[논문]고분자 복합재료의 기계적 물성에 미치는 질소기압의 영향

김부안; 황현영; 강석준; 문창권

doi:10.9726/kspse.2016.20.5.014

고분자 복합재료의 기계적 물성에 미치는 질소기압의 영향
Effect of Nitrogen Gas Pressure on the Mechanical Properties of Polymer Composite Materials 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.20 no.5, 2016년, pp.14 - 19

김부안 (부경대학교 재료공학과) , 황현영 (부경대학교 기계공학학연협동과정) , 강석준 (부경대학교 기계공학학연협동과정) , 문창권 (부경대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is about the effect of nitrogen gas pressures during manufacturing process on the mechanical properties of composite materials. $TiO_2$/epoxy resin nanocomposites and carbon fiber reinforced epoxy resin(CFRP) composites were fabricated under various nitrogen gas pressures. Tensile strength test, vicker's hardness test and fracture surface observation were carried out to investigate the effect of nitrogen gas pressure. As a result, the tensile strength of nanocomposite and CFRP composites showed clearly increasing tendency by a change in the nitrogen gas pressure up to 3.0 atm and then the tensile strength decreased a little. However, the vicker's hardness of $TiO_2$/epoxy nanocomposites showed same hardness values regardless of the nitrogen gas pressures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

TiO₂ 입자강화 복합재료 및 탄소섬유강화 복합 재료의 제조 시에 가한 질소 가스 압력이 기계적 물성에 미치는 영향에 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
% 첨가된 에폭시 수지 및 섬유상의 강화재와 에폭시 모재로 구성된 섬유강화 복합재료(fiber reinforced com posites)를 경화과정에서 여러 가지 질소 가스 압 분위기에서 제조하여 질소 가스 압이 이들 복합재료의 인장강도와 경도의 기계적 성질에 미치는 영향을 조사하였다. 그리고 인장강도 시험 후, 파면관찰을 실시하여 TiO₂ 나노입자가 첨가된 에폭시 수지 복합재료 및 섬유강화 복합재료의 계면 상태의 변화와 기계적 성질의 상호관계에 대해서도 고찰해 보았다.

제안 방법

%를 첨가해 주었을 때가 가장 높은 기계적 물성향상 효과를 얻었다는 연구결과를 근거로 하여, 본 연구에서는 TiO₂가 3 wt.% 첨가된 에폭시 수지 및 섬유상의 강화재와 에폭시 모재로 구성된 섬유강화 복합재료(fiber reinforced com posites)를 경화과정에서 여러 가지 질소 가스 압 분위기에서 제조하여 질소 가스 압이 이들 복합재료의 인장강도와 경도의 기계적 성질에 미치는 영향을 조사하였다. 그리고 인장강도 시험 후, 파면관찰을 실시하여 TiO₂ 나노입자가 첨가된 에폭시 수지 복합재료 및 섬유강화 복합재료의 계면 상태의 변화와 기계적 성질의 상호관계에 대해서도 고찰해 보았다.
가 3 wt.% 첨가된 에폭시 수지의 경화 시, 질소 분위기 중에서의 기압 차에 따른 물성 변화를 확인하기 위해 dog-bone형 인장 시험편을 제작 하였다. 이 복합재료 시험편은 YD-128, MNA, BDMA의 배합 비를 100 : 90 : 2.
TiO₂가 3 wt.% 첨가된 에폭시수지의 제작 과정은 앞서 제작하였던 dog-bone시편 제조과정과 동일하지만, strand형 시험편의 경우에는 실리콘 몰드에 주입하지 않고, Fig. 4에 보인 바와 같이 탄소섬유를 에폭시에 침지시킨 후 오리피스에 통과시키고 건조시키는 과정으로 제작하였다. 경화 시의 온도와 시간은 dog-bone형 시험편 제작조건과 동일하게 하였으며, 질소 가스압은 3기압으로 하였다.
4에 보인 바와 같이 탄소섬유를 에폭시에 침지시킨 후 오리피스에 통과시키고 건조시키는 과정으로 제작하였다. 경화 시의 온도와 시간은 dog-bone형 시험편 제작조건과 동일하게 하였으며, 질소 가스압은 3기압으로 하였다.
이 과정에서 나노입자가 첨가된 에폭시 수지의 점도를 낮추기 위해서 몰드 및 작업 분위기 온도는 약 50℃로 유지하였다. 그리고 나노입자가 첨가된 에폭시 수지가 주입된 몰드는 진공오븐 내에서 경화시켰으며, 이 때 질소 가스 분위기압은 각각 0, 2, 3, 5기압으로 변화시켰으며, 온도는 80℃, 경화시간은 2시간으로 하였다. 그 이후 140℃, 3시간의 후 경화 처리를 실시하였다.
질소 가스 압에 의한 탄소섬유강화 복합재료의 기계적 물성 변화를 조사하기 위하여 strand형 시편을 제작하였다. TiO₂가 3 wt.

대상 데이터

%로 고정하였다.⁹⁾ 한편, 섬유강화 복합재료의 제조에 사용한 탄소섬유는 mitsubishi사의 MR 40 12M (직경 6.02 ㎛)를 사용하였다.
강화용 나노입자는 티타니아(TiO₂) [AEROXID E P90, AEROSIL]를 사용하였으며, 표면적 90~100 m2/g, 직경 14 ㎚, 그리고 결정 형태는 anatase 90% + rutile 10%로 이루어져 있다. Fig.
결점으로는 가용성이 없고 황색으로 착색되어 있으며 열 경화 온도가 비교적 높지 않고, 내자외선이 약간 떨어진다는 점이다. 경화제는 고온경화제인 methyl nadic anhydride (MNA) [KBH-1085, 국도화학(주)]을 사용하였다. 경화촉매제는 산무수물계인 benzhyl dimethyl amine(BDMA) [KBH- 1086, 국도화학(주)]을 사용 하였다.
경화제는 고온경화제인 methyl nadic anhydride (MNA) [KBH-1085, 국도화학(주)]을 사용하였다. 경화촉매제는 산무수물계인 benzhyl dimethyl amine(BDMA) [KBH- 1086, 국도화학(주)]을 사용 하였다.
본 실험에서 복합재료의 제조에 사용한 매트릭스는 에폭시 수지 diglycidyl ether of bisphenol- A (DGEBA) [YD-128, 국도화학(주)]이다.
상기의 과정으로 제작된 복합재료는 시험편 형상이 제작되어 있는 실리콘 몰드에 주입하였다. 이 과정에서 나노입자가 첨가된 에폭시 수지의 점도를 낮추기 위해서 몰드 및 작업 분위기 온도는 약 50℃로 유지하였다.
% 첨가된 에폭시 수지의 경화 시, 질소 분위기 중에서의 기압 차에 따른 물성 변화를 확인하기 위해 dog-bone형 인장 시험편을 제작 하였다. 이 복합재료 시험편은 YD-128, MNA, BDMA의 배합 비를 100 : 90 : 2.5의 중량비로 하여 혼합하였다.

성능/효과

그리고 TiO₂나노입자를 3 wt.% 첨가할 때 복합재료의 기계적 물성이 가장 우수하다는 실험 결과를 참고로 하여 본 연구에서는 강화용으로 첨가하는 나노 티타니아 입자는 모두 3 wt.%로 고정하였다.
TiO₂ 입자강화 복합재료의 인장강도는 질소 가스 압력을 3기압으로 하였을 때 가장 양호한 결과를 보였다. 그러나 과도한 질소 가스 압력은 오히려 TiO₂ 입자강화 복합재료의 강도에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다고 판단된다.
0 mm/min로 하였다, 이에 의하면, 경화 과정에서 압력을 가하지 않은 시험편의 인장강도에 비해 질소 가스 압을 가한 경우의 시험편의 인장강도가 점점 증가하고 있는 경향을 보이고 있는 것을 알 수 있다. 그 중에서도 특히, 3기압의 질소 가스 분위기에서 경화시킨 시험편의 인장강도가 대기 중에서 경화시킨 시험편보다 15 MPa 높은 약 90 MPa로 약 20% 향상된 값을 보였다. 따라서 TiO₂가 포함된 에폭시 수지의 경과 과정에서의 질소 가스 압은 강화재로 첨가한 입자와 에폭시 사이의 계면에 직접적인 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.
6은 탄소섬유강화 복합재료의 인장강도에 미치는 질소 가스 압의 영향을 조사한 결과로서, 질소 가스 압이 0기압일 때와 TiO₂입자강화 복합 재료에서 가장 두드러진 효과를 보이는 3기압의 질소를 주입하여 제조한 시험편 2종에 대해서 인장강도를 서로 비교해 본 것이다. 이에 의하면, TiO₂ 입자강화 복합재료에서의 실험결과와 마찬가지로 탄소섬유강화 복합재료에서도 질소 가스압에 의한 인장강도의 상승은 확실해 보이며, 본 실험의 경우에는 3기압의 질소 가스 압에 의하여 약 11.7%의 인장강도 향상이 이루어진 것을 알 수 있었다. 그리고 이 결과는 입자강화 복합재료의 인장강도에 미치는 질소 가스압과 마찬가지로 복합재료의 경화 시에 강화입자와 탄소섬유의 계면접착력을 향상시킨 결과로 인장강도의 향상이 나타난 것으로 판단된다.
% 첨가된 에폭시 수지의 질소 가스 압에 따른 인장강도의 변화를 보인 것이다. 인장시험은 1,000 kgf의 용량을 가진 Testometric의 인장 시험기 M350-10CT에서 실시하였으며, 이 때 cross head speed는 2.0 mm/min로 하였다, 이에 의하면, 경화 과정에서 압력을 가하지 않은 시험편의 인장강도에 비해 질소 가스 압을 가한 경우의 시험편의 인장강도가 점점 증가하고 있는 경향을 보이고 있는 것을 알 수 있다. 그 중에서도 특히, 3기압의 질소 가스 분위기에서 경화시킨 시험편의 인장강도가 대기 중에서 경화시킨 시험편보다 15 MPa 높은 약 90 MPa로 약 20% 향상된 값을 보였다.
질소 가스 압력은 탄소섬유강화 복합재료의 계면접착력을 향상시키며, 이로 인하여 약 11 .7%의 인장강도 향상이 이루어졌다.
파면관찰에서, 탄소 섬유와 섬유 사이의 간격이 보다 치밀하며, 에폭시 수지도 섬유 사이에 잘 스며들어 있는 양상을 확인하였다.
이러한 파면 차이는 균열이 진전할 때보다 많은 파괴에너지를 소비하게 되어, 그 결과 인장강도의 증가에 기여한 것으로 생각된다. 한편 본 실험의 경우, TiO₂ 입자강화 복합재료의 제조 시에 가한 질소 가스 압력에 의한 파면의 차이는 뚜렷하게 관찰되지는 않았다((b)와 (c)).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	티타니아는 어떻게 사용되는가?	티타니아는 주로 투명 디스플레이, 능동형 유기 발광 다이오드, 태양전지 필름, 박막 트랜지스터로 사용되고 있을 뿐만 아니라 티타니아 분말의 적당한 분산은 에폭시 수지의 인장강도 등의 기계적 성질과 함께 열적성질 및 마찰저항도 향상 시키는 특성을 가지고 있다.
	에폭시 수지는 어떤 특성을 가지는가?	에폭시 수지(epoxy resin)는 복합재료(polymer composites)의 제조에 있어서 매트릭스로 사용되는 중요한 열경화성 고분자 재료로서 내화학적 특성, 전기 절연적 특성 그리고 인장강도와 같은 기계적 특성이 매우 우수할 뿐 아니라 그 접착성질도 상당히 뛰어나다. 또한 열에 대해 안정성도가지고 있으므로 접착제, 코팅제, 전기 전자재료및 성형 재료 등으로 널리 사용되고 있다.1)
	에폭시 수지가 가지는 결점은 무엇인가?	이 밖에 내약품성 전기 절연성이 특히 우수하다. 결점으로는 가용성이 없고 황색으로 착색되어 있으며 열 경화 온도가 비교적 높지 않고, 내자외선이 약간 떨어진다는 점이다. 경화제는 고온경화제인 methyl nadic anhydride (MNA) [KBH-1085, 국도화학(주)]을 사용하였다.

참고문헌 (10)

J. Y. Choi, 2010, "Study on $TiO_2$ Nano Particles", Pukyong National University Material Engineering.
C. Amit and S. I. Muhammad, 2008, "Fabrication and Characterization of TiO2-epoxy Nanocomposites", Materials science and Engineering A, Vol. 487, pp. 574-585.

상세보기
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상세보기
G. J. Papakonstantopoulos, K. Yoshimoto, M. Doxastakis, P. F. Nealey and J. J. Pablo, 2005. "Local Mechanical Properties of Polymeric Nanocomposites", Physical review E, Vol. 72, No. 3, 091801.
M. Hussain, A. Nakahira, S. Nishijima and K. Niihara, 1996, "Fracture Behavior and Fracture Toughness of Particulate Filled Epoxy Composites", Materials Letters, Vol. 27, pp. 21-25.

상세보기
M. L. Richard, J. W. Choi and I. H. Lee, 2001, "Organic-Inorganic Nanocomposites with Completely Defined Interfacial Interactions", Advanced Materials, Vol. 13, No. 11, pp. 800-803.
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상세보기
C. K. Moon and B. A. Kim, 2015, "Nanoparticle effect on the mechanical properties of polymer composites", Journal of the Korea Society For Power System Engineering, Vol. 19, No. 5, pp. 12-16.
Y. J. Moon, J. Y. Choi, B. A. Kim and C. K. Moon, 2010, "Effect of $TiO_2$ nanoparticle on the mechanical and thermal properties of epoxy resin composites, Journal of the Korea Society For Power System Engineering, Vol. 14, No. 4, pp. 68-75.
M. Gasko, and G. Rosenberg, 2011, "Correlation between Hardness and Tensile Properties in Ultra-high Strength Dual Phase Steels", Materials Engineering, Vol. 18, pp. 155-159.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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