UD, 3K 패브릭 프리프레그를 활용한 CNT 전기방사 공정인자 및 정적강도특성에 관한 연구

Abstract

최근 복합재료 성능을 일부 만족시키는 탄소섬유 저가화 기술의 개발이 매우 활발히 움직이고 있으며, 자동차, 조선 선박, 항공기 부품의 메인 구조물 포함, 단품 및 모듈 부품에 대해서도 성능 향상 및 안정성 문제로 인한 전자/전기 및 유압장치의 사용증가로 경량화 관련 개발 연구 또한 박차를 가하고 있다. 더불어, 에너지 위기에 따른 석유류 가격의 폭등으로 에너지 효율을 높이기 위해 거의 모든 수송기계 시스템의 경량화를 위한 탄소섬유(탄소나노튜브)를 활용한 첨단신소재가 다시 주목받기 시작하고 있다. 탄소섬유(탄소나노튜브)는 높은 강도와 강성으로 기존 구조물의 경량화 대체 소재로 많이 사용되고 있는 첨단소재로써, 알루미늄 소재보다 40% 가볍고 티타늄보다 강성이 높으며, 거의 제한 없는 피로수명을 지니고 있을 정도로 피로 특성이 매우 우수한 장점이 있는 반면에 긴 성형시간이 필요하며, 탄소섬유 재활용이 불가하며, 높은 가격으로 고강도 특수제품에만 일부 사용되고 있다는 단점이 있다. 탄소나노튜브의 장점을 극대화하기 위하여 우선 확보되어야 하는 기술은 탄소나노튜브 복합소재 개발에서 중요한 기술로 인식되고 있는 고분자 매트릭스에서 탄소나노튜브의 분산 기술이다. 탄소나노튜브는 미세분말 상태로 그 자체로는 여러 응용분야에 사용되기는 어렵고 탄소나노튜브의 우수한 특성들을 효과적으로 발현시키기 위해서는 반드시 기지재료나 다른 소재와 혼합하여 사용해야 하므로 탄소나노튜브의 분산 기술이 중요하다. 본 연구에서는 0.12g(0.3%)의 소량의 Carbon Nano Tube(CNT)와 4g(9.1%) Polyacrylonitrile(PAN), 40g(90.7%)Dimethyl formamide(DMF) 교반 용액을 활용하여 전기방사 공정 인자 항목에 대한 유효값((방사노즐15G, 방사 토출량 4ml/h, 방사전압20kV, 방사거리 10cm)을 도출하였으며, 시중에 판매되고 있는 단방향 UD 능직 및 3K 패브릭 프리프레그(Prepreg)에 각각 전기방사 유효 값을 적용하여 강도에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 강도시험 결과 UD의 경우 0도, 90도 방향에 대해서 CNT 전기 방사한 인장시험 편이 일반 Prepreg 인장 시편보다 모두 36% 높은 인장강도 값으로 강도 측면에서 효과가 있음을 증명하였고, 일반적으로 연구하지 않는 3k Fabric에 대한 전기방사 결과값은 UD결과값대비 큰 인장강도 차이 값(0도 경우 –47%)을 보였다. 복합재 소재 특성을 고려, 압축강도 및 90도 방향에 있어서는 CNT 전기방사의 효과를 기대하기는 힘들었다.