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문제 정의
- 본 연구에서는 유리 섬유강화 복합재료의 계면특성을 향상시키기 위한 목적으로 연구를 수행하뗬다- 건식 계면처리 방법의 일종인 플라즈마를 이용하여 강화재로 사용되는 유리섬유의 표면을 처리하여 가장 우수한 젖음성을 나타내는 최적조건하에서 제작된 시료를 자외선 환경하에서 장시간 처리에 따른 표면열화 메커니즘을 도출하고자 한다.
제안 방법
- 인장강도 측정장치 (Model 4202. Instron Corporation, JapanX 사용하여 제작된 복합재료의 접착특성을 조사하였다. 시험편을 grip 간격 10 mm, 크로스 헤드 속도는 10 mm/min로 인장하였다.
- 본 연구에서는 플라즈마 기술을 응용하여 에폭시/유리섬유 복합 절연재료인 FRP의 계면에 표면처리한 후 자외선 조사를 함으로써 표면에서 발생하는 열화기구를 분석한 결과 다음과 같다.
- 처리에 따른 시료 표면의 전기적 특성 변화를 알아보기 위하여 코로나 대전장치를 이용하여 표면에 대전된 전하의 경시적인 변화를 측정하였다. 상온·상압의 일정한 조건하에서 시료 표면에 정( + ), 부(-) 전하를 주입시킨후 시료표면과 표면전위 탐침(probe)과의 거리를 5 mm로 설정한 후 표면전위 감쇠특성을 측정하였다. 표면저항률은 측정시료를 25X:로 설정된 항온 조에 설치하고 미소전류계 (Picoammeter 487, Keithley.
- 68 W/m2< 유지하여 처리하였다. 시료가 설정된 위치의 분위기 온도를 501로 설정하고 50시간 간격으로 250시간까지 처리하여 시간의 변화에 따른 플라즈마 표면처리 효과를 자외선 조사를 통해 표면 및 계면에서의 특성변화를 측정하였다.
- 최적의 조건하에서 표면처리된 유리섬유와 에폭시 수지를 복합화하여 유리섬유강화 복합재료를 제작하였다. 유리섬유를 플라즈마로 표면 개질 후 제작된 복합재료의 개질 전·후의 특성변화를 조사하기 위하여 자외선 조사장치 (Accelerated Weathering Tester, QUV/spray, Q-Panel Lab Products)를 사용하여 가속 모의열화를 수행하였다. 자외선 조사는 광원으로 fluorescent 340 nm UV lamp (Q-panel inc.
- 자외선 처리에 따른 표면의 젖음정도와 표면 활성화 상태에 따른 표면 자유에너지의 변화를 알아보기 위하여 접촉각 측정창치 (2MG, ERMA INC.)를 사용하여 시료 표면에 탈이온 증류수 2 ㎕를 sessile drop 형태로 하적시켜 측정하였고, 표면의 자유에너지는 탈이온 증류수와 methylene 용액을 하적시켜 구한 접촉각을 이용하여 구하였다. 처리에 따른 시료 표면의 전기적 특성 변화를 알아보기 위하여 코로나 대전장치를 이용하여 표면에 대전된 전하의 경시적인 변화를 측정하였다.
- )를 사용하여 시료 표면에 탈이온 증류수 2 ㎕를 sessile drop 형태로 하적시켜 측정하였고, 표면의 자유에너지는 탈이온 증류수와 methylene 용액을 하적시켜 구한 접촉각을 이용하여 구하였다. 처리에 따른 시료 표면의 전기적 특성 변화를 알아보기 위하여 코로나 대전장치를 이용하여 표면에 대전된 전하의 경시적인 변화를 측정하였다. 상온·상압의 일정한 조건하에서 시료 표면에 정( + ), 부(-) 전하를 주입시킨후 시료표면과 표면전위 탐침(probe)과의 거리를 5 mm로 설정한 후 표면전위 감쇠특성을 측정하였다.
- 1 Torr, 처리시간 3분이며, 플라즈마 처리는 최적 조건으로 한다. 최적의 조건하에서 표면처리된 유리섬유와 에폭시 수지를 복합화하여 유리섬유강화 복합재료를 제작하였다. 유리섬유를 플라즈마로 표면 개질 후 제작된 복합재료의 개질 전·후의 특성변화를 조사하기 위하여 자외선 조사장치 (Accelerated Weathering Tester, QUV/spray, Q-Panel Lab Products)를 사용하여 가속 모의열화를 수행하였다.
- 상온·상압의 일정한 조건하에서 시료 표면에 정( + ), 부(-) 전하를 주입시킨후 시료표면과 표면전위 탐침(probe)과의 거리를 5 mm로 설정한 후 표면전위 감쇠특성을 측정하였다. 표면저항률은 측정시료를 25X:로 설정된 항온 조에 설치하고 미소전류계 (Picoammeter 487, Keithley. Co)를 이용하여 직류전압 500[V]를 인가하여 30분이 경과된 후 누설전류값을 측정하여 표면저항률을 구하였다. 인장강도 측정장치 (Model 4202.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 플라즈마 처리장치의 시스템은 전원부, 방전부, 배기 및 진공검출부로 나누어져 있다. 장비의 전체적인 개략도와 실제 제작된 형태를 그림 1에 나타낸다.
- Co)를 이용하여 직류전압 500[V]를 인가하여 30분이 경과된 후 누설전류값을 측정하여 표면저항률을 구하였다. 인장강도 측정장치 (Model 4202. Instron Corporation, JapanX 사용하여 제작된 복합재료의 접착특성을 조사하였다.
- 유리섬유를 플라즈마로 표면 개질 후 제작된 복합재료의 개질 전·후의 특성변화를 조사하기 위하여 자외선 조사장치 (Accelerated Weathering Tester, QUV/spray, Q-Panel Lab Products)를 사용하여 가속 모의열화를 수행하였다. 자외선 조사는 광원으로 fluorescent 340 nm UV lamp (Q-panel inc., UVA type)로 주 파장범위는 295 nm~365 nm이고. 방사조도는 0.
데이터처리
- 시험편을 grip 간격 10 mm, 크로스 헤드 속도는 10 mm/min로 인장하였다. 인장강도 값으로는 5회 측정을 통한 결과 값의 평균치를 사용하였다.
성능/효과
- ② 자외선 미조사 및 조사된 시료에 코로나 대전에 의해 전하를 주입한 후 표면전위 감쇠 경향은 자외선 조사시간을 증가시킴에 따라 표면에 축적되는 전하량은 감소하고 주입된 전하가 빠르게 감소하였다. 정( + )극성 및 부(-)극성 전하주입에 따른 극성변화는 자외선 조사로 인하여 표면에 정극성 라다 칼의 발생으로 표면에 주입된 부극성의 전하감소가 급격히 진행하였다.
- 이러한 결과는 조사시간 증가에 따른 과다한 자외선 광 에너지에 의해 표면의 결합쇄가 분해되고 다량의 라디칼 발생으로 표면의 절연성능이 저하하기 때문이라 판단된다. 결과적으로 접촉각 특성 및 표면전위 감쇠특성과 일치하는 것으로 표면의 친수화가 진행됨에 따라 표면에 형성된 친수적 극성기 및 유동성 전하에 기인한 결과이다.
- 이러한 소수적인 경향은 탄화수소를 주쇄로 하는 대부분의 고분자 물질에서 나타나는 일반적 특징이다. 또한 접촉각 측정에 의한 표면 에너지는 플라즈마 미처리된 시료는 약 40 mJ/m2의 값을 보이고, 플라즈마 처리 후 제작된 시료는 약 36 mJ/m2의 값을 보였다.
- 플라즈마 처리 후 비스페놀-A형 에폭시 수지인 플라즈마 처리 후 복합화한 경우 290 MPa의 인장강도가 250시간의 자외선 조사 후 250 MPa로 감소하였고, 플라즈마 미처리후 복합화한 경우는 280 MPa을 나타내던 인장강도가 250시간 동안 자외선 조사 후에는 230 MPa 정도로 크게 감소하였다. 이러한 결과는 약한 van der waals력으로 결합되어 있던 시료가 자외선 조사시간의 증가에 따른 조사 에너지의 축적에 의한 표면에서의 분자쇄의 파괴로 초기의 조사하지 않았던 시료에 비하여 큰 폭으로 감소한 결과를 보이고 있다.
- 장비의 전체적인 개략도와 실제 제작된 형태를 그림 1에 나타낸다. 플라즈마 처리직후 처리된 표면의 접촉각 측정을 통하여 표면의 젖음성과 표면에너지를 측정하여 최적의 표면처리 조건을 설정하 결과 산소분위기에서 100 W, 0.1 Torr, 처리시간 3분이며, 플라즈마 처리는 최적 조건으로 한다. 최적의 조건하에서 표면처리된 유리섬유와 에폭시 수지를 복합화하여 유리섬유강화 복합재료를 제작하였다.
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