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희선 준
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1 ISSN(Print) ISSN(Online) X Textile Coloration and Finishing Vol.27,1 연구논문 ( 학술 ) 에폭시수지적용아라미드및탄소섬유복합재료의물성연구 서대경 하나라 이장훈 박현규 1 배진석 1, DYETEC 연구원, 1 경북대학교섬유시스템공학과 Property Evaluation of Epoxy Resin based Aramid and Carbon Fiber Composite Materials Dae-kyung Seo, Na Ra Ha, Jang-hun Lee, Hyun-Gyu Park 1 and Jin-Seok Bae 1, Korea Dyeing and Finishing Technology Institute, Daegu, Korea 1 Department of Textile System Engineering, Kyungpook National University, Daegu, Korea (Received: November 13, 2014 / Revised: December 26, 2014 / Accepted: March 17, 2015) Abstract: Recently, super fiber reinforced composite materials are widely used in many industries due to high mechanical properties. In this study, 2 different types of composite materials were manufactured in order to compare their mechanical properties. Carbon and Aramid fibers were used for reinforcement materials and Bisphenol-A type epoxy resin was for matrix. Two kinds of fiber-reinforced materials were manufactured by RIM(Resin Injection Molding) method. Before manufacturing composite materials, the optimal manufacturing and curing process condition were established and the ratio of reinforcement to epoxy resin was discussed. FT-IR analysis was conducted to clarify the structure of epoxy resin. Thermal and mechanical property test were also carried out. The cross-section of composite materials was observed using a scanning electron microscope(sem). Keywords: RIM method, epoxy resin, composite materials, mechanical properties, FT-IR and DSC analysis 1. 서론 현재세계적으로의류용섬유소재와더불어산업용섬유소재에대한필요성의증가와개발에대한시급성이강조되고있는가운데다양한분야로의연구개발이진행되고있다. 특히건축및토목용소재, 전기전자제품용소재, 산업용벨트, 스포츠용품, 우주및항공기소재, 풍력발전, 자동차소재등의분야에서많은연구개발이진행되고있는가운데복합재료소재에대한관심이증대되고있다 1,2). 복합재료는금속보다가볍고강도가뛰어나며화학적인물성도지니고있어많은분야에서사용되고있다. 복합재료는기지재료 (Matrix material) 와강화재료 (Reinforcing material) 로구성되며대표적 Corresponding author: Jin-Seok Bae (jbae@knu.ac.kr) Tel.: Fax.: c2015 KSDF /2015-3/11-17 인기지재료는열경화성특성을가진에폭시수지가있다. 에폭시수지는경화시저수축성특성을가지며경화후기계적, 화학적, 열적우수한특성과전기절연성을나타내복합재료성형시많이사용된다. 또한강화재료로써아라미드섬유와탄소섬유는섬유자체적으로우수한강도를지니며, 에폭시수지와같이경화시키면비강도, 비탄성률이뛰어난복합재료제품을만들수있다 3,4). 본연구에서는산업전반에걸쳐사용빈도가높아지고있는복합재료의물성연구를실시하여최적의복합재료제작을하고자한다. 2액형 Bisphenol-A형에폭시수지를사용하여탄소섬유, 아라미드섬유강화복합재료를 RIM(Resin Injection Molding) 방식으로성형하여각각의물리 화학적물성테스트를실시하고자한다 5). 복합재료제작에앞서에폭시수지분석을통해물성을파악하였으며, 연구를통해정해진실험조건으로각각의복합재료를성형한후각샘플들의 11

2 12 서대경 하나라 이장훈 박현규 배진석 물리적, 화학적강도비교테스트를실시하고자한다 6-8). 2. 실험 2.1 실험재료 본실험의강화재료로사용된아라미드섬유는파라아라미드 Heracron(1500d) 원단 (Kolon Industries Inc., Korea) 을사용하였으며, 탄소섬유는 NCF(Non Crimp Fiber) 형의 12k 탄소섬유직물 (Toray Co., Ltd., Korea) 을사용하여잔사풀림현상을적게발생시켜물성구현을최대화하였다 9). 각각의섬유두께는아라미드섬유는 0.54mm, 탄소섬유는 0.36mm 이며, 몰드의크기에맞게 360mm x 85mm 크기로절단하였다. 매트릭스소재로는 2액형에폭시수지를사용하였으며, 수지로써 Bisphenol A형의에폭시수지 KFR-120(Kukdo Chemical Co., Ltd., Korea) 와경화제로써 KFH-163 제품을사용하였으며수지와경화제는 Table 1과같은성질을가진다. 하여진공상태에서몰드안으로주입하였다. 2.3 경화조건성형과정을통해몰드안에충분한양의강화섬유와에폭시수지가함침하게되면경화과정을통해복합재료가제작된다. 만약복합재료의경화를위해 100 oven에서열에의한경화가이루어지면에폭시수지의발열반응에의한밀도불균일, 발포등의문제로물성저하를일으킬수있다 10). 또한알루미늄소재의몰드에열을가하였다가냉각시키게되면열팽창및수축에의해서복합재료탈착에어려움을겪게된다. 따라서상온경화가가능한 2액형에폭시수지 KFR-120를사용하여상온에서하루동안경화를시켜준후, Figure 1과같은경화조건을통해 160 에서 12시간후경화를시켜주었다. 2.2 복합재료성형 복합재료제조에사용된성형기는 IL-BEOM 사에서제작된저압 RIM 성형장치 (VMP-2000) 이며몰드를사용하여탄소섬유, 아라미드섬유가각각 1 겹, 2겹, 3겹을적층한사이즈가로세로 360mm x 90mm, 두께 3T의복합재료를성형하였다. 또한 Table 2와같은양의에폭시수지와경화제를혼합 Figure 1. After-Curing process condition. Table 1. Properties data of KFR-120 and KFH-163 Epoxy/ Hardener (wt%) Density of mixture (g/ml) Viscosity of mixture (cps) Pot life(min) 25 65RH 100g scale Epoxy Hardener KFR-120 KFH : ~ ~ Table 2. Resin weight of tank A, B according to pump(rpm) Tank Pump(rpm) Weight(g) A(Epoxy) B(Hardener) 한국염색가공학회지제 27 권제 1 호

3 에폭시수지적용아라미드및탄소섬유복합재료의물성연구 에폭시수지특성평가복합재료성형전에폭시수지의열적특성및구조분석을위해 DSC(Differential scanning calorimetry) 시험과 FT-IR 구조분석을실시하였다. 유리전이온도 (Tg), 경화온도, 용융점 (Tm) 을측정하기위해 DSC 분석을실시하였으며, 0~500, 10 /min 속도로열을가해주고다시서서히냉각하여열용량의변화를측정하였다. 또한 Bisphenol-A형의에폭시수지가가진특정작용기의존재유무를파악하기위해 FT-IR 분석을실시하였다. 2.5 복합재료의물성평가본실험을통해성형한각각의섬유강화복합재료의기계적 / 화학적물성평가를실시하였다. 복합재료의물리적물성평가를위해인장시험을실시하였으며 KS M ISO-527-2에준하여 5mm/min 속도로시료를인장시켰으며시편은 90mm x 15mm 의 3T 두께로준비하였다 11,12). 또한복합재료의계면간의힘과함침성을관찰하기위해층간전단강도시험과 SEM(Scanning electron microscope) 촬영을실시하였다. 열적안정성 TEST 를위해 TGA(Thermo gravimetric analyzer) 분석을실시하였으며 5 /min의속도로승온시켜열에의한중량감소를평가하였다. 3. 결과및고찰 3.1 에폭시수지의 DSC 분석에폭시수지의열에의한형태거동을알아보기 위해 DSC 분석을실시하였다. Figure 2는경화된고체상태의에폭시의 DSC 분석값이며, 50 부근부터 60 까지흡열반응이일어나는것을볼수있으며이구간에서에폭시수지의고분자분자사슬의무정형영역일부분이열에의해회전하기시작하며이온도범위를유리전이온도라고한다. 유리전이온도이후에폭시수지는특별한열유속변화를관찰할수없다. 에폭시수지의경화온도와용융점을측정하기위해 100:29(wt%) 로혼합된에폭시수지와경화제를사용한 DSC 결과값으로 Figure 3과같이 123 부근에서 peak가가장높았다. 이것은액체상태의에폭시수지의경화에의한발열반응으로해석할수있으며, 325 에서흡열반응을보였다. 이를통해이부근에서경화된에폭시의상태변화가일어난것을관찰할수있다. 3.2 FT-IR 분석에폭시수지의 FT-IR 분석을함으로써, 본실험에사용된 KFR-120의분자구조분석을실시하였다. 기본적인에폭시의분자구조는 Figure 4와같으며 Figure 5는대표적인 Bisphenol A형의에폭시수지인 Diglycidyl ether of bisphenol A(DGEBA) 를나타낸것이다. 실험에사용된 KFR-120 에폭시수지역시 Bisphenol A형으로넓은 O-H 작용기 peak를 3675cm cm -1 에서발견할수있었다. 다음 2900cm -1 대의강한 peak는 SP 3 형태의 C-H(stretching 구조 ) 이며, 1607cm -1 과 1582cm -1 영역에서조금약한 peak 를통해벤젠고리에위치한 C-C 구조를발견할수있다. 그다음 1230cm -1 에서발견할수있는 peak는 Figure 2. The result of DSC test for cured epoxy resin. Figure 3. The result of DSC test for hardener mixed liquid epoxy resin. Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, 1

4 14 서대경 하나라 이장훈 박현규 배진석 Figure 4. Synthesis process of diglycidyl ether of bisphenol A(DGEBA). Figure 5. FT-IR analysis of epoxy structure. 평면구조인벤젠고리에서 C-H를나타내며, 908cm -1 에서중간세기의 peak가발견되는데이것은에폭시수지말단의 oxirane ring으로여겨지며에폭사이드 (cyclic ether) 의존재를확인할수있다. 마지막으로 827cm -1 에서나타난것은벤젠고리에있는 bending 형 sp 2 형태인 =C-H 구조로해석된다. 이를통해에폭시가가지는물리 / 화학적특성을잘나타낼것으로예상된다. 3.3 섬유단면관찰복합재료아라미드복합재료의자른단면부분의 SEM 분석결과 2겹, 3겹을적층시킨복합재료모두에폭시함침이전체적으로잘되어있는것을관찰할수있었다 (Figure 6). 하지만복합재료일부분은수지의함침이제대 로이루어지지않았으며미세한파단면조직을보여주고있다. 이것은아라미드복합재료성형중미세한섬유조직사이로에폭시수지의함침이제대로이루어지지않은채경화가되었거나경화를마친복합재료의 water-jet을통한절단과정중경화된에폭시일부가떨어져나간것으로생각되며이를통해물리적물성값이다소감소할것이라예상된다. 3.4 인장강도특성복합재료의인장강도를측정하기위해시편은 5mm/min 속도로인장시켜주었다. 실험결과모든부분에서 3겹을적층한아라미드, 탄소섬유복합재료가우수한물성을나타내었으며각각의 AFRP, CFRP 는 Table 3, Table 4와같은인장특성을나타내었다. 한국염색가공학회지제 27 권제 1 호

에폭시수지적용아라미드및탄소섬유복합재료의물성연구 15 2ply aramid/epoxy composite materials 3ply aramid/epoxy composite materials Figure 6.

5 층간전단시험본 TEST의실험조건은 3000N의로드셀을사용하여 1mm/min의속도로힘을가해주었다. 또한시료의크기는폭 6mm, 두께 3mm로절단하여 TEST 를진행하였다. 결과는 Table 5와같이나타났다.

결론 DGEBA형의 KFR-120 에폭시수지의물성연구와경화제 (KFH-163) 를이용한아라미드섬유복합재료를저압 RIM 성형기를이용하여제조하였다.

에폭시수지의 DSC 분석결과 50 부근에서 Tg, 123 에서에폭시수지와경화제가열에의한경화가일어났으며 325 부근에서상태변화가나타났다. 2.

5 에폭시수지적용아라미드및탄소섬유복합재료의물성연구 15 2ply aramid/epoxy composite materials 3ply aramid/epoxy composite materials Figure 6. SEM image of cross-section of aramid/epoxy composite materials(x500). 3.5 층간전단시험본 TEST의실험조건은 3000N의로드셀을사용하여 1mm/min의속도로힘을가해주었다. 또한시료의크기는폭 6mm, 두께 3mm로절단하여 TEST 를진행하였다. 결과는 Table 5와같이나타났다. 탄소섬유복합재료가아라미드복합재료보다층간전단강도값은인장특성과같이더높은물성을구현하는것을확인할수있었다. 4. 결론 DGEBA형의 KFR-120 에폭시수지의물성연구와경화제 (KFH-163) 를이용한아라미드섬유복합재료를저압 RIM 성형기를이용하여제조하였다. 성형한복합재료의물성평가를위해각샘플들의여러가지 TEST가진행되었으며, 사용되는강화섬유수에따른복합재료샘플의물성비교를실시하였다. 본실험을통해연구하여얻은결과는다음과같다. 1. 에폭시수지의 DSC 분석결과 50 부근에서 Tg, 123 에서에폭시수지와경화제가열에의한경화가일어났으며 325 부근에서상태변화가나타났다. 2. FT-IR 분석결과 DGEBA형의에폭시수지에서나타나는대표적인작용기를 KFR-120에서도발견할수있었다. 3. SEM촬영을통한복합재료단면부를관찰해보면전반적으로수지가섬유상에함침이잘이루어져있는것을볼수있다. 4. 인장강도, 층간전단강도 TEST 결과아라미드탄소섬유의적층수에따른물리적강도향상을확인할수있었다. 감사의글 본연구는산업통산자원부슈퍼소재융합제품산업화사업 ( , 슈퍼섬유소재불소수지코팅및열경화성수지를활용한복합재료제품화기반기술개발 ) 의연구비지원으로수행되었습니다. Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, 1

6 16 서대경 하나라 이장훈 박현규 배진석 Table 3. Tensile properties of AFRP(Araimd fiber reinforced plastics) 1ply 2ply 3ply [N] elongation [%] Young s modulus Tensile 1 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , Table 4. Tensile properties of CFRP(Carbon fiber reinforced plastics) 1ply 2ply 3ply [N] elongation [%] Young s modulus Tensile 1 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , Table 5. Interlaminar shear (ILSS) of AFRP and CFRP 1ply 2ply 3ply AFRP ILSS (N/mm 2 ) CFRP ILSS (N/mm 2 ) avg avg avg avg avg avg 한국염색가공학회지제 27 권제 1 호

7 에폭시수지적용아라미드및탄소섬유복합재료의물성연구 17 References 1. J. W. S. Hearle, High-Performance Fibers, Woodhead Publishing Ltd., New York, pp.23-58, W. Brostow, J. Kubat, and M. M. Kubat, In Physical Properties of Polymers Handbook, Wiley-Interscience, New York, pp , M. Lee, S. B. Bae, J. K. Park, and S. G. Lee, The Development of High Performance Nonocomposites with Carbon Nanotube, Textile Coloration and Finishing, 26(2), 71(2014). 4. C. A. Harper, Handbook of Plastics, Elastomer and Composites, 3d ed., McGraw-hill, New York, S. H. Lim, C. S. Ha, and W. J. Cho, Short Aramid Fiber Reinforced Epoxy Composites 2, Effect of Curing Acceleration of Epoxy Matrix and Mechanical Propeties of Aramid Fiber Reinforced Epoxy Composites, Polymer, 16(2), 216(1992). 6. M. C. Andrews, D. J. Bannister, and R. J. Young, Review the Interfacial Properties of Aramid/Epoxy Model Composites, J. of Materials Science, 31, 3893(1996). 7. G. C. Huang, C. H. Lee, and J. K. Lee, Thermal and Mechanical Properties of Short Fiber-Reinforced Epoxy Composites, Polymer, 33(6), 530(2009). 8. S. H. Lee and J. O. Lee, Matrix Resin Systems with Different Molar Ratios to Improve the Properties of Fiber-reinforced Composites, Polymer, 24(4), 459(2000). 9. J. W. Cho, S. J. Kwon, J. D. Choe, S. T. Kim, B. C. Ji, and J. H. Yeum, Preparation and Charaterization of Shock Energy Absorber Lanyard used Super Fibers, Textile Coloration and Finishing, 26(3), 173(2014). 10. J. Y. Han, M. H. Kim, and S. S. Kang, A Study on the Physical Property of Epoxy Resin Due to After-Curing Condition, J. of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 21(6), 976(2012). 11. Y. Du, Y. Xue, and H. L. Frisch, In Physial Properties of Polymers Handbook, edited by J. E. Mark, Wiley-Interscience, New York, pp , G. C. Huang, C. H. Lee, and J. K. Lee, Thermal and Mechanical Properties of Short Fiber-Reinforced Epoxy Composites, Polymer, 33(6), 530(2009). Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, 1

농학석사학위논문 폴리페닐렌설파이드복합재료의기계적및열적 특성에영향을미치는유리섬유 환원된 그래핀옥사이드복합보강재에관한연구 The combined effect of glass fiber/reduced graphene oxide reinforcement on the mecha

농학석사학위논문 폴리페닐렌설파이드복합재료의기계적및열적 특성에영향을미치는유리섬유 환원된 그래핀옥사이드복합보강재에관한연구 The combined effect of glass fiber/reduced graphene oxide reinforcement on the mecha 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우,