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1

工學碩士 學位論文

밸러스트 파이프에 적용하기 위한 현

무암섬유 복합재료의 기계적 특성에

관한 연구

A Study on the Mechanical Properties of Basalt Fiber

Composites for Application to Ballast Pipe

指導敎授 金 允 海

2011年 02月

韓國海洋大學校 大學院

材 料 工 學 科

尹 晟 源

2

本 論文을 尹晟源의 工學碩士 學位

論文으로 認准함.

委員長 文 慶 萬 印

委 員 韓 中 源 印

委 員 金 允 海 印

2011年 02月

韓國海洋大學校 大學院

1

목 차

Abstracts ---------------------------------------- 1

제 1 장 서론 ------------------------------------ 3

제 2 장 현무암섬유의 소개 ----------------------- 6

2.1 현무암섬유의 정의 ----------------------- 6

2.2 현무암섬유의 특징 ----------------------- 7

2.3 현무암섬유의 적용분야 ------------------- 12

제 3 장 재료 및 실험방법 ------------------------ 14

3.1 실험재료의 준비 ------------------------- 14

3.2 프리프레그 및 시편의 제작 --------------- 18

3.2.1 프리프레그의 제작 ----------------------- 19

3.2.2 Hand Lay-up ----------------------------- 20

3.2.3 VaRTM (Vaccum-assisted Resin Transfer Molding)- 22

3.2.4 Vacuum Bag Process ---------------------- 24

3.3 실험 방법 ------------------------------- 26

3.3.1 Mechanical Test ------------------------- 26

3.3.2 파단면 분석 ----------------------------- 26

3.3.3 섬유 함유율 분석 ------------------------ 32

제 4 장 실험 결과 및 고찰 ----------------------- 33

4.1 강도특성 분석 결과 ---------------------- 33

4.2 파단면 분석 결과 ------------------------ 42

2

4.3 함유율 측정 결과 ------------------------ 45

제 5 장 결론 ------------------------------------ 47

참고 문헌 ----------------------------------------- 49

1

밸러스트 파이프에 적용하기 위한 현무암섬유

복합재료의 기계적 특성에 관한 연구

윤 성 원

Department of Materials Engineering

Graduate School of

Korea Maritime University

Abstract

In these days, composite materials are well known for

their excellent specific strength and are widely used in

the aerospace, automobile and other industries such as

wind turbin blade.

The purpose of this study is to determine the correct

estimation of the mechanical property between epoxy resin

and basalt fiber as the composites and its validity has

been tested with the alternative materials of the glass

fiber reinforced composites for ballast pipe.

Moreover, this work evaluated the mechanical properties

according to the various manufacturing processes such as

Hand Lay-up, VaRTM, and Vacuum Bag process of fiber

reinforced composites and the fractured surfaces of

basalt and glass fiber reinforced composites were also

2

evaluated.

The test result showed that no significant differences

in tensile strength, and compression strength were found

between basalt and glass fiber reinforced composites.

However, the short beam strength of the basalt fiber

reinforced composites was higher than those of the glass

fiber reinforced composites in the case of the Vacuum Bag

process.

In addition, this result has been confirmed that the

strength of the Vacuum Bag process was excellent compared

to others manufacturing process.

3

제1장 서론

복합재료(Composite Materials)란 두 종류 이상의 소재를 조

합하여 그 각각의 소재들보다 물리적 화학적으로 우수한 성질

을 가지도록 설계된 재료를 말한다. 이러한 복합재료 중에서

도 섬유강화플라스틱(FRP; Fiber Reinforced Plastics)은 비

강도와 비강성이 크고, 내화학성이 좋으며 성형성이 우수하여

지금까지 우주항공산업, 조선 및 자동차, 스포츠 관련 레저용

품산업 등에 지속적으로 사용되어 온 금속재료를 대체하는 소

재로서 그 사용량이 계속적으로 증가하고 있는 추세이다.[1,2]

또한 지구에서 서서히 고갈되어 가는 화석연료를 절약하고

심각한 상태에 놓인 지구 대기환경을 보호하기 위한 친환경적

산업의 추구는 현재 선진국에서 강력하게 추진되고 있고 자동

차, 철도차량 및 항공기 등의 운송수단의 경량화를 통한 연비

향상 등의 요구조건을 만족시키기에 경량성을 최대 장점으로

하는 복합재료의 사용은 필수적인 것으로 생각된다.[3~6]

한편 각종 선박 및 해양 플랜트 내부구조에 비교적 많은 부

분을 차지하고 있는 파이프는 현재 강이 주재료로 쓰이고 있

으나 해수 등의 분위기에서 부식으로 인해 누수 및 파손의 원

인이 되고 있다. 특히 해수를 사용하는 열교환기 파이프나 선

박 평형수 파이프에서는 파이프의 부식 정도가 선박의 수명에

비해 매우 빠르며 주기적인 수리 및 교환이 필요하고 그에 따

르는 시간적, 경제적 손실이 발생한다. 따라서 부식이나 노후

화 현상으로 인해 기존 파이프를 교체 해야만 하는 문제를 미

리 대처하기 위해서는 신설되는 파이프의 선택 과정에서 장기

간 사용 가능한 파이프를 고려해야 하는 것은 당연하며, 이는

파이프 재료의 선택으로 귀결된다.[7]

최근 복합재료로 제작된 파이프는 높은 비강도 및 내식성이

우수하고, 표면의 거칠기가 유리처럼 매끄러워 같은 구경의

강관보다 더 많은 유체를 단위시간에 이송 할 수 있어 육상의

상하수도, 또는 매설용 관로 공사에 많이 이용되고 있다. 또

한 현재 해외에서는 선박 및 해양플랜트의 청수 및 해수용 파

4

이프라인에 사용이 가능한 유리섬유 강화 복합재료로 제작된

파이프가 국제 기준에 맞추어 생산 및 판매되고 있고, 국내의

대형 조선소에 건조되는 고부가가치의 선박에도 사용되고 있

다.[8]

하지만 복합재료 파이프의 재료로 다른 섬유들에 비해서 비

교적 저렴한 가격으로 인해 복합재료의 강화재로 가장 많이

사용되고 있는 유리섬유는 인체에 무해하다고 하나 이에 대한

검증이 되어 있질 않아 논란이 일고 있을 뿐만 아니라 재료의

표면이 매우 거칠기 때문에 작업에 많은 문제점을 안고 있어

대체할 수 있는 재료의 개발이 절실히 요구되는 상황이다.

이와 같은 이유로, 최근에는 현무암섬유를 유리섬유의 대체

재료로 사용하고자 연구개발이 많이 진행되고 있고 실제 산업

현장에서 적용되고 있는 사례도 있지만 건축용 시멘트 보강재

및 실내 부자재에 국한되어 있어 섬유강화복합재료의 강화재

로 사용하기 위한 연구는 아직 부족한 현실이다. 또한, 기존

의 강화섬유의 경우에는 수지를 미리 함침 시켜놓은 프리프레

그가 제품화되어 시중에 유통되고 있으나 현무암섬유의 경우

는 프리프레그가 아직 개발된 바가 없어 그 사용의 예가 전혀

없다. Table 1에서는 현무암섬유와 기존 무기섬유들과의 물성

차이를 보여주고 있다.

따라서 본 연구에서는 현무암섬유를 강화재로 사용한 복합재

료를 제작하고 공정에 따른 물성 차이를 알아보기 위해 Hand

Lay-up, VaRTM, Vacuum Bag 성형법을 이용해 실험을 수행해

봄으로써 복합재료 파이프의 주재료로 사용되는 유리섬유의

대체 재료로 현무암섬유가 타당한지를 검증 해보고자 한다.

5

Table 1 Property of basalt fiber and inorganic fiber

Fiber Density

(g/cm3)

Tensile

Strength

(MPa)

Young's

Modulus

(GPa)

Elongation at

Break

(%)

Basalt 2.8 3100~4840 85~95 3.15

E-glass 2.5 2000~3500 70 2.5

S-glass 2.5 4570 86 2.8

Aramid 1.4 3000~3150 63~67 3.3~3.7

Carbon 1.7 4000 230~240 1.4~1.8

6

제2장 현무암섬유의 소개

2.1 현무암섬유의 정의

현무암은 화산에서 분출된 마그마가 굳어서 생성된 것으로

무수규산물 SiO2를 50% 정도 함유하고 있는 세립의 화성암을

일컫는다. 현무암은 일반적으로 다른 암석재에 비하여 경도가

높고, 연성이 좋은 등 물리적 성능이 좋을 뿐만 아니라 함유

된 화학성분에 의하여 휨, 눌림, 충격 등에 대한 저항성이 우

수하며, 추위, 습기, 알칼리, 고온 등에도 잘 견디는 등 보통

화강암이나 대리석보다 그 성능이 우수하다. 또한 내부에 존

재하는 기공 때문에 가벼운 특성을 지녀 전통적으로 건축자재

등으로 많이 사용되어 왔다. 그러나 무엇보다도 가장 중요한

특징 중의 하나는, 인체에 해로운 각종 방사선 함량이 각 국

가별 및 국제기준보다 현저히 낮기 때문에 환경친화적인 재료

로도 각광받고 있다. Fig. 1에 현무암과 현무암섬유의 형상을

나타내었다.[9,10]

현무암섬유는 마그마의 분출로 이루어진 현무암을 주요 원료

로 한다. 현무암섬유는 매장량이 풍부한 현무암 자원을 이용

하여 생산하게 되는데, 이러한 현무암섬유는 연속섬유와 단섬

유로 구별 되어진다. Table 2에서는 현무암 연속섬유를 제조

하는데 사용되는 현무암의 조성을 보여주고 있다. 현무암 연

속섬유는 현무암을 20mm 이하의 굵기로 된 현무암 쇄석으로

분쇄하여 1,440 ~ 1,480℃ 사이의 온도로 용융시키는 단계,

용융물을 1,380 ~ 1,480℃로 유지하면서 인발하는 단계, 연속

섬유를 960 ~ 1,150℃로 서서히 냉각하는 단계, 냉각된 연속

섬유의 표면에 표면처리제를 도포한 후 건조하고 권취하는 단

계를 통해 생산된 섬유이다. Fig. 2는 현무암 연속섬유의 생

산 과정의 모식도를 나타내고 있다. [10,11]

단섬유를 제조하는데 적합한 현무암이 가져야 할 조건은, 연

속섬유와 마찬가지로, 현무암을 용융시켰을 때 균질한 용융물

이 형성될 수 있을 것, 섬유를 제조할 수 있는 점도를 유지할

7

수 있는 온도범위가 충분히 클 것 등이며, 이러한 요건을 만

족하는 경우에 균일한 물성을 갖는 우수한 제품을 대량으로

생산할 수 있게 된다. Fig. 3은 현무암 단섬유의 제작단계 모

식도를 나타낸 것이다.[11]

2.2 현무암섬유의 특징

현무암섬유는 용암이 지표로 분출하여 굳은 후 오랜시간이

지나는 동안 풍화를 통해 안정화가 이루어진 암석만을 사용하

기 때문에 환경 친화적인 최첨단 섬유소재이다. 현무암섬유의

특징은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

- 환경친화성 재료

- 기계적 안정성

- 뛰어난 내마모성

- 내스파크성

- 우수한 내화학성 (내알칼리성, 내산성)

- 고내열성

- 내수성

- 흡음성

- 향균성 및 탈취효과

- 높은 원적외선 방사율

8

Table 2 Chemical composition of basalt fiber

Composition Contents

(%)

SiO2 47 ~ 56

Al2O3 14 ~ 19

FeO + Fe2O3 7 ~ 15

CaO 8 ~ 11

MgO 3.5 ~ 10.0

K2O + Na2O 2.5 ~ 6.0

TiO2 0.2 ~ 2.0

P2O5 0.3 ~ 0.8

Cr2O3 0.04

MnO 0.2

SO3 0.2

9

(a) Basalt rock

(b) Products of basalt fiber

Fig. 1 Images of the basalt and basalt fibers

10

Fig. 2 Manufacturing process of the basalt continuous fibers

11

Fig. 3 Manufacturing process of the basalt staple fibers

12

2.3 현무암섬유의 적용 분야

현무암섬유는 원래 러시아가 군사용으로 개발하여 첨단기술

로 활용되다가 서방 국가에 알려지면서 한국을 포함한 여러나

라로 전파되어 각국에서 각기 관심분야에 맞춰 활발히 연구되

고 있다. 현무암섬유와 같은 광물섬유의 사용은 현재 산업용

섬유 중 10% 정도의 비율을 차지하고 있으며, 국내에서의 수

요도 점차 증가하고 있다.[10]

현무암섬유는 그 특징에서도 알 수 있듯이 유리섬유와 유사

하거나 보다 우수한 물리적 특성을 나타내기 때문에 섬유강화

시멘트와 섬유강화복합재료에 적용이 가능하다. 또한 우수한

내식성으로 인해 해수 환경의 영향을 받는 복합재료 파이프에

적용할 수 있으며 내열성이 좋아서 방열복이나 고온현장에서

의 작업보호용품으로 쓰이는 등 다음과 같이 다양한 분야에

적용이 가능하다. Fig. 4는 현무암섬유의 적용 분야를 나타낸

그림이다. [10]

- 환경필터, 고온 분진필터, 내 화학필터

- 생활 건강 및 의료용 (원적외선, 단열성 이용)

- 콘크리트 강화섬유, 고강도 복합재

- 자동차용 머플러 흡음재

- 해양/수산용 복합재료 보강재

- 전기 배선용 케이블 내화 구조재

- 건축용 내화방화재, 방화커텐

- 고온 작업복 및 장갑, 고온용 Buffer

- 탄소섬유 대체용 풍력발전용 Blade 및 고품질 FRP

- 해양플랜트용 파이프

13

Fig. 4 Application of basalt fibers

14

제3장 재료 및 실험방법

3.1 실험재료의 준비

현무암섬유 복합재료의 기계적 강도를 측정하기 위하여 본

실험에서 필요한 실험재료를 준비하였다. 먼저 보강재로 쓰이

는 현무암섬유는 SECOTECH 사의 평직(Plain)으로 제직된 패브

릭을 사용하였고 물성 비교를 위해 세 가지 종류의 유리섬유

패브릭을 선택하였다. Fig. 5에 실제 실험에 사용된 섬유의

사진을 나타내었다.

하지만 현무암섬유와 같은 직경의 섬유로 제직된 상태의 유

리섬유가 제작되지 않아 서로 다른 제직 상태의 유리섬유를

사용하였다. 첫 번째 유리섬유는 Cymax 사에서 구입한 2축으

로 제직된 유리섬유를 사용하였고, 또 다른 유리섬유는 실험

군의 다양성을 통하여 실험의 신뢰성을 높이기 위해 Chop mat

로 제직된 유리섬유를 사용하였으며 또한 현무암섬유와 같은

평직으로 만들어진 유리섬유를 선택하였다.

또한 기지재로는 Hand Lay-up과 VaRTM 공정에 사용하기 위해

Hexion 사의 열경화성수지인 에폭시 RIM135R/137H를 사용하였

고, Prepreg를 제작하기 위해서 Adhesive Technologies 사의

ADR240/ADH341을 사용하였다. Table 3은 실험에 사용된 섬유

와 수지의 물성을 보여준다.

15

(a) Basalt Fiber (Plain)

(b) Glass Fiber (Chop mat)

16

(c) Glass Fiber (Biaxial)

(d) Glass Fiber (Plain)

Fig. 5 Images of basalt and glass fibers

17

Table 3 Property of fiber and resin for tests

Fiber Density

(g/cm3)

Tensile

Strength

(MPa)

Elastic

Modulus

(GPa)

Elongation

at Break

(%)

Basalt

(Plain) 2.8 4,000 90 3.15

Glass

(Plain) 2.5 3,450 75 4.70

Glass

(Biaxial) 2.5 3,000 73 4.35

Glass

(Chop mat) 1.4 2,860 76 4.21

Resin Density

(g/cm3)

Tensile

Strength

(MPa)

Elastic

Modulus

(GPa)

Elongation

at Break

(%)

RIM135R 1.2 60~75 3.3 8~16

ADR240 1.1 83 3.6 9

18

3.2 프리프레그 및 시편의 제작

복합재료의 성형에는 다양한 종류의 재료들이 여러 형태로

사용되고 있다. 사용 재료의 종류 및 형태에 따라 성형 공법

및 성형 조건이 달라지며 성형품의 물성에도 큰 차이가 있다.

각 성형법에 대한 보다 효율적인 공정선택의 기준은 제품의

생산량, 크기와 형상의 대칭성, 보강섬유의 비강도와 비강성

및 표면처리 여부, 수지와의 결합성 등을 들 수 있다. Fig. 6

에서는 생산성과 효율성을 고려한 공정선택 기준을 도시하였

다.[12]

Fig. 6 Selection of effective process

19

3.2.1 프리프레그의 제작

프리프레그(Prepreg)는 Preimpregnated의 약어로서 강화섬유

에 미리 수지를 함침 시켜 B-stage 상태로 경화시킨 것이다.

일반적으로 프리프레그에 사용되는 열경화성 수지의 경화는

다음의 3단계로 진행이 된다.

1) A - Stage : 수지와 경화재가 배합비에 따라 단순히 혼합

만 된 상태로 경화반응이 전혀 일어나지 않는 상태이다.

2) B - Stage : 수지와 경화재가 어느 정도 반응이 진행되어

점도가 급상승하여 용제(Solvent)에 의해 용해되지 않고 열

에 의해 용융되어 Flow를 형성하는 단계이다.

3) C - Stage : 수지와 경화재의 반응이 거의 끝나거나 완료

된 단계로서 용제나 열에 영향을 받지 않으며 소재의 경화

가 이루어진 단계이다.

프리프레그의 제작에 사용된 보강섬유는 앞에서 보인 한 종

류의 현무암섬유와 세 종류의 유리섬유를 사용했다. 에폭시

수지(ADR240)와 경화제(ADH341)를 수지 제조회사에서 제공된

혼합비율표에 따라 100:9의 비율로 혼합하여 섬유에 함침 시

켰다. 수지함침은 수지의 무게를 재어 45%의 수지 함침률로

비이커와 롤러를 이용하여 직접 섬유에 함침 시키는 직접함침

법을 사용 하였다.

수지가 함침된 섬유를 건조기에 넣어서 50℃의 온도로 3시간

건조 시킨 후 양면에 이형 필름을 붙여 냉장 보관 하였다.

20

3.2.2 Hand Lay-up

가장 오래된 성형법 중의 하나로 매우 간단한 공정이나 사용

범위가 높은 성형법이다. 일반적으로 나무나 유리 섬유강화

복합재료 금형을 사용하나, 치수 안정성 등이 요구될 때는 알

루미늄, Steel 금형을 사용하는 인건비가 대단히 높은 성형법

이기도 하다. Fig. 7은 Hand Lay-up 성형 공정의 모식도이다.

유리섬유 등의 강화재를 한 층(layer)씩 금형 위에 적층하고

기지재료인 수지를 롤러 등의 도구를 사용하여 작업자가 직접

손으로 함침 시키면서 성형하는 방법으로 상온에서 방치하여

경화시키는 방법이나 생산 속도를 향상시키기 위해 금형에 가

열 장치를 설치하여 경화 시간을 줄이는 방법도 병용하고 있

다. 실제 성형 작업의 모습과 작업순서를 단계별로 Fig. 8에

나타내었다.[13] 실험에서의 경화조건은 섬유에 수지를 함침 시

킨 후 이물질이 묻지 않도록 이형 필름을 붙이고 상온에서 만

하루 동안 경화시켰다.

Fig. 7 Hand Lay-up process

21

(a) Release Coating (b) Stacking Reinforcements

(c) Impregnation of Resin (d) Cure

Fig. 8 Hand Lay-up procedures

22

3.2.3 VaRTM (Vaccum assisted Resin Transfer Molding)

VaRTM은 양쪽 면이 모두 금형으로 되어 있는 RTM과 달리 한

쪽 면의 금형과 진공백으로 금형을 이루고 대기압과 금형 내

부의 압력차를 이용하여 금형 내부에 적층된 Preform에 수지

를 신속하게 함침 시켜 복합재료 구조물을 성형하는 방법이다.

VaRTM은 RTM과 비교해서 더욱 대형이며 생산 대수가 적은 성

형물에 적합한 공법이다. 그리고 고품질과 높은 섬유 함유율

을 가지며, 형상이 복잡한 복합재료 구조물의 제작이 가능한

Closed Mold 기술이다. Fig. 9에 VaRTM 공정의 모식도를 나타

내었다.

VaRTM 공정은 진공의 힘을 이용하여 수지가 주입되면서 금형

내부의 기포를 배출시키며 대기압으로 진공백 면을 통하여 수

직의 압력이 가해져 제품 내부의 기공을 줄여주고 섬유 함유

율을 높여준다.

VaRTM 공법은 RTM 및 Vacuum Bag 공법에 비해 성형비용이 적

게 들며, 핸드레이업(Hand Lay-up) 공정보다 더 좋은 품질의

제품을 생산할 수 있다. Fig. 10는 VaRTM 성형 작업 모습을

나타낸 것이다.[13] 경화조건은 상온에서 만 하루 동안 경화시

켰다.

Fig. 9 VaRTM process

23

(a) Release Coating (b) Fiber Lay-up

(c) Injection Line Setup (d) Peel Ply

(e) Distribution Media (f) Vacuum Bagging

(g) Resin Infusion (h) Cure

Fig. 10 VaRTM procedures

24

3.2.4 Vacuum Bag Process

진공백(Vacuum Bag) 성형은 오토클레이브를 이용하여 복합재

료를 제작하는 방법을 말한다.

오토클레이브(Autoclave)란 열과 압력을 동시에 가할 수 있

는 가압로이며, 오토클레이브를 이용한 성협법은 보강섬유와

수지의 혼합물을 백(Bag)으로 밀폐시킨 후 백 내부를 진공상

태로 하고, 백 외부로부터 압력을 가하여 요구하는 형상과 기

계적 성질을 구비한 복합재료 제품을 성형하는 방법이다. 특

히, 오토클레이브는 섬유강화 복합재료를 제작할 경우에 가장

일반적으로 사용되고 있는 성형법이며, 또한 프리프레그

(prepreg)를 이용하거나 곡률이 있는 패널(panel)로 구성된

항공기 부품의 생산에 가장 적합한 방법으로 많이 적용되고

있다.

오토클레이브를 이용한 성형법은 대형 부품을 제작할 수 있

을 뿐만 아니라 고품질을 얻을 수 있고 형태가 서로 다른 부

품들도 동시에 성형할 수 있으며, 하니콤 샌드위치 형태의 복

합재료 성형에도 적합하다는 등의 이점이 있다. 그러나 오토

클레이브 에 의해 성형된 샌드위치 구조물의 내부 결함 형성

을 최소화하고 플라이(Ply)의 적층 방향이 정확하고 균일하며

층과 층사이의 분리가 없는 양호한 제품을 성형하기 위해서는

온도 및 압력 속도, 가열, 가압시기 및 유지시간 등을 고려한

최적의 경화 공정을 설정하여야 한다. Fig. 11은 오토클레이

브의 형상을 나타낸 모습이다.[14] 실제 실험에서는 앞서 제작

된 프리프레그를 이용하여 진공 백 성형법으로 150℃의 고온

에서 3시간 동안 오토클레이브를 가동시켜 복합재료를 제작

하였다.

25

Fig. 11 Images of autoclave

26

3.3 실험 방법

3.3.1 Mechanical Test

현무암섬유와 유리섬유 강화 복합재료의 기계적 특성을 평가

하기 위하여 인장, 압축, 3점 굽힘시험을 하였다. 인장시험은

ASTM D 638, 압축시험은 ASTM D 695의 조건에 따라 수행하였

다. Fig. 12에 각 시편의 시험조건 및 시편의 치수를 나타내

었다. Hand Lay-up, VaRTM, 그리고 Vacuum Bag 세 가지 공법

에 의해 각 시험별로 7개씩의 시편을 제작하였고 측정된 결과

값의 최고와 최저치를 제외한 나머지 5개 시편에 대한 결과값

의 평균치를 취하였다. 시험에 사용된 장비는 Kyung-Do 사의

Universal Test Machine (모델명:KDMT-156)을 사용하였고,

Cross head speed는 관련 규격에 따라 인장시험은 5mm/min,

압축, 굽힘 시험은 1mm/min로 설정하였다. Fig. 13는 각 시험

기의 모습을 나타낸 것이다. [15,16]

3점 굽힘시험의 경우에는 ASTM D 2344의 규격에 따라 시험편

을 제작한 후 Fig. 13(c)와 같이 시험을 행하였으며 Short

beam strength는 아래의 식(1)으로 구하였다. [17]

(1)

여기서, Fsbs : Short-beam strength [Mpa]

Pm: Max load observed during the test [N]

b : Measured specimen width [mm]

h : Measured specimen thickness [mm]

3.3.2 파단면 분석

기계적 특성 시험을 실시한 후 섬유와 수지의 계면 결합성을

확인하기 위하여 파단면 주위를 절단한 후 SEM(Scanning

Electron Microscopy)을 이용하여 관찰 하였다.

27

(a) Condition of tensile test and dimension of tensile

specimen.

28

(b) Condition of compression test and dimension of

compression specimen.

29

(c) Condition of short-beam test and dimension of short-

beam specimen.

Fig. 12 Condition and dimension of each test specimens

30

(a) Tensile test

(b) Compression test

31

(c) Short beam test

Fig. 13 Images of method for each test

32

3.3.3 섬유 함유율 분석

성형 공정에 따른 섬유의 함량이 기계적 물성에 어떠한 영향

을 미치는지 알아보기 위해 KS M ISO 1172 규격에 맞춰 연소

법을 사용하여 섬유의 함량을 측정하였다. 각각의 시편을 5g

이내의 무게로 절단한 후 용기에 담아 105℃로 맞춰진 건조

오븐에서 건조 시켰다. 건조가 완료되면 질량을 재어 기록하

고 625℃의 전기로에서 가열 하였다. 마지막으로 연소 후의

잔존물이 담긴 용기의 질량을 측정하여 기록하였다. 섬유의

함량은 아래의 식(2)에 따라 계산 되었다. Fig. 14는 전기로

에서 가열된 후 용기에 담긴 시험편의 형상이다. [18]

(2)

여기서, m1 : 건조된 용기만의 초기 질량(g)

m2 : 건조된 시험편이 담긴 용기의 질량(g)

m3 : 연소 후 잔존물과 용기의 질량(g)

Fig. 14 Images of specimens for fiber content

33

제4장 실험 결과 및 고찰

4.1 강도특성 분석 결과

각 성형 공정에 대한 기계적 물성 시험의 결과를 분석해보면

모든 경우에서 현무암섬유 복합재료의 강도가 우수한 것을 알

수 있었다. 이는 현무암섬유 자체가 가지는 본래의 강도가 우

수하였기 때문에 복합재료로 성형이 되었을 때도 유리섬유 복

합재료 보다 높은 값을 나타낸 것으로 사료된다.

Hand Lay-up 공정에 대한 시험의 결과를 Fig. 15에 나타내었

다. 결과를 보면 시험군별로 강도의 차이는 있으나 현무암섬

유 복합재료가 유리섬유 복합재료보다 우수한 강도를 나타내

는 것을 알 수 있다. 특히, 굽힘시험의 경우에서는 현무암섬

유 복합재료가 유리섬유 복합재료보다 대략 10 MPa 정도로 높

은 강도 값을 보이는데 이는 현무암섬유와 에폭시수지 간의

층간 결합력이 우수하여 delamination 현상을 최소화 시켰기

때문인 것으로 보인다.

VaRTM 공정의 경우에서는 Hand Lay-up 공정과 비슷한 양상을

보이고 있으나 전체적으로 물성치가 상승한 것을 Fig. 16에서

확인 할 수 있었다. 이는 Hand Lay-up 공정으로 제작한 시편

이 VaRTM 공정으로 제작한 시편보다 보강섬유의 함유율이 떨

어져 나타나는 현상으로 보인다.

한편, Vacuum Bag 공정에서는 모든 시험에서 현무암섬유 복

합재료의 물성치가 다른 경우에서 보다 높은 값을 나타내었다.

이는 각 섬유를 프리프레그로 만드는 과정에서 섬유 함유율을

높였기 때문으로 사료된다. Fig. 17는 섬유를 프리프레그로

제작한 후 오토클레이브에서 성형한 시편의 강도를 보여주고

있다.

34

35

Fig. 15 Result of Hand Lay-up process

36

37

Fig. 16 Result of VaRTM process

38

39

Fig. 17 Result of Vacuum Bag process

40

41

Fig. 18 Comparison of strength for each process

42

4.2 파단면 분석 결과

실험결과를 통해 현무암 섬유강화 복합재료가 유리 섬유강화

복합재료에 비해 높은 강도를 가지는 것을 알 수 있었다. 이

러한 형상을 자세히 규명하기 위하여 각 공정으로 제작된 인

장시편의 파단면을 관찰하였다. Fig. 19 (a)는 현무암섬유 복

합재료 시편의 파단면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 살펴본

사진이다. 그림을 보면 현무암 섬유와 수지와의 계면 결합력

이 우수해 풀 아웃(Full out) 현상 없이 파단된 섬유 표면에

수지가 다량 묻어 있는 것을 확인 할 수 있다. 또한 유리섬유

의 표면에서도 현무암섬유의 경우와 크게 다르지 않고 비슷한

양상을 확인 할 수 있다. 이것은 현무암섬유를 복합재료로 성

형시에 섬유가 밀집하여 경화되어 수지와 섬유간의 결합이 우

수했음을 보여준다.

43

(a) Basalt fiber

44

(b) Glass fiber

Fig. 19 Micrographs of tested specimens

45

4.3 함유율 측정 결과

본 실험의 결과를 보다 체계적으로 확립하고자 위에서 살펴

보았던 Microscope photo에 추가하여 각 공정에 따라 제작된

시편의 섬유 함유율을 측정한 결과를 Table 4에 나타내었다.

섬유의 함유율을 측정한 결과 예상 하였던 목적에 맞게

Vacuum Bag 성형법으로 제작된 시편의 섬유 함유율이 다른 성

형법의 경우보다 높은 값을 보였다. Biaxial 유리섬유의 경우

는 가장 높은 섬유 함유율을 보였는데 이는 섬유의 제직 상태

가 조밀하여 같은 성형법으로 제작된 다른 섬유들보다 함침되

는 수지의 양이 적기 때문인 것으로 판단된다.

상대적으로 현무암섬유의 함유율이 낮았음에도 불구하고 복

합재료의 강도가 유리섬유의 경우보다 높게 나왔음을 알 수

있는데 이는 수지와의 결합성과 섬유 자체의 우수한 강도 등

의 여러 가지 요소가 복합적으로 작용 했을 것으로 생각된다.

Table 5는 Vacuum Bag 성형법에 의해 제작된 복합재료를 실

제 측정된 인장강도 값과 이론에 의해 계산된 강도 값의 결과

를 나타낸 것이다. 두 값은 약간의 차이를 보이고 있는데 이

는 복합재료의 제작과정에서 내부에 존재하는 기공의 영향과

시편의 제작과정에서 컷팅을 하는 동안 열로 인한 재료의 열

화에 의한 것으로 사료된다.

46

Table 4 Comparison of fiber content on the basalt and

glass fiber reinforced composites

Fiber Hand Lay-

up VaRTM Vacuum Bag

Basalt

(Plain) 57.58% 59.01% 68.40%

Glass

(Biaxial) 57.59% 61.63% 74.66%

Glass

(Chop) 39.62% 48.54% 55.27%

Glass

(Plain) 49.62% 53.43% 58.62%

Table 5 Comparison of strength on the test and theory of

composites

Fiber Measured Tensile

Strength(MPa)

Calculated Tensile

Strength(MPa)

Basalt

(Plain) 328 430

Glass

(Biaxial) 264 378

Glass

(Chop) 202 209

Glass

(Plain) 284 355

47

제 4 장 결론

본 연구에서는 복합재료 파이프에 흔히 사용되는 유리섬유를

현무암섬유로 대체하기 위해 현무암섬유를 Hand Lay-up,

VaRTM, Vacuum Bag 등의 여러 성형법을 사용하여 복합재료로

제작하고 기계적 특성을 살펴보았다.

실험을 통하여 살펴본 결과로는 섬유 함유율이 비슷하거나

약간 낮았음에도 불구하고 현무암섬유 복합재료의 기계적 특

성이 유리섬유 복합재료의 물성보다 우수한 것을 알 수 있었

다. 내용을 요약하면 다음과 같다.

1. 각기 다른 성형 공정법으로 제작된 시편들의 기계적 물성

을 시험해 본 결과 유리섬유 복합재료보다 현무암섬유 복합재

료의 경우가 우수한 물성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이

는 현무암섬유 자체가 가지는 물성이 유리섬유의 경우보다 우

수했기 때문인 것으로 판단된다.

2. 일반적으로 Hand Lay-up 공정보다는 VaRTM 공정으로 제작

된 복합재료의 물성이 높게 나타났다. 이는 VaRTM 공정에서

진공압의 영향으로 인해 보강섬유에 더 많은 장력이 걸렸기

때문인 것으로 보인다.

3. 인장시험에서는 Vacuum Bag 공정으로 제작된 시편이 다른

공정으로 제작된 시편보다 높은 물성을 보였다. 하지만 압축

과 3점 굽힘 시험에서는 현무암섬유 복합재료만 높은 물성을

일관적으로 유지하였고 유리섬유 복합재료는 공정에 따라 차

이를 보였다.

4. 파단면의 분석 결과를 살펴보면 현무암섬유와 에폭시 수지

사이의 계면 결합성은 유리섬유와 비교했을 때 더 우수한 것

으로 보인다. 이는 무기섬유인 현무암섬유의 표면처리 상태가

매끄럽게 잘 이루어져서 에폭시 수지와 조화롭게 결합이 된

것으로 사료된다.

48

5. 섬유의 함유율을 검토해보면 Vacuum Bag 성형법으로 제작

되었을 때가 가장 높은 함유율을 보였다. 이는 섬유를 프리프

레그로 제작하기 위해 인위적으로 함침 되는 수지의 양을 조

절해 주었기 때문에 복합재료로 성형이 되어도 높은 섬유 함

유율을 보인 것으로 판단된다.

이상의 연구 내용을 통하여 현무암섬유 복합재료가 유리섬유

복합재료를 대체 할 수 있는 충분한 물성을 보인다는 것을 확

인할 수 있었다.

최근 내식성을 요구하는 파이프, 경량성을 목적으로 하는 풍

력 발전기의 블레이드 등 많은 산업 구조물들이 복합재료로

제작이 되고 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 상대적으

로 저렴한 유리섬유 복합재료가 주를 이루고 있어 다양한 산

업으로의 적용에 큰 어려움을 겪고 있는 실정이다.

현재의 현무암섬유 가격은 유리섬유보다 경쟁력이 떨어지고

있지만 지속적인 수요와 기술의 발달이 이루어진다면 비교적

물성이 좋은 현무암섬유 복합재료에 대한 신뢰성을 높여 유리

섬유 복합재료를 대체 할 수 있을 것으로 사료된다.

49

참고문헌

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機械的 特性 評價, 석사학위 논문: Page 3

(2) Marissen, R. and Vogelsang, L.B., 1981, “Development

of a New Hybrid Materials: ARALL”, the International

SAMPE Meeting, C8

(3) 손진호, VaRTM 成形工法에 의해 製造된 尖端 複合材料의

物理的·機械的 特性評價 및 그 應用, 박사학위 논문:

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(4) 김윤해, 한중원 공저, 복합재료학, 효성출판사, Page 2~4

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Publication date, February 2005

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Construction” UK Progress in Aerospace Sciences, Vol.

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(8) 배동우, 장기욱, 김규직, 한국복합재료학회지, 유리섬유

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(9) 엄숙자, 新素材 製品의 마케팅 戰略에 관한 硏究, 석사학

위 논문: Page 38~40

(10) WWW.yj-ceramics.co.kr

(11) 이준우, 한국과학기술정보연구원, 현무암섬유 기술시장

정보, 2007, Page 1~11

(12) 손진호, VaRTM 成形工法에 의해 製造된 尖端 複合材料의

物理的·機械的 特性評價 및 그 應用, 박사학위 논문:

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(13) 강영구, VaRTM 공정을 이용한 복합재료 성형 시 이물질

에 의한 Void 형성에 관한 연구, 석사학위 논문: Page

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(14) 정연운, 라미네이트와 하니콤 샌드위치 구조물의 강도

특성에 미치는 Thermal Aging의 영향, 석사학위 논문:

50

Page 6~8

(15) ASTM D 638, “Standard Test Method for Tensile

Properties of Plastics”.

(16) ASTM D 695, “Standard Test Method for Compressive

Properties of Rigid Plastics”.

(17) ASTM D 2344, “Standard Test Method for Short-Beam

Strength of Polymer Matrix Composite Materials and

Their Laminates”.

(18) KS M ISO 1172, “유리 섬유 강화 플라스틱 - 프리프레

그, 성형 콤파운드 및 적층판 - 유리 섬유 및 무기 충전

재 함량의 측정-연소법”.

51

감사의 글

지난 2년간의 짧지 않은 시간 동안 복합재료실험실에서 연

구를 진행하면서 제 삶에 있어서 잊을 수 없는 중요한 부분을

많이 배울 수 있었습니다. 항상 부족한 시간과 중압감에 보낸

날들이었지만, 그 벅찬 시간 동안 학문을 포함한 많은 것들을

얻을 수 있었습니다. 학창시절 배우고 익힌 학문적 성과도 중

요하지만, 오늘 이 순간까지 항상 저를 걱정해주시고 도움을

주신 분들과 함께한 시간들이 참으로 소중한 기억으로 남기고

또한 아름다운 인연으로 간직하겠습니다.

학위 과정 동안 부족함이 많았던 저에게 격려와 가르침, 꿈

과 희망을 가지도록 세심한 조언과 학문 그리고 인생의 바른

길을 알려주신 김윤해 지도교수님께 진심으로 감사 드립니다.

그리고, 바쁘신 와중에도 더욱 좋은 논문이 될 수 있도록 지

도 편달을 아끼지 않으셨던 배창원 박사님, 한중원 교수님께

도 감사의 말씀을 올립니다. 제가 대학에 입학하면서부터 전

공지식을 전해주신 김영식 교수님, 문경만 교수님, 이성열 교

수님, 최일동 교수님, 이병우 교수님께 깊이 감사 드립니다.

많이 부족한 저에게 인생의 충고와 관심을 보여주셨고, 복

합재료실험실을 잘 이끌어 주셨던 조영대 선배님과 공학교육

혁신센터의 박세호 연구원님께 감사하단 말씀 전합니다. 더불

어 실험실에서 저와 함께 동고동락 했던, 양동훈형, 안승준,

안희범, 김태현, 임수란, 신석진, 김민정 그리고 최근에 실험

실에 들어와서 앞으로 이끌어갈 이진우에게 부족한 선배 때문

에 고생했고, 고맙다고 전하고 싶습니다.

그리고 남들보다 늦게 시작한 대학생활 동안 두 살이나 많

은 형에게 마음의 문을 활짝 열어줬던 우리 02학번 동기들 정

말 고맙습니다. 특히 아직까지 철없이 같이 모여서 날이 새도

록 술 마시는 우리 똘추 강성규, 까칠 노진이, 애아빠 박충용,

해병 윤성민, 너굴 이우진, 왕족 황상경, 쑤굴 이순근, 개주

인 최우정, 개 성정현, 내밥 김동훈 고맙다. 돌아보면 정말

많은 사람들의 도움과 관심 속에서 즐겁게 생활했습니다.

마지막으로, 많은 어려움 속에서도 저 하나만을 생각하며

52

매일 걱정에 밤을 지새우시는 아버지, 어머니께 감사 드립니

다. 평생을 다 갚지 못할 사랑을 주신 부모님께 이 논문을 바

치며 감사의 글을 마치겠습니다.

저를 항상 지켜보며 관심 보여주었던 제 주위의 모든 사람

께 다시 한번 감사하단 말씀 올립니다. 감사합니다.

Abstracts 제1장 서론 제2장 현무암섬유의 소개 2.1 현무암섬유의 정의 2.2 현무암섬유의 특징 2.3 현무암섬유의 적용분야

제3장 재료 및 실험방법 3.1 실험재료의 준비 3.2 프리프레그 및 시편의 제작 3.2.1 프리프레그의 제작 3.2.2 Hand Lay-up 3.2.3 VaRTM 3.2.4 Vacuum Bag Process

3.3 실험 방법 3.3.1 Mechanical Test 3.3.2 파단면 분석 3.3.3 섬유 함유율 분석

제4장 실험 결과 및 고찰 4.1 강도특성 분석 결과 4.2 파단면 분석 결과 4.3 함유율 측정 결과

제5장 결론 참고문헌