나. Orifice gate의 위치가 다른 금형
3. 첨가제 정렬
앞선 2, 3 장에서는 금형 내부에 orifice를 삽입하는 경우 첨가제 정렬이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 4-4는 orifice를 삽입한 nozzle을 사용할 경우 복합소재 의 열전도도를 측정한 결과로 orifice nozzle을 사용할 경우 열전도도는 증가하는 것 을 확인할 수가 있었다. 샘플에 따른 열전도도의 값은 Table 4-4에 정리하였다.
carbon fiber를 10 wt.% 혼합한 복합소재에서 orifice대비 열전도도는 약 5%, 20 wt.%를 혼합하는 경우 약 3% 향상하는 것을 확인할 수 있었다. 이때 Fox50의 측정 방법에서 열전달은 샘플을 제작한 raster 방향과 수직으로 전달되고 일반적인 금형 에서는 첨가제 정렬은 raster 방향으로 정렬하기 때문에 orifice에 의한 첨가제 정렬 은 Fox50을 사용한 열전도도 측정에 긍정적인 효과를 주는 것으로 볼 수 있다. 또 한 carbon fiber가 아닌 열전도도가 높은 첨가제를 사용하거나 두께가 얇은 orifice를 삽입하는 경우 첨가제 정렬의 효과를 극대화할 수 있을 것으로 생각하고 있다.
Matrix + additive Orifice No. Thermal conductivity (W/mK)
PDMS + CF 10 wt.% X (B) 0.218
O (C) 0.229
PDMS + CF 20 wt.% X (D) 0.261
O (E) 0.270
Table 4-4. Specification of high polymer composites with various concentration and orifice channels.
Figure 4-4. The thermal conductivity of the PDMS + carbon fiber depending on embedded orifice.
제2절 인장강도 측정
1. 샘플 제작
및 측정방법4장 2절에서는 첨가제 정렬과 복합소재의 인장강도 관계 특성을 연구하기 위해 서 앞선 적층 가공을 모사한 방법으로 0.2 mm orifice를 삽입한 금형을 사용하여 샘플을 제작하였다. 복합소재는 120 × 40 mm2의 직사각형 형상으로 제작하고 인장 강도 측정을 위해 펀칭가공을 통해 ASTM D412-C의 형태로 제작하였다. 측정한 복 합소재 샘플은 PDMS, carbon fiber를 혼합한 20 wt.%의 2가지 농도 조건으로 Fig.
4-5 (a)와 같이 제작하였다. Fig. 4-5 (b)는 복합소재를 제작할 때의 주사기 펌프 및 bed의 이송속도는 4장 1절과 똑같이 제작하였다. 이때 만들어진 샘플의 높이는 1, 2층 2가지로 총 6개의 샘플을 제작하였다. 샘플에 대한 자세한 사항은 Table 4-5로 정리하였다.
Figure 4-5. (a) Polymer composites samples depending on type C of ASTM D412.
(b) Schematic of additive alignment inside polymer composites.
Matrix +additive Orifice No. Width (mm) Thickness (mm)
PDMS + CF 0 wt.% X (A) 6.21 0.87
PDMS + CF 0 wt.% X (B) 6.05 1.67
PDMS + CF 20 wt.% X (C) 6.15 0.98
PDMS + CF 20 wt.% X (D) 6.08 1.99
PDMS + CF 20 wt.% O (E) 6.12 1.03
PDMS + CF 20 wt.% O (F) 5.99 1.80
Table 4-5. Specification of Polymer composites
제작된 복합소재는 한국고분자시험연구소에 의뢰하여 인장강도를 측정하였으 며, 측정한 장치는 Fig. 4-6의 Instron사의 3367을 사용하였다. 측정한 장치에 관한 자세한 사항은 Table 4-6에 정리하였다.
Figure 4-6. Universal testiong machine (Instron, 3360 Series 3367)
Instron 3367
Speed 500 mm/min
Grip face 65 mm
Load cell 500 N
Room temperature 23 ± 2 ℃
Room relative humidity 45 ± 5% R.H.
Type ASTM D412-C
Table 4-6. Specification of universal testing machine.
2. 첨가제 농도
Fig. 4-7에 표시된 그래프는 복합소재에 혼합된 첨가제 농도에 따른 인장강도로 복합소재의 두께에 대해 Table 4-5에 자세히 정리하였다. Fig. 4-7의 복합소재의 두 께, 농도를 parameter로 설정하였으며, (A), (B)는 첨가제가 혼합되지 않은 sylgard 186, (C), (D)는 sylgard 186에 carbon fiber를 20 wt.%를 혼합한 복합소재의 농도에 따른 tensile strength이다. Sylgard 186의 technical data sheet에 따르면 tensile strength 는 2.1 (N/mm2)이며, 측정한 sylgard 186은 50%의 차이를 보여주고 있다. 두께에 따 른 인장강도는 (A), (B)는 서로 1%, (C), (D)는 16%의 차이를 보여주고 있다. (A), (C) 또는 (B), (D)의 인장강도를 비교한 결과 2배 이상의 차이를 보여준다. 또한 첨가 제를 혼합하는 경우 strain이 감소하는 결과를 보여주고 있다. 이는 첨가제가 혼합될 수록 PDMS의 특성이 사라지게 되는 것을 보여주고 있다. 순수 sylgard186의 경우 30 N 일 때 UTS(ultimate tensile strength)을 측정할 수 있으며 strain 또한 420%까지 변 형하는 것을 볼 수 있다. 하지만 첨가제가 혼합되는 경우 8 N까지 UTS를 볼 수 있 고 strain은 344%까지 변형하는 것을 관찰하였다. 이는 첨가제를 혼합한 복합소재에서 도 유사한 경향을 보여준다. 서론에서 언급했듯이 첨가제를 혼합한 복합소재는 기계 적, 열적 물성이 상승하는 다양한 연구가 진행되고 첨가제의 농도에 따라 비례적으로 상승하는 것으로 알려져 있다. 하지만 본 연구에서는 첨가제를 혼합할 경우 UTS가 낮아지는 것을 관찰하였기에 별도의 연구가 필요할 것으로 보인다. 추가로 몇몇의 연 구에서는 예외적으로 첨가제의 함량이 일정 농도 이상 증가하면 UTS, storage modulus 등이 감소하는 연구결과도 있다. [19, 47]
Figure 4-7. The tensile strength of the PDMS + carbon fiber depending on additive concentration.
Matrix +additive Thickness (mm) No. Tensile strength (N/mm2)
PDMS + CF 0 wt.% 0.87 (A) 3
PDMS + CF 0 wt.% 1.67 (B) 3.03
PDMS + CF 20 wt.% 0.98 (C) 1.39
PDMS + CF 20 wt.% 1.99 (D) 1.61
Table 4-7. Specification of Polymer composites with various concentration
3. 첨가제 정렬
Fig. 4-8에 표시된 orifice에 따른 인장강도는 복합소재의 두께에 대해 Table 4-8에 정리하였다. Fig. 4-6의 복합소재의 두께, orifice 삽입 여부를 parameter로 설
정하여 측정하였다. 첨가제를 혼합하지 않은 (A), (B)를 제외하고 (C), (E)는 orifice 를 삽입한 nozzle을 사용하고 (D), (F)는 orifice를 삽입하지 않은 nozzle을 사용하여 출력한 복합소재의 strain-stress curve 측정하였다. Fig. 4-5 (b)를 보면 tensile stress의 측정방향과 첨가제 정렬은 orifice를 삽입하는 경우 수직이 되기 때문에 UTS 및 tensile strength, strain이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 (C), (E)와 (D), (F)를 통해 확인할 수 있다.
Figure 4-8. The strain–stress relationship of the PDMS + carbon fiber depending on embedded orifice.
Matrix +additive Orifice No. Thickness (mm) Tensile strength (N/mm2)
PDMS + CF 0 wt.% X (A) 0.87 3
PDMS + CF 0 wt.% X (B) 1.67 3.03
PDMS + CF 20 wt.% X (C) 0.98 1.39
PDMS + CF 20 wt.% O (D) 1.03 1.06
PDMS + CF 20 wt.% X (E) 1.99 1.61
PDMS + CF 20 wt.% O (F) 1.80 1.31
Table 4-8. Specification of high speed camera with various concentration and orifice channels.
제 5장 결론
폴리머 복합소재는 다양한 가공 방법에 있어서 다양한 장점을 바탕으로 기계적 및 열 특성을 향상할 수 있는 유망한 소재로써 각광받고 있다. 그 중에서도 첨가제 정렬은 복합소재 물성 향상에 있어서 중요한 역할을 하며, 낮거나 같은 첨가제 농 도에서도 물성 향상에 있어서 극대화할 수 있다. 본 연구는 먼저 첨가제 정렬에 영 향을 주는 유동장을 변경하기 위해서 orifice를 삽입하는 방법을 사용했으며 비교적 간단한 공정인 사출금형을 모사하였다. 공정 과정 중에 유동장의 변화에 따른 복합 소재 내부의 첨가제 정렬을 관찰하기 위해 유동가시화 실험을 수행하였으며, CFD simulation을 통해 비교분석하였다.
유동가시화와 CFD simulation을 비교분석한 결과 orifice를 삽입하는 경우 내부 유 동장에 영향을 주고 그 변화는 첨가제가 정렬하는 경향과 비슷한 것을 확인하였다. 다음으로는 사출 가공이 아닌 FFF 공정과정에 orifice를 삽입하였다. 사출 공정과 유사한 방법으로 유동장에 변화를 주기위해서 nozzle 채널 내부에 orifice를 삽입하 고 복합소재가 압출됐으며, 이때 nozzle 내부와 외부의 첨가제 정렬을 유동 시각화 실험으로 관찰하였다. 그 결과 nozzle 내부에서의 첨가제 정렬은 압출 된 후 첨가제 정렬과 유사한 경향을 보여줬으며 압출된 후 자유표면에서는 첨가제 정렬에 변화 가 없는 것을 확인하였다. 유동가시화 실험을 통해 첨가제 정렬을 분석한 결과 첨 가제 정렬은 filament 유량에 의해 영향을 받지 않으며, 0.2 mm orifice가 있는 nozzle은 0.5 mm orifice nozzle, no orifice nozzle, 실제 nozzle 채널보다 유동방향에 수직으로 첨가제의 각도가 커지는 것을 확인하였다. 또한 orifice 구조를 가진 사출 금형 내부에서 수행된 기존 유량 시각화 실험에서 볼 수 없었던 channel의 중심에 서 첨가제가 평행하게 정렬되는 현상이 관찰되었다. 위와 같은 현상을 규명하기 위 해서 유동가시화 실험과 동일한 형상을 가진 channel 내부의 유동장을 CFD simulation을 통해 계산하였다. 그 결과 channel 내부의 shear rate, extension rate의 절 대적인 수치는 영향이 없고 Trebbin이 제시한 절대 비율인 rate ratio와 첨가제의 회 전이 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
유동가시화 실험을 위해서 제작된 복합소재의 첨가제 농도는 매우 낮은 편이며, 실제 산업에서 사용되는 복합소재는 높은 농도로 제작된다. 그렇기에 실제 사용되
는 복합소재에서도 유동장의 변화가 첨가제 정렬과 영향을 주는 것을 확인하기 위 해 orifice를 삽입한 nozzle로 높은 첨가제 농도를 가진 샘플을 제작하였다. 제작된 복합소재는 in-plain, through-plain의 방향에 맞는 물성을 측정해서 첨가제 정렬의 효 과를 입증하였다. 복합소재의 is-plain으로 측정하는 열전도도의 경우 10 wt.%일 때 5% 상승하는 것을 확인했으며, through-plain으로 tensile strength를 측정한 경우 25%
정도 하락하는 것을 확인하였다. 즉 유동장의 변화로 첨가제 정렬을 제어하는 연구 는 FFF, 다양한 제작 공법에서 복합소재를 재료로써 사용하고 프로세스를 설계하 는 데 도움이 될 수 있다.