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고강력 폴리아크릴로니트릴 섬유의 열처리에 의한 미세구조변화(II)
방윤혁,이천용,조현혹,Bang, Yun-Hyuk,Lee, Chun-Yong,Cho, Hyun-Hok 한국섬유공학회 1995 한국섬유공학회지 Vol.32 No.5
The properties of carbon fibers made fiom PAN are controlled by the heat treatment conditions. The length changes during heat treatment of high strenffh homo-PAN and co-PAN(acrylonitrile/acrylamide : 9812wt%) fibers in nitrogen atmosphere were measured by monitoring the elongation-shrinkage behavior under variable loading from 0.02 to 0.1g/d. A few structure parameters such as aromaticity index and crystalline orientation etc. were determined for the fibers heat-treated by linear heating to 27$0^{\circ}C$. The onset temperature of the chemical shrinkage during heat treatment coincided with the one of the exothermic peak of DSC thermoyams. When PAN fibers are heated under variable loads, the fiber length changes by various ways, namely physcial shrinkage, balance-elongation and chemical shrinkage. The co-PAN fibers tend to shrink more readily than homo-PAN fibers in that the onset of chemical shrinkage of co-PAN is shified to lower temperature. The total shrinkage of PAN fibers decreased with increasing load.
라디칼 중합을 이용한 폴리스티렌과 브릿지드 폴리실세스퀴옥세인 나노입자와의 유-무기 복합체 제조 및 분석
하태성(Tae-Sung Ha),황인설(In Seol Hwang),방윤혁(Yun-Hyuk Bang),김기영(Ki-Young Kim),임정혁(Jung-Hyurk Lim),김성룡(Sung-Ryong Kim),김경민(Kyung-Min Kim) 한국고분자학회 2016 폴리머 Vol.40 No.6
티올 그룹을 함유한 구형의 브릿지드 폴리실세스퀴옥세인 나노입자(BPS-SH)는 bis[3-(triethoxysilyl)propyl]-disulfide를 암모니아와 알코올 용매 하에서 가수분해와 축합 반응 후 얻어진 브릿지드 폴리실세스퀴옥세인 나노입자(BPS-S-S)의 환원 반응을 통하여 제조하였다. BPS-SH와 triethylene glycol dimethacrylate(TEGDMA)에 365 nm 파장을 가진 UV를 조사하여 TEGDMA 그룹을 함유한 브릿지드 폴리실세스퀴옥세인 나노입자(BPS-TEGDMA)를 얻을 수 있었다. 합성된 BPS 나노입자는 구형의 형태를 띠고, 평균 입자크기는 200-300 nm를 나타내었다. 이렇게 얻어진 BPS-TEGDMA와 스티렌 단량체를 AIBN 개시제 하에서 중합시켜 BPS 나노입자에 폴리스티렌을 성장시킨 새로운 유-무기 복합체(BPS-TEGDMA/PS)를 합성하였다. BPS 나노입자 표면은 폴리스티렌으로 덮여있어 소수성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 제조된 BPS-TEGDMA/PS의 구조 및 표면 분석은 FTIR, TGA, SEM, TEM과 같은 다양한 분석장비를 이용하여 수행하였다. Bridged polysilsesquioxane (BPS) particles with thiol groups (BPS-SH) were prepared by the reduction of BPS particles with disulfide groups (BPS-S-S) made from hydrolysis and condensation reaction of bis[3-(triethoxysilyl) propyl]-disulfide under ammonia and alcoholic solutions. BPS-SH and triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) were reacted to synthesize BPS containing TEGDMA group (BPS-TEGDMA) by UV irradiation at 365 nm. BPS-TEGDMA was spherical, and the average size was around 200-300 nm. Hybrid BPS-TEGDMA/PS nanocomposites were fabricated by radical polymerization of BPS-TEGDMA and styrene with AIBN as a radical initiator. The surface of BPS-TEGDMA covered with PS increased the hydrophobicity of BPS nanoparticles. The structure and morphology of BPS-TEGDMA/PS nanocomposites were characterized by infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis(TGA), scanning electron microscope (SEM), and transmission electron microscope (TEM).
라지토우 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유의 안정화 공정에서 열 거동
유성욱(Sung-Uk Yu),박세준(Sejoon Park),조한익(Han-Ik Joh),이성호(Sungho Lee),김환철(Hwan Chul Kim),방윤혁(Yun-Hyuk Bang),구본철(Bon-Cheol Ku) 한국고분자학회 2016 폴리머 Vol.40 No.6
본 연구에서는 폴리아크릴로니트릴계의 48000가닥(48 k) 라지토우 탄소섬유 제조를 위한 여러 안정화 공정변수를 확인하고자 하였다. 이를 위해 탄소섬유 전구체 섬유의 토우 크기, 열 체류시간, 열 처리 온도, 공기흐름 방향 및 속도 등을 조절하였다. 안정화 공정 후 PAN 섬유는 사슬간 가교결합이 형성되며 아크릴로니트릴기가 고리화 반응을 하게 되는데 이때 공기의 섬유 침투가 최종 탄소섬유의 기계적 물성에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 폴리아크릴로니트릴 섬유의 안정화 정도를 평가하기 위해 적외선 분광광도계(FTIR), 원소분석기, 밀도 구배관 및 X-ray 회절분석기를 이용하였다. 48 k 토우 섬유의 안정화 산화공정을 최적화한 후의 산소 함량은 대략 10%, 밀도 값 1.40 g/cm<SUP>3</SUP>를 보였으며, 이때 탄소섬유의 인장강도는 2.5 GPa, 탄성률 214 GPa로 각각 측정되었다. In this study, we investigated stepwise stabilization process of 48 k filaments PAN precursor to observe thermal behavior of PAN fibers. We also controlled parameters such as oven temperature, air flow direction, velocity, thermal residence time, and tow size to optimize stabilization process for large tow carbon fibers. FTIR, elemental analyzer, density column, X-ray diffractometer were used to evaluate stabilization degree and chemical structural evolution during thermal stabilization. The oxidation process of PAN fibers makes cross-linking reaction more easier between intermolecular chains and enduces cyclization reaction of acrylonitrile. In addition, the degree of air diffusion into fibers affects the mechanical properties of the final carbon fiber. The carbon fiber with ca. 10% of oxygen content and 1.40 g/cm<SUP>3</SUP> of density showed the best mechanical properties with 2.5 GPa tensile strength and 214 GPa tensile modulus.
양극산화 처리에 따른 탄소섬유 표면의 페놀릭 하이드록실 관능기 비율의 증가가 에폭시기지 복합재료의 기계적 계면결합 특성에 미치는 영향
김동규 ( Dong-kyu Kim ),김관우 ( Kwan-woo Kim ),한웅 ( Woong Han ),송범근 ( Bhumkeun Song ),오상엽 ( Sang-yub Oh ),방윤혁 ( Yun Hyuk Bang ),김병주 ( Byung-joo Kim ) 한국공업화학회 2016 공업화학 Vol.27 No.5
본 연구에서는 전류밀도 변화에 따른 탄소섬유의 양극산화 처리가 탄소섬유 표면과 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면결합력에 미치는 영향을 고찰하였다. 양극산화 처리된 탄소섬유 표면 특성은 원자간력 현미경(Atomic force microscope, AFM)과 전계방사형 주사전자현미경(Field emission-scanning electron microscope, FE-SEM), 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 및 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)으로 분석하였으며, Short beam 전단시험을 통해 표면처리에 따른 탄소섬유 강화 복합재료의 계면 전단강도를 측정하였다. 실험 결과 전류밀도가 증가함에 따라 탄소섬유 표면의 거칠기와 산소관능기의 함량의 증가와, 탄소섬유 강화 복합재료의 층간전단강도(Interlaminar shear strength, ILSS)의 향상 및 페놀릭 하이드록실 그룹과의 비례관계를 확인하였다. CF-2.0 시편의 층간 전단강도는 87.9 MPa로 CF-AS 시편에 비해 약 4% 증가하였는데, 이러한 결과는 양극산화 처리가 산소관능기와 탄소섬유 표면 거칠기의 증가를 유도하여 탄소섬유와 수지의 계면 결합력이 증가된 것으로 판단된다. 그중 층간전단강도와 비례관계인 페놀릭 하이드록실 그룹은 탄소섬유 강화 복합재료의 계면결합력을 향상시키는 중요한 요소라 판단된다. We studied the effects of anodic oxidation treatments of carbon fibers on interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites with various current densities. The surface of treated carbon fibers was characterized by atomic force microscope (AFM), field emission-scanning electron microscope (FE-SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The interlaminar shear strength (ILSS) of the composites was determined by a short beam shear test. This result showed that both the roughness and oxygen group of the carbon fibers surface increased in proportion to the current density. After anodic-oxidation-treated, the ILSS also increased as a function of the current density. In addition, the proportional relationship between ILSS and phenolic hydroxyl group was confirmed. The ILSS of the CF-2.0 sample increased by 4% compared to that of the CF-AS sample, because the anodic oxidation treatment increased the oxygen group and roughness on the carbon fibers surface, which leading to the improvement of the interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites. Among these, the phenolic hydroxyl group which has the proportional relationship with ILSS is found to be the most important factor for improving the interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites.
탄소섬유 강화 복합재료의 항공기용 PTO 샤프트 적용에 관한 연구
정광일 ( Kwang Il Jeong ),김원기 ( Wonki Kim ),정재문 ( Jae-moon Jeong ),오재형 ( Jaehyung Oh ),방윤혁 ( Yun Hyuk Bang ),김성수 ( Seong Su Kim ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.6
본 연구에서는 탄소섬유 강화 복합재료를 적용하여 PTO 샤프트의 임계 속도를 향상시키는 연구를 진행하였다. 탄소섬유 강화 복합재료의 경우 전단 강도가 낮은 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 티타늄-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 구조로 설계하는 것을 제안하였다. PTO 샤프트에서 요구하는 최대 허용 토크, 임계 속도, 비틀림 고유진동수 기준을 충족시키는 최적의 구조를 설계하고 제작하였다. 제작한 PTO 샤프트의 성능 평가를 위해 진동 시험, 정적 비틀림 시험, 비틀림 내구성 시험이 수행되었고, 진동 시험에서 PTO 샤프트의 임계 속도는 20570 rpm로 티타늄 샤프트 대비하여 7.5% 향상된 것을 확인하였다. 또한 정적 비틀림 시험을 통해 PTO 샤프트의 최대 허용 토크가 2300 N·m로 해당 기준을 충족시키는 것을 확인하였다. 최종적으로 11.3~113 N·m 범위의 하중을 반복하는 비틀림 내구성 시험에서도 106 사이클 동안 피로파괴가 발생하지 않는 것으로 평가되었다. This paper aims to improve the critical speed of power-take-off (PTO) shafts by using carbon fiber reinforced plastics (CFRPs). The PTO shaft was designed with titanium-CFRPs hybrid structure in order to compensate the low shear strength of CFRPs. Based on the requirements for PTO shafts, the dimensions of PTO shafts were determined through a parametric study. To evaluate the performance of the PTO shaft, a vibration test, a static torsion test, and a torsion durability test were performed. In the vibration test, the critical speed of PTO shafts was 20570 rpm, which was 7.5% higher than that of titanium shafts. Additionally, it was confirmed that the maximum allowable torque of the PTO shaft was 2300 N·m. Finally, under repeated load in the range of 11.3 to 113 N·m, the fatigue failure in the PTO shaft did not occur up to 106 cycles.