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탄소섬유 사이징에 따른 에폭시 수지 유동 특성에 관한 연구
Study on the Flow Characteristics of the Epoxy Resin w.r.t. Sizing Materials of Carbon Fibers 원문보기

Composites research = 복합재료, v.31 no.6, 2018년, pp.379 - 384  

임수현 (Department of Mechanical Engineering, KAIST) ,  온승윤 (Department of Mechanical Engineering, KAIST) ,  김성수 (Department of Mechanical Engineering, KAIST)

초록
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본 연구에서는 동일한 표면 형태를 가지는 탄소섬유에 다양한 사이징제를 처리함에 따라 발생하는 에폭 시 수지의 유동 특성 변화를 분석하였다. 동적 접촉각(DCA) 측정을 통해 단일 탄소섬유의 젖음성(Wettability)을 측정하였다. DCA 측정 결과와 함침 특성 간의 연관성을 살피기 위해 Wicking test와 VARTM test를 수행하였다. 추가적으로, 탄소섬유의 표면 에너지 등 다양한 표면 특성을 분석하였으며 Micro-droplet test를 통해 수지와 탄소섬유계면의 계면전단강도를 측정하였다. 이러한 실험 결과를 기반으로, 함침 속도의 증대를 위해서는 탄소섬유의 사이징제가 적정 수준의 표면 에너지를 가져야 하며, 사이징제의 화학적 조성을 조정하여 에폭시 수지의 유동 특성과 계면전단강도가 모두 개선 가능함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper aims to study flow characteristics of epoxy resin w.r.t. the sizing agents treated on the carbon fibers which have the same surface morphologies before sizing treatment. Dynamic contact angle (DCA) was measured to evaluate wettability of a single carbon fiber. Wicking test and Vacuum Assi...

주제어

표/그림 (14)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 중력은 Fabric, Tow, 함침액에 대해 외력으로 작용하기는 하나, 모든 Wicking test 수행 시에 동일하게 작용하는 외력이므로 Wicking 특성을 비교하는 데에는 영향을 주지 않는다. 결론적으로, Wicking test를 통해 탄소섬유의 표면 특성에 따른 Tow 단위의 Capillary effect에 주목하고자 한다.
  • 두 번째 실험인 Wicking test에서는 탄소섬유의 표면 특성과 더불어, Tow 및 Fabric 단위에서 발생하는 Capillary effect의 영향을 보고자 하였다. 실제 복합재료 제조 공정에서 함침은 Fabric 단위로 진행되며, Fabric 단위의 함침 실험인 VARTM test의 수행 이전에 Wicking test를 진행하는 이유는 VARTM의 경우 수지와 금형사이의 마찰이 함침 특성에 영향을 주기 때문이다.
  • Fabric 전체가 함침되는 과정을 관찰하기 때문에 단일 섬유 단위로 진행하는 DCA measurement, Tow 단위의 Wicking test에서 고려했던 탄소섬유의 표면 특성과 Tow에서 발생하는 Capillary effect 이외에도 고려해야 할 요소가 존재한다. 따라서 VARTM test를 통해 Fabric 단위에서 나타나는 Extra factor를 추가적으로 고려한 상태에서 Fabric의 함침도 평가를 진행하고자 한다. Fabric 단위에서 새롭게 발생하며 함침에 영향을 끼칠 수 있는 기타 요소에는 불균일한 압력 분포로 인해 Fabric의 가장자리에서 함침이 더디게 진행되는 Edge effect와 VARTM test의 수행 중에 Fabric에 대한 외력으로 작용하는 Vacuum pressure 등이 포함된다.
  • 실제 복합재료 제조 공정에서 함침은 Fabric 단위로 진행되며, Fabric 단위의 함침 실험인 VARTM test의 수행 이전에 Wicking test를 진행하는 이유는 VARTM의 경우 수지와 금형사이의 마찰이 함침 특성에 영향을 주기 때문이다. 또한 Fabric을 이용한 Wicking test의 경우 직조 패턴 및 적층 순서가 함침 특성에 영향을 주기 때문에 본 연구에서는 함침에 영향을 주는 인자들을 순차적으로 배제하였을 때 함침 특성이 어떻게 달라지는지를 파악하였다. Wicking test에 사용되는 Fabric은 같은 규격을 가지며 탄소섬유의 방향성도 동일하도록 재단하여 Fabric자체의 기하학적 구조는 최대한 일치시켰다.
  • 본 연구에서는 세 종류의 실험을 통해 사이징에 따른 수지의 유동 특성을 분석하였다. 첫 번째로, Dynamic Contact Angle (DCA) measurement는 Single filament 단위의 탄소섬유를 사용하여 탄소섬유 표면과 액체가 이루는 DCA를 측정하는 실험이다[1].
  • 본 연구에서는 탄소섬유의 사이징에 따른 에폭시 수지의 유동 및 함침 특성을 파악하였다. 실험 결과의 해석을 위해 Surface free energy 및 IFSS 측정을 수행하여 탄소섬유의Surface free energy, Wettability, 물리-화학적인 Compatibility, 그리고 함침 특성 간의 상관 관계에 대한 아래와 같은 결과를 얻었다.
  • 이와 같이 본 연구는 DCA measurement, Wicking test, VARTM test의 순차적인 진행을 통해 각 실험에서 함침 및 유동 특성에 영향을 주는 인자들을 추가하였다. 실험 결과를 바탕으로 탄소섬유의 표면 특성에 따른 에폭시 수지의 유동 특성을 파악하며, 함침성을 증대시키기 위해 어떠한 탄소섬유 표면 처리가 필요한지에 대한 방향성을 제시하였다.

가설 설정

  • 첫 번째로, Dynamic Contact Angle (DCA) measurement는 Single filament 단위의 탄소섬유를 사용하여 탄소섬유 표면과 액체가 이루는 DCA를 측정하는 실험이다[1]. 비교군에 해당하는 여러 종의 탄소섬유에 대하여 단일 섬유의 기하적 구조가 동일하다고 가정하면 탄소섬유의 표면 특성만이 DCA 측정에 영향을 줄 수있다. 그러므로 동일한 기하적 형태를 가지며 서로 다른 사이징제가 처리된 3종의 탄소섬유에 대하여 그 표면 특성을 비교하기 위해서 DCA measurement를 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최근 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 장점은? 최근 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 뛰어난 강도, 탄성 및 내식성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. CFRP의 기계적 성질은 탄소섬유와 수지 각각의특성에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라 섬유 표면의 사이징제와 수지 간의 호환성, 즉 계면 특성에도 크게 의존한다.
CFRP의 기계적 성질은 무엇에 영향을 받는가? 최근 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 뛰어난 강도, 탄성 및 내식성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. CFRP의 기계적 성질은 탄소섬유와 수지 각각의특성에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라 섬유 표면의 사이징제와 수지 간의 호환성, 즉 계면 특성에도 크게 의존한다.특히 사이징제는 서로 다른 표면 에너지 때문에 복합 재료의 함침 특성에도 영향을 준다.
탄소섬유의 사이징에 따른 에폭시 수지의 유동 및 함침 특성을 파악한 결과는? 1) A-CF는 B-CF 및 C-CF보다 낮은 Surface free energy를 나타내었으며, 이에 따라 가장 큰 DCA를 보였다.  2) A-CF는 B-CF 및 C-CF보다 높은 IFSS 값을 보였다. 3) Wicking test와 VARTM test에서 A-NCF는 가장 빠른 함침 속도를 보였으며 이는 B-CF 및 C-CF의 높은 Surface free energy가 수지 흐름에 대한 유동 저항으로 작용하여 함침이 저해되고, A-CF는 낮은 Surface free energy로 인해 작은 유동 저항을 발생시키기 때문으로 사료된다. 위 결과를 통해 사이징제의 화학적 조성을 조절함으로써 양호한 IFSS를 유지하되 유동 저항을 감소시키고 함침성을 증대시킬 수 있는 적정 수준의 Surface free energy를 형성시키는 것이 중요하다는 결론을 얻었다.
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참고문헌 (6)

  1. Vega, M.J., et al., "Dynamics of the Rise Around a Fiber: Experimental Evidence of the Existence of Several Time Scales," Langmuir, Vol. 21, No. 21, 2005, pp. 9584-9590. 

  2. Qiu, S., et al., "Wettability of a Single Carbon Fiber," Langmuir, Vol. 32, No. 38, 2016, pp. 9697-9705. 

  3. Han, S.H., et al., "Study on High-speed RTM to Reduce the Impregnation Time of Carbon/epoxy Composites," Composite Structures, Vol. 119, 2015, pp. 50-58. 

  4. Bismarck, A., Kumru, M.E., and Springer, J., "Influence of Oxygen Plasma Treatment of PAN-based Carbon Fibers on Their Electrokinetic and Wetting Properties," Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 210, No. 1, 1999, pp. 60-72. 

  5. Luo, Y., Zhao, Y., Duan, Y., and Du, S., "Surface and Wettability Property Analysis of CCF300 Carbon Fibers with Different Sizing or Without Sizing," Materials & Design, Vol. 32, No. 2, 2011, pp. 941-946. 

  6. Nagayama, G., and Cheng, P., "Effect of Interface Wettability on Microscale Flow by Molecular Dynamics Simulation," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 47, No. 3, 2004, pp. 501-513. 

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