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문제 정의
- 본 연구에서는 폴리프로필렌/유리 섬유강화 복합재료의 수분/습기에 대한 환경 열화를 분석하기 위해 흡습시험을 진행 하였고, 쿠폰시험편을 사용하여 재료의 확산계수와 일정시점에서의 흡습률을 구하였다. 쿠폰시험편은 신뢰성 확보를 위해 7개를 준비 하였고, 초기 무게가 일정한 값이 될 때까지 50±2℃ 오븐에서 미리 건조 후 상온에서 냉각 한 후 초기 무게를 측정하였다.
- 본 연구에서는 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료의 물성 검증을 통해 해양플랜트, 해양레저 스포츠 산업 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 섬유와 가지재간의 계면 접합력을 향상시키는 연구를 지속 한다면, 복합재료 시장에서 폴리프로필렌 섬유의 가치를 더 높여 줄 것으로 사료된다.
제안 방법
- 기계적 특성 실험을 진행한 케이스별 섬유강화 복합재료의 결과와 현상을 자세하게 규명하기 위해 각 케이스별 시험편의 파단면을 관찰하였다. Fig.
- 따라서, 본 연구에서는 기본적으로 폴리프로필렌 섬유와 섬유의 직조과정에 폴리프로필렌 섬유에 유리섬유를 방향성을 주어 삽입/혼합 직조한 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유를 사용 하여 섬유강화 복합재료를 제작하여 대표적인 강화재인 유리섬유와 비교 분석하였다.
- 무게 측정 후 80±2℃ 항온수조에 침지하여 60일 동안 변화를 통해 확산계수와 흡습률의 변화를 관찰 하였다.
- 쿠폰시험편과 같이 80±2℃ 항온수조에 10일 침지 중 일차별로 14개의 시험편을 꺼내어 7개의 시험편은 건조 없이, 나머지 시험편은 80±2℃ 오븐에서 24시간 건조 한 후 ASTM D 5229에 따라 인장시험을 진행 하였다.
- 폴리프로필렌 섬유 강화 복합재료와, 폴리프로필렌/유리섬유 강화복합재료, 유리섬유강화복합재료의 기계적 특성을 평가하기 위하여, 인장시험, 3점 굽힘시험, 충격시험을 실시하였다. 인장시험, 3점 굽힘시험에는 Kyung-Do사의 Universal Test Machine을 이용하였고 수식을 통해 각각의 물성을 계산하였다.
- 무게 측정 후 80±2℃ 항온수조에 침지하여 60일 동안 변화를 통해 확산계수와 흡습률의 변화를 관찰 하였다. 흡습에 의한 기계적인 물성 열화를 분석하기 위해 인장시험편을 사용하여 흡습에 따른 인장강도의 변화를 분석 하였다. 인장시험편은 각 일차별로(1/2/3/5/7/10/15/20/25/30/40/50/60/80/100일) 14개 씩 총 210개를 준비 하였다.
대상 데이터
- 최적의 폴리프로필렌 보강재와 기지재 확인을 위하여 보강재로 사용되는 폴리프로필렌 섬유는 INEGRA Technologies사의 Polypropylene 단섬유 패브릭과 Polypropylene/Glass hybrid 평직으로 제직된 패브릭을 사용하였고, 물성 비교를 위해 동일한 제직 상태의 유리섬유 패브릭을 선택하였다. 또한, 기지재로는 Hand Lay-up과 VaRTM 공정에 사용하기 위해 Resoltech 사의 열경화성수지인 에폭시 Resoltech 1050/1053과 국도화학의 KFR 120/ KFH548, 폴리에스테르 수지인 CCP composites사의 LSP-8020B 를 사용하였다. 본 연구에서는 가장 보편적인 섬유강화복합재료 제조법인 Hand lay-up과 VaRTM으로 시험편을 제작 하였다.
- 인장시험편은 각 일차별로(1/2/3/5/7/10/15/20/25/30/40/50/60/80/100일) 14개 씩 총 210개를 준비 하였다. 섬유강화 복합재료의 수분 흡수로 인한 기계적인 물성 열화는 건조를 통해 일정 수준 회복이 가능하기 때문에 열화와 회복에 대해 분석하기 위해 인장시험편을 2배수로 준비 하였다. 쿠폰시험편과 같이 80±2℃ 항온수조에 10일 침지 중 일차별로 14개의 시험편을 꺼내어 7개의 시험편은 건조 없이, 나머지 시험편은 80±2℃ 오븐에서 24시간 건조 한 후 ASTM D 5229에 따라 인장시험을 진행 하였다.
- 흡습에 의한 기계적인 물성 열화를 분석하기 위해 인장시험편을 사용하여 흡습에 따른 인장강도의 변화를 분석 하였다. 인장시험편은 각 일차별로(1/2/3/5/7/10/15/20/25/30/40/50/60/80/100일) 14개 씩 총 210개를 준비 하였다. 섬유강화 복합재료의 수분 흡수로 인한 기계적인 물성 열화는 건조를 통해 일정 수준 회복이 가능하기 때문에 열화와 회복에 대해 분석하기 위해 인장시험편을 2배수로 준비 하였다.
- 폴리프로필렌 섬유 강화 복합재료의 기계적 강도를 측정하기 위하여 본 실험에서 필요한 실험재료를 준비하였다. 최적의 폴리프로필렌 보강재와 기지재 확인을 위하여 보강재로 사용되는 폴리프로필렌 섬유는 INEGRA Technologies사의 Polypropylene 단섬유 패브릭과 Polypropylene/Glass hybrid 평직으로 제직된 패브릭을 사용하였고, 물성 비교를 위해 동일한 제직 상태의 유리섬유 패브릭을 선택하였다. 또한, 기지재로는 Hand Lay-up과 VaRTM 공정에 사용하기 위해 Resoltech 사의 열경화성수지인 에폭시 Resoltech 1050/1053과 국도화학의 KFR 120/ KFH548, 폴리에스테르 수지인 CCP composites사의 LSP-8020B 를 사용하였다.
- 쿠폰시험편은 신뢰성 확보를 위해 7개를 준비 하였고, 초기 무게가 일정한 값이 될 때까지 50±2℃ 오븐에서 미리 건조 후 상온에서 냉각 한 후 초기 무게를 측정하였다.
- 폴리프로필렌 섬유 강화 복합재료의 기계적 강도를 측정하기 위하여 본 실험에서 필요한 실험재료를 준비하였다. 최적의 폴리프로필렌 보강재와 기지재 확인을 위하여 보강재로 사용되는 폴리프로필렌 섬유는 INEGRA Technologies사의 Polypropylene 단섬유 패브릭과 Polypropylene/Glass hybrid 평직으로 제직된 패브릭을 사용하였고, 물성 비교를 위해 동일한 제직 상태의 유리섬유 패브릭을 선택하였다.
이론/모형
- 또한, 기지재로는 Hand Lay-up과 VaRTM 공정에 사용하기 위해 Resoltech 사의 열경화성수지인 에폭시 Resoltech 1050/1053과 국도화학의 KFR 120/ KFH548, 폴리에스테르 수지인 CCP composites사의 LSP-8020B 를 사용하였다. 본 연구에서는 가장 보편적인 섬유강화복합재료 제조법인 Hand lay-up과 VaRTM으로 시험편을 제작 하였다. Hand-lay up 시험편의 경우 섬유에 수지를 함침 시킨 후 이물질이 묻지 않도록 이형 필름을 붙이고, 완전 경화와 안정적인 물성을 위해 진공 상태로 80℃ 오븐에서 24시간 동안 경 화 시켰으며, VaRTM 시험편 또한 공정 후 80℃ 오븐에서 24시간 동안 경화 시켰다.
- 폴리프로필렌 섬유 강화 복합재료와, 폴리프로필렌/유리섬유 강화복합재료, 유리섬유강화복합재료의 기계적 특성을 평가하기 위하여, 인장시험, 3점 굽힘시험, 충격시험을 실시하였다. 인장시험, 3점 굽힘시험에는 Kyung-Do사의 Universal Test Machine을 이용하였고 수식을 통해 각각의 물성을 계산하였다. 인장시험은 ASTM D 5766, 3점 굽힘시험은 ASTM D 2344에 따라 케이스 별로 7개의 시험편에 대해 시험을 실시하였다.
- 인장시험, 3점 굽힘시험에는 Kyung-Do사의 Universal Test Machine을 이용하였고 수식을 통해 각각의 물성을 계산하였다. 인장시험은 ASTM D 5766, 3점 굽힘시험은 ASTM D 2344에 따라 케이스 별로 7개의 시험편에 대해 시험을 실시하였다. 충격시험은 Tinius Olsen사의 샤르피 충격시험기를 사용하여 ASTM D 6110에 따라 진행 했으며, 파괴 시 발생하는 에너지 흡수량을 측정하였다(Yun, 2011; Kim et al.
- 인장시험은 ASTM D 5766, 3점 굽힘시험은 ASTM D 2344에 따라 케이스 별로 7개의 시험편에 대해 시험을 실시하였다. 충격시험은 Tinius Olsen사의 샤르피 충격시험기를 사용하여 ASTM D 6110에 따라 진행 했으며, 파괴 시 발생하는 에너지 흡수량을 측정하였다(Yun, 2011; Kim et al., 2011; Shin et al., 2011).
성능/효과
- (1) 인장시험은 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료 시험편이 가장 높은 값을 나타내었다. 이와 같은 현상은 함유된 폴리프로필렌 섬유가 2차적인 기지재의 역할을 하여 에너지를 저장하고 유리섬유에 균일한 하중을 부과하여 발생한 것으로 사료된다.
- (2) 3점 굽힘시험 역시 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료가 가장 높은 값을 나타내었다.
- (3) 충격시험의 경우 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유를 사용한 시험편이 단일 유리섬유 시험편에 비해 높은 충격 에너지를 나타내었으나 그 차이 값이 크지 않았다. 이는 기지재가 폴리프로필렌 섬유와 원활한 접착을 이루지 못하여 각각의 층들이 단독으로 파단되어 발생한 것으로 사료된다.
- (4) 흡습시험 결과 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료 시험편이 단일 유리섬유강화 복합재료에 비해 시간에 따른 수분 흡수율은 높았지만, 인장강도의 감소와 건조에 의한 회복률이 더 높음을 확인할 수 있었다.
- 각 성형법에 따른 시험편의 기계적 특성을 분석해보면 인장 강도와 3점 굽힘강도의 경우 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유와 Resoltech 에폭시 수지로 제작된 시험편의 강도가 우수하고, 충격 에너지의 경우 미세하게 폴리프로필렌/유리섬유 혼합직조 섬유와 Resoltech 에폭시 수지로 제작된 시험편이 높았으나 단일 유리섬유 제작된 시험편과 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
- 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료와 유리섬유강화 복합재료 두 케이스 모두 침지 시간의 경과에 따라 인장 강도는 감소하였고, 흡수 거동과 유사하게 침지 후 10일 동안 급격하게 감소하였다. 두 케이스 시험편의 침지 100일 경과 후 인장강도 감소는 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료가 0.40%, 유리섬유 강화 복합재료는 0.60%였다. 인장강도의 회복은 침지 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
- 또한, 모두 80일 이후 흡수율이 증가와 감소를 반복하게 되는데 이는 수분 흡수 포화상태로 인해 더 이상 수분을 흡수할 수 없는 상태인 것으로 사료된다. 분석 결과, 유리섬유 복합재료의 수분 흡수율이 0.95% 낮은 것을 확인할 수 있었다. 유리섬유강화 복합재료의 수분 흡수율이 낮은 이유는 수지와 섬유간의 계면 결합력이 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료보다 우수하기 때문으로 사료된다.
- 4는 각 케이스별 시험편의 파단면을 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다. 사진을 보면 유리섬유와 수지와의 계면 결합력이 우수해 파단된 섬유 표면에 수지가 다량 묻어 있는 것을 확인할 수 있었다. 폴리프로필렌 섬유가 포함된 나머지 4개의 시험편에도 풀 아웃 현상은 없었으나, 유리섬유에 비해 수지의 분포가 적은 것으로 보아 계면 결합력은 유리섬유만 사용된 시험편이 더 우수한 것으로 사료된다.
- 3에 나타내었다. 인장 시험, 3점 굽힘시험과 같이 Hand lay-up보다 VaRTM 공정으로 제작한 시험편이 모든 케이스에서 충격 에너지가 높게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 단일 유리섬유 시험편이 혼합직조 시험편에 비해 높은 충격 에너지를 가지지만 그 차이가 크게 나지 않았다.
- 사진을 보면 유리섬유와 수지와의 계면 결합력이 우수해 파단된 섬유 표면에 수지가 다량 묻어 있는 것을 확인할 수 있었다. 폴리프로필렌 섬유가 포함된 나머지 4개의 시험편에도 풀 아웃 현상은 없었으나, 유리섬유에 비해 수지의 분포가 적은 것으로 보아 계면 결합력은 유리섬유만 사용된 시험편이 더 우수한 것으로 사료된다.
- 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료와 유리섬유강화 복합재료 두 케이스 모두 침지 시간의 경과에 따라 인장 강도는 감소하였고, 흡수 거동과 유사하게 침지 후 10일 동안 급격하게 감소하였다. 두 케이스 시험편의 침지 100일 경과 후 인장강도 감소는 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료가 0.
- 단독 섬유의 인장 강도의 경우 유리섬유를 기지재로 사용한 시험편이 폴리프로필렌을 사용한 시험편보다 높은 값을 나타내었다. 폴리프로필렌/유리 혼합직조 시험편의 경우 유리섬유를 사용한 시험편보다 높은, 약 200MPa의 평균 강도를 가지며 3종의 시험편 중 가장 높은 값을 나타내었다. 이는 폴리프로필렌 섬유의 미세 구조가 결함의 이동을 억제하며 유리섬유에 가해지는 하중을 균일하게 분산 시켜 발생된 현상으로 사료 된다.
- 인장강도의 회복은 침지 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 폴리프로필렌/유리 혼합직조섬유강화 복합재료는 80일 후, 단일 유리섬유강화 복합재료는 60일 후 건조에 의한 회복 현상이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 흡습 실험 시작 후 10일 동안은 유리섬유강화 복합재료와 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료가 급격하게 수분 흡수율이 증가하였고, 10일 이후 수분 흡수율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 모두 80일 이후 흡수율이 증가와 감소를 반복하게 되는데 이는 수분 흡수 포화상태로 인해 더 이상 수분을 흡수할 수 없는 상태인 것으로 사료된다.
후속연구
- 본 연구에서는 폴리프로필렌/유리 혼합직조 섬유강화 복합재료의 물성 검증을 통해 해양플랜트, 해양레저 스포츠 산업 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 섬유와 가지재간의 계면 접합력을 향상시키는 연구를 지속 한다면, 복합재료 시장에서 폴리프로필렌 섬유의 가치를 더 높여 줄 것으로 사료된다.
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