선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문은 복권기금을 조성한 미래창조과학부 과학기술진흥기금으로 수행하는 KISTI ReSEAT 프로그램 지원으로 이루어진 것으로 이 지원에 감사드린다.
- 특히, 기계적 특성의 향상과 흡습 방지 특성의 경우 산업적으로 매우 유용한 특성임에도 불구하고 연구가 충분히 이루어지지 못해 그 사용에 대해 큰 제한을 받고 있다. 본 연구에서는 나노클레이/에폭시 나노복합재료의 나노클레이 함량에 따라 흡습시험과 벌크재료 및 접착 조인트의 인장시험을 통해 흡습 특성 및 기계적 특성의 변화를 파악하였다. 또한 나노클레이 및 에폭시 재료를 분자단위로 모델링하여 재료의 흡습 특성변화의 매커니즘을 분석할 수 있는 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과를 실험결과와 비교하여 고찰하였다.
- 본 연구에서는 나노클레이/에폭시 복합재료의 나노클레이 함량에 따라 흡습시험과 벌크재료 및 접착조인트의 인장시험을 통해 흡습 특성 및 기계적 특성의 변화를 고찰하였다. 실험 결과 에폭시 재료에 나노클레이를 첨가하였을 때 수분흡습 비율이 높게 감소하였으며, 강도 및 강성 그리고 접착강도가 향상되었다.
제안 방법
- (9) 먼저 기존 모델의 1% 질량 비율에 해당하는 24개의 물 분자를 물 분자에 포함시킨 뒤, 총 5,000번 단계에 걸친 NVT 조건의 분자시뮬레이션을 통해 80℃의 온도가 적용되었다. 그 후 NVE 조건의 시뮬레이션이 50,000번의 단계로 부여되었으며 그 과정에서 매 100단계 마다 물 분자의 제곱 평균 평방 변위(Mean square displacement)를 얻어내었다.
- 1과 같이 구성된 튜브형 강철 접착 조인트를 제작하였으며, 튜브형태의 바깥쪽 피접착체와 실린더 형태의 안쪽 피접착체 사이에 나노클레이/에폭시 재료를 구성하였다. 구성된 접착조인트 시편 또한 만능인장시험기를 이용하여 0.7mm/min의 속도로 인장시험을 수행하여 접착 강도를 평가 하였다. 추가적으로 접착 조인트 인장 시편은 수분흡습에 따른 접착 강도의 변화를 비교하기 위해 일정 시간 간격 동안 최대 24시간 80℃의 물 속에 넣어 둔 후 인장 시험을 수행하였다.
- 나노클레이 함량에 따른 에폭시 재료의 흡습특성변화를 비교하기 위해 수분 흡수율 측정 시편을 제작하였다. 시편은 ASTM D 570-81에 의거하여 지름 50.
- 나노클레이/에폭시 복합재료 분자 구조를 구축하기 위해, 에폭시 및 나노클레이 단위 구조를 모델링 하였다. 나노클레이는 2층의 규토 구조를 참조하여 모델링 하였으며, 에폭시 레진 DGEBA(diglycidyl ether bisphenol A)과 경화제 MDA(4,4’-methylenedianiline)를 2:1의 분자 비율로 모델링하였다.
- 나노클레이는 2층의 규토 구조를 참조하여 모델링 하였으며, 에폭시 레진 DGEBA(diglycidyl ether bisphenol A)과 경화제 MDA(4,4’-methylenedianiline)를 2:1의 분자 비율로 모델링하였다.
- 30E, Surface modified with octadecylamine, Aldrich)를 사용하였다. 나노클레이의 양에 따른 에폭시의 특성변화를 비교하기 위해 각 실험을 위한 모든 시편은 1%, 3%, 5%의 질량분율을 사용하여 제작하였다. 먼저 각 분율별로 에폭시 수지에 첨가된 나노클레이 입자들을 교반기(Mechanical stirrer)를 이용하여 15분 동안 기초 분산을 수행하였고, 25분의 초음파처리(Ultrasonication)를 통해 분산도를 증가시켜 최적의 성능을 낼 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 나노클레이/에폭시 나노복합재료의 나노클레이 함량에 따라 흡습시험과 벌크재료 및 접착 조인트의 인장시험을 통해 흡습 특성 및 기계적 특성의 변화를 파악하였다. 또한 나노클레이 및 에폭시 재료를 분자단위로 모델링하여 재료의 흡습 특성변화의 매커니즘을 분석할 수 있는 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과를 실험결과와 비교하여 고찰하였다.
- 8mm, 두께 3mm의 원판형태로 제작하였다. 또한 상온에서 수분흡습을 측정하려면 많은 시간이 필요하기 때문에, 항온수조를 이용하여 물의 온도를 80℃의 고온으로 유지하여 가속 시험을 수행하였다. 물속에 담긴 시편은 시간이 지나면서 수분을 흡수하게 되고, 시편에 흡수된 수분에 따라 질량이 변화하게 된다.
- 제작된 인장시편은 만능인장시험기(INSTRON-5960)를 이용해 5mm/min의 속도로 인장시험을 수행하여 강도와 강성을 측정하였다. 또한 에폭시 재료의 접착 강도를 평가하기 위해 Fig. 1과 같이 구성된 튜브형 강철 접착 조인트를 제작하였으며, 튜브형태의 바깥쪽 피접착체와 실린더 형태의 안쪽 피접착체 사이에 나노클레이/에폭시 재료를 구성하였다. 구성된 접착조인트 시편 또한 만능인장시험기를 이용하여 0.
- 나노클레이의 양에 따른 에폭시의 특성변화를 비교하기 위해 각 실험을 위한 모든 시편은 1%, 3%, 5%의 질량분율을 사용하여 제작하였다. 먼저 각 분율별로 에폭시 수지에 첨가된 나노클레이 입자들을 교반기(Mechanical stirrer)를 이용하여 15분 동안 기초 분산을 수행하였고, 25분의 초음파처리(Ultrasonication)를 통해 분산도를 증가시켜 최적의 성능을 낼 수 있도록 하였다.(4)그 후 처리된 혼합물에 경화제를 혼합시켜 10분 동안 다시 교반시킨 뒤 80℃의 온도에서 3시간 동안 열풍 순환식 오븐에서 경화시켰다.
- 먼저 나노클레이/에폭시 복합재료 분자구조의 수분 최대 포화량을 구하기 위해, 흡습 시뮬레이션을 수행하였다. 정확한 계산을 위해 각 단위자 구조에 형상 최적화 과정을 수행한 후, 실험 결과 값과의 비교를 위해 80℃의 온도가 NVT 조건(계의 분자수 N, 부피 V, 온도 T가 일정하게 유지됨)의 분자시뮬레이션을 통해 부여되었다.
- 3과 같이 모델링되었다. 모든 구조는 모델링 후에 5,000 번의 에너지 최소화(Energy minimization) 과정을 거쳐 평형 상태로 안정화 시키는 작업이 수행되었다.
- 본 실험에서는 먼저 나노클레이 함량에 따른 나노클레이/에폭시 복합재료의 강도변화를 측정 하기 위해 ASTM D 638-03에 의거한 인장시편을 제작하였다. 제작된 인장시편은 만능인장시험기(INSTRON-5960)를 이용해 5mm/min의 속도로 인장시험을 수행하여 강도와 강성을 측정하였다.
- 물속에 담긴 시편은 시간이 지나면서 수분을 흡수하게 되고, 시편에 흡수된 수분에 따라 질량이 변화하게 된다. 본 실험에서는 일정 시간마다 물속에 담긴 시편의 질량변화를 측정하여 수분 흡수량을 계산하였다. 이 때 얻어진 수분 흡수량으로부터 에폭시 내부에서의 수분 확산계수 D를 다음과 같은 수식으로부터 계산할 수 있다.
- 본 연구에서는 나노클레이/에폭시 재료의 수분 흡습 특성 거동을 분자 단위에서 분석하기위해 분자동역학 시뮬레이션 기법을 사용하였다. 이를 위해 상용 분자 시뮬레이션 프로그램(Material Studio 5.
- 시뮬레이션은 1.0 fs의 단위로 총 5,000번의 단계로 수행되었으며, 그 후 대기압(101.3 kPa)조건에서 100,000번의 단계를 거쳐 흡습 시뮬레이션을 수행하였다.
- 먼저 나노클레이/에폭시 복합재료 분자구조의 수분 최대 포화량을 구하기 위해, 흡습 시뮬레이션을 수행하였다. 정확한 계산을 위해 각 단위자 구조에 형상 최적화 과정을 수행한 후, 실험 결과 값과의 비교를 위해 80℃의 온도가 NVT 조건(계의 분자수 N, 부피 V, 온도 T가 일정하게 유지됨)의 분자시뮬레이션을 통해 부여되었다. 시뮬레이션은 1.
- 본 실험에서는 먼저 나노클레이 함량에 따른 나노클레이/에폭시 복합재료의 강도변화를 측정 하기 위해 ASTM D 638-03에 의거한 인장시편을 제작하였다. 제작된 인장시편은 만능인장시험기(INSTRON-5960)를 이용해 5mm/min의 속도로 인장시험을 수행하여 강도와 강성을 측정하였다. 또한 에폭시 재료의 접착 강도를 평가하기 위해 Fig.
- 2는 각 분자의 구조를 나타낸다. 최종적으로 나노클레이/에폭시 단위 구조는 80개의 에폭시 분자, 40개의 경화제 분자와 1%, 3%, 5%의 질량 비율을 갖는 나노클레이 분자로 구성되었으며 Wu와 Xu가 제안한 방법을 이용하여 에폭시 시스템이 경화되어(7) Fig. 3과 같이 모델링되었다. 모든 구조는 모델링 후에 5,000 번의 에너지 최소화(Energy minimization) 과정을 거쳐 평형 상태로 안정화 시키는 작업이 수행되었다.
- 7mm/min의 속도로 인장시험을 수행하여 접착 강도를 평가 하였다. 추가적으로 접착 조인트 인장 시편은 수분흡습에 따른 접착 강도의 변화를 비교하기 위해 일정 시간 간격 동안 최대 24시간 80℃의 물 속에 넣어 둔 후 인장 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 산업에서 많이 사용되고 있는 구조용 에폭시(YD-128/G1034, 국도화학)를 사용하였으며, 나노클레이로는 에폭시 내부에서 분산이 잘 이루어지도록 표면 처리된 몬모릴로 나이트(Montmorillonite Nanoclay, Nanomer 1.30E, Surface modified with octadecylamine, Aldrich)를 사용하였다. 나노클레이의 양에 따른 에폭시의 특성변화를 비교하기 위해 각 실험을 위한 모든 시편은 1%, 3%, 5%의 질량분율을 사용하여 제작하였다.
- 나노클레이 함량에 따른 에폭시 재료의 흡습특성변화를 비교하기 위해 수분 흡수율 측정 시편을 제작하였다. 시편은 ASTM D 570-81에 의거하여 지름 50.8mm, 두께 3mm의 원판형태로 제작하였다. 또한 상온에서 수분흡습을 측정하려면 많은 시간이 필요하기 때문에, 항온수조를 이용하여 물의 온도를 80℃의 고온으로 유지하여 가속 시험을 수행하였다.
데이터처리
- (9) 먼저 기존 모델의 1% 질량 비율에 해당하는 24개의 물 분자를 물 분자에 포함시킨 뒤, 총 5,000번 단계에 걸친 NVT 조건의 분자시뮬레이션을 통해 80℃의 온도가 적용되었다. 그 후 NVE 조건의 시뮬레이션이 50,000번의 단계로 부여되었으며 그 과정에서 매 100단계 마다 물 분자의 제곱 평균 평방 변위(Mean square displacement)를 얻어내었다. 이 결과로부터 확산계수 D는 다음과 같은 관계식을 통해 계산된다.
이론/모형
- 본 연구에서는 나노클레이/에폭시 재료의 수분 흡습 특성 거동을 분자 단위에서 분석하기위해 분자동역학 시뮬레이션 기법을 사용하였다. 이를 위해 상용 분자 시뮬레이션 프로그램(Material Studio 5.0, Accelrys Inc.)를 사용하였으며, 분자 거동 묘사를 위한 분자력 장(Force field)으로는 여러 논문에서 타당한 시뮬레이션 결과로 보고되고 있는 COMPASS(Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies)를 사용하였다.(6)
성능/효과
- 7은 나노클레이/에폭시 복합재료의 인장시험 결과를 나타낸다. 나노클레이가 첨가되었을 때 에폭시의 강도와 강성이 향상된 것을 알 수 있었으며, 특히 3%의 함량에서 가장 높은 강도와 강성을 나타내었다. 이러한 이유는 나노클레이 입자 높은 강성과 강도에 의해 전체 재료의 기계적 성질이 향상되었기 때문이다.
- 실험 결과 에폭시 재료에 나노클레이를 첨가하였을 때 수분흡습 비율이 높게 감소하였으며, 강도 및 강성 그리고 접착강도가 향상되었다. 또한 분자동역학 시뮬레이션 결과를 통해 흡습특성의 변화를 성공적으로 예측할 수 있었다.
- 7). 수분환경에 노출된후 감소되는 접착강도의 양은 나노클레이 함량이 증가할수록 감소하였으며, 아무 처리도 하지 않은 접착조인트의 경우 24시간 후 접착강도가 79.9% 감소한 반면, 5%를 첨가하였을 때는 단 29.5% 만이 감소하였다. 이 결과를 바탕으로 나노클레이에 의해 재료 자체의 강도 및 강성이 향상되었고, 흡습시험에서 밝혀진 대로 나노클레이 입자가 포합되면서 재료 내부에 수분이 침투되는 것을 방지해주었기 때문에 긴 수분 노출 시간에도 높은 접착 강도를 유지한 것을 알 수 있다.
- 4(c)에 나타내었다. 시뮬레이션의 결과에서도 나노클레이 함량에 따라 흡습 포화량이 감소하였으며, 마찬가지로 단 1%의 나노클레이가 포함되었을 때도 그 포화량이 크게 감소하였다. 이는 Fig.
- 본 연구에서는 나노클레이/에폭시 복합재료의 나노클레이 함량에 따라 흡습시험과 벌크재료 및 접착조인트의 인장시험을 통해 흡습 특성 및 기계적 특성의 변화를 고찰하였다. 실험 결과 에폭시 재료에 나노클레이를 첨가하였을 때 수분흡습 비율이 높게 감소하였으며, 강도 및 강성 그리고 접착강도가 향상되었다. 또한 분자동역학 시뮬레이션 결과를 통해 흡습특성의 변화를 성공적으로 예측할 수 있었다.
- 4(b)는 흡습 시 뮬레이션 과정에서 단위 분자 구조에 흡수되는 물 분자의 비율을 보여준다. 약 70,000번의 단계 이후 모든 경우에서 흡습 량이 포화된 것으로 보아 시뮬레이션이 충분히 수행되었다는 것을 판단할 수 있었다. 흡습 실험과 시뮬레이션에서 얻어진 흡습 포화량을 Fig.
- 5% 만이 감소하였다. 이 결과를 바탕으로 나노클레이에 의해 재료 자체의 강도 및 강성이 향상되었고, 흡습시험에서 밝혀진 대로 나노클레이 입자가 포합되면서 재료 내부에 수분이 침투되는 것을 방지해주었기 때문에 긴 수분 노출 시간에도 높은 접착 강도를 유지한 것을 알 수 있다.
- 수분이 계속 흡수되면서 시간이 지남에 따라 점점 포화되는 것을 확인할 수 있었으며 약 150시간이 지난 후 전부 포화상태에 이르렀다. 포화 상태에서 시편에 흡수된 수분의 양은 에폭시에 첨가된 나노클레이의 함량에 따라 감소하였으며, 특히 아무 처리도 하지 않은 에폭시에 비해 단 1%의 나노클레이를 첨가한 경우에도 흡습 비율이 44.3% 감소되었다. Fig.
- 수분 흡수량의 경우와 마찬가지로 시험과 시뮬레이션 결과 모두 나노클레이 함량에 따라 입체 장해 효과와 에폭시 분자의 구속에 의해 물 분자의 확산계수가 낮아진 것을 알 수 있다. 흡습시험과 확산계수 두 경우 모두 시뮬레이션에서 얻어진 결과가 실험 결과보다 다소 낮은 것을 알 수 있는데, 이것은 분자 동역학 모델이 실제 시편의 경우와 달리 나노클레이와 에폭시 분자의 완벽한 분산과 어떠한 결함도 없는 완전한 구조로 모델링되어 있다는 점을 감안한다면 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과가 얻어졌다고 볼 수 있다.(12)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.