모든복합재료

수지 시스템 Resin System

by composites posted Nov 16, 2014

1. 수지 시스템(Resin System)

복합재료에 사용되는 모든 수지 시스템은 다음과 같은 특성이 요구된다.

1. 우수한 기계적 물성
2.
우수한 접착 성능
3.
우수한 인성(Toughness)
4.
환경 분해에 대비한 우수한 저항성

수지 시스템의 기계적 물성


아래의 그림은 이상적인 수지 시스템의 응력/변형률 선도를 보여준다. 수지 응력/변형률 선도는 높은 극한강도와 강성(그래프상 초기 기울기에 나타남)을 그리고 파괴까지 높은 변형률을 보여준다. 이것은 수지가 처음부터 단단하나 동시에 취성 파괴에도 약하지 않음을 의미한다.

composite tensile stress strain curve.JPG



또한 복합재가 인장력을 받았을 때 수지는 적어도 섬유와 같은 정도로 변형되어야 한다는데 주의해야 한다. 아래 그림은 E-glass, S-glass, aramid, 고강도 카본 섬유 자체의(복합재의 형태가 아닌) 파괴 변형률을 나타낸다. 예를 들어 5.3% 신장시 파괴되는 S-glass 섬유는 최대 인장 특성을 얻기 위해 최소한 이와 같은 변형률에서 파괴되는 수지가 필요할 것이다.


composite tensile stress strain curve 2.JPG


수지 시스템의 접착 성능

어떠한 수지 시스템이라도 수지와 섬유간 우수한 접착 성능이 요구된다. 이것은 하중을 받았을 때 효과적으로 하중을 전달하고 크랙이나 섬유/수지간 분리를 방지하도록 하기 위함이다.


수지 시스템의 인성

인성은 크랙 전파에 대한 재료의 저항성을 나타내는 척도이지만 복합재에서는 이것을 정확히 측정하기 어렵다. 그러나 수지 시스템 자체의 응력/변형률 선도는 재료 인성의 척도를 어느정도 제공한다. 일반적으로 수지가 파괴전 더 큰 변형에 견디면 복합재는 더욱 높은 인성과 크랙 저항성을 갖게 될 것이다. 거꾸로 말하면 낮은 변형률에서 파괴되는 수지 시스템은 부서지기 쉬운 복합재를 만들것이고 쉽게 크랙이 생길 것이다. 강화 섬유의 신장에 대한 이 특성은 중요하다.


수지의 환경 특성

일정한 주기적 응력에 저항하는 능력과 함께 환경, 물 그리고 다른 공격적 물질에 대한 우수한 저항성은 모든 수지 시스템에 있어서 없어서는 안될 중요한 특성이다. 특히 이러한 특성은 해양 환경에서 더욱 중요하다.


수지의 종류


섬유강화 복합재료에서 사용되는 수지들은 폴리머(polymers)라고 일컬어진다. 모든 폴리머는 그것들이 다수의 단순한 반복적 유닛으로 구성된 긴 사슬형태의 분자들로 구성되었다는 점에서 공통적으로 중요한 특성을 보여준다. 합성 폴리머들은 일반적으로 합성 수지나 단순히 수지라고 불리운다. 폴리머는 열에 대한 영향에 따라 열가소성 수지열경화성 수지로 두가지 분류가 가능하다.


금속과 같이 열가소성 수지는 열에 의해 부드러워져서 결국 녹고 냉각에 의해 다시 단단해진다. 연화점이나 용융점을 교차하는 과정은 각각의 상태에서 재료의 물성에 어떠한 영향없이 원할때마다 반복될 수 있다. 전형적인 열가소성 수지는 나일론, 폴리프로필렌, ABS를 포함하는데 유리와 같은 재질로 된 잘게 썰어진 (chopped) 단섬유로 보강될 수 있다.


열경화성 재료 혹은 수지는 화학적 반응에 의해 형성되는데 수지와 경화제 혹은 수지와 촉매제가 비가역적 화학적 반응에 의해 경화되고(cure) 불용성 제품이 된다. 페놀수지와 같은 몇몇 열경화성 수지에서는 휘발성 물질이 부산물로서 생성된다(축합반응). 폴리에스테르나 에폭시와 같은 다른 열경화성 수지는 휘발성 부산물을 생성하지 않고 경화되기 때문에 더욱 공정이 쉽다. 한번 경화되면 열경화성 수지는 기계적 물성치가 크게 변하는 온도에 달하더라도 열에 의해 다시 액화되지 않는다. 이 온도는 Tg(유리전이온도, Glass Transition Temperature)라고 알려져 있고 사용된 수지 시스템, 경화의 정도, 혼합비에 따라 크게 바뀐다. Tg이상에서 열경화성 수지는 분자 구조가 딱딱한 결정 폴리머에서 유연하고 무정형의 폴리머로 바뀐다. 이 변화는 Tg이하로 냉각하는 상황에서 가역적이다. Tg이상에서 수지의 강성 - 압축 및 전단 강도 등 - 이 급격히 떨어진다. Tg이상에서 내수성이나 색안정성과 같은 다른 특성들 또한 현저하게 떨어진다.


복합재 산업에서 사용되고 있는 수많은 종류의 수지가 있지만 구조 부품 대다수는 주로 폴리에스테르, 비닐에스테르, 에폭시의 세가지 타입으로 제작된다.

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