[논문]ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 특성평가 및 시뮬레이션을 통한 물리적 성능 예측 연구

유성훈; 이종혁; 여동현; 신용호; 박종수; 심지현

doi:10.5764/tcf.2022.34.2.117

[국내논문] ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 특성평가 및 시뮬레이션을 통한 물리적 성능 예측 연구
Characterization of ABS/PC/POE Thermoplastic Composites and Prediction of Mechanical Properties by Geometry Simulation 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.34 no.2, 2022년, pp.117 - 126

유성훈 (다이텍연구원 섬유가상공학연구센터) , 이종혁 (다이텍연구원 섬유가상공학연구센터) , 여동현 (다이텍연구원 섬유가상공학연구센터) , 신용호 ((주)아스픽) , 박종수 (평화산업(주)) , 심지현 (다이텍연구원 섬유가상공학연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, thermoplastic composites were manufactured using ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PC(polycarbonate), and POE(polyolefin elastomer), which are thermoplastic plastics. Twin screw extruder and injection molding were used to manufacture thermoplastic composites. When the ABS/PC/POE thermoplastic composite material was manufactured, the POE mass fraction was set to 1 to 5 wt.%, and the thermal and mechanical properties according to the POE mass fraction were analyzed. Based on the physical properties of ABS/PC/POE, a 3D model in the form of an e-bike frame was created. After setting the boundary conditions, when an external load is applied, geometry simulation was performed to predict product performance. The ABS/PC/POE thermoplastic composite material exhibited the best physical properties when the mass fraction of POE was 3 wt.%. In the simulation results for the physical properties of the 3D model in the form of an e-bike frame, the best physical properties were shown when the mass fraction of POE was 2 ~ 3 wt.%. As a result, the manufacturing conditions for ABS/PC/POE thermoplastic composite materials were set, and research was conducted to reduce product development costs and development time.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Constitutional formula of POE.
표 Table 1. Properties of ABS/PC composites
표 Table 2. Manufacturing conditions of ABS/PC/POE compound pellet
표 Table 3. Conditions of the injection molding for manufacturing specimens
그림 Figure 2. Schematic for processing of ABS/PC/POE thermoplastic composites.
그림 Figure 3. DSC curve of ABS/PC/POE thermoplastic composites.
그림 Figure 4. Schematic illustration of steric hindrance on POE weight.
그림 Figure 5. TGA curve of ABS/PC/POE thermoplastic composites.
그림 Figure 6. Result of MI measurement of ABS/PC/POE thermoplastic composites.
그림 Figure 7. Tensile properties of ABS/PC/POE thermoplastic composites.
그림 Figure 8. Flexural properties of ABS/PC/POE thermoplastic composites.
그림 Figure 9. Impact force of ABS/PC/POE thermoplastic composites.
그림 Figure 10. 3D model of (a) E-bike frame and (b) battery pack.
그림 Figure 11. Condition of analysis by impact force.
표 Table 4. Result of impact test
그림 Figure 12. Result of analysis(E-bike frame and battery pack).

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

본 연구에서는 ABS/PC소재에 POE를 질량분율에 따라 첨가하여 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료를 이축압출기 및 사출기를 활용하여 제조하였으며, POE 질량분율에 따른 열적 및 기계적 특성, 내충격성을 분석하였다. ABS/PC/POE 열 가 소성복합재료의 특성 분석 결과를 토대로 하여, 해석 소프트웨어를 활용한 3D모델링 생성 및 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
압출 공정에 활용된 기기는 이축압출기(twin screw extruder, HAAKE polylab QC, Thermo scientific, Netherlands)이며, 압출 공정 시 작업 중 발생하는 손실율(loss)을 고려하여 각 소재(ABS/PC, POE)는 10kg씩 소분한 후에, 4회의 hand mixing 작업을 실시한 후 사용하였고, 압출 작업 조건은 Table 2에 나타내었다. ABS/PC/POE 열가소성 복합재료를 제조할 때, POE의 함량은 1, 2, 3, 5wt.%로 설정하였다. 압출 공정을 통하여 제조된 pellet 형태의 ABS/PC/POE(1, 2, 3, 5wt.
ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 기계적 특성 분석 결과를 토대로 3D모델링을 생성하고자 하였다. 3D모델링 및 물성예측 시뮬레이션은 해석 소프트웨어인 ANSYS(ANSYS R19.
ABS/PC에 대한 POE의 질량분율은 1, 2, 3 및 5wt.% 로 설정하였으며, ABS/PC 및 POE는 표준상태(25±5℃, 60± 10%)에서 3일간 항온∙항습기(PC-R8SD, HASTEST, Japan)에서 보관한 후에 실험에 사용하였다.
본 연구에서는 ABS/PC소재에 POE를 질량분율에 따라 첨가하여 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료를 이축압출기 및 사출기를 활용하여 제조하였으며, POE 질량분율에 따른 열적 및 기계적 특성, 내충격성을 분석하였다. ABS/PC/POE 열 가 소성복합재료의 특성 분석 결과를 토대로 하여, 해석 소프트웨어를 활용한 3D모델링 생성 및 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
%로 설정하였다. 압출 공정을 통하여 제조된 pellet 형태의 ABS/PC/POE(1, 2, 3, 5wt.%) 열가소성 복합재료는 60℃에서 14시간 동안 진공에서 건조한 후, 사출 성형 공정(injection molding)을 진행하여 기계적 특성 분석을 위한 시편 형태로 가공하였다.

대상 데이터

POE(LG Chem., EBR, Korea)의 구조식은 Figure 1에 나타내었다. ABS/PC에 대한 POE의 질량분율은 1, 2, 3 및 5wt.
본 연구에서는 POE 질량분율에 따라 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 특성을 분석하는 것을 목적으로 하며, 열 가 소성복합재료에 이용된 ABS/PC(LG Chem., HP5004, Korea) 의기본 물성은 Table 1에 나타내었고, ABS/PC는 펠릿(pellet) 형태의 제품을 사용하였다. 그리고 ABS 및 PC의 함량(volume tric ratio)는 각각 70%, 30%이다.

데이터처리

ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 기계적 특성 분석 결과를 토대로 3D모델링을 생성하고자 하였다. 3D모델링 및 물성예측 시뮬레이션은 해석 소프트웨어인 ANSYS(ANSYS R19.2, USA)을 사용하였다. 해석조건으로써, 75kg인 사람이 22.
제조된 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 성형성 분석을 위하여 용융흐름지수 측정기(6MBA, Ray-ran, Korea)을 이용하였다. POE 질량분율마다 5개의 시료를 사용하여 ISO 1133 에 따라 MI를 측정하였으며, 각 시료마다 5회 측정 후, 평균값을 최종 결과값으로 활용하였다. 측정 시료는 수분 재흡수를 피하기 위하여 밀봉된 PTFE용기를 이용하여 MI측정 bath로 운반한 후에 MI측정을 진행하였다.
5J의 조건으로 실험을 진행하였다. POE 질량분율에 따른 ABS/PC /POE 열가소성 복합재료의 충격파괴 거동 분석을 평가하기 위하여 peak force와 전체 충격에너지를 계산하였다.
POE 질량분율에 따른 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 기계적 특성을 분석하기 위하여 인장강도 및 굴곡강도 분석을 진행하였다. 인장강도의 경우 KS M ISO 527-2규격에 의거하여 시험을 진행하였으며, 굴곡강도의 경우 ASTM D 790규격에의거하여 진행하였다.
제조된 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 열적 특성을 분석하기 위하여 시차주사열량분석기(DSC, TA instrument, USA)를 이용하였다. 분석 전 시료의 무게는 6.

이론/모형

3D 모델링 및 시뮬레이션은 해석 소프트웨어인 ANSYS를활용하였다. 앞절 식(1)에 따라 외부 충격하중은 193N으로 산출되었으며, 이에 따른 하중조건 및 경계조건은 Figure 11과같이 결정되었다.
사출 성형 공정은 lab.scale의 사출기(HAKKE MINIJET Pro,Thermo scientific, Netherlands)를 이용하여 진행하였으며, 사출 성형 작업 조건 및 전체 공정 모식도는 Table 3 및 Figure 2에 나타내었다. 사출속도는 100mm/s로 설정하였다.
POE 질량분율에 따른 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 기계적 특성을 분석하기 위하여 인장강도 및 굴곡강도 분석을 진행하였다. 인장강도의 경우 KS M ISO 527-2규격에 의거하여 시험을 진행하였으며, 굴곡강도의 경우 ASTM D 790규격에의거하여 진행하였다. 이때, 굴곡강도 시편은 support span ratio를 16:1로 설정하여 제조하였으며, 두께는 3±0.
충격강도 분석을 위하여 KS M ISO 6603-2 시험 방법(낙추시험법) 규격에 의거하여 시험을 진행하였으며, 시험에 필요한 시 크기의 정사각형 형태로 제작하였다.

성능/효과

2.1 실험재료
2.용융흐름지수의 경우, POE 질량분율이 3wt.% 이상일 때, POE가 첨가되지 않은 시료와 비교하여 16.7% 이상 향상된결과값을 나타내었다. 이는 POE소재 자체의 우수한 사출 가공성에 기인한 것으로 판단된다.
, EBR, Korea)의 구조식은 Figure 1에 나타내었다. ABS/PC에 대한 POE의 질량분율은 1, 2, 3 및 5wt.% 로 설정하였으며, ABS/PC 및 POE는 표준상태(25±5℃, 60± 10%)에서 3일간 항온∙항습기(PC-R8SD, HASTEST, Japan)에서 보관한 후에 실험에 사용하였다.
2.4 용융 흐름 지수(Melt Index, MI) 분석
% 이상인 경우에는 소폭 감소한 값을 나타내었다. POE 질량분율에 따른 내충격성 분석결과, ABS/PC 소재에 POE가 1wt.% 이상 첨가되었을 때, POE가 첨가되지 않은 ABS/PC 소재에 비하여 maximum peak force값은 10.7% 향상되었고, total impact energy 값은 12.5% 이상 향상되었다. 이는 POE가 첨가됨에 따라 POE 소재의 rubbery한 특성으로 인하여 외부 충격하중에 따른 충격저항성이 향상됨을 나타낸다.
POE가 첨가됨에 따라 인장강도 및 굴곡강도가 최대 3.5% 이상 향상된 값을 나타내었으나, POE 질량분율이 5 wt.%이상인경우에는 소폭 감소한 값을 나타내었다. 이는 POE가 가지는 분자 상 구조로 인하여 물성이 상승할 수 있다고는 하나, POE 질량분율이 5wt.
4. 외부 충격하중에 따른 해석 결과, 외부 충격하중 193N이 전기자전거 프레임 및 배터리팩에 가해졌을 때, 예상되는 내부응력 값이 20.5MPa로 나타났다. 이는 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 33.
5MPa로 나타났다. 이는 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 33.1% 수준으로 구조적으로 안전함을 확인할 수 있었다. 외부 충격하중에 따른 해석 결과를 토대로 하여 실제 제품에 응용해보고자 하며, 추후에는 다양한 하중 조건(수평∙수직 하중조건, 프레임 하중 조건 등)에 따른 해석을 실시하여 제품 성능에 대한 시뮬레이션 라이브러리(library)를 구축하고자 계획하였다.
5%이상 향상되었다. 이는 POE가 첨가됨에 따라 POE 소재의 rubbery한 특성으로 인하여 외부 충격하중에 따른 충격저항성이 향상됨을 나타낸다. POE 질량분율이 3wt.
1. 제조된 ABS/PC/POE 열가소성 복합재료의 경우, POE의 질량분율이 2wt.% 이하인 경우에는 유리전이온도가 최대 6.7% 이상 감소하였으나, POE가 3wt.% 첨가되었을 때, 1wt.%인 경우와 비교하여 4.5% 이상 향상된 값을 나타내었다. POE가 4wt.

후속연구

1% 수준으로 구조적으로 안전함을 확인할 수 있었다. 외부 충격하중에 따른 해석 결과를 토대로 하여 실제 제품에 응용해보고자 하며, 추후에는 다양한 하중 조건(수평∙수직 하중조건, 프레임 하중 조건 등)에 따른 해석을 실시하여 제품 성능에 대한 시뮬레이션 라이브러리(library)를 구축하고자 계획하였다.

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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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