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[아우라]

FRP(Fiber Reinforced Plastics)는 가장 많이 쓰이는 복합재료이다. 그 중에서도 열경화성 수지를 매트릭스로 하는 복합재료이다.

제조방법의 대부분은 섬유강화 열경화성수지에 관한 것이다. 열가소성수지는 단지 열에 의한 물리적 변화를 이용하여 가공되지만,

불포화 폴리에스터나 에폭시수지 같은 열경화성 수지는 가공과정 중에 발열을 수반하는 화학반응이 일어나기 때문에 공정이

열가소성수지에 비해 많다.

최종성형물로 가공되는 방법으로는 레이업(lay-up), 필라멘트와인딩(filament winding), 수지이송성형(RTM: resin transfer moldin),

풀트루전(pultrusion)이 대표적인 것이다.

중간성형재로는 프리프레그(preporeg), 성형복합재(molding compound)가 있다.

레이업(lay-up) :

핸드 레이업(hand lay-up) 최종성형물 모양의 거푸집은 가공조건에서 원료에 견딜 수 있고, 표면이 매끄럽게 가공될 수 있는 나무, 석고, 플라스틱, 복합재료, 금속으로 만들어진 것이 일반적으로 사용된다. 오래 쓸 수 있는 것은 보통 유리섬유/에폭시 복합재료 또는 금속으로 된 것이다. 이중 유리섬유/에폭시 복합재료 거푸집은 호평을 받고 있는데, 표면이 특히 평활하여 더 이상의 마무리가 필요 없고, 금속거푸집의 부식에 대한 우려도 없기 때문이다.

제조는 거푸집에 이형제(mold release or parting agent)를 바르거나 막을 입힌다.

이형제로는 실리콘, 폴리비닐알골(PVA), 플루오르카본(fluorocarbon), 또는 플라스틱 막이 이형제로 쓰인다.

최종성형물의 공기와 접촉하는 표면이 될 부분을 매끈하게 먼저 겔형태의 수지만으로 층을 만든다. 이 과정을 겔코팅(gel-coating)라 하며, 이 층을 겔코트(gel-coat)라고 한다.

매트릭스수지로 겔코팅을 주로 하지만 표면의 유연성, 내수포성(blister resistance), 방식성, 내후성, 인성 등을 향상시키기 위해 특별한 수지를 쓰기도 한다. 모양이 갖춰진 메트나 직물형태의 섬유강화재를 놓고 그 위에 수지혼합물을 부은 후 롤러를 사용하여 수지가 섬유 사이에 골고루 자리잡게끔 하는데, 이때 섬유가 거푸집의 모양에 맞게 압착이 되고 섬유사이의 기포도 제거된다.

단점으로 균일한 품질의 제품을 기대하기 어렵고, 속도가 느린점을 개선하기 위해 자동 테이프 도포 기계가 있는데 이 방법을 자동 테이프 적층법(automated tape lamination)과 스프레이업(spray-up)이 있다.





필라멘트 와인딩(FW: filament winding)

필라멘트와인딩은 섬유강화재를 수지혼합물에 통과시킨 후 젖은 상태로, 회전하는 원통형의 실패(맨드렐:mandrel)에 연속적으로 감음으로서 진행된다. 파이프나 실린더 같이 속이 빈 형태의 제품을 만들 때 쓰는 방법으로 6m 직경의 저장탱크에서부터 2.5cm직경의 모터 등에까지 다양한 크기의 제품에 적용된다.

필라멘트 운동방식과 감기는 각도, 맨드렐의 좌우, 회전운동이 잘 조화,조절되어야 균일한 두께의 제품을 만들 수 있다.

필라멘트와인딩에 쓰이는 수지로는 다양하지만 주로 폴리에스터와 에폭시가 일반적이다.

첨단복합재료에는 강성이 높은 탄소섬유를 많이 사용하고 있다.





풀트루전(pultrusion)

풀투루전은 잡아당기는 압출성형(pulling extrusion)을 말하며, 압출성형은 단면적이 일정한 금속, 세라믹, 플라스틱 재료의 연속성형법으로 널리 쓰인다.

섬유강화재가 열경화성수지 원료 혼합물에 함침되어, 경화되지 않은 상태로 원하는 단면의 출구를 한쪽 끝으로 하는 틀(die)의 통로로 들어가고, 열처리되는 틀을 지나면서 수지는 차차 경화되어 출구에 이르면 거의 딱딱해진다.

폴리에스터는 경화중에 수축이 적고 틀에 잘 붙지 않아 가장 많이 쓰인다. 이에 반해 에폭시는 틀에 잘 붙어 제품표면에 결함을 야기시키므로 고기능 복합재료의 제조를 위해서는 이형제나 점도조절제를 원료에 섞어 쓴다.

제품은 주로 파이프와 건축용 판재(panel), 전기절연체, 압력탱크, 자동차의 외부부품, 비행기의 복도자재로 쓰인다.

프리프레그(Prepreg)

프리프레그는 (preimpregnation) 강화섬유를 한 방향으로 잘 배열한 후, 액상의 수지와 용매 혼합물에 담구어 내어서 반건조시켜 롤러에 의해 일정하게 압착되고 가볍게 경화되어 얇은 층상으로 만든 반제품이다.

열과 압력을 받아 수지는 녹거나 점도가 낮추어져 섬유 속으로 자리잡게 되고, 다음 상온에서 냉각된 상업적인 탄소섬유강화 에폭시 프리프레그는 대개 0.25mm이하의 두께이며 제조기계에 따라 폭이 다양하다.

성형복합재(molding compound, matched die molding)

성형복합재를 만드는 방식은 프리폼 성형(preform molding), BMC(bulk molding compound)성형, SMC(sheet molding compound)성형으로 나뉜다. 고압의 성형장치를 사용하며, 주로 유리단섬유를 강화재로, 에폭시나 폴리에스테르를 매트릭스로 사용한다는 점은 같으나, 부품을 만드는 거푸집에 놓이는 재료의 형태가 서로 다르다. 암수 한 쌍의 금형이 장착된 가압기에서 성형이 이루어지기 때문에 이 가공방식을 matched die molding이라고 한다. 성형속도가 다른 방법에 비해 빠른 이 중간성형재는 적절한 가공공정을 거쳐 최종제품이 되는데 자동차부품, 의자, 화장실, 레저용품, 욕실용 대형 가정용품을 만드는 데 널리 쓰이고 있다.

Preform Molding : 프리폼 성형은 매트형의 섬유강화재를 거의 원하는 형태로 미리 가공한 후, 이를 위가 열린 거푸집에 놓고 수지를 집어넣은 후 거푸집을 닫고 압착 가열하여 경화시키는 방법.

BMC Molding : 섬유강화재와 수지혼합물을 반죽하듯이 섞어 덩어리형태로 모양을 갖춘 성형복합재가 BMC이다. 프리믹스(pre-mix)를 아래 거푸집에 필요한 양만큼 넣고 위 거푸집을 닫아 열과 압력을 가해 경화시켜 제품을 얻는다.

SMC Molding : SMC는 박판형태의 성형복합재로서, 강력한 혼합이 필요한 프리믹스라는 중간단계가 없어 BMC의 단점인 유리섬유의 훼손을 줄일 수 있다. 스프레이업에서처럼 일정한 길이로 잘라진 유리섬유들이 아래와 위에서 이동판(carrier film)을 따라 공급되는 수지혼합물에 분포되고, 단섬유가 혼합된 수지혼합물은 압축롤러를 지나면서 열을 받고 경화되어 박판형태로 만들어지며, 이 과정을 통해 두 재료는 혼합상태가 더욱 좋아진다.

이동판은 주로 폴리에틸렌 필름을 쓰고, 장치를 좀 변형하여 배열을 미리 갖춘 직물형태의 장섬유 공급장치를 한다면 더 고품질의 박판을 얻을 수도 있다.





오토클레이브성형(Autoclave Molding, Bag Molding)

어느 정도 경화된 매트릭스에 방향이 잡힌 섬유를 포함한 프리프레그를 진공자루에 넣고 압력을 가하여 성형하는 방법. 진공장치는 최종제품에 기포가 포함되지 않도록 하기 위해 부착되며, 압력이 가해짐과 함께 치밀화와 경화가 이루어진다.

압력용기에 반제품을 넣고 가압, 가열하여 구조물이 제조되는데, 용량이 허용되는 범위 내에서 복잡한 형상, 크기의 구조물을 몇 개라도 동시에 성형할 수 있다. 고품질의 대형성형품이 얻어지는 이점이 있으나 batch식으로 이루어지기 때문에 경화 사이클이 길고, 가동하는 데 필요한 생산비용이 높은 단점이 있다.



수지이송성형(RTM: resin transfer molding)

수지이송성혀은 모양을 미리갖춘 강화섬유를 똑같은 모양의 거푸집에 넣고 바깥에서 액상의 수지를 주입하여 제품을 만드는 방법. 미리 가공한 섬유로 된 프리폼(preform)의 공간을 낮은 압력으로 사출된 매트릭스수지가 메우게 됨으로써 여타 방법에 비해 섬유의 배열이 설계된 대로 될 수 있는 가능성이 크다.



강화반응사출성형(RRIM:reinforced reaction injection molding)

RIM이라 하면 고압주입기를 이용하여 고반응성 원료를 밀폐된 금형내로 사출하여 짧은 시간에 경화시켜 얻는 성형법이다. RIM성형재에는 폴리우레탄계, 폴리아미드계, 에폭시계가 있으며, 이들 모두 미반응성분을 혼합하면서 틀 내로 사출시켜 단시간에 반응, 경화시키는 방법에 의해 얻어진다. 위의 세 수지 중 가장 널리 RRIM으로 응용되고 있는 것은 강화재로는 1mm 이하의 유리섬유나 유리섬유 매트가 많이 쓰이고, 섬유의 양은 최대 30% 정도이며, 함량의 증가에 따라 탄성률은 향상하나, 열팽창률은 감소한다. 강화재가 첨가되는 RRIM 성형장치에는 내마모성과 높은 점도에 적합한 사출펌프의 사용이 요구된다.

ERM(elastic reservoir molding): 액상수지를 먹인 다공질의 재료를 사이에 두고 연속 매트형의 섬유강화재를 샌드위치형으로 양면에 놓은 후, 이를 가열된 금형에서 75~150psi(520~1030kPa)의 압력으로 압착하여 제조하는 방식이다. 다공질재료로는 폴리우레탄이 많이 쓰인다. 장점으로는 가공비용이 적고, 물성제어가 쉬우며 더욱 가볍고 강한 재료를 얻을 수 있다. 단점으로는 단순한 모양으로밖에 제조할 수 없다.

Tube Rolling: 미리 재단된 프리프레그를 움직이는 맨드렐에 감아서 제조된다. 이를 열에 수축하는 피름으로 감고 경화과정을 거치면 표면의 필름이 감겨 있는 프리프레그가 압착되고 공기도 양 끝으로 빠져 나오게 된다. 필라멘트와인딩에 비해 가공비용이 싸고 조작이 간단하며 수지의 양과 분포를 잘 조절할 수 있고 생산속도가 높다. 그러나 단점으로 형태다양성이 없다.

경화전 복합재료의 가공

경화되기 전의 복합재료는 절단 등의 가공이 필요하다. 섬유 산업에서 쓰는 절단기계의 기본적인 형태에 근거한 이 기계는 폭이 넓은 프리프레그를 필요한 만큼 자동적으로 각각 끊어내는 데 효율적이다. 초음파 진동 절단이 최근 경화되지 않은 복합재료를 절단하는 데 많이 쓰이고 있다. 이 방법은 빠른 속도와 정확성으로 1초에 몇 천 번의 진동을 하는 초음파를 기계적인 칼로 이용하는 것이다.

동시에 여러 층을 절단하는 방법으로 다이커팅(die cutting) 또는 steel-rule die-dlanking이 있다. 쿠키절단법은 띠 형태(한 면은 날카로운 칼날)의 경화강으로 된 die로 절단하고자 하는 재료를 눌러 절단하는 방식이다.

레이저 절단과 워터젯(water-jet)절단은 경화된 복합재료뿐만 아니라 경화되지 않은 복합재료를 절단하는것도 가능하다. 고압(350MPa)의 물이 작은 구멍(0.25mm)으로 분출되면서 프리프레그를 자르는 방법인데, 절단능력을 높이기 위해 연마재 입자를 물에 첨가하기도 한다.

열경화성수지의 경화

경화가 되기 전 함침이 이루어진 상태를 wet-out상태라 하고, 부분적으로 공기가 덜 빠져나간 상태를 wet-through라 한다. 제조공정의 변수들로 시간, 온도, 가열속도, 진공상태의 정도, 냉각속도 등으로 얻고자 하는 최종 제품의 성질에 맞추어 정해진다. 이러한 변수가 최종제품의 기계적, 물리적 성질을 좌우한다.

경화주기(curing cycle):열경화성 수지의 경화는 액체상태의 수지에 정압을 유지하며 온도를 올리는 광정이라 할 수 있다. 대부분의 유체가 그러하듯 처음에 수지의 점도는 온도가 올라가면서 떨어지고, 강화재와의 결합상태가 좋아진다. 다음 분자 간의 상호교차결합작용이 시작되면 수지의 유동성은 떨어지고, 점도는 증가한다. 교차결합은 유동성을 점차 잃게 하며, 더욱 고분자화된다. 이것을 겔화(gelation)라 한다. 차츰 반제품은 고체화되어 변형이 불가능하게 된다. 겔화는 낮은 온도에서 장시간, 또는 높은 온도에서 빨리 이루어진다고 볼 수 있다.

폴리에스터 수지의 경화: 폴리에스터 수지 복합재료의 경우 대부분 실온에서 경화되므로, 특별한 온도조절이 필요하지는 않다. 경화반응이 발열과정이므로 계의 온도는 증가하게 되고, 이에 따라 잠깐 점도는 감소되었다가 교차결합이 시작되면서 다시 증가한다. 폴리에스터의 전형적인 경화주기는 수 시간 내지 하루 정도다. 만약 복합재료가 열을 받게 되면(공기건조기 등에 의해) 반응은 촉진된다. 오븐을 써서 반응속도를 빨리 하거나 후경화공정을 할 수도 있다.

에폭시 수지의 경화: 에폭시분자의 교차결합도 발열반응이지만, 외부에서 열이 가해지면서 경화되기 때문에 발열효과가 경화주기에서 관찰되지는 않는다. 전체적으로 승온속도가 빠르면 점도는 낮아진다. 결과적으로 겔화온도는 더 높아진다. 온도와 시간기록은 수지의 경화에 매우 중요하다. 이에 따라 반응속도, 점탄성, 형태, 상, 교차결합밀도, 유리전이온도, 복합재료의 구조가 결정된다.

폴리이미드 수지의 경화: BMI, PMR-15등 전형적인 폴리이미드 수지의 경화시간은 에폭시보다 긴 6시간 정도이며, 온도도 315℃로 훨씬높다. 그래서 경화시간을 두 시간 정도로 당기는 압축경화를 많이 행한다. 그러나 폴리이미드 수지는 후경화되기 전에는 상당히 무르므로 금형에서 떼낼 때 쉽게 손상될 수 있다. 후경화는 7시간 정도 행한다.

열가소성 수지를 매트릭스로 쓸 경우

열가소성의 특징은 수지의 경화반응이 없다는 것이며, 성형시간이 짧고 용접, 보수가 쉬우며, 프리프레그의 경우 사용가능시간의 제약이 없다는 점이 매력이다. 단점으로는 내열성 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 점도가 높아 강화섬유의 수지함침이 어렵다는 것이다. 그래서 강화재는 단섬유를 주로 쓴다.

단섬유 강화: 사출성형(jnjection molding)과 압출(extrusion)이 가능하다. 수지 원료에는 유리 또는 탄소 단섬유를 10~40% 정도 배합하여 사용한다.

사출성형은

자동화가 쉬워 노동비용이 저렴하고, 고품질의 제품을 높은 생산속도로 생산이 가능하며, 성형품의 표면이 깨끗하고, 복잡한 형상도 잘 만들 수 있어 널리 쓰이며, 구형 사출성형은 주로 플런저를 이용한 것이었으나, 왕복나사법(reciprocating-screw method)이 보다 균질한 융체를 사출할 수 있어서 널리 쓰인다.

[아우라]

잼없어도 한번쯤은 정독하세요

[하하]

넘 어렵군....무슨 소린지도 모르겠구요...계속 읽다보면 이해가 가겠지요??

[GlassHeart]

그냥..여러가지 제작 방법이 있단것만 아시고 주로 우리가 할수있는건 핸드레이업..즉 붓으로 바르고 롤러로 밀어서 만드는 방법밖에 없다 보심 됩니다. 그 외에는 비용도 많이 들고 전문 장비가 필요하게 되죠.^^

[GlassHeart]

이형제로 쓰이는 것들을 보면 먼저 PVA라고 하는 폴리비닐알콜.. 이놈은 풀이라 생각하심됩니다. 종이에 풀을 바르면 마른후에 얇은 막이 생기죠? 이걸 이용하여 제품을 떼어내는거구 그외 왁스는 반고체상태..왜 그런가하면 왁스라함은 고분자가 되기전의 올리고머라는 상태의 저분자 물질이므로 유동성을 가지죠.

[GlassHeart]

양초를 문지르는거랑 비슷하다고 생각하심 되구요. 양초바름 미끌거리자나요..것과 같은 원리입니다. 그리고 플루오르카본은..쉽게 말해 테프론이라고 들어보셨나요? 폴리테트라플루오르에틸렌의 듀퐁사의 상품명이죠. 주로 후라이팬의 코팅용으로 많이 사용되는것과 비슷한재질이라 보심됩니다. 역시 표면장력이 낮아서

[GlassHeart]

다른물질과 접촉해도 반응하지 않고 미끌거리게 되죠.이를 이형의 성질로 사용하는거구 이외에도 이런 원리의 특성을 가진 물질이면 직접 써보셔되 되지 않을까요? 훗~

[아우라]

오호~ 진짜 말빨 좋습니당~ 이론적으로 알고 있는 것을 쉽게 서술하기란 어려운 법인데, 논술식 시험음 끝장이겠네요 ... 전 이제 머리가 굳어서... 안들어가네요 ㅜㅜ

[cool man]

왕초보 실력으로는 -.-:: 정진해야지