열 성형 온도 및 시간에 따른 탄소섬유 강화 재활용 PET 복합재료의 계면 및 기계적 물성 비교 Comparison of Mechanical and Interfacial Properties of Carbon Fiber Reinforced Recycled PET Composites with Thermoforming Temperature and Time원문보기
탄소섬유 강화 복합재료는 가볍고, 우수한 물성을 가지고 있기 때문에 그 수요는 급격하게 증가되고 있다. 그에 따라, 탄소섬유 강화 복합재료의 기지로 재활용이 가능한 열가소성 수지를 사용한 복합재료 연구를 많이 진행하고 있다. 본 연구에서는 재활용 PET를 이용하여 재활용 복합재료에 대한 활용성 평가를 하였다. PET는 음료수 병으로 활용되는 폐기물을 수집하여 PET 필름을 제조하는 과정을 거쳤으며, PET 필름을 제조하기 위한 성형 온도와 시간의 차이에 따른 기계적 물성을 비교하여 최적의 성형온도와 시간을 분석하였다. 이를 바탕으로 재활용 PET 필름과 탄소섬유 매트를 이용하여 CF/PET 복합재료를 최적으로 성형하기 위한 변수를 관찰하였다. 성형 조건에 따른 기계적 물성을 굴곡시험으로 확인하였고, PET 필름이 탄소섬유 매트 내에 함침 되는 정도를 단면 사진으로, 그리고 계면 성질을 층간전단강도로 평가하였다. 궁극적으로 최적의 기계적 물성을 가지는 CF/PET 복합재료를 성형하기 위한 성형 조건이 $270^{\circ}C$와 5분임을 확인했다.
탄소섬유 강화 복합재료는 가볍고, 우수한 물성을 가지고 있기 때문에 그 수요는 급격하게 증가되고 있다. 그에 따라, 탄소섬유 강화 복합재료의 기지로 재활용이 가능한 열가소성 수지를 사용한 복합재료 연구를 많이 진행하고 있다. 본 연구에서는 재활용 PET를 이용하여 재활용 복합재료에 대한 활용성 평가를 하였다. PET는 음료수 병으로 활용되는 폐기물을 수집하여 PET 필름을 제조하는 과정을 거쳤으며, PET 필름을 제조하기 위한 성형 온도와 시간의 차이에 따른 기계적 물성을 비교하여 최적의 성형온도와 시간을 분석하였다. 이를 바탕으로 재활용 PET 필름과 탄소섬유 매트를 이용하여 CF/PET 복합재료를 최적으로 성형하기 위한 변수를 관찰하였다. 성형 조건에 따른 기계적 물성을 굴곡시험으로 확인하였고, PET 필름이 탄소섬유 매트 내에 함침 되는 정도를 단면 사진으로, 그리고 계면 성질을 층간전단강도로 평가하였다. 궁극적으로 최적의 기계적 물성을 가지는 CF/PET 복합재료를 성형하기 위한 성형 조건이 $270^{\circ}C$와 5분임을 확인했다.
Currently, since carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) are lightweight and have excellent physical properties, their demand has increased dramatically. Many works have studied the CFRPs based on recycled thermoplastics. In this study, the applicability of recycled composite was evaluated using re...
Currently, since carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) are lightweight and have excellent physical properties, their demand has increased dramatically. Many works have studied the CFRPs based on recycled thermoplastics. In this study, the applicability of recycled composite was evaluated using recycled polyethylene terephthalate (PET). PET was collected from waste materials used in beverage bottles and processed to produce PET films. Optimal thermoforming temperature and time were analyzed by comparing the mechanical properties with forming temperature and time difference for producing PET films. CF mat and PET film were used to determine the suitable parameters for the optimum thermoforming of CF/PET composites. The mechanical properties of each thermoforming condition were verified by bending test. The degree of impregnation of the PET film into the CF mat was evaluated by cross-sectional photographs, whereas the interfacial properties were evaluated by interlaminar shear strength (ILSS). Ultimately, it was confirmed that the thermoforming condition for forming the CF/recycled PET composites yielding the optimal mechanical and interfacial properties was at $270^{\circ}C$ for 5 minutes.
Currently, since carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) are lightweight and have excellent physical properties, their demand has increased dramatically. Many works have studied the CFRPs based on recycled thermoplastics. In this study, the applicability of recycled composite was evaluated using recycled polyethylene terephthalate (PET). PET was collected from waste materials used in beverage bottles and processed to produce PET films. Optimal thermoforming temperature and time were analyzed by comparing the mechanical properties with forming temperature and time difference for producing PET films. CF mat and PET film were used to determine the suitable parameters for the optimum thermoforming of CF/PET composites. The mechanical properties of each thermoforming condition were verified by bending test. The degree of impregnation of the PET film into the CF mat was evaluated by cross-sectional photographs, whereas the interfacial properties were evaluated by interlaminar shear strength (ILSS). Ultimately, it was confirmed that the thermoforming condition for forming the CF/recycled PET composites yielding the optimal mechanical and interfacial properties was at $270^{\circ}C$ for 5 minutes.
본 연구에서는 열가소성 고분자인 PET를 PET 병 폐기물에서 재활용 하여 PET 기지 섬유강화 복합재료를 제조하여 그 특성을 조사하여 보았다. 우선, 각각의 열 성형 조건에 따른 PET의 특성을 조사하기 위하여 DSC 측정을 진행하였고, 그 결정화도 변화를 확인하였다.
제안 방법
우선, 각각의 열 성형 조건에 따른 PET의 특성을 조사하기 위하여 DSC 측정을 진행하였고, 그 결정화도 변화를 확인하였다. 그리고 물성을 평가하기 위하여 인장시험을 진행하여 비교하여 보았으며,이 재활용 PET를 기지로 하는 탄소섬유 강화 복합재료를 열 성형 조건을 달리하여 프레스 성형으로 제조하였다. 이재활용 열가소성 섬유강화 복합재료의 물성을 비교하기 위해서 굴곡시험을 진행하였으며, 추가적으로 계면의 상태를 평가하기 위해서 층간전단강도 시험을 진행하였고, 함침정도를 육안으로 비교해보기 위해서 그 단면 사진을 촬영 하여 비교하여 보고 최적의 물성을 가지는 재활용 PET 기지섬유강화 복합재료의 열 성형 조건을 확인하였다.
그리고 물성을 평가하기 위하여 인장시험을 진행하여 비교하여 보았으며,이 재활용 PET를 기지로 하는 탄소섬유 강화 복합재료를 열 성형 조건을 달리하여 프레스 성형으로 제조하였다. 이재활용 열가소성 섬유강화 복합재료의 물성을 비교하기 위해서 굴곡시험을 진행하였으며, 추가적으로 계면의 상태를 평가하기 위해서 층간전단강도 시험을 진행하였고, 함침정도를 육안으로 비교해보기 위해서 그 단면 사진을 촬영 하여 비교하여 보고 최적의 물성을 가지는 재활용 PET 기지섬유강화 복합재료의 열 성형 조건을 확인하였다.
대상 데이터
본 실험을 진행하기 위해 기지 재료로 PET 물병(롯데칠성, 한국)의 폐기물을 수집하여 세척하고 건조시킨 후에 10 cm× 10 cm 크기로 병의 몸체에서 PET를 분리한 뒤 핫프레스를 이용하여 최적 온도를 확인하기 위하여 17.5 kgf/cm2의동일한 압력, 3분의 성형 시간을 두고, 온도를 250oC, 260oC,270oC, 280oC로 하여 PET 필름을 제조하였고, 다음으로 최적 시간을 확인하기 위하여 17.5 kgf/cm2, 270oC로 고정하고1분, 3분, 5분, 10분의 조건으로 PET 필름을 제조 한 뒤, 두 조건 모두 상온으로 빠르게 냉각시켰다. 그리고 탄소섬유(T-700, 도레이, 일본) 매트를 PET 필름과 동일한 사이즈로 자른 뒤 탄소섬유 매트 한층, PET 필름을 한 층씩 적층하여 핫프레스를 이용한 프레스 성형으로 복합재료를 제조하였다[11].
이론/모형
제작한 PET 필름의 기계적 특성을 평가, 최적 조건 찾기 위하여 각 조건에 해당하는 시편으로 인장시험을 만능재료시험기(H1KS, 로이드, 영국)를 이용하여 진행하였다. ASTMD882의 시험 기준으로 PET 필름을 인장 시험하였고[12], 그 시편을 이용하여 열가소성 고분자 기지의 특성 영향을 주는 결정성 변화를 관찰하고자 DSC(Q200, TA Instrument, 미국)를 이용하여 10oC/분의 속도로 승온시켜 온도 범위 50-300oC에서 2회 반복하여 PET를 열 분석하였다. DSC의 측정 결과를 이용하여 엔탈피를 분석하여 결정성 평가를 시도하였다.
재활용 PET를 이용하여 만든 재활용 CF/PET 복합재료의 특성을 평가, 최적 조건을 찾기 위하여 만능재료시험기를 이용하여 ASTM D790 규격을 바탕으로 굴곡시험을 진행하였고[14], 계면 특성을 비교하기 위하여 층간전단강도 시험을 진행하여 파악하였다. 층간전단강도의 식은 다음과같다.
성능/효과
이에 대하여 열 성형을 위한 적정 시간과 온도가 필요하며, 너무 과한 열 성형 시간과 온도는 오히려 물성을 감소시키는 것을 확인하였다. 궁극적으로 재활용복합재료 성형에 최적 시간, 온도를 확인하였다. 하지만 PET의 특성에 영향을 미치는 요인이 많고, 그에 따라 조금 더 효율적으로 재활용하기 위해서 그러한 조건들의 더 연구하고, 최적조건을 찾는 것에 대하여 더 많은 연구가 필요하다는 것을 알 수 있었다.
그리고 그 함침정도를 육안으로 비교 해보기 위해 단면 사진을 촬영하고 분석을 시도하여 보았다. 이에 대하여 열 성형을 위한 적정 시간과 온도가 필요하며, 너무 과한 열 성형 시간과 온도는 오히려 물성을 감소시키는 것을 확인하였다. 궁극적으로 재활용복합재료 성형에 최적 시간, 온도를 확인하였다.
후속연구
궁극적으로 재활용복합재료 성형에 최적 시간, 온도를 확인하였다. 하지만 PET의 특성에 영향을 미치는 요인이 많고, 그에 따라 조금 더 효율적으로 재활용하기 위해서 그러한 조건들의 더 연구하고, 최적조건을 찾는 것에 대하여 더 많은 연구가 필요하다는 것을 알 수 있었다. ;
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열경화성 기지 복합재료의 장단점은?
항공, 자동차 및 기타 산업 분야의 구조 부품에 금속 합금을 대체하기 위해 복합재료를 많이 사용하게 되었고, 이의 기지재료로 열경화성 수지가 대부분 사용되어 왔다. 열경화성 기지 복합재료는 우수한 물성을 가지고 있지만 제조 원가가 높고, 제품 생산을 위한 시간이 길어 대량생산이 어려우며 가공 후에는 재가공이 불가능하므로 재활용이 불가능한 단점이 있다[1].
탄소섬유 강화 복합재료의 특징은?
탄소섬유 강화 복합재료는 가볍고, 우수한 물성을 가지고 있기 때문에 그 수요는 급격하게 증가되고 있다. 그에 따라, 탄소섬유 강화 복합재료의 기지로 재활용이 가능한 열가소성 수지를 사용한 복합재료 연구를 많이 진행하고 있다.
열경화성 기지 복합재료가 가진 단점을 극복하고 대신하여 사용할 수 있는 재료는?
이러한 단점으로 인해 최근 열가소성을 기지로 하는 복합재료에 대한 관심이 증가하고 있다. 열가소성 기지 복합재료는 재활용이 가능하며, 비용 효율성, 제품 설계의 유용성 등의 측면에서의 장점을 가지고 있고, 그에 따라 많은 열가소성 기지를 접목한 복합재료의 연구가 진행되고 있다[2,3].
참고문헌 (15)
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Vaidya, U.K., and Chawla, K.K., "Processing of Fibre Reinforced Thermoplastic Composites," International Materials Reviews, Vol. 53, 2008, pp. 185-218.
Bo, X., Sha, Y., Yang, W., Hongfu, L., Boming, Z., and Robert, O. R., "Long-fiber Reinforced Thermoplastic Composite Lattice Structures: Fabrication and Properties," Composites : Part A, Vol. 97, 2017, pp. 41-50.
Cristina, C., Mihaela C., and Anca D., "Effect of PET Functionalization in Composites of Rubber-PET-HDPE Type," Arabian Journal of Chemistry, Vol. 10, 2017, pp. 300-312.
Rahmani, E., Dehestani, M., Beygi, M.H.A., Allahyari, H., and Nikbin, I.M., "On the Mechanical Properties of Concrete Containing Waste PET Particles," Construction and Building Materials, Vol. 47, 2013, pp. 1302-1308.
Nino, D., Ljerka, K.K., Anita, P.S., and Zlata, H.M., "Analysis of Recycled PET Bottles Products by Pyrolysis-gas Chromatography," Polymer Degradation and Stability, Vol. 98, 2013, pp. 972-979.
Nonato, R.C., and Bonse, B.C., "A Study of PP/PET Composites: Factorial Design, Mechanical and Thermal Properties," Polymer Testing, Vol. 56, 2016, pp. 167-173.
Kim, S.H., and Park, C.H., "Direct Impregnation of Thermoplastic Melt into Flax Textile Reinforcement for Semi-structural Composite Parts," Industrial Crops and Products, Vol. 95, 2017, pp. 651-669.
Negoro, T., Thodsaratpreeyakul, W., Takada, Y., Thumsorn, S., Inoya, H., and Hamada, H., "Role of Crystallinity on Moisture Absorption and Mechanical Performance of Recycled PET Compounds," Energy Procedia, Vol. 89, 2016, pp. 323-327.
Dong, C., and Davies, I.J., "Flexural and Tensile Strengths of Unidirectional Hybrid Epoxy Composites Reinforced by S-2 Glass and T700S Carbon Fibres," Materials and Design, Vol. 54, 2014 pp. 955-966.
Baqar, M., Agag, T., Ishida, H., and Qutubuddin, S., "Poly(benzoxazine-co-urethane)s: A New Concept for Phenolic/urethane Copolymers via One-pot Method," Polymer, Vol. 52, 2011, pp. 307-317.
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