2개 이상의 에폭시 기지재의 배합비를 이용하여 최적의 에폭시 복합재료를 제조하였다. 이 실험에서 노볼락계 에폭시 및 아이소시아네이트계 에폭시를 기지재로 사용하였다. 그에 따라 화학적 조성의 변화를 이용하여 다양한 실험을 통한 최적의 에폭시 배합비를 유추하였고, 에폭시의 내열성 및 계면을 파악하기 위하여 열중량측정기를 이용하여 유리전이온도의 변화를 파악하였고 정적 접촉각을 측정하였다. 기계적 물성을 파악하기 위하여 에폭시 배합비에 따른 유리섬유/에폭시 복합재료의 인장, 압축, 굴곡강도를 상온에서 및 노화시간에 따라 파악하였다. 에폭시와 유리섬유간 계면을 개념도로 나타냈다. 시험 결과 에폭시 배합비에 따른 적외선 피크 및 유리전이온도 변화를 확인하였다. 서로 다른 에폭시의 배합비가 1:1일 때 기계적물성이 상대적으로 좋은 것을 확인하였다.
2개 이상의 에폭시 기지재의 배합비를 이용하여 최적의 에폭시 복합재료를 제조하였다. 이 실험에서 노볼락계 에폭시 및 아이소시아네이트계 에폭시를 기지재로 사용하였다. 그에 따라 화학적 조성의 변화를 이용하여 다양한 실험을 통한 최적의 에폭시 배합비를 유추하였고, 에폭시의 내열성 및 계면을 파악하기 위하여 열중량측정기를 이용하여 유리전이온도의 변화를 파악하였고 정적 접촉각을 측정하였다. 기계적 물성을 파악하기 위하여 에폭시 배합비에 따른 유리섬유/에폭시 복합재료의 인장, 압축, 굴곡강도를 상온에서 및 노화시간에 따라 파악하였다. 에폭시와 유리섬유간 계면을 개념도로 나타냈다. 시험 결과 에폭시 배합비에 따른 적외선 피크 및 유리전이온도 변화를 확인하였다. 서로 다른 에폭시의 배합비가 1:1일 때 기계적물성이 상대적으로 좋은 것을 확인하였다.
The optimum condition of glass fiber/epoxy composites was investigated according to mixing ratio of two epoxy matrices. Novolac type epoxy and isocyanate modified epoxy were used as composites matrix. Based on chemical composition of mixing matrix, optimum mixing ratio of epoxy resins was obtained t...
The optimum condition of glass fiber/epoxy composites was investigated according to mixing ratio of two epoxy matrices. Novolac type epoxy and isocyanate modified epoxy were used as composites matrix. Based on chemical composition of mixing matrix, optimum mixing ratio of epoxy resins was obtained through various experiments. In order to investigate thermal stability and interface of epoxy resin, glass transition temperature was observed by DSC instrument, and static contact angle was measured by reflecting microscope. Change of IR peak and $T_g$ was conformed according to different epoxy mixing ratio. After fabrication of glass fiber/epoxy composites, tensile, compression, and flexural properties were tested by UTM by room and high temperature. The composites exhibited best mechanical properties when epoxy mixing ratio was 1:1.
The optimum condition of glass fiber/epoxy composites was investigated according to mixing ratio of two epoxy matrices. Novolac type epoxy and isocyanate modified epoxy were used as composites matrix. Based on chemical composition of mixing matrix, optimum mixing ratio of epoxy resins was obtained through various experiments. In order to investigate thermal stability and interface of epoxy resin, glass transition temperature was observed by DSC instrument, and static contact angle was measured by reflecting microscope. Change of IR peak and $T_g$ was conformed according to different epoxy mixing ratio. After fabrication of glass fiber/epoxy composites, tensile, compression, and flexural properties were tested by UTM by room and high temperature. The composites exhibited best mechanical properties when epoxy mixing ratio was 1:1.
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문제 정의
본 연구는 에폭시 기지재들의 배합비에 따른 변화를 화학적으로 분석하였고, 유리섬유/에폭시 복합재료에 대한 물성을 확인하였다. 그리고, 에폭시와 유리섬유간의 계면상태를 개념도로 나타냈다.
본 연구에서는 복합재료의 기지재간 배율에 따른 에폭시 배합비를 이용하여 최적의 에폭시 복합재료를 제조할 수 있다. 그에 따라 에폭시 배합비에 따른 화학적 조성변화를 파악하기 위해 적외선 분광기를 이용하여 촬영하였다.
제안 방법
식 (1)에서 P는 압력이고, B 및 d는 시편의 두께와 너비를 나타낸다[12]. 굴곡실험과 동일하게 3점 굽힘 실험 후 층간 전단강도를 계산하였다.
본 연구에서는 복합재료의 기지재간 배율에 따른 에폭시 배합비를 이용하여 최적의 에폭시 복합재료를 제조할 수 있다. 그에 따라 에폭시 배합비에 따른 화학적 조성변화를 파악하기 위해 적외선 분광기를 이용하여 촬영하였다. 기계적 물성을 파악하기 위하여 인장, 압축, 굴곡강도를 파악하였다.
그에 따라 에폭시 배합비에 따른 화학적 조성변화를 파악하기 위해 적외선 분광기를 이용하여 촬영하였다. 기계적 물성을 파악하기 위하여 인장, 압축, 굴곡강도를 파악하였다. 추가적으로 복합재료의 내열성을 파악하기 위하여 시간에 따른 노화 후 층간전단강도를 측정하였고, 열 중량분석을 통하여 각 비율에 따른 유리전이온도변화를 측정하였다.
기초물성을 측정하기 위한 인장시험편, 압축시험, 굴곡시험편은 다이아몬드 커터로 절단하여 ASTM D-638, ASTM D-695, ASTM D-790 규격으로 절단하여 시편을 제작하였다. 한편, 적외선분광시험, 시차주사 열량측정시험, 정적 접촉각 시험을 위한 에폭시 필름을 제작하였다.
내열성을 파악하기 위한 노화시험은 고온용 오븐(FO-600M, 제이오테크, 한국)을 이용하여 200℃에서 일일단위로 1일에서부터 4일까지 대기조건으로 노화를 시킨 후에 만능재료시험기로 층간전단강도를 파악하였다. 층간전단강도의 식은 다음과 같다.
복합재료 시험편은 수적법으로 유리섬유에 아세톤으로 묽게 만든 에폭시를 30 wt% 도포하고, 고온용 오븐에 150℃에 7분간 두어 아세톤증발 및 프리프레그인 반 경화상태로 만들었다. 유리섬유/에폭시 프리프레그를 여러장 쌓아 핫프레스(1401, 테트라헤드론, 미국)에 150℃에 220 kg의 힘으로 1시간, 170℃에 450 kg 힘으로 3시간 총 4시간 동안 경화시켰다.
에폭시의 배합비에 따른 화학적 조성을 보기 위하여 적외선분광기(IS5, 피셔 사이언티픽, 미국) 기기를 이용하여 실험하였다. 에폭시의 배합비에 따른 유리전이온도변화를 알기 위하여 시차주사열량측정기(Q20, 티에이인스트루먼트, 미국)를 측정하였다. 측정온도범위는 상온 25℃에서 250℃까지 측정하였으며 승온온도는 10℃/분이다.
에폭시의 배합비에 따른 화학적 조성을 보기 위하여 적외선분광기(IS5, 피셔 사이언티픽, 미국) 기기를 이용하여 실험하였다. 에폭시의 배합비에 따른 유리전이온도변화를 알기 위하여 시차주사열량측정기(Q20, 티에이인스트루먼트, 미국)를 측정하였다.
측정온도범위는 상온 25℃에서 250℃까지 측정하였으며 승온온도는 10℃/분이다. 에폭시의 정적 접촉각을 파악하기 위하여 에폭시 필름 표면에 물방울을 직경 1 mm 크기로 떨어뜨린 후에 반사현미경을 이용하여 물방울을 촬영 및 정적 접촉각을 측정하였다.
복합재료 시험편은 수적법으로 유리섬유에 아세톤으로 묽게 만든 에폭시를 30 wt% 도포하고, 고온용 오븐에 150℃에 7분간 두어 아세톤증발 및 프리프레그인 반 경화상태로 만들었다. 유리섬유/에폭시 프리프레그를 여러장 쌓아 핫프레스(1401, 테트라헤드론, 미국)에 150℃에 220 kg의 힘으로 1시간, 170℃에 450 kg 힘으로 3시간 총 4시간 동안 경화시켰다.
제작된 시편의 기계적 특성을 조사하기 위하여 각 조건에 해당하는 인장시험, 압축시험 및 굴곡시험을 실온, 노화 후 조건으로 시험하였다. 인장시험 압축시험 및 굴곡시험은 만능재료시험기(H1KS, 로이드, 미국)를 사용하여 시험하였다. 시험의 조건은 변위속도 1 mm/분으로 실시하였다.
제작된 시편의 기계적 특성을 조사하기 위하여 각 조건에 해당하는 인장시험, 압축시험 및 굴곡시험을 실온, 노화 후 조건으로 시험하였다. 인장시험 압축시험 및 굴곡시험은 만능재료시험기(H1KS, 로이드, 미국)를 사용하여 시험하였다.
기계적 물성을 파악하기 위하여 인장, 압축, 굴곡강도를 파악하였다. 추가적으로 복합재료의 내열성을 파악하기 위하여 시간에 따른 노화 후 층간전단강도를 측정하였고, 열 중량분석을 통하여 각 비율에 따른 유리전이온도변화를 측정하였다. 배합비에 따른 적외선 피크변화가 있는 것을 확인하였고, 유리전이온도 변화 및 기계적 물성이 변화되는 것을 확인하였다.
한편, 적외선분광시험, 시차주사 열량측정시험, 정적 접촉각 시험을 위한 에폭시 필름을 제작하였다. 폴리아미드 필름에 에폭시를 각 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100 총 5종류의 배합비에 따라 0.5 mm 두께로 도포한 후에, 고온용 오븐 150℃에 1시간, 170℃에 3시간 경화 후에 에폭시 필름을 제작하였다. 복합재료 제조 후 유리섬유 대비 에폭시의 체적율은 35%임을 확인하였다.
기초물성을 측정하기 위한 인장시험편, 압축시험, 굴곡시험편은 다이아몬드 커터로 절단하여 ASTM D-638, ASTM D-695, ASTM D-790 규격으로 절단하여 시편을 제작하였다. 한편, 적외선분광시험, 시차주사 열량측정시험, 정적 접촉각 시험을 위한 에폭시 필름을 제작하였다. 폴리아미드 필름에 에폭시를 각 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100 총 5종류의 배합비에 따라 0.
대상 데이터
본 논문에서 사용한 복합재료는 노볼락계 에폭시(YDPN638, ㈜국도화학, 한국), 아민계 경화제(KH-100, ㈜국도화학, 한국), 아이소시아네이트계 에폭시(SEY-5310, 신아T&C, 한국)와 능직형태의 직물유리섬유(HM-345R, 한국화이바, 한국)를 사용하였다.
성능/효과
인장강도의 경우는 노볼락계 에폭시를 사용하였을 때가 560 MPa로써 가장 좋았고, 압축강도의 경우는 아이소시아네이트계 에폭시를 사용하였을 때가 260 MPa로써 가장 좋았으며, 굴곡강도의 경우는 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 1:1 비율로 섞었을 때의 강도 700 MPa로써 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 각 에폭시 성질에 따라, 기계적 강도의 장/단점을 확인하였지만, 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 1:1 비율로 섞었을 때 대체적으로 기계적 강도가 안정적인 것을 확인하였다.
특히, 굴곡강도의 경우 일정비율 섞지 않은 복합재료보다 뛰어난 강도를 보여주었다. 내열성을 파악하기 위한 유리전이온도는 노볼락계 에폭시가 좋았지만, 고온에서 층간전단강도는 일정비율 섞은 복합재료의 값이 가장 큰 것을 확인하였다. 유리섬유의 수소와, 에폭시 수지의 산소간에 수소결합으로 계면접착력이 향상되었을 것이다.
그러나, 전반적인 층간전단강도가 낮기 때문에 아이소시아네이트계 에폭시를 첨가하였을 때 층간전단강도가 큰 것을 볼 수 있다. 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 1:1 비율로 배합한 복합재료의 열안정성이 비교적 좋으며, 층간전단강도는 가장 좋은 것을 볼 수 있다.
이러한 관능기는 에폭시 서로간의 결합뿐만 아니라, 유리섬유와의 복합재료 제조시 영향을 미치는 것을 확인하였다. 물성검사를 실시하였을 때, 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 일정비율 섞었을 때 인장, 압축, 굴곡강도가 평균적으로 좋은 것을 확인하였다. 특히, 굴곡강도의 경우 일정비율 섞지 않은 복합재료보다 뛰어난 강도를 보여주었다.
2는 아이소시아네이트계 에폭시와 노볼락계 에폭시의 배합비에 따른 적외선 피크 변화 변화를 나타낸 그림이다[13]. 배합비에 따른 적외선 그래프 변화를 보면, 노볼락계 에폭시에서는 에스테르 피크인 1750 cm-1의 피크 및 CN 피크인 1150 cm-1에서 아이소시아네이트계 에폭시의 비율이 증가할수록 피크가 증가하는 경향을 알 수 있다. 그러나, 1치환 방향족 탄화수소 피크인 800 cm-1에서는 감소하는 경향을 알 수 있다.
추가적으로 복합재료의 내열성을 파악하기 위하여 시간에 따른 노화 후 층간전단강도를 측정하였고, 열 중량분석을 통하여 각 비율에 따른 유리전이온도변화를 측정하였다. 배합비에 따른 적외선 피크변화가 있는 것을 확인하였고, 유리전이온도 변화 및 기계적 물성이 변화되는 것을 확인하였다.
5 mm 두께로 도포한 후에, 고온용 오븐 150℃에 1시간, 170℃에 3시간 경화 후에 에폭시 필름을 제작하였다. 복합재료 제조 후 유리섬유 대비 에폭시의 체적율은 35%임을 확인하였다.
5는 에폭시의 배합비에 따른 유리전이온도를 나타낸 그래프이다. 유리전이온도의 변화 값은 노볼락계 에폭시를 첨가하였을 때 169℃로써 최대 유리전이온도값을 얻은데 반해, 아이소시아네이트계 에폭시를 첨가하면서 유리전이온도값이 낮아지는 경향으로 노볼락계 에폭시의 유리전이온도가 높은 것을 알 수 있다. 그러나, 노볼락계 에폭시의 첨가량이 50%일 때까지는 유리전이온도값이 163℃로써 노볼락계 에폭시의 첨가량이 100%부터 50%까지는 유리전이온도 변화가 작은 것을 알 수 있다.
이러한 경향을 정적 접촉각으로 확인하였을 때도 일정비율 섞었을 때 접촉각이 가장 작은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 관능기는 에폭시 서로간의 결합뿐만 아니라, 유리섬유와의 복합재료 제조시 영향을 미치는 것을 확인하였다. 물성검사를 실시하였을 때, 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 일정비율 섞었을 때 인장, 압축, 굴곡강도가 평균적으로 좋은 것을 확인하였다.
3은 아이소시아네이트계 에폭시와 노볼락계 에폭시 배합비에 따른 만능재료시험기를 이용한 인장강도, 굴곡강도, 압축강도 등의 기계적 물성검사결과를 나타낸 그래프이다[14]. 인장강도의 경우는 노볼락계 에폭시를 사용하였을 때가 560 MPa로써 가장 좋았고, 압축강도의 경우는 아이소시아네이트계 에폭시를 사용하였을 때가 260 MPa로써 가장 좋았으며, 굴곡강도의 경우는 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 1:1 비율로 섞었을 때의 강도 700 MPa로써 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 각 에폭시 성질에 따라, 기계적 강도의 장/단점을 확인하였지만, 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 1:1 비율로 섞었을 때 대체적으로 기계적 강도가 안정적인 것을 확인하였다.
그리고, 에폭시와 유리섬유간의 계면상태를 개념도로 나타냈다. 적외선 분광기를 이용한 화학적 변화를 확인할 때, 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 일정비율 섞었을 때 관능기의 활성이 특히 아민기 및 히드록시기의 활성이 가장 큰 것을 확인하였다. 이러한 경향을 정적 접촉각으로 확인하였을 때도 일정비율 섞었을 때 접촉각이 가장 작은 것을 확인할 수 있었다.
물성검사를 실시하였을 때, 노볼락계 에폭시와 아이소시아네이트계 에폭시를 일정비율 섞었을 때 인장, 압축, 굴곡강도가 평균적으로 좋은 것을 확인하였다. 특히, 굴곡강도의 경우 일정비율 섞지 않은 복합재료보다 뛰어난 강도를 보여주었다. 내열성을 파악하기 위한 유리전이온도는 노볼락계 에폭시가 좋았지만, 고온에서 층간전단강도는 일정비율 섞은 복합재료의 값이 가장 큰 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재료의 사용 목적은?
기존 수지의 물성한계를 극복하고자 강도가 좋은 섬유를 이용한 복합재료 제조가 대두되고 있다[1]. 복합재료는 일반적으로 고강도, 고굴곡강도와 같은 기계적 물성 강화를 목적으로 하거나, 내열성 강화의 목적으로 내열성 수지를 첨가하여 수지 및 섬유의 장점을 살리는데 목적으로 한다[2,3]. 응용분야로는 큰 하중에 버틸 수 있는 강도가 필요한 대형 선박, 철도 및 풍력발전 지지대 등에 사용되며, 건축재료 등에도 사용되고 있다[4,5].
에폭시의 장점은?
복합재료의 대표적인 유리섬유/에폭시 복합재료의 경우, 가공하는데 용이하다. 에폭시의 함침성을 이용하여, 유리섬유에 함침 시킨 뒤, 고온으로 반 경화상태인 프리프레그를 만들고, 시간의 제약을 받지 않고, 보관 및 복합재료 제조가 용이하다. 유리섬유/에폭시 복합재료의 절연성을 이용하여 전기전자제품 등의 절연 구조물 등에 많이 쓰이고 있다.
복합재료로 사용하는 섬유 및 기지재의 종류에는 어떠한 것들이 있는가?
복합재료로 사용하는 섬유 및 기지재에는 여러 가지 종류가 있다. 섬유의 경우 탄소섬유, 유리섬유, 보론섬유 등의 합성섬유뿐만 아니라[6,7], 최근에는 면, 마, 견 등의 천연섬유를 사용한다[8]. 기지재의 경우 에틸렌 수지, 에폭시 수지, 에폭시 수지 등이 있다. 같은 고분자임에도 불구하고, 물리적강도, 화학적 변화 등의 차이 등이 있는 것을 알 수 있다.
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