섬유 강화 플라스틱 ( FRP )( 섬유 강화 폴리머 라고도 함 )은 섬유로 강화된 폴리머 매트릭스로 만들어진 복합 재료입니다. 섬유는 일반적으로 유리, 탄소, 아라미드 또는 현무암입니다. 드물게 종이, 목재, 석면과 같은 다른 섬유가 사용되었습니다. 폴리머는 일반적으로 에폭시, 비닐에스테르 또는 폴리에스테르 열경화성 플라스틱입니다. 페놀 포름알데히드 수지가 여전히 사용되고 있습니다.
FRP는 항공우주, 자동차, 해양, 건설 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 탄도 갑옷에서도 흔히 발견됩니다.
중합체는 일반적으로 단계성장중합이나 부가중합에 의해 제조된다. 폴리머의 재료 특성을 강화하거나 어떤 식으로든 변경하기 위해 다양한 물질과 결합한 결과를 플라스틱이라고 합니다. 복합 플라스틱은 서로 다른 재료 특성을 가진 두 개 이상의 균질한 재료를 결합하여 원하는 특정 재료 및 기계적 특성을 가진 최종 제품을 파생시키는 플라스틱 유형을 의미합니다. 섬유 강화 플라스틱은 특히 섬유 재료를 사용하여 플라스틱의 강도와 탄성을 기계적으로 향상시키는 복합 플라스틱 카테고리입니다. 섬유 강화가 없는 원래의 플라스틱 재료는 매트릭스 또는 결합제로 알려져 있습니다. 매트릭스는 단단하지만 더 강한 강화 필라멘트나 섬유로 강화된 상대적으로 약한 플라스틱입니다. 섬유 강화 플라스틱의 강도와 탄성이 향상되는 정도는 섬유와 매트릭스의 기계적 특성, 서로에 대한 부피, 매트릭스 내 섬유 길이와 방향에 따라 달라집니다. [1] 매트릭스의 강화는 FRP 재료가 매트릭스 단독의 강도 및 탄성에 비해 증가된 강도 또는 탄성을 나타낼 때 정의에 따라 발생합니다. [2]
베이클라이트는 최초의 섬유 강화 플라스틱이었습니다. Leo Baekeland 박사는 원래 셸락(락 딱정벌레의 배설물로 만든)을 대체할 물질을 찾기 시작했습니다. 화학자들은 많은 천연 수지와 섬유가 고분자라는 사실을 인식하기 시작했고 Baekeland는 페놀과 포름알데히드의 반응을 조사했습니다. 그는 처음에는 시장에서 성공하지 못한 '노볼락'이라는 용해성 페놀-포름알데히드 셸락을 생산한 후 당시 고무로 성형되던 석면용 바인더를 개발하기 시작했습니다. 그는 1905년에 페놀과 포름알데히드에 가해지는 압력과 온도를 제어함으로써 자신이 꿈꾸던 단단한 성형 재료(세계 최초의 합성 플라스틱)인 베이클라이트를 생산할 수 있다는 사실을 발견했습니다. [3] [4] 그는 1909년 2월 5일 미국 화학 학회 회의에서 자신의 발명품을 발표했습니다 .
상업용 섬유 강화 플라스틱 개발은 1930년대에 광범위하게 연구되었습니다. 영국에서는 Norman de Bruyne과 같은 선구자들에 의해 상당한 연구가 수행되었습니다. 특히 항공업계의 관심이 쏠렸다. [6]
유리 가닥의 대량 생산은 1932년 Owens-Illinois의 연구원인 Games Slayter가 실수로 녹은 유리 흐름에 압축 공기 제트를 분사하여 섬유를 생산하면서 발견되었습니다. 유리솜을 생산하는 이 방법에 대한 특허는 1933년에 처음 신청되었습니다. [7] Owens는 1935년에 Corning 회사에 합류했으며 1936년에 Owens Corning이 이 방법을 채택하여 특허받은 '섬유유리'(하나의 's')를 생산했습니다. 원래 섬유유리는 다량의 가스를 포집하는 섬유가 있는 유리솜으로, 특히 고온에서 절연체로 유용합니다.
'섬유 유리'를 플라스틱과 결합하여 복합 재료를 만드는 데 적합한 수지가 1936년 du Pont에 의해 개발되었습니다. 현대 폴리에스테르 수지의 첫 번째 조상은 1942년 Cyanamid의 수지입니다. 당시에는 과산화물 경화 시스템이 사용되었습니다. [8] 섬유 유리와 수지의 조합으로 재료의 가스 함량이 플라스틱으로 대체되었습니다. 이는 절연 특성을 플라스틱의 일반적인 값으로 감소시켰지만 이제 처음으로 복합재는 구조 및 건축 자재로서 큰 강도와 가능성을 보여주었습니다. 혼란스럽게도 많은 유리섬유 복합재는 계속해서 '섬유유리'(일반명)로 불리고 있으며, 이 이름은 플라스틱 대신 가스를 함유한 저밀도 유리솜 제품에도 사용되었습니다.
Owens Corning의 Ray Greene은 1937년에 최초의 합성 보트를 생산한 것으로 알려져 있지만 당시에는 사용된 플라스틱의 부서지기 쉬운 특성으로 인해 더 이상 진행되지 않았습니다. 1939년 러시아는 플라스틱 소재로 여객선을 제작했고, 미국은 항공기 동체와 날개를 제작한 것으로 알려졌다. [9] 섬유 유리 차체를 갖춘 최초의 자동차는 1946년형 Stout Scarab이었습니다. 이 모델 중 하나만 제작되었습니다. [10] 1941년 포드 프로토타입은 최초의 플라스틱 자동차였을 수도 있지만, 직후 폐기되었기 때문에 사용된 재료에 대해서는 약간의 불확실성이 있습니다. [11] [12]
최초의 섬유 강화 플라스틱 비행기는 1937년 5월 12일에 처음 비행한 Fairchild F-46이거나 캘리포니아에서 제작한 Bennett Plastic 비행기였습니다. [13] 1942년 후반 Wright Field에서 XBT-16으로 지정된 수정된 Vultee BT-13A에 유리 섬유 동체가 사용되었습니다. [14] 1943년에 복합 재료로 항공기 구조 부품을 만드는 추가 실험이 수행되어 1944년에 비행한 XBT-19로 지정된 GFRP 동체를 갖춘 첫 번째 비행기인 aVultee BT-15가 탄생했습니다. ] 1943 [17 년 Republic Aviation Corporation은 GFRP 부품용 툴링에 있어 중요한 발전을 이루었습니다. [18]
탄소섬유 생산은 1950년대 후반에 시작되었으며 널리 사용되지는 않았지만 1960년대 초부터 영국 산업에 사용되었습니다. 아라미드 섬유도 이 시기에 생산되었으며 DuPont에서는 Nomex라는 상표명으로 처음 등장했습니다. 오늘날 이러한 각 섬유는 특정 강도나 탄성 품질을 갖춘 플라스틱이 필요한 모든 응용 분야에 산업계에서 널리 사용됩니다. 탄소섬유와 탄소섬유-아라미드 복합재는 항공우주, 자동차, 스포츠용품 분야에서 널리 사용되지만 유리섬유는 모든 산업 분야에서 가장 일반적입니다. [2] 이 세 가지(유리, 탄소, 안다라미드)는 계속해서 FRP에 사용되는 중요한 섬유 범주입니다.
오늘날 현재 규모의 글로벌 폴리머 생산은 낮은 재료 및 생산 비용, 새로운 생산 기술 및 새로운 제품 범주가 결합되어 폴리머 생산을 경제적으로 만든 20세기 중반에 시작되었습니다. 업계는 마침내 1970년대 후반에 성숙해졌습니다. 세계 폴리머 생산량이 철강 생산량을 넘어섰고, 오늘날 폴리머는 어디에나 존재하는 소재가 되었습니다. 섬유 강화 플라스틱은 처음부터 이 산업의 중요한 측면이었습니다.
FRP에는 두 가지 별개의 공정이 포함됩니다. 첫 번째는 섬유 재료가 제조 및 형성되는 공정이고, 두 번째는 성형 중에 섬유 재료가 매트릭스와 결합되는 공정입니다. [2]
강화섬유는 2차원 및 3차원 방향으로 제조됩니다.
2차원 섬유 강화 폴리머는 재료의 x 방향과 y 방향의 평면을 따라서만 섬유가 정렬되는 적층 구조가 특징입니다. 이는 섬유가 관통 두께 또는 z 방향으로 정렬되지 않았음을 의미하며, 관통 두께의 이러한 정렬 부족은 비용 및 가공 측면에서 단점을 초래할 수 있습니다. 습식 핸드 레이업, 오토클레이브, 레진 트랜스퍼 성형 등 복합재를 제작하는 데 사용되는 기존 가공 기술은 절단, 적층, 사전 성형된 부품으로 통합하는 데 많은 양의 숙련된 노동력이 필요하기 때문에 비용과 노동력이 증가합니다.
3차원 섬유 강화 폴리머 복합재는 x 방향, y 방향 및 z 방향으로 섬유를 통합하는 3차원 섬유 구조를 가진 재료입니다. 3차원 배향의 개발은 제조 비용을 줄이고, 두께 전체의 기계적 특성을 높이며, 충격 손상 내성을 향상시키려는 업계의 요구에서 비롯되었습니다. 모두 2차원 섬유 강화 폴리머와 관련된 문제였습니다.
섬유 프리폼은 섬유가 매트릭스에 결합되기 전에 제조되는 방식입니다. 섬유 프리폼은 종종 시트, 연속 매트 또는 스프레이 용도의 연속 필라멘트로 제조됩니다. 섬유 프리폼을 제조하는 네 가지 주요 방법은 직조, 편직, 편조 및 스티칭의 섬유 가공 기술을 이용하는 것입니다.
제직은 2차원 섬유를 생성하기 위한 통상적인 방식으로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 3차원 섬유를 생성할 수 있는 다층 제직에서도 수행될 수 있다. 그러나 다층 직조에서는 z 방향의 섬유를 생성하기 위해 여러 층의 날실이 필요하며 제조 시 몇 가지 단점, 즉 직기에 모든 날실을 설정하는 시간이 소요됩니다. 따라서 대부분의 다층 직조는 현재 상대적으로 폭이 좁은 제품이나 프리폼 생산 비용이 허용되는 고부가가치 제품을 생산하는 데 사용됩니다. 다층 직조 직물의 사용에 직면한 주요 문제점 중 하나는 서로에 대해 각각 0° 및 90° 이외의 각도로 배향된 섬유를 포함하는 직물을 생산하는 것이 어렵다는 점입니다.
섬유 프리폼을 제조하는 두 번째 주요 방법은 편조입니다. 브레이딩은 좁은 폭의 플랫 또는 튜브형 직물의 제조에 적합하며 대량의 넓은 직물을 생산할 때 제직만큼 능력이 없습니다. 브레이딩은 길이에 따라 단면 모양이나 치수가 다양한 맨드릴 위에서 이루어집니다. 땋기는 크기가 벽돌 정도의 물체로 제한됩니다. 표준 직조와 달리 편조는 서로 45도 각도로 섬유를 포함하는 직물을 생산할 수 있습니다. 3차원 섬유 편조는 4단계, 2단계 또는 다층 인터록 편조를 사용하여 수행할 수 있습니다. 4단계 또는 행 및 열 편조는 원하는 프리폼의 모양을 형성하는 원사 캐리어의 행과 열을 포함하는 플랫 베드를 활용합니다. 추가 캐리어가 어레이 외부에 추가되며 정확한 위치와 수량은 필요한 정확한 프리폼 모양과 구조에 따라 달라집니다. 얀을 서로 맞물리고 편조된 프리폼을 생성하는 역할을 하는 행 및 열 동작의 4가지 개별 시퀀스가 있습니다. 직물을 짜는 데 갈대를 사용하는 것과 유사한 과정으로 구조를 강화하기 위해 각 단계 사이에서 실을 기계적으로 구조에 밀어 넣습니다. 2단 편조는 축방향으로 고정된 실의 수가 많고 편조사의 수가 적다는 점에서 4단계 공정과 다르다. 이 공정은 브레이딩 캐리어가 축 캐리어 사이의 구조를 통해 완전히 이동하는 두 단계로 구성됩니다. 이러한 상대적으로 간단한 동작 순서는 원형 및 속이 빈 모양을 포함하여 기본적으로 모든 모양의 예비 성형품을 형성할 수 있습니다. 4단계 공정과 달리 2단계 공정에서는 기계적인 압축이 필요하지 않습니다. 공정에 관련된 동작으로 인해 실의 장력만으로 브레이드가 팽팽하게 당겨질 수 있습니다. 마지막 유형의 편조는 여러 개의 표준 원형 편조가 함께 결합되어 원통형 편조 프레임을 형성하는 다층 연동 편조입니다. 이 프레임에는 원통 둘레에 여러 개의 평행한 편조 트랙이 있지만 메커니즘을 통해 인접한 트랙 사이에 실 캐리어를 전달할 수 있어 실이 인접한 층에 맞물리는 다층 편조 직물을 형성합니다. 다층 인터로크 브레이드는 인터로킹 얀이 주로 구조 평면에 있어서 프리폼의 평면 내 특성을 크게 감소시키지 않는다는 점에서 4단계 및 2단계 브레이드와 다릅니다. 4단계 및 2단계 공정은 편조사가 프리폼의 두께를 통해 이동함에 따라 더 높은 수준의 상호 연결을 생성하지만 따라서 프리폼의 평면 내 성능에 덜 기여합니다. 다층 인터로크 장비의 단점은 프리폼을 형성하기 위한 원사 캐리어의 일반적인 사인곡선 운동으로 인해 장비가 2단계 및 4단계 기계로 가능한 원사 캐리어의 밀도를 가질 수 없다는 것입니다.
편직 섬유 프리폼은 경사 및 [위사] 편직의 전통적인 방법으로 수행될 수 있으며 생산된 직물은 종종 많은 사람들에게 2차원 직물로 간주되지만 2개 이상의 니들 베드가 있는 기계는 층 사이를 횡단하는 실이 있는 다층 직물을 생산할 수 있습니다. 바늘 선택 및 니트 루프 이동을 위한 전자 제어 장치의 개발과 직물의 특정 영역을 고정하고 움직임을 제어할 수 있는 정교한 메커니즘이 개발되었습니다. 이를 통해 직물은 재료 낭비를 최소화하면서 필요한 3차원 프리폼 모양으로 스스로 형성될 수 있습니다.
바느질은 틀림없이 네 가지 주요 직물 제조 기술 중 가장 간단하며 특수 기계에 대한 최소한의 투자로 수행할 수 있는 기술입니다. 기본적으로 스티치는 스티치 실을 운반하는 바늘을 천 층 더미에 삽입하여 3D 구조를 형성하는 것으로 구성됩니다. 스티칭의 장점은 건식 직물과 프리프레그 직물을 모두 스티칭할 수 있다는 것입니다. 하지만 프리프레그의 끈적임으로 인해 공정이 어렵고 일반적으로 건식 직물보다 프리프레그 소재 내에서 더 많은 손상이 발생합니다. 또한 스티칭은 복합 산업에서 일반적으로 사용되는 표준 2차원 직물을 활용하므로 재료 시스템에 대한 친숙함이 있습니다. 또한 표준 직물을 사용하면 생산할 수 있는 섬유 방향에 제한이 있는 다른 직물 공정에서 가능한 것보다 부품의 직물 레이업에 더 큰 유연성이 허용됩니다. [19]
견고한 구조는 일반적으로 FRP 구성 요소의 모양을 설정하는 데 사용됩니다. 부품은 'caul plate'라고 하는 평평한 표면이나 'mandrel'이라고 하는 원통형 구조에 놓을 수 있습니다. 그러나 대부분의 섬유 강화 플라스틱 부품은 금형 또는 '도구'를 사용하여 생성됩니다. 금형은 오목한 암 금형, 수 금형일 수 있거나 금형이 상단 및 하단 금형으로 부품을 완전히 둘러쌀 수 있습니다.
FRP 플라스틱의 성형 공정은 섬유 프리폼을 금형 위나 안에 배치하는 것으로 시작됩니다. 섬유 프리폼은 건식 섬유이거나 '프리프레그'라고 불리는 일정량의 수지를 이미 포함하고 있는 섬유일 수 있습니다. 건조 섬유는 손으로 수지로 '습윤'되거나 수지가 닫힌 금형에 주입됩니다. 그런 다음 부품이 경화되어 매트릭스와 섬유가 금형에 의해 생성된 모양으로 남습니다. 수지를 경화하고 최종 부품의 품질을 향상시키기 위해 열 및/또는 압력이 사용되는 경우도 있습니다. 다양한 형성 방법이 아래에 나열되어 있습니다.
프리프레그 소재의 개별 시트를 풍선 모양의 주머니와 함께 암형 금형에 배치합니다. 금형을 닫고 가열된 프레스에 넣습니다. 마지막으로 블래더에 압력이 가해져 재료 층이 금형 벽에 닿게 됩니다.
원재료(플라스틱 블록, 고무 블록, 플라스틱 시트 또는 과립)에 강화 섬유가 포함되어 있는 경우 압축 성형 부품은 섬유 강화 플라스틱으로 분류됩니다. 보다 일반적으로 압축 성형에 사용되는 플라스틱 프리폼에는 강화 섬유가 포함되어 있지 않습니다. 압축 성형에서는 SMC의 '예비 성형품' 또는 '충전물'인 BMC가 금형 캐비티에 배치됩니다. 금형이 닫히고 압력과 열에 의해 재료가 내부에서 형성 및 경화됩니다. 압축 성형은 패턴 및 릴리프 디테일부터 복잡한 곡선 및 창의적인 형태, 정밀 엔지니어링에 이르기까지 기하학적 모양에 대한 탁월한 디테일을 최대 20분의 경화 시간 내에 제공합니다. [20]
프리프레그 재료의 개별 시트를 쌓아서 열린 금형에 넣습니다. 재료는 이형 필름, 블리더/브리더 재료 및 진공 백으로 덮여 있습니다. 부품에 진공을 가하고 전체 금형을 오토클레이브(가열 압력 용기)에 넣습니다. 부품은 연속 진공으로 경화되어 적층판에 갇힌 가스를 추출합니다. 이는 1시간에서 몇 시간에 이르는 길고 느린 경화 주기로 인해 성형에 대한 정밀한 제어가 가능하기 때문에 항공우주 산업에서 매우 일반적인 공정입니다. [21] 이러한 정밀 제어는 항공우주 산업에서 강도와 안전성을 보장하는 데 필요한 정확한 적층 기하학적 형태를 생성하지만 속도가 느리고 노동 집약적이므로 비용이 항공우주 산업에만 국한되는 경우가 많습니다. [20]
프리프레그 재료 시트는 강철 또는 알루미늄 맨드릴 주위에 감겨 있습니다. 프리프레그 재료는 나일론이나 폴리프로필렌 첼로 테이프로 압축됩니다. 부품은 일반적으로 진공 포장 및 오븐에 매달아 일괄 경화됩니다. 경화 후 첼로와 맨드릴을 제거하면 속이 빈 탄소 튜브가 남습니다. 이 과정을 통해 강력하고 견고한 중공 탄소 튜브가 만들어집니다.
습식 레이업 성형은 섬유 강화재와 매트릭스를 성형 도구에 배치하면서 결합합니다. [2] 강화 섬유 층을 열린 틀에 넣은 다음 젖은 수지를 직물 위에 붓고 직물에 작업하여 포화시킵니다. 그런 다음 적절한 경화를 보장하기 위해 열이 사용되는 경우도 있지만 일반적으로 실온에서 수지가 경화되도록 금형을 방치합니다. 때로는 습식 레이업을 압축하기 위해 진공 백을 사용하기도 합니다. 유리 섬유는 이 공정에 가장 일반적으로 사용되며 그 결과는 섬유 유리로 널리 알려져 있으며 스키, 카누, 카약 및 서핑 보드와 같은 일반적인 제품을 만드는 데 사용됩니다. [20]
유리섬유의 연속 가닥은 가닥을 자르고 이를 폴리에스터와 같은 촉매 수지와 결합하는 휴대용 총을 통해 밀려납니다. 함침된 잘게 잘린 유리는 작업자가 적절하다고 생각하는 두께와 디자인으로 금형 표면에 분사됩니다. 이 공정은 경제적인 비용으로 대규모 생산에 적합하지만 다른 성형 공정에 비해 강도가 낮고 치수 허용 오차가 낮은 기하학적 형상을 생산합니다. Design Tanks LLC는 이 공정을 활용하는 최고의 제조업체 중 하나입니다. [20]
기계는 젖은 수지 욕조를 통해 섬유 다발을 끌어당겨 회전하는 강철 맨드릴 위에 특정 방향으로 감습니다. 부품은 실온 또는 고온에서 경화됩니다. 맨드릴이 추출되어 최종 기하학적 모양이 남지만 경우에 따라 남을 수도 있습니다. [20]
섬유 다발과 슬릿 직물은 젖은 수지 욕조를 통해 당겨져 거친 부품 모양으로 형성됩니다. 포화된 재료는 다이를 통해 지속적으로 당겨지면서 경화되는 가열된 폐쇄형 다이에서 압출됩니다. 인발성형의 최종 제품 중 일부는 구조적 형태, 즉 I 빔, 앵글, 채널 및 플랫 시트입니다. 이러한 재료는 사다리, 플랫폼, 난간 시스템 탱크, 파이프 및 펌프 지지대와 같은 모든 종류의 유리 섬유 구조물을 만드는 데 사용할 수 있습니다. [20]
이라고도 합니다 레진 주입 . 직물을 금형에 넣고 젖은 수지를 주입합니다. 수지는 일반적으로 수지 이송 성형에서 진공 상태에 있는 캐비티에 압력을 가하여 밀어 넣습니다. 진공 보조 수지 이송 성형에서는 수지가 진공 상태에서 캐비티 안으로 완전히 당겨집니다. 이 성형 공정을 통해 정확한 공차와 세부적인 형태가 가능하지만 때로는 직물이 완전히 포화되지 않아 최종 형태에 약한 부분이 생길 수 있습니다. [20]
FRP를 사용하면 열가소성 수지의 유리 섬유를 특정 설계 프로그램에 맞게 정렬할 수 있습니다. 강화 섬유의 방향을 지정하면 폴리머의 강도와 변형 저항성을 높일 수 있습니다. 유리 강화 폴리머는 폴리머 섬유가 가해지는 힘과 평행할 때 가장 강력하고 변형력에 대한 저항력이 가장 크며, 섬유가 수직일 때 가장 약합니다. 따라서 이 능력은 사용 상황에 따라 장점이 되기도 하고 한계가 되기도 합니다. 수직 섬유의 약한 부분은 자연적인 경첩과 연결에 사용될 수 있지만, 생산 공정에서 섬유가 예상되는 힘과 평행하게 적절하게 방향을 맞추지 못할 경우 재료 파손으로 이어질 수도 있습니다. 힘이 섬유의 방향에 수직으로 가해지면 중합체의 강도와 탄성은 매트릭스 단독보다 적습니다. UP 및 EP와 같은 유리 강화 폴리머로 만들어진 주조 수지 부품에서 섬유의 배향은 2차원 및 3차원 직조로 배향될 수 있습니다. 이는 힘이 한 방향에 수직일 수 있으면 다른 방향과 평행하다는 것을 의미합니다. 이는 폴리머의 약한 부분이 발생할 가능성을 제거합니다.
다음과 같은 경우 FRP 재료에서 구조적 결함이 발생할 수 있습니다.
인장력은 섬유보다 매트릭스를 더 많이 늘려 매트릭스와 섬유 사이의 경계면에서 재료가 전단되도록 합니다.
섬유 끝 근처의 인장력은 매트릭스의 허용 오차를 초과하여 매트릭스에서 섬유를 분리합니다.
인장력은 섬유의 허용 오차를 초과하여 섬유 자체가 파손되어 재료가 파손될 수도 있습니다. [2]
열경화성 폴리머 매트릭스 재료 또는 엔지니어링 등급의 열가소성 폴리머 매트릭스 재료는 먼저 FRP에 적합하고 그 자체의 성공적인 강화를 보장하기 위해 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 매트릭스는 적절하게 포화될 수 있어야 하며, 적절한 경화 기간 내에 최대 접착력을 위해 섬유 보강재와 화학적으로 결합하는 것이 바람직합니다. 또한 매트릭스는 섬유를 완전히 감싸서 강도를 감소시키는 절단 및 노치로부터 섬유를 보호하고 힘을 섬유에 전달해야 합니다. 또한 섬유는 서로 분리되어 유지되어야 하며, 파손이 발생하는 경우 가능한 한 국지화되어야 하며, 파손이 발생하는 경우 유사한 이유로 매트릭스도 섬유에서 분리되어야 합니다. 마지막으로 매트릭스는 강화 및 성형 공정 도중과 이후에도 화학적, 물리적으로 안정적인 상태를 유지하는 플라스틱이어야 합니다. 보강재로 적합하려면 섬유 첨가제가 매트릭스의 인장 강도와 탄성 계수를 증가시켜야 하며 다음 조건을 충족해야 합니다. 섬유는 임계 섬유 함량을 초과해야 합니다. 섬유 자체의 강도와 강성은 매트릭스 자체의 강도와 강성을 초과해야 합니다. 섬유와 매트릭스 사이에 최적의 결합이 있어야 합니다.
'유리섬유 강화 플라스틱' 또는 FRP(일반적으로 간단히 섬유유리라고 함)는 직물 등급 유리 섬유를 사용합니다. 이러한 직물 섬유는 단열 용도로 의도적으로 공기를 가두는 데 사용되는 다른 형태의 유리 섬유와 다릅니다(유리솜 참조). 직물 유리 섬유는 분말 형태의 SiO 의 다양한 조합으로 시작됩니다 . 2, Al2O 2, 3B2O 2, 3CaO 또는 MgO 그런 다음 이러한 혼합물을 직접 용융을 통해 섭씨 1300도 정도의 온도로 가열한 후 다이를 사용하여 직경 9~17μm 범위의 유리 섬유 필라멘트를 압출합니다. 그런 다음 이 필라멘트는 더 큰 실로 감겨지고 운송 및 추가 가공을 위해 보빈에 회전됩니다. 유리 섬유는 플라스틱을 강화하는 가장 인기 있는 수단이므로 풍부한 생산 공정을 누리고 있으며, 그 중 일부는 섬유질을 공유하기 때문에 아라미드 섬유와 탄소 섬유에도 적용할 수 있습니다.
로빙은 필라멘트를 더 큰 직경의 실로 방사하는 공정입니다. 이 실은 일반적으로 직조 강화 유리 직물 및 매트와 스프레이 응용 분야에 사용됩니다.
섬유직물은 날실과 위사 방향을 모두 갖는 웹 형태의 직물 보강재이다. 섬유 매트는 유리 섬유로 만든 웹 형태의 부직포 매트입니다. 매트는 잘게 잘린 섬유를 사용하여 절단 치수로 제조되거나 연속 섬유를 사용하여 연속 매트로 제조됩니다. 절단된 섬유 유리는 유리 실의 길이를 3~26mm로 절단하는 공정에 사용되며, 실은 성형 공정에 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱에 사용됩니다. 유리 섬유 짧은 가닥은 사출 성형에 가장 일반적으로 열가소성 수지를 강화하는 데 사용되는 짧은 0.2-0.3mm 유리 섬유 가닥입니다.
탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴 섬유(PAN), 피치수지, 레이온 등이 고온에서 탄화(산화 및 열분해를 통해)되면서 생성됩니다. 흑연화 또는 연신의 추가 공정을 통해 섬유 강도 또는 탄성이 각각 향상될 수 있습니다. 탄소 섬유는 직경이 4~17μm인 유리 섬유와 유사한 직경으로 제조됩니다. 이 섬유는 운송 및 추가 생산 공정을 위해 더 큰 실로 감겨 있습니다. [2] 추가 생산 공정에는 실제 보강재에 사용할 수 있는 유리에 대해 설명한 것과 유사한 탄소 직물, 천 및 매트를 짜거나 편조하는 작업이 포함됩니다. [1]
아라미드 섬유는 Kevlar, Nomex 및 Technora로 가장 일반적으로 알려져 있습니다. 아라미드는 일반적으로 아민 그룹과 카르복실산 할라이드 그룹(아라미드) 사이의 반응에 의해 제조됩니다. [1] 일반적으로 이는 방향족 폴리아미드가 액체 농도의 황산에서 결정화된 섬유로 방사될 때 발생합니다. [2] 그런 다음 섬유는 큰 로프나 직조 직물(아라미드)을 만들기 위해 더 큰 실로 방적됩니다. [1] 아라미드 섬유는 강도와 견고성에 대한 다양한 품질을 기반으로 다양한 등급으로 제조되므로 제조 중 거친 재료를 절단하는 것과 같은 특정 설계 요구 사항에 맞게 재료를 어느 정도 맞춤화할 수 있습니다. [2]
| 강화재 [2] | 가장 일반적인 매트릭스 재료 | 특성 개선 |
|---|---|---|
| 유리섬유 | UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE | 강도, 탄성, 내열성 |
| 목재 섬유 | PE, PP, ABS, HDPE, PLA | 굴곡강도, 인장탄성률, 인장강도 |
| 탄소 및 아라미드 섬유 | EP, UP, VE, PA | 탄성, 인장강도, 압축강도, 전기강도. |
| 무기 미립자 | 반결정성 열가소성 수지, UP | 등방성수축, 마모, 압축강도 |
섬유 강화 플라스틱은 생산과 운영 모두에서 중량 절감, 정밀 엔지니어링, 유한 공차, 부품 단순화를 요구하는 모든 설계 프로그램에 가장 적합합니다. 성형 폴리머 가공품은 주조 알루미늄이나 강철 가공품보다 제조가 저렴하고 빠르며 쉬우며 유사하고 때로는 더 나은 공차와 재료 강도를 유지합니다.
Airbus A310의 방향타
시트 알루미늄으로 만든 기존 방향타에 비해 장점은 다음과 같습니다.
무게 25% 감소
부품과 형태를 더 단순한 성형 부품으로 결합하여 부품 수를 95% 줄입니다.
생산 및 운영 비용의 전반적인 감소, 부품의 경제성으로 인해 생산 비용이 낮아지고 중량 감소로 인해 연료가 절약되어 비행기 비행 운영 비용이 낮아집니다.
엔진 흡기 매니폴드는 유리 섬유 강화 PA 66으로 제작됩니다.
주조 알루미늄 매니폴드에 비해 장점은 다음과 같습니다.
무게 최대 60% 감소
향상된 표면 품질 및 공기 역학
부품과 형태를 보다 단순한 성형 형태로 결합하여 구성 요소를 줄입니다.
유리 섬유 강화 PA 66(DWP 12-13)으로 제작된 자동차 가스 및 클러치 페달
스탬프 알루미늄에 비해 장점은 다음과 같습니다.
페달은 페달과 기계적 연결 장치를 모두 결합한 단일 장치로 성형할 수 있어 설계의 생산과 작동이 단순화됩니다.
섬유는 특정 응력에 대해 강화되도록 배향될 수 있어 내구성과 안전성이 향상됩니다.
알루미늄 창문, 문 및 정면은 유리 섬유 강화 폴리아미드로 만든 단열 플라스틱을 사용하여 단열됩니다. 1977년 Ensinger GmbH는 최초의 창문 시스템용 단열 프로파일을 생산했습니다.
FRP는 건물이나 교량의 보, 기둥, 슬래브의 보강에 적용할 수 있습니다. 하중조건으로 인해 구조부재가 심하게 파손된 후에도 구조부재의 강도를 높이는 것이 가능합니다. 철근 콘크리트 부재가 손상된 경우, 먼저 느슨한 잔해물을 제거하고 모르타르나 에폭시 수지로 구멍과 균열을 채워 부재를 수리해야 합니다. 부재를 수리한 후에는 섬유 시트에 에폭시 수지를 함침시킨 후 깨끗하고 준비된 부재 표면에 적용하는 습식 핸드 레이업을 통해 강화할 수 있습니다.
원하는 강도 강화와 관련하여 빔 강화를 위해 일반적으로 굴곡 강화 또는 전단 강화라는 두 가지 기술이 채택됩니다. 많은 경우 두 가지 강도 향상을 모두 제공해야 할 수도 있습니다. 보의 휨보강을 위해 부재의 인장면(상부하중이나 중력하중을 가한 단순 지지부재의 바닥면)에 FRP 시트나 플레이트를 적용한다. 주요 인장 섬유는 내부 굴곡 강철 보강재와 유사하게 빔 세로 축 방향으로 배치됩니다. 이는 빔 강도와 강성(단위 편향을 유발하는 데 필요한 하중)을 증가시키지만 편향 용량과 연성은 감소합니다.
빔의 전단 강화를 위해 FRP는 빔의 세로 축을 가로지르는 섬유로 구성된 부재의 웹(측면)에 적용됩니다. 전단력에 대한 저항은 가해지는 하중 하에서 형성되는 전단 균열을 연결함으로써 내부 강철 등자와 유사한 방식으로 달성됩니다. FRP는 부재의 노출된 면과 원하는 강화 정도에 따라 여러 구성으로 적용될 수 있으며 여기에는 측면 접착, U-랩(U-재킷) 및 폐쇄형 랩(완전 랩)이 포함됩니다. 측면 접합에는 빔 측면에만 FRP를 적용하는 작업이 포함됩니다. 이는 FRP 자유 가장자리의 콘크리트 표면에서 분리되어 발생하는 파손으로 인해 최소한의 전단 강화를 제공합니다. U-랩의 경우 FRP는 빔의 측면과 바닥(인장) 면 주위에 'U' 모양으로 연속적으로 적용됩니다. 빔의 모든 면에 접근할 수 있는 경우 폐쇄형 랩을 사용하는 것이 강도를 가장 크게 향상시키는 데 바람직합니다. 폐쇄형 포장에는 부재의 전체 둘레에 FRP를 적용하여 자유단이 없도록 하고 일반적인 실패 모드는 섬유의 파열입니다. 모든 랩 구성에 대해 FRP는 미리 정의된 최소 너비와 간격을 갖는 연속 시트 또는 개별 스트립으로 부재의 길이를 따라 적용할 수 있습니다.
슬래브는 바닥(장력) 면에 FRP 스트립을 적용하여 강화될 수 있습니다. 이는 슬래브의 인장 저항이 FRP의 인장 강도로 보완되기 때문에 굴곡 성능이 향상됩니다. 빔과 슬래브의 경우 FRP 강화 효과는 접합용으로 선택한 수지의 성능에 따라 달라집니다. 이는 측면 접착이나 U-랩을 사용한 전단 강화에서 특히 문제가 됩니다. 기둥은 일반적으로 폐쇄형 또는 완전 포장과 같이 주변 둘레를 FRP로 감쌉니다. 이는 전단 저항이 높아질 뿐만 아니라 기둥 설계에 더욱 중요하며 축 하중 하에서 압축 강도가 증가합니다. FRP 랩은 기둥의 측면 확장을 억제하여 기둥 코어에 대한 나선형 보강과 유사한 방식으로 구속을 향상시킬 수 있습니다.
2013년 6월, KONE 엘리베이터 회사는 엘리베이터의 강철 케이블을 대체할 Ultrarope를 발표했습니다. 이는 고마찰 폴리머에 탄소 섬유를 밀봉합니다. 강철 케이블과 달리 Ultrarope는 최대 1,000미터의 리프트가 필요한 건물용으로 설계되었습니다. 강철 엘리베이터의 최고 높이는 500미터입니다. 회사는 500미터 높이의 건물에서 엘리베이터가 강철 케이블 버전보다 전력을 15% 적게 사용할 것이라고 추정했습니다. 2013년 6월 현재 유럽연합과 미국 인증 테스트를 모두 통과한 제품입니다. [22]
FRP는 비강화 플라스틱 및 기타 재료 선택이 기계적 또는 경제적으로 적합하지 않은 강도 또는 탄성 계수 측정이 필요한 설계에 사용됩니다. 이는 FRP 사용에 대한 주요 설계 고려 사항이 재료가 경제적으로 그리고 특히 구조적 향상을 활용하는 방식으로 사용되도록 보장하는 것임을 의미합니다. 그러나 항상 그런 것은 아니며, 섬유의 방향으로 인해 섬유에 수직인 재료 약점이 생성됩니다. 따라서 섬유 강화재의 사용과 그 방향은 최종 형태의 강도, 강성 및 탄성에 영향을 미치고 최종 제품 자체의 작동에도 영향을 미칩니다. 생산 중에 섬유의 방향을 단방향, 2차원 또는 3차원으로 배향하는 것은 최종 제품의 강도, 유연성 및 탄성 정도에 영향을 미칩니다. 힘의 방향으로 배향된 섬유는 이러한 힘으로 인한 뒤틀림에 대해 더 큰 저항을 나타내며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 힘을 견뎌야 하는 제품의 영역은 동일한 방향의 섬유로 강화되고 자연 힌지와 같이 유연성이 필요한 영역은 힘에 수직 방향의 섬유를 사용합니다. 더 많은 치수를 사용하면 이 시나리오를 피하고 섬유의 단방향 방향으로 인해 특정 약점을 피하려는 객체를 생성할 수 있습니다. 강도, 유연성, 탄력성 등의 특성은 최종 제품의 기하학적 모양과 디자인을 통해 확대되거나 축소될 수도 있습니다. 여기에는 적절한 벽 두께 보장, 단일 조각으로 성형할 수 있는 다기능 기하학적 형상 생성, 조인트, 연결 및 하드웨어를 줄여 더 많은 재료와 구조적 무결성을 갖춘 형상 생성과 같은 설계 고려 사항이 포함됩니다. [2]
플라스틱의 하위 집합인 FR 플라스틱은 플라스틱 폐기물 처리 및 재활용과 관련된 여러 가지 문제와 우려를 불러일으키기 쉽습니다. 플라스틱은 종종 분리되어 원래 상태로 돌아갈 수 없는 폴리머와 모노머에서 파생되기 때문에 재활용에 있어 특별한 문제를 제기합니다. 이러한 이유로 모든 플라스틱을 재사용을 위해 재활용할 수 있는 것은 아니며 실제로 일부 추정에서는 플라스틱의 20~30%만 재활용할 수 있다고 주장합니다. 섬유 강화 플라스틱과 그 매트릭스는 이러한 폐기 및 환경 문제를 공유합니다. 이러한 우려 외에도 섬유 자체를 매트릭스에서 제거하고 재사용을 위해 보존하기가 어렵다는 사실은 FRP가 이러한 문제를 증폭시킨다는 것을 의미합니다. FRP는 본질적으로 기본 재료, 즉 섬유와 매트릭스로 분리하고 매트릭스를 별도의 사용 가능한 플라스틱, 폴리머 및 모노머로 분리하기가 어렵습니다. 이는 오늘날 환경을 고려한 디자인에 대한 모든 관심사입니다. 플라스틱은 다른 재료에 비해 에너지 절약과 경제적 절약 효과를 제공하는 경우가 많습니다. 또한, 바이오플라스틱 및 UV 분해성 플라스틱과 같은 더욱 환경 친화적인 새로운 매트릭스의 출현으로 FRP는 환경적 민감성을 얻게 될 것입니다. [1]
장섬유 강화 열가소성 수지
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>>>>>참고: 기사 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_plastic<<<<