[논문]탄소섬유 펼침 기술을 적용한 CF/PA6 적층 복합재료의 특성

박성민; 김명순; 최윤성; 이은수; 천진성; 유호욱

doi:10.12772/tse.2015.52.367

[국내논문] 탄소섬유 펼침 기술을 적용한 CF/PA6 적층 복합재료의 특성
Properties of CF/PA6 Laminate Composites Prepared Using the Carbon Fiber Spreading Technology 원문보기

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.52 no.6, 2015년, pp.367 - 372

박성민 (다이텍연구원) , 김명순 (다이텍연구원) , 최윤성 (다이텍연구원) , 이은수 (다이텍연구원) , 천진성 ((주)티포엘) , 유호욱 ((주)티포엘)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports the preparation of CF/PA6 (Polyamide 6) laminate composites using tow-spreading technology. Additionally, the effect of the spread tow on impregnation was investigated by Darcy's law. The thickness of an unspread 12K carbon fiber tow was reduced by increasing the tow width from 7 to 20 mm. The PA6 film was used to stabilize and impregnate the spread tow by covering it with a partially consolidated prepreg:12K carbon fiber spread tow/PA6 film. The laminate composites were fabricated from the prepreg and, for comparison, the other laminate composite was produced from a conventional tow prepreg of 12K carbon fiber/PA6 film. Consequently, the spread tow laminate composite exhibited a lower void content and improved mechanical properties.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

나아가 복합재료 제조 시 무게, 강도 등의 물성을 향상시킬 수 있어 열가소성 수지의 함침이 용이하다고 할 수 있다. 초경량 복합재료를 제조하기 위해 본 연구에서는 섬유 펼침 효과에 대한 이론적인 접근과 함께 spread tow 프리프레그 제조 및 이를 적층한 CF/PA6 복합재료의 성능을 평가하고 결과를 제시하였다.

제안 방법

185−350 oC(5 oC/min), train 5%, minimum torque oscillation 10 nN·m, maximum torque 150 mN·m, torque resolution 0.1 nN·m, measuring geometry 25 mm plate, measuring gap 1 mm의 조건으로 복소점도를 측정하였다.
PA6 필름의 온도 별 점도를 측정하여 최적의 함침조건을 설정하고자 30−300 oC, 10 oC/min으로 DSC를 측정하였고, 30−500 oC, 10 oC/min으로 TGA를 측정하였다.
Spreading 전, 후 tow를 사용한 복합재료의 기계적 특성을 비교하였다. 인장시험은 ASTM D638 시험에 기준하여 cross head speed 2 mm/min 속도로 시험하였고, 굴곡시험은 ASTM D790 시험법에 따라 1 mm/min의 속도로 시험하였다.
하지만 본 연구에서 사용된 장비는 섬유 손상을 최소화 하기 위해 롤러 표면을 특수 가공하였고, 섬유의 폭이 커짐에 따라 롤러의 곡률과 사이즈 변화를 고려하여 설계 및 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 12K 탄소섬유(T700SC, TORAY, Japan)와 두께 30 μm, 평량 65 g/m2의 PA6 필름(Kolon, Korea)을 사용하였다.

이론/모형

Spreading 전, 후 tow를 사용한 복합재료의 기계적 특성을 비교하였다. 인장시험은 ASTM D638 시험에 기준하여 cross head speed 2 mm/min 속도로 시험하였고, 굴곡시험은 ASTM D790 시험법에 따라 1 mm/min의 속도로 시험하였다.
제조된 적층 복합재료의 밀도를 측정하기 위해 ASTM D792 실험법에 기준하여 식 (2)에 의해 밀도를 측정하였다.

성능/효과

또한 섬유를 연속적으로 펼치는 기술은 열가소성 복합재료의 생산성과 제품의 품질을 향상시키고, 앞으로도 그 발전 가능성이 크다. 12k spread tow의 폭은 기존 보다 약 3배가 넓어졌고, 두께는 0.10 mm에서 0.04 mm로 2.5배 줄어들었다. 다시 말해, 탄소섬유의 직경이 7 μm라고 가정하면 하나의 tow에 섬유 층이 14층에서 6층으로 2배 이상 축소되었음을 의미한다.
그래서 본 연구에 적합한 공정 온도를 알아내기 위해 열분석을 수행하였는데, Figure 5, 6에 PA6 필름의 DSC, TGA 결과를 각각 나타내었다. DSC를 통해 융점이 183 ^oC임을 확인하였고, TGA를 통해 약 390 ^oC에서 열분해가 발생함을 알 수 있었다. 하지만 위의 결과만으로는 정확한 공정 온도를 판단하기 어렵기 때문에 Figure 7과 같이 온도에 따른 수지의 점도 변화를조사하였다.
또한 Wang이 제시한 에너지 방출속도에 의한 적층구조 균열 성장에 대한 연구에서 횡균열과 층간분리는 두꺼운 층으로 이루어진 복합재료에서 더 쉽게 발생하는 것으로 나타났다[8]. 결과적으로, 두꺼운 층의 적층 복합재료는 비교적 작은 응력만으로도 파괴될 수 있음을 의미한다. 위의 연구 사례와 같이 결함에 대한 저항이 우수한 복합재료를 만들기 위해서는 얇은 층을 균일하게 여러 겹 적층하는 것이 바람직하다[9,10].
이렇듯, spread tow를 사용하면 매우 얇은 층으로 구성할 수 있기 때문에 면 내외에서 최적의 특성 발현이 기대된다. 결과적으로, 적층 복합재료에서 층의 두께는 기계적 특성을 제어하는 주된 역할을 하므로 궁극적인 복합재료를 제조하기 위해서는 함침도를 향상시켜 기공을 최소화하는 것이고, 이를 위해서는 함침 깊이가 짧을수록 유리함을 본 연구를 통해 조사되었다.
이렇듯, 물리적으로 섬유를 펼쳐줌으로써 PA6 수지가 좀 더 쉽게 섬유 사이를 침투할 수 있기 때문에 미 함침 지역을 줄임과 동시에 기계적 물성을 향상시킨 결과를 얻었다. 기존의 섬유 tow를 사용한 복합재료의 섬유함유량이 더 높았음에도 불구하고 spread tow를 사용한 복합재료의 기계적 특성이 더 높은 경향을 나타내었다. 이렇듯, spread tow를 사용하면 매우 얇은 층으로 구성할 수 있기 때문에 면 내외에서 최적의 특성 발현이 기대된다.
하지만 본 연구에서 사용된 장비는 섬유 손상을 최소화 하기 위해 롤러 표면을 특수 가공하였고, 섬유의 폭이 커짐에 따라 롤러의 곡률과 사이즈 변화를 고려하여 설계 및 제작하였다. 또한 마찰 롤러 및 트레버스 장치를 사용하여 기존 기술보다 효과적으로 spread tow를 제조할 수 있었다. Figure 1에 본 연구에 사용된 tow spreading 장치의 사진 및 모식도를 나타내었다.
Spread tow 사용에 따른 적층 복합재료의 물리적, 기계적 특성을 조사하여 Table 2와 Figure 8에 나타내었다. 시편의 두께를 2 mm로 제조하기 위해 프리프레그 적층 수를 각각 달리하였으나, 밀도 측정 결과 거의 비슷한 수치로 측정되어 섬유 펼침 효과를 비교하는데 적절한 시편으로 판단된다. 제조된 적층 복합재료의 기공 함유량은 spread tow를 사용한 시편보다 unspread tow를 사용한 시편이 더 높게 측정되었는데, 이는 앞서 언급한 식 (7)에서 함침도는 tow의 두께에 반비례함에 기인한다.
이와는 대조적으로 (b)의 경우 표면은 물론 두께 방향으로도 균일하게 함침이 이루어져 있기 때문에 적층 복합재료 제조 시 성형시간을 단축할 수 있고 더 높은 강도를 기대할 수 있다. 실제 기계적 물성 시험 결과 인장 및 굴곡 탄성률은 거의 같거나 아주 약간 상승하는 경향을 보였지만, 강도의 경우 spread tow를 사용한 시편이 기존 tow를 사용한 시편 보다 섬유 체적률이 낮음에도 불구하고 더 높게 측정되었다. 이와 비슷한 연구 사례 중, Kim과 Soni의 층 두께에 따른 층간 분리에 의한 파단에 대한 연구 결과에서 파단 되기 시작하는 최대 응력이 얇은 층으로 이루어진 복합 재료가 더 우수함이 입증되었고[6], Rodini와 Eisenmann의 시뮬레이션에 의한 연구에서도 얇은 층으로 된 적층 복합 재료보다 두꺼운 층으로 이루어진 적층 구조에서 미세균열, 층간 분리와 같은 결함이 더 많이 발생하는 것으로 조사되었다[7].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열가소성 복합재료의 장점은 무엇인가?	프리프레그를 이용하여 생산된 복합재료는 타 재료에 비해 비강도, 비강성, 내식성, 피로수명 등의 다양한 특성을 개선할 수 있게 되므로 우주항공산업, 스포츠 레저 용품 및 수송기계 분야 등에서 다양하게 사용되며 특히, 수송기계 분야의 재활용 요구에 따라 열가소성 복합재료에 대한 관심이 증대되고 있다. 열가소성 복합재료의 장점은 수지의 반응이 완결된 상태이므로 화학반응에 시간이 필요하지 않고, 파괴강도가 매우 높고, 저온에서 저장할 필요가 없으며, 공정 후 모양 변화도 가능한 점이다. 이에 비해 열경화성 수지는 점도가 낮아 함침성이 우수하여 기존에 다양한 연구와 더불어 제품생산에 많이 사용되었지만 재활용이 어렵고, 수지의 경화 사이클이 길다는 단점이 있다[1].
	열경화성 수지의 특징은 무엇인가?	열가소성 복합재료의 장점은 수지의 반응이 완결된 상태이므로 화학반응에 시간이 필요하지 않고, 파괴강도가 매우 높고, 저온에서 저장할 필요가 없으며, 공정 후 모양 변화도 가능한 점이다. 이에 비해 열경화성 수지는 점도가 낮아 함침성이 우수하여 기존에 다양한 연구와 더불어 제품생산에 많이 사용되었지만 재활용이 어렵고, 수지의 경화 사이클이 길다는 단점이 있다[1]. 최근에는 친환경에 대한 세계적 관심이 증대되고 세계 시장을 토대로 가격 경쟁력 확보가 시급해짐에 따라 재활용 및 공정시간 단축을 이점으로 한 열가소성 고분자 복합소재가 주목받고 있으나, 열가소성 수지의 경우 반응이 완결되었으므로 용융점도가 매우 높기 때문에 함침성이 낮고 이로 인한 제품의 가격 경쟁력 저하에 대한 문제점을 고려하지 않을 수 없다.
	열가소성 수지 제조 공정에 공정 효율의 향상을 위해 수지의 점도을 낮추거나 높은 압력을 가해 제조하는 방법을 고려할 수 없는 이유는 무엇인가?	공정 효율을 향상시키기 위해서는 수지의 점도를 낮춰 흐름성을 개선하는 방법이 있고, 또는 높은 압력을 가하여 제조하거나 섬유의 두께를 감소시켜 함침되는 깊이를 줄이는 방법이 있다. 먼저, 수지의 점도를 낮춰 흐름성이 높은 수지를 사용할 경우 일반적으로 함침성은 개선될 수 있으나 분자량이 낮아짐에 따라 기지재의 성능이 낮아지는 문제점이 있기 때문에 수지의 물성은 그대로 유지시키면서 최저 점도를 가지는 성형조건을 찾아야 한다. 다른 방법으로는 높은 압력을 가하여 수지의 함침성을 증가시킬 수 있으나 이를 위해서는 공정설비에 따른 비용이 증가되고 섬유에 손상을 초래할 수 있으므로 이상적이지 못하다. 이에 반해 섬유를 펼칠 경우, 폭이 넓어지면서 두께가 감소되어 함침 시간을 단축시킬 수 있으므로 다른 공정 조건보다 효율성이 높은 함침도를 확보할 수 있다.

참고문헌 (10)

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R. Y. Kim and S. R. Soni, "Experimental and Analytical Studies on the Onset of Delamination in Laminated Composites", J. Compos. Mater., 1984, 18, 70-80.

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B. T. Rodini, Jr. and J. R. Eisenmann, "An Analytical and Experimental Investigation of Edge Delamination in Composite Laminates", Fibr. Compos. Struct. Desig., 1980, 1, 441-457.
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M. S. Irfan, V. R. Machavaram, R. S. Mahendran, N. Shotton-Gale, C. F. Wait, M. A. Paget, and M. A. Hudson, "Lateral Spreading of a Fiber Bundle via Mechanical Means", J. Compos. Mater., 2012, 46, 311-330.

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B. Henk and J. G. Reinoud, "Impregnation of Glass Rovings with a Polyamide Melt, Part 1 : Impregnation Bath", Compos. Manuf., 1993, 4, 85-92.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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