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문제 정의
- 본 연구에서는 산업 전반에 걸쳐 사용 빈도가 높아지고 있는 복합재료의 물성연구를 실시하여 최적의 복합재료 제작을 하고자 한다.
제안 방법
- 2액형 Bisphenol-A형 에폭시 수지를 사용하여 탄소섬유, 아라미드 섬유 강화 복합재료를 RIM(Resin Injection Molding) 방식으로 성형하여 각각의 물리·화학적 물성 테스트를 실시하고자 한다5).
- DGEBA형의 KFR-120 에폭시 수지의 물성연구와 경화제(KFH-163)를 이용한 아라미드 섬유 복합재료를 저압 RIM 성형기를 이용하여 제조하였다. 성형한 복합재료의 물성 평가를 위해 각 샘플들의 여러 가지 TEST가 진행되었으며, 사용되는 강화섬유수에 따른 복합재료 샘플의 물성 비교를 실시하였다.
- 복합재료 제작에 앞서 에폭시 수지 분석을 통해 물성을 파악하였으며, 연구를 통해 정해진 실험조건으로 각각의 복합재료를 성형한 후 각 샘플들의 물리적, 화학적 강도 비교 테스트를 실시하고자 한다6-8).
- 본 실험을 통해 성형한 각각의 섬유강화 복합재료의 기계적/화학적 물성평가를 실시하였다.
- DGEBA형의 KFR-120 에폭시 수지의 물성연구와 경화제(KFH-163)를 이용한 아라미드 섬유 복합재료를 저압 RIM 성형기를 이용하여 제조하였다. 성형한 복합재료의 물성 평가를 위해 각 샘플들의 여러 가지 TEST가 진행되었으며, 사용되는 강화섬유수에 따른 복합재료 샘플의 물성 비교를 실시하였다. 본 실험을 통해 연구하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 에폭시 수지의 열에 의한 형태거동을 알아보기 위해 DSC 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 36mm이며, 몰드의 크기에 맞게 360mm x 85mm 크기로 절단하였다. 매트릭스 소재로는 2액형 에폭시 수지를 사용하였으며, 수지로써 Bisphenol A형의 에폭시 수지 KFR-120(Kukdo Chemical Co., Ltd., Korea)와 경화제로써 KFH-163 제품을 사용하였으며 수지와 경화제는 Table 1과 같은 성질을 가진다.
- 복합재료 제조에 사용된 성형기는 IL-BEOM 사에서 제작된 저압 RIM 성형장치(VMP-2000)이며 몰드를 사용하여 탄소섬유, 아라미드섬유가 각각 1겹, 2겹, 3겹을 적층한 사이즈 가로 세로 360mm x 90mm, 두께 3T의 복합재료를 성형하였다. 또한 Table 2와 같은 양의 에폭시수지와 경화제를 혼합하여 진공상태에서 몰드안으로 주입하였다.
- 본 실험의 강화 재료로 사용된 아라미드 섬유는 파라 아라미드 Heracron(1500d) 원단(Kolon Industries Inc., Korea)을 사용하였으며, 탄소섬유는 NCF(Non Crimp Fiber)형의 12k 탄소섬유 직물(Toray Co., Ltd., Korea)을 사용하여 잔사풀림 현상을 적게 발생시켜 물성 구현을 최대화 하였다9). 각각의 섬유 두께는 아라미드섬유는 0.
데이터처리
- 유리전이온도(Tg), 경화온도, 용융점(Tm)을 측정하기 위해 DSC 분석을 실시하였으며, 0~500℃, 10℃/min 속도로 열을 가해주고 다시 서서히 냉각하여 열용량의 변화를 측정하였다. 또한 Bisphenol-A형의 에폭시 수지가 가진 특정 작용기의 존재유무를 파악하기 위해 FT-IR 분석을 실시하였다.
- . 또한 복합재료의 계면 간의 힘과 함침성을 관찰하기 위해 층간전단강도시험과 SEM(Scanning electron microscope) 촬영을 실시하였다. 열적안정성 TEST를 위해 TGA(Thermo gravimetric analyzer)분석을 실시하였으며 5℃/min의 속도로 승온시켜 열에 의한 중량 감소를 평가하였다.
- 복합재료 성형 전 에폭시 수지의 열적 특성 및 구조 분석을 위해 DSC(Differential scanning calorimetry)시험과 FT-IR 구조 분석을 실시하였다. 유리전이온도(Tg), 경화온도, 용융점(Tm)을 측정하기 위해 DSC 분석을 실시하였으며, 0~500℃, 10℃/min 속도로 열을 가해주고 다시 서서히 냉각하여 열용량의 변화를 측정하였다.
- 에폭시 수지의 FT-IR 분석을 함으로써, 본 실험에 사용된 KFR-120의 분자구조 분석을 실시하였다. 기본적인 에폭시의 분자구조는 Figure 4와 같으며 Figure 5는 대표적인 Bisphenol A형의 에폭시 수지인 Diglycidyl ether of bisphenol A(DGEBA)를 나타낸 것이다.
- 또한 복합재료의 계면 간의 힘과 함침성을 관찰하기 위해 층간전단강도시험과 SEM(Scanning electron microscope) 촬영을 실시하였다. 열적안정성 TEST를 위해 TGA(Thermo gravimetric analyzer)분석을 실시하였으며 5℃/min의 속도로 승온시켜 열에 의한 중량 감소를 평가하였다.
이론/모형
- 복합재료의 물리적 물성평가를 위해 인장시험을 실시하였으며 KS M ISO-527-2에 준하여 5mm/min속도로 시료를 인장시켰으며 시편은 90mm x 15mm의 3T 두께로 준비하였다11,12). 또한 복합재료의 계면 간의 힘과 함침성을 관찰하기 위해 층간전단강도시험과 SEM(Scanning electron microscope) 촬영을 실시하였다.
성능/효과
- 1. 에폭시 수지의 DSC 분석결과 50℃부근에서 Tg, 123℃에서 에폭시수지와 경화제가 열에 의한 경화가 일어났으며 325℃부근에서 상태변화가 나타났다.
- 2. FT-IR 분석결과 DGEBA형의 에폭시 수지에서 나타나는 대표적인 작용기를 KFR-120에서도 발견할 수 있었다.
- 3. SEM촬영을 통한 복합재료 단면부를 관찰해보면 전반적으로 수지가 섬유상에 함침이 잘 이루어져 있는 것을 볼 수 있다.
- 4. 인장강도, 층간전단강도 TEST 결과 아라미드 탄소섬유의 적층수에 따른 물리적 강도 향상을 확인할 수 있었다.
- 결과는 Table 5와 같이 나타났다. 탄소섬유 복합재료가 아라미드 복합재료보다 층간 전단강도 값은 인장특성과 같이 더 높은 물성을 구현하는 것을 확인할 수 있었다.
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