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ISSN(Print) 1229-0033 ISSN(Online) 2234-036X http://dx.doi.org/10.5764/tcf.2015.27.3.165 Textile Coloration and Finishing Vol.27,No.3 연구논문( 학술) 랜덤상태의 E-유리단섬유강화불포화폴리에스터기반수지복합재료의물성 -E-유리단섬유의길이와함량및적층수의영향- 1 1 박진명 박영광 이영희 서대경 이장훈 김한도 부산대학교유기소재시스템공학과, 1 DYETEC연구원 Properties of Randomly Oriented Chopped E-glass Reinforced Unsaturated Polyester Based Resin Composite -Effect of Length/Content of E-Glass Fiber and Number of Stacking- Jin-Myung Park, Young-Gwang Park, Young-Hee Lee, Dae-Kyung Seo 1,Jang-HunLee 1 and Han-Do Kim Department of Organic Material Science and Engineering, Pusan National University, Busan, Korea 1 Korea Dyeing and Finishing Technology Institute, Daegu, Korea (Received: July 27, 2015 / Revised: September 10, 2015 / Accepted: September 22, 2015) Abstract: To develop automobile parts, the unsaturated polyester based matrix resin(pr)/reinforcement(randomly oriented chopped E-glass fiber, GF) composites were prepared using sheet molding compound(smc) compression molding. The effects of GF length(0.5, 1.0 1.5 and 2.0inch)/content (15, 20, 25, 30wt%) and number of ply(3, 4 and 5) on the specific gravity and mechanical properties of PR/GF composites were investigated in this study. The optimum length of GF was found to be about 1.0inch for achieving improved mechanical properties(tensile strength and initial modulus). The tensile strength and initial modulus of composites increased with increasing GF content up to 30wt%, which is favorable content range for SMC. The specific gravity, tensile strength/initial modulus, compressive strength/modulus, flexural strength/modulus and shear strength increased with increasing the number of ply up to 5, which is the maximum number of ply range for SMC. The effectiveness of ply number increased in the flexural strength > shear strength > compressive strength > tensile strength. Keywords: unsaturated polyester based resin composite, randomly oriented chopped E-glass fiber, sheet molding compound(smc) compression molding, automobile parts, fiber reinforced plastic 1. 서 론 복합재료는크게분산상인강화재(reinforcement) 와 매트릭스상( 연속상 ) 인기지재 (matrix) 로구성되어있 다. 기지재에따라고분자, 금속및세라믹(polymer, metal, ceramic) 복합재료로분류되며, 강화재의형 Corresponding author: Han-Do Kim (kimhd@pusan.ac.kr) c 2015 The Korean Society of Dyers and Finishers. All rights reserved. TCF 27-3/2015-9/165-174 태에따라서층, 입자및섬유(layers, particles, fibers) 강화복합재료로분류된다. 고분자복합재료 중에서대표적인섬유강화플라스틱 (fiber reinforced plastic, FRP) 복합재료(composite) 는유리섬유, 탄 소섬유및아라미드섬유등과같은섬유강화재와불포화폴리에스터및에폭시수지와같은열경화성수지를기지재로구성되어있다. FRP복합재료의경우기지재인수지는아교처럼섬유들을함께잡고있어보강섬유들사이에 stress 를전달하고, 기계적및환경적인손상으로부터섬유를보호하는것이주된기능이며강화재인섬유 165

166 박진명 박영광 이영희 서대경 이장훈 김한도 의중요한기능은축방향으로강도와강인성을부여하기위하여섬유의길이를따라하중을운반해주는역할을한다. 고분자복합재료는가벼우며, 높은비강도및강성도, 내부식성, 내충격성, 우수한피로특성, 부품일체화의용이성등의우수한장점을가지고있다. 최근산업기술의고도화및정밀화에따라새로운성능과기능을지닌다양한복합재료에대한연구와개발이이루어지고있다 1-3). 복합재료의성형방법은주로그기지재의종류와생산제품의형상에따라서전혀다른공정들이채택된다. 복합재료의성형방법에는 (1) 가장기본적으로널리사용되는오픈몰드 (open mold) 성형법: 핸드레이업(hand lay-up)/ 스프레이업 (spray-up) 성형법,(2) 고속대량생산에사용되는콤프레션몰딩(compression molding) 성형법: 시트몰딩컴파운드 (sheet molding compound, SMC)/BMC(bulk molding compound) 성형법, (3) 빠른경화반응으로생산성이높은성형방법인 RTM(resin transfer molding)/rim(reaction injection molding)/rrim (reinforced reaction injection molding), (4) 긴 tu -be, rod 및 channel 등의제품을제조하는데활용되는펄트루전(pultrusion) 성형법, (5) 필라멘트와인딩(filament winding) 성형법, (6) 오토클레이브 4-7) (autoclave) 성형법등이있다. SMC는불포화폴리에스터와스티렌모노머, 저수축제, 충진제, 증점제, 라디칼개시제, 촉매, 이형제등이배합된페이스트(paste) 에약 25.4mm(1inch) 정도의유리섬유를강화재로혼합시킨, 점도가높고점착성이없으며반고체상의얇은시트형태로제작되는것으로상/ 하금형사이에넣어압력과열을가하여성형하는데사용되는재료이며, 일반적으로이재료를사용하여압축성형(compression molding) 하는성형법을지칭하기도한다 8,9). 특히 SMC 성형법은기계적강도가뛰어나고생산성이우수하며성형시간이비교적짧고대량생산이가능하기때문에고강도가요구되는복합재료제품에서가장많이이용되고있으며, 이에대한활발한연구개발이진행되고있다 10-12). 불포화폴리에스터수지는가장널리이용되는열경화성수지중하나로 13,14), 취급하기가쉽고낮은점도와뛰어난기계적및전기적성질, 내수성, 내산성등의특성을지니고있으며, 또한경화온도와시간을첨가제의종류와양에따라적절하게조절할수있어서 SMC 성형뿐만아니라다양한복합재료성형공정에용이하게이용할수있는장점을지니고있다. 유리섬유(glass fiber, GF) 에는일반용도에가장많이사용되는알칼리금속함유량이 1% 이하인 E- 유리섬유, 가격이저렴하여방음재료나단열재료에많이사용되는 A- 유리섬유, 그리고높은기계적강도가요구되는항공기나로켓의모터케이스의강화재료에사용되는 S-유리섬유등이있다. 특히 SMC 산업에서불포화폴리에스터를기지재로사용하고랜덤하게배열된 E-유리섬유 (25-35%) 를강화재로사용하여치수안정성과기계적강도가우수한시트재료가제조되었다 15). 최근자동차는수요자들의요구가다양해짐에따라부대장비가늘어남으로인하여자동차중량이증가하게된다. 그런데이러한중량증가는에너지소비를증가시켜환경문제를야기시키므로부품의경량화는자동차산업에서필수적인것이다. 자동차차체의경량화를위해주로알루미늄합금과같은비철금속류가사용되거나, 요구되는성능및기능을지닌고분자복합재료가이용되고있다. 고분자복합재료는가볍고, 내부식성이우수하고, 진동및충격방지에아주효과적이므로차체외판, 외장부품, 판용수철(leaf spring) 부품및엔진부품등에적용되기시작하여최근그이용이크게증가되고있는추세이다. 핸들, 각종커버류, 탱크, 계기판, 페이샤(fascia) 등내외장재에사용되는일반플라스틱재료와는달리고분자복합재료는후드(hood), 도어, 트렁크, 리드(lid), 루프(roof) 등의차체외판에주로이용된다. 또한범퍼, 엽상스프링및도어의임팩트빔같은재료에비강도및충격에너지특성이우수한유리섬유강화고분자복합재료를활용하는데상당한성과를달성하고있다 16-18). 자동차용고분자복합재료중에서랜덤상태의 E- 유리단섬유강화고분자복합재료 (randomly oriented chopped E-glass reinforced polymer matrix composites) 는가격이저렴한장점때문에큰하중의지지가요구되지않는자동차의일반부품에널리사용되고있다. 섬유강화복합재료에서기계적강도는섬유함량의영향을가장많이받는다고보고되어있다. Al-Maamori 등은유리섬유함량(5, 10, 15, 20, 25wt%) 을증가시키는경우밀도, 전단탄성률이증가한다고보고하였다 19).Lee 등은섬유함량(10,15, 20, 25, 30vol%) 을증가시키는경우섬유함량이증가함에따라인장탄성률과굴곡탄성률은증가하나인장강도는섬유함량 20vol%, 굴곡강도는 15vol% 에서최대값을나타내었다고보고하고있다 20). 한국염색가공학회지제 27권제 3호

랜덤상태의 E-유리단섬유강화불포화폴리에스터기반수지복합재료의물성 167 Table 1. Materials for preparation of sheet molding compound Materials Content(wt%) Product Manufacturer Resin(Unsaturated Polyester) 17.69 VUP-1510 CCP composite korea Filler(CaCO 3) 64.34 OMYA carb5 Omya korea Low shrinking agent(polystyrene) 14.48 PS Sewon chemical co. ltd. Releasing agent(zinc stearate) 1.61 DZ-974 Boyoung chemical Diluent(Styrene monomer) 0.97 Styrene Sewon chemical co. ltd. Hardener(TBPB) 0.48 TBPB Chinasun specialty products co. ltd. Wetting and Dispersion agent 0.32 BYK9010 BYK(Deuch) Polymerization inhibitor 0.11 PBQ(ST-S) Sewon chemical co. ltd. Glass fiber 15 30 R66A Owens corning Korea * TBPB: tertiary butyl peroxybenzoate 섬유길이가기계적성질에미치는영향에대한 Boylan 등의연구에의하면섬유길이(0.5, 1.0. 2.0inch) 가증가함에따라인장강도와탄성률은증가하나, 파단신도에는영향이미미하였다고보고하였다 21).Lee 등은섬유길이(5,10,15,20,25mm) 가증가할수록인장탄성률, 굴곡탄성률및굴곡강도는아주조금증가하나인장강도는 15 20mm 가가장높은값을나타내었다고보고하는등다양한연구결과가있다 22). 그런데강화섬유의길이와함량및적층수(number of ply) 가기계적성질에미치는영향에대하여체계적으로연구한경우는찾아보기가쉽지않다. 따라서본연구에서는자동차용부품소재로사용하기위한기초연구로서불포화폴리에스터를기지재로사용하고랜덤하게배열된 E-유리단섬유를강화재로사용하여 SMC 공정으로유리섬유강화고분자복합재료를제조할때 E-유리섬유의길이와함량및적층수가섬유강화복합재료의기계적특성에미치는영향을연구하였다. 2.1 실험재료 2. 실 험 섬유강화복합재료를만들기위해기지재로불포화폴리에스터수지 (NORSODYNEVUP-1510,CCP COMPOSITES KOREA, specific gravity 1.13, acid value 17-30mgKOH/g, viscosity 1500-2000 mpa, solid content 65-69%) 를, 강화재로 E-유리 섬유 (R66A,OwensCorningKorea,4800TEX,solid 1.20%, moisture Max 0.15%) 를사용하였다. Table 1에섬유강화복합재료를만들기위해사용된불포화폴리에스터기반수지의조성및제품정보를나타내었다. 2.2 복합재료의제조및경화 본실험에서사용한섬유강화복합재료는 SMC 공 정으로제작하였다. 사용한 SMC 장비는독일 Schmidt & Heinzmann 사의제품(SMC production line) 으 로가공폭 600-800mm, 포속 1.5-15m/min 의조 건에서성형하였으며, Figure 1에 SMC 장비의모 식도를나타내었다. 불포화폴리에스터기반수지(PR)/E- 유리단섬유 (GF) 복합재료제조는먼저불포화폴리에스터와스 티렌모노머, 저수축제, 충진제, 라디칼개시제, 촉 매, 이형제및증점제등을배합하여상온에서 10000 ~25000cPs(spindle No.5, 20rpm) 정도의점도에서 폴리에스터기반수지를만들고 doctor box에기지 재를위치시키고, 컨베이어벨트를이용하여 carrier film 상부에기지재를바른다. E-유리섬유를일정 한길이(0.5, 1.0, 1.5, 2.0inch) 로 chopping하여 수지 위에 랜덤하게 뿌린 후 상층부에 위치한 carrier film으로하층부와합포하고 impregnation zone 에서적당량의두께로압착시켰다. 제조된 sheet는 1주일동안저장한후 Hot press 를이용하여원하는규격으로경화시켰다.SMC는상 하의금형사이에넣어압력과열로성형하는데, Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, No. 3

168 박진명 박영광 이영희 서대경 이장훈 김한도... (2) Where, R: Rate of crosshead motion(mm/min) L: Support span(mm) d: Depth of beam(mm) Z: Rate of straining of outer fiber(mm/mm/ min), Z shall be equal to 0.01 Figure 1. Schematic of a typical SMC apparatus. 3. 결과및고찰 본연구에서는 120 의온도, 10MPa 의압력, 5분 의경화시간의조건에서성형하였다.E-유리단섬 유길이와함량에따른복합재료의두께는 1.5T (15mm), 적층수에따른복합재료의두께는 (4mm) 로제작하여사용하였다. 2.3 복합재료의물성평가 4T 복합재료의구조형상(morphology) 는주사형전자 현미경(SEM, S-3500N, HITACHI 사, JAPAN) 으로 분석하였다. 복합재료의비중(specific gravity) 은 ASTM D 792-13 에준하여다음식(1) 으로구하였다.... (1) Where, W1: Mass of specimen in air W2: Mass of specimen and sinker(if used) in water 복합재료의기계적물성평가를위해인장, 압축, 전단및굴곡시험은각각 ASTM D 3039/D 3039M, ASTM D 3410, ASTM D 2344, 및 ASTM D 790에준하여 universal testing machine (UTM, INSTRON 5969, KOREA) 를사용하여측정하였다. 인장시험과압축시험은시료의신율이낮아정확한측정을위하여시료측면에스트레인게이지 (strain gauge) 를부착하여진행하였으며, crosshea d speed는각각 2mm/min, 1.5mm/min 으로하여측정하였다. 전단시험은지지간격 14mm 로고정하고 crosshead speed 는 1mm/min 으로하였으며, 굴곡시험은지지간격 50mm로고정하였고 crosshead speed는다음식(2) 에의해구해진값을사용하였다. 모든측정값은 5 번측정하여평균값을사용하였다. 3.1 E-유리 단섬유 길이에 따른 복합재료의 특성 Table 2에불포화폴리에스터기반수지와강화재로 E-유리단섬유를사용하여 SMC 공정으로만든유리섬유강화복합재료의시료명과조성비를나타내었다. E-유리단섬유함량을 20wt% 로고정하고길이 (0.5,1.0,1.5,2.0inch) 를달리하여복합재료를제조한후자른단면부분의 SEM 분석결과를 Figure 2 에나타내었다. 일정한 E- 유리단섬유함량(20wt%) 에서연속상수지에 E-유리단섬유의분산은길이가 1.0inch까지는높은비표면적으로인하여잘분산되어있으므로강화재인 E-유리단섬유와불포화폴리에스터연속상수지의상용성또한증가될것으로예상된다. 그러나 E-유리단섬유길이가 1.5 및 2.0inch로보다증가한경우에는섬유의분산상태가균일하지않고뭉치어있는부분들이나타남을알수있었다. 따라서골고루잘분산되어있는 E-유리섬유길이 1.0inch를고정하고섬유의함량및적층수가복합재료시트의물성에미치는영향을조사하였다. E-유리단섬유함량을 20wt% 로고정하고길이 (0.5,1.0,1.5,2.0inch) 를달리하여복합재료를제조하여 E-유리단섬유의길이에따른복합재료의비중변화를 Table 2 에나타내었다. E-유리단섬유를함유하지않은불포화폴리에스터기반수지시료의비중은 1.67 이었으며, E-유리단섬유의길이가 0.5, 1.0, 1.5, 2.0inch인복합재료의비중은각각 1.84, 1.84, 1.83 및 1.82 를나타내었다. 강화재로E-유리단섬유를첨가하는경우섬유길이에관계없이비중이높게나타나는것은 E-유리단섬유의비중(2.50) 이높기때문이다. 한국염색가공학회지제 27권제 3호

랜덤상태의 E-유리단섬유강화불포화폴리에스터기반수지복합재료의물성 169 (a) PR/GF-0.5-20-1 (b) PR/GF-1.0-20-1 (c) PR/GF-1.5-20-1 (d) PR/GF-2.0-20-1 Figure 2. SEM micrographs of fracture surfaces of PR/GF composite sheet samples with various E-glass fiber length(x1000). Table 2. Sample designation, composition and specific gravity of unsaturated polyester based resin(pr)/glass fiber(gf) composite sheets Sample designation PR/GF-0.5-20-1 Matrix content(wt%) Length(inch) Composition E-Glass fiber Content(wt%) Number of plies Specific gravity PR 100 - - - 1.67 0.5 PR/GF-1.0-20-1 1.0 1.84 80 20 1 PR/GF-1.5-20-1 1.5 1.83 PR/GF-2.0-20-1 2.0 1.82 PR/GF-1.0-15-1 85 PR/GF-1.0-20-1 80 20 1.84 1.0 1 PR/GF-1.0-25-1 75 25 1.88 PR/GF-1.0-30-1 70 30 1.92 PR/GF-1.0-30-3 3 2.01 PR/GF-1.0-30-4 70 1.0 30 4 2.07 PR/GF-1.0-30-5 5 2.12 15 1.84 1.80 Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, No. 3

170 박진명 박영광 이영희 서대경 이장훈 김한도 Table 3. Tensile properties of PR/GF composite sheets Sample designation Tensile properties Tensile strength(mpa) Young s modulus(gpa) Elongation at break(%) PR 7.2 3.1 0.66 PR/GF-0.5-20-1 8.9 3.9 0.57 PR/GF-1.0-20-1 22.7 6.4 0.49 PR/GF-1.5-20-1 20.2 4.7 0.52 PR/GF-2.0-20-1 13.9 4.5 0.49 PR/GF-1.0-15-1 15.7 5.5 0.55 PR/GF-1.0-20-1 22.7 6.4 0.49 PR/GF-1.0-25-1 26.3 7.6 0.45 PR/GF-1.0-30-1 33.4 9.4 0.37 PR/GF-1.0-30-3 39.1 10.7 0.34 PR/GF-1.0-30-4 43.3 11.9 0.32 PR/GF-1.0-30-5 45.7 13.5 0.30 또한연속상수지에대한섬유의분산상태도비중에영향을미칠것으로예측된다.E-유리단섬유의함량이 20wt% 로고정된경우섬유의길이가 0.5 및 1.0inch의경우에는비중이거의동일하게증가하지만, 섬유의길이가 1.5, 2.0inch로증가하는경우에는 0.5 및 1.0inch의경우보다비중이약간감소하는경향을나타내었다. 섬유길이가 0.5 및 1.0inch인경우에보다높은비중을나타낸것은기지재와강화재가균일하게잘섞여있기때문으로생각된다. Figure 3은 E-유리단섬유를함유하지않은불포화폴리에스터기반수지시트시료와E-유리단섬유의함량을 20wt% 로고정하고길이(0.5, 1.0, 1.5, 2.0inch) 를다르게하여제조한복합재료의응력- 변형률(stress-strain) 관계곡선이며, 그결과를 Table 3 및 Figure 4 에나타내었다. E-유리단섬유를함유하지않은불포화폴리에스터기반수지시료의경우인장강도, 초기탄성률, 파단신도는 7.2MP a,3.1gpa,0.66% 이었다.E-유리단섬유길이가 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0inch 인경우인장강도 / 초기탄성률/ 파단신도는각각 8.9MPa/3.9GPa/0.57%, Figure 3. Stress-strain curves of PR/GF composite sheet (1ply) samples with various E-glass fiber length (0.5, 1.0, 1.5, 2.0inch) at a fixed E-glass fiber content(20wt%). Figure 4. Effect of fiber length on the tensile strength/modulus of PR/GF composite sheet(1ply) samples at a fixed E-glass fiber content(20wt%). 한국염색가공학회지제 27권제 3호

랜덤상태의 E-유리단섬유강화불포화폴리에스터기반수지복합재료의물성 171 22.7MPa/5.7GPa/0.49%, 20.2MPa/4.7GPa/0.52% 및 13.9MPa/4.5GPa/0.49% 를각각나타내었다. 강화재로 E-유리단섬유를첨가하는경우섬유길이가 1.0inch까지는섬유길이가증가함에따라인장강도와초기탄성률은증가하고반면파단신도는감소하였다. 그러나 1.0inch 이상의섬유길이에서는섬유길이증가로인장강도와초기탄성률은감소하는경향을나타내었다.E-유리단섬유의길이가 1.0inch의경우인장강도와초기탄성률이가장높게나타난원인은기지재수지에강화재섬유가균일하게잘섞이고밀착되므로강화효과를잘나타내어가장적합한길이이기때문인것으로생각된다. 따라서 E-유리단섬유길이가복합재료의인장강도와초기탄성률에미치는영향에서는 1.0inch가가장우수한물성을얻을수있는최적의섬유길이임을알수있었다. 3.2 E-유리 단섬유 함량에 따른 복합재료의 특성 앞에서조사된연속상불포화폴리에스터에균일하게잘분산되는적합한섬유의길이를 1.0inch로고정하고 E- 유리단섬유함량(15,20,25,30wt%) 을달리하여복합재료를제조하여함량에따른비중변화를 Table 2 에나타내었다. E-유리단섬유를함유하지않은불포화폴리에스터기반수지의경우비중은 1.67 이었으며, E-유리단섬유함량이 15,20,25,30wt% 인복합재료의비중은각각 1.80, 1.84, 1.88및 1.92 를나타내었다. 강화재 E-유리 단섬유의함량이증가함에따라서비중은거의선형적으로증가하는현상을나타내었다. 이는비중이보다높은강화재유리섬유(2.50) 가비중이보다낮은기지재수지(1.67) 에첨가되기때문이다. Figure 5는 E-유리단섬유를함유하지않은불포화폴리에스터기지수지와 E-유리단섬유함량 (15, 20, 25, 30wt%) 에따른복합재료의응력-변형률관계곡선이며, 그결과를 Table 3 및 Figure 6 에나타내었다. E-유리단섬유를함유하지않은불포화폴리에스터기반수지시료의인장강도, 초기탄성률, 파단신도는 7.2MPa, 3.1GPa, 0.66% 이었다. E-유리단섬유함량이 15, 20, 25, 30wt% 인시료의인장강도/ 초기탄성률/ 파단신도는각각 15.7 MPa/5.5GPa/0.55%, 22.7MPa/6.4GPa/0.49%, 26. 3MPa/7.6GPa/0.45% 및 33.4MPa/9.4GPa/0.37% 를나타내었다. 특히 E-유리단섬유를첨가하지않은시료와 15wt% 의 E-유리단섬유를함유한복합재료 (PR/GF-1.0-15-1) 의인장강도/ 초기탄성률은 2.18/ 1.77배나증가하여 E-유리단섬유의강화재로서의특징을잘나타냄을알수있었다. 또한 E-유리단섬유의함량이증가할수록인장강도와초기탄성률은증가하는경향을나타내었다. 본연구에서제조된복합재료의최대 E-유리단섬유의함량은 30wt% 였다. 3.3 적층수에따른복합재료의특성 일반적으로복합재료의물성은강화재와충진재의종류, 함량, 제조방법및조건에따라서다르게나타난다. Figure 5. Stress-strain curves of PR/GF composite s he-et(1ply) samples with various E-glass fiber cont ent(15, 20, 25, 30wt%) at a fixed E-glass fiber len gth(1.0inch). Figure 6. Effect of E-glass fiber content(wt%) on the tensile strength/modulus of PR/GF composite sheet(1p -ly) samples at a fixed E-glass fiber length(1.0inch). Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, No. 3

172 박진명 박영광 이영희 서대경 이장훈 김한도 Figure 7. Stress-strain curves of PR/GF composite sheet samples with various number of stacking(3, 4, 5ply) at fixed E-glass fiber length and content(1.0inch, 30wt%). Figure 8. Effect of ply on the tensile strength/modulu-s of PR/GF composite sheet samples at fixed E-glass fiber length and content(1.0inch, 30wt%). 본연구에서는 E-유리단섬유의길이와함량을 1.0inch, 30wt% 로고정하여복합재료의적층수를 3, 4, 5ply로달리하여복합재료를제조하여적층수에따른복합재료의비중변화를Table 2에나타내었다.E-유리단섬유를함유하지않은불포화폴리에스터기반수지시료의비중은 1.67 이었으며, 복합재료의적층수가 3, 4, 5ply인복합재료의비중은각각 2.01, 2.07 및 2.12 를나타내었다. 적층수가증가할수록비중이높게나타나는것은적층수가증가함에따라 E-유리단섬유함량이증가하기때문으로생각된다. 적층수가증가함에따른비중증가는뒤에고찰할복합재료의물성에영향을미칠것으로예측된다. Figure 7은적층수에따른복합재료의응력-변형률관계곡선이며, 그결과를 Table 3 및Figure 8에 나타내었다. 3, 4, 5ply 의인장강도/ 초기탄성률/ 파단신도는 39.1MPa/10.7GPa/0.34%, 43.3MPa/11.9GP a/0.32%, 48.5MPa/13.5GPa/0.30% 를나타내었으며, 적층수가증가할수록인장강도와초기탄성률은증가하였으며파단신도는아주작지만감소하는경향을나타내었다. 복합재료의적층수가압축강도, 압축탄성률, 굽힘강도, 굽힘탄성률및전단강도에미치는영향을 Figures 9-11 에나타내었으며, 그결과를요약하여 Table 4 에나타내었다. 3, 4, 5ply 의압축강도/ 압축탄성률/ 굽힘강도/ 굽힘탄성률/ 전단강도는 49.6MPa/6.6GPa/40.2MPa /4.5GPa/6.94MPa, 58.8MPa/7.9GPa/57.1MPa/5.1GPa /8.85MPa, 73.8MPa/8.4GPa/88.0MPa/5.8GPa/12.25 MPa을나타내었다. Figure 9. Effect of ply on the compressive strength /modulus of PR/GF composite sheet samples at fixed E-glass fiber length and content(1.0inch, 30wt%). Figure 10. Effect of ply on the flexural strength /modulus of PR/GF composite sheet samples at fixed E-glass fiber length and content(1.0inch, 30wt%). 한국염색가공학회지제 27권제 3호

랜덤상태의 E-유리단섬유강화불포화폴리에스터기반수지복합재료의물성 173 Table 4. Compressive strength/modulus, flexural strength/modulus and short-beam strength of PR/GF composite sheets Sample designation Compressive strength (MPa) Compressive modulus (GPa) Flexural strength (MPa) Flexural modulus (GPa) Short beam Strength (MPa) PR/GF-1.0-30-3 49.6 6.6 40.2 4.5 6.94 PR/GF-1.0-30-4 58.8 7.9 57.1 5.1 8.85 PR/GF-1.0-30-5 73.8 8.4 88.0 5.8 12.25 적층수가증가할수록이들물성이증가하는것을알수있었다. 이는앞서설명한적층수의증가에따른비중의증가와관련이있는것으로생각된다. 그리고 4ply에서 5ply로증가하는경우에강도및탄성률의증가율이 3ply에서 4ply로증가하는경우보다높은것을알수있었으며, 적층수에따른영향은굴곡강도> 전단강도> 압축강도> 인장강도의순으로크게증가함을알수있었다. 4. 결 론 본연구는자동차용부품소재로사용하기위하여불포화폴리에스터기반수지와랜덤상태의 E-유리단섬유를강화재로사용하여 SMC 공정으로복합재료를제조하였다. 이때 E-유리단섬유의길이 (0.5, 1.0, 1.5, 2.0inch), 함량(15, 20, 25, 30wt%) 및적층수(3,4,5ply) 가비중및기계적성질에미치는영향을조사하였다. 불포화폴리에스터기반수지에대한 E-유리단섬유의분산은섬유길이가 1.0inch 까지는잘분산됨을알수있었다. E- 유리단섬유(1.0inch) 의함량이 30wt% 까지증가함에따라서비중, 인장강도, 초기탄성률은거의일정한비율로증가함을알수있었다. 또한적층수가증가할수록비중, 인장강도, 초기탄성률, 압축강도, 압축탄성률, 굽힘강도, 굽힘탄성률및전단강도는증가하는경향을나타내었다. 강도및탄성률의증가율은 3-4ply 구간에서보다 4-5ply 구간에서더높게나타남을알수있었다. 적층수에따른강도에대한영향에서는굴곡강도> 전단강도> 압축강도> 인장강도의순으로보다높게나타남을알수있었다. 본연구에서는불포화폴리에스터기반수지의유리섬유강화복합재료의경우 E-유리단섬유의길이 1.0inch, E-유리단섬유함유량 30wt%, 적층수 5ply 일때에가장우수한물성 ( 인장강도 45.7MPa, 초기탄성률 13.5GPa, 압축강도 73.8MPa, 압축탄성률8.4GPa, 굴곡강도 88.0MPa, 굴곡탄성률 5.8GPa, 전단강도 12.25MPa) 을나타내는것을알수있었다. 그리고이러한소재는큰하중의지지가요구되지않는자동차의일반부품소재용으로사용할수있는충분한물성을지닌것을알수있었다. 감사의글 본연구는산업통상자원부슈퍼소재기반기술개발사업(10042461, 슈퍼섬유소재불소수지코팅및열경화성수지를활용한복합재료제품화기반기술개발) 의연구비지원으로수행되었습니다. References Figure 11. Effect of ply on the short-beam strength of PR/GF composite sheet samples at fixed E-glass fiber length(1.0inch) and content(30wt%). 1. S. W. Koh and Y. S. Um, Tensile Fracture Behavior of Glass Fiber/Polypropylene Composites for Various Fiber Volume Fraction, Bull. Korean Soc. Fish. Tech., 40(2), 161(2004). Textile Coloration and Finishing, Vol. 27, No. 3

174 박진명 박영광 이영희 서대경 이장훈 김한도 2. O. Kalny, R. J. Peterman, and G. Ramirez, Performance Evaluation of Repair Technique for Damaged Fiber-reinforced Polymer Honeycomb Bridge Deck Panels, J. Bridge Eng., 9, 75(2004). 3. M. S. Kang, H. S. Park, J. H. Choi, J. M. Koo, and C. S. Seok, Prediction of Fraction Strength of Woven CFRP Laminates According to Fiber Orientation, The Korean Society of Mechanical Engineers, 36(8), 881(2012). 4. W. H. Han, S. G. An, J. W. Han, and J. W. Park, High-Tech Materials, Korea Polytechnics, Seoul, pp.110-147, 2012. 5. B. S. Kim and B. S. Hwang, Processing of Fiber Reinforced Composite Materials, Polymer Science and Technology, 10(1), 20(1999). 6. E. J. Jun, Processing Technology of Composite Materials, The Korean Society of Mechanical Engineers, 32(11), 18(1992). 7. D. K. Seo, N. R. Ha, J. H. Lee, H. G. Park, and J. S. Bae, Property Evaluation of Epoxy Resin based Aramid and Carbon Fiber Composite Materials, Textile Coloration and Finishing, 27(1), 11(2015). 8. S. H. Hwang, Y. C. Lee, and S. W. Lee, Curing Behaviors and Mechanical Properties of Styrene /Unsaturated Polyester System for Sheet Molding Compound, Polymer(Korea), 19(2), 170(1995). 9. G. B. Bae, S. G. Lee, H. J. Yoon, and J. D. Lee, Preparation and Characteristic of Sheet Molding Compound Using Unsaturated Polyester Resin with Low Profile Agent of Polystyrene, Korean Chem. Eng. Res., 50(3), 588(2012). 10. H. C. Chung, A Study on Preparation and Properties of Vinyl Ester Resin Adapted Hybrid SMC, M.S. Thesis, Chonbuk National University, 2010. 11. P. Vivek, Opportunity for Composite Materials in India: Sheet Molding Compound(SMC) Industry, Polymer/Composites/Chemicals/Life Sciences Market, 10, 20(2010). 12. W. Li and L. J. Lee, Shrinkage Control of Lowprofile Unsaturated Polyester Resins Cured at Low Temperature, Polym. J., 39, 5677(1988). 13. J. C. Lucas, J. Borrajo, and R. J. Williams, Cure of Unsaturated Polyester Resins 2, Influence of Low-profile Additives and Fillers on the Polymerization Reaction, Mechanical Properties and Surface Rugosities, Polym. J., 34, 1886(1993). 14. W. Li and L. J. Lee, Low Temperature Cure of Unsaturated Polyester Resins with Thermoplastic Additive III, Modification of Polyvinyl Acetate for Better Shrinkage Control, Polym. J., 41, 711(2000). 15. E. Melby and J. Castro, In Comprehensive Polymer Science, Allen, S. G. Ed., Pergamon Press, New York, 1989. 16. S. U. Khan, A. Munir, R. Hussain, and J. K. Kim, Fatigue Damage Behaviors of Carbon Fiber -reinforced Epoxy Composites Containing Nanoclay, Compos. Sci. Technol., 70, 2077(2010). 17. R. H. Dauskardt, R. O. Ritchie, and B. N. Cox, Fatigue of Advance Materials, Adv. Mater. Process, 7, 26(1993). 18. W. Zhang, R. C. Picu, and N. Koratkar, The Effect of Carbon Nanotube Dimensions and Dispersion on The Fatigue Behavior of Epoxy Nanocomposites, Nanotechnology, 19, 285709(2008). 19. M. H. A. Maamori, R. M. A. Alradha, and A. I. A. Mosawi, Mechanical Properties for Unsaturated Polyester Reinforcement by Glass Fiber using Ultrasonic Technique, Int. J. of Multidisciplinary and Current Research, 1, 1(2013). 20. N. J. Lee and J. S. Jang, The Effect of Fibre Content on The Mechanical Properties of Glass Fibre Mat/Polypropylene Composites, Composites Part A, 30, 815(1999). 21. S. Boylan and J. M. Castro, Effect of Reinforcement Type and Length on Physical Properties, Surface Quality and Cycle Time for Sheet Molding Compound(SMC) Compression Molded Parts, J. Appl. Polym. Sci., 90, 2557(2003). 22. J. H. Lee, J. K. Lee, and K. Y. Rhee, Effects of The Glass Fiber Characteristics on The Mechanical Properties of Thermoplastic Composite, The Korean Society of Mechanical Engineers, 24(7), 1697(2000). 한국염색가공학회지제 27권제 3호