PPS/Carbon Fiber DREF 3 Spun을 이용한

열가소성 복합재료 성형공정 연구

안영선, 이준호, 남재도, 이영관*, 김성우**, 정성윤***

성균관대학교 고분자공학과, *성균관대학교 화학공학과, **경기대학교 화학공학과, ***(주)SK Chemical 화학연구소

Thermoplastic Composite Molding Process using PPS/Carbon Fiber DREF 3 Spun

Youngsun An, Jun Ho Lee, Jae-Do Nam, Young Kwan Lee*, Sung Woo Kim**, Seong Roon Jeong***

Dept. of Polymer Sci. & Eng., Sung Kyun Kwan Univ. *Dept. of Chemical Eng.,Sung Kyun Kwan Univ., **Dept. of Chemical Eng., Kyonggi Univ., ***SK Chemicals R&D Center

서론

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 두 가지 공정 즉 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 모델과 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. 개질된 PPS 수지를 이용하여 DREF 3 Spun을 제조하고 이를 이용하여 장섬유 탄소섬유/PPS 복합재료의 가공공정을 연구하였다.

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

DREF 3 Spun에서 수지가 반지름 방향으로 함침되어 들어가는 것을 그림 1에 단계별로 나타내 보았다. 첫 번째 단계는 수지가 함침되어 들어가지 않은 Resin Pool Melting Stage로써 그림에서 보는 것과 같이 PPS 수지 부분과 탄소섬유 부분이 명확하게 구분되며, DREF 3 Spun 각각의 번들의 수지가 서로 접촉하지도 못하고 있다. 두 번째 단계는 함침이 시작되는 Bundle Cohesion Stage로써, 그림에서 보는 것과 같이 각각의 섬유 다발이 서로 만나게 되며 용융된 수지가 함침이 일어나기 시작하는 시점이다. 세 번째 단계는 수지의 함침이 본격적으로 시작되는 Dry Fiber Encapsulation Stage로써 두 번째 단계에서 섬유 다발의 수지부분만 접촉하여 완전하지 않은 함침이 일어나는 것과 달리 섬유 다발의 섬유까지 이웃해 있는 번들과 합쳐져 함침이 일어나는 단계이다. 이 단계에서는 각각 떨어져 구분되던 섬유 다발들이 마치 한 개의 섬유 다발처럼 보이게 되고, 이렇게 합쳐진 섬유 다발주의를 수지가 함침되어 들어가며 마치 미함침 섬유를 함침된 섬유부분이 둘러싸고 있는 듯한 모양을 보인다. 네 번째 단계는 완전히 수지가 함침되어 들어간 Complete Bundle Cohesion Stage로써 이 단계에서는 수지가 완전히 섬유 다발로 함침되어 들어가 앞 단계들에서 구분할 수 있었던 섬유 다발의 경계를 찾을 수 없으며, 미함침 수지의 부분도 관찰되지 않는다.

DREF 3 Spun의 온도와 시간에 대한 모폴로지를 그림 2 과 그림 3 나타내었다. 그림 2 나타낸 320℃성형 조건에서는 10분까지 bundle cohesion stage로 볼 수 있는데 이 부분에서는 섬유 다발로 함침이 되지 않은 미충전 섬유 다발 부분과 resin pool area를 관찰 할 수 있다. 그리고 10분후부터 부분적으로 함침된 resin-infused area를 관찰 할 수 있다. 15분 후에는 수지가 모두 함침되어 들어간 것처럼 보이지만, 번들사이에 아직 미함침 수지가 남아 모여있는 resin pocket이 관찰된다. 그림 3에 나타낸 340℃ 성형 조건에서는 5분 후면 수지가 완전히 함침되어 들어가고 섬유 다발들이 모두 합쳐져 섬유 다발의 형태는 찾아볼 수 없는 complete bundle cohesion stage 형태를 보인다. 그러나, 성형시간 10분까지는 부분적으로 아직 섬유 다발 사이에 함침되지 않은 resin pool이 관찰되고, 섬유 다발에 수지가 완전히 함침되지 않아 수지가 섬유 다발에서 분리되어 떨어져 나간 air pocket이 관찰된다. 15분 후부터는 완전히 함침되어 초기의 섬유 다발의 형태는 관찰할 수 없게 된다.

340℃ 성형 조건에서도 성형 시간에 따라 함침되었던 수지가 분리되는 air pocket area가 생기는 것을 관찰할 수 있었고, 섬유 다발 사이의 미세한 resin pool이 남을 수 있는 것을 볼 수 있었다. 이와 같은 결과는 반지름 방향으로의 수지 함침공정에서 수지의 가공 온도 조건 뿐 아니라 시간과 압력 조건도 중요함을 보여준다.

PPS DREF 3 Spun 압축성형 공정에서의 수지가 함침되어 들어갈때의 압력의 변화를 그림 4에 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.

압축 성형공정에서 냉각시에 압력이 하강하는 것은 함침된 성형품이 냉각 되면서 수축함으로써 몰드의 빈공간이 생기는 것에 기인한다. 이것은 공정에서 온도가 수지의 Tm이하로 내려가면서 압력의 하강이 급격히 이루어지는 것으로 알 수 있다.

이번 연구는 PPS DREF 3 Spun의 공정에서 수지가 완전히 함침되어 들어갈 수 있는 공정 조건을 제시하여 준다.

Figure 1

Figure 2                           Figure 3

Figure 4

Figure 1. PPS/CF DREF 3 Spun Morphology by Infusion Stage

Figure 2. PPS/CF Composite Laminate [0/90]s by DREF 3 Spun Resin Infu-

sion Process(320℃, 8.8MPa)

Figure 3. PPS/CF Composite Laminate [0/90]s by DREF 3 Spun Resin Infu-

sion Process(340℃, 8.8MPa)

Figure 4. Effective Pressure relaxed as resin impregnates into Carbon Fiber

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)