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문제 정의
- [8,9] 본 연구에서는 기계적 성질이 우수하다고 알려져 있는 polyamide와 polyetherimide 테 뿐 아니라 코팅이 되어 있는 cellulose acetate의 실생활에서 노출될 수 있는 특정온도 범위(−25℃, 25℃, 60℃)에서 탄성률(Young율), 응력(Stress)-변형(Strain) 거동, 그리고 피로 거동 변화를 알아보고자 하였다.
- [8] 본 연구에서는 cellulose acetate, polyamide, epoxy 그리고 polyetherimide 등 소재의 이론적인 물성과 실제 안경테로 제작되었을 때의 물성을 비교하여 보고자하였다.
- 본 연구에서는 고분자 소재 안경테의 인장시험을 통해 온도에 따른 소재별 기계적 물성의 변화를 알아보았다. 고분자 시편의 응력변형의 변화를 만능재료 시험기를 사용하여 측정하고 특정응력에서 내구성시험을 위해 피로도를 측정하였다.
제안 방법
- 하중은 1800N(200 kgf), 인장속도는 10 mm/min으로 설정하여 측정하였다. 각 소재별 응력(Stress)-변형(Strain) 거동 그래프를 통해 탄성변형 구간과 소성변형 구간을 비교하였고, 탄성변형 구간의 영률, 최대 인장강도와 최대변위를 계산하였다. 반복현상(피로) 후탄성을 측정하기 위해 만능 재료 시험기의 최대하중을 196 N(20 kgf)으로 소재마다 20회씩 반복해서 인장시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 고분자 소재 안경테의 인장시험을 통해 온도에 따른 소재별 기계적 물성의 변화를 알아보았다. 고분자 시편의 응력변형의 변화를 만능재료 시험기를 사용하여 측정하고 특정응력에서 내구성시험을 위해 피로도를 측정하였다. 그 결과 소재별로 온도에 따른 탄성 시험에서는 acetate 소재가 온도에 의한 변위 차가 4.
- 각 소재별 응력(Stress)-변형(Strain) 거동 그래프를 통해 탄성변형 구간과 소성변형 구간을 비교하였고, 탄성변형 구간의 영률, 최대 인장강도와 최대변위를 계산하였다. 반복현상(피로) 후탄성을 측정하기 위해 만능 재료 시험기의 최대하중을 196 N(20 kgf)으로 소재마다 20회씩 반복해서 인장시험을 실시하였다. 단, 매 회 측정 간격은 5분으로 하였다.
- 안경테를 오븐 또는 냉동고에 3시간 위치하여 시료의 온도가 −25℃, 25℃, 60℃에 도달한 뒤 만능 재료 시험기(Universal Test Machine TO-100-IC)를 이용하여 인장시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 안경테 소재는 시중에 판매되고 있는 4개의 고분자 소재(cellulose acetate, polyamide, epoxy, polyetherimide(PEI))의 다리(temple)를 4 cm 길이로 잘라 시료로 만들어 사용하였다.
성능/효과
- epoxy 테도 다른 소재와 마찬가지로 인장시험을 20회 반복하는 동안 변위가 점점 증가하는 추세를 보였다. 1회 시험 후에 0.55 mm의 최소 변위가 나타났고 최대 변위는 19회 시험 결과인 0.91 mm로 확인되었다. 최종 시료의 길이는 20회 반복시험 후 1.
- 2 mm로 나타났다. 20회 시험 이후 시료의 길이가 2.3 mm가 늘어난 4.23 cm로 확인되었다. epoxy 테도 다른 소재와 마찬가지로 인장시험을 20회 반복하는 동안 변위가 점점 증가하는 추세를 보였다.
- Polyamide는 반복되는 인장시험에 따라 응력에 의한 변위 차가 증가하여 그래프의 기울기가 줄어들었다. 20회의 반복되는 인장시험에서 규칙적이지 않은 거동을 보였으며, 최소 변위는 1.1 mm, 최대 변위는 2.2 mm로 나타났다. 20회 시험 이후 시료의 길이가 2.
- [12-14] Fig. 3에 나타난 바와 같이 안경테에 사용되는 고분자 시료를 이용하여 탄성 정도의 분석이 가능하며 그 결과 소재별 탄성의 정도와 반복사용에 의한 소재의 탄성 열화가 크게 달라지는 것으로 나타났다.
- 이는 acetate의 강도가 더 약해서 변형이 쉽게 일어나지만 연신율이 높은 반면에 polyamide는 acetate보다 강도가 강하지만 연신율이 낮기 때문으로 사료된다. Epoxy와 PEI는 acetate와 polyamide보다 최대 인장강도와 영률 모두 더 큰 것으로 보아 강하고 단단한 소재라는 것을 알 수 있었다.[4]
- 12 cm로 확인되었다. PEI 테도 20회를 반복하여 시험하는 동안 변위가 점점 증가하는 추세를 보였으며 1회 시험 결과 변위가 0.33 mm이고 최대 변위는 19회에 0.83 mm로 나타났다. 시험 이후 최종 시료의 길이가 1 mm가 늘어난 4.
- 1에 나타낸 바와 같이 인장하중에 따른 변위로 상온에서의 재료 각각의 탄성 특성을 알 수 있는데 polyamide와 acetate에 비해 PEI와 epoxy는 같은 인장하중에 따른 변위가 더 작은 것으로 나타났다. Polyamide와 acetate는 각각 511 N과 370 N에서 소성변형을 일으키고 파괴되었으며 epoxy와 PEI는 계속해서 응력과 비례하는 탄성변형을 일으킨 후 각각 1076N, 1220N에서 소성 변형이 나타났다. Polyamide와 epoxy는 최대 변위는 비슷하지만 Table 1에 나타난 바와 같이 실온에서 epoxy의 인장강도가 더 큰 것으로 나타나 일반적인 탄성거동을 보였다.
- 시험에 사용한 고분자 소재들은 공통적으로 온도가 증가 할수록 영률이 감소하고 연신율이 증가한다는 것에서 탄성체의 일반적인 물성이 확인되었다.[7] 각 소재별로 최대 인장하중을 196 N로 20회 인장시험을 했을 때, 연신율이 증가한다는 것이 확인되었다. 강도가 가장 약한 acetate소재는 11번째 반복시험에서 파괴되었고, 다른 소재의 고분자는 20회의 반복시험에서도 파괴되지 않았다.
- [9] Acetate는 −25℃에 노출되었을 때 최대 인장강도가 크고 25℃일 때 가장 작았다.
- 23 cm로 확인되었다. epoxy 테도 다른 소재와 마찬가지로 인장시험을 20회 반복하는 동안 변위가 점점 증가하는 추세를 보였다. 1회 시험 후에 0.
- Table 2에서 acetate의 온도별 영률의 변화는 온도가 증가할수록 작아지는 것을 알 수 있다. polyamide와 epoxy, PEI도 고온에 노출될수록 응력에 대한 변위가 큰 것으로 나타났고 영률은 온도가 높을수록 작게 나타났다(Fig. 2(b)-(d)).
- [7] 각 소재별로 최대 인장하중을 196 N로 20회 인장시험을 했을 때, 연신율이 증가한다는 것이 확인되었다. 강도가 가장 약한 acetate소재는 11번째 반복시험에서 파괴되었고, 다른 소재의 고분자는 20회의 반복시험에서도 파괴되지 않았다. 고분자의 반복시험에 의한 피로파괴는 내부의 피로 누적, 균열발생, 전파와 같은 전형적인 피로과정의 결과라기보다는 물질의 연성화로 인해 일어난다.
- 고분자 시편의 응력변형의 변화를 만능재료 시험기를 사용하여 측정하고 특정응력에서 내구성시험을 위해 피로도를 측정하였다. 그 결과 소재별로 온도에 따른 탄성 시험에서는 acetate 소재가 온도에 의한 변위 차가 4.91 mm로 가장 커서 물성에 미치는 온도 영향이 크다는 것을 알 수 있었다. 다른 소재들은 1 mm 내외의 차이를 보여 acetate에 비해 변화가 크지 않음을 알 수 있었다.
- Polyamide, epoxy 그리고 PEI는 온도에 의한 변위의 차이가 1 mm 내외이고 영률에 미미한 변화가 있었다. 그러나 acetate는 다른 소재와는 달리 변위의 차가 4배 이상인 4.91 mm로 실험에 사용된 재료 중에서 가장 온도에 민감한 것으로 나타났다. 본 실험에는 고분자 위에 코팅이된 시중에 판매되는 안경테의 다리부분(Temple)을 이용하였지만 탄성체의 온도 변화에 따른 물성의 변화는 고분자 재료의 일반적인 성질을 따르는 것을 알 수 있었다.
- 7 mm의 최대 변위의 차이를 보인다. 따라서 acetate 소재는 PEI보다 7배 polyamide보다 4배 이상 온도에 민감한 것으로 나타났다. 그러나 acetate와 polyamide의 최대 인장강도와 영률을 비교하면 큰 차이가 없었다.
- 마지막으로, PEI에서는 −25℃에 노출되었을 때 가장 크고 60℃일 때 가장 작게 나타났다(Fig. 2).
- 91 mm로 실험에 사용된 재료 중에서 가장 온도에 민감한 것으로 나타났다. 본 실험에는 고분자 위에 코팅이된 시중에 판매되는 안경테의 다리부분(Temple)을 이용하였지만 탄성체의 온도 변화에 따른 물성의 변화는 고분자 재료의 일반적인 성질을 따르는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구를 통해 acetate, polyamide, epoxy, PEI 소재의 인장강도, 연신율, 영률과 같은 물성 인자들이 사용온도와 사용기간에 따라서 변형이 다르게 일어나는 것을 알 수 있었다. 본 연구 결과로 cellulose acetate의 경우 기계적 물성이 약한 단점을 보완하기 위한 코팅을 거친 시료임에도 일정한 하중에 의한 연신율이 크고 피로도 정도가 다른 소재에 비해 약한 단점을 나타냈다. 특히 저온에서의 피로 거동에 나타난 바와 같이 acetate의 탄성이 저하되어 장기간 그리고 극한의 온도(저온과 고온)에서 사용되는 안경테로는 적합하지 않는 것으로 사료된다.
- [12,13] 따라서 고분자 소재는 반복된 사용으로 강도가 약해지고 연신율이 증가한 후 파괴되는 것으로 이해할 수 있다. 본 연구를 통해 acetate, polyamide, epoxy, PEI 소재의 인장강도, 연신율, 영률과 같은 물성 인자들이 사용온도와 사용기간에 따라서 변형이 다르게 일어나는 것을 알 수 있었다. 본 연구 결과로 cellulose acetate의 경우 기계적 물성이 약한 단점을 보완하기 위한 코팅을 거친 시료임에도 일정한 하중에 의한 연신율이 크고 피로도 정도가 다른 소재에 비해 약한 단점을 나타냈다.
- 2). 본 연구에 사용된 고분자 소재 중 acetate 소재가 온도에 의한 변위 차이가 가장 크게 나타났다. 실온에서 응력에 따른 변형의 거동은 크게 다르지 않지만, −25℃일 때와 와 60℃일 때의 최대 변위의 차이가 4.
- Acetate 소재는 다른 3가지 소재보다 반복되는 외부의 힘에 의해 쉽게 열화 되는 것을 알 수 있었다. 소재별 피로시험에서 반복된 하중에 의해 PEI, epoxy, poly-amide, acetate 순으로 변형이 쉽게 일어나는 것을 확인하였다.
- 다른 소재들은 1 mm 내외의 차이를 보여 acetate에 비해 변화가 크지 않음을 알 수 있었다. 시험에 사용한 고분자 소재들은 공통적으로 온도가 증가 할수록 영률이 감소하고 연신율이 증가한다는 것에서 탄성체의 일반적인 물성이 확인되었다.[7] 각 소재별로 최대 인장하중을 196 N로 20회 인장시험을 했을 때, 연신율이 증가한다는 것이 확인되었다.
- 91 mm로 확인되었다. 최종 시료의 길이는 20회 반복시험 후 1.2 mm가 늘어난 4.12 cm로 확인되었다. PEI 테도 20회를 반복하여 시험하는 동안 변위가 점점 증가하는 추세를 보였으며 1회 시험 결과 변위가 0.
- 6 mm로 파괴되었다. 파괴된 후 시료의 길이는 6.1 mm가 늘어나 최종적으로 4.61 cm로 확인되었다. Polyamide는 반복되는 인장시험에 따라 응력에 의한 변위 차가 증가하여 그래프의 기울기가 줄어들었다.
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