[논문]충격에 의해 손상된 섬유강화 열가소성 수지 복합재료의 재활용 횟수에 따른 물성의 변화

배곽진; 이준석

doi:10.7234/composres.2022.35.2.075

충격에 의해 손상된 섬유강화 열가소성 수지 복합재료의 재활용 횟수에 따른 물성의 변화
The Influence of Mechanical Properties with the Number of Recycling of Fiber-reinforced Thermoplastic Composites Damaged by Impact 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.2, 2022년, pp.75 - 79

배곽진 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University) , 이준석 (Department of Fiber System Engineering, Yeungnam University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 충격에 의해 파손된 열가소성 유리 섬유 강화 복합재료의 재성형을 통한 물성변화를 조사하였다. 복합재료 시편은 유리섬유 부직포와 폴리프로필렌 필름을 이용하여 핫 프레스 압축 성형 공정을 통해 제작하였다. 총 3번의 낙하 충격 테스트를 진행하였으며, 시편의 물성을 확인하기 위하여 인장시험, 굽힘시험, 낙하충격시험, 시차주사열량계, 주사전자현미경 측정을 진행하였다. 그 결과, 재활용 단계가 반복될수록 결정화도, 인장강도, 탄성계수, 굴곡강도는 증가하였으나 충격특성은 크게 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of mechanical and chemical properties of glass fiber reinforced thermoplastic (GFRTPs) according to the number of recycling was confirmed. The composite materials were manufactured through a hot press compression molding process using an E-glass chopped strand mat and a polypropylene film. Four specimens were named according to the number of recycled test repeat: First manufacture, 1st Recycle, 2nd Recycle, and 3rd Recycle. To investigate the mechanical properties of the prepared specimen, tensile test, flexural test, drop-weight impact test, differential scanning calorimetry (DSC), and field emission electron gun-scanning electron microscope (FE-SEM) was performed. As a result, as the number of recycling steps repeat, the degree of crystallization, tensile strength, elastic modulus, and flexural strength were increased, but the impact properties were greatly reduced.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic of composite fabrication
그림 Fig. 2. Tensile properties of GFRTP with number of recycle
그림 Fig. 3. Flexural properties of GFRTP with number of recycle
표 Table 1. Drop weight impact test result with number of recycle
그림 Fig. 4. Damage of GFRTP after Drop weight impact test with number of recycle; (a) First manufacture, (b) 1st Recycle
그림 Fig. 5. Force-displacement curve of GFRTP with number of recycle
그림 Fig. 6. Energy-time curve of GFRTP with number of recycle
그림 Fig. 7. Crystallinity of polypropylene with number of recycle
표 Table 2. DSC result of Polypropylene with number of recycle
$Fig. 8. FE-SEM micrograph of PP region fractured by tensile test; (a) First manufacture, (b) 3rd Recycle$ 그림 Fig. 8. FE-SEM micrograph of PP region fractured by tensile test; (a) First manufacture, (b) 3rd Recycle
그림 Fig. 9. FE-SEM micrograph of fiber surface region separated by tensile test; (a) First manufacture, (b) 3rd Recycle

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 최대한 환경오염과 불필요한 에너지 및 재료 소모를 줄이고자 재활용이 가능한 열가소성 섬유강화 복합재료를 이용하여 충격에 의해 손상된 복합재료의 기계적 물성의 변화를 관찰하였으며, 기계적 물성의 변화 원인을 확인하고자 화학적 변화를 함께 확인하였다. 이를 통해 재활용 차수에 따른 열가소성 섬유강화 복합재료의 기계적 물성의 변화를 확인하여 재사용 가능성에 관하여 연구하였다.
따라서, 본 연구에서는 최대한 환경오염과 불필요한 에너지 및 재료 소모를 줄이고자 재활용이 가능한 열가소성 섬유강화 복합재료를 이용하여 충격에 의해 손상된 복합재료의 기계적 물성의 변화를 관찰하였으며, 기계적 물성의 변화 원인을 확인하고자 화학적 변화를 함께 확인하였다. 이를 통해 재활용 차수에 따른 열가소성 섬유강화 복합재료의 기계적 물성의 변화를 확인하여 재사용 가능성에 관하여 연구하였다.

제안 방법

복합재료 시편 제작에 사용된 Polypropylene을 이용해 복합재료와 같은 성형 공정 방식을 통해 First manufacture, 1st Recycle, 2nd Recycle, 3rd Recycle 각각의 시편에서 6~7 mg씩 채취하였으며, heating rate는 10ºC/min이었으며 질소 조건에서 측정하였다.
복합재료 제작 시 사용된 재료의 적층 방식은 100×100 mm 유리섬유 부직포 1장당 위아래 각각 같은 크기 7장의 PP film을 적층하여 유리섬유 부직포 1장과 PP film 14장 1세트를 열 코팅기를 이용하여 Prepreg를 제작하였다
본 연구에서는 유리섬유 부직포와 Polypropylene film을 이용하여 섬유 강화 복합재료를 제작하였다. 제작한 복합재료 시편의 재활용 차수에 따른 기계적 물성변화를 보고자 인장, 굽힘, 낙하 충격에 따른 경향을 분석하였다.
냉각시간은 압력을 유지한 상태에서 2시간동안 서냉한 이후 상온에서 탈형하였다. 이렇게 제작한 시편을 First manufacture라 명명하였고, 충격 시험 이후 시편의 재사용 가능성을 평가하기 위해 충격에 의해 손상된 시편을 그대로 Hot-press 몰드에 넣어 First manufacture 시편과 동일한 성형 공정을 통해 재활용 차수에 따라 1st Recycle, 2nd Recycle, 3rd Recycle라고 명명한 시편을 제작하였다. Fig.
인장 시험과 굽힘 시험의 경우 물성 측정 후 파손된 시편을 재성형한 뒤 실험하는 방식이 아니라 First manufacture 시편을 hot press 장비를 이용하여 1st, 2nd, 3rd Recycle 시편으로 제작하여 각각의 시험편을 제작하여 시험을 실시하는 방식으로 진행하였다. 충격시험의 경우에만 충격에 의해 파손된 시험편을 몰드에 다시 넣어 hot press 장비를 이용하여 성형공정과 동일한 방식으로 시편 형상으로 복구하여 낙하충격을 통한 충격시험 평가에 활용하였다.
재활용 차수에 따른 섬유와 수지 계면간 변화에 따른 파단면 변화를 확인하기 위해 인장 실험 이후 시험편의 파단면 형상을 FE-SEM/EDS(S-4100, HITACHI)을 통해 200배율과 1500배율로 촬영하여 재활용 차수에 따른 섬유와 수지의 계면 변화를 관찰하였다.
재활용 차수에 따른 열가소성 수지의 변화가 복합재료의 기계적 물성 변화에 미칠 수 있는 영향을 분석하기 위해 열분석기(DSC, Q200, TA Instrument, U.S.A) 장비를 활용하여 결정화도의 변화와 결정화 온도를 측정하였다. 복합재료 시편 제작에 사용된 Polypropylene을 이용해 복합재료와 같은 성형 공정 방식을 통해 First manufacture, 1st Recycle, 2nd Recycle, 3rd Recycle 각각의 시편에서 6~7 mg씩 채취하였으며, heating rate는 10ºC/min이었으며 질소 조건에서 측정하였다.
본 연구에서는 유리섬유 부직포와 Polypropylene film을 이용하여 섬유 강화 복합재료를 제작하였다. 제작한 복합재료 시편의 재활용 차수에 따른 기계적 물성변화를 보고자 인장, 굽힘, 낙하 충격에 따른 경향을 분석하였다. 재활용 차수에 따라 인장강도 및 탄성계수는 증가함을 보였고, 굴곡 강도의 경우 2nd Recycle까지 증가하였지만 3rd Recycle부터는 저하되는 것을 확인하였다.

이론/모형

재활용 차수에 따른 유리섬유/PP 복합재료의 인장 특성을 측정하기 위해 만능재료시험기(UNITECH-M)를 사용하였다. 규격의 경우 ASTM D3039에 따라 random-discontinuous한 시편의 형태에 맞춰 제작하여 실험을 실시하였다. Cross-head speed는 2 mm/min로 설정하였다.
마지막으로 재활용 차수에 따른 충격에너지 값과 충격에너지 흡수 값 특성의 변화를 확인하기 위해 충격시험기(CEAST 9350, Instron)를 사용하여 낙하충격(Drop-weight impact) 시험 방법을 통해 측정하였으며, ASTM D7136 규격에 따라 실온에서 실험을 진행하였다. 시편 사이즈는 100 × 100 mm이며, 시험에 사용된 impact energy 값은 50 J로 시편이 뚫리지 않는 수준의 충격을 가하였다.
재활용 차수가 증가함에 따른 열가소성 복합재료의 굽힘 특성의 변화를 확인하기 위해 만능재료시험기(Instron 5580)를 사용하여 ASTM D790 규격을 바탕으로 3-point bending test 방식으로 진행하였다. Cross-head speed는 식 (1)을 이용하여 각 시편별로 세팅하여 진행하였다.
재활용 차수에 따른 유리섬유/PP 복합재료의 인장 특성을 측정하기 위해 만능재료시험기(UNITECH-M)를 사용하였다. 규격의 경우 ASTM D3039에 따라 random-discontinuous한 시편의 형태에 맞춰 제작하여 실험을 실시하였다.

성능/효과

Fig. 7을 통해 확인할 수 있듯이 재성형 차수가 증가함에 따라 Polypropylene의 결정화도는 36.22%에서 최대 42.67%로 17.81% 증가하였다. 이러한 열가소성 수지의 재성형 차수의 증가에 따른 결정화도의 증가에 따른 변화는 고분자 수지의 강도와 탄성률의 증가에도 영향을 미쳤음을 확인할 수 있다.
재활용 차수에 따라 인장강도 및 탄성계수는 증가함을 보였고, 굴곡 강도의 경우 2nd Recycle까지 증가하였지만 3rd Recycle부터는 저하되는 것을 확인하였다. 낙하 충격시험 결과 충격 최대 Peak값과 충격에너지 흡수에너지가 감소함을 확인하였다.
58 J의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 물론 동일한 위치에 충격이 가해짐으로 인해 유리섬유의 손상으로 인한 충격 에너지 값의 감소도 있겠으나, 1st Recycle부터 파단의 형태가 연질의 고분자 수지의 파단 형태보다는 좀더 경질의 고분자 수지 형태로 파단됨을 확인할 수 있다. 인장, 굽힘 시험의 경우 하중의 전달이 섬유방향과 동일해 고분자 수지의 영향이 적지만 낙하 충격의 경우 하중분산이 계면을 통해 이루어지기 때문에 재활용 차수에 따른 변화가 더욱 크게 나타난 것으로 사료된다.
열가소성 섬유강화 복합재료의 기계적 물성변화 원인을 규명하기 위해 DSC를 이용해 분석한 결과, 반복적 가열에 의해 재활용된 복합재료의 polypropylene은 결정화도가 증가함을 확인하였고, 이는 FE-SEM을 이용해 파단면을 관측한 결과에서도 polypropylene의 성질이 연질에서 경질로 바뀌어 가며 고분자 재료간 응집력이 강해져 섬유와 수지 간 계면 결합력 감소한다는 점을 확인할 수 있었다.
81% 증가하였다. 이러한 열가소성 수지의 재성형 차수의 증가에 따른 결정화도의 증가에 따른 변화는 고분자 수지의 강도와 탄성률의 증가에도 영향을 미쳤음을 확인할 수 있다.
제작한 복합재료 시편의 재활용 차수에 따른 기계적 물성변화를 보고자 인장, 굽힘, 낙하 충격에 따른 경향을 분석하였다. 재활용 차수에 따라 인장강도 및 탄성계수는 증가함을 보였고, 굴곡 강도의 경우 2nd Recycle까지 증가하였지만 3rd Recycle부터는 저하되는 것을 확인하였다. 낙하 충격시험 결과 충격 최대 Peak값과 충격에너지 흡수에너지가 감소함을 확인하였다.

후속연구

향후 고분자 종류나 섬유 형태에 따른 사용 가능한 재활용 차수에 대한 범위를 설정할 필요성이 있으며, 열가소성 수지와 섬유 계면 간의 강도 유지 및 강화를 위한 목적으로 추가적인 연구를 통해 열가소성 복합재료의 재활용을 통한 재사용이 가능함을 확인하였다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

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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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