핫프레스 성형 시 금형의 냉각온도 변화에 따른 열가소성 복합재료의 결정화도 및 기계적 특성 평가

Abstract

고분자 기반의 섬유 강화 복합재료는 금속재료 대비 우수한 내식성, 비강도 및 비강성을 가지고 있어, 항공기, 선박, 자동차 등 수송 산업 분야에 금속재료의 대체품으로 적용 가능성이 확대되고 있다. 특히, 열경화성 고분자 복합재료와 비교하여 가공성이 용이하고 재활용이 가능한 열가소성 고분자 복합재료의 연구가 많이 진행되고 있다.

열가소성 고분자 복합재료는 열성형(Thermoforming)이 가능하며 가열, 가압 성형 및 냉각 과정을 통해 성형을 이루어진다. 대부분의 열가소성 고분자 복합재료는 반결정질 (Semi-Crystalline) 분자 구조를 이루며, 냉각 온도에 따른 결정화도에 따라 성형 후의 기계적 특성이 달라진다. 기존의 열경화성 복합재료는 오토클레이브를 이용해 높은 기계적 물성을 획득할 수 있는 장점이 있지만 높은 제작 단가와 성형시간이 오래 걸린다는 단점을 가지고 있다. 반면에, 열가소성 복합재료의 경우, 열성형을 비롯하여 오토클레이브 공정 없이 프레스 장비 등을 이용한 탈오토클레이브(Out-Of-Autoclave) 공정이 가능하기 때문에, 공정 비용 및 제작 시간의 효율성을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 연구에서는 항공기의 2차 구조물이나 단순 부품에 적용 가능한 Polyphenylene Sulfide(PPS)를 이용하여 프레스 성형 공정 변수를 도출하고 냉각속도에 따른 시편 제작을 통해 물성 평가를 수행하였다. 일반적으로 Hot-Press를 이용한 공정은 가열, 가압 성형, 냉각 과정을 통하여 열가소성 복합재료의 성형을 수행한다. 본 논문에서는 적외선(InfraRed)을 이용하여 열가소성 복합재료의 성형가능온도(Processing Temperature)까지 가열한 이후, 압력을 가하여 성형 공정을 수행하였으며, 냉각 속도에 따른 물성 평가를 위하여 금형 온도를 변화시키며 시편을 제작하였다. 또한, 오븐을 이용한 진공성형공정으로 동일한 시편을 제작하여 Hot-Press 성형공정으로 제작한 시편과 비교 및 분석을 진행하였다.

냉각 속도에 따른 결정화도는 Differential Scanning calorimetry(DSC)를 이용하였고 냉각 속도가 느릴수록 높게 측정되는 경향을 보였다. 또한, 인장 및 압축 등 기계적 특성 역시 결정화도가 높을수록 높게 측정됨을 알 수 있었고, 결정화도에 따른 재료의 표면상태 및 파단 거동을 분석하기 위하여 Scanning Electron Microscope(SEM) 으로 표면 및 파단면을 관찰하였다.

본 연구를 통해 열가소성 복합재료를 이용한 Hot-Press 성형 시 냉각 속도에 따른 결정화도와 기계적 특성 변화의 양상을 살펴 보았다. 본 연구 결과를 토대로 PPS 및 PEKK(Poly Ether Ketone Ketone) 등의 열가소성 복합재료를 이용한 실제 부품 성형 시 활용될 수 있을 것이라 예상된다.|Polymer-based fiber-reinforced composites have superior corrosion

resistance, specific strength and specific rigidity compared to metal materials,

and are being applied as a substitute for metal materials in transportation

industry such as aircraft, ship, and automobile. Particularly, research on

thermoplastic polymer composites which can be easily processed and recycled

compared to a thermosetting polymer composite material is being studied.

Thermoplastic polymer composites can be thermoformed and molded through

heating, pressing, and cooling processes. Most thermoplastic polymer

composites have a semi-crystalline molecular structure, and the mechanical

properties after molding depend on the degree of crystallization depending on

the cooling temperature. Conventional thermosetting composites have the

advantage of obtaining high mechanical properties by using an autoclave, but

they are disadvantaged in that they require high production cost and long

molding time. On the other hand, in the case of the thermoplastic composite

material, since the out-of-autoclave process using the press equipment can be

performed without the autoclave process, including the thermoforming process,

the process cost and the production time efficiency can be increased It has

advantages.

In this study, the parameters of the press forming process were derived by

using Polyphenylene Sulfide (PPS) applicable to the secondary structure or

simple parts of the aircraft and physical properties were evaluated by

preparing specimen according to the cooling rate. Generally, the process using

Hot-Press performs molding of a thermoplastic composite material through

heating, press-molding, and cooling processes. In this paper, Infrared is used

to heat up to the processing temperature of thermoplastic composites, and

then the molding process is performed by applying pressure. The mold

temperature is changed to evaluate the properties according to the cooling

rate, Respectively. In addition, the same specimen was fabricated by the

vacuum forming process using the oven and compared with the specimen

produced by the hot-press molding process.

The crystallization degree according to the cooling rate was measured by

differential scanning calorimetry (DSC) and the higher the cooling rate, the

higher the tendency to be measured. In addition, the mechanical properties

such as tensile and compression were also measured to be higher as the

crystallinity was higher. Surface and fracture surfaces were observed with a

Scanning Electron Microscope (SEM) to analyze the surface state and fracture

behavior of the material according to the degree of crystallization.

Through this study, we investigated the crystallization and mechanical

properties of hot - press molding using thermoplastic composite according to

the cooling rate. Based on the results of this study, it is expected that it can

be utilized in the actual part molding using thermoplastic composite materials

such as PPS and PEKK (Poly Ether Ketone Ketone).