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문제 정의
- 본 연구에서는 한화 아즈델 사의 경량 복합재료의 구조를 참고하였으며 코어에 사용된 유리섬유 대신 황마 섬유를 사용하여 보다 친환경적인 복합재를 제작하고자 하였다. 구체적으로는 황마(Jute) 단섬유 강화 폴리유산(PLA) 코어를 연속 유리섬유 강화 폴리유산 외곽 스킨 사이에 삽입하여 샌드위치 복합재료를 제작하였으며 앞서 소개한 WS/PP 복합재와 비슷한 밀도를 갖도록 코어의 기공함량비를 조절하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 한화 아즈델 사의 경량 복합재료의 구조를 참고하였으며 코어에 사용된 유리섬유 대신 황마 섬유를 사용하여 보다 친환경적인 복합재를 제작하고자 하였다. 구체적으로는 황마(Jute) 단섬유 강화 폴리유산(PLA) 코어를 연속 유리섬유 강화 폴리유산 외곽 스킨 사이에 삽입하여 샌드위치 복합재료를 제작하였으며 앞서 소개한 WS/PP 복합재와 비슷한 밀도를 갖도록 코어의 기공함량비를 조절하였다. 황마 섬유 무게 비에 따른 굽힘 물성을 고려한 최적 혼합비를 결정하였고 파단면 관찰을 통해 황마 섬유 무게 비에 따른 상이점을 관찰하였으며 위 소재의 경제성을 분석하였다.
- 굽힘 시험을 마친 시편의 코어 파단부를 절단하여 전자 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, JSM-6700F model)으로 단면을 관찰하였다. Sputter-coating 방식으로 시편 표면에 백금을 코팅하였으며, SEM 구동 시의 가속 전압은 7.
- 2는 제작된 복합재료 시편에 대한 3점 굽힘 시험 모습이다. 만능 재료 시험기(UTM, LLOYD LR 50K model)를 사용하여 실험군 별로 최소 5개의 시편을 제작하여 굽힘 시험을 진행하였으며 cross-head speed는 2 mm/sec을 적용하였다. 3점 굽힘 시험을 수행한 시편의 일부는 코어의 비균질한 분포로 인해 중앙에서 벗어난 위치에 초기 파단이 생성되어 굽힘 물성이 저하되는 모습을 보였다.
- 시편의 밀도와 기공함량비(VCF, void content fraction)를 측정하였다. 코어에 포함된 기공함량비는 아래의 식 (1)을 통해 계산하였다[1,14].
- 외곽 스킨은 0.3 mm의 두께를 갖는 연속 유리섬유 강화 폴리유산 프리프레그를 0°/90° 방향으로 적층하였으며, 약 400 cm2의 표면적을 갖는 정방형으로 제작하였다.
- 실험에서 사용한 코어의 폴리유산/황마 조성을 Table 3에 정리하였다. 코어는 황마의 무게를 다르게 하여 총 7개의 실험군으로 구분하였으며, 황마 단섬유 무게 비에 따른 굽힘 물성의 변화를 관찰하고자 하였다. 유리섬유 강화 폴리유산 프리프레그로 제작한 외곽 스킨 주변으로 약 6 mm의 두께를 갖는 프레임을 얹고 혼합한 재료를 최대한 균일하게 스킨 위에 얹었다.
- 코어를 제작하기 위해서 황마와 폴리유산 분말을 혼합하였다. 폴리유산은 수분이 있는 환경에서는 수분에 의한 분해가 일어나기 때문에 건조 환경에서 혼합하였다.
- 황마 단섬유 강화 폴리유산 샌드위치 복합재를 제작하여 황마 단섬유 무게 비에 따라 기공 함량비 및 굽힘 특성의 변화를 관찰할 수 있었다. 밀도는 0.
- 황마 섬유 무게 비에 따른 굽힘 물성을 고려한 최적 혼합비를 결정하였고 파단면 관찰을 통해 황마 섬유 무게 비에 따른 상이점을 관찰하였으며 위 소재의 경제성을 분석하였다.
대상 데이터
- 5 wt.% 실험군의 데이터를 사용하였다.
- Fig. 1에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 제작된 샌드위치 패널 구조 복합재는 중심부의 황마 단섬유 강화 폴리유산 복합소재 코어 폼(Foam)과 외곽의 0°/90°로 교차 적층한 연속 유리섬유 강화 폴리유산 프리프레그 스킨으로 이루어져 있다.
- 경량 복합소재 코어의 기재로 사용된 폴리유산은 평균지름이 100 μm인 분말상을 사용하였으며 밀도는 1.24 g/cc이다.
이론/모형
- 굽힘 시험을 마친 시편의 코어 파단부를 절단하여 전자 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, JSM-6700F model)으로 단면을 관찰하였다. Sputter-coating 방식으로 시편 표면에 백금을 코팅하였으며, SEM 구동 시의 가속 전압은 7.30 kV의 값을 사용하였다.
- 각 실험군의 시편에 대한 3점 굽힘 시험은 ASTM 790 규격을 따라 수행하였다. Fig.
성능/효과
- 2 wt.% 이상의 황마 단섬유 무게 비를 갖는 실험군의 파단면에서는 분말 형태로 남아있는 폴리유산 수지를 확인할 수 있었는데 이는 수지 용융 시에 분말 형태의 수지 사이의 상호결합이 상대적으로 빈약하여 섬유와 수지 간의 충분한 결합이 이루어지지 못하였음을 나타낸다.
- 2 wt.%인 시편은 변형이 증가함에 따라 미소 균열이 산발적으로 발생하여 부하 증가율이 점진적으로 감소하지만 코어 내부에 높은 밀도로 존재하는 황마 단섬유에 의해 복합재의 코어부가 지지되어 하단부 스킨의 일방향 연속 유리섬유의 파손이 일어나기 전까지는 catastrophic failure가 일어나지 않는 양상을 보였다. 이와 비교하여, 섬유 무게 비 41.
- 67 wt.%인 코어 (a)에서는 황마 단섬유의 밀도가 다른 두 그룹과 비교하여 현저히 떨어지는 것과 공동이 상당한 부피를 차지하는 것을 확인할 수 있었으며, 황마단섬유가 균열 면에서 그대로 뽑혀 나와 기지 내에 전파되는 균열의 진행을 우회시키지 못하는 모습을 보였다.
- Fig. 8의 (a)는 샌드위치 복합재 파단 시편의 외곽부 단면으로, 스킨의 보강재인 유리섬유와 코어의 보강재인 황마 섬유가 기지재인 폴리유산에 의해 각각 함침되어 있음을 확인할 수 있었다. (b)는 코어의 파단 과정에서 황마 단섬유의 일부가 뽑혀져 나온 모습을 보여주고 있다.
- 계산 결과 코어의 기공함량비는 황마 단섬유 무게 비가 증가할수록 0.75에서 0.51로 감소하는 경향을 보였다. 이는 황마 단섬유의 무게 비가 증가함에 따라 코어의 총의 밀도 ρc가 증가하기 때문이며, 폴리유산보다 밀도가 높은 황마 단섬유 무게 비가 증가함에 따라 코어의 밀도는 0.
- 58 GPa로 선행연구[1]와 비교하여 향상된 굽힘 특성을 확인할 수 있었다. 또한 경제성 분석을 통해 사출성형 된 유리섬유 강화 폴리유산 복합재와 비교하여 굽힘 특성측면에서 경제성이 우수한 경량소재로 판단되었다. 위에 소개된 여러 긍정적 측면을 통해, 향후 다양한 분야에서 친환경적일 뿐만 아니라, 경제적인 소재로 친환경 샌드위치 복합재의 활용이 기대된다.
- 또한 사출 성형한 유리섬유 강화 폴리유산 복합재 대비 약 85%의 굽힘강도와 64.5%의 굽힘 탄성계수의 물성을 가지는 것으로 확인되었다. 유리섬유의 밀도가 황마 섬유 밀도의 1.
- 황마(Jute), 아마(Flax), 양마(Kenaf) 그리고 삼(Hemp)과 같은 천연섬유를 강화재로 이용하면 다수의 장점이 있을 수 있다. 먼저, 천연섬유는 생분해가 가능하고 합성섬유에 비해 재활용이 용이한 특성을 가지며, 재료의 생산 공정 또한 단축할 수 있어 전체적인 생산 단가를 낮추는 효과도 가질 수 있다. 뿐만 아니라 공정에서 소모되는 에너지 총량을 절감할 수 있어 탄소 배출량 절감에 기여할 수 있다[2,4,7-10].
- 010 USD/m3/MPa으로 가장 낮았다. 비교를 위해 유리섬유와 폴리유산이 각각 3:7 무게비로 혼합되어 사출 성형된 유리섬유 강화 폴리유산 복합재를 분석해 본 결과, 굽힘강도 1 MPa 당 단위체적 당 복합재 단가는 0.033 USD/m3/MPa으로 확인되었다.
- % 무게 비의 코어 (b)에서는 섬유 표면에 기지재인 폴리유산이 결합된 채로 함께 뜯겨져 나온 모습을 관찰할 수 있었다. 섬유와 수지 계면간의 결합이 비교적 양호하여 응력의 전달이 효과적이었던 것으로 보인다.
- (b)는 코어의 파단 과정에서 황마 단섬유의 일부가 뽑혀져 나온 모습을 보여주고 있다. 파단면 전반에 걸쳐 이러한 파단 양상을 확인할 수 있었으며, 황마 단섬유와 폴리유산 간의 계면결합력이 강하지 않았음을 알 수 있다.
후속연구
- 또한 경제성 분석을 통해 사출성형 된 유리섬유 강화 폴리유산 복합재와 비교하여 굽힘 특성측면에서 경제성이 우수한 경량소재로 판단되었다. 위에 소개된 여러 긍정적 측면을 통해, 향후 다양한 분야에서 친환경적일 뿐만 아니라, 경제적인 소재로 친환경 샌드위치 복합재의 활용이 기대된다.
- 3점 굽힘 시험을 수행한 시편의 일부는 코어의 비균질한 분포로 인해 중앙에서 벗어난 위치에 초기 파단이 생성되어 굽힘 물성이 저하되는 모습을 보였다. 향후 4점 굽힘 시험을 통해 황마 단섬유 무게 비에 대한 굽힘 특성의 변화 양상을 더욱 명확하게 파악할 수 있을 것으로 생각된다.
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