접착 및 계면 제14권 제3호, 2013년 Journal of Adhesion and Interface Vol.14, No.3, 2013
<연구논문(Original Article)>
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아라미드섬유/페놀수지 프리프레그의 Tack성 분석
홍태민
1⋅이지은
1⋅홍영기
2⋅이정순
3⋅조대현
4⋅이승구
1†1
충남대학교 유기소재섬유시스템공학과,
2건양대학교 패션디자인산업학과,
3충남대학교 의류학과,
4한국섬유개발연구원 (2013년 6월 20일 접수, 2013년 9월 16일 수정, 2013년 9월 17일 채택)
Analysis of Tack Properties of Aramid/Phenolic Prepreg
Tae Min Hong
1, Ji Eun Lee
1, Young Ki Hong
2, Jung Soon Lee
3, Dae Hyun Cho
4, and Seung Goo Lee
1†1
Department of Advanced Organic Materials & Textile System Engineering, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea
2
Department of Fasion Design & Apparel Industry, Konyang University, Nonsan 320-711, Korea
3
Department of Clothing & Textiles, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea
4
Korea Textile Development Institute, Daegu 703-712, Korea
(Received June 20, 2013; Revised September 16, 2013; Accepted September 17, 2013)
요 약 : 섬유 프리프레그(prepreg)는 복합재료를 제조하기 위한 중간성형재료이다. 아라미드섬유직물에 범용 페놀수지와 polyvinyl butyral (PVB) 변성 페놀수지를 각각 40 wt%씩 도포하고, 열처리를 통해
B-stage 상태의 섬유 프리프레그를 제조하였다. 섬유 프리프레그의 표면형상을 주사전자현미경을 이용
하여 관찰하였다. 프리프레그의 tack성은 복합재료 성형 시에 매우 중요한 특성으로 본 연구에서는 시험적 요인에 따른 tack성을 보기 위하여 probe tack 시험법을 적용하였다. 시험시의 contact time, contact force, debonding rate를 변수로 두었다. 섬유 프리프레그의 tack성은 시험적 요인의 증가에 따라 비례적으로 증가하다가 임계점에서부터는 일정한 값을 가지는 것을 확인하였다. 최종적으로 debonding rate에 따른 tack성의 변화와 프리프레그 표면에서의 fibrillation과의 상관관계를 고찰하였다.
Abstract: The prepreg material is a sheet of the reinforcement pre-impregnated with a resin. In this study, two types of prepreg were prepared with a general phenolic resin and the polyvinyl butyral (PVB) modified phenolic resin, respectively, with resin content of 40 wt%. After resin impregnation, the prepregs were heat treated in an oven to make them the B-stage. Surface morphology of the prepreg was observed by using a scanning electron microscope (SEM). Tack property of the prepreg is one of the major properties that govern the ability of prepreg to be laid up. In this study, the tack of prepreg was measured under various test parameters by a probe tact test. Test parameters were contact time, contact force and debonding rate. Most of the tack properties of the prepreg increased with the test parameters. Then tack properties exhibited a linear behavior with test parameters before a saturation point. Also, the tack of prepreg was investigated in relation with the fibrillation phenomena involved in the prepreg surface with the debonding rate.
Keywords: prepreg, aramid fabric, phenolic resin, probe tack test, interfaces
1. 서 론
1)
섬유강화 복합재료는 항공⋅우주 산업 분야로의 응용 이 더욱 확대되었고 취급과 수리 및 성형이 용이하며 경제성이 있어 현재에는 건축, 자동차, 선박, 군사장비, 스포츠용품 등의 다양한 분야에서 사용되고 있는 소재
†Corresponding author: Seung Goo Lee ([email protected])
이다[1-4]. 또한, 섬유강화 복합재료는 높은 비강도 및
비강성 등 우수한 기계적 성질을 갖고 있어 최근 산업
구조물에 점차 많이 응용되고 있다. 특히 설계자의 다
양한 요구 조건에 합당한 특성을 갖도록 각층의 두께
와 섬유방향을 결정할 수 있는 이방성 재료의 특성 때
문에 무게의 중요한 요소인 항공기, 군사 분야 등에 널
리 이용됨에 따라 복합재료를 이용한 최적설계 연구개
발이 활발하게 전개되어 오고 있다[5-7].
118 홍태민⋅이지은⋅홍영기⋅이정순⋅조대현⋅이승구
접착 및 계면 제 14권 제 3호, 2013년 Table 1. Experimental Parameters in the Probe Tack Test
Parameter category Parameters Range tested
Test parameters
Contact time 1~30 s Contact force 1~100 gf Debonding rate 1~50 mm/min
Figure 1. Surface morphology of the prepreg used in this study (left : phenolic prepreg, right : PVB modified phe- nolic prepreg).
복합재료 제작에 사용되는 중간성형물인 프리프레그 (prepreg) 는 기지재가 부분 경화상태(B-stage)로 보강섬 유에 함침(pre-impregnated)되어 있는 재료를 일컫는다.
프리프레그는 복합재료를 제조함에 있어서 설계자의 의도에 따라 쉽게 적층 설계를 할 수 있을 뿐만 아니 라 작업의 용이성과 가공성을 향상시켜준다. 프리프레 그에 요구되는 주요 특성 중 하나는 tack성으로서, 성 형 과정에서 프리프레그를 여러 장 적층할 때 적층된 층간에 미끄러지지 않으면서 잘 고정되어 적층작업을 원활하게 하는 역할을 한다. Tack성은 수지의 B-stage 의 점성 거동에 따라 변화될 수 있는 것으로 표면의 끈끈함의 정도로서 알 수 있다. 이러한 tack성을 측정 하는 방법으로는 ball tack, loop tack, probe tack 시험법 등이 있는데, 이 중 probe tack 시험법은 가장 정밀하고 널리 사용되는 시험법이다[8-10]. Tack성은 크게 환경 적 요인과 시험적 요인들에 의해 민감하게 반응한다.
환경적 요인으로는 상대습도, 프리프레그의 노화시간, 온도에 의존하며, 시험적 요인으로는 접촉시간, 접촉힘, debonding rate 에 의존한다[11].
본 연구에서는 보호용 복합재에 많이 쓰이는 페놀 포름알데하이드(phenol formaldehyde) 수지와 polyvinyl butyral (PVB) 변성 페놀수지를 사용 하여 아라미드/페 놀수지 프리프레그를 제조하였고 프리프레그의 표면형 상을 관찰하였다. PVB 변성 페놀수지는 최종성형품인 복합재료의 인성을 증가시키는데 목적이 있다. 또한 probe tack 시험법을 통한 시험적 요인에 따른 프리프레그의 tack 성의 변화를 고찰하였다.
2. 실 험
2.1. 재료
본 연구에서 프리프레그 제조를 위하여 현재 국내에 서 생산되는 아라미드계 섬유인 헤라크론(1430d, 2 × 2 twill, 코오롱)을 사용하였으며, 페놀수지는 현대화이버 에서 자체적으로 제조한 페놀 포름알데하이드 수지와 PVB 와 페놀 포름알데하이드 수지를 50 : 50으로 혼합 한 변성 페놀수지를 제공받아 사용하였다.
2.2. 프리프레그의 제조
먼저 헤라크론 섬유를 10 × 10 cm로 자른 다음 페놀 수지 또는 PVB 변성페놀 수지를 스크류 롤러를 이용 하여 코팅하였으며, 프리프레그의 tack성을 정확하게 측정하기 위해 프리프레그의 수지함량은 40 ± 1% (질 량대비)로 일정하게 코팅되도록 설정하였다. 페놀수지 가 코팅된 섬유직물을 130°C 오븐에서 2 min간 열처리 하여 B-stage 상태의 프리프레그를 제조하였다.
2.3. 모폴로지 분석
섬유 프리프레그의 수지의 도포 상태와 프리프레그의 전체적인 모폴로지를 관찰하기 위하여 HITACHI사의 S4700 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 을 사용하여 30배의 배율로 관찰하였다.
2.4. Tack 성 분석
프리프레그의 tack성을 분석하기 위하여 가압감지 측정법인 probe tack 시험법을 채택하여 시행하였으며, TopTac 2000 Model 을 사용하였다. 이 시험법은 저속의 볼(ball)을 프리프레그에 일정한 하중을 가한 후 떼면 서 얻어지는 힘을 측정하는 방식을 이용함으로써 접촉 하는 과정에서 발생되는 화학적, 물리적 성질에 의해서 나타나는 물성의 초기점착력(tack)을 측정할 수 있다.
이 시험적 요인은 Table 1과 같이 접촉시간을 1∼30 s, 접촉힘은 1∼100 g, debonding rate를 1∼50 mm/min 범위에서 tack성의 변화를 측정하였다. 또한 debonding rate 의 변화(100 gf, 30 s)에 따라 프리프레그 표면에서 의 fibrillation 효과와 tack성과의 상관관계를 유추해 보았다. 환경적인 요인은 모두 표준조건에서 시행하였 으며 시험결과는 최소 10회 이상 측정값의 평균으로 나 타내었다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 표면형상 분석
페놀계 수지와 PVB 변성페놀 수지를 기지재로 한 아
라미드 섬유 프리프레그를 제조하고 표면형상을 분석
하였다. Figure 1은 프리프레그의 표면형상을 나타낸
SEM 사진으로 수지가 섬유직물 표면에 균일하게 도포
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Figure 2. Evolution of the tack versus contact time (10 gf contact force and 10 mm/min debonding rate).
Figure 3. Evolution of the tack versus contact force (10 s contact time and 10 mm/min debonding rate).
Figure 4. Evolution of the tack versus debonding rate (10 s contact time and 10 gf contact force).
된 것을 확인하였다. 하지만 프리프레그를 제조하는 열처리 과정에서 페놀수지의 휘발성분에 의해 부분적 으로 크레이터가 발생되었으나 이를 제어하는 기술은 한계가 있으며 tack성 평가에 대한 치명적인 영향인자 가 아니므로 큰 문제점이 없다고 사료된다.
3.2. 시험적요인에 따른 Tack성 분석
Figures 2 ∼4는 각각 접촉시간, 접촉힘, debonding rate 에 대한 tack성의 변화를 나타내었다. Figure 2는 접촉 힘을 10 gf, debonding rate를 10 mm/min으로 고정한 상태에서 접촉시간의 변화(1∼30 s)에 따른 tack성을 분석 하였다. 프리프레그의 tack성은 1 s부터 5 s까지 tack 성이 크게 변하고, 5 s 이후부터는 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 또한 약 10 s 상관에서는 거의 가장 높 은 tack성을 보이는데 이는 10 s 이전에는 probe와 프리 프레그의 표면사이에 완벽한 점착이 일어나기에는 접촉 시간이 충분치 않는다는 것을 유추할 수 있다.
Figure 3 은 접촉힘의 변화에 따른 tack성의 변화를 나타낸 그래프로 접촉시간을 10 s, debonding rate를 10 mm/min 으로 고정하였다. 초기에 tack성의 큰 차이를 보이다가 10 gf 이상에서 완만해지는 Figure 2와 비슷 한 경향을 보인다. 즉, 10 gf 이전에는 probe와 프리프 레그의 표면사이에 완벽한 점착이 되기에는 충분한 힘 이 작용되지 않는다는 것을 알 수 있다.
Debonding rate 의 변화에 따른 tack성은 접촉시간 10 s, 접촉힘 10 gf의 고정조건과 debonding rate를 1∼50 mm/min 범위에서 변화를 주었다. Figure 4를 보면 Figure 2와 Figure 3 과 같이 초기에 tack성의 변화가 급격하게 나타 나는 것을 확인할 수 있으나 임계점인 10 mm/min 이후 에도 완만하지만 tack성이 계속적으로 증가하는 것을
확인할 수 있다. 이는 debonding rate의 증가에 따른 프 리프레그 표면에서의 B-stage 상태의 수지의 fibrillation 현상에 의해 설명될 수 있다.
3.3. Debonding Rate 변화에 따른 Fibrillation 현상과 Tack 성 사이의 상관관계
Figure 5 는 debonding rate의 변화에 따른 fibrillation
현상과 tack성 사이의 상관관계를 나타낸 그래프로 tack
성의 효과를 극대화시키기 위하여 접촉시간을 30 s, 접
촉 힘을 100 gf로 설정하였다. Debonding rate가 증가
함에 따라서 tack성 또한 증가하는 것을 확인할 수 있
다. 그래프를 보면 두 가지 영역으로 나눌 수 있는데
fibrillation 현상이 나타나는 구간과 나타나지 않는 구간
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접착 및 계면 제 14권 제 3호, 2013년 Figure 5. Evolution of the tack versus debonding rate with
fibrillation phenomena (30 s contact time and 100 gf con- tact force).
Figure 6. Fibrillation phenomena of the prepregs related with the debonding rate.
으로 나눌 수 있다. Figure 6을 보면 낮은 debonding rate 에서는 fibirillation 현상이 나타나지 않는 반면에 debonding rate 가 증가함에 따라서 fibrillation 현상이 나타남에 따라 tack 성이 지속적으로 증가함을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 아라미드/페놀수지 프리프레그를 제조 하고 프리프레그의 표면형상을 관찰하였다. 또한 probe tack 시험법을 통한 시험적 요인에 따른 프리프레그의 tack 성의 변화를 고찰하고 fibrillation 현상과의 상관관계 를 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) SEM 에 의한 표면형상 분석결과 아라미드섬유 직물 표면에 B-stage 상태의 수지가 균일하게 도포된 것을 확인하였으며 휘발성분에 의한 크레이터의 발생을 관 찰할 수 있었다.
2) 시험적요인의 변화에 따른 tack성을 분석 및 고찰 하였으며, 접촉시간, 접촉힘의 증가에 따라 10 s, 10 gf 까지 급격한 증가폭을 보이다가 더 긴 시간 및 힘에서는 거의 동일한 수준의 tack성을 확인할 수 있었다. 하지만 debonding rate 의 변화에 따른 tack성은 임계점 이후로 도 지속적으로 증가하였으며, 이러한 현상을 규명하기 위해 새로운 조건에서의 시험을 통해 fibrillation 현상 에 의한 증가임을 확인하였다.
3) 결론적으로 본 연구를 통해 정확한 tack성 분석을 위해서는 probe와 프리프레그 표면이 접촉하는데 충분 히 긴 시간과 힘을 필요로 하며 적절한 debonding rate 를 설정하는 것이 선행되어야 한다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부 슈퍼소재기반기술개발사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다.
참 고 문 헌
