KR20130070841A - 바이오복합 재료 조성물 및 이를 이용한 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오복합 재료 조성물 및 이를 이용한 파이프에 관한 것으로, 해상구조물 및 조선 선박 분야에서 이용되어 설치되고 있는 GRE 파이프를 대체하여 사용가능한 바이오복합 재료 조성물로 이뤄진 파이프를 제공하기 위함이고, 상기 바이오복합 재료 조성물은 셀룰로우스, 리그닌, 헤미셀룰로스, 펙틴, 왁스로 이루어진 아마 천연섬유와, 에폭시 수지, 경화제로 이루어진 매트릭스 수지를 포함한 혼합물에 타닌으로 표면처리된 것을 포함하여 이루어진 바이오복합 재료 조성물을 제공하고자 하는 것이다.

Description

바이오복합 재료 조성물 및 이를 이용한 파이프{Bio-Composite Composition And Pipe Using The Same}

본 발명은 바이오복합 재료 조성물 및 이를 이용한 파이프에 관한 것으로, 상세하게는 해상구조물 및 선박 분야에서 설치되고 있는 GRE(Glass Reinforced Epoxy)파이프를 바이오복합 재료 조성물로 대체하여 사용할 수 있도록 한 바이오복합 재료 조성물 및 이를 이용한 파이프에 관한 것이다.

종래에는 일반적으로 석탄석유연료를 사용하며 산업분야에 있어서 눈부신 발전을 이루어 왔으며 그와 함께 자동차산업, 건축소재 등 여러 분야의 내외장재로 사용되는 복합재료의 개발에도 큰 진전이 있었다. 특히 섬유강화 복합재료의 보강재로 주로 사용되는 섬유인 유리섬유, 탄소섬유와 합성고분자 섬유들이 개발되면서 복합재료분야는 비약적인 발전을 거듭하였다.

하지만 대량의 화석연료소비로 인해 지구 온난화, 생태계의 파괴, 해수면의 상승 등 전 세계적으로 환경문제가 대두되면서 각국에서는 각종 환경규제 및 협약 등을 통해 환경오염을 최소화하면서 발전을 함께 병행할 수 있는 녹색성장을 슬로건으로 내세우고 있다. 이러한 흐름은 복합재료분야에도 영향을 미치게 되었다.

최근 해상 구조물 및 선박 분야에서 설치되어 이용되고 있는 파이프로는 GRE(Glass Reinforced Epoxy) 파이프인데, 이는 유리섬유를 보강재로 사용한 복합재료로서 각종 섬유강화 복합재료 중 80% 이상을 차지하고 있다.

상기 GRE 섬유는 여러 장점을 가지고 있으나 하지만 폐기시에 자연 환경에서 거의 영구적으로 분해가 되지 않아 환경을 오염시키고 있다.

따라서 이러한 보강재를 대체할 섬유의 개발이 시급한 과제로 부상하고 있다.

근래에는 주위 환경에서 쉽게 얻을 수 있고 폐기 시에 자연에서 완전분해가 되는 천연섬유를 사용해 다른 보강재들을 대체하는 방법이 과제해결을 위한 방법 중에서 가장 큰 부분을 차지하고 있다.

전술된 문제점을 해결하고자 본 발명에 따른 바이오복합 재료 조성물은, 선박 또는 해상 구조물 분야에서 사용되고 있는 GRE 섬유 파이프를 대체하여 사용하기 위한 바이오복합 재료 조성물로서, 천연섬유복합재료(NFRP; natural fiber reinforced plasti-c) 또는 바이오복합재료(biocomposites), Eco-composite, Green composite 등의 이름으로 명명되는데 바이오섬유(biofiber) 또는 복합재료에 사용되는 천연매트릭스 수지인 바이오매트릭스(biomatrix)를 사용하여 가공한 바이오 복합재료로서 생분해성을 가지고 있어 폐기 시에 자연환경오염에 대한 피해를 줄일 수 있도록 하는데에 그 목적을 두고 있다.

또한 상기 목적과 함께 균일한 물성을 갖도록 하여 파이프 재질 및 보강재의 재질로 사용 가능하도록 하고자 하는데에 그 목적이 있다.

전술된 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이오복합 재료 조성물은, 셀룰로우스, 리그닌, 헤미셀룰로스, 펙틴, 왁스로 이루어진 아마 천연섬유를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한 에폭시 수지, 경화제로 이루어진 매트릭스 수지를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 아마 천연섬유와 매트릭스 수지를 혼합한 혼합물에 타닌으로 표면처리한 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같이 구성된 바이오복합 재료 조성물의 표면 처리시 경화 온도를 70℃로 하고 경화 시간을 6시간으로 정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같이 구성된 바이오복합 재료 조성물을 포함하고 있는 파이프를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바이오복합 재료 조성물은, 해상구조물 및 선박 분야에서의 배관 파이프 라인에 사용되는 GRE 파이프를 대체하여 사용함으로써 폐기 시 발생할 수 있는 자연환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 상기 효과와 더불어 균일한 물성을 지니게 됨으로써 스틸, GRE 섬유와 동일한 강성을 지니도록 하여 보강재 및 파이프의 용도로 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 무처리 시편 하중-변형 그래프이다.
도 2는 타닌 처리 시평 하중-변형 그래프이다.
도 3은 결과 값을 비교한 그래프이다.
도 4는 아마 단섬유의 확대사진을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 바이오복합 재료 조성물은 조선 선박 및 해양구조물 분야의 배관 파이프에 사용되는 GRE 섬유 파이프를 대체할 수 있도록 하여 폐기시 자연분해됨에 따라 환경오염을 줄이고 동시에 보강재 및 파이프의 용도로 사용가능함을 제공하기 위한 바이오복합 재료 조성물인 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에서는 각종 천연섬유들의 물성과 그 물성을 개선할 수 있는 방법 중 표면처리에 초점을 맞추어 그 방법들을 파악하고 적절한 천연섬유와 표면처리방법을 선택하여 천연섬유를 처리한 뒤 실제 시편을 만들어 직접 설계한 실험을 통해 복합재료의 물성변화를 확인하고, 천연섬유를 사용한 바이오복합재료가 현재 사용되고 있는 복합재료를 대체하여 사용가능함을 설명하도록 한다.

현재 바이오 복합재료에 있어서 천연 섬유의 종류로는 일반적으로 황마(Jute), 아마(Flax), 대마(Hemp), 사이잘(Sisal), 그리고 코이어(Coir) 등이 있다.

대부분의 천연섬유는 그 구성요소가 셀룰로오스, 리그닌, 헤미셀룰로오스, 펙틴, 왁스 등으로 이루어진다.

하기 표 1에서는 GRE 섬유 파이프를 대체하기 위한 본 발명에 따른 바이오복합 재료 조성물에 이용되는 아마 섬유의 구성성분을 나타낸 것이다.

섬유의 종류	Cellulose	Lignin	Hemicellulose	Pectin	Was
	wt%	wt%	wt%	wt%	wt%
황마(Jute)	61~71.5	12~13	13.6~20.4	0.2	0.5
대마(Hemp)	70.2~74.4	3.7~5.7	17.9~22.4	0.9	0.8
사이잘(Sisal)	67~78	8.0~11.0	10.0~14.2	10.0	2.0
코이어(Coir)	36~43	41~45	0.15~0.25	3~4	-
아마(Flax)	71	2.2	18.6~20.6	2.3	1.7

상기 표1에서와 같이 각각의 섬유의 조성은 조금씩 차이가 있는데, 본 발명에 사용된 아마의 경우는 상대적으로 셀룰로오스가 많고 리그닌은 적다.

따라서 본 발명에 따른 조성물에서의 천연섬유 아마 구성성분인 셀룰로오스는 수산기를 가지고 있어 수소결합에 의한 분자간력을 유지하고 있으며, 친수성이므로 셀룰로오스를 많이 포함하고 있어 다른 섬유들에 비해서 물성과 셀(cell)의 안정성이 높고, 또한 리그닌을 적게 함유하고 있어 다른 섬유들보다 생분해성이 우수하다.

하지만 섬유의 밀도를 비교하여 볼 때에는 하기 표 2에서와 같이 유리섬유 및 탄소섬유보다 상대적으로 인장강도와 인장탄성률이 낮으므로 기계적 물성의 향상을 기대하기 어렵지만 비강도 및 비성률 관점에서 유리섬유나 탄소섬유에 비견할 만한 복합재료의 물성을 얻을 수 있다. 따라서 천연 섬유를 사용하게 되면 경량 소재에 유용하다.

섬유종류	밀도	직경	인장강도	탄성계수	파단신장률
	g/cm3	㎛	MPa	GPa	%
아마(Flax)	1.50	-	345~1100	27.6	2.7~3.2
탄소(Carbon)	1.7	-	4000	230~240	1.4~1.8
유리섬유(E-glass)	2.5	-	2000~3500	70	2.5
유리섬유(S-glass)	2.5	-	4570	86	2.8

상기 표 2에서와 같이, 본 발명에서의 천연 섬유인 아마 섬유는 유리섬유 및 탄소섬유와 비견할만한 비강도 및 비성률과 함께 경량인 것을 특징으로 하고 있으나 기계적 물성의 향상을 해결해야 하는 과제를 갖게 된다.

따라서, 본 발명에서의 바이오복합 조성물 및 이를 이용한 파이프에 있어서, 섬유와 매트릭스 사이의 강한 계면결합은 복합재료의 높은 기계적 특성을 얻는데 중요하다. 고분자 복합재료에 가장 우수한 물성을 제공해주는 섬유-매트릭스 접착의 최적 수준이 있다. 천연섬유의 주요 단점은 섬유의 친수성 때문에 소수성인 고분자 매트릭스와 상용성이 낮다는 것이다. 천연섬유의 친수성은 바이오복합재료의 수분 흡수를 초래하며 이는 나아가 응용분야의 확대를 제한한다. 또한 천연섬유의 표면에 존재하는 왁스 성분은 섬유가 고분자수지와 결합하는데 불리하게 작용하며 표면 젖음성도 저하시킨다. 특히, 수분과 히드록실 그룹의 존재는 천연섬유와 대부분의 고분자수지가 접착할 수 있는 능력을 감소시키며, 아울러 바이오 복합재료의 치수안정성 및 기계적 특성을 저하시킨다. 따라서 천연섬유에는 여러 가지 처리를 통해 표면개질이 필요하다.

널리 쓰이고 있는 표면처리 방법에는 에테르화 반응, 아세틸화 반응, 말레이트 프로 필렌 처리, 플라즈마 처리, 전자빔 처리, 그리고 알칼리 처리가 있는데, 본 발명에서는 타닌(Tannin)으로 처리하여 기계적 물성을 얻게 된다.

타닌(Tannin) 처리

타닌(tannin)은 아주 떫은맛을 내는 폴리페놀의 일종으로써 식물에 의해 합성되며 단백질과 결합하여 침전시킨다. 원래 동물의 껍질을 가죽으로 만들 때 방부제로 쓰이는 물질을 지칭하는 말이었으나 이후 폴리페놀계 화합물을 총칭하는 말로 사용되고 있다.

타닌은 충분한 히드록시기를 가지고 있는 폴리페놀류로써 천연섬유의 대부분을 구성하며 친수성을 띠고 있는 셀룰로오스와 수소결합을 하여 천연섬유와 쉽게 결합할 수 있으며 히드록시기는 히드록시라디칼을 띠고 있는 경우가 있는데, 이 자유라디칼이 소수성인 고분자 수지와의 결합력도 높이기 때문에 타닌은 천연섬유와 고분자 수지사이에서 연결매개체가 되어 천연섬유와 고분자 수지와의 결합력을 높이게 된다.

따라서 적절한 농도의 타닌으로 표면 처리를 한 천연섬유로 복합재료를 만들었을 때 복합재료 물성의 개선 효과를 볼 수 있다.

하기에서는 실시 예를 통하여 설명된다.

천연섬유와 표면처리방법을 선택하여 천연섬유를 처리한 뒤 실제 시편을 만들어 직접 설계한 실험을 통해 복합재료의 물성변화를 확인하는 것이다. 즉 처리되지 않은 아마섬유로 만든 시편과 알칼리 처리와 타닌 처리된 아마섬유로 만든 시편을 굽힘 실험을 실행하여 그 결과를 물성이 변화하는 것을 확인해 본다.

실험의 진행은 섬유 선택 및 표면처리, 시편 제작, 굽힘 시험의 순서로 진행한다.

재료

이번 실험에서 천연 섬유 아마(Flax)를 사용한다. 그 이유는 아마는 다른 섬유들에 비해 가격이 다소 높은 편이나 화학적 조성, 물성, 그리고 그 사용범위 등의 장점이 많기 때문이다.

매트릭스 수지는 에폭시를 사용한다.

에폭시 수지라는 것은 1분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 갖는 올리고머상의 화합물을 말한다. 이 에폭시 화합물을 경화제와 배합해서 열경화성 수지로 사용된다. 에폭시 수지, 촉매, 그리고 경화제의 조합에 의해 경화온도나 경화물의 물성을 용이하게 넓은 범위로 조정하는 것이 가능하다.

대표적인 에폭시 수지의 종류는 비스페놀형, 노볼락형, 방향족 아민형, 지환형의 4가지가 있다.

본 실시 예에서는 메트릭스 수지인 에폭시/경화제는 비스페놀류 에폭시와 아민계 경화제를 사용하도록 하고, 에폭시 수지의 물성 및 경화제의 물성과 특성을 하기 표 3과 같이 나타내었다.

표면처리

ⅰ) 알칼리 처리

알칼리 처리에서 사용되는 강염기 중의 하나인 NaOH를 사용하여 처리하기로 한다. 물 200ml와 22g의 NaOH를 혼합하여 10%의 NaOH수용액을 만들어 이용한다.

여기서 10%농도의 NaOH수용액을 사용하는 이유는 다양한 천연 섬유를 농도를 달리하여 표면처리를 한 후 인장시험과 성분분석 등을 해보았을 때 10%농도에서 천연섬유의 물성이 가장 크게 개선되었다는 연구의 결과를 따른 것이다.

만들어진 알칼리 용액에 1.5m×0.35m 크기로 자른 아마 섬유를(Flax Fiber) 넣어 알칼리 처리를 한다. 처리시간은 약 2시간 정도로 하며 처리가 끝난 섬유는 건조기에서 70℃의 온도에서 5시간정도 건조 시킨다.

ⅱ) 타닌(Tannin) 처리

타닌 처리에 사용되는 타닌 수용액의 농도는 5×10^-4 M로 맞춘다. 만들어진 타닌수용액에 1.5m×0.35m 크기로 자른 아마 섬유를 넣고 침잠 시킨 후 냉장고에서 보관을 한다. 그 이유는 타닌은 천연섬유와 결합하여 천연섬유와 매트릭스 수지간의 결합력을 높이는 매개체 역할을 하는데 낮은 온도에서 타닌이 천연섬유와 더 결합을 잘하기 때문이다. 처리시간은 약 2시간 정도이며 처리가 끝난 섬유는 건조기에서 70℃의 온도에서 5시간정도 건조 시킨다.

시편의 제작

시편은 대조군(처리하지 않은 섬유), 타닌 처리된 섬유를 강화제로 사용한 시편 2가지 종류를 만든다.

사용할 매트릭스 수지는 에폭시와 경화제를 섞어서 사용한다. 만들어진 매트릭스 수지를 몰드의 크기를 고려하여 210mm×170mm의 크기로 자른 천연섬유에 골고루 발라 핸드 레이업을 시킨다. 핸드 레이업 된 천연섬유를 6장 겹쳐서 몰드에 넣고 고정시킨 후 매트릭스 수지 주입 장치를 사용하여 몰드로 매트릭스 수지를 주입시킨다. 이때 압력(3~6기압)을 가해 몰드의 입구로 매트릭스를 서서히 주입하며 최대한 기포를 발생하지 않게 한다. 또한 몰드의 출구 쪽은 진공상태의 공간과 연결해 몰드 안 섬유의 틈에 있는 기포를 최대한 제거 하도록 한다. 그 이유는 기포가 남은 채로 경화되어 시편이 제작되면 시편의 물성에 나쁜 영향을 미치기 때문이다.

충분한 기포제거 과정(30~40분)을 거친 후 매트릭스의 주입을 정지하고 처리하지 않은 복합재료는 120℃에서, 처리한 복합재료는 70℃의 온도에서 시편을 서서히 경화시킨다.

하기 표 4는 타닌 처리된 섬유와 타닌 처리되지 않은 섬유를 나타내고 있다.

시편	처리 ×	처리 ○
강화제	아마(flax)
매트릭스	epoxy + 경화제
섬유건조시간	5시간
섬유 장수	6장
크기(mm)	4.3 × 210 × 170
핸드레이업	○
수지주입온도	상온 (25℃)
수지주입시간	30분	30분
수지주입압력	3기압
몰드압력	20MPa
경화온도	120℃	70℃
경화시간	6시간

굽힘(3점 굽힘) 시험

소재의 물성, 특히 Strength 측면의 물성을 확인하기 위해서 보편적으로 사용되는 방법으로는 인장 시험(Tensile Test), 굽힘 시험(Bending Test)이 대표적이다. 그 이유는 실험 진행 절차가 간단하고 결과의 정확성도 비교적 높기 때문이다.

본 발명의 실시 예에서는 굽힘 시험을 선택하였다. 그 이유는 굽힘 시험은 비교적 작은 하중에서 간단히 파괴시험이 가능하므로 지금까지 많이 이용되고 있기 때문이다. 굽힘 실험을 통해 소재의 굽힘 강도 측정, 최대 굽힘 응력 측정, 하중에 따른 굽힘 모멘트와 곡률과의 관계도출 등을 도출할 수 있다.

굽힘 시험에는 3점 굽힘 시험을 이용하기로 한다.

시험에 사용될 장치로는 만능재료시험기, 이른바 UTM(Universal Testing Machine)을 사용한다. 제작한 각각의 시편을 12mm×40mm로 잘라서 두께를 측정하여 준비한 뒤 각 시편들 마다 10번의 실험을 하여 Data를 얻는다.

여기서 10번의 실험을 하는 이유는 천연 섬유의 경우 섬유가 가지고 있는 물성이 균일하지 않고 하나의 시편에서도 그 물성이 위치마다 다르기 때문이다.

Data 및 결과

3점 굽힘 시험에서 인장응력 σ는 M=σz(z : 단면계수)로부터 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(M : 굽힘 모멘트 , h : 시험편의 두께, I : 관성모멘트)

시편의 중앙의 최대 굽힘 모멘트는 3점 굽힘에서는 시편의 중앙에서 발생되며 다음 식과 같다.

시편의 중앙의 최대 굽힘 모멘트는 3점 굽힘에서는 시편의 중앙에서 발생되며 다음 식과 같다.

Ｍ_max = Ｐ_maxＬ/4

(Ｍmax : 최대굽힘모멘트, Ｐmax : 최대하중, Ｌ:span 길이)

그리고

Ｉ= wh³/12(w:시편의 폭)

그러므로 최대 인장응력인 굽힘강도는 다음식과 같다.

상기 식들을 바탕으로 이번 실험에서 얻어진 Data를 분석하고 결론을 내기로 한다.

표면처리하지 않은 복합재료 실험

◎ 기본 설정 : Span = 36mm

시편 = 12mm*40mm(w*l)

Data로부터 표면처리 하지 않은 천연섬유를 강화제로 사용하여 만든 복합재료는 평균적으로 394.71N의 하중을 견디며 최대 굽힘 응력은 96.51MPa정도로 계산 되었다.

도출된 값은 앞서 조사한 매트릭스 수지(Epoxy + 경화제)를 적정 온도에서 경화시켜 얻은 물성 140MPa의 값보다 작은 값이다.

하기 도 1은 무처리 시편 하중-변형 그래프이다.

하기 표 5는 무처리 실험 Data 및 평균값을 나타낸다.

타닌 처리한 복합재료 실험

◎ 기본 설정 : Span = 36mm

시편 = 12mm*40mm(w*l)

타닌 처리 시편을 가지고 한 실험은 모든 실험이 큰 편차를 가지지 않고 비슷한 결과가 도출되었으므로 모든 Data를 이용하기로 결정한다.

Data로부터 타닌으로 표면처리를 한 천연섬유를 강화제로 사용하여 만든 복합재료는 평균적으로 979.487N의 하중을 견디며 최대 굽힘 응력은 225.25MPa정도로 계산 되었다.

도출된 값은 앞서 조사한 매트릭스 수지(Epoxy + 경화제)를 적정 온도에서 경화시켜 얻은 물성 140MPa의 값보다 큰 값이다.

하기 도 2는 타닌 처리 시평 하중-변형 그래프이다.

하기 표 6은 타닌 처리 실험 Data 및 평균값을 나타낸다.

결론

상기 표면처리하지 않은 복합재료 실험과 타닌 처리한 복합재료 실험으로부터 아무 처리도 하지 않은 아마섬유를 강화제로 하여 120℃에서 경화시킨 무 처리 시편은 에폭시 단독 시편보다 최대 굽힘 강도가 낮으며 타닌 처리를 한 아마섬유를 강화제로 하여 70℃에서 경화시킨 타닌 처리 시편은 에폭시 단독 시편보다 최대 굽힘 강도가 더 높다고 결론 내릴 수 있다.

하기 도 3은 결과 값을 비교한 그래프이다.

무 처리 시편의 Data값이 큰 편차를 가지는 이유로는 표면 처리되지 않은 아마섬유로 만든 시편으로 3점 굽힘 시험을 해서 얻은 Data를 보며 6번, 8번, 9번의 시편에서 얻은 결과는 나머지 시편에서 얻은 결과와 큰 편차를 보이고 있다.

특히 6번 시편에서는 최대하중 값이 131.8N, 최대 굽힘 응력 값이 32.226MPa로 평균값들과 무려 203.33N, 49.83MPa 차이가 난다.

하나의 시편에서 이렇게 결과가 크게 차이가 나는 이유는 천연섬유가 가지는 특성에서 기인한다.

하기 도 4는 아마 단섬유의 확대사진을 나타낸 것이다.

아마 단섬유에서도 그 직경이 일정하지 않고 섬유 중간에 돌출된 부분이 존재하기도 한다. 천연섬유의 기본물성과 유리섬유의 기본물성을 비교해 본다면 천연섬유의 경우 대부분의 물성에서 정확한 값을 가지는 것이 아니라 범위를 가지는 값을 가지게 된다. 그 반면 유리섬유, 특히 S-Glass섬유에서는 모든 물성에서 한 가지의 값을 가지게 되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 요인들은 섬유가 일정한 물성을 가지는데 방해를 한다. 따라서 하나의 아마섬유에서 만들어진 시편이라도 시험을 위한 12mm×40mm시편을 얻어내는 위치에 따라 그 시편이 가지는 물성이 달라지는 것이다.

특히 6번 시편이 다른 시편들과 결과에서 큰 차이를 보이는 이유는 이 시편이 큰 시편의 끝 부분에서 얻어진 시편이기 때문이다.

무 처리 시편이 매트릭스 수지만으로 만들어진 시편보다 물성이 나빠진 이유로는 하기 식을 보면 알 수 있다.

복합재료의 인장강도, 전단강도 측면에서 식을 보면 다음과 같다.

F_L = F_f V_f + F_m V_m

(F : 인장강도, V : 함유율, L : 복합재료, f : 천연섬유, m : 매트릭스)

γ_LT = γ_f V_f + γ_m V_m

τ_LT = G_LT γ _LT

(γ : 전단연신율, τ : 전단력)

상기 식을 본다면 일반적으로 천연섬유를 강화제로 사용하여 복합재료를 만들면 매트릭스 수지로만 만든 재료보다는 더 개선된 물성을 가지게 된다는 것을 알게 된다. 하지만 이번 3점 굽힘 시험을 통해 얻은 결론은 이와는 반대로 오히려 물성이 더 나빠진 것을 확인할 수 있다.

이러한 이유는 복합재료 시편이 만드는 과정에서 기인된 것이기 때문이다.

이번 시편 제작에 사용한 매트릭스 수지는 Bisphenol A, F 계의 KFR-130 에폭시수지와 viscous가 낮은 아민계 KFH-140 경화제를 혼합하여 만든 매트릭스 수지이다. 이 매트릭스 수지를 사용하여 복합재료를 제작할 때는 경화 온도를 70℃에 맞추고 6시간 동안 경화를 해야 하며 Heat Deflection Te-perature는 70℃이상이라고 할 수 있다.

하지만 복합재료 시편을 만들 때 경화온도를 70℃에 맞추지 않고 120℃에 맞추고 난후 6시간동안 경화를 시켰다. 그 이유는 적정온도보다 높은 온도에서 복합재료가 제작되면 복합재료의 물성이 나빠질 것이라고 생각하고 복합재료를 제작할 때 온도가 미치는 영향을 직접 확인해 보기 위해서였다.

따라서 그 결과 의도했던 것과 같이 결과가 도출되었다.

즉, 매트릭스 수지의 Flexural Property를 보면 Strength값이 140MPa이상이라고 나와 있지만 표면처리되지 않은 아마로 만든 복합재료의 3점 굽힘 실험에서 얻은 평균 최대 굽힘 응력값은 편차가 큰 6번, 8번, 9번 시편을 빼고서라도 96.51MPa로 순수 매트릭스로만 만들어진 재료에 비해 작은 값을 가지게 된 것이다.

이러한 이유를 생각해 보면 적정 경화온도 70℃보다 높은 온도에서 경화시키면서 매트릭스 수지의 열적 변형이 일어났을 것이며, 아마섬유 역시 높은 온도에서 열적 손상을 입었기 때문에 물성이 개선되지 않고 오히려 나빠졌을 것이다. 열적 변형이 일어났다는 것은 70℃에서 경화된 시편은 파괴가 일어난 부분을 육안으로 확실하게 확인할 수 있으며 그래프를 통해서도 확인이 가능하다. 즉 단단하게 경화된 시편이 한 순간 하중을 견디지 못해 파괴가 있어나고 그 순간 작용하중이 급속히 떨어져 굽힘 시험이 끝나게 된 것이다. 하지만 오른쪽에 있는 시편은 파괴가 일어난 부분을 육안으로 확실하게 확인할 수 없었으며 그래프에서도 급속히 작용하중이 줄어드는 구간을 확인할 수가 없다. 즉, 높을 온도로 인해 시편에 열적 변화가 일어났을 것이며 그로 인해 시편의 강도가 약해지면서 부드러워져서 하중에 대해 좀 더 유연하게 반응하게 되어 작용하중이 크게 변하는 부분이 발견되지 않았을 것이다.

타닌 처리 시편이 매트릭스 수지만으로 만들어진 시편보다 물성이 개선된 이유로는 타닌 처리를 한 아마로 만든 시편을 이용한 3점 굽힘 시험을 통해 얻은 Data에서 타닌 처리 시편이 무 처리 시편과는 반대로 매트릭스 수지만을 이용해 만든 재료보다 물성이 개선된 것을 볼 수 있다.

타닌 처리된 시편은 적정 경화온도 70℃에서 6시간동안 경화시켰으므로 열적 변형이나 열적 손상은 크게 없을 것이라 생각되며 섬유를 강화제로 하여 복합재료를 만들었으므로 분명 물성에 개선효과가 있었을 것이다.

다시 말해서 매트릭스 수지의 열적 변형과 섬유의 열적 손상이 없다면 매트릭스 수지만으로 만들어진 재료가 가지는 물성 Flexural Property의 Strength 140MPa보다 더 큰 값을 섬유와 매트릭스 수지와 함께 사용한 복합재료가 가지게 된다는 것이다. 그러나 열적 이유만으로 40MPa정도가 차이가 난 앞의 경우와는 달리 이번 3점 굽힘 시험에서 얻은 결과는 최대 굽힘 응력 225.25MPa로 약 85MPa정도의 큰 차이가 난다. 이러한 큰 차이는 아마를 타닌으로 표면 처리를 하여 복합재료를 만들었기 때문이다.

타닌은 많은 히드록시기를 가지고 있고 자유라디칼이 많기 때문에 섬유와 매트릭스 수지간의 결합력을 높여주어 복합재료의 물성개선에 영향을 미친다. 따라서 타닌 처리 된 아마를 강화제로 사용하여 만든 시편이 처리되지 않은 아마를 강화제로 만든 시편이 얻는 물성의 개선 효과보다 더 큰 효과를 얻을 수 있을 것이므로 85MPa이라는 큰 차이가 난다.

본 발명에 의한 파이프는 매우 가볍고, 강도 및 휨탄성이 좋고, 성형성이 매우 좋으며, 내부식성을 그대로 유지하고 구조물 설치 시 작업 효율을 증대시키고 구조물 철거 시 폐 파이프 처리가 용이하다.

또한 본 발명에 의한 파이프는 그 용도에 따라서 두께와 강도를 다르게 제조함으로써 건축용 내장재 등 다른 유사 용도 분야로 그 활용폭을 넓혀 사용할 수도 있다.

Claims (3)

1. 셀룰로우스, 리그닌, 헤미셀룰로스, 펙틴, 왁스로 이루어진 아마 천연섬유; 및 에폭시 수지, 경화제로 이루어진 매트릭스 수지; 를 포함하여 이루어진 혼합물에 타닌으로 표면처리한 것을 특징으로 하는 바이오복합 재료 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   바이오복합 재료 조성물은, 표면 처리시 경화 온도가 70℃이고, 경화시간은 6시간인 것을 특징으로 하는 바이오복합 조성물.
3. 제1항 또는 제2항 중에서 선택된 어느 한 항의 상기 바이오복합 재료 조성물을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 파이프.

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