사출성형 가소화 공정에서 발생하는 유리 섬유 강화 플라스틱의 잔류 섬유 길이에 관한 연구

Abstract

섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastics: FRP)은 섬유 강화재와 플라스틱 기지재로 구성된다. 열가소성 수지를 기지재로 하는 복합재료는 사출성형 공정을 이용하여 고속의 용융성형이 가능하다. 유리섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics: GFRP)은 비강도와 비탄성이 매우 우수하여 자동차, 항공, 우주, 선박 등 여러 산업 분야의 제품 제작에 사용된다. 이러한 섬유강화 플라스틱 재료의 물성은 사출성형 공정을 거치며 섬유가 파단 되어 제품 설계 시 예상되었던 기계적 물성이 기대했던 결과와 차이를 보일 수 있다. 본 연구에서는 사출성형 공정이 섬유강화 플라스틱의 기계적 물성 변화에 영향을 주는 원인 중, 가소화 공정에서 발생하는 잔류 섬유 길이 변화에 대해 연구하였다. 실험을 통해 스크루의 구조에 따른 잔류 섬유 길이 변화를 측정하였으며, 가소화 공정조건이 섬유 파단에 미치는 영향을 연구하기 위해 스크루 회전속도와 배압의 크기를 공정변수로 설정하였다. 실린더에서 스크루를 분리한 뒤 스크루의 각 채널 상에 존재하는 유리 섬유를 채취하여 섬유의 길이를 분석하였다. 초기 길이 대비 섬유 길이 누적 감소율을 이용하여 총량적 섬유 길이 변화율을 분석하였으며, 직전 구간 길이 대비 섬유 길이 감소율을 이용해 실린더의 각 구간 별 파단 정도를 분석하였다. 실험 결과 스크루 구조에 따른 잔류 섬유 길이 변화는 다음과 같다. 초기 길이 대비 스크루 각 구간에서의 섬유 길이 누적 감소율은 호퍼 통과 후 약 19%를 포함하여 공급부에서 총 38%, 압축부 63%, 계량부 75%로 나타났으며, 직전 구간 평균길이 대비 감소율은 호퍼 통과 후 19%를 포함하여 공급부 총 38%, 압축부 40%, 계량부 31%로 나타났다. 즉, 압축부에서 파단이 가장 크게 발생하였고, 이어 공급부, 계량부 순으로 발생하였다. 측정된 섬유 샘플 중 잘게 조각 난 섬유의 비율이 매우 높기 때문에 이러한 조각 섬유가 섬유 평균 길이에 미치는 영향이 매우 크다. 강화효과가 없는 임계섬유길이(Critical Fiber Length)보다 짧은 섬유가 평균 섬유 길이에 미치는 영향을 줄이기 위한 방안으로, 실험에 사용된 유리섬유의 임계섬유길이를 계산하여 이보다 긴 섬유를 강화 유효 섬유로 정의하고, 공정조건이 전체 섬유 중 강화 유효 섬유 잔류 비율에 미치는 영향을 분석하였다. 강화 유효 섬유 잔류 비율은 스크루 회전속도가 저속일 때 비해 고속에서 높았다. 특히 공급부에서 스크루 회전속도로 인한 차이가 크게 나타났으며, 이러한 차이는 배압이 커질수록 줄어드는 경향을 보였다. 배압이 높을 때에 비해 배압이 낮을 때 강화 유효 섬유 잔류 비율이 높았으며, 특히 공급부와 압축부에서 배압에 의한 차이가 크게 나타났다.