폴리에틸렌 기반 자기강화복합재료의 성형성 및 기계적 특성에 따른 최적 제직형상 수치해석적 연구

Study of Optimal Weaving Shape according to Formability and Mechanical Properties of Polyethylene-based Self-reinforced Composite

Abstract

In this study, self-reinforced composite(SRC) was prepared using HDPE(High density polyethylene) fabric(2×2 plain) and LDPE(Low density polyethylene) film. The optimal conditions were derived by manufacturing specimens according to the temperature of 100 ~ 140℃ using a hot stamping at a pressure of 100bar for 10 minutes in order to find the optimal conditions for the SRC. The manufactured SRC was analyzed for tensile properties, compressive strength and shear strength through a universal testing machine(UTM). As a result of the measurement, the P3 specimen prepared by hot stamping at a temperature of 130℃ and a pressure of 100bar for 10 minutes was found to be higher than other specimens with tensile strength and tensile modulus of 210MPa and 19GPa, compressive strength 69MPa and shear strength 13MPa and it was considered to be optimal condition. Finally, the composite material according to the fabric structure was modeled using experimental values and the physical properties of the composite material according to the fabric structure were predicted using GeoDict and Digimat.

1. 서론

자기강화복합재료(self-reinforced composite, SRC)는 1975 년에 Capiati와 Porter¹⁾에 의해 소개되었으며, SRC는 동일한 고분자인 강화재와 매트릭스를 사용하여 적절한 온도와 압력으로 매트릭스를 녹이고 재결정하여 제조된다²⁾. 그 후 Loos 등³⁾ 은 bi-component tape technology를 SRC를 생산하는 새로운 기술을 개발하였다. 이 기술에서 bi-component tape는 더 낮은 융점을 가진 copolymer를 이용하여 매트릭스로 이용하였으며, SRC를 제조하는 다른 방법으로는 필름 적층, 분말 함 침 또는 용매 함침이 있다^4-8).

필름 적층법은 간단한 제조공정으로 인하여 많이 사용하는 방법으로 수지의 용융점도에 의하여 함침성이 좋지 못한 단점이 있으며, 용액 함침법은 수지를 용매에 녹여 사용하기 때문에 함침성이 좋으나, 용매 휘발 시간이 길다는 단점이 있다. 또한 분말 함침법은 공정이 까다로운 단점이 있다.

SRC는 동일한 폴리머를 이용하여 제조된 복합재료로 다른 종류로 구성된 복합재료에 비해 재활용성이 우수하며 친환경적이고 폴리에틸렌(Polyethylene; PE)의 경우 극성기가 없어 화학적으로 안정한 상태이므로, 생체적합성이 우수하다는 장점을 가지고 있다^9-12). 그리고 Capiati와 Porter¹⁾의 연구에서 자기 강화복합재료의 계면을 관찰하였으며, 이종소재인 기존 복합재료에 비해 계면결합력이 높은 것을 확인하였다. 그러나 미세한 온도에 의해 성형성 및 물성의 편차가 큰 단점을 가지고 있고, 폴리프로필렌(Polypropylene; PP)을 중심으로 자기 강화복합재료의 연구가 진행되고 있어 다른 소재를 이용한 자기 강화복합재료의 연구가 필요하다.

따라서 본 연구에서는 고밀도폴리에틸렌(High density poly ethylene; HDPE) 직물에 저밀도폴리에틸렌(Low density poly ethylene; LDPE) 필름을 적층하고 hot stamping을 이용하여 여러 온도에서 복합재료를 제조함으로써 최적의 온도를 도출하였으며, 제조된 복합재료의 기계적 특성을 알기 위해 만능인장시험기(Universal Testing Machine: UTM, Shimadzu, Japan) 를 이용하여 인장강도, 압축강도 및 전단강도를 측정하였다. 또한 PE계 복합재료의 데이터를 바탕으로 하여 자기강화복합재료 3D 모델링 기술개발 및 제직 조건에 따른 물성 예측 시뮬레이션을 진행하여 직물 구조에 따라 자기강화복합재료의 물성을 예측하였다.

2. 실험

2.1 실험재료

본 연구에서 사용된 섬유는 코오롱인더스트리(주)에서 생산된 HDPE 섬유 500den를 제직하여 평직(2×2 plain, 경·위사 밀도: 32개/in) 형태 및 평량 105.5g/m²인 직물을 사용하였고, 매트릭스는 LDPE(Goodfellow™) 필름 두께 0.03mm 및 Melt Index(M.I) 3.1grams/10mins를 사용하였다.

2.2 복합재료 제조

Figure 1 및 Figure 2와 같이 Table 1 조건으로 복합재료를 제조하였으며, HDPE 직물을 30×30cm로 재단하고 식(1)로부터 50wt%의 LDPE 필름의 resin contents를 구하였다. HDPE 직물과 LDPE 필름을 mold에 5ply씩 적층한 후 hot stamping을 이용하여 승온속도 10℃/min 및 온도 범위 100~ 140℃에서 100bar 압력으로 10분 동안 압착하여 프리프레그를 제조하였다. 제조된 프리프레그를 다시 적층하고 hot stamping 을 이용하여 100~140℃ 온도에서 100bar 압력으로 10분 동안 압착하여 복합재료를 제조하였다.

\(R / C=\frac{R}{F+R} \times 100(\%)\)       (1)

where,

R: Resin weight

F: Fabric weight

Figure 1. Schematic diagram of the HDPE/LDPE composite process.

Table 1. HDPE/LDPE composites manufacturing condition

Figure 2. Schematic diagram of manufacturing process.

2.3 열적 특성 분석

HDPE 직물 및 LDPE 필름의 열적 특성을 측정하기 위해 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter(DSC), DSC 2910, TA INSTRUMENT, USA)를 이용하여 온도범위 30~ 200℃ 및 승온속도 10℃/min에서 시험을 진행하여 HDPE 직물 및 LDPE 필름의 융점(Tm)를 측정하였고, 식(2)로 부터 LDPE 필름의 결정화도(Crystallization)를 도출하였다.

\(\text { Crystallinity }=\frac{\Delta H}{\Delta H_{r e f}} \times 100(\%)\)       (2)

where,

△H: Experimental value of heat in melting

△H_ref: Reference value

2.4 기계적 물성 평가

인장강도 측정: 제조된 복합재료의 인장물성을 측정하기 위해 ASTM D3039에 의거하여 만능인장시험기(UTM, Shimadzu, Japan)로 시험을 진행하였다. 10ply 적층하여 시편을 제조하였으며, 시편의 크기는 175×25×2mm로 제작하였다. 인장속도는 2mm/min로 하여 인장강도 및 인장탄성계수를 측정하였으며, 시편은 10개씩 측정하여 평균값을 구하였다.

압축강도 측정: 복합재료의 압축강도를 측정하기 위해 ASTM D695에 의거하여 만능인장시험기로 시험을 진행하였다. 40ply 적층하여 시편을 제조하였으며, 시편의 크기는 60×13×10mm 로 제작하였다. 압축속도는 2mm/min로 하여 압축강도를 측정하였으며, 시편은 10개씩 측정하여 평균값을 구하였다.

전단강도 측정: 복합재료의 전단강도를 측정하기 위해 ASTM D5379에 의거하여 v-notch 형태로 시편을 제조한 후 만능인장시험 기로 시험을 진행하였다. 20ply 적층하여 시편을 제조하였으며, 시편의 크기는 80×10×4mm로 제작되었다. 압축속도는 2mm/min로 하여 전단강도를 측정하였으며, 시편은 10개씩 측정하여 평균값을 구하였다.

2.5 제직형상 수치적 해석방법

강화재의 형태가 평직인 직물을 이용한 자기강화복합재료의 기계적 물성을 이용하여 가상공학 S/W인 GeoDict 및 Digimat 을 활용하여 평직, 능직 및 주자직과 같은 제직형상에 따른 복합재료의 인장강도를 예측하여 수치적으로 해석하였다.

물성 모델링 소프트웨어를 활용하여 섬유/수지에 탄성계수 (), 푸아송비() 및 밀도()를 Table 2와 같이 각각 입력하고, 섬유제직 조건을 모델링을 수행하였다. 다음으로 섬유 원사의 밀도와 fiber 지름 및 yarn의 치수를 입력하고 제직 조건으로 설계된 모델에 대해 시뮬레이션에 필요한 mesh 작업을 수행하였으며, 그 다음으로 섬유 길이 뱡항으로 변형률(δ) 0.03% 수준에서 기계적 물성을 예측하였다(Figure 3).

Table 2. Input material properties for weave and resin

Figure 3. Process for simulation.

3. 결과 및 고찰

3.1 재료 특성 분석

열적 특성: 자기강화복합재료는 동일한 재료를 이용하여 시편을 제조하기 때문에 제조공정에서 온도가 가장 중요한 변수로 작용한다. 그로 인해 HDPE 직물 및 LDPE 필름의 열적 특성을 Figure 4에 나타내었으며, HDPE 직물의 용융온도(Tm)은 140℃ 및 LDPE 필름의 Tm은 120℃로 나타났다.

Figure 4. DSC graph of (a) HDPE fabric and (b) LDPE film.

결정화도 분석: 결정화도는 재료의 기계적 물성에서 중요한 요소이다. HDPE 직물 및 LDPE 필름의 결정화도는 식(2)로 부터 도출하였으며, HDPE 직물의 결정화도는 65.3% 및 LDPE 필름의 결정화도는 18.4%로 나타났다.

3.2 시편 형상

Table 3은 온도에 따라 제조된 시편의 형상이다. P0 시편의 경우 낮은 온도로 인해 매트릭스인 LDPE가 용융이 되지 않아 강화 재인 HDPE 직물에 결합이 되지 않아 복합재료가 형성되지 않았다.

Table 3. Image of self-reinforced composite materials according to temperature

P1 시편은 매트릭스가 용융이 되어 HDPE에 접착이 되었지만, 부분적인 미용융으로 인해 복합재료의 층간 계면에서 분리가 되었으며, P2 시편의 경우 대부분 매트릭스의 용융이 일어났지만, 국부적으로 매트릭스가 용융이 되지 않아 복합재료 ply-ply 사이에서 delamination이 나타났다. 또한 P3 시편은 매트릭스의 완전한 용융으로 인하여 균일한 복합재료가 제조된 것을 확인하였다. 마지막으로 P4 시편의 경우 높은 온도로 인하여 강화재인 HDPE 직물까지 용융이 된 상태로 시편이 제조되었다.

3.3 기계적 물성

3.3.1 인장 특성

Figure 5는 HDPE/LDPE 자기강화복합재료의 인장강도 및 인장 탄성계수 측정 결과이다. 복합재료의 성형성이 좋을 수록 인장강도가 높게 나타났다.

Figure 5. Tensile properties of HDPE/LDPE self-reinforced composite.

P3 시편은 인장강도 및 인장탄성계수는 210MPa 및 20GPa 로 가장 높게 나타났으며, 이는 LDPE 매트릭스가 강화재인 HDPE 직물과의 계면결합이 우수한 것으로 사료된다. P1 시편의 경우 인장강도 및 인장탄성계수는 186MPa 및 16GPa로 P3 시편과 비교하여 인장강도 및 인장탄성계수는 약 11% 및 26% 감소하였다. P2 시편의 경우 인장강도 및 인장탄성계수는 약 8% 및 14% 감소하였으며, 이는 LDPE가 완전히 용융 되지 못하고 강화재와 매트릭스 사이 void로 인하여 계면결합력이 좋지 못해 인장강도가 상대적으로 낮게 나타난 것으로 판단된다. 또한 P1 시편 파단면의 경우 강화재와 매트릭스 계면이 분리되는 것을 확인하였으며, P3 시편 파단면의 경우 강화재와 매트릭스가 깔끔하게 파단된 것을 확인하였다. 마지막으로 P4 시편은 P3 시편에 비해 약 62%의 인장강도와 94%의 탄성 계수가 감소하였으며, 이는 HDPE의 Tm 이상인 140℃에서 자기 강화복합재료를 제조하여 강화재인 HDPE가 용융이 되어 낮은 인장 특성이 나타난 것으로 사료된다.

3.3.2 압축강도

Figure 6은 HDPE/LDPE 자기강화복합재료의 압축강도 결과이다. P3 시편의 압축강도는 69MPa로 가장 높게 측정되었으며, 이는 매트릭스가 강화재인 HDPE 직물 사이에 침투하여 섬유의 움직임을 최소화하여 압축강도가 높게 나타난 것으로 사료된다. 또한 P1, P2 및 P4 시편의 압축강도는 35, 60 및 43MPa로 P3 시편과 비교하여 약 49%, 13% 및 38% 감소하였다. P2 시편의 경우 P3 시편에 비해 상대적으로 매트릭스가 강화재에 침투 및 계면에서 결합이 제대로 이루어지지 않아 압축강도가 낮게 나타난 것으로 판단되며, P1 시편은 낮은 온도로 인해 매트릭스가 직물 내부에 상대적으로 적게 침투하여 복합재료의 stiffness가 낮아 압축강도가 P4 시편보다도 낮게 나타난 것으로 사료된다. 마지막으로 P4 시편은 강화재인 HDPE 및 LDPE 모두 용융이 되어 단일 소재처럼 거동을 하여 P1 시편보다 압축강도가 높게 나타난 것으로 판단된다.

Figure 6. Compressive strength of HDPE/LDPE self-reinforced composite.

3.3.3 전단강도

Figure 7은 HDPE/LDPE 자기강화복합재료의 전단강도 결과이다. 전단강도는 시편의 계면결합력이 좋을수록 높게 나타나는 경향이 나타났다. P3 시편의 경우 13MPa로 가장 높은 전단 강도가 측정되었으며, 이는 강화재와 동일 소재인 매트릭스가 용융이 되어 계면에서 강한 결합을 이뤄 전단강도가 높게 나타난 것으로 사료된다.

Figure 7. Shear strength of HDPE/LDPE self-reinforced composite.

P1 및 P2 시편의 전단강도는 7 및 11MPa로 P3 시편에 비해 약 45 및 10% 감소하였으며, 이는 매트릭스의 용융이 원활하게 이루어지지 않아 강화재와 계면결합력이 낮아 전단 강도가 낮게 나타난 것으로 판단된다. 또한 P2 및 P3 시편의 계면을 보면 P2 시편은 깔끔한 계면이 나타났으며 P3 시편의 경우 불균일한 계면의 형태를 확인하였다. 마지막으로 P4 시편의 전단 강도는 9MPa로 P3 시편에 비해 31% 감소하였으며, P1 시편보다 높은 전단강도가 측정이 되었다.

따라서 이는 높은 온도로 인해 강화재와 매트릭스가 모두 용융이 된 후 재결정을 통하여 시편이 제조되었기 때문에 하나의 소재로 거동을 하여 P1 시편보다 높은 전단강도가 나타난 것으로 판단된다.

3.4 제직형상에 따른 인장강도 예측

Table 4 및 Table 5는 가상공학 S/W인 GeoDict 및 Digimat 을 활용하여 제직형상에 따른 자기강화복합재료의 모델링 및 인장강도 결과이다. 시뮬레이션을 통하여 평직, 능직 및 주자 직의 폴리에틸렌 기반 자기강화복합재료의 인장강도를 예측하였으며, 각각 200, 204 및 215MPa의 결과 값을 도출하였으며, 평직으로 구성된 자기강화복합재료의 경우 실제 시험 값과 비교하여 약 4% 정도 감소한 값이 나타났다.

Table 4. Weaving 3D modeling

Table 5. Prediction of physical properties through simulation

능직으로 구성된 자기강화복합재료의 경우 평직보다 약 2% 정도 높은 인장강도가 나타났으며, 주자직으로 구성된 복합재료의 경우 평직에 비해 약 7% 향상된 인장강도가 예측되었다. 이는 평직으로 구성된 제직물의 경우 경사 및 위사가 교차하는 조직점이 주자직에 비하여 상대적으로 많이 분포하고 있으며, 이는 외부 하중에 의하여 내부 섬유 사이의 마찰이 상대적으로 더 많이 일어나게 되는 것으로 판단되었다. 또한 치밀한 조직으로 인하여 상대적으로 섬유 내부의 유동성이 더 적기 때문에, 주자직 조직에 비하여 평직 및 능직을 구성된 자기 강화복합재료의 인장강도 예측값이 더 적게 나온 것으로 판단되었다.

4. 결론

본 연구에서는 HDPE/LDPE 자기강화복합재료의 제조 조건 및 기계적 특성에 대하여 분석하였으며, 다음과 같은 결론이 도출되었다.

1. Hot stamping의 온도에 따른 자기강화복합재료 제조시 100℃인 P0 시편은 매트릭스의 미용융으로 인해 복합재료가 제조되지 않았으며, 110℃에서 제조된 P1 시편은 부분적으로 매트릭스가 용융이 되지 않아 계면이 벌어지는 현상이 나타났으며, 120℃에서 제조된 P2 시편은 국부적으로 매트릭스가 용융이 되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 또한 130℃에서 제조된 P3 시편은 매트릭스가 완전히 용융이 되어 복합재료의 형태가 잘 유지 되었으며, 140℃에서 제조된 P4 시편은 강화재인 HDPE 직물이 용융되는 현상이 나타났다.

2. 온도에 따라 제조된 자기강화복합재료의 인장특성, 압축강도, 전단강도와 같은 기계적 물성은 P3 시편이 가장 우수하게 나타났다. 이는 P0 시편은 매트릭스의 미용융으로 인해복합재료가 제조되지 않았으며, P1 및 P2 시편은 매트릭스가 국부적으로 용융이 되지 않은 것으로 판단된다. 낮은 계면 결합력을 의미하고 이러한 결과는 자기강화복합재료의 낮은 기계적 특성으로 이어졌다. 마지막으로 P4의 시편은 강화 재와 매트릭스가 완전히 용융이 일어나 복합재료의 특성이 나타나지 않았다.

3. 가상공학 S/W인 GeoDict 및 Digimat을 활용하여 제직형상에 따른 자기강화복합재료의 모델링 및 인장강도 예측을 하였으며, 시뮬레이션을 통한 평직, 능직 및 주자직의 폴리에틸렌 기반 자기강화복합재료의 인장강도는 각각 200, 204 및 215MPa의 결과 값이 도출되었으며, 평직으로 구성된 자기 강화복합재료의 경우 실제 시험 값과 비교하여 약 4% 정도 감소하였고, 능직 및 주자직으로 구성된 자기 강화복합재료의 경우 평직보다 약 2 및 7% 정도 높은 인장강도가 나타났으며, 주자직으로 구성된 자기강화복합재료의 인장강도가 가장 높게 나타났다.

따라서 여러 HDPE/LDPE 자기강화복합재료의 최적의 성형조건은 10분 동안 온도 130℃ 및 압력 100bar에서 가장 우수한 복합재료가 제조되었으며, 상대적으로 우수한 기계적 특성과 형태를 유지하였다. 또한 시뮬레이션 분석을 통하여 주자직으로 구성된 자기강화복합재료의 인장강도가 가장 높게 나타났으며, 향후 실험에서는 여러 종류의 직물을 이용하여 자기 강화복합재료의 기계적 물성을 분석하고, 더 나아가 매트릭스의 결정화를 분석하여 기계적 물성이 우수한 자기강화복합재료의 가이드라인을 제시할 것으로 기대한다.

감사의 글