* 군산대학교, 해상풍력연구원 (교신저자)
** 군산대학교, 해상풍력연구원
*** 두산중공업, Plant EPC) 풍력기술개발 2팀 E-mail : [email protected]
DOI : https://www.doi.org/10.33519/kwea.2021.12.2.005 Received : May 13, 2021, Revised : May 13, 2021, Accepted : May 31, 2021
1. 서 론
섬유강화 복합재료는 고강도 경량화 재료로 최근 우주항공분야, 레저산업 및 풍력 블레이드 등 다양한 분에에서 사용되고 있다 [1]. 특히 탄소섬유강화복합재 료의 경우 유리섬유강화복합재료와 비교하여 기계적 물성이 높기 때문에 풍력블레이드에서 주요 하중을 지
풍력에너지저널 pp. 37~42
풍력블레이드의 제작 신뢰성 향상을 위한 접착 성능평가에 관한 연구
1)이상일*․신평수**․박정완**․주완돈***
A study on the evaluation of adhesive performance for improving wind blade manufacturing reliability
Sang-Il Lee*, Pyeong-Su Shin**, Jeong-Wan Park** and Wan-Don Joo***
Key Words : Soapy water (비눗물), CFRC (탄소섬유강화복합재료), Surface energy (표면에너지), Interfacial adhesion (계면접착)
ABSTRACT
The effect of interfacial adhesion to soapy water used as an intermediate medium was studied for nondestructive evaluation (NDE) of wind blade composite materials. As a result of surface energy analysis using a static contact angle method, the polar component of the surface energy decreased after the water cleaning or acetone cleaning process. The interfacial adhesion of carbon fiber reinforced composite (CFRC) and adhesive using a lap shear test was relatively increased after the water cleaning or acetone cleaning process. In the case of acetone cleaning, not only were the polar elements of the surfactant partially removed, but also the polar elements existing on the surface of the CFRC, and thus the shear strength tended to decrease compared to the case of the water cleaning process. The water cleaning process is the most efficient method to apply to the actual production process to eliminate the surfactant residues on a wind blade composite surface.
기호설명 : 고체와 액체 간 계면에너지 [mJ/m2]
: 정적접촉각 [deg.]
: 전단강도 [MPa]
: 파단 시 하중값 [N]
: 시편의 폭 [mm]
: 중첩 길이 [mm]
: 전단강도의 특성화값 [MPa]
: 전체 표면장력 [mJ/m2]
: 비극성 요소 표면장력 [mJ/m2]
: 극성 요소 표면장력 [mJ/m2]
: 접착일 [mJ/m2]
: 고체의 표면에너지 [mJ/m2]
: 액체의 표면장력 [mJ/m2]
지하는 역할을 하는 스파캡 등에 활용되고 있다 [2].
그러나 탄소섬유강화 복합재료는 섬유 직경이 작기 때 문에 에폭시 수지가 이동하는 경로의 체적이 적으므로 제조공정 중 수지의 미함침, debonding 및 wrinkle 등 과 같은 미세 결함이 발생할 가능성이 높다. 이러한 내부 결함은 하중 인가시 손상을 야기하여 강도저하 및 블레이드의 최종 파괴를 유도할 수 있다 [3].
최근 블레이드 복합재료의 결함을 탐지하기 위해, 초음파 평가법과 같은 비파괴 평가 기술이 도입되고 있다 [4]. 초음파 평가법의 경우, 정밀도를 높이고자 탐 침센서와 시편 간의 신호감지능 향상을 위해 중간매질 을 사용하는데 주로 액체상의 비눗물이 사용되고 있으 며, 이러한 비눗물이 표면에서 완전히 제거되지 않을 경우 복합재료 계면 접착 시 두 피착제 사이의 계면에 오염물질로 작용하여 접착특성에 영향을 줄 가능성이 있으나, 이에 대한 체계적인 연구는 진행되고 있지 않 는 실정이며, 본 연구에서는 액체 비눗물의 제거방법 과 그에 따른 계면접착 특성에 대해 연구하였다.
오염 및 인위적인 표면처리 등으로 표면이 변화되 었을 때 변화정도의 확인을 위해 접촉각 측정 방법이 사용되는데, 도출된 표면에너지의 경우 표면 상태 및 물질에 대하여 극성 요소와 비극성 요소를 판단 하므 로써 접착 특성 평가의 지표로 사용되고 있다 [5,6].
중첩전단시험은 실제 블레이드에 적용하는 복합재 료 표면에 접착제를 도포하여 전단강도를 직접적으로 측정하는 방법이다. 실제 복합재료 접착 시 이용되는 접착제를 이용하였기 때문에 신뢰성 향상에 도움이 되 므로 각 산업 분야에서 접착특성평가에 널리 이용되고 있다 [7].
본 연구에서는 실제 블레이드용 복합재료 표면에 비눗물을 처리하여 접착특성 저하정도를 확인하였고, 물과 아세톤으로 세척한 후 각 세척액에 따라 세척 후 접착특성의 변화를 확인하였다. 비누가 도포된 표면 및 세척된 표면의 상태를 확인하기 위해 전계방사 전 자현미경을 통하여 표면상태를 시각적으로 확인하였다.
세척정도에 따른 표면에너지 변화를 확인하기 위해 각 기 다른 네 가지 용매를 이용하여 정적접촉각을 측정 하였고, 표면에너지를 계산하였다. 이와 함께 직접적인 평가 방법인 중첩전단시험을 통하여 각 세척 조건에 따른 접착강도를 평가하였다.
2. 실 험
2.1 시편 제작
본 연구에서 사용한 복합재료는 풍력블레이드 스파 캡용 탄소섬유강화복합재료로써 블레이드 제작사로부 터 제공받았다. 중간매질은 실제 블레이드 검사 시에 사용하는 액체비누 용액을 블레이드 제작사로부터 제 공받아 실험에 사용하였다. 접착제를 구성하는 기지재 인 비스페놀-A 타입의 에폭시 수지와 아민계 타입의 경화제를 사용하였다.
최적의 세척 조건을 확인하기 위해, 희석된 비눗물 을 이용하여 각 탄소섬유복합재료 표면에 도포 후 20 분간 상온에서 건조하였다. 이후, 아세톤 및 증류수를 이용하여 3분간 각각 세척하였고, 24시간 상온에 건조 하였다. 최종 건조된 시편을 토대로 세척 정도를 확인 하였다. 각 조건에 대한 처리 방법을 표 1에 정리하였 다.
Table 1 The processing method and procedure of soapy water treatment and cleaning on CFRC surface
Processing
method Procedure
Soapy
water 1) Soapy water treatment for 20 minutes Water-
cleaning 1) Soapy water treatment for 20 minutes 2) Cleaning for 3 minutes by water Acetone-
cleaning 1) Soapy water treatment for 20 minutes 2) Cleaning for 3 minutes by acetone
2.2 시험 방법
비눗물을 구성하는 비누 및 액체에 대한 구성비를 확인하기 위해, 고온용 오븐을 이용하여 60 °C 조건에 서 24시간 동안 액체를 증발하였고, 남은 비누의 무게 를 측정하여 비누 및 액체 함량을 확인하였다. 또한, 비눗물 및 고체 비누의 화학적 조성을 확인하기 위하 여 푸리에변환 적외선분광기(FT-IR, 6300FV)을 이용 하였다. 표면상태를 확인하기 위하여 전계방사 전자현 미경(FE-SEM, SU3800)을 이용하였고, 표면에 비누 잔유물 및 세척 정도를 시각적으로 관찰하였다. 표면 에너지를 확인하기 위하여 Fig. 1(a)와 같은 장치를 이 용하여 정적접촉각을 측정하였다.
(a)
(b)
Fig. 1 (a) Experimental apparatus of static contact angle and (b) Dimension of specimen using lap shear test [10,11]
표면장력을 알고 있는 4가지 용매인 증류수, 포름아 마이드, 에틸렌글리콜, 그리고 디아이오도메탄을 이용 하여 세척 정도에 따른 정적 접촉각을 측정하였다. 각 용매에 대한 극성 표면장력 및 비극성 표면장력을 표 2와 같이 정리하였다 [8].
Table 2 Surface tension of 4 type solvent to calculate surface energy on CFRC surface [8]
Solvent
Water 72.8 21.8 51
Formamide 58.2 39.5 18.7
Ethyleneglycol 48 29 19
Diiodomethane 50.8 48.5 2.3
탄소섬유강화복합재료 표면에 각 용매를 떨어뜨릴 때 접착이 일어나게 되고, 접착일(Work of adhesion) 에 따라 고체 표면과 액체 용매 간 정적접촉각을 형성 한다. 이 때 접착일 (Wa) 을 Young-Dupre 수식은 식 (1)과 같이 표현할 수 있다. 식 (1)을 이용하여 고체 표면에 대한 표면에너지를 계산하였다 [9].
cos (1)
복합재료 표면에 도포되어있는 비눗물에 대한 접착 강도 영향성 평가를 위해, 중첩전단시험을 ASTM D3164 규격에 근거하여 수행하였고 시험편은 Fig.
1(b)와 같이 제작하였다 [10,11]. 또한, 전단강도의 특 성화값(Characteristic value) 은 GL guideline을 근거 로 하여 수행하였다 [12]. 각각의 조건으로 표면처리가 된 복합재료에 일정 면적(25.4 mm × 12.7 mm) 및 접 착제 두께(0.5 mm) 로 접착제를 도포 한 후 포개어 80
°C 조건에서 10시간 경화하였다. 경화된 시험편은 1.3 mm/min의 속도로 인장하였다. 전단강도는 중첩전단 시험을 통해 얻은 하중값을 식 (2)에 대입하여 얻었으 며, 전단강도의 특성화값은 GL guideline에 명시된 특 성화 값을 구하는 방식을 통해 계산하였다.
×
(2)
3. 결과 및 고찰
3.1 비누의 함량비에 따른 화학적 분석
Fig. 2는 비누의 수분함량비에 따른 화학적 분석을 나타낸 것이다. 액체비누 및 비누 희석액의 적외선 피 크를 확인하였을 때, 3330 cm-1 영역에서 –OH 피크 및 1637 cm-1 영역에서 H-O-H 피크가 검출되는 것으 로 보아 물의 피크와 동일함을 확인하였다.
Fig. 2 FT-IR spectrum depending on contents ratio of soap and water
액체비누 원액의 경우 물의 함량이 비누 성분 대비 약 90 % 함유하고 있고, 희석하였을 때 물의 함량이
비누 성분 대비 99 % 함유하는 것을 확인하였다. 물을 증발시키고 순수 비누에 대한 적외선 피크를 확인하였 을 때, 대표적으로 2925 및 2857 cm-1 영역에서 – CH2- 피크, 1609 및 1574 cm-1 영역에서 C=C 피크, 1412 cm-1 영역에서 S=O 피크가 검출되었고, 제조사 에서 공개된 대표 주요성분인 소듐도데실벤젠설포네이 트인 계면활성제 [13] 와 부합함을 확인하였다.
3.2 전계방사 전자현미경을 통한 표면 관찰
Fig. 3은 전계방사 전자현미경을 통하여 각 조건에 따른 표면에 대한 사진이다. 미세척의 경우 비누 성분 으로 추정되는 물질이 다수 관찰되는데 반해, 세척 처 리 후 표면 잔유물이 감소하는 것을 확인하였다.
Fig. 3 FE-SEM photos on CFRC surface: (a) soapy water; (b) water-cleaning and (c) acetone-cleaning
3.3 각 조건에 따른 표면에너지 변화
Fig. 4는 각 조건과 네 가지 용매 간 정적접촉각을 나타내었고, 실험과 계산을 통하여 극성 표면에너지 및 비극성 표면에너지를 Fig. 5와 같이 정리하였다. 비 눗물로 처리하고 미세척한 경우 표면에너지 중 극성 요소의 비율이 매우 높음을 알 수 있었고, 물로 세척 한 경우 미세척 결과와 비교하면 극성인자 비율이 다 소 감소하였으며, 아세톤으로 세척한 경우 극성 요소 비율이 가장 낮았음을 알 수 있었다.
Fig. 4 Static contact angle of droplets of four different solvents on various treated-CFRC surface
Fig. 5 Relative ratio of surface energy on various treated-CFRC surface
Fig. 6은 비눗물로 처리한 경우와 세정 공정 후의 탄소섬유강화복합재료 표면의 계면활성제 분자의 배열 상태에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
(a) (b)
Fig. 6 Schematic illustration of molecular arrangement on CFRC surface after (a) Soapy water treatment and (b) cleaning process
비누의 경우 극성 요소와 비극성 요소를 동시에 가 지는 계면활성제이다 [14]. 탄소섬유강화복합재료의 경 우 상대적으로 소수성을 가지는 탄소와 에폭시를 함유 하기 때문에, 비눗물로 처리한 경우, 계면활성제가 탄 소섬유강화복합재료의 표면에 접촉했을 때, 소수성인 CFRP 표면에 소수성 관능기(Hydrophobic functional group)가 접촉하므로 친수성 요소들이 최외각 표면을 형성하게 된다. 세척 공정을 거치게 되면, 표면에 있는 계면활성제가 제거되므로, 비눗물로 처리했을 때 탄소 섬유복합재료의 최외각에 존재하는 친수성기 (Hydrophilic functional group)의 특성인 극성 요소가 감소하게 된 다. 또한 세척 용매의 종류에 따라 다소 다른 경향이 나타나는데, 유기용매의 한 종류인 수용성 아세톤으로
세척한 경우 물로 세척한 경우에 비해, 극성 요소가 급격히 감소한 것으로 나타났다. 이는 아세톤의 세척 이 물의 세척보다 상대적으로 강하기 때문으로 나타난 현상으로 고찰된다 (Fig. 6(b)).
3.4 각 표면 세척 조건에 따른 중첩전단시험
Fig. 7은 각 조건에 따른 중첩전단시험 결과를 토대 로 전단강도(τRk)를 도시한 그래프이다. 비눗물로 처리 한 후 미세척한 경우의 전단강도(특성화값)가 가장 낮 았고, 비눗물로 처리한 후 물 및 아세톤으로 세척한 경우의 전단강도(특성화값)가 상대적으로 증가하는 경 향을 보였다. 또한 아세톤 세척보다 물로 세척한 경우 의 전단강도(특성화값)가 가장 높은 것으로 나타났다.
Fig. 7 Characteristic shear strength of CFRC and adhesive depending on various surface treatment condition
실제 탄소복합재료 표면을 접착제로 접착하는 공정 에서 미세척된 계면활성제는 탄소섬유강화복합재료와 접착제의 계면에서 접착력을 방해하는 요소로 작용하 여 전단강도가 낮게 나타난다 [15]. 반면에, 물과 아세 톤으로 세척한 경우 접착제와 탄소섬유강화복합재료의 접착력에 대한 방해 요소가 제거되어 전단강도가 향상 됨을 확인하였다. 아세톤으로 세척한 경우 계면활성제 의 극성요소 뿐 아니라 탄소섬유강화복합재료 표면에 존재하는 극성요소까지도 제거함으로 인해 물로 세척 한 경우보다 전단강도가 오히려 감소하는 경향을 보였 다. 이는 극성 요소와 비극성 요소를 가지고 있는 접 착제 [16] 간 접착특성을 저하시키는 요인으로 작용하
였다. 이를 통해 실제 표면 세척 시 물세척 조건이 가 장 효율적 방법임을 확인하였다.
4. 결 론
비눗물 즉, 계면활성제가 처리된 복합재료 표면에 세척 공정에 사용되는 두 가지 세척액 종류에 따른 표 면에너지 및 접착강도의 특성 변화를 확인하였다.
전계방사 전자현미경을 통하여 탄소복합재료의 표 면 분석 결과 미세척의 경우 비누 성분(계면활성제)으 로 추정되는 물질이 다수 있었으나, 세척 처리 후 표 면 잔유물이 감소하였다. 표면에너지 분석을 통해 계 면활성제 미세척의 경우 극성 요소가 높은 데 반해, 물과 아세톤으로 표면을 세척한 경우 표면에너지의 극 성 요소가 감소하였다.
탄소섬유복합재료 중첩전단시험을 통해 미세척의 경우 계면활성제가 접착력을 방해하는 요소로 작용하 여 낮은 전단강도를 가졌지만, 물과 아세톤으로 세척 한 경우 전단강도가 상대적으로 증가함을 확인하였다.
특히 아세톤으로 세척한 경우 계면활성제의 극성 요소 뿐 아니라 탄소섬유강화복합재료 표면에 존재하는 표 면 자체의 극성 요소까지도 제거됨으로 인해 물로 세 척한 경우보다 전단강도가 감소하는 경향을 보였다.
본 연구 결과와 유기용매의 사용에 대한 작업의 효 율성이라는 두 가지 관점을 통해 고찰해 보면, 실제 복합재료 블레이드의 표면 세척 공정에서는 물로 계면 활성제를 세척하는 것이 가장 효율적인 방법인 것으로 제안할 수 있다.
후기
이 논문은 2019학년도 군산대학교 신임교수 연구비 지원에 의하여 연구되었음
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