[논문]유리섬유와 유리버블에 의한 Sheet Molding Compound 강도의 시너지 효과

노예지; 이용철; 황태원

doi:10.7234/composres.2018.31.1.008

유리섬유와 유리버블에 의한 Sheet Molding Compound 강도의 시너지 효과
Synergistic Effect in Mechanical Properties of Sheet Molding Compound via Simultaneous Incorporation of Glass Fiber and Glass Bubble Fillers 원문보기

Composites research = 복합재료, v.31 no.1, 2018년, pp.8 - 11

노예지 (Automotive Composite Division, Dongsung Corporation) , 이용철 (SECO R&D Center, ECOPLASTIC) , 황태원 (Automotive Composite Division, Dongsung Corporation)

초록
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섬유강화 복합재료 제조 방법 중 sheet molding compound(SMC)는 자동차에 적용 가능성이 가장 높은 소재이다. 본 연구에서는 저비중 필러인 유리버블과 강화재인 유리섬유를 사용하여 물성이 저하되지 않으면서 낮은 비중을 나타내는 SMC의 제조를 위한 최적의 배합비에 대해 연구하였다. SMC 내부에 유리섬유의 혼입양이 증가할수록 강도가 향상하였고, 유리버블의 혼입양이 증가할수록 비중이 낮아졌다. 최적의 배합에서는 비중이 낮아지면서 물성이 향상되는 시너지 효과가 나타남을 발견하였다. 이러한 시너지 효과는 유리버블의 크랙 전파의 분산효과와 유리버블의 혼입에 따른 섬유와 매트릭스의 결합력의 향상에 기인한 것임을 내부구조 분석을 통해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sheet molding compound (SMC) is one of the most economical fiber reinforced composite fabrication processing for automotive applications. In this study, we studied the optimum formulation for the production of SMC which shows low specific gravity without lowering the mechanical properties by using glass bubble (GB) which is a low specific gravity filler and glass fiber (GF) as a reinforcing material. The tensile strength increased with the increase of the GF in the SMC, and the specific gravity decreased with the increase of the GB. The synergistic effect of improving the mechanical properties as the specific gravity is lowered is found in the optimum formulation. The synergy effect was confirmed by the internal structure analysis that the dispersion effect of the crack propagation of the GB and the improvement of the binding force between the fiber and the matrix due to the incorporation of the GB.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

SMC는 우수한 물리적 특성과 경제성으로 그 수요가 점차 증가하고 있으나, 최근에는 현재의 비중보다 더 낮은 비중이 요구되고 있다. 본 연구에서는 유리섬유와 유리버블의 하이브리드를 통해 SMC의 기계적 특성을 유지하면서 비중을 낮추는 방법에 대해 연구하였다. 유리섬유와 유리버블의 혼입비가 최적화된 SMC의 인장강도 및 탄성률이 동량의 유리섬유만 혼입한 SMC 보다 더 우수한 것을 확인하였다.
SMC의 비중을 낮추기 위해서는 비중이 낮은 유리버블을 혼입하여 제조하는 방법이 있다. 본 연구에서는, 유리버블과 유리섬유의 하이브리드를 통해 기계적 물성을 유지하면서 비중을 낮추는 방법에 대해 연구하였다.

제안 방법

비중은 Matsuhaku사의 비중 측정기(GP-300E)를 이용하여 측정하였다. SMC 시편의 단면은 Field Emission Scanning Electron Microscopy(FE-SEM, Nova NanoSEM 450, FEI Corp)을 이용하여 10.0 kV에서 관찰하였다. 복합재료 내에서 유리섬유와유리버블간의 3차원네트워크를평가하기위해 X-ray Micro CT 시스템(Skyscan1172, Bruker)을 측정하였다.
0 kV에서 관찰하였다. 복합재료 내에서 유리섬유와유리버블간의 3차원네트워크를평가하기위해 X-ray Micro CT 시스템(Skyscan1172, Bruker)을 측정하였다.
SMC 시편의 인장시험은 ASTM-D638 시험법에 따라 가공하여 총 5개의 시편을 Universal Testing Machine(UTM, UT100, 엠티디아이)을 사용하여 상온에서 인장속도 5 mm/min의 조건으로 측정한 뒤 평균값을 구했다. 비중은 Matsuhaku사의 비중 측정기(GP-300E)를 이용하여 측정하였다. SMC 시편의 단면은 Field Emission Scanning Electron Microscopy(FE-SEM, Nova NanoSEM 450, FEI Corp)을 이용하여 10.
유리섬유와 유리버블의 혼입비가 최적화된 SMC의 인장강도 및 탄성률이 동량의 유리섬유만 혼입한 SMC 보다 더 우수한 것을 확인하였다. 유리섬유와 유리버블의 동시 혼입에 의한 SMC 인장 특성에 대한 시너지 효과를 SEM 및 마이크로 CT 등에 의해 측정된 내부구조 이미지를 통해 분석하였다. 메트릭스 내에 혼입된 유리버블의 크랙 전파의 분산효과와 유리버블의 혼입에 따른 섬유와 메트릭스의 결합력의 향상에 의해 시너지 효과가 발생하였다.

대상 데이터

불포화 폴리에스테르는 Maleic anhydride와 Propylene glycol이 1:1.05로 혼합되어 있으며 Polynt사에서 제공받았다. 저수축제로 포화폴리에스터(Chembase Co.
에서 제공하는 E-Glass Assembled Roving으로 Fig. 1(a)와 같이 평균 길이 25.4 mm, 직경 10~13 μm의 grade를 사용하였고, 비중은 2.4이다.
유리버블은 3M에서 제공하는 S38HS grade를 사용하였다. 비중이 0.
05로 혼합되어 있으며 Polynt사에서 제공받았다. 저수축제로 포화폴리에스터(Chembase Co., Ltd.), 개시 제로 t-butyl peroxybenzoate(TBPB, 동성코퍼레이션), 억제제로 p-benzoquinone(PBQ, Chembase Co., Ltd.), 내부이형 제로 Zn-stearate(Sinwon Industrial Co., Ltd.), 증점제로 MgO(라텍코리아) 등을 사용하였다.

이론/모형

SMC 시편의 인장시험은 ASTM-D638 시험법에 따라 가공하여 총 5개의 시편을 Universal Testing Machine(UTM, UT100, 엠티디아이)을 사용하여 상온에서 인장속도 5 mm/min의 조건으로 측정한 뒤 평균값을 구했다. 비중은 Matsuhaku사의 비중 측정기(GP-300E)를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

Fig.4(c)에서 유리섬유와 유리버블이 고르게 분포되어 있음을 확인할 수 있었고, 유리섬유가 유리버블보다 함량이 높음에도 불구하고 유리버블의 비중이 작아 더 많은 입자가 분포되어 있음을 확인할 수 있었다. Fig.
5에 나타내었다. F24B0과 F18B6을 비교했을 때, F18B6의 매트릭스는 비중이 낮은 유리버블에 의해 더 충진 된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 형태학적 특성에 의해 F18B6의 인장강도가 더욱 향상 되었다고 판단된다.
유리섬유의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하면서 비중이 증가하여 보강효과가 크다는 것을 알 수 있었다. 반면, 유리버블의 함량이 증가할수록 보강효과는 미미하고, 비중이 감소하여 경량화 효과가 존재함을 확인할 수 있다. 유리섬유가 18%와 유리버블이 6%가 혼입된 F18B6이 가장 우수한 인장강도를 나타내었으며, 이는 유리섬유만 24%가 포함되어 있을 때보다 높은 강도이면서 낮은 비중을 나타내어 시너지 효과가 존재함을 확인하였다.
반면, 유리버블의 함량이 증가할수록 보강효과는 미미하고, 비중이 감소하여 경량화 효과가 존재함을 확인할 수 있다. 유리섬유가 18%와 유리버블이 6%가 혼입된 F18B6이 가장 우수한 인장강도를 나타내었으며, 이는 유리섬유만 24%가 포함되어 있을 때보다 높은 강도이면서 낮은 비중을 나타내어 시너지 효과가 존재함을 확인하였다.
본 연구에서는 유리섬유와 유리버블의 하이브리드를 통해 SMC의 기계적 특성을 유지하면서 비중을 낮추는 방법에 대해 연구하였다. 유리섬유와 유리버블의 혼입비가 최적화된 SMC의 인장강도 및 탄성률이 동량의 유리섬유만 혼입한 SMC 보다 더 우수한 것을 확인하였다. 유리섬유와 유리버블의 동시 혼입에 의한 SMC 인장 특성에 대한 시너지 효과를 SEM 및 마이크로 CT 등에 의해 측정된 내부구조 이미지를 통해 분석하였다.
3(a)에 나타내었다. 유리섬유의 함량이 증가할수록 인장강도가 증가하면서 비중이 증가하여 보강효과가 크다는 것을 알 수 있었다. 반면, 유리버블의 함량이 증가할수록 보강효과는 미미하고, 비중이 감소하여 경량화 효과가 존재함을 확인할 수 있다.
인장탄성 결과도 인장강도와 유사한 경향을 보였고, 특히 유리섬유 18%, 유리버블 6%가 혼입된 F18B6이 가장 높은 값을 보였으며, 비중 또한 유리섬유만 24% 포함된 시편보다 낮았다. 이로부터 유리섬유와 유리버블의 혼입으로 인장탄성 결과에서도 하이브리드 효과가 나타남을 확인하였다.
3(b)는 유리섬유와 유리버블 함량에 따른 시편의 인장탄성과 비중 결과를 나타내었다. 인장탄성 결과도 인장강도와 유사한 경향을 보였고, 특히 유리섬유 18%, 유리버블 6%가 혼입된 F18B6이 가장 높은 값을 보였으며, 비중 또한 유리섬유만 24% 포함된 시편보다 낮았다. 이로부터 유리섬유와 유리버블의 혼입으로 인장탄성 결과에서도 하이브리드 효과가 나타남을 확인하였다.

후속연구

메트릭스 내에 혼입된 유리버블의 크랙 전파의 분산효과와 유리버블의 혼입에 따른 섬유와 메트릭스의 결합력의 향상에 의해 시너지 효과가 발생하였다. 결론적으로 SMC에 혼입된 유리섬유와 유리버블의 조성 최적화로 비중이 낮으면서도 기계적 특성이 저하되지 않는 SMC를 개발하였고, 이러한 소재는 자동차용 경량화 부품에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유리섬유와 유리버블의 하이브리드한 SMC은 매트릭스 내에서 어떤 효과를 보이는가?	유리섬유와 유리버블의 동시 혼입에 의한 SMC 인장 특성에 대한 시너지 효과를 SEM 및 마이크로 CT 등에 의해 측정된 내부구조 이미지를 통해 분석하였다. 메트릭스 내에 혼입된 유리버블의 크랙 전파의 분산효과와 유리버블의 혼입에 따른 섬유와 메트릭스의 결합력의 향상에 의해 시너지 효과가 발생하였다. 결론적으로 SMC에 혼입된 유리섬유와 유리버블의 조성 최적화로 비중이 낮으면서도 기계적 특성이 저하되지 않는 SMC를 개발하였고, 이러한 소재는 자동차용 경량화 부품에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
	충진제 중 기능성 충진제의 대표적인 예와 특성은 무엇인가?	또한, 일반적으로 보통 중량비로 25~35%의 섬유를 함침 시킨다. 충진제는 비기능성과 기능성으로 분류하는데 비기능성 충진제의 대표적인 예는 탄산칼슘으로 비용 절감 목적으로 사용하며 기능성충진제의 대표적인 예는 수산화 알미늄과 유리버블로 각각 난연성과 경량화 특성을 향상시킨다[2,3].
	SMC는 무엇인가?	SMC는 수지, 섬유 강화재, 충진제와 다양한 첨가제로 이루어진 sheet상의 복합재료이다. 수지의 종류에는 불포화 폴리에스터, 에폭시, 페놀릭 등이 있으며, 이 중 불포화 폴리에스터 수지는 빠른 반응 시간, 낮은 가격과 우수한 기계적 특성으로 SMC에 주로 적용된다.

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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