[논문]소방차용 CFRP 소화전 탱크제조를 위한 수지 최적화 연구

허몽영; 최문우; 윤석일

doi:10.7234/composres.2022.35.4.255

소방차용 CFRP 소화전 탱크제조를 위한 수지 최적화 연구
Resin Optimization for Manufacturing CFRP Hydrant Tanks for Fire Trucks 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.4, 2022년, pp.255 - 260

허몽영 (Korea Carbon Industry Promotion Agency, 2nd R&D Office) , 최문우 (Korea Carbon Industry Promotion Agency, 2nd R&D Office) , 윤석일 (Sang Myung University, Nano Polymer Laboratory)

초록
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소화전 탱크의 경량화는 소방차가 수용할 수 있는 물의 양을 증가시켜 초기 소방 과정에서 물 분무 시간을 늘려 화재로 인한 재산과 인명 피해를 크게 줄일 수 있다. 본 연구에서는 탄소섬유강화폴리머(CFRP) 복합재료를 경량 소화전 탱크의 재료로 적용하는 것을 조사하였다. CFRP 소화전 탱크 제조를 위해 사용되는 수지는 우수한 기계적 물성, 성형성, 치수안정성 등 여러 조건들을 만족시켜야 한다. 위의 조건들을 만족시키는 수지를 찾기 위해 KFR-120V, G-650, HG-3689BT, LSP8020, KRF-1031 등 5가지 수지를 후보로 선정하고 테스트하여 CFRP 소화전 탱크 제조 적합성을 조사였다. 분석 결과 KRF-1031이 소화전 탱크에 가장 적합한 특성을 보였다. 특히, KRF-1031을 이용한 CFRP는 열안정성 및 용출 시험에서 성공적인 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lightweight hydrant tanks increase the amount of water that can be carried by fire trucks, resulting in longer water spray times during the initial firefighting process, which can minimize human and property damages. In this study, the applicability of carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) composites as a material for lightweight hydrant tanks was investigated. In particular, the resin for manufacturing CFRP hydrant tanks must meet various requirements, such as excellent mechanical properties, formability, and dimensional stability. In order to identify a resin that satisfies these conditions, five commercially available resins, including epoxy(KFR-120V), unsaturated polyesters(G-650, HG-3689BT, LSP8020), vinyl ester(KRF-1031) were selected as candidates, and their characteristics were analyzed to investigate the suitability for manufacturing a CFRP hydrant tank. Based on the analyses, KRF-1031 exhibited the most suitable properties for hydrant tanks. Particularly, CFRP with KRF-1031 exhibited successful results for thermal stability and elution tests.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. (a) BPA Epoxy, (b) Ortho type UP, (c) Tere type UP, (d) DCPD type UP, (e) BPA VE
그림 Fig. 2. Viscosity and Pot life of resins
그림 Fig. 3. Infusion time of 5 different resins
그림 Fig. 4. Stress-Strain curve and tensile strength, elongation value of 5 different resins
그림 Fig. 6. Impact strength of resins
그림 Fig. 7. DMA graph of 5 different resins
그림 Fig. 5. (a) Flexural-Strain curves, (b) Flexural strength of resins, (c) Compressive-Strain curves, (d) Compressive strength of resins
표 Table 1. Result of resistance test of KRF
표 Table 2. Result of elution test of KRF

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 탄소섬유강화폴리머(CFRP) 복합재료를 경량 소화전 탱크의 재료로 적용하는 것을 조사하였다. 비닐에스터(Vinylester, VE), 불포화폴리에스터(Unsaturated polyester, UP), 에폭시(Epoxy, EP)는 현재 산업에서 가장 많이 사용되는 수지들이다.

제안 방법

5종의 수지를 Casting 공법을 사용하여 100% 수지시편을 제조하였다. 제조된 시편은 ASTM D638 규격에 맞춰 CNC 가공을 진행하였다.
각 수지들이 실제 Infusion 공정과 최대한 비슷한 환경에서 주입되는데 걸리는 시간을 측정하여 Infusion time을 비교하였다. Glass 평판위에 12 K 탄소섬유를 3 ply 적층시킨뒤 진공 압을 잡고 수지가 90 cm 이동하는데 걸린 시간을 측정하였다.
각 수지들이 실제 Infusion 공정과 최대한 비슷한 환경에서 주입되는데 걸리는 시간을 측정하여 Infusion time을 비교하였다. Glass 평판위에 12 K 탄소섬유를 3 ply 적층시킨뒤 진공 압을 잡고 수지가 90 cm 이동하는데 걸린 시간을 측정하였다.
기계적 물성 외에 열적, 환경적 안정성을 파악하기 위하여 DMA 분석을 진행하였다. DMA 분석 결과 도출된 Tg 값을 Fig.
소화전 탱크 경량화에 사용할 수지를 선정하기 위하여 후보 수지 KFR-120V, G-650, HG-3689BT, LSP8020, KRF-1031 5종의 특성을 분석하였다. LSP8020과 KRF-1031이 다른 3종에 비해 낮은 점도를 보였으며, 이로 인하여 Infusion 실험에서 빠른 수지주입 속도를 보였다.
소화전 탱크에 적합한 기계적 물성을 지닌 수지를 찾기 위해 5종 수지의 기계적 물성을 측정하였다. Fig.
소방차에 적재된 소화전 탱크는 장시간 소화 수를 담고 작전에 투입되며 여름, 겨울, 화재 상황 등 여러 환경에서 계속해서 스트레스를 받는다. 여러 가혹조건에서 수지들의 특성을 확인하기 위하여 내한성, 내열성, 내후성 실험을 진행하였다.
소화전 탱크로 식수를 운반하기 위해선 장시간 식수를 담고 있어도 인체에 유해한 성분이 용출되지 않아야 한다. 이를 확인하기 위하여 선정된 수지를 사용하여 시편을 제작하고 용출시험을 진행하였다.
Infusion 속도, 기계적 물성, 열적 안정성을 모두 고려하였을 때, VE인 KRF가 가장 적합할 것으로 예상되었다. 이에 KRF를 사용하여 탄소섬유 복합재를 제조한 뒤 내한성, 내열성, 내후성 시험과 용출시험을 진행하였다.
탱크를 실제로 제작하여 물성을 측정하기 전에 수지의 물성을 측정하여 소화전 탱크에 적합한 수지를 선정할 수 있다. 인장, 압축, 충격, 굴곡, 등의 분석을 진행하여 어떤 수지가 소화전 탱크에 사용될 수 있을지 판단하였다.

대상 데이터

Epoxy는 국도화학의 KFR-120V(KFR)/KFH-163, 주제/경화제를 사용하였다. UP는 Polynt사의 G-650(G), HG-3689BT(HG), LSP8020(LSP)을 사용하였다. VE는 Polynt사의 KRF-1031(KRF)을 사용하였다.
UP는 Polynt사의 G-650(G), HG-3689BT(HG), LSP8020(LSP)을 사용하였다. VE는 Polynt사의 KRF-1031(KRF)을 사용하였다. 개시제로는 애경화학의 Methyl ethyl ketone peroxide(MEKPO)를 사용하였다.
VE는 Polynt사의 KRF-1031(KRF)을 사용하였다. 개시제로는 애경화학의 Methyl ethyl ketone peroxide(MEKPO)를 사용하였다.
본 실험에서는 Epoxy(EP), Unsaturated polyester(UP), Vinylester(VE) 수지를 5가지 종류 준비하였다. Epoxy는 국도화학의 KFR-120V(KFR)/KFH-163, 주제/경화제를 사용하였다.

이론/모형

굴곡강도 평가는 ASTM D790 규격으로 진행되었다. Span length는 64 mm이며 Shimadzu사의 AG-X Plus를 사용하여 5 mm/min의 속도로 실험을 진행하였다.
내열성 시험은 KS M ISO 11501에 따라 시편을 150℃에서 60분간 가열한 뒤 시편의 가로, 세로 길이를 측정하여 진행하였다. 3% 미만의 수축률을 목표로 설정하였다.
내한성 시험을 위해 ASTMD 746에 따라 시편을 -20℃에서 3분간 냉각시켜 준비한 뒤 충격시험을 진행하였다. 시편의 파괴정도에 따라서 정상, 균열, 파괴로 상태를 판단하였다.
압축강도 평가는 ASTM D695 규격으로 진행되었다. Shimadzu사의 AG-X Plus 장비를 사용하여 5 mm/min의 속도로 압축되었다.
5종의 수지를 Casting 공법을 사용하여 100% 수지시편을 제조하였다. 제조된 시편은 ASTM D638 규격에 맞춰 CNC 가공을 진행하였다. 완성된 시편은 Shimadzu사의 AG-X Plus 장비를 사용하여 100 kN에서 5 mm/min의 속도로 인장실험을 진행하였다.
충격강도 평가는 ASTM D256 규격으로 진행되었다. Notched izod 형식으로 Wance사의 PIT501J-2 장비를 사용하였다.

성능/효과

Fig. 3에서 5종의 수지들의 Infusion time이 6분~15분 사이로 다양하게 측정됨을 확인할 수 있다. LSP와 KRF처럼 점도가 낮은 수지들은 실제로 짧은 Infusion time을 지녔다.
Infusion 속도, 기계적 물성, 열적 안정성을 모두 고려하였을 때, VE인 KRF가 가장 적합할 것으로 예상되었다. 이에 KRF를 사용하여 탄소섬유 복합재를 제조한 뒤 내한성, 내열성, 내후성 시험과 용출시험을 진행하였다.
두가지 물성을 종합해 봤을 때 KRF가 굴곡강도에서 두번째, 압축강도에서 세번째로 좋은 물성을 기록하여 가장 적절한 물성을 지닌 수지로 판단된다.
가사시간은 KRF-1031과 KFR-120V가 각각 1시간, 2시간 30분, 나머지 3종 UP는 17~20분 사이의 가사시간을 나타냈다. 생산성을 고려하였을 때 KRF-1031이 infusion 공법으로 소화전 탱크를 제조하기에 가장 적절한 것으로 판단되었다. KFR-120V는 높은 파단신율로 인해 충격강도가 높았지만 낮은 압축강도, 굴곡강도에서의 큰 신장율을 보여 치수안정성이 떨어질 것으로 판단된다.
KRF-1031은 세가지 UP 수지 대비 높은 인장강도를 지녔으며 굴곡, 압축, 충격 실험에서도 고르게 높은 물성치를 나타냈다. 열적 안정성을 위한 DMA 분석 결과에서도 KRF-1031이 가장 높은 Tg 값을 나타내 환경시험에서 높은 안정성을 보일 것으로 예측되었다. 최종적으로 선정된 KRF-1031로 제작한 탄소섬유복합재 시편은 실제 소화전 탱크 운용환경에 맞춘 내한성, 내열성, 내후성 실험과 식수운용에 필요한 용출실험을 모두 통과하여 소화전 탱크 경량화용 수지로의 적용가능성을 증명하였다.
열적 안정성을 위한 DMA 분석 결과에서도 KRF-1031이 가장 높은 Tg 값을 나타내 환경시험에서 높은 안정성을 보일 것으로 예측되었다. 최종적으로 선정된 KRF-1031로 제작한 탄소섬유복합재 시편은 실제 소화전 탱크 운용환경에 맞춘 내한성, 내열성, 내후성 실험과 식수운용에 필요한 용출실험을 모두 통과하여 소화전 탱크 경량화용 수지로의 적용가능성을 증명하였다.
Table 1에서 각 실험의 결과를 확인할 수 있다. 탄소섬유/KRF 복합재 시편은 내한성, 내열성, 내후성 세가지 실험을 모두 통과하여 적용가능성을 증명하였다.

후속연구

낮은 점도를 지녀 주입속도가 빠르고 적당한 가사시간을 지녀 충분한 수지주입시간을 지니면서도 생산성이 좋은 수지가 소화전 탱크의 제조에 적합한 수지라고 할 수 있다. 따라서 소화전 탱크의 특성에 맞는 수지를 찾기 위해선 치수안정성, 기계적 강도, 내한, 내열, 내후성, 비용출성, 충분한 가사시간을 염두에 두고 분석을 진행해야 할 것이다.
본 연구에서는 소화전 탱크에 사용되는 수지가 지녀야 할 특성과 후보로 선정된 수지들의 분석을 바탕으로 소방차용 CFRP 소화전 탱크제조에 적용가능한 수지를 최종 선정하여 실제 성능을 확인할 것이다.

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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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