[논문]공기에 의한 탄소섬유 스프레딩 공정 변수에 따른 프로세스 성능 및 기계적 물성 평가

노정우; 백운경; 노재승; 남기법

doi:10.7234/composres.2020.33.6.390

[국내논문] 공기에 의한 탄소섬유 스프레딩 공정 변수에 따른 프로세스 성능 및 기계적 물성 평가
Evaluation of Process Performance and Mechanical Properties according to Process Variables of Pneumatic Carbon Fiber Tow Spreading 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.6, 2020년, pp.390 - 394

노정우 (Gumi Electronics & Information Technology Research Institute, Innovative Technology Research Division) , 백운경 (Gumi Electronics & Information Technology Research Institute, Innovative Technology Research Division) , 노재승 (Kumoh National Institute of Technology, Materials Science and Engineering) , 남기법 (Kumoh National Institute of Technology, Advanced Material Research Center)

초록
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탄소섬유 스프레드 토우를 제조하는 과정에서 섬유 손상이 발생하며, 이는 스프레딩 과정에서 장비와 섬유 사이 혹은 섬유 간의 마찰로 발생한다. 이로 인해, 재료 및 장비조건에 따라 프로세스 성능에 차이가 발생하고, 제품 물성이 하락한다. 섬유 손상을 최소화하는 것은 스프레드 토우를 제조하는 공정에서 반드시 고려되어야 한다. 본 연구에서는 공기를 이용한 탄소섬유 스프레딩 공정에서 탄소섬유의 필라멘트 수와 사이징 함량, 탄소섬유토우 스프레딩 장비의 공정 변수(초기섬유장력, 열풍온도, 진공압력)를 달리하여 스프레드 토우의 공정성능 변화를 관찰하였다. 탄소섬유 품종에 따른 조건 별 최적조건에서 제조된 샘플을 이용해 인장강도를 평가하여, 탄소섬유의 손상에 따른 기계적 물성 감소를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The carbon fiber has been damaged via tow spreading process for carbon fiber spread tow. The fiber damage is caused by friction between equipment and fibers or between fibers and fibers in the process of spreading. As a result, mechanical properties are decreased due to differences in process via material and equipment condition. Therefore, minimizing fiber damage have to be considered in the process. In this study, the change in carbon fiber pneumatic spreading process was observed by according to the filament count, sizing content of carbon fiber and process variables in spreading equipment (fiber tension at the beginning, air temperature in spreading zone, vacuum pressure in spreading zone). Tensile strength was evaluated using samples prepared under optimal conditions for each of the carbon fiber varieties, and mechanical properties were reduced due to damage on the carbon fiber.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of tow spreading machine (pneumatic spreading type)
표 Table 1. Specification of carbon fiber (CF)
표 Table 2. Specification of binder powder (PA) and its treatment condition
그림 Fig. 2. The gathered broken carbon fiber on vacuum unit of spreading zone
그림 Fig. 3. Weight of the gathered broken carbon fiber on vacuum unit according to the fiber tension at the beginning
표 Table 3. Specification of test conditions
표 Table 4. Optimal test conditions according to the type of carbon fiber
그림 Fig. 4. Weight of the gathered broken carbon fiber on vacuum unit according to the vacuum pressure in spreading unit
그림 Fig. 5. Weight of the gathered broken carbon fiber on vacuum unit according to the temperature of hot air in spreading zone
그림 Fig. 6. Tensile strength before and after the tow spreading process according to carbon fiber material conditions

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 공기를 이용한 토우 스프레딩 공정을 통해 양질의 탄소섬유 스프레드 토우를 얻기 위한 실 공정과정에서 탄소섬유의 필라멘트 수와 사이징 함량, 탄소섬유 토우 스프레딩 장비의 공정 변수(초기섬유장력, 열풍 온도, 진공압력)를 달리하여 시험하고, 공정성능 변화를 확인하였다.
본 연구에서는 탄소섬유 스프레드 토우를 얻기 위해 공기를 이용해 스프레딩하는 과정에서 발생할 수 있는 섬유 손상을 최소화하기 위해 공정에서 탄소섬유의 필라멘트 수와 사이징 함량, 탄소섬유 토우 스프레딩 장비의 공정 변수 (초기섬유장력, 열풍온도, 진공압력)를 달리하여 공정성능변화를 관찰하였다. 더불어, 재료조건에 따라 확인된 최적 조건에서 제조된 샘플을 이용해 인장강도를 평가하여, 탄소섬유의 손상에 따른 기계적 물성 감소를 확인하였다.

제안 방법

1MPa의 압력을 적용해 프리폼을 준비하였다. VaRTM (Vacuum assisted resin transfer molding) 공법으로 수지를 주입하였으며, 150도에서 2시간 경화를 진행하였다.
제작하였다. 공정조건에 있어서는, 스프레딩 공정 속도는 10m/min으로 고정하였으며, 공기확사장치의 열풍 온도, 진공압과 장력조절장치를 이용한 탄소섬유의 투입 장력을 변화시켜 영향을 관찰하였다.
2에 보듯이 공기 확사장치의 진공 유닛에 쌓인 단사를 수집하여 정밀저울을 이용해 무게를 측정하였다. 그리고 기계적물성을 통한 추가 비교는 Table 4에 보듯이, 각 탄소섬유 품종 별 가장 적합한 공정조건에서 제조된 스프레드 토우를 이용하였으며, ASTM D 3039/D 3039M를 따라 인장강도를 시험하였다. 인장시험에는 Instron사의 모델 8801 고하중 만능 시험기를 사용하여 만능시험기의 당김 속도를 1 mm/min로 설정해 시험하였다.
섬유 투입 시 초기 장력의 영향을 관찰하기 위해 열풍 온도는 220^oC, 진공압력은 -2 kPa로 고정하고, 실험을 진행하였으며, 확사장치의 진공압력에 따른 영향을 관찰하기 위해서는 열풍 온도는 220^oC, 장력은 600gf로 고정하여 실험을 진행하였다. 실험결과 Fig.
시험군의 비교를 위해 대조군으로는 토우 스프레딩을 하지 않은 탄소섬유를 이용해 시험군과 동일한 방법으로 시편을 제작하였다. 모재로는 에폭시 주제(YD-128, 국도화학)와 경화제(KBH-1089, 국도화학)를 100:80의 무게비율로 혼합하여 사용하였다.
그리고 기계적물성을 통한 추가 비교는 Table 4에 보듯이, 각 탄소섬유 품종 별 가장 적합한 공정조건에서 제조된 스프레드 토우를 이용하였으며, ASTM D 3039/D 3039M를 따라 인장강도를 시험하였다. 인장시험에는 Instron사의 모델 8801 고하중 만능 시험기를 사용하여 만능시험기의 당김 속도를 1 mm/min로 설정해 시험하였다. 복합재료 내 섬유 부피비를 60%로 정규화하여 비교하였으며, 이를 위해서 인장시험 후 각 시편을 ASTM D2584에 따라 분석하였다.
재료 선정에 있어 Toray사의 T700급 탄소섬유를 사용했으며, Table 1에 보듯이 총 3가지 품종을 검토하여 필라멘트 수(12,000, 24, 000)와 사이징 함량(0.3%, 1.0%)에 대한 영향을 검토하였다. 그리고 스프레드 토우의 고정을 위해 Table 2에 보듯이 Polyamide(PA) 파우더를 바인더로 사용하였다.
프로세스 성능을 비교하기 위해, 일차적으로 300m 분량의 탄소섬유를 스프레딩 한 후, Fig. 2에 보듯이 공기 확사장치의 진공 유닛에 쌓인 단사를 수집하여 정밀저울을 이용해 무게를 측정하였다. 그리고 기계적물성을 통한 추가 비교는 Table 4에 보듯이, 각 탄소섬유 품종 별 가장 적합한 공정조건에서 제조된 스프레드 토우를 이용하였으며, ASTM D 3039/D 3039M를 따라 인장강도를 시험하였다.
3%에서 섬유의 손상이 가장 적은 것을 확인하였다. 한편, 탄소섬유 재료특성 별로 스프레딩 공정 전후 인장강도비교를 통해 공정과정에서의 섬유 손상이 미치는 영향과의 상관성을 확인하였다.

대상 데이터

0%)에 대한 영향을 검토하였다. 그리고 스프레드 토우의 고정을 위해 Table 2에 보듯이 Polyamide(PA) 파우더를 바인더로 사용하였다.
제작하였다. 모재로는 에폭시 주제(YD-128, 국도화학)와 경화제(KBH-1089, 국도화학)를 100:80의 무게비율로 혼합하여 사용하였다. 시편 제작을 위해서 탄소섬유를 일방향으로 정렬하여 적층하고 100℃ 온도에서 30초 이내로 0.

이론/모형

인장시험에는 Instron사의 모델 8801 고하중 만능 시험기를 사용하여 만능시험기의 당김 속도를 1 mm/min로 설정해 시험하였다. 복합재료 내 섬유 부피비를 60%로 정규화하여 비교하였으며, 이를 위해서 인장시험 후 각 시편을 ASTM D2584에 따라 분석하였다. 위 방법에 따르면, 시편을 565℃의 전기로에 두어 고분자 수지를 태우고, 데시케이터에서 냉각후 무게를 측정할 수 있다.

성능/효과

다음으로 확사장치의 열풍온도에 따른 영향을 분석을 위해 진공압력을 -2 kPa, 섬유 투입 시 초기 장력을 600gf로 고정하여 실험을 진행한 결과, Fig. 5에 보듯이, 사이징 함량 0.3% 조건의 토우에서는 관찰되지 않았던 열풍온도에 따른 영향이 사이징 함량 1.0% 조건에서 관찰되었다. 공기를이용한 스프레딩 공정에서 열풍을 사용하는 이유는 사이징의 섬유 집속성을 낮추어 공기를 이용한 스프레딩 효율을 향상시키기 위함이며, 열풍온도가 과도해질 경우에는 사이징의 섬유 집속성이 감소하는 동시에 사이징의 점착성이 높아질 수 있다.
관찰하였다. 더불어, 재료조건에 따라 확인된 최적 조건에서 제조된 샘플을 이용해 인장강도를 평가하여, 탄소섬유의 손상에 따른 기계적 물성 감소를 확인하였다.
사이징 함량 1.0%의 경우, 열풍온도와 필라멘트 수에 비례하여 공정 중 손상 정도가 심한 것을 확인할 수 있었으며, 사이징 함량 0.3%에서 섬유의 손상이 가장 적은 것을 확인하였다. 한편, 탄소섬유 재료특성 별로 스프레딩 공정 전후 인장강도비교를 통해 공정과정에서의 섬유 손상이 미치는 영향과의 상관성을 확인하였다.
진행하였다. 실험결과 Fig. 3과 4에 보듯이, 섬유 투입 시초기 장력과 진공압력에 따른 섬유 손상 간에는 큰 상관성은 없는 것으로 확인되었다.
공기를이용한 스프레딩 공정에서 열풍을 사용하는 이유는 사이징의 섬유 집속성을 낮추어 공기를 이용한 스프레딩 효율을 향상시키기 위함이며, 열풍온도가 과도해질 경우에는 사이징의 섬유 집속성이 감소하는 동시에 사이징의 점착성이 높아질 수 있다. 일정량 이상의 사이징 함량을 갖는 토우를 사용할 경우, 사이징의 점착성이 높아짐에 따라, 필라멘트 간 마찰손상 및 파단이 발생할 가능성이 높아져 결과적으로 확사장치의 진공유닛에 쌓인 단사가 증가하는 경향이 관찰되었다고 판단된다. 한편, 필라멘트의 가닥 수가 24, 000인 토우에서 12,000인 토우 대비 섬유 손상이 다량 발생하였음을 확인할 수 있으며, 이는 필라멘트 수가 증가함에 따라, 확률적으로 필라멘트 간의 마찰과 파단에 의한 손상이 다량 발생하기 때문이다.

후속연구

위 관찰을 통해, 탄소섬유 토우 스프레딩 공정 변수의 프로세스 성능에 대한 상관관계를 확인하였고 이를 통해 탄소섬유 토우 스프레드 제조공정의 성능과 품질을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (9)

Morgan, P., Carbon Fibers and Their Composites, Boca Raton: Taylor and Francis, New York, U.S, 2005, pp. 121-184.
Eun, J.H., Gwak, J.W., Kim, K.J., Kim, M.S., Sung, S.M., Choi, B.K., Kim, D.H., and Lee, J.S., "Effect of Fabricating Temperature on the Mechanical Properties of Spread Carbon Fiber Fabric Composites," Composites Research, Vol. 33, No. 3, 2020, pp. 161-168.
Roh, J.U., and Lee, W.I., "Review: Continuous Fiber Tow Spreading Technologies and Its Applications," Composites Research, Vol. 26, No. 3, 2013, pp. 155-159.

원문보기 상세보기
Shin, S.W., Kim, R.Y., Kawabe, K., and Tsai, S., "Experimental Studies of Thin-ply Laminated Composites," Composites Science and Technology, Vol. 67, No. 6, 2007, pp. 996-1008.

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Kawabe, K., and Tomoda, S., "Development of the Spreading Technology for the Reinforcing Fiber Tow", Sen'i Gakkaishi, Vol. 59, No. 9, 2003, pp. 292-297.
Nishikawa, Y., Miki, T., Okubo, K., Fujii, T., and Kawabe, K., "Fatigue Behaviour of Plain Woven CF/Epoxy Composites using Spread Tows (Effect of Tow Thickness on Crack Formation):Effect of Tow Thickness on Crack Formation" Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series A, Vol. 71, No. 710, 2005, pp. 1356-1361.

상세보기
Lee, G.H., and Lee, W.I., "Carbon Fiber Two Spreading Process Using Pneumatic Devices and Application to Thermoplastic Prepreg Manufacturing," Proceeding of the 20th International Conference on Composite Materials, Copenhagen, Denmark, July. 2015.
Park, S.M., Kim, M.S., Choi Y.S., Lee, E.S., Yoo, H.W., and Chon, J.S., "Carbon Fiber Tow Spreading Technology and Mechanical Properties of Laminate Composites," Composites Research, Vol. 28, No. 5, 2015, pp. 249-253.

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El-Dessouky, H.M., and Lawrence, C.A., "Ultra-lightweight Carbon Fibre/Thermoplastic Composite Material Using Spread Tow Technology," Composites Part B: Engineering, Vol. 50, 2013, pp. 91-97.

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저자의 다른 논문 :

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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