2. 이론적 배경
4.4. 인장 특성
4.4.2. 인장시험 결과
Material 측정치(MPa)
1차 2차 3차 4차 5차 평균 비고
CNT 0.5wt% 2,411 2,428 2,402 2,389 2,370 2,400 인장시험 CNT 1.0wt% 2,607 2,580 2,625 2,648 2,650 2,622 인장시험 CNT 3.0wt% 3,049 3,021 2,968 2,871 2,876 2,957 인장시험
표 14 인장시험 결과
4.4.2.1. CNT 함유량 별 인장강도
그림 55 CNT 0.5% 인장강도 시험 결과
그림 57 CNT 3.0% 인장강도 시험 결과
그림 58 인장시험 후 시험샘플
- 인장시험 시편(3.0wt%) S-S선도
시편 길이
[mm] 두께
[mm] 폭
[mm] Peak Load
[N] Stress [Mpa]
1 142.00 1.49 12.59 24,950 3048.8 2 140.60 1.50 12.52 24,956 3020.6 3 141.75 1.51 12.39 24,270 2967.9 4 140.38 1.50 12.43 24,270 2871.4 5 141.20 1.52 12.67 24,410 2875.5
표 15 3.0wt%시편 시험 결과
그림 59 3.0wt% 시험시편 #1
그림 61 3.0wt% 시험시편 #3
그림 62 3.0wt% 시험시편 #4
그림 63 3.0wt% 시험시편 #5
그림 64 CNT / CFRP 인장강도 비교
인장시험 결과 CNT 0.5wt% / 1.0wt% / 3.0wt%에서 2,400MPa / 2,622MPa / 2,957MPa정도의 강도 값을 확인하였고, 인장강도 시험을 통해 CNT함량 증가에 따라 강도가 향상 되는 것을 확인하였다. 또한 CNT 3.0wt%에서 물성치가 비약적으로 증 가 하여, 기존 CFRP에 대비 약 24%정도 우수한 성능 결과 값이다.
5. 결론
본 연구에서는 기존의 프리프레그 제조공법을 이용하여, 동일 소재보다 물성이 강 화된 소재를 개발하기 위해 첫 번째로 CNT(Carbon Nano Tube)를 선정하고, 고분자 물질 및 용매를 선정하여 전기방사를 위한 최적의 교반비율과 방사전압/방사거리/
노즐사이즈/용액토출량을 각각 제어하여 최적의 전기방사조건을 확인하였다. 또 시 편을 제작하여 기존 CFRP제품과 인장강도를 비교 검증을 실시하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 기존 프리프레그의 물성을 강화하기 위한 재료로써 분산이 가장 용이한 CNT(Carbon Nano Tube)와 교반을 위한 고분자 물질, 용매를 선정하였다. 그리 고 교반방법에 따른 CNT의 분산 정도 차이를 확인 할 수 있었다. 마그네틱 교 반의 경우 CNT가 잘 분산되지 않았고, 분산 이 후에도 반데르발스 인력에 의 해 다시 뭉치는 모습을 관찰할 수 있었다. 반면, 초음파 분산 및 페이스트 믹 서 교반기는 고분자물질과 용매를 먼저 교반하고, 이후 CNT를 분산한다면 우 수한 교반상태를 보이는 것을 확인 할 수 있었으며, 용매와 고분자, CNT의 교 반비율 또한 확인 할 수 있었다.
(2) 전기방사를 위한 최적의 교반비율을 찾기 위해 용매의 양을 통제하고 얻은 교 반 비율을 바탕으로 방사전압 / 방사거리 / 노즐사이즈 / 토출량을 각각 제어 하여 최적전기방사 조건을 확보하였다. 그리고 실시한 전기방사를 바탕으로 적 정 수준의 점도(1,000 ~ 2,000cps)에서 최적의 전기방사가 이뤄지는 것을 알 수 있었다. 따라서 앞서 확보한 교반 비율에서 고분자의 양을 조절한 최적의 교반비율을 확보되는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 용매와 고분자 물질의 양을 통제하고 CNT를 각각 0.5wt%, 1.0wt%, 3.0wt%교반 하여 전기방사를 통해 인장시편(ASTM D-3039)을 제작하였다. 이 후 시험에서 2,400MPa, 2622MPa, 2957MPa의 강도값을 확인하였고, CNT함량 증가에 따라 강 도가 향상되는 것을 확인하였다. 또한 CNT 3.0wt%에서 물성치가 비약적으로 증 가하여, 기존 CFRP대비 24%정도의 인장강도 개선을 확인 하였다.
본 연구에서는 CNT전기방사를 통한 복합재와 기존 CFRP의 인장강도에 대한 비교 검증을 실시하였으며, 전기방사를 위한 CNT 최적 교반 비율을 확보하였다.
또한, 시험 평가 결과 CNT최적 교반 비율로 전기방사 된 복합재의 인장강도가 기존 CFRP대비 24%의 강도개선 효과가 있음을 확인하였다.
따라서 본 CNT-CFRP 연구결과는 향후 고강도를 요구하는 항공, 자동차, 조선선박 관련 부품에 적용이 가능 할 것으로 판단되며, 동일한 강도의 복합소재 대비 경량 화 등에도 파급효과가 기대된다.
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Abstract
A study on electro-spinning process factors affecting lamination of CNT polymer composite material
Kyung Hwan Lee
e-Vehicle Technology, University of Ulsan,
Ulsan, Korea
In order to satisfy the requirements of leisure-related parts such as bicycles, drones, etc. and aviation and automotive-related parts requiring light weight and strength, many composite materials are used that are not as strong as conventional metal materials. The most widely used compounds are resin compounds, which have the advantage of good plasticity, good mechanical strength and relatively inexpensive price, but have low continuous service temperatures and reduced levels of water absorption, which can heighten the risk of electrical shock. However, carbon nanotubes have excellent material properties that the previous materials do not have and are excellent compared to other materials such as mechanical properties, electrical conductivity, thermal conductivity and reactivity. Therefore, an experimental study was conducted to enhance the strength and durability of composite materials by adding a small amount of carbon nanotube to the prepreg.
In this thesis, the tensile strength of composite materials and existing CFRPs was verified by CNT Electric Radiation, and the optimal ratio of CNT for electric radiation was obtained. In the process, various ratios of solvents, polymers, and carbon nanotubes were reviewed and the process factors of radiation voltage, radiation distance, nozzle size and
discharge were controlled respectively.
In addition, the results of the test by the specimen made of electric radiation confirm that the tensile strength of a compound irradiated by CNT optimum stirring ratio is 24% improvement over the existing CFRP. Therefore, this CNT-CFRP study is expected to be applied to parts related to aviation, automobiles that require high strength in the future, and will have a ripple effect on lightening of composite materials with the same strength.
Major technical terms: CNT (Carbon Nanotube), electrical radiation, composite materials, stirring ratio, tensile strength