유리섬유/폴리카보네이트 복합재료의 기지 분자량에 따른 함침 및 기계적 물성 평가 Evaluation of Impregnating and Mechanical Properties for Glass Fiber/Polycarbonate Composites Depending on Molecular Weight of Matrix원문보기
열가소성섬유강화 복합재료는 수송용 기기의 경량화 소재로써 적용 분야가 확대되고 있다. 본 연구에서는 분자량이 다른 폴리카보네이트(PC)를 이용하여 연속섬유 강화 유리섬유(GF)/폴리카보네이트(PC) 복합소재의 함침성 및 기계적 물성에 대한 평가를 진행하였다. GF 직물과 PC 필름을 제조한 후, 이를 이용하여 연속가압성형법으로 연속섬유 강화 GF/PC 복합재 평판을 제조하였다. PC 분자량에 따른 용융지수를 측정 및 평가하였고, GF 제직물 강화 GF/PC 복합재료의 인장강도, 굴곡강도, 압축강도 및 기공체적률을 평가하였다. 전계방사형 주사전자현미경을 이용하여 인장파괴된 GF/PC 복합재료의 형태를 분석하여 파괴거동을 확인하였다. 분자량이 20,000일 때 최적의 기계적 특성이 발현되는 것을 확인하였다.
열가소성 섬유강화 복합재료는 수송용 기기의 경량화 소재로써 적용 분야가 확대되고 있다. 본 연구에서는 분자량이 다른 폴리카보네이트(PC)를 이용하여 연속섬유 강화 유리섬유(GF)/폴리카보네이트(PC) 복합소재의 함침성 및 기계적 물성에 대한 평가를 진행하였다. GF 직물과 PC 필름을 제조한 후, 이를 이용하여 연속가압성형법으로 연속섬유 강화 GF/PC 복합재 평판을 제조하였다. PC 분자량에 따른 용융지수를 측정 및 평가하였고, GF 제직물 강화 GF/PC 복합재료의 인장강도, 굴곡강도, 압축강도 및 기공체적률을 평가하였다. 전계방사형 주사전자현미경을 이용하여 인장파괴된 GF/PC 복합재료의 형태를 분석하여 파괴거동을 확인하였다. 분자량이 20,000일 때 최적의 기계적 특성이 발현되는 것을 확인하였다.
Fiber-reinforced thermoplastic composites are applied to transport industries to lightweight of body, and applications will be expanded gradually. In this study, the impregnation and mechanical properties of continuous glass fiber (GF) reinforced polycarbonate (PC) composites were evaluated with dif...
Fiber-reinforced thermoplastic composites are applied to transport industries to lightweight of body, and applications will be expanded gradually. In this study, the impregnation and mechanical properties of continuous glass fiber (GF) reinforced polycarbonate (PC) composites were evaluated with different molecular weights of PC. The continuous GF reinforced PC composite were prepared by using GF fabric and PC film via continuous compression molding method. The melting flow index and tensile strength of PC matrix were evaluated with different molecular weights. Mechanical properties (tensile, flexural, and compressive) and pore rate of GF/PC composite were evaluated with different molecular weights of PC. The fracture behavior was analyzed to fracture surface of GF/PC composite using FE-SEM images. As these results, it was condition of representing the best mechanical property that the GF/PC composite was prepared by using PC of 20,000 g/mol as matrix.
Fiber-reinforced thermoplastic composites are applied to transport industries to lightweight of body, and applications will be expanded gradually. In this study, the impregnation and mechanical properties of continuous glass fiber (GF) reinforced polycarbonate (PC) composites were evaluated with different molecular weights of PC. The continuous GF reinforced PC composite were prepared by using GF fabric and PC film via continuous compression molding method. The melting flow index and tensile strength of PC matrix were evaluated with different molecular weights. Mechanical properties (tensile, flexural, and compressive) and pore rate of GF/PC composite were evaluated with different molecular weights of PC. The fracture behavior was analyzed to fracture surface of GF/PC composite using FE-SEM images. As these results, it was condition of representing the best mechanical property that the GF/PC composite was prepared by using PC of 20,000 g/mol as matrix.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 PC를 기지재료로 설정하였고, PC 의 분자량에 따른 유리섬유(glass fiber, GF)/PC 복합재료의 기계적 물성 변화를 평가하였다. 또한 PC의 용융 흐름지수 (melt index)에 따른 복합소재의 기계적 특성 및 함침성에대하여 연구를 수행하였다.
물성 변화를 평가하였다. 또한 PC의 용융 흐름지수 (melt index)에 따른 복합소재의 기계적 특성 및 함침성에대하여 연구를 수행하였다. 일반적으로 복합화된 강화 섬유와 고분자 수지는 고열 및 압력을 가하여 평판의 형태로 성형공정을 거치게 되는데, 본 연구에서는 연속가압공정 (continuous compression molding, CCM)법을 적용하여 소재를 제조하였다.
본 논문은 열가소성 복합재료를 제조할 때 기지재료의 분자량이 복합재료의 함침성과 기계적 강도에 미치는 영향에 대하여 분석한 것으로, 분자량이 다른 PC 필름을 사용하여 GF/PC 복합재료를 제작하였으며, PC의 분자량이 20, 000일 때 최적의 인장, 굴곡 및 압축강도를 나타내었다. 분자량이 낮을수록 직물 내부에 PC 기지재료가 함침되는 특성은 높아졌지만, PC의 낮은 기계적 물성으로 인해 상가 낮음을 알 수 있었다.
제안 방법
, USA)를 이용하였다. 0.03%의 strain, 1Hz의 진동수, dual cantilever(35mm)의 크램프 모드, 10oC/min 의 승온속도로 분석조건을 설정하여 분석을 진행하였다.
%인 것을 시편으로 사용하였다. GF/PC 평판의 손실탄성률(storage modulus)과 유리전이온도 등을 분석하기 위하여 동적 기계 분석기 (Dynamic mechanical analyzer, DMA Q 800, TA Co., Ltd., USA)를 이용하였다. 0.
91g/cm3 인 것을 사용하였다. PC 필름의 분자량에 따른 평판 내부구조를 분석하기 위해 GF/PC 평판의 단층촬영을 하였고, 전계방사형 주사전자현미경(field emission-scanning electron microscope, FE-SEM)을 사용하여 PC 분자량에 따른 GF/PC 복합재료의 내부 상태를 관찰하였다.
동일 성형조건에서 GF의 함량에 따른 보이드 비율을 측정하기 위해서 보이드 함유량 측정법(ASTM D 3171)을 이용하였다. 고온용로(MF-G, Jeio tech Co., Ltd., Korea)를 사용하였으며 기지 재를 제거한 후 섬유의 무게를 측정하여 기존 판재와의 무게를 비교하였다. 6시간 동안 560℃로 가열하였으며, ASTM D3171-09 식 (1), (2), (3) 의하여 기공체적률(Vv)을 계산하였는 보다[11].
2로 동일하였다. 공정순서에 따라 열변형 온도(heat deflection temperature)를 143, 144 및 147oC로 설정하였다. Collin사의 Compound ZK35PX40D 설비에서 150 µm 두께로 필름을 제조하여 사용하였다[8, 9].
일반적으로 복합화된 강화 섬유와 고분자 수지는 고열 및 압력을 가하여 평판의 형태로 성형공정을 거치게 되는데, 본 연구에서는 연속가압공정 (continuous compression molding, CCM)법을 적용하여 소재를 제조하였다. 기지재료의 분자량에 따른 GF/PC 복합재료의 기계적 특성, 열적 특성, 기공체적률 및 손실탄성률을 확인하였다.
0T의 GF/PC 평판 중간재를 제조하였다. 세 가지 유형의 시편은 용융지수 평가를 진행하였고, ASTM 규격에 맞추어 기계적 특성평가(인장, 굴곡 및 압축 시험)를 진행하였다 (인장시편: ASTM D3039; 굴곡시편: ASTM D790; 압축 시편: ASTM D6641). 기계적 특성 평가를 위한 실험장비의 경우 만능시험기(AG-100kNX plus, Shimadzu Co.
평직으로 제직된 GF 제직물에 PC 필름을 함침시키기 위하여 CCM(xperion) 설비를 이용하였고(Fig. 4), interval hot press 방식으로 함침 시 강화섬유와 수지 층에서 발생하는보이드를 최소화하여 시편을 제작하였다. 함침공정 조건은 100bar의 가압 조건을 고정하고, pre-heating(150oC), heating 1(270oC), heating 2(290oC), heating 3(290oC), cooling (120oC)의 순차적 가열조건을 바꾸어 시편을 제작하였다[10].
4), interval hot press 방식으로 함침 시 강화섬유와 수지 층에서 발생하는보이드를 최소화하여 시편을 제작하였다. 함침공정 조건은 100bar의 가압 조건을 고정하고, pre-heating(150oC), heating 1(270oC), heating 2(290oC), heating 3(290oC), cooling (120oC)의 순차적 가열조건을 바꾸어 시편을 제작하였다[10].
대상 데이터
기계적 물성 평가를 위한 GF/PC 복합재료는 GF가 60wt.%인 것을 시편으로 사용하였다. GF/PC 평판의 손실탄성률(storage modulus)과 유리전이온도 등을 분석하기 위하여 동적 기계 분석기 (Dynamic mechanical analyzer, DMA Q 800, TA Co.
GF 제직물과 PC 필름을 각각 4ply씩 적층하여 2.0T의 GF/PC 평판 중간재를 제조하였다. 세 가지 유형의 시편은 용융지수 평가를 진행하였고, ASTM 규격에 맞추어 기계적 특성평가(인장, 굴곡 및 압축 시험)를 진행하였다 (인장시편: ASTM D3039; 굴곡시편: ASTM D790; 압축 시편: ASTM D6641).
Vf 는 섬유의 체적(%), Vm 은 기지의 체적(%), Vv 는 초기 시험편의 중이드의 체적(%), Mf 는 섬유 중량(g), Mi 는 섬유의 밀도(g/cm3)량(g), ρc 는 시험편의 밀도(g/cm3), ρf 이다. GF의 밀도는 2.55g/cm3이며, PC의 밀도는 0.91g/cm3 인 것을 사용하였다. PC 필름의 분자량에 따른 평판 내부구조를 분석하기 위해 GF/PC 평판의 단층촬영을 하였고, 전계방사형 주사전자현미경(field emission-scanning electron microscope, FE-SEM)을 사용하여 PC 분자량에 따른 GF/PC 복합재료의 내부 상태를 관찰하였다.
, Japan)를 사용하였다. 시험은 각 조건별로 7회 진행하였으며, 최댓값과 최솟값을 제외한 나머지 실험 결과의 평균값을 이용하여 결과값을 도출하였다. 기계적 물성 평가를 위한 GF/PC 복합재료는 GF가 60wt.
인장파괴된 시편의 내부상태를 FE-SEM 분석을 통하여 확인할 수 있었다. Fig.
이론/모형
저해하는 보이드가 발생할 수 있다. 동일 성형조건에서 GF의 함량에 따른 보이드 비율을 측정하기 위해서 보이드 함유량 측정법(ASTM D 3171)을 이용하였다. 고온용로(MF-G, Jeio tech Co.
또한 PC의 용융 흐름지수 (melt index)에 따른 복합소재의 기계적 특성 및 함침성에대하여 연구를 수행하였다. 일반적으로 복합화된 강화 섬유와 고분자 수지는 고열 및 압력을 가하여 평판의 형태로 성형공정을 거치게 되는데, 본 연구에서는 연속가압공정 (continuous compression molding, CCM)법을 적용하여 소재를 제조하였다. 기지재료의 분자량에 따른 GF/PC 복합재료의 기계적 특성, 열적 특성, 기공체적률 및 손실탄성률을 확인하였다.
성능/효과
Fig. 8(c), (d)의 결과와 같이 분자량이 25,000 이상일 경우 흐름성이 좋지 않아 PC가 직물 내부로 함침이 불안정하게 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 파단면에서 확인할 수 있듯이 직물 내에 기지가 함침되지 못하는 경우도 존재하였다.
6은 다양한 분자량에 따른 GF/PC 복합재료의 인장강도와 인장 탄성률을 확인한 결과이다. GF/PC 복합재료의 기지재료인 PC의 분자량이 낮을 경우 직물 내로 함침은 잘되지만, PC 자체의 기계적 물성이 낮아 복합재료의 기지 역할을 하는데 문제가 있다는 점을 확인할 수 있었다. 수지의함침성 증가는 직물과 기지간 계면에서의 접착력이 증가되어 인장강도가 높다고 볼 수 있다[12].
8(a)의 경우 분자량이 17, 000인 PC를 기지재료로 사용한 시편이며 직물과 수지 간 계면에서의함침이 비교적 잘 이루어진 상태임을 확인할 수 있는 반면, 흐름성이 크기 때문에 변형이 쉽게 발생되는 경향을 확인할 수 있었다. PC의 분자량이 20, 000인 경우 수지의 함침성은 분자량이 17, 000인 조건에 비해 비교적 불안정하지만, 분자량이 30, 000인 조건보다는 수지와 기지 간 함침이 우수한 상태였고, 기지재료의 강직함에 의하여 균열이 확인되었다. Fig.
즉 분자량 차이가 GF/PC 복합재료의 물성에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. PC의 분자량이 20, 000일 경우 인장강도와 인장 탄성률 모두 높은 결과를 나타낸다는 점에서 분자량이 20, 000일 때가 가장 효율적인 조성임을 예상할 수 있었다.
또한 분자량이 높은 PC대적으로 Tg 는 높아지지만, 함기지재료를 사용할 경우 복합재료의 Tg 침성과 관련하여 불균일성이 증가하기 때문에 안정적인 부품을 제작하기에는 문제가 생길 가능성이 높을 것으로 사료된다. 궁극적으로 열가소성 복합재료를 제조할 경우 수지의 분자량은 중요한 변수이며, 섬유 조직에 따른 적합한 최적의 분자량을 찾아야 함을 확인할 수 있었다. 또한 열가소성 복합재료의 내열성 향상은 고분자 기지재료의 분자량에 비례함을 확인할 수 있었다.
GF/PC 복합재료는 분자량의 차이에 따라 미세한 기공체적률이 확인된다. 그리고 분자량이 낮은 PC를 사용할 경우 내부 기공체적률이 가장 낮아지는 조건임을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 GF/PC 복합재료의 기계적 물성 평가와 동일하게 나타나는 경향으로 PC의 MI 및 분자량이 낮을수록 복합재료 내부로 함침이 잘되는 조건임을 알 수 있다.
궁극적으로 열가소성 복합재료를 제조할 경우 수지의 분자량은 중요한 변수이며, 섬유 조직에 따른 적합한 최적의 분자량을 찾아야 함을 확인할 수 있었다. 또한 열가소성 복합재료의 내열성 향상은 고분자 기지재료의 분자량에 비례함을 확인할 수 있었다.
하지만 분자량에 따라 기공체적률이 유사하게 나타난 이유는 CCM 공정에서 강한 압력과 연속공정에 따른 장력 조절 때문인 것으로 보이며, 이에 따라 복합재료 내부에 기공 발생 정도를 최소화할 수 있을 것으로 생각된다. 분자량이 17, 000인 PC를 활용하여 제조된 GF/PC 복합재료 내부의 기공체적률이 약 2.3% 수준으로 확인되었고, 분자량 30, 000의 PC를 활용하여 제조된 GF/PC 복합재료의 기공체적률이 약 2.8% 수준인 것을 볼 수 있는데, 약 0.5% 수준의 기공체적률 차이는 공정에 의한 영향으로 판단된다. Fig.
분자량이 낮을수록 직물 내부에 PC 기지재료가 함침되는 특성은 높아졌지만, PC의 낮은 기계적 물성으로 인해 상가 낮음을 알 수 있었다. 또한 분자량이 높은 PC대적으로 Tg 는 높아지지만, 함기지재료를 사용할 경우 복합재료의 Tg 침성과 관련하여 불균일성이 증가하기 때문에 안정적인 부품을 제작하기에는 문제가 생길 가능성이 높을 것으로 사료된다.
앞서 확인한 인장강도와 인장 탄성률 결과를 바탕으로 분자량이 20, 000인 PC로 제조하였을 경우 가장 최적의 인장특성을 나타냄을 확인하였다. 압축 및 굴곡 강도 결과 역시 분자량이 20, 000인 조건에서 가장 높음을 확인하였다. 압축강도 및 굴곡강도 결과는 인장강도의 결과와 동일한 경향을 보이고, 이러한 경향은 PC의 분자량 차이에 따라 PC 기지재료의 표면에서 발생된 흐름성 차이의 영향이라고 생각해볼 수 있다.
7은 분자량이 다른 PC를 사용하여 GF/PC 복합재료를 제조하였을 경우 확인되는 압축 및 굴곡강도를 확인한 결과이다. 앞서 확인한 인장강도와 인장 탄성률 결과를 바탕으로 분자량이 20, 000인 PC로 제조하였을 경우 가장 최적의 인장특성을 나타냄을 확인하였다. 압축 및 굴곡 강도 결과 역시 분자량이 20, 000인 조건에서 가장 높음을 확인하였다.
그리고 분자량이 낮은 PC를 사용할 경우 내부 기공체적률이 가장 낮아지는 조건임을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 GF/PC 복합재료의 기계적 물성 평가와 동일하게 나타나는 경향으로 PC의 MI 및 분자량이 낮을수록 복합재료 내부로 함침이 잘되는 조건임을 알 수 있다. 하지만 분자량에 따라 기공체적률이 유사하게 나타난 이유는 CCM 공정에서 강한 압력과 연속공정에 따른 장력 조절 때문인 것으로 보이며, 이에 따라 복합재료 내부에 기공 발생 정도를 최소화할 수 있을 것으로 생각된다.
하지만 인장 탄성률의 경우에는 분자량이 30, 000인 PC의 경우 인장강도가 낮은 결과를 나타냄을 확인할 수 있었는데, 이는 흐름성이 낮아 직물 내부로 함침되는 특성이 다른 조건에 비해 가장 낮은 것에 기인한 것으로 판단된다. 즉 분자량 차이가 GF/PC 복합재료의 물성에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. PC의 분자량이 20, 000일 경우 인장강도와 인장 탄성률 모두 높은 결과를 나타낸다는 점에서 분자량이 20, 000일 때가 가장 효율적인 조성임을 예상할 수 있었다.
분자량이 30, 000 조건의 경우 GF 제직물 내에 약 100μm 정도가 함침되는 것을 확인하였다. 파단면을 관찰한 결과를 통해 수지가 기지재료인 제직물 내부로 함침이 안정적으로 이루어져야 높은 기계적 강도를 나타냄을 확인할 수 있었을 뿐만 아니라 추가적으로 수지의 인장 탄성률이 낮을수록 강직한 열가소성 복합재료를 확보하기 어려운 조건임을 확인할 수 있었다[14].
참고문헌 (14)
Vaidya, U.K., and Chawla, K.K., "Processing of Fibre Reinforced Thermoplastic Composites", International Materials Reviews, Vol. 53, No. 4, 2008, pp. 185-218.
Park, D.-C., Park, C.-W., Shin, D.-H., and Kim, Y.-H., "A Study on Crystallization of Thermoplastic Aromatic Polymer", Composites Research, Vol. 31, No. 2, 2018, pp. 63-68.
Baek, Y.-M., Shin, P.-S., Kim, J.-H., Park, H.-S., Lawrence DeVries, K., and Park, J.-M., "Interfacial and Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced Polycarbonate(PC) Film and PC Fiber Impregnated Composites", Fibers and Polymers, Vol. 20, No. 11, 2019, pp. 2400-2406.
Yao, T.-T., Liu, Y.-T., Zhu, H., Zhang, X.-F., and Wu, G.-P., "Controlling of Resin Impregnation and Interfacial Adhension in Carbon Fiber/polycarbonate Composites by a Spraycoating of Polymer on Carbon Fibers", Composites Science and Technology, Vol. 182, 2019, pp. 107763.
Ryoo, H.W., Lee, D.G., and Kim, E.G., "An Effect of Fiber Length on the Correlation between Separation and Orientation of Flow Molded Fiber-Reinforced Polymeric Composites", Composites Research, Vol. 6, No. 1, 1993, pp. 19-28.
Kim, J.-W., and Lee, D.-G., "Effect of Fiber Orientation and Fiber Contents on the Tensile Strength in Fiber-reinforced Thermoplastic Composites", Composites Research, Vol. 20, No. 5, 2007, pp. 13-19.
Kim, N.-S.-R., Lee, E.-S., and Jang, and Y.-J., "Effect of Textile Pattern on Mechanical and Impregnation Properties of Class Fiber/Thermoplastic Composite", Composites Research, Vol. 31, No. 6, 2018, pp. 317-322.
Hwang, Y.-T., Lim, J.-Y., Nam, B.-G., and Kim, H.-S. "Analytical Prediction and Validation of Elastic Behavior of Carbon-Fiber-Reinforced Woven Composites", Composites Research, Vol. 31, No. 5, 2018, pp. 276-281.
Haj-Ali, R., Kilic, H., and Zureick, A.-H., "Three-Dimensional Micromechanics-Based Constitutive Framework for Analysis of Pultruded Composite Structures", Journal of Engineering Mechanics, Vol. 127, No. 7, 2001, pp. 653-660.
Gardiner, G., "Aerospace-grade Compression Molding: Continuous Compression Molding Process Produces Structures 30 Percent Lighter than Aluminum at Costs that have Both Airbus and Boeing Sold", High Performance Composites, Vol. 18, No. 4, 2010, pp. 34-40.
Song, S.A., On, S.Y., Park, G.E., and Kim, S.S., "Improvement of Physical Properties for Carbon Fiber/PA 6,6 Composites", Composites Research, Vol. 30, No. 6, 2017, pp. 365-370.
Kwon, D.J., Shin, P.S., Kim, J.H., DeVries, K.L., and Park, J.M., "Interfacial and Wetting Properties of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites with Different Hardeners by Electrical Resistance Measurement", Polymer Testing, Vol. 53, 2016, pp. 293-298.
Lee, W., Um, M.-K., Byun, J.-H., and Cao, J., "Characterization of In-plane Shear Behaviors of Woven Fabrics by Bias-extension and Trellis-frame Tests", Composites Research, Vol. 23, No. 5, 2010, pp. 8-14.
Jang, Y.J., and Jang, J.H., "The Improvement of Thermal Stability and Tensile Toughness by the Photocrosslinking of Poly (phenylene sulfide) Containing Acetophenone", Textile Coloration and Finishing, Vol. 24, No. 4, 2012, pp. 281-287.
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