Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 5 pp. 80-85, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.5.80 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 박명규 1*, 박시우 2 1 영남이공대학교기계계열, 2 한국섬유기계연구원시스템기계연구부 A study on the properties of the carbon long-fiber-reinforced thermoplastic composite material using LFT-D method Myung-Kyu Park 1*, Si-Woo Park 2 1 Division of Mechanical Engineering Technology, Yeungnam University College 2 Mechanical System Research Division, Korea Textile Machinery Research Institute 요약탄소섬유강화복합재는기계적물성이우수하여다양한산업분야에서활용되고있으나섬유길이가짧은단섬유형태로함침되고있어강도와강성을증대시키는데한계가있다. 이를보완하기위한 LFT-D성형은탄소또는유리섬유를열가소성수지와혼합하여압출후프레스성형하여제품을만드는공법으로연속공정이가능하고사출성형에비해생산성이높아자동차구조용부품을제작하는데사용할수있다. 본연구에서는 LFT-D공법으로성형된탄소장섬유강화열가소성복합소재의기계적특성을파악하기위하여탄소장섬유의함침과압출공정을수행할수있는 Lab scale 의소형압출기시스템을제작하였다. Lab scale 의소형압출기를사용하여제작된탄소장섬유복합소재를프레스성형하여시편을제작하고재료의기계적특성을평가한결과, 탄소섬유길이, 프레스가압압력및탄소섬유함유량이복합소재의강도및강성의증가에영향을미침을알수있었다. 향후탄소장섬유복합소재의기계적성질향상을위해서혼합스크류설계, 탄소섬유코팅등에대한추가적인연구가필요하다. Abstract Carbon fiber-reinforced composite materials have been widely used in various industrial fields, but there are limits to increasing their strength and stiffness, because of the short-length fibers that are impregnated in them. In this study, a lab-scale small extruder system was developed with the capability to perform the carbon fiber impregnation and extrusion process in order to evaluate the properties of long-length carbon fiber reinforced thermoplastic composite materials molded by the LFT-D method. Specimens were made with the small extruder to press-mold long-length carbon fiber composite materials and evaluate their material properties. As a result, it was found that the carbon fiber length, press load and carbon fiber contents have a considerable influence on the strength and stiffness. Additional studies on such factors as the mixing screw design and coating of the carbon fiber are needed in order to improve the mechanical properties of carbon fiber composite materials. Keywords : Carbon long-length fiber, CFRP, Extruder, Impregnation, LFT-D 1. 서론 최근경량화소재로각광받고있는 CFRP(Car-bon Fiber Reinforced Plastic) 복합재료는항공기, 자동차등다양한분야에활용이가능하고그기계적인물성이우수하여독일, 일본, 미국등선진국등에서는이분야에 이논문은 2015학년도영남이공대학교연구조성비지원에의한것임 * Corresponding Author : Myung-Kyu Park(Yeungnam University College) Tel: +82-53-650-9211 email: mkp@ync.ac.kr Received February 29, 2016 Accepted May 12, 2016 Revised (1st April 5, 2016, 2nd April 20, 2016) Published May 31, 2016 80
서의시장선점을위해서 CFRP 복합재료의제조시스템및응용제품에대한다양한연구를진행하고있다 [1-4]. CFRP 복합재료의기지재로는열경화성수지와열가소성수지를이용하는데열경화성수지는경화반응등에의한성형사이클시간의증가나내충격성, 재활용이불가능한점등의문제가있어최근에는열가소성수지를이용한기술개발이진행되고있다. 특히열가소성수지는경화반응이필요없어성형사이클시간단축이가능하고생산성이높은이점이있으나본래의내열성부족및성형시의고점도에의한함침성이나쁜점등에따라실용화가늦어지고있는실정이다 [5]. 현재상용화되어있는단섬유강화복합재료는제조공정중 0.2 0.5mm정도의단섬유길이를갖는일반적인기술로서강도와강성특성을증대시키지못하고있는실정으로섬유의길이를길게하고섬유의함유량을높이거나, 연속섬유를이용한열가소성복합재성형기술개발이필요하다 [6,7]. 장섬유 (3mm 25mm) 와열가소성수지를이용한 LFT(Long Fiber Thermoplastic) 는수지와섬유가함침된필렛 (Pellets) 을제조한후에압출및프레스성형을하는 LFT-G(Long Fiber Thermoplastic- Granules) 공법과탄소섬유를원하는길이로바로 chopping하면서수지와함침하여컴파운딩하는 LFT-D (Long Fiber Thermoplastic-Direct) 공법이있다. 동일한양의섬유가함유된 LFT-G시스템과 LFT-D시스템에서제작된복합재의기계적물성을비교 분석하면후자가전자보다훨씬높은물성을보여주고있는데, 이것은 LFT-D 시스템에서제작된복합재는재냉각되지않으며, 이미용융된상태에서성형기에투입되어제품성형을위해재용융을위한압축이불필요하고, 고형필렛에서나타나는섬유조직의파단현상이없기때문인것으로판단된다. 따라서성형사이클이짧으면서구조용부품생산에적합한 LFT-D 공법은장섬유와열가소성수지를직접함침하여복합재료를압출한후압축할수있는연속생산시스템으로생산원가절감과함께 LFT-G에비해강도를향상시킬수있는공법으로알려져있다. 장섬유강화플라스틱복합재에대한연구는대부분유리섬유와사출성형에의한내용이며탄소섬유를활용한 LFT-D에대한연구는거의보고되지않고있다 [7-10]. 탄소장섬유를함침하기용이한 LFT-D공법을이용하여제작된 CFRP가구조용부품으로의적용성을파악하기위하여강도물성치분석을수행할필요가있다. 따라서본연구 에서는탄소장섬유와열가소성수지의함침과압출공정을수행할수있는 Lab scale의소형압출성형기시스템을구성하였으며, 소형압출기를사용하여탄소장섬유를열가소성수지에함침시키고압출된탄소장섬유복합소재를평판성형하여시편을제작하고소재의강도물성을분석하였다. 이를통해 LFT-D공법을적용한탄소장섬유강화열가소성복합재를소재특성에미치는부품으로의적용가능성을확인하였다. 2. 함침과압출시스템 2.1 시스템구성탄소섬유를열가소성수지와연속적으로함침및혼련하는 LFT-D공정을구현하기위하여탄소섬유와열가소성수지의함침과압출을수행하는시스템은먼저투입된열가소성수지를 1차용융시킨후, 일정한길이로공급되는탄소섬유와 2차믹싱시켜서압출하여제품의프레스성형공정에투입될복합재료를만드는압출성형시스템으로구성하였다. LFT-D시스템의개략도는 Fig. 1 과같으며 Fig. 2는 Lab scale로제작된수지와탄소섬유를혼합및압출하는소형압출성형기사진을나타내고있다. Fig. 1. Schematic drawing of LFT-D system Fig. 2. Photo of small extruding machine 81
한국산학기술학회논문지제 17 권제 5 호, 2016 본연구에서사용된압출기의배럴부는전체길이가 2,000mm이며 Head zone이 360mm, Metering zone을 800mm, Compression zone을 240mm로설계제작하였다. 압축기내부의온도조절을위하여 Fig. 3과같이 7개구간으로나누어히터를설치하고수지가비등하지않도록온도를조절할수있도록하였다. 열가소성수지와탄소섬유의공급은압출성형기상부의호퍼를통해수동공급되고압출기성형기배럴내부스크류의회전에의해혼합및이송되어압출되도록하였다. 성을높이기위하여배럴내복합재체류시간을증가시킬수있도록톱니바퀴형식의스크류형태를적용하였다. 스크류의직경 40mm, Head zone의직경 26mm, Compression zone의직경 36mm이며 Metering zone의직경 40mm로써 L/D=40으로설계및제작하였다. Fig. 4. Drawing of single screw 3. CFRP 성형방법및시편제작 Fig. 3. Photo of heating zones 본연구에서사용된압출기의배럴부는전체길이가 2,000mm이며 Head zone이 360mm, Metering zone을 800mm, Compression zone을 240mm로설계제작하였다. 압축기내부의온도조절을위하여 Fig. 3과같이 7개구간으로나누어히터를설치하고수지가비등하지않도록온도를조절할수있도록하였다. 열가소성수지와탄소섬유의공급은압출성형기상부의호퍼를통해수동공급되고압출기성형기배럴내부스크류의회전에의해혼합및이송되어압출되도록하였다. 2.2 스크류설계및제작수지와탄소섬유의혼합을위한스크류는싱글타입의스크류로설계제작하였으며, 스크류의최종단에는탄소섬유와수지의믹싱을최적화하기위한 Mixing zone 영역의스크류를설계제작하였으며, Fig. 4는성형압출기에사용된스크류의형상을나타내고있다. 압출기출구로부터 600mm지점인 Metering zone 구간에탄소섬유투입을위한 Hopper를설치하여수지 (Matrix) 와혼합이원활히이루어지도록하였다. 스크류의피치는일정간격피치스크류를사용하였으며, Metering zone의출구영역에탄소섬유와수지의혼합 3.1 CFRP 성형방법탄소장섬유를이용한 CFRP 시편성형은 LFT-D 공법을구현하기위하여제작된압출성형기의수지와탄소섬유의혼합, 고온복합재제조, 프레스성형순서로이루어진다. 먼저수지와탄소섬유의혼합은압출기의 7개히팅구간으로이루어진히팅온도조절기로 1시간정도예열을하여압출기전체온도가설정한온도구간에도달할수있도록한다. 수지의용융온도는 190 215 로설정하였으며, 압출기상단에설치된호퍼를통하여절단된탄소섬유를공급하여수지와혼합되도록하였다. 압출성형기에서토출된 CFRP소재를평판으로성형하기위하여금형을이용하여최대하중 50ton의유압식 Hot 프레스를사용하여 3분간가압하여평판소재로제작하였다. 3.2 시편제작탄소장섬유강화열가소성복합재를성형하기위해사용한기지재료는열가소성수지인 TPU(Thermoplastic Polyurethane) 수지를사용하였으며물성치는 Table 1에나타내었다. TPU수지는마모및탄성과접착성이높은특성등의여러가지우수한물성으로 Film, Sheet, 기계부품및자동차외장부품등의다양한용도로활용되고있다. 또, 보강섬유인탄소섬유는 CFRP제작에널리사용되는 24K 등급의탄소섬유를사용하였으며 Table 2에물성치를나타내었다. 82
Table 1. Properties of TPU Properties Value Specific gravity 1.3 g/cc Tensile strength 56 MPa 100% Modulus 0.38 GPa Elongation 160 % Tear strength 29 MPa Melt flow Index 12-18 g/10min 수를나타내고있다. 탄소섬유길이가증가함에따라강도물성치가증가하고있음을알수있다. 일반적으로복합소재의섬유보강재의길이가증가할수록강도값이증가하는현상과일치하고있음을알수있다. Table 2. Properties of carbon fiber(24k, 1.65 g/m) Properties Value Diameter 7 μm Tensile strength 4300 MPa Tensile modulus 240 GPa Ultimate strain 2.1 % Density 1.8 g/ cm3 Sizing material amount 1 wt% Fig. 6. A tensile strength variation with the length of carbon fiber CFRP소재의특성을평가하기위하여인장시험시편은평판성형후복합재료인장시험규격 ASTM 3039에따라시험편의길이 250mm, 두께 2.5mm로제작하였으며 Fig. 5는시편의형상을나타내고있다. 탄소장섬유를사용한 CFRP의특성을분석하기위하여탄소섬유길이, 프레스압력, 탄소섬유함량에따라제작된시편으로 INSTRON사의만능시험기를사용하여인장실험을실시하였다. Fig. 7. A elastic modulus variation with the length of carbon fiber Fig. 5. CFRP specimens 4. 실험결과 LFT-D공법을이용한탄소장섬유강화복합소재를 Lab scale로제작한소형압출기를통해성형된 CFRP를인장시험한결과는다음과같다. Fig. 6은탄소섬유길이에따른인장강도, Fig. 7은탄소섬유길이에따른탄성계 Fig. 8은압출성형기에서토출된복합소재컴파운드를 Hot 프레스로가하는압력에따른인장강도, Fig. 9는압력에따른탄성계수를나타내고있다. 복합소재컴파운드를가압하는하중이증가할수록강도물성치가증가하고있음을알수있다. 가압력이증가할수록탄소섬유와수지와의접착성이증대하여강도특성이향상되는것으로판단된다. 인장강도및탄성계수의결과값이또한, 인장시험후시험편을소각하고탄소섬유함량을측정하여 Fig. 10은탄소섬유함유량에따른인장강도, Fig. 11은탄소함유량에따른탄성계수를나타내고있다. CFRP소재내탄소함유량이증가할수록강도특성이향상되고있음을알 83
한국산학기술학회논문지제 17 권제 5 호, 2016 수있다. 이는탄소섬유함유량이증가함에따라탄소섬유사이상호작용으로인하여강도특성이향상되는것으로판단된다. Fig. 11. A elastic modulus variation with the carbon fiber contents Fig. 8. A tensile strength variation with the press load 5. 결론 최근자동차경량화를위한신소재개발이중요한이슈로대두되고있는가운데탄소섬유를이용한복합소재를구조용부품으로사용하기위해많은노력을하고있다. 본연구에서는 CFRP제조공법중하나로제품의생산성과강도를향상시킬수있는 LFT-D 공법으로탄소섬유강화복합재료를 Lab scale의성형압출기에서제작하여탄소섬유길이, 가압압력및탄소섬유함유량의변화에따른재료특성을분석한결과다음과같은결론을얻을수있었다. Fig. 9. A elastic modulus variation with the press load 1) 탄소섬유길이의증가에따라탄소복합소재의강도및탄성계수값이증가하였다. 단섬유보다장섬유를사용하여복합소재를제작하는것이강도측면에서유리함을알수있다. 2) 압출성형성형후프레스가압압력의증가에따라강도및탄성계수값이증가하였다. 압력이증가함에따라탄소섬유와수지의혼합접착력이좋아져복합소재의강도가증가한것으로판단된다. 3) 복합소재내의탄소섬유함유량을분석하면탄소함유량이증가할수록강도및탄성계수값이증가하였다. Fig. 10. A tensile strength variation with the carbon fiber contents 향후 LFT-D공법을이용한탄소장섬유강화열가소성복합재를생산하기위한양산시스템구축을위해서탄소섬유와수지의혼합성향상을위한스크류개선, 탄소섬유와수지의접착성증대방안, 탄소섬유코팅, 최적탄소 84
섬유길이, 탄소섬유함량등에관한연구가수행되어야할것으로판단된다. References [1] V. Labatut, J. Mayers, T. Greene, Discontinuous LFT composites for Structural aerospace applications, JET Composites Magazine, No. 96 pp. 38-40, 2015 [2] Michael, S., LFT - development status and perspectives, Reinforced Plastics, Vol.52, pp. 32-39, 2008 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s0034-3617(08)70036-5 [3] C. K. Park, C. D. Kan, Investigation of opportunities for lightweight vehicles using advanced plastics and composites, NHTSA Report no. DOTHS 811 692, pp. 14-15, 2012 [4] J. Markarian, Long fibre reinforced thermoplastics continue growth in automotive, Plastics, Additives and Compounding, Vol. 9, pp. 20-22, 2007 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s1464-391x(07)70025-9 [5] N. Ogata, H. Yasumoto, Hu Yu, T. Oglihara, T. Yanagawa, K. Yoshida, Evaluation of interfacial properties between carbon fibres and semicrystalline thermoplastic matrices in single-fibre composites, J. Mat. Sci., Vol. 27, pp. 5108-5112, 1992 DOI: http://dx.doi.org/10.1007/bf01105281 [6] Visconti, I. Crivelli, Design of continuous fiber composite structures, The Role of the polymeric matrix in the processing and structural properties of composites materials, pp. 545-586, Plenum Press, New York, 1983 DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4615-9293-8_32 [7] H. Bijsterbosch, R. J. Graymans, Polymer 6-long glass fiber injection moldings, Polymer Composites, Vol 16, No.5, pp. 363-369, 1995 DOI: http://dx.doi.org/10.1002/pc.750160504 [8] Dong Woo Lee, Mechanical and electrical properties of long carbon fiber reinforced thermoplastic composites, pp. 30-31, Ph. D. Thesis of ChungNam National University, 2013 [9] S. U. Yoon, J. K. Park, S. H. Jo, E. G. Kim, Measurement of the fiber orientation distribution for thickness direction of injection molded long fiber reinforced polymer composites Proceeding of The Korean Society For Technology of Plasticity Spring Conference, pp. 199-204, 1998 [10] Kyu Se Lee, A study on formability and property improvement of long fiber reinforced thermoplastics (LFT) using in-line compounding system, pp. 6, Ph. D. Thesis of University of Ulsan, 2015 박명규 (Myung-Kyu Park) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 : 경북대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2005 년 2 월 : 경북대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1992 년 12 월 ~ 1996 년 12 월 : 한국원자력연구원연구원 2004 년 5 월 ~ 2007 년 3 월 : 대구전략산업기획단선임연구원 2007 년 4 월 ~ 현재 : 영남이공대학교기계계열교수 < 관심분야 > 산업기계, 탄소섬유복합재 박시우 (Si-Woo Park) [ 정회원 ] < 관심분야 > 섬유기계, 산업기계 1996 년 2 월 : 영남대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 8 월 : 영남대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 2004 년 3 월 ~ 2004 년 12 월 : 경일대학교기계공학과연구교수 2005 년 1 월 ~ 현재 : 한국섬유기계연구원부장 ( 책임연구원 ) 85