DREF 3 Spun공법을 이용한

PPS/Carbon Fiber 복합재료 성형공정 연구

안영선, 이준호, 남재도, 김성우*

성균관대학교 고분자공학과, *경기대학교 화학공학과

Thermoplastic Composite Molding Process using

PPS/Carbon Fiber DREF 3 Spun

Youngsun An, Jun Ho Lee, Jae-Do Nam, Sung Woo Kim*

Dept. of Polymer Sci. & Eng., Sung Kyun Kwan Univ.,

*Dept. of Chemical Eng., Kyonggi Univ.

서론

섬유강화 복합재료는 기존의 금속재료나 합금에 비하여 우수한 비강도와 비강성으로 인해 항공우주구조물, 선박, 스포츠용품 등을 제조하는데 사용되고 있다. 열가소성 복합재료는 생산비용이 낮고 가벼우며, 높은 강도를 가지고 있는데, 특히 충격 강도 등이 뛰어나다. 또한 유지 및 보수가 비교적 손쉬우며, 수지의 재활용이 가능하다는 다양한 장점 때문에 건축, 토목 자재, 선박, 자동차 산업에 광범위하게 사용되고 있다[1-2]. 그러나 열가소성 수지를 이용한 장섬유 복합재료는 산업계의 요구가 절실함에도 불구하고 수지의 점도가 높고 이로 인한 큰 전단응력이 생겨서 섬유층을 투과하는데 많은 시간이 걸리고, 점도를 가공이 용이한 일정 수준으로 낮추기 위해 온도를 올리면 수지의 분해가 일어날 수 있는 등 공정이 어렵고 적절한 가공 공정에 대한 이해와 데이터베이스가 부족하여 사용량이 기대에 미치지 못하고 있는 현실이다. 특히 장섬유 강화 복합재료는 섬유를 끊어지지 않은 상태로 가공하여야 하기 때문에 특수한 기술과 장비가 요구된다[1-2].   본 연구에서는 장섬유 열가소성 복합재료를 생산할 수 있는   DREF 3 Spun 공정을 체계적으로 연구하였고, 수지 침투현상을 포함하는 컨설리데이션 현상의 기본적인 이해와 이에 관한 모델링을 하였다.

이론

수지 함침 속도론은 일반적으로 D□arcy's 법칙을 이용한 거시적인 모델  과 섬유층 사이의 수지가 압축되는 현상을 이용하는 모델, 그리고 섬유의 굽힘 현상을 응용하여 컨설리데이션을 모사하는 모델 등이 소개된 바 있다.  이러한 모델은 거시적인 수지의 침투 속도를 비교적 정확하게 모사하고 있으나 일반적인 열가소성 수지와 같이 섬유와 수지와의 접촉각이 큰 경우에는 미시적인 모세관 압력에 의한 젖음 현상 등을 동시에 고려하여야 한다고 사료된다. DREF 3 Spun 공정은 섬유 토우를 가운데에 두고 이를 주위를 가는 수지섬유가 둘러싼 구조를 가지고 있다[3]. 이 DREF 3 Spun은 공정 자체의 중요성도 있지만 수지가 원 주위에서 섬유층으로 함침되는 현상을 수학적으로 매우 명쾌히 설명할 수 있는 구조이다.

실험

실험에 사용된 DREF 3 Spun은 탄소섬유 토우를 가운데에 두고 주위를 가는 PPS 수지 섬유가 둘러싼 구조를 갖는 것이다. 이 DREF 3 Spun의 탄소섬유 토우는 Hercules사의 AS4(3K)규격이고, PPS수지는 Phillips Petroleum사의 복합재료용 PPS를 사용하였다. 위의 두 가지 재료를 New England Butt#2 Braider를 이용하여 DREF 3 Spun형태로 braiding하여 만들었다.

이러한 방식으로 만든 DREF 3 Spun을 100mm × 100mm크기로 [0/90]s하게 몰드안에 넣고 고온 프레스를 이용하여 압축성형 하였다. 이때 8.8MPa, 4MPa 압력에서 320℃와 340℃ 온도 조건에서 각각 5, 10, 15분으로 다르게 하여 실험하였다.

결과 및 토론

PPS DREF 3 Spun 압축성형 공정에서의 수지가 함침되어 들어갈때의 압력의 변화를 그림 1에 나타내 보았다. 등온 압축 단계에서는 초기에 압력이 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 이것은 수지층이 섬유층으로 함침되어 들어가면서 몰드안에 빈공간이 생기는 것에 기인한다. 함침이 진행되면서 압력의 하강정도가 작아지는 것은 수지가 섬유층으로의 함침이 진행되면서 함침정도가 줄어들기 때문에 압력의 하강 정도가 서서히 감소하게 된다. 이것으로 대부분의 함침공정은 초기에 이루어지는 것을 알 수 있다.

점도가 높은 열가소성 수지가 함침되는 현상을 해석하기 위한 D'Arcy's Law는 다음과 같이 표현된다.[4]

[eqn: v= -S_zz over mu dp over dz]                                                          (1)

여기에서 [eqn: v]는 유체의 선속도, [eqn: mu]는 유체의 점도, [eqn: z]는 유체의 함침거리, P는 압력을 나타낸다.

식(1)을 cylindrical coordinate에 적용시키면 반지름 방향으로 함침되어 들어갈때의 압력과 함침거리에 대한 다음 식을 얻을 수 있다.[5]

[eqn: ( r_i over r_0 )^2 [2ln( r_i over r_0 -1)] +1 = {4 S_zz DELTA P} over {phi _f,wet mu r_0 ^2 t}]                                   (2)

다발 형태의 섬유층을 압축하면서 측정한 effective stress(압축압력)를 섬유층의 밀착된 정도에 대하여 그린 곡선은 그림 2에 나타냈었다. 수지가 섬유층에 함침되는 공정을 해석하는 경우엔, 수지가 함침되지 않은 부분의 분율을 미함침 섬유 부피분율(Vf,dry), 그리고 수지가 이미 함침된 부분의 분율을 일반적인 섬유 부피분율(saturated fiber volume fraction,[eqn: phi_f,wet])로 표현할 수 있을 것이다. 일반적으로 미함침 섬유 부피분율에 따라 발생하는 압력과의 관계를 나타내는 식으로 Gutowski의 식이 알려져 있고, 본 연구에서 사용된 섬유층의 경우에는 식(3)을 사용하였다.

[eqn: P-P_0 = {3pi E}over{beta^4} {(1-root{V_f,dry over V_0 })} over {(root{V_a over V_f,dry} -1)}]                                         (3)

여기에서 [eqn: {3pi E}over{beta^4}], Va, V0의 값은 각각 0.06, 0.785, 0.405 였다. 모델식은 그림에 나타내었다. 이 식을 통하여 몰드 안의 미함침 섬유 부피분율 만큼의 섬유층이 발생시키는 압력을 계산하여 이를 공정 해석에 이용하였다.

섬유층의 압축과 함침되는 거리의 관계는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: V-_f,dry = {r_i ^2 + r_0 ^2 phi_f,wet V_f0,dry +r_0 ^2 phi_f,wet - r_0 ^2 V_f0,dry}over{r_0 ^2 +r_i ^2}]                         (4)

그림 3에서 나타냈듯이 ro는 초기의 반지름이고,ri는 함침되어 들어간 반지름 길이다. 그리고, Vfo,dry는 초기의 섬유부피분율, Vf,dry는 섬유가 함침되지 않은 부분의 섬유 부피분율, [eqn: phi_f,wet] 은 수지가 함침된 부분의 섬유 부피분율로서 섬유의 spreading이 일어난 후의 섬유 부피분율을 뜻한다.

위의 식(2), (3), (4)을 이용하여 수지가 섬유층으로 반지름 방향으로 함침되어 들어갈 때의 모델링 할 수 있다. 모델식과 실험데이터와 비교한 것을 그림 4에 나타내었다.

Figure 1

Figure 2

Figure 3

Figure 4

Figure 1. Effective Pressure relaxed as resin impregnates into Carbon Fiber

Figure 2. Effective compressive stress of glass fiber mat plotted as a function            of unsaturated fiber volume fraction(Vf,dry)

Figure 3. Schematic of impregnation process induced fiber bundle compressive            stress

Figure 4. Resin infusion stress relaxation compared with model prediction

참고문헌

1. J. Karger-Kocsis, "Polypropylene: Structure, blends and composites.",           Chapman & Hall, londin, 1995

2. B.Z. Jang, "Advanced Polymer Composites: Principles and Applications",        ASM International, 1994.

3. S.A. Hasselbrack, C.L. Pederson, and J.C. Seferis, Polym.Comp., 13,          38(1992)

4. H. Darcy, Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon, Dalmont, Paris, 306        (1856)

5. N. Bernet, J. Comp. Mater., 33, 752(1999)