발포제에 따른 산무수물계 에폭시 폼의 압축강도 및 포밍특성 분석 Investigation of Compressive Strength and Foaming Characteristics of Acid Anhydride Epoxy Foam by Foaming Agent원문보기
권동준
(Polymer Resin Team, Hybrid New Material Division, Korea Dyeing and Finishing Technology Institute)
,
김종현
(Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Gyeongsang National University)
,
박성민
(Polymer Resin Team, Hybrid New Material Division, Korea Dyeing and Finishing Technology Institute)
,
권일준
(Polymer Resin Team, Hybrid New Material Division, Korea Dyeing and Finishing Technology Institute)
,
박종만
(Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Gyeongsang National University)
구조용 폼의 용도는 난연, 단열 기능이외에 구조적인 목적으로 공극부위를 충진시키는 용도로 사용되고 있다. 경량 소재 개발을 위해 CFRP와 구조용 폼이 이용되고 있으며, PUR, PIR, PVC, PET와 같은 대표적인 폼이 존재한다. 본 연구에서는 구조용 폼의 특성 중 강도 강화를 위한 목적으로 에폭시 폼을 개발하고자 하였다. 에폭시 조성 중 산무수물계 경화제는 기존의 폴리올과 반응을 하기 때문에 산무수물계 에폭시 수지에 발포제를 이용할 경우 폼이 형성되는지, 형성된다면, 압축특성과 포밍 형태를 관하는 연구를 진행하였다. 에폭시 폼을 형성시키기 위한 발포제의 종류에 따른 영향 및 발포재의 농도에 따라 변화되는 폼밍의 결과 차이를 분석하였으며, 산무수물계 수지의 조성차이에 따른 폼의 압축강도를 평가하였다. 궁극적으로 에폭시 폼을 최적의 발포제 선정으로 구조적 강도가 높은 폼을 형성시킬 수 있음을 확인하였으며, 기존의 구조용 폼 소재에 비해 높은 압축강도 및 비압축 강도를 가짐을 확인하였다.
구조용 폼의 용도는 난연, 단열 기능이외에 구조적인 목적으로 공극부위를 충진시키는 용도로 사용되고 있다. 경량 소재 개발을 위해 CFRP와 구조용 폼이 이용되고 있으며, PUR, PIR, PVC, PET와 같은 대표적인 폼이 존재한다. 본 연구에서는 구조용 폼의 특성 중 강도 강화를 위한 목적으로 에폭시 폼을 개발하고자 하였다. 에폭시 조성 중 산무수물계 경화제는 기존의 폴리올과 반응을 하기 때문에 산무수물계 에폭시 수지에 발포제를 이용할 경우 폼이 형성되는지, 형성된다면, 압축특성과 포밍 형태를 관하는 연구를 진행하였다. 에폭시 폼을 형성시키기 위한 발포제의 종류에 따른 영향 및 발포재의 농도에 따라 변화되는 폼밍의 결과 차이를 분석하였으며, 산무수물계 수지의 조성차이에 따른 폼의 압축강도를 평가하였다. 궁극적으로 에폭시 폼을 최적의 발포제 선정으로 구조적 강도가 높은 폼을 형성시킬 수 있음을 확인하였으며, 기존의 구조용 폼 소재에 비해 높은 압축강도 및 비압축 강도를 가짐을 확인하였다.
Polymer foams were used to fill the void in the structure in addition to flame retardant and heat insulation. Polymer foams such as polyurethane, polyisocyanurate, poly(vinyl chloride), polyethylene terephthalate were used to weight lighting materials. In this study, epoxy foam was used to improve m...
Polymer foams were used to fill the void in the structure in addition to flame retardant and heat insulation. Polymer foams such as polyurethane, polyisocyanurate, poly(vinyl chloride), polyethylene terephthalate were used to weight lighting materials. In this study, epoxy foam was used to improve mechanical properties of polymer foam. Acid anhydride type hardener reacts with polyol. Using this phenomenon, if blowing agent was added into epoxy resin using acid anhydride type hardener, formation and compressive properties of epoxy foam was studied. Formation of polymer foam was compared with type of blowing agent and concentration of blowing agent via compressive test. As these results, optimized condition of epoxy foam was found and epoxy foam had better compressive property than other polymer foam.
Polymer foams were used to fill the void in the structure in addition to flame retardant and heat insulation. Polymer foams such as polyurethane, polyisocyanurate, poly(vinyl chloride), polyethylene terephthalate were used to weight lighting materials. In this study, epoxy foam was used to improve mechanical properties of polymer foam. Acid anhydride type hardener reacts with polyol. Using this phenomenon, if blowing agent was added into epoxy resin using acid anhydride type hardener, formation and compressive properties of epoxy foam was studied. Formation of polymer foam was compared with type of blowing agent and concentration of blowing agent via compressive test. As these results, optimized condition of epoxy foam was found and epoxy foam had better compressive property than other polymer foam.
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문제 정의
1(a)와 같이 화학 구조적으로 프탈릭 산무수물계 구조가 폴리올과 반응하여 이서 폴리올을 제조할 수 있다는 점과 Fig. 1(b)나 (c)의 결과(YD128:KBH1089)와 같이 산무수물계 수지는 경화 단계에서 기공 발생이 쉽게 이루어지는 경험적 결과를 바탕으로 산무수물계 에폭시를 이용하여 구조용 폼을 형성시키고자 연구하였다.
따라서 본 연구에서는 복합재료로 이용되고 있는 산무수물계 에폭시 수지에 발포제를 넣어 에폭시 폼을 제조에 관련된 기초 연구를 진행하였다. 발포제의 종류에 따라 에폭시 수지로 포밍이 적합한지 포밍의 형상과 압축강도를 통해 최적의 발포제를 선정하였다.
본 연구는 구조용 폼으로 사용하기 위한 에폭시 폼에 대한 제조 및 포밍의 가능성을 평가한 관찰 논문이다. 산무수물계 에폭시 수지에 발포제를 이용하여 폼의 형상이 발생됨을 확인할 수 있었으며, ACA 발포제를 2 wt% 이상 사용하는 것이 효과적인 발포 상태를 나타내었다.
산무수물계 에폭시는 를 이용하여 구조용 폼을 형성시키고자 연구하였다. 에폭시 수지는 국도화학의 제품을 이용하였다.
제안 방법
발포제의 종류에 따라 에폭시 수지로 포밍이 적합한지 포밍의 형상과 압축강도를 통해 최적의 발포제를 선정하였다. 발포제에 농도에 따른 영향과 산무수물계 수지의 종류에 따른 영향이 포밍에 미치는 영향을 관찰하였으며, 궁극적으로 구조용 폼 소재와 비교한 에폭시 폼의 장점을 관찰하였다.
따라서 본 연구에서는 복합재료로 이용되고 있는 산무수물계 에폭시 수지에 발포제를 넣어 에폭시 폼을 제조에 관련된 기초 연구를 진행하였다. 발포제의 종류에 따라 에폭시 수지로 포밍이 적합한지 포밍의 형상과 압축강도를 통해 최적의 발포제를 선정하였다. 발포제에 농도에 따른 영향과 산무수물계 수지의 종류에 따른 영향이 포밍에 미치는 영향을 관찰하였으며, 궁극적으로 구조용 폼 소재와 비교한 에폭시 폼의 장점을 관찰하였다.
발포제는 모두 시그마 알드리치를 통해 구입하여 사용하였다. 발포제의 종류에 따른 에폭시 폼의 발포 형상과 압축강도를 평가하였다. 최적 발포제를 확인하고 발포제의 농도에 따른 압축강도 및 폼의 형상 변화를 관찰하였다.
발포제는 수지의 무게대비 wt%를 고려하여 에폭시 주제에 발포제를 2,000 rpm/10분동안 교반기를 이용하여 교반시켜 용액을 제조하였다. 에폭시 폼을 형성시키기 위한 조건으로 150도 20분을 설정하였으며, 경화된 에폭시 폼을 1일간 상온 보관하여 잔존응력 및 열기를 제거하였다.
산무수물계 수지를 제조하기 위해 사용한 에폭시 주제는 YD128(YD), KFR5131(KFR) 2종류이며, 경화제로는 KBH1089(KBH), KFH9581(KFH)을 이용하였다. 주제와 경화제 2종류를 각각 다르게 혼합시켜 4종류의 산무수물계 에폭시를 제조하였으며, 비교 대조군으로 G640 폴리아마이드계 경화제를 이용할 경우 포밍이 형성되는지 비교하였다.
발포제의 종류에 따른 에폭시 폼의 발포 형상과 압축강도를 평가하였다. 최적 발포제를 확인하고 발포제의 농도에 따른 압축강도 및 폼의 형상 변화를 관찰하였다.
폼의 형상을 반사현미경(SMZ25, 니콘, 일본)을 사용하였다. 폼의 밀도를 관찰하기 위해 ISO 845 규정에 따라 시편을 평가하였으며, 포밍 조건 및 발포제의 조성에 따른 밀도 차이를 관찰하였다.
대상 데이터
Fig. 2와 같이 발포제는 6종류를 선정하였다. 발포제로 많이 이용되는 ACA 및 TSH 등 범용으로 이용되는 첨가제를 비교 대상군으로 설정하였다.
발포제로 많이 이용되는 ACA 및 TSH 등 범용으로 이용되는 첨가제를 비교 대상군으로 설정하였다. 발포제는 모두 시그마 알드리치를 통해 구입하여 사용하였다. 발포제의 종류에 따른 에폭시 폼의 발포 형상과 압축강도를 평가하였다.
2와 같이 발포제는 6종류를 선정하였다. 발포제로 많이 이용되는 ACA 및 TSH 등 범용으로 이용되는 첨가제를 비교 대상군으로 설정하였다. 발포제는 모두 시그마 알드리치를 통해 구입하여 사용하였다.
에폭시 수지는 국도화학의 제품을 이용하였다. 산무수물계 수지를 제조하기 위해 사용한 에폭시 주제는 YD128(YD), KFR5131(KFR) 2종류이며, 경화제로는 KBH1089(KBH), KFH9581(KFH)을 이용하였다. 주제와 경화제 2종류를 각각 다르게 혼합시켜 4종류의 산무수물계 에폭시를 제조하였으며, 비교 대조군으로 G640 폴리아마이드계 경화제를 이용할 경우 포밍이 형성되는지 비교하였다.
폼의 압축 강도를 평가하기 위해 ISO 844 규정을 따랐으며, 만능시험기(AGS-X, 동일시마즈, 일본)를 이용하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 시편사이즈는 폭, 너비, 높이 5 cm로 설정하였으며, 조건에 따른 압축강도 차이를 관찰하였다.
산무수물계 에폭시는 를 이용하여 구조용 폼을 형성시키고자 연구하였다. 에폭시 수지는 국도화학의 제품을 이용하였다. 산무수물계 수지를 제조하기 위해 사용한 에폭시 주제는 YD128(YD), KFR5131(KFR) 2종류이며, 경화제로는 KBH1089(KBH), KFH9581(KFH)을 이용하였다.
폼의 형상을 반사현미경(SMZ25, 니콘, 일본)을 사용하였다. 폼의 밀도를 관찰하기 위해 ISO 845 규정에 따라 시편을 평가하였으며, 포밍 조건 및 발포제의 조성에 따른 밀도 차이를 관찰하였다.
이론/모형
폼의 압축 강도를 평가하기 위해 ISO 844 규정을 따랐으며, 만능시험기(AGS-X, 동일시마즈, 일본)를 이용하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 시편사이즈는 폭, 너비, 높이 5 cm로 설정하였으며, 조건에 따른 압축강도 차이를 관찰하였다.
성능/효과
5PT 발포제의 경우 발포의 특성이 나타나지 않았으며, TSH와 유사한 형상을 나타내었다. AC, AB, ACA 발포제의 경우 에폭시 폼을 형성시키는데 비교적 폼과 유사한 형상을 나타나게끔 변화시켰다고 생각할 수 있지만, 기공의 크기가 너무 크고 1 mm 이상의 직경을 가진 기공이 존재함으로써 구간별로 응력이 비교적 균일하게 전달되지 못한다는 점에서 발포는 가능하나 발포제의 농도 조절이 중요함을 확인하였다. 특히 ACA의 발포 결과를 보면 셀 사이즈가 비교적 큰 사이즈도 존재하지만 평균적으로 100 μm의 셀이 형성된다는 점에서 적절한 발포제가 ACA라고 생각할 수 있었다.
에폭시 수지는 KFR:KFH 조성이 적합하였다. 구조용 폼 종류에 비해 밀도는 비교적 높은 편이지만, 셀 조절 및 성형 조건 조절을 통해 개선된 구조용 에폭시 폼이 제조될 수 있는 가능성을 확인하였다.
적절한 에폭시 수지 조성은 KFR:KFH 수지 조성이었다. 너무 강직한 에폭시로 경화되는 수지 조성에 발포제를 삽입하기보다는 비교적 유연한 특성을 나타낼 수 있는 에폭시 수지 조성에 발포제가 적절하였다.
7의 압축강도 저하 결과를 확인할 수 있었다. 농도에 따른 에폭시 폼 제조에 따른 결과를 정리해보면 ACA 발포제를 KFR:KFH 수지조성에 3 wt% 삽입하는 것이 적절했다.
하지만 ACA의 농도가 증가됨에 따라 폼 내부에 존재하는 기공의 크기가 증가되는 결과를 나타내었다. 또한 10 wt% 이상의 농도로 에폭시 폼을 제조할 경우 폼의 내부에 1 cm 이상의 기공이 형성되며, 폼의 색상에서도 볼 수 있듯이 에폭시 수지 자체의 고분자사슬이 변성되어 생상변화와 Fig. 7의 압축강도 저하 결과를 확인할 수 있었다. 농도에 따른 에폭시 폼 제조에 따른 결과를 정리해보면 ACA 발포제를 KFR:KFH 수지조성에 3 wt% 삽입하는 것이 적절했다.
본 연구는 구조용 폼으로 사용하기 위한 에폭시 폼에 대한 제조 및 포밍의 가능성을 평가한 관찰 논문이다. 산무수물계 에폭시 수지에 발포제를 이용하여 폼의 형상이 발생됨을 확인할 수 있었으며, ACA 발포제를 2 wt% 이상 사용하는 것이 효과적인 발포 상태를 나타내었다. 에폭시 수지는 KFR:KFH 조성이 적합하였다.
PMI(polymethacrylimide)는 로하셀 제품군의 공개스펙을 이용하였고, PF(Phenolic resin), 발사 폼 등은 실제 실험으로 확인한 결과이다. 에폭시 폼의 경우 선택적으로 폼의 조성을 조절할 수 있으며, 현재의 조건으로 비교해 볼 때 타 구조용 포에 비해 밀도는 0.1정도 높은 편이지만, 압축강도가 월등히 높기 때문에 타 소재에 비해 비압축강도가 높음을 확인하였다.
특히 ACA의 발포 결과를 보면 셀 사이즈가 비교적 큰 사이즈도 존재하지만 평균적으로 100 μm의 셀이 형성된다는 점에서 적절한 발포제가 ACA라고 생각할 수 있었다.
6의 결과에서 100 MPa 이상의 강도를 가지는 에폭시 경화물들은 폼이 형성되지 않음은 의미한다. 확실한 결과는 산무수물계 에폭시 수지가 발포제에 의해 발포되는 가능성이 높음을 YD:G 결과를 통해 확인할 수 있었다. 적절한 에폭시 수지 조성은 KFR:KFH 수지 조성이었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구조용 폼은 대부분은 어떤 형태를 가지고 있는가?
구조용 폼에 대한 종류가 다양하게 존재하지만, 공통적으로 폼 소재이기 때문에 셀을 형성하고 있다. close cell의 형태를 가지고 있는 경우가 더 많으며, 발포 공정에 대한 셀의 생성, 성장, 안정화 과정을 통해 셀의 크기와 셀의 형태, 조성이 이루어진다. 이때 가장 중요한 변수가 되는 것은 소재 자체의 자유에너지에 의한 영향이라고 설명할 수 있다.
에폭시를 기반으로 폼을 제조할 때 장점은?
에폭시를 기반으로 폼을 제조할 수 있게 된다면, 기존의 복합재료와 에폭시/에폭시 결합을 유도하기 때문에 접착력이 높을 수 있으며, 에폭시 자체가 기존의 폼 소재에 비해 강직한 소재이기 때문에 구조적, 계면안정성 적으로도 효과적인 폼 소재가 될 가능성이 높다[20,21]. 에폭시 폼은 현재 제조사가 적은 편이며, 폼에 대한 유통기한과 수요와 공급 문제로 많은 개발이 진행되지 않았다.
발포제의 분해로 발생하는 기체는?
대부분의 폼 소재는 발포제의 영향으로 발포가 이루어질 수 있다. 발포제의 분해로 인해 CO2, H2O, NH3, N2O, N2 등이 발생되며, 이러한 기체 발생량에 따라 발포 특성에 영향을 미친다고 설명할 수 있다[13-15]. 발포제는 물리발포제와 화학발포제로 나눌수 있고, 환경문제로 인해 화학발포제 중에서 유기발포제를 주로 사용하고 있다.
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