단섬유보강 고분자 복합재료의 유변학적 모델링 및 사출성형 공정해석

Abstract

단섬유 보강 고분자 복합재료는 우수한 물성과 압출 혹은 사출과 같은 고분자 성형 공정 통한 대량 생산의 장점을 가지고 있어 산업 전반에서 많이 사용되는 재료 중 하나이다. 단섬유 보강 고분자 복합재료 성형품은 성형 공정 동안 그 내부에 섬유 배향을 가지게 되고, 이러한 섬유 배향은 성형품의 기계적, 열적 및 전기적 물성을 결정하는 주요한 요인으로 작용하여 그 예측이 매우 중요하다. 이러한 이유로 단섬유 보강 고분자 복합 재료 성형품의 섬유 배향을 예측하기 위한 물리적 모델링 및 수치 모사 연구가 많이 진행되어 왔으며, 이는 금형 설계 및 공정 조건 결정에 많이 활용 되고 있다.본 연구에서는 단섬유 보강 고분자 복합재료에 대하여 섬유 배향에 따른 비등방성 및 고분자의 비선형 점탄성을 모두 고려한 유변학적 모델을 제안하였다. 특히 기존의 유변학적 모델에서 많이 다루지 못했던 고분자-단섬유간의 상호 작용을 고려하여 모델을 제안하였으며, 이를 위해 비가역 열역학적 관점에서 단섬유 보강 고분자 복합재료의 거동에 대해 기술하였다. 응력 텐서의 최종 형태는 Dinh-Armstrong 모델을 이용한 단섬유에 의한 부분과 Leonov 모델을 이용한 고분자 점탄성에 의한 부분의 합으로 나타내었다. Folgar-Tucker 모델을 이용하여 섬유 배향 거동을 기술하였으며, IBOF 최종 근사법을 이용하였다. 고분자-단섬유 간의 상호 작용은 열역학 제 2법칙을 만족시키면서 고분자 탄성 변형의 거동 및 섬유 배향 거동에 모두 영향을 미치도록 제안하였다.제안된 유변학적 모델을 다양한 전단 유동에 적용하여 그 특성을 분석하였다. 제안된 모델은 기존 문헌에 보고된 실험 결과들과 일관된 경향을 나타내는 것을 확인 하였고, 특히 높은 전단률의 유동에서 기존의 FENE-P 기반 모델에 비해 더욱 안정된 거동 예측을 하고 있음을 보았다. 제안된 모델을 사출 성형 공정 해석에 적용하여 그 영향을 분석하였다. Center-gated 디스크 형상에 대해 유한요소법을 이용하여 해석을 수행하였으며 점탄성 유동 해석을 위한 DEVSS, Matrix Logarithm 및 SUPG 기법을 도입하였다. 해석을 통한 섬유 배향 예측 결과를 기존 문헌의 실험 결과들과 비교하였으며, 유변학적 모델의 영향, 사출 성형 공정 조건의 영향, Slow orientation kinetics 영향 등을 평가하였다.