KR20040031530A - 도전체를 갖는 파괴예측용 유리섬유강화 플라스틱 경화체및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 저항의 변화를 검지하기 위하여 양단에 전극을 갖는 검지부를 구비한 파괴 예측용 유리섬유강화 플라스틱(GFRP) 경화체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 검지부는 플레이크 형태의 분말상 탄소재료를 일정 체적 비율로 혼합된 형태의 경화체로 형성하므로써, 탄소 분말 입자끼리의 점접촉에 의해 형성된 도전 경로는 하중에 민감하여 절단되기 쉬우므로 보다 낮은 하중하에서도 전기저항의 변화가 일어나게 된다.

Description

도전체를 갖는 파괴예측용 유리섬유강화 플라스틱 경화체 및 제조방법{HARDENING GFRP MATERIAL WITH CONDUCTIVE MATERIAL FOR FORCASTING FRACTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전기 저항 측정에 의한 파괴 예측용 GFRP 경화체에 관한 것으로서, 특히 저하중에서의 예측 기능을 3점 굽힘시험시의 저항측정에 의하여 평가하기위하여 플레이크 형태의 분말상 탄소재료를 이용한 도전체(검지부)를 갖는 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP; Glass Fiber Reinforced Plastic) 경화체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) 경화체(hardening plastic material)가 인장 또는 굽힘 하중을 받을 때 별도로 재료 중에 도입한 검지부(detection part)의 전기저항 변화를 실시간 또는 사후에 측정함으로서 재료 전체의 손상·파괴의 정도를 예측할 수 있다. 이때, 상기 재료에는 전기저항 변화를 이용한 측정을 위하여 섬유상 탄소재료를 도전상으로 사용하게 된다. 이 탄소재료를 도전상으로 이용한 섬유상 탄소 재료 부분 도입 GFRP 경화체가 외부하중을 받을 때 전기저항 변화는 0.5% 변형부터 생기기 시작한다. 이 값은 재료 전체 파괴시의 변형인 2%보다는 작지만 손상 또는 파괴예측의 관점에서는 반드시 작은 변형이라고는 말할 수 없다.

다시 말하면 섬유상 탄소재료를 도전상으로 이용한 재료의 파괴 또는 손상예측은 비교적 높은 하중일 경우에는 적합하지만 낮은 하중, 특히 연속적 작용(또는 피로)에 의한 경우에는 부적합한 문제점이 발생하는데, 이는 섬유상 탄소재료를 이용할 경우 하중부가로 인한 전기저항 변화가 도입된 섬유상 탄소재료가 파단되지 않으면 일어나지 않기 때문이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써 본 발명은 낮은 하중하에서도 재료의 파괴 또는 손상을 예측할 수 있도록 구성되는 저항 측정에 의한 파괴 예측을 위한 도전성을 갖는 GFRP 경화체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 GFRP 경화체의 재료구조 모식도,

도 2는 본 발명에 따른 GFRP 경화체에 도입된 검지부 미세조직의 단면과 측면을 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 GFRP 경화체에 대한 3점 굽힘 시험시의 하중-변위 관계(실선)와 전기저항변화(점선)를 도시한 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 GFRP 경화체에 대한 반복하중시험시의 하중과 전기저항변화와의 관계.

따라서, 본 발명은 전기 저항의 변화를 검지하기 위하여 양단에 전극을 갖는 검지부를 구비한 파괴 예측용 GFRP 경화체에 있어서, 상기 검지부는 플레이크 형태의 분말상 탄소 재료를 일정 체적 비율로 혼합된 형태의 경화체임을 특징으로 한다. 또한, 상기 검지부는 비닐 에스테르 수지와 스치렌 모노마를 2:3의 비율로 혼합하고, 약 1%의 경화제와 적어도 전 체적의 10%의 분말상 탄소재료를 슬러리 형태로 혼합한 후, 경화시키도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 GFRP 경화체 제작시 강화재로는 유리섬유, 기지재에는 내알카리성과 산화성이 우수한 비닐에스테르 수지를 사용한다. 또 도전상에는 플레이크 형태(평균입경 10미크론)의 그라파이트 탄소분말을 사용한다.

도 1은 본 발명에서 제작한 검지부를 삽입한 GFRP 경화체의 재료 구조 설계도를 모식적으로 나타낸 것이다. (A)부분은 GFRP경 화체 전체, (B)부분은 각 부분을 부분적으로 확대한 것이다. 평가시 검지부는 GFRP 경화체의 인장면으로부터 1mm 되는 곳에 위치하게 된다.

이 그림에서는 본 GFRP 경화체의 대부분은 FRP(Fiber Reinforced Plastic)로결함상인 비닐 에스테르 a와 유리섬유 b로 구성되어 있음을 나타낸다. 검지부중의 도전상은 제조시 기지인 비닐 에스테르의 일부를 분말상 탄소 재료로 치환하는 방법으로 도입한다.

여기서 먼저 검지부의 제조법을 간단히 설명하면, 먼저 비닐 에스테르 수지와 스치렌 모노마를 2 : 3(체적)의 비율로 희석한 용액에 1%의 경화제를 넣어 분말상 탄소재료를 일정량 혼합한 슬러리를 제작한다. 본 발명에서는 탄소분말의 양은 종류에 관계없이 10vol%이다.

이 슬러리를 초음파 욕조속에서 유리섬유에 상온함침ㆍ경화시킨 후, 120mm의 길이로 절단하여 양끝에 압착단자로 전극을 연결한다.

이와 같은 순서로 제작한 검지부를 GFRP중에 도입한다. 검지부가 GFRP 경화체 전체에 대한 체적 분율은 0.4vol%이다. GFRP의 제작에는 1vol%의 경화재를 첨가한 비닐에스테르 수지를 유리섬유속에 강제로 침투시키는 필라멘트 와인딩(filament winding)법을 채용한다. GFRP중의 유리섬유의 함유율은 45vol%이며, 3점굽힘시의 경화체의 크기는 폭5mm, 두께3mm, 길이120mm이다.

이와같은 방법으로 분말상의 탄소재료를 검지부의 도전상으로 도입한 GFRP 경화체를 제작하여 3점 굽힘시험시의 전기저항측정에 의해 파괴예측 기능 소지여부를 판단한다.

3점굽힘 시험의 조건은 지점간거리 50mm, 하중부가속도 1mm/min이며, 전기저항은 검지부에 연결된 전극에 리드선을 연결하여 디지털 멀티메터로 실시간으로 측정한다.

전기저항의 변화측정에 의하여 나타나는 구체적인 특징은 분말상 탄소재료를 도전상으로 이용하면 재료의 파괴이전 하중에서 전기저항이 민감하게 변화하며, 재료가 파괴될 때까지 거의 직선적으로 변화한다. 또 재료의 파괴가 일어나기전의 하중일 경우 하중 제거 후에도 전기저항이 일부 잔류하며 그 양은 하중량이 높아질수록 증가한다.

이하 본 발명의 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

≪실시예 1≫

<검지부의 제작>

검지부의 제작법을 설명하면 다음과 같다. 먼저 비닐 에스테르 수지와 스치렌 모노마를 2 : 3(체적)의 비율로 희석한 용액에 1%의 경화제를 넣어 분말상 탄소재료(전 체적의 10%)를 혼합한 슬러리를 제작하였다.

이 슬러리를 20kw용량의 초음파 욕조속에 넣어 그 속에 유리섬유를 침적시켜 슬러리를 상온에서 함침시킨 후 꺼내어 직경 1mm의 노즐을 통과시켜 실온에서 24시간동안 경화시켰다. 이어서 80도에서 1시간동안 용기중에서 경화시켰다. 이를 120mm의 길이로 절단하여 양끝에 압착단자로 전극을 연결하였다.

<검지부 삽입 GFRP 경화체의 제작>

위와 같은 방법으로 제작한 검지부를 GFRP중에 도입한다. 검지부가 GFRP 경화제 전체에 대하여 차지하는 체적 분율은 0.4vol%가 되도록 조정한다. GFRP 경화체의 제작에는 1vol%의 경화재를 첨가한 비닐에스테르 수지를 유리섬유속에 강제로 침투시키는 적층식 필라멘트 와인딩법을 채용하였다. GFRP 경화체중의 유리섬유의 함유율은 45vol%이며, 평가를 위한 3점굽힘시의 경화체의 크기는 폭5mm, 두께3mm, 길이120mm이다.

3점굽힘 시험의 조건은 지점간거리 50mm, 하중부가 속도 1mm/min이며, 전기저항은 검지부에 연결된 전극부에 리드선을 연결하여 시판의 디지털 멀티메터로 실시간으로 측정하였다.

도 2는 GFRP 경화체에 도입된 검지부에 대하여 다이어몬드 슬러리로 연마후의 단면조직사진을 나타낸 것이다. a는 단면을, b는 측면을 도시하였다. a에서 둥근원으로 보이는 것이 유리섬유이며, b에서 관찰되는 작은 입자들은 분말상 탄소재료이다. 이와같이 분말상 탄소재료들은 비닐에스테르 수지중에 잘 분산되어야 하며, 또한 유리섬유 사이에도 균일하게 분포되어야 한다.

<예측기능의 평가>

3점 굽힘 시험을 하였을 때의 하중과 변위곡선(실선), 전기저항 변화곡선(점선,△R)와의 관계를 나타낸 것이 도 3이다. 도 3의R ₀ 는 GFRP 경화체의 초기저항값을 나타낸다.△R에 대해서는 전기저항변화값(R-R₀)과 변화율[{(R-R ₀ )/R ₀ } ×100](%)을 함께 표시하였다.

아주 작은 변위 영역부터 전기저항의 변화가 생겨△R는 변위에 따라 거의 직선적으로 증가하는 것을 알 수 있다.

도 4에는 외부하중을 일정값만큼 증가시키면서 반복적으로 가하였을 때의△R과 하중량과의 관계를 나타낸 것이다. 최대 하중의 약 25%인 300N의 저하중의 경우에도 전기저항이 잔류하며 또 부가하중이 증가함에 따라 잔류저항이 증가하였다. 또 이것은 분말상 탄소재료를 이용하면 상당히 낮은 하중에서 잔류전기저항이 생기는 것을 확인해 준다.

이 잔류저항을 측정함으로써 이전에 받은 부하의 이력을 판단할 수 있다는 것은 알려져 있지만, 분말상 탄소재료를 도전상으로 도입한 경우에도 경우도 이러한 성질을 가지고 있다.

<이전의 결과와 비교>

도 3 및 도 4의 결과와 이전의 결과와 비교해 보기로 한다. 이전에는 종류가 다른 섬류상 탄소재료를 도입한 GFRP 경화체의 파괴예측 기능의 평가를△R및 잔류저항을 주인자로 하여 인장시험으로 조사하고 있다. 본 발명에서 굽힘시험을 이용한 평가를 하고 있는 것은 재료제작의 편리함 뿐만 아니라 실제 응용면에서도 굽힘하중이 중요하다고 판단되었기 때문이다. 본 발명의 결과를 종래의 결과와 비교하면, 먼저△R의 변화, 잔류저항의 발생 등에 있어서 차이를 보인다.△R는 종래의 인장시험에서는 초기에 약간 변화하여, 최대하중의 약 50%에서 급격히 변화하지만 본 발명의 굽힘시험에서는 최대하중의 약 75%에서 급격히 변화할 때까지 거의변화하지 않는다. 또 잔류저항도 이전는 최대하중의 40%정도에서 나타나지만, 본 발명에서는 최대하중의 약 70%에서 발생한다. 이들 차이의 원인은 평가방법의 차이는 물론 본 발명에서 제작한 GFRP 경화체에서 검지부가 재료표면에 위치하고 있지 않기 때문(인장하중이 가장 많이 작용하는 표면으로부터 1mm 내부)이다.

따라서, 분말상의 탄소재료를 검지부의 도전상으로 이용하면 이전의 GFRP에 비하여 낮은 하중에서 전기저항이 변화하며, 또 제거 후에도 저항의 일부가 잔류한다. 그 잔류량은 부가하중에 비례하여 증가하며, 하중제거후 발생하기 쉬운 잔류저항을 측정함으로서 하중이력을 추측할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 섬유상 탄소재료 대신에 분말상 탄소재료의 퍼코레이션(percolation)구조(분말입자들이 연속적으로 접촉하여 이루는 구조)를 이용한 도전상을 GFRP 경화체중에 도입하였기 때문에 입자끼리의 점접촉에 의해 형성된 도전 경로는 하중에 민감하여 절단되기 쉬우므로 보다 낮은 하중하에서도 전기저항의 변화가 일어나는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 전기 저항의 변화를 검지하기 위하여 양단에 전극을 갖는 검지부를 구비한 파괴 예측용 GFRP 경화체에 있어서,

   상기 검지부는 플레이크 형태의 분말상 탄소재료를 일정 체적 비율로 혼합된 형태의 경화체임을 특징으로 하는 도전체를 갖는 파괴예측용 GFRP 경화체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 검지부는 비닐 에스테르 수지와 스치렌 모노마를 2:3의 비율로 혼합하고, 약 1%의 경화제와 적어도 전 체적의 10%의 분말상 탄소재료를 슬러리 형태로 혼합한 후, 경화시킴을 특징으로 하는 도전체를 갖는 파괴예측용 GFRP 경화체.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 분말상 탄소재료는 적어도 10미크론의 입경을 가짐을 특징으로 하는 도전체를 갖는 파괴예측용 GFRP 경화체.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 검지부는 GFRP 경화체 전체 체적의 0.4vol%임을 특징으로 하는 도전체를 갖는 파괴예측용 GFRP 경화체.
5. 파괴 예측용 GFRP 경화체의 검지부를 제조하기 위한 방법에 있어서,

   비닐 에스테르 수지와 스치렌 모노마를 일정 비율로 혼합하는 과정;

   상기 혼합물에 일정량의 경화제를 투입하는 과정;

   상기 과정에 의한 혼합물에 일정 비율의 분말상 탄소재료를 혼합하여 슬러리 형태로 만드는 과정;

   상기 슬러리를 초음파 욕조속에 담지시키고 그 속에 유리 섬유를 침적시켜 슬러리를 상온에서 함침시키는 과정 및;

   상기 함침된 슬러리를 소정의 직경을 갖는 노즐을 통과시킨 후 실온 및 고온에서 일정 시간동안 경화시키는 과정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 비닐 에스테르 수지와 스치렌 모노마는 2:3의 체적 비율로 혼합됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 분말상 탄소재료는 적어도 전 슬러리 체적의 10%를 혼합함을 특징으로 하는 방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 방법에 의해 제조된 검지부의 체적분율은 GFRP 경화체 전체의 0.4vol%가 되도록 조절함을 특징으로 하는 방법.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 분말상 탄소재료는 10미크론의 입경을 가짐을 특징으로 하는 방법.