송승아
(Department of Organic Materials and Fiber Engineering, Chonbuk National University)
,
온승윤
(Department of Organic Materials and Fiber Engineering, Chonbuk National University)
,
박고은
(Department of Organic Materials and Fiber Engineering, Chonbuk National University)
,
김성수
(Department of Mechanical Engineering, KAIST)
탄소섬유 강화 열가소성 수지 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites; CFRTPs)의 물성은 다양한 요인들에 영향을 받는다. 그 중에서도 탄소섬유 표면에 Sizing되어 있는 에폭시(Epoxy) 층은 열가소성 수지와 상호 작용(Interaction)이 없어 매우 취약한 계면을 형성하며, 열가소성 수지의 높은 용융 점도(Melting viscosity)는 탄소섬유 다발(Bundle) 사이로 함침(Impregnation)이 어려워 탄소섬유 강화 복합재료 내부에 기공(Void)를 형성한다. 이와 같이 탄소섬유와 열가소성 수지 간의 낮은 계면전단강도(Interfacial shear strength)은 탄소섬유강화 열가소성 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites; CFRTPs)의 기계적 물성을 저하시키는 가장 중요한 요인 중 하나이다. 따라서, 본 연구에서는 열가소성 수지와의 상호작용이 없는 탄소섬유 표면의 에폭시 층을 열풍을 통해 제거하고, 열가소성 수지의 점도를 낮춰 함침도를 향상시키기 위해서 용액형 열가소성 수지를 제조하여 탄소섬유 표면에 Sizing 처리 함으로써 CFRTPs의 물성을 향상시켰다. CFRTPs의 층간전단강도(Interlaminar shear strength; ILSS) 및 굽힘 강도(Flexural strength)를 통해 이를 검증하였으며, 수지의 함침도는 기공률(Void content)의 계산을 통해 분석하였다.
탄소섬유 강화 열가소성 수지 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites; CFRTPs)의 물성은 다양한 요인들에 영향을 받는다. 그 중에서도 탄소섬유 표면에 Sizing되어 있는 에폭시(Epoxy) 층은 열가소성 수지와 상호 작용(Interaction)이 없어 매우 취약한 계면을 형성하며, 열가소성 수지의 높은 용융 점도(Melting viscosity)는 탄소섬유 다발(Bundle) 사이로 함침(Impregnation)이 어려워 탄소섬유 강화 복합재료 내부에 기공(Void)를 형성한다. 이와 같이 탄소섬유와 열가소성 수지 간의 낮은 계면전단강도(Interfacial shear strength)은 탄소섬유강화 열가소성 복합재료(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites; CFRTPs)의 기계적 물성을 저하시키는 가장 중요한 요인 중 하나이다. 따라서, 본 연구에서는 열가소성 수지와의 상호작용이 없는 탄소섬유 표면의 에폭시 층을 열풍을 통해 제거하고, 열가소성 수지의 점도를 낮춰 함침도를 향상시키기 위해서 용액형 열가소성 수지를 제조하여 탄소섬유 표면에 Sizing 처리 함으로써 CFRTPs의 물성을 향상시켰다. CFRTPs의 층간전단강도(Interlaminar shear strength; ILSS) 및 굽힘 강도(Flexural strength)를 통해 이를 검증하였으며, 수지의 함침도는 기공률(Void content)의 계산을 통해 분석하였다.
Mechanical properties of carbon fiber reinforced thermoplastic composites (CFRTPs) are affected by various factors. One of the them are poor compatibility of the epoxy sizing layer on the carbon fiber surface with thermoplastic matrix, which causes the inferior interfacial strength between fibers an...
Mechanical properties of carbon fiber reinforced thermoplastic composites (CFRTPs) are affected by various factors. One of the them are poor compatibility of the epoxy sizing layer on the carbon fiber surface with thermoplastic matrix, which causes the inferior interfacial strength between fibers and matrix. In addition, the high molten-viscosity of thermoplastics attributes to the poor impregnation state. Consequently, many voids in the composite materials were generated, which leads to poor mechanical properties of the thermoplastic composites. In this study, the epoxy sizing on the carbon fiber surface was removed and the polyamide 6,6 solution was coated on the de-sized carbon fiber surface to improve the impregnation state and mechanical properties. Interlaminar shear strength (ILSS) of CFRPTs was estimated by implementing short beam shear tests. In addition, flexural strength was measured and the impregnation state of the composites was evaluated by calculating void content.
Mechanical properties of carbon fiber reinforced thermoplastic composites (CFRTPs) are affected by various factors. One of the them are poor compatibility of the epoxy sizing layer on the carbon fiber surface with thermoplastic matrix, which causes the inferior interfacial strength between fibers and matrix. In addition, the high molten-viscosity of thermoplastics attributes to the poor impregnation state. Consequently, many voids in the composite materials were generated, which leads to poor mechanical properties of the thermoplastic composites. In this study, the epoxy sizing on the carbon fiber surface was removed and the polyamide 6,6 solution was coated on the de-sized carbon fiber surface to improve the impregnation state and mechanical properties. Interlaminar shear strength (ILSS) of CFRPTs was estimated by implementing short beam shear tests. In addition, flexural strength was measured and the impregnation state of the composites was evaluated by calculating void content.
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문제 정의
본 연구에서는 섬유의 물성 감소를 가져올 수 있는 별도의 표면처리 과정없이 수지의 함침도를 향상시킴으로써 기계적 물성을 향상시키기 위해서 저점도 열가소성 수지의 Sizing 처리를 수행하였다. 우선, 열처리를 통해 탄소 섬유 표면의 Bisphenol A type의 에폭시 Sizing 층을 제거한 후 포름산을 이용하여 제조한 저점도 용액형 폴리아마이드 6,6(Polyamaide 6,6)를 탄소섬유 표면에 Sizing 처리하여 복합재료를 제조하였다.
제안 방법
제작된 시편의 층간계면전단강도를 평가하기 위해 Short beam shear test를 수행하였다. ASTM 2344에 근거하여 시편을 규격에 맞게 직육면체로 가공하여 건조하였으며, 만능 재료시험기(Instron 582, MA, USA)을 사용하여 1 mm/min 의 하중 속도로 시험하였다.
그러나 열가소성 수지가 기지재로 사용될 경우 열경화성 수지와의 결합력이 좋지 못하기 때문에 탄소섬유와 열가소성 수지 사이의 계면이 매우 취약하고, 이는 복합재료의 기계적 물성에 큰 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 열가소성 복합재료의 기계적 물성 향상을 위해 질소 환경의 고온로(Furnace)에서 탄소섬유 표면의 에폭시 Sizing 층을 제거하였으며, 고온로 내부 온도 사이클을 Fig. 1과 같이 나타내었다.
제조된 복합재료의 Sizing 조건에 따라 층간계면전단강도 및 굴곡 강도 등의 기계적 물성을 측정하였으며, 열중량 분석기(Thermogravimetric analysis, TGA)를 통해 복합 재료 제조 후 잔존 용매를 확인하였다. 또한 복합재료 내의 기공률을 계산함으로써 수지의 함침도를 평가하였다.
본 논문에서는 폴리아마이드 6,6를 녹여 용액형 수지를 제조하였다. 또한 탄소섬유 표면의 에폭시 Sizing 층을 제거하고 폴리아마이드 6,6 용액을 사용하여 다시 Sizing 처리함으로써 탄소섬유 내에 수지의 함침도를 향상시켜 물성 분석을 수행하였다. 그 결과는 다음과 같다.
복합재료 시편은 Film stacking 방법을 이용하여 제조하였으며, 폴리아마이드 6,6 펠렛(Pellet)을 280oC에서 3 min 동안 용융(Melting) 시킨 후 10 bar에서 2 min 동안 가압하여 필름을 제조하였다. 이 때 필름의 두께를 0.
복합재료의 물성은 표면처리 하지 않은 탄소섬유 직물과 폴리아마이드 6,6 용액이 Sizing된 탄소섬유 직물을 각각 제조하여 비교 분석하였다.
따라서 폴리아마이드 6,6의 Sizing 과정에서 용매를 제거하기 위한 온도 및 시간을 설정하기 위하여 용매 증발 온도별 시편에 존재하는 잔존 용매의 유무를 확인할 필요가 있다. 온도별 잔용 용매의 측정은 Thermogravimetric analysis(TGA)를 통해 시편 내부의 잔존 용매의 중량을 측정하였다.
본 연구에서는 섬유의 물성 감소를 가져올 수 있는 별도의 표면처리 과정없이 수지의 함침도를 향상시킴으로써 기계적 물성을 향상시키기 위해서 저점도 열가소성 수지의 Sizing 처리를 수행하였다. 우선, 열처리를 통해 탄소 섬유 표면의 Bisphenol A type의 에폭시 Sizing 층을 제거한 후 포름산을 이용하여 제조한 저점도 용액형 폴리아마이드 6,6(Polyamaide 6,6)를 탄소섬유 표면에 Sizing 처리하여 복합재료를 제조하였다. 폴리아마이드 6,6는 엔지니어링 플라스틱(Engineering plastic)의 일종으로 기계적 성질, 특히 내충격성이 우수한 결정성 플라스틱이며, 내마찰성(Rub resistance), 내마모성(Wear resistance), 내약품성(Chemical resistance), 내유성(Oil resistance)이 우수하고, 녹는점 (Melting point)이 높은 특징을 가지고 있다.
)을 180×135 mm로 재단 후 금속 몰드(Mould)에 15장의 탄소섬유 직물과 16장의 폴리 아마이드 6,6 필름을 교대로 적층하였다. 적층된 재료들을 Hot press에 위치시킨 후 Fig. 4와 같은 온도 및 압력 사이클을 적용하여 복합재료 시편을 제조하였으며, 이 때 적층된 시편 내부까지 열 전달이 이루어질 수 있도록 20 min 동안 압력 없이 예열 단계를 도입하였다. 그 후 최종 압력(10 MPa)까지 2 MPa/min의 속도로 상승시키고 10 min 동안 압력을 유지하였다.
또한 저온환경에서 약산에 용해되기 때문에 높은 온도 및 유독 용매(Solvent) 가 필요한 열가소성 수지와 비교하였을 때, 용액을 제조하기 위해 더 유용한 플라스틱이다. 제조된 복합재료의 Sizing 조건에 따라 층간계면전단강도 및 굴곡 강도 등의 기계적 물성을 측정하였으며, 열중량 분석기(Thermogravimetric analysis, TGA)를 통해 복합 재료 제조 후 잔존 용매를 확인하였다. 또한 복합재료 내의 기공률을 계산함으로써 수지의 함침도를 평가하였다.
폴리아마이드 6,6 복합재료의 함침성 및 계면 결합력 향상을 위해 De-sizing 된 탄소섬유 직물에 용액형 폴리아마이드 6,6 용액을 이용해 Sizing 처리를 진행하였다. De-sizing 된 탄소섬유 직물을 용액형 폴리아마이드 6,6 용액에 3 min 동안 침지 시킨 뒤, 90oC에서 2 h 동안 포름산을 증발시켰으며, 그 결과 Fig.
폴리아마이드 6,6 용액의 농도는 20 wt%로 설정하였으며, 50oC에서 2h 동안 용해한 후, 50oC 가열로에서 24 h 동안 안정화시켰다.
폴리아마이드 6,6 용액이 Sizing 처리된 탄소섬유를 이용한 복합재료 시편 또한 앞서 언급한 Film stacking 방법과 동일한 과정을 통하여 제조하였다.
폴리아마이드 6,6의 함침도는 제조된 탄소섬유/폴리아마이드 6,6 복합재료 내에 기공률을 통해 간접적으로 평가 하였다. 기공률을 확인하기 위해 다음과 같은 수식을 이용해 복합재료 내부의 Void contents를 계산하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 폴리아마이드 6,6를 녹여 용액형 수지를 제조하였다. 또한 탄소섬유 표면의 에폭시 Sizing 층을 제거하고 폴리아마이드 6,6 용액을 사용하여 다시 Sizing 처리함으로써 탄소섬유 내에 수지의 함침도를 향상시켜 물성 분석을 수행하였다.
C에서 3 min 동안 용융(Melting) 시킨 후 10 bar에서 2 min 동안 가압하여 필름을 제조하였다. 이 때 필름의 두께를 0.1 mm 로 균일 하게 유지하기 위해 0.1 mm 두께 게이지를 사용하였다. 성형된 필름과 탄소섬유 평직 직물(12K Carbon fiber fabric, SAENAL TECH-TEX Co.
폴리아마이드 6,6(Polyamid 6,6; PA6,6)의 높은 용융점도 문제를 해결하기 위해 포름산(Formic acid)에 용해(Dissolving) 시켜 저점도 폴리아미드 6,6 용액을 제조 하였다. 폴리아마이드 6,6 용액의 농도는 20 wt%로 설정하였으며, 50oC에서 2h 동안 용해한 후, 50oC 가열로에서 24 h 동안 안정화시켰다.
데이터처리
제작된 시편의 층간계면전단강도를 평가하기 위해 Short beam shear test를 수행하였다. ASTM 2344에 근거하여 시편을 규격에 맞게 직육면체로 가공하여 건조하였으며, 만능 재료시험기(Instron 582, MA, USA)을 사용하여 1 mm/min 의 하중 속도로 시험하였다.
이론/모형
기공률을 확인하기 위해 다음과 같은 수식을 이용해 복합재료 내부의 Void contents를 계산하였다. 섬유 무게의 경우 ASTM D3529 규격에 따라 복합재료를 고온에서 열분 해하여 측정하였다.
용액형 열가소성 수지를 이용해 향상된 기계적 물성 향상을 확인하기 위해 복합재료의 굽힘 강도 평가를 ASTM D7264에 근거하여 진행하였다. 굽힘 강도 평가는 1 mm/min 의 속도로 조건별로 5개의 시편을 이용해 진행하였다.
성능/효과
1. 탄소섬유 표면의 에폭시 층을 제거하는 과정만으로도 탄소섬유 강화 폴리아마이드 6.6 복합재료의 물성(층간계 면전단강도, 굽힘 강도)이 향상되었다.
2. De-sizing 된 탄소섬유에 용액형 폴리아마이드 6,6로 다시 Sizing 처리한 결과, 섬유 내에 수지의 함침도는 향상되었으며, 그 결과 각각 층간계면전단강도는 38%, 굽힘 강도는 16% 향상되었다.
3. 탄소섬유 내에 폴리아마이드 6,6의 함침도는 기공률을 통해 평가하였으며, 1.9로 매우 낮은 값을 나타내었다. 따라서, 용액형 열가소성 수지로 Sizing 처리를 할 경우 수지의 함침도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따른 물성 향상을 보였다.
9로 매우 낮은 값을 나타내었다. 따라서, 용액형 열가소성 수지로 Sizing 처리를 할 경우 수지의 함침도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따른 물성 향상을 보였다.
또한, 용액형 폴리아마이드 6,6를 Sizing 처리한 시편의 경우 탄소섬유 직물의 Sizing 층을 제거하지 않은 시편 대비약 38%의 물성 향상 효과가 있음을 알 수 있었다. 이는 기지재와 동일한 폴리아마이드 6,6 Sizing을 사용하여 계면호환성이 향상되었고 저점도 용액형 수지가 탄소섬유 번들 내부로 효과적으로 함침이 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다.
6(c)는 탄소섬유 직물의 에폭시 Sizing 층을 제거 하고 용액형 폴리아마이드 6,6를 이용해 Sizing한 시편의 결과를 나타낸다. 실험 결과, Sizing 층을 제거하고 용액형 수지를 적용하였을 경우 최대 하중의 증가와 함께 그 편차가 크게 줄어듦을 알 수 있다. 이 결과로부터 시험편의 높은 함침도를 간접적으로 확인할 수 있다.
9에 나타내었다. 용액형 폴리아마이드 6,6를 적용한 PA 6,6 Sizing 시편의 경우 탄소섬유 직물의 Sizing 층을 제거하지 않은 시편 대비 약 16%의 굽힘 강도 향상 효과가 나타났다.
후속연구
또한, 압력을 높인 경우 섬유체적비는 약 6% 높아졌지만, 상대적으로 밀도가 높은 잉여 수지가 Squeeze out 되어 질량 차이가 거의 없는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 물성 시험을 위해 제조된 복합재료 시편은 10 MPa의 압력으로 제조되었으나 압력을 증가시킨다면 기공률이 감소하고 수지의 함침도가 향상될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화 복합재료의 특징은?
탄소섬유강화 복합재료(CFRP)는 고강도(High strength), 고강성(High stiffness), 내마모성(Wear resistance) 및 낮은 밀도(Low density)로 인해 다양한 첨단기술 산업에 적용이 가능하며, 특히 고하중을 지지하는 구조체 또는 극한 환경에서의 구조체로서 각광받는 소재이다[1]. 열경화성수지 (Thermo-setting resin)를 이용한 탄소복합재료는 열가소성 수지(Thermoplastic resin) 복합재료 대비 높은 물성을 나타내지만, 탄소섬유의 재활용(Recycle)이 어렵고 수지의 경화 시간(Curing time)으로 인해 생산성이 떨어진다는 문제점이 있다[2].
열경화성수지 (Thermo-setting resin)를 이용한 탄소복합재료의 문제점은?
탄소섬유강화 복합재료(CFRP)는 고강도(High strength), 고강성(High stiffness), 내마모성(Wear resistance) 및 낮은 밀도(Low density)로 인해 다양한 첨단기술 산업에 적용이 가능하며, 특히 고하중을 지지하는 구조체 또는 극한 환경에서의 구조체로서 각광받는 소재이다[1]. 열경화성수지 (Thermo-setting resin)를 이용한 탄소복합재료는 열가소성 수지(Thermoplastic resin) 복합재료 대비 높은 물성을 나타내지만, 탄소섬유의 재활용(Recycle)이 어렵고 수지의 경화 시간(Curing time)으로 인해 생산성이 떨어진다는 문제점이 있다[2]. 따라서, 최근 열가소성 수지를 이용한 탄소복합재료에 관한 연구가 집중적으로 이루어지고 있다.
열가소성 수지의 문제점은?
열가소성 수지(Thermoplastic resin)를 이용한 탄소복합재료는 재활용이 가능하고 성형 시간이 매우 짧아 생산성이 좋다.그러나 수지의 높은 용융 점도(Melting viscosity) 및 탄소섬유와의 낮은 계면 결합력(Interfacial interaction)은 복합재료의 물성 저하를 가져오며, 복합재료의 위치에 따른 큰 물성 차이로 높은 신뢰성을 요구하는 구조를 제작하기 어렵기 때문에 적용 분야가 제한적이었다. 따라서 응용 분야의 확대를 위해서는 계면 강도 및 함침도 향상이 선결되어야 한다.
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Jang, J.S., and Yang, H.J., "The Effect on Surface Treatment on the Performance Improvement of Carbon Fiber/polybenzoxazine Composites," Journal of Materials Science, Vol. 35, No. 9, 2000, pp. 2297-2303.
Zhang, Q., Liu, J., Sager, R., Dai, L., and Baur, J., "Hierarchical Composites of Carbon Nanotubes on Carbon Fiber: Influence of Growth Condition on Fiber Tensile Properties," Composites Science and Technology, Vol. 69, 2009, pp. 594-601.
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