[논문]글라스버블/에폭시 수지 접착부의 극저온 압축 동적 성능

배진호; 황병관; 이제명

doi:10.7234/composres.2019.32.2.090

글라스버블/에폭시 수지 접착부의 극저온 압축 동적 성능
Compression Dynamic Performance of Glass Bubble/Epoxy Resin Adhesion 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.2, 2019년, pp.90 - 95

배진호 (Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University) , 황병관 (Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University) , 이제명 (Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University)

초록
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LNG 운반선의 슬로싱 충격하중은 LNG 화물창 내 단열시스템의 파손을 야기하는 주원인이다. 단열시스템의 파손은 LNG 화물창 내 극저온을 유지시키는 데 치명적으로 작용하게 된다. 극저온을 유지하기 위해서는 단열재료의 성능 강화가 가장 전형적인 방법이다. 일반적으로 LNG 화물창 내의 단열재료는 폴리우레탄 폼과 플라이우드, 이 두 재료를 접합시키기 위한 접착제가 사용된다. 본 연구에서는 단열시스템에 채용되는 단열재료를 강화하기 위한 일환으로 글라스 버블/에폭시 복합수지를 제작하여 충격 하중이 작용할 때 재료의 흡수에너지를 향상시켰다. 실험 시나리오는 글라스버블의 첨가량, 온도의 영향성을 분석하기 위한 상온 및 극저온 환경을 고려하여 자유낙하 실험을 수행하였다. 실험 결과는 글라스 버블 첨가량이 20 wt.%에 도달할 경우 극저온 흡수에너지가 최대의 성능이 나타나는 것을 확인하였다. 반면에 상온 흡수에너지는 첨가량 0 wt.%에서 최대 성능을 보였다. 글라스버블/에폭시 수지의 혼합성능의 경우 첨가량이 20 wt.%가 되면 교반성능 저하로 인하여 응집현상이 발생하여, 접착성능이 떨어질 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sloshing impact loads on liquefied natural gas (LNG) carr iers are the main issue of damage to the insulation system in LNG cargo containment system (LNG CCS). The damage to the insulation system would be fatal in maintaining a temperature-savings environment in LNG CCS. The typical method is to enhance the insulation materials that can maintain a constant cryogenic temperature. Insulation materials consist of polyurethane foam and plywood, an adhesive for bonding these two materials. This study intends to improve the absorption energy of the material when the impact load is applied by creating a glass bubble/epoxy composite resin as part of the insulation. The experimental scenarios consider the effect of temperature ($20^{\circ}C$, $-163^{\circ}C$), glass bubble weight fraction in epoxy resin through free fall experiments. Experiments have shown that if the glass bubble additive reaches 20 wt.%, the cryogenic absorption energy is a maximum performance and that 0 wt.% has a maximum ambient absorption energy. However, the agglomeration has been occurred due to deterioration of the stirring performance if weight fraction was 20 wt.% and the result of 0 wt.% have been revealed that ambient absorption energy is significantly lower.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Manufacturing process of polyurethane foam
그림 Fig. 2 Manufacturing process of epoxy/glass bubble resin
그림 Fig. 3 The specimen pressed by steel plate of 0.5 kg for 12hr
그림 Fig. 4 The main dimension of the specimen
그림 Fig. 5 The description of impact facility
그림 Fig. 6 Schematic view of cryogenic chamber
그림 Fig. 7 The picture of scanning electron microscope
그림 Fig. 8 Microstructures on the surface imaged by SEM with glass bubble of (a) 0 wt.% (b) 10 wt.% (c) 20 wt.%
$Fig. 9 Dynamic behavior of the insulation materials with glass bubble weight fraction of 0, 10, 20 wt.% under ambient (20℃) and cryogenic (-163℃) temperatures$ 그림 Fig. 9 Dynamic behavior of the insulation materials with glass bubble weight fraction of 0, 10, 20 wt.% under ambient (20℃) and cryogenic (-163℃) temperatures
그림 Fig. 10 Typical behavior of polyurethane foam with elastic and plastic region under compressive dynamic loads
$Fig. 11 The compressive behavior of polymeric materials with the fracture mechanism based on temperature$ 그림 Fig. 11 The compressive behavior of polymeric materials with the fracture mechanism based on temperature
그림 Fig. 12 The advantage of glass bubble inserted under external loads including internal loads
그림 Fig. 13 The tendency between absorption energy and contents of glass bubble/epoxy composite resin with ambient and cryogenic temperatures

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 흡수에너지가 높을 경우 재료단 위에서 작용 하중을 충분히 분산시키는 것을 나타낸다. 본연구에서는 동적 거동의 관계와 함께 흡수에너지의 경향 성을 확인하였다.

가설 설정

11은 내부 셀의 파괴 거동에 따른 변형 경화 및 연화의 발생 메커니즘을 나타내었다[5]. 상세 사항으로 폴리머 폼의 내부 셀의 형상을 육면체로 가정 하여 표현하여 극저온 및 상온 하에서 동적 거동의 추이를 내부 셀의 파단 형태에 따라 나타내었다.

제안 방법

MWCNT의 최적 무게분율(weight fraction) 은 3 wt.%(weight percentage)로 제안하였다.
Yoo 등[2]은 탄소섬유강화복합재료(carbon fiber reinforced plastics; CFRP)와 금속 재료의 접합제로 에폭시 수지(epoxy resin) 및 다중벽 탄소 나노 튜브(multi walled carbon nanotubes; MWCNT) 복합 수지를 제조하여 기계적 특성 분석을 수행하였다. 기계적 실험으로 충격, 접합강도, 열처리에 따른 접합강도 및 파괴거동과 경화조건에 따른 기계적 물성치를 비교하였다. MWCNT의 무게분율에 따라 충격강도는 다소 낮아졌지만, 접합강도 및 인장강도, 열처리를 통하여 강도가 향상되었다.
본 연구에서는 에폭시 수지에 글라스버블을 함침한 후플라이우드와 폴리우레탄 폼의 접착 후 동적 응답을 분석 하였다. 다양한 연구를 참고하여 시험편을 제작하였다. 시험편의 동적 응답에 관한 분석은 다음과 같이 요약하였다.
챔버 내부의 온도를 균일하게 분산시키기 위해서 내부 펜이 설치되어있다. 단열재료의 경우열평형조건을 고려하여 챔버내부가 목표한 온도에 도달한뒤 30분간 온도를 유지시켰다. 충격시험장비와 극저온 챔버는 결합되어있지 않기 때문에 챔버에서 시험편을 옮긴 후 5초 이내로 실험하였으며, 5회 반복 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 액화천연가스에 의해 발생하는 슬로싱 충격하중을 자유낙하실험으로 모사하며, 동시에 극저온 챔버를 사용하여 액화천연가스의 환경적 요인을 고려하였다. 단열재료의 성능강화를 위하여 에폭시 수지에 글라스버블을 함침하여 동적 성능 향상을 유도하였다.
이때 용기는 아세톤으로 세척하여 복합수지에 이물질이 들어가지 않도록 하였다. 두 번째로, 출력 500 W인 초음파 분산기를 20 kHz로 약 30분간 에폭시 수지에 함침한 글라스버블의 균일한 분포를 유도하였다. 복합 수지는 최종적으로 플라이우드와 폴리우레탄 폼을 부착하기 위한 접착제로 사용하였다.
준비한 글라스버블/에폭시 복합 수지와 폴리우레탄 폼, 플라이우드으로 시편을 제작하였다. 복합 수지의 접착강도를 향상시키기 위해 금속판 0.5 kg으로 압착하였으며, 24시간동안 충분한 경화시간을 부여하였다. 이때 외부 온도는 15°C의 밀폐된 공간에 두었다[7].
본 연구에서 미소구조분석으로 에폭시/글라스버블 수지의 균일한 혼합을 확인하였으며, 상온 및 극저온 하에서 동적거동과 해당 온도의 흡수에너지를 계측하였다.
본 연구에서는 액화천연가스에 의해 발생하는 슬로싱 충격하중을 자유낙하실험으로 모사하며, 동시에 극저온 챔버를 사용하여 액화천연가스의 환경적 요인을 고려하였다. 단열재료의 성능강화를 위하여 에폭시 수지에 글라스버블을 함침하여 동적 성능 향상을 유도하였다.
본 연구에서는 액화천연가스의 슬로싱 충격하중을 재료 단위 자유낙하 충격 시험과 극저온 챔버를 사용하여 하중 조건 및 온도조건을 만족시켰다. 충격에너지는 30 J이며, 변형률 속도는 78.
본 연구에서는 에폭시 수지에 글라스버블을 함침한 후플라이우드와 폴리우레탄 폼의 접착 후 동적 응답을 분석 하였다. 다양한 연구를 참고하여 시험편을 제작하였다.
본 연구에서는 응집현상에 따라 에폭시/글라스버블 수지로 접착시킨 단열재료의 동적 기계적 성능의 추이와 함께 충격에너지에 따른 흡수에너지의 거동을 SEM 분석을 통하여 추가적으로 설명하였다.
단열재료의 경우열평형조건을 고려하여 챔버내부가 목표한 온도에 도달한뒤 30분간 온도를 유지시켰다. 충격시험장비와 극저온 챔버는 결합되어있지 않기 때문에 챔버에서 시험편을 옮긴 후 5초 이내로 실험하였으며, 5회 반복 실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용하는 글라스버블(3MTM)의 평균직경은 약 100 μm이다.
준비한 글라스버블/에폭시 복합 수지와 폴리우레탄 폼, 플라이우드으로 시편을 제작하였다. 복합 수지의 접착강도를 향상시키기 위해 금속판 0.

이론/모형

자연적으로 발포된 폴리우레탄 폼은 발포과정에서 박스와 접착되는 부분, 자중으로 인하여 밑부분에서 고밀도 화되기 때문에 중앙부에서 50 × 50 × 35 mm3의 크기로 한국산업규격(KS ISO 844)의 압축시험편에 근거하여 제작하였다.

성능/효과

반면에 10 wt.%에서는 우수한 혼합성을 보였으며, 두 첨가량 모두 단열재료의 접착 제로 사용할 경우 우수한 동적 성능을 보여주었다. 차후 교반성능을 향상시키게 될 경우 더욱 우수한 흡수에너지 수용량을 가질 것으로 사료된다.
1) 글라스버블과 에폭시 수지를 혼합할 경우 물리적 교반 및 초음파 분산기를 사용하였음에도 글라스버블 20 wt.%에서는 응집현상이 발생하였다.
2) 동적 거동에서 극저온에 도달한 시편은 변형이 급격 하게 감소하며, 변형경화가 나타났다. 이러한 거동의 추세는 폴리우레탄 폼의 소성힌지에 의해 파괴되는 양상에 기인하며, 탄성좌굴과 달리 파괴까지 높은 하중과 낮은 변형을 야기하는 원인이다.
3) 글라스버블 첨가량은 전달하중을 원활하게 분산시켜 국부적인 파손양상을 저지하게 된다. 전체 면적에 걸쳐서 내부 셀의 붕괴가 나타나게 될 경우 동적 거동 내의 요동이 확연히 급감하는 것을 확인하였다.
기계적 실험으로 충격, 접합강도, 열처리에 따른 접합강도 및 파괴거동과 경화조건에 따른 기계적 물성치를 비교하였다. MWCNT의 무게분율에 따라 충격강도는 다소 낮아졌지만, 접합강도 및 인장강도, 열처리를 통하여 강도가 향상되었다. MWCNT의 최적 무게분율(weight fraction) 은 3 wt.
8에서 보이는 바와 같이 응집현상이 더욱 두드러져서 공정상의 오차가 더욱 증대할 수 있다. 결과적으로 흡수에너지는 글라스버블 첨가량 20 wt.%에서 가장 우수한 성능을 나타내었으며, 이는 상온 흡수에너지가 급격하게 줄어들지 않는 것에 기반한다.
실험 결과 시편의 거동양상은 온도 변화에 따라 급격한차이가 발생하는 것을 확인하였다. 극저온 하에서 충격 실험이 진행되면 시편의 처짐이 줄어드는 반면 하중이 매우증가하는 것을 확인할 수 있다. 추가적으로 변형이 지속적으로 작용하게 되는 평탄부(plateau)에서 변형 경화 및 연화가 진행되었다.
Qu 등[1]은 LNG 운반선의 boil off gas에 대하여 실제 선박의 실험결과와 수치적으로 해석한 결과를 심층적으로 분석하였다. 극저온 화물창 내의 액화천연가스의 충전율에 따라서 다양한 하중범위가 발생하는 것을 확인하였으며, 최대 160mbarg의 압력이 나타났다. 이 결과는 단열재료의 열성능과 파손 하에서 BOR이 급격하게 증가하는 것에 기초하여 성능강화가 필요한 것을 시사한다.
극저온 흡수에너지는 글라스버블 첨가량이 증가할수록지속적으로 증가하는 것을 확인하였다. 추가적으로 첨가량을 높일 경우 Fig.
글라스버블의 함량비가 증가할수록 요동(fluctuation)의저하가 발생하는 것이 확인된다. 실험 결과에서 상온의 경우 함량비 0, 10, 20 wt.
실험 결과 시편의 거동양상은 온도 변화에 따라 급격한차이가 발생하는 것을 확인하였다. 극저온 하에서 충격 실험이 진행되면 시편의 처짐이 줄어드는 반면 하중이 매우증가하는 것을 확인할 수 있다.
3) 글라스버블 첨가량은 전달하중을 원활하게 분산시켜 국부적인 파손양상을 저지하게 된다. 전체 면적에 걸쳐서 내부 셀의 붕괴가 나타나게 될 경우 동적 거동 내의 요동이 확연히 급감하는 것을 확인하였다.
흡수에너지 거동에서 글라스버블 첨가량은 더욱 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 글라스버블이 첨가되지 않은 0 wt.

후속연구

극저온 화물창 내의 액화천연가스의 충전율에 따라서 다양한 하중범위가 발생하는 것을 확인하였으며, 최대 160mbarg의 압력이 나타났다. 이 결과는 단열재료의 열성능과 파손 하에서 BOR이 급격하게 증가하는 것에 기초하여 성능강화가 필요한 것을 시사한다.
%에서는 우수한 혼합성을 보였으며, 두 첨가량 모두 단열재료의 접착 제로 사용할 경우 우수한 동적 성능을 보여주었다. 차후 교반성능을 향상시키게 될 경우 더욱 우수한 흡수에너지 수용량을 가질 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	접합제로 에폭시 수지(epoxy resin) 및 다중벽탄소나노튜브(multi walled carbon nanotubes; MWCNT) 복합 수지를 사용 시 무게분율에 따른 강도 특성은 어떻게 나타나는가?	기계적 실험으로 충격, 접합강도, 열처리에 따른 접합강도 및 파괴거동과 경화조건에 따른 기계적 물성치를 비교하였다. MWCNT의 무게분율에 따라 충격강도는 다소 낮아졌지만, 접합강도 및 인장강도, 열처리를 통하여 강도가 향상되었다. MWCNT의 최적 무게분율(weight fraction)은 3 wt.
	천연가스의 정의는?	천연가스는 질소산화물과 황산화물 배출량이 각각 0.003 g/kWh, 1.17 g/kWh로 상기 규제를 만족시키는 친환경 연료로 알려져있다. 특히나 대형선박에 적용하기 위한 필수조건인 충분한 에너지효율도 보유하였다.
	액화천연가스에서 LNG슬로싱 충격하중을 고려해야 하는 이유는?	액화천연가스는 극저온(-163oC)을 유지시키는 기술과 동시에 선박의 6자유도에 의해 발생하는 액화천연가스의 공진현상, 즉 LNG 슬로싱 충격 하중이 고려되어야 한다. LNG슬로싱 충격하중은 화물창 내부에서 지속적으로 작용하며 단열시스템의 파손을 야기하고, 이는 열침입에 의한 액화천연가스의 자연기화율(Boil off rate; BOR) 발생량을 급격하게 증가시키는 원인이 된다.

저자의 다른 논문 :

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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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