 측정하여, 기존 이론과 비교하였으며, 탈크와 유리단섬유를 모두 추가했을 때의 인장강도 및 탄성계수의 변화를 측정하여, 본 논문에서 제안한 모델과 비교 분석하였다.
본 연구에서는 고분자 기지에 두 가지 서로 다른 강화제가 함께 첨가되었을 때, 하이브리드 복합재료의 강도 및 탄성계수(Young 계수)를 예측하는 이론적 모델을 제안하고 이를 실험적 방법으로 검증하고자 한다. 이를 위해서 고분자 기지로는 좋은 성형성과 저렴한 가격으로 인해 실생활과 더불어 많은 산업분야에서 사용되고 있는 폴리프로필렌을 사용하였으며, 두 가지 강화제로는 낮은 단가와 높은 제작성으로 복합재료 제작에 널리 이용되고 있는 탈크(Talc)와 유리단섬유(Short glass fiber)를 사용하였다.
본 연구에서는 입자형태인 두 가지 이상의 강화제가 기지 내에 무작위로 분포하여 하이브리드 복합재료를 이룰 때, 강화제의 함유량에 따른 복합재료의 인장강도 및 탄성계수를 예측할 수 있는 이론 모델을 제안하였다. 이를 위하여 연속적인 두 강화제가 기지 내에 평행하게 분포한 복합재료 모델에 입자형태의 한 가지 강화제가 무작위하게 분포한 복합재료 모델을 수정 적용하였다.
가설 설정
Zweben은 두 종류의 연속적인 장섬유로 강화된 하이브리드 복합재료의 파괴변형률을 통계적인 방법을 통해 예측하였으며[6], Fukuda는 이를 이론적으로 수정하였다[7]. 두 연구자 공히 장섬유 및 복합재가 완전탄성의 거동을 보인다는 것을 가정하는 것으로부터 이론식을 전개하였다. 이들 이론에서는 장섬유를 낮은 연신율을 갖는 장섬유(Lowelongation fiber; LEF)와 높은 연신율을 갖는 장섬유(Highelongation fiber; HEF)로 구분하여 인장강도 및 탄성계수를전개하였으나, 본 논문에서는 고강도 강화제(High-strength reinforcement; HSR)과 저강도 강화제(Low-strength reinforcement; LSR)로 구분하였다.
탄성계수를 예측한 경우에도 본 연구의 모델은 비교적 정확하게 실험 측정값을 예측할 수 있었다. 보다 많은 강화제의 특성을 고려해서 본 연구에서 제안한 이론 모델의 가정을 정교화함으로써, 보다 정확한 인장강도 및 탄성계수의 예측이 가능할 것이다.
제안 방법
본 실험에서는 EXTRUSION SYSTEMS, INC사에서 만든 RANDCASTLE 압출성형장비를 사용하여 펠릿(Pellet) 형태로 제공된 원재료를 필름(Film) 형태로 뽑아냈으며, 가열 압착기(Hot press)로 직사각형 몰드에 쌓은 필름을 섭씨 225도, 7 MPa 압력조건에서 녹인 다음, 같은 압력조건에서 섭씨 120도 이하의 온도조건에서 약 40분간 천천히 냉각하였다. 마지막으로 CNC 가공을 통해 ASTM D638 규격의 시편을 제작하였으며, 가공된 시편은 INSTRON 5982 장비를 통해 상온에서 5 mm/min의 시간에 따른 변형률을 인가하여 인장물성치를 측정하였다.
본 실험에서는 현대에서 제조된 B320으로 배합된 폴리프로필렌과, 롯데케미칼에서 제조된 탈크와 유리단섬유를 사용하였으며, 인장 시편은 ASTM D638 규격으로 제작하였다. 본 실험에서는 EXTRUSION SYSTEMS, INC사에서 만든 RANDCASTLE 압출성형장비를 사용하여 펠릿(Pellet) 형태로 제공된 원재료를 필름(Film) 형태로 뽑아냈으며, 가열 압착기(Hot press)로 직사각형 몰드에 쌓은 필름을 섭씨 225도, 7 MPa 압력조건에서 녹인 다음, 같은 압력조건에서 섭씨 120도 이하의 온도조건에서 약 40분간 천천히 냉각하였다. 마지막으로 CNC 가공을 통해 ASTM D638 규격의 시편을 제작하였으며, 가공된 시편은 INSTRON 5982 장비를 통해 상온에서 5 mm/min의 시간에 따른 변형률을 인가하여 인장물성치를 측정하였다.
이 과정에서 인장강도 등의 강화제 자체의 물성치는 사용되지 않았다. 본 연구에서 제안한 모델의 정확성과 타당성을 논의하기 위해, 산업체에서 널리 쓰이고 있는 폴리프로필렌을 기지로 하고, 탈크와 유리단섬유를 서로 다른 강화제로 한 복합재료를 제작하여 인장강도 및 탄성계수를 측정하였다. 인장 강도 값을 예측하는 경우, 이전의 이론 모델이 실험 측정값과 7배 이상의 오차를 보이는 반면 본 연구의 모델은 비슷한 값을 예측하였다.
본 연구에선, 기존에 존재하는 두 종류의 연속적인 장섬유와 고분자기지로 이루어진 하이브리드 시스템에서 통계적으로 유도되는 모델링 방정식[6,7]과, 한 종류의 비연속적인 단섬유가 무작위로 배열된 복합재료 모델링 방정식[10,11]을 융합시켜, 입자형태를 갖는 두 종류의 강화제가 첨가된 하이브리드 복합재의 인장강도 및 탄성계수를 예측하는 모델링 방정식을 유도하였다.
한편, Fu 등은 유리단섬유와 탄소단섬유(Short carbon fiber)로 강화된 폴리프로필렌 하이브리드 복합재료에 대한 연구에서, 탄소단섬유의 부피비가 증가함에 따라 인장강도 및 탄성계수가 향상됨을 보고하였다[5]. 역시 같은 논문에서는 혼합비 법칙(Rule of hybrid mixture)을 제안하여 실험값과 비교 분석하였다. 한편, Zweben은 서로 다른 연속적인 장섬유(Long fiber)로 강화된 하이브리드 복합재료에 대한 모델링을 통해 파괴변형율을 예측하였으며[6] Fukuda는 이를 이론적으로 수정하여 하이브리드 복합재의 기계적 거동을 예측하였다[7].
두 연구자 공히 장섬유 및 복합재가 완전탄성의 거동을 보인다는 것을 가정하는 것으로부터 이론식을 전개하였다. 이들 이론에서는 장섬유를 낮은 연신율을 갖는 장섬유(Lowelongation fiber; LEF)와 높은 연신율을 갖는 장섬유(Highelongation fiber; HEF)로 구분하여 인장강도 및 탄성계수를전개하였으나, 본 논문에서는 고강도 강화제(High-strength reinforcement; HSR)과 저강도 강화제(Low-strength reinforcement; LSR)로 구분하였다. 자세한 이론식 유도는 참고 문헌 6, 7에 기술되어 있으므로, 본 논문에서는 결과값을 위주로 서술하였다.
본 연구에서는 입자형태인 두 가지 이상의 강화제가 기지 내에 무작위로 분포하여 하이브리드 복합재료를 이룰 때, 강화제의 함유량에 따른 복합재료의 인장강도 및 탄성계수를 예측할 수 있는 이론 모델을 제안하였다. 이를 위하여 연속적인 두 강화제가 기지 내에 평행하게 분포한 복합재료 모델에 입자형태의 한 가지 강화제가 무작위하게 분포한 복합재료 모델을 수정 적용하였다. 이 과정에서 인장강도 등의 강화제 자체의 물성치는 사용되지 않았다.
본 논문에서는 두 가지 강화제가 서로 다른 중량비로 첨가되었을 때, 하이브리드 복합재료의 인장강도 및 탄성계수의 값을 예측하는 모델을 기존 모델에 대한 수정을 통해 제안하였으며, 이를 실험적 측정을 통해 검증하였다. 이를 위해 먼저, 탈크 또는 유리단섬유만을 추가했을 때의 인장강도 및 탄성계수의 변화를 측정하여, 기존 이론과 비교하였으며, 탈크와 유리단섬유를 모두 추가했을 때의 인장강도 및 탄성계수의 변화를 측정하여, 본 논문에서 제안한 모델과 비교 분석하였다.
그러나, 본 연구에서 사용한 강화제는 연속적이지 않으며 또한 일정한 방향성을 가지고 배열되어 있지 않기 때문에, 강화제로서 불연속적인 단섬유(혹은 탈크)를 고려할 수 있도록 식 (11)을 수정하여야 한다. 이를 위해, Chen[10]과 Lees[11]가 불연속적인 한 가지 단섬유에 대해서 각각 독립적으로 제안한 모델링 방정식에, 두 가지 강화제가 서로 독립적으로 거동한다는 가정을 추가 함으로써, 두 가지 강화제가 포함된 하이브리드 복합재에 적용되도록 수정하였다. 이들의 모델링 방정식은 Jackson과 Cratchley가 언급한 불연속적인 강화제로 강화된 복합재는 강화제가 배열된 방향에 따라 복합재가 부서지는 메커니즘을 3가지로 분류 할 수 있다는 것에 이론적 배경을 두고 있으며 식 (12)가 이를 나타낸다[14].
본 연구에서 사용한 복합재료 및 하이브리드 복합재료의 구성비를 Table 1에 나타내었다. 탈크 및 유리단섬유의 질량비의 차이에 따라 총 11가지 구성비를 고려하였으며, 각 구성비에 대해 최소 5개의 시편을 제작하여 인장 실험을 진행하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 강화제가 첨가되지 않은 순수 폴리프로필렌을 0번, 탈크만을 추가한 복합재료를 1~3번, 유리단섬유만을 추가한 복합재료는 4~6번, 탈크 및 유리단섬유를 모두 추가한 하이브리드 복합재료는 7~10번의 번호를 부여하였다.
이를 위해서 고분자 기지로는 좋은 성형성과 저렴한 가격으로 인해 실생활과 더불어 많은 산업분야에서 사용되고 있는 폴리프로필렌을 사용하였으며, 두 가지 강화제로는 낮은 단가와 높은 제작성으로 복합재료 제작에 널리 이용되고 있는 탈크(Talc)와 유리단섬유(Short glass fiber)를 사용하였다. 탈크와 유리단섬유의 중량비의 변화에 따른, 하이브리드 복합재료의 강성 및 탄성 값을 예측하는 모델을 제안하고 이를 실험 측정을 통해 검증하였다.
한편, 본 논문에서는 두 종류의 강화제가 독립적으로 거동한다는 가정하에 식 (13)에서 τm을 LSR 복합재의 전단강도 τcL로, σm을 혼합법칙으로 유도된 σ'cL로, σ'c 대신 하이브리드 복합재의 인장강도 σhH로 각각 대체하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 현대에서 제조된 B320으로 배합된 폴리프로필렌과, 롯데케미칼에서 제조된 탈크와 유리단섬유를 사용하였으며, 인장 시편은 ASTM D638 규격으로 제작하였다. 본 실험에서는 EXTRUSION SYSTEMS, INC사에서 만든 RANDCASTLE 압출성형장비를 사용하여 펠릿(Pellet) 형태로 제공된 원재료를 필름(Film) 형태로 뽑아냈으며, 가열 압착기(Hot press)로 직사각형 몰드에 쌓은 필름을 섭씨 225도, 7 MPa 압력조건에서 녹인 다음, 같은 압력조건에서 섭씨 120도 이하의 온도조건에서 약 40분간 천천히 냉각하였다.
본 연구에서는 고분자 기지에 두 가지 서로 다른 강화제가 함께 첨가되었을 때, 하이브리드 복합재료의 강도 및 탄성계수(Young 계수)를 예측하는 이론적 모델을 제안하고 이를 실험적 방법으로 검증하고자 한다. 이를 위해서 고분자 기지로는 좋은 성형성과 저렴한 가격으로 인해 실생활과 더불어 많은 산업분야에서 사용되고 있는 폴리프로필렌을 사용하였으며, 두 가지 강화제로는 낮은 단가와 높은 제작성으로 복합재료 제작에 널리 이용되고 있는 탈크(Talc)와 유리단섬유(Short glass fiber)를 사용하였다. 탈크와 유리단섬유의 중량비의 변화에 따른, 하이브리드 복합재료의 강성 및 탄성 값을 예측하는 모델을 제안하고 이를 실험 측정을 통해 검증하였다.
이론/모형
이때 강화된 하이브리드 복합재의 최대(Upper bound) 인장강도는 아래의 식으로 주어지는데, 식 (4)는 Zweben에 의해 제안된 초기 식이며, 식 (5)는 Fukuda에 의해 수정 제안된 식이다. Fukuda는 응력집중계수를 다르게 정의함으로써 식 (4)를 수정하였으며, 본 연구에서는 Fukuda의 제안식을 사용하였다.
>는 하이브리드 복합재료 내의 불연속적인 강화제가 불규칙적으로 배열되어 있을 때, 평균인장 탄성계수를 의미한다. 본 연구에서 식 (16)의 값은 고차 Newton- Cotes 공식을 사용하여 수치적분 하였다.
성능/효과
Table 3과 Fig. 3에서 보는 바와 같이, 강화제의 종류와상관 없이, 강화제의 중량비가 증가하면 탄성계수 또한 증가하였다. 탄성계수의 증가 정도는 측정한 모든 중량비에 대해서 유리단섬유를 강화제로 사용한 경우가 탈크를 강화제로 사용한 경우에 비해서 더 컸다.
2와 Table 2에서 보는 바와 같이 탈크의 경우(시편 1-3)에는, 탈크의 중량비가 증가함에 따라 인장강도는 감소하는 반면 탄성계수는 증가하였다. 반면, 유리단 섬유로 강화한 경우(시편 4-6)에는, 소량의 유리단섬유가 첨가되었을 때 인장강도가 약간 감소하였으나, 첨가 중량비가 증가함에 따라 인장강도가 증가하였으며, 탄성계수의 경우는 인장강도와 달리 초기값의 감소 없이 강화제의 중량비가 증가함에 따라 함께 증가하였다.
vp는 폴리프로필렌의 프와송비(Poisson ratio)이다. 본 연구에선, 5 wt%, 7 wt%, 10wt%의 중량비로 강화제를 추가했으므로 이를 부피비로 환산하면, 탈크로 강화된 복합재의 경우 각각 1.8 vol%, 2.5 vol%, 3.75 vol%에 대응하며 유리섬유로 강화된 복합재의 경우 각각 1.88 vol%, 2.67 vol%, 3.89 vol%에 대응한다.
그러나 실험값의 경향성을 완벽하게 묘사하는 데에는 한계가 있었다. 탄성계수를 예측한 경우에도 본 연구의 모델은 비교적 정확하게 실험 측정값을 예측할 수 있었다. 보다 많은 강화제의 특성을 고려해서 본 연구에서 제안한 이론 모델의 가정을 정교화함으로써, 보다 정확한 인장강도 및 탄성계수의 예측이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄성계수의 증가 정도가 모든 중량비에 대해서 유리단섬유를 강화제로 사용한 경우가 탈크를 강화제로 사용한 경우에 비해서 더 크게 나타난 이유는?
탄성계수의 증가 정도는 측정한 모든 중량비에 대해서 유리단섬유를 강화제로 사용한 경우가 탈크를 강화제로 사용한 경우에 비해서 더 컸다. 이는 유리단섬유가 탈크보다 크기가 더 크기 때문에 복합재 내에서 기지의 강성(Rigidity)을 더 크게 증가시켜 기지분자의 변형성(Deformability)를 감소시키기 때문이라 해석된다. 10 wt%의 강화제를 추가하였을 때, 유리단섬유의 경우 약 28% 정도의 탄성계수 증가의 효과를 나타낸 반면, 탈크의 경우는 약 17% 증가에 그쳤다.
복합재료는 어떠한 물질을 섞어 제작하는가?
고분자 기지(Polymer matrix)에 충전제(Fillers) 또는 강화제(Reinforcements)을 섞음으로써 만든 복합재료는 기지의 기계적 강도 및 탄성을 강화하기 위한 목적으로 제작되고 있다. 특히 고강도, 경량화, 고성형성, 다기능성을 요구하는 최근 산업계의 특성에 따라 여러 가지 강화제를 첨가하는 복합재료에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
고분자 기지로 폴리프로필렌을 사용한 이유는?
본 연구에서는 고분자 기지에 두 가지 서로 다른 강화제가 함께 첨가되었을 때, 하이브리드 복합재료의 강도 및 탄성계수(Young 계수)를 예측하는 이론적 모델을 제안하고 이를 실험적 방법으로 검증하고자 한다. 이를 위해서 고분자 기지로는 좋은 성형성과 저렴한 가격으로 인해 실생활과 더불어 많은 산업분야에서 사용되고 있는 폴리프로필렌을 사용하였으며, 두 가지 강화제로는 낮은 단가와 높은 제작성으로 복합재료 제작에 널리 이용되고 있는 탈크(Talc)와 유리단섬유(Short glass fiber)를 사용하였다. 탈크와 유리단섬유의 중량비의 변화에 따른, 하이브리드 복합재료의 강성 및 탄성 값을 예측하는 모델을 제안하고 이를 실험 측정을 통해 검증하였다.
참고문헌 (14)
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Thomason, J.L., Vlug, M.A., Schipper, G., and Krikor, H.G.L.T., "Influence of Fibre Length and Concentration on the Properties of Glass Fibre-reinforced Polypropylene, Part3: Strength and Strain at Failure," Composites: Part A, Vol. 27A, 1996, pp. 1075-1084.
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Jackson, P.W., and Cratchley, D., "The Effect of Fibre Orientation on the Tensile Strength of Fibre Reinforced Metals," Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 14, 1966, pp. 49-64.
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