3. 고함침(高含浸) 복합소재 특성 연구 55
3.3 고함침 장섬유 복합소재 연구
(1) 장섬유 복합소재 특성
그림 3.12의 복합소재의 물성은 다양한 인자에 의해 영향을 받으며 보강재의 사 출성형물의 경우 섬유 길이에 의해 많은 영향을 받는다. 장섬유 복합소재 제품은 필랫(Pellet)의 섬유 길이가 8~12 mm를 유지하고 사출 성형이 되는 것을 말한다. 단 섬유는 필랫의 길이가 2 mm이하인 점을 고려하며 장섬유의 경우 단섬유에 대해 약 4~6배 정도 필랫의 길이가 길며 이는 사출제품의 기계적 특성에 많은 영향을 끼친 다. 특히 충격강도의 경우 장섬유 복합소재 사출제품의 경우 단섬유 복합소재 사출 제품 보다 더욱 큰 영향을 끼친다. 이와 같이 섬유를 사출제품에 함유하여 복합소 재를 개발하는 것은 기계적 특성이 우수한 저비중, 가격 경쟁력이 우수한 사출성형 품이 가능하여 설계 디자인이 용이하다. 또한 다양한 물성 제어 인자(섬유함량, 섬 유길이, 고분자 수지 및 섬유 계면강도)에 의한 물성 발란스 조절이 용이한 장점이 있다.
그림 3.12 장섬유 복합재와 단섬유 복합재의 물성 비교
(2) 유리섬유 함량 결정을 위한 기초 시험
그림 3.13의 유리섬유 함량 복합소재의 제조 공정은 수지와 첨가제는 압출기의
호퍼에 투입하여 압출기의 스크루를 통해 용융 혼련되어 함침다이에서 유리섬유와 결합하고 인취기를 거쳐 장 유리섬유 길이로 절단하는 과정이다. 이때 유리섬유의 적정 함량 선정을 위해 기초 실험이 필요하며 유리섬유의 함량은 기계적 특성을 판
단하는 요소이기 때문이다. 본 연구에서 수지는 PA를 사용하였고 유리섬유는 2200
tex를 사용하였다. 수지에 유리섬유 함량에 따라 굴곡강도는 크게 영향을 받고 인장
강도와 충격강도는 유리섬유의 길이 및 함침성능에 영향을 받는다.
그림 3.13 유리섬유 복합소재 제조 공정 모식도
본 연구의 결과물을 사용하는 부품은 카울 크로스멤버로 기존의 스틸 및 알루미 늄 부품을 구조물은 알루미늄 구조물과 자동차 차체와 연결되는 브라켓은 유리섬유 복합소재를 이용한 사출제품을 사용하게 된다. 이때 카울 크로스멤버 알루미늄 구 조물을 사출 금형에 인서트하여 유리섬유 복합소재 적용 사출 하이브리드 카울 크 로스멤버를 완성하는 부품이다. 따라서 유리섬유 복합소재는 일정 이상의 강성과 굴곡강도를 만족해야 한다. 하이브리드 카울 크로스멤버는 크래쉬패드를 지지하고 이를 차체에 부착하여 일정 이상의 강성을 지지하지 않으면 자동차 충돌시 크래쉬 패드와 차체가 분리 되어 탑승자에 위험 요소가 되기 때문이다. 따라서 PA 수지에 유리섬유 혼합량을 결정하는 것은 중요한 요소이다. 이때 유리섬유을 과다하게 혼 합하게 되면 사출성형시 유리섬유로 인해 제품의 품질이 저하하고 금형에 마찰 저 항으로 인해 금형 수명에 문제가 될 수 있다. 따라서 소재 공급사, 완성차, 부품기 업, 금형제작 전문가 협의를 통해 유리섬유 50% 함량의 복합소재로 결정하였다.
항목 단위 BASE GF 30% GF 45% GF 50%
비중 - 1.13 1.30 1.45 1.55
인장강도 Mpa 65 160 201 225
굴곡강도 Mpa 92 203 270 317
굴곡 탄성율 Mpa 2,285 7,240 12,025 13,554
표 3.3 플라즈마 거리에 따른 원자 농도 분석
(3) 고함량 장 유리섬유 제조 공정 개발
고분자 복합소재 제조에 있어 핵심 기술은 수지와 보강재의 함침성이며 이에 따 라 다양한 방법들이 적용되고 있다. 그림 3.14와 같이 장 유리섬유는 제조 공정에서 매우 짧은 시간내(1초 이내) 고분자수지와 섬유 보강재의 함침이 일어난다. 이때 섬 유의 경우 수천~수만 가닥으로 이루어져 있어 섬유의 손상없이 최대한 넓게 펼쳐 수지를 침투시키는 기술이 필요하다. 수지에 섬유를 함침하는 제조 공정에서 함침 용 핀의 개수 디자인에 따라 복합소재의 생산성과 외관의 품질에 큰 차이가 나타난 다. 함침용 핀의 개수가 많아질수록 섬유 펼침이 커져 함침도가 상승하는 반면 섬 유에 걸리는 힘이 과도하여 단사율 즉, 단위시간 동안 섬유가 절단되는 빈도수가 상승하게 된다. 따라서 섬유의 손상 없이 함침도를 높일 수 있는 적절한 함침용 핀 조합이 이루어져야 한다.
그림 3.14 장 유리섬유 함침 다이 구조
표3.4는 함침 핀수에 따른 복합소재의 기계적 강도 및 생산성을 나타내었다. 본 연구에 사용되어질 PA 수지의 경우 함침핀 수가 증가함에 따라 굴곡강도가 증가하 지만 단사율도 증가하는 것을 알 수 있었다. 단사율이 낮고 굴곡강도는 높은 함침 핀 개수가 5개 일 때 최적조건으로 판단하였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 인취속 도에 따른 펠렛 외관 및 물성을 확인하였다.
함침핀 수 Tension 굴곡강도(Mpa) 3시간 단사율(%)
6 4.2 269 75
5 3.7 271 60
4 3.6 242 50
표 3.4 함침 조건에 따른 기계적 강도
그림 3.15와 같이 고함량 장 유리섬유의 경우 인취속도가 빠를수록 수지가 섬유 사이로 침투하는 시간이 부족하여 함침이 저하되며 펠렛의 표면에 희끗회끗한 섬유 가 보이는 것을 확인하였다. 인취속도가 30 HZ 이상에서는 펠렛의 표면 불량이 발 생하는 것을 확인하였다. 인취속도 증가는 생산성 향상은 되나 펠렛 제품의 물성에 영향을 끼치며 섬유의 단사로 오히려 생산성이 낮아 질수 있다는 판단을 하여 본 연구에서는 최대 인취속도을 30 HZ로 하였다.
(a) 30 HZ (b) 40HZ 그림 3.15 인취속도에 따른 펠렛 외관 비교
(4) 사출 성형성 개선 연구
PA 수지에 장 유리섬유 복합소재를 사출 성형 할 경우 장 유리섬유로 인해 금형
내 수지의 흐름성이 낮아져 성형에 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 수지 점도 를 감소시킬 수 있는 슬립제를 혼합하였다. 슬립제는 열적 안정성 보유와 수지 표 면에서 슬립현상을 유도하는 첨가제이다. 사출 성형 과정에서 슬립제를 투입함으로 써 윤활성분이 금형과 수지와의 접촉마찰력을 낮춤으로써 성형성을 높일 수 있을 것으로 판단하였다.
사출성형시 금형내 수지의 흐름 즉, 성형성을 높이는 시험을 위해 보통 스파이얼 플로우(Sporal flow) 금형을 많이 사용한다. 이는 스파이얼 모양의 금형으로 금형내 수지의 양적 스파이얼 길이로 상대 비교하는 방법이기도 하다. 이를 통해 성형성을 평가하고 기계적 시험을 통해 사출성형 후 제품의 품질을 예측하고자 하였다.
흐름성 시험은 동일 압력, 동일 속도 내에서 스파이얼 플로우 사출 금형을 사용 하여 수지의 흐름성을 상대 비교하였다. 수지의 흐름성은 사출성형 시 성형성과 비 례하게 된다. 슬립제를 사용한 것과 사용하지 않은 것을 평가하기 위해 시험한 결 과 그림3.16과 같이 슬립제B가 가장 우수하였으며, 이때 슬립제를 사용하지 않은 것 과 약 13% 정도 개선 효과가 있는 것으로 나타났다. 슬립제에 따른 기계적 특성인 인장강도 측면에서 전체적으로 큰 영향이 없는 것을 확인하였다. 또한 시험을 통해 사출성형 후 제품의 표면에 유리섬유가 노출되는 정도가 감소하였으며, 이로 인해 표면 개선 효과가 있을 것으로 확인하였다.
구 분 흐름성 사출성형 인장강도 (Mpa)
미적용 54.5 214
슬립제 A 56.5 210
슬립제 B 62.5 212
슬립제 C 60.0 194
그림 3.16 슬립제 종류에 따른 성형성 비교
3.3.2 PA 수지 적용 장 유리섬유 복합소재 적용 연구
(1) 제품 성형 후 변형 최소화 연구
플라스틱 복합소재를 사용한 사출성형 후 변형은 제품 품질에 많은 영향을 끼친 다. 사출제품은 금형내 수지를 주입하고 주입된 수지가 냉각되는 과정에서 제품 위 치별 냉각이 일정하게 되지 않고 두께 방향으로 냉각이 일정하지 않기 때문에 비틀 림이 동반된 변형이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해서는 첫째 제품 설계시 변 형이 적게 될 수 있는 설계를 하고, 둘째 사출금형 설계시 변형을 줄일 수 있는 구 조로 설계를 한다. 즉, 금형내 냉각라인을 특별히 한다든가 금형 성형 공정시 보압 과 냉각 시간을 늘리는 방법이 있다. 마지막으로 수지에 첨가제를 혼합하여 변형을 줄일 수 있는 방법이 있다.
PA는 강성이 매우 우수한 장점을 가지나 수지 흐름방향으로는 결정특성으로 변 형이 적다. 그러나 수지 흐름의 수직 방향에서는 상대적으로 결정화도가 떨어지므 로 후변형이 발생하게 된다. 이러한 수지 흐름방향과 수직 방향의 변형의 차이가 발생하게 되면 제품 제작 후 뒤틀림이 발생 할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 비결정성 올레핀계 엘라스토머, ABS alloy를 통해 변형을 줄일 수 있다.
사출성형 후 부품의 변형 측정은 평판의 금형을 이용하여 사출성형하며 그림 3.17과 같이 금형내 +문양이 가공되어 있으며 이는 사출성형 후 제품의 변형량 측 정을 위해 표시한 문양이다. 변형량 측정은 사출성형 후 24h 후 사출 방향과 수평 및 수직 대각선 위치에서의 변형된 값을 비교하여 변형 측정을 한다.
평판의 크기는 가로×세로×두께가 120×100×3 mm로 제작 되어 있다.
1. TD gate 2. TD end 3. MD
4. 대각선 gate 5. 대각선 end
그림 3.17 방향에 따른 수축율
구분 Ref. ABS 0.5% ABS 0.8% ABS 1.0% EOR 0.5% EOR 1.0%
TD gate 5.66 5.02 4.82 4.59 5.23 4.73
TD end 6.11 5.34 5.27 4.83 5.61 5.06
TD average 5.89 5.18 5.05 4.71 5.42 4.90
MD 1.24 1.22 1.20 1.17 1.22 1.19
TD-MD 4.65 3.96 3.85 3.54 4.20 3.71
표 3.5 무정형 소재 종류 및 함량에 따른 수축률 변화
(2) 이종소재 접합기술 연구
이종소재의 접합의 경우 접착제를 사용하게 되는데 주로 열경화성 기반의 에폭 시, 열가소성 기반의 폴리우레탄, 메타아크릴(MMA) 계열의 접착제를 사용한다. 시 험방법은 시편에 접착제를 도포하고 접착시킨 후 인장 시험기를 통해 인장 테스트 를 한다. 이때 시편부 또는 접착부에서 파괴되는 강도를 이용하여 상대 비교한다.
본 연구에서는 열가소성인 메타아크릴과 폴리우레탄 접착제를 선정하여 접착강도 시험을 하였다.
우레탄 계의 접착제는 아마이드(Amide) 결합 구조를 가지고 있어 본 연구에서 사 용되는 PA 수지와 기본 구조가 유사한 형태이며, 기본 구조는 다음과 같다.
그림 3.18의 접합강도 측정을 위한 시험편 제조 방법은 사출성형을 통해 평판을 제작 하고 사출성형된 평판을 인장시험편으로 절단하여 가공한다. 인장시험편은 접 착을 위해 접착 표면을 세척하고 접착제를 도포 후 시험편을 제작한다. 시험편은 인장시험을 통해 접착강도를 상대비교 하여 접착제의 성능을 평가한다.
그림 3.18 접합강도 측정 방법