재활용 탄소섬유 복합소재를 위한 신뢰할 수 있는 테스트 방법 규명

그림 1 탄소섬유 재활용 공정. 출처 | ELG 카본 파이버

탄소섬유 제품에 대한 전 세계적 수요의 기하급수적 증가 - 그리고 그 소비와 관련된 폐기물 - 는 많은 지속가능성 이슈를 제기합니다. 탄소섬유는 널리 재활용되는 알루미늄만큼 높은 구현 에너지를 가지며, 탄소섬유 폐기물 처리는 순환 경제에 심각한 영향을 미칩니다. 그 결과, 가수분해, 솔볼리시스, 열분해 같은 재활용 기술이 지난 20년간 탄력을 받아왔습니다¹. 예를 들어, ELG 카본 파이버 Ltd.(영국 코즐리)가 사용하는 체인 베드 열분해 기술은 산업 규모로 구축되어 2017년 기준 연간 1,300미터톤 이상의 CF를 회수하고 있습니다^2,3.

그러나 열분해의 주요 기술적 과제는 탄소섬유를 원본과 같은 형태로 회수할 수 없다는 것입니다. 열분해 재활용의 최종 제품은 엉키고 불연속적인 섬유의 부풀어 오른 덩어리입니다(그림 1 참조). 재활용 탄소섬유(rCF)를 효율적이고 비용 효과적으로 다루는 방법은 양모 양털을 원단으로 변환하듯 섬유를 텍스타일 패브릭으로 변환하는 것입니다. 이 방법을 사용하여 ELG는 rCF를 무작위 분포, 드라이 레이드, 니들 펀칭, 부직포 패브릭으로 변환하여 에폭시 수지에서 압축 성형합니다. 그러나 이러한 패브릭의 다공성 특성으로 인해 결과 라미네이트는 일반적으로 약 30%의 섬유 부피 분율만 달성합니다.

이러한 소재 거동 특성 때문에 rCF 복합소재는 기존의 길고 연속적인 섬유 강화 버진 CF(vCF) 복합소재와 다릅니다. 따라서 rCF 복합소재의 능력, 기계적 거동, 설계 한계를 이해하려면 적절한 테스트 방법으로 신뢰할 수 있는 데이터셋을 개발하고 특성화하는 것이 필수적입니다. 불행히도 매크로 스케일 테스트를 위한 코드와 표준은 연속 섬유 강화 복합소재를 염두에 두고 개발되었습니다. 또한 기존 복합소재에서도 쿠폰 레벨 테스트에서 문헌과 업계에 많은 불일치가 존재합니다⁴. 복잡성을 더하는 것은, 에어버스 같은 일부 OEM이 자체 내부 테스트 관행을 사용하여 vCF 복합소재를 특성화한다는 점입니다⁵. 불연속, 부직포 복합소재에서 독특한 보강 아키텍처를 가진 rCF 복합소재의 도입은 복합소재 테스트 프로토콜의 모호성을 더욱 가중시킵니다. 또한 단일 특성 측정을 위한 테스트 방법의 선택 폭이 넓습니다. 가장 적합한 테스트를 식별하는 것은 시간이 많이 걸리지만, 소재의 기계적 거동을 이해하는 데 근본적입니다. 저자들의 연구 주된 목적은 부직포 rCF 복합소재가 기존 및 잠재적 새 애플리케이션에서의 사용을 평가하고 분석하기 위한 특정 표준 테스트 프로토콜 개발이 필요한지 결정하는 것이었습니다.

정적 인장 테스트처럼 겉보기에 간단한 테스트 방법에 대한 가이드라인이 불연속, 부직포 rCF 복합소재의 경우 불분명해집니다. 일반적인 관행은 시편 준비의 단순성 때문에 직선 변 직사각형 시편을 사용하는 것입니다. 그러나 rCF 복합소재의 경우, ASTM D3039 또는 ISO 527-4 타입 2 또는 3에 기술된 대로 엔드 탭 유무에 관계없이 직사각형 시편을 사용하면 시편 게이지 길이로의 응력 전달 불량으로 인해 탭 근처 또는 탭에서 파손이 발생했습니다. 150개 직사각형 시편 샘플에서 12.5% 미만만 허용 가능한 게이지 파손을 보였습니다.

여기에는 열악한 시편 준비, 하중 도입 방법, 그립, 테스트 속도, 시편 기하학 등 여러 가능한 원인이 있습니다. 미국 육군 소재 역학 연구센터가 무작위 유리섬유 복합소재에 대해 시험한 보타이 시편도 rCF 복합소재에 대해 개선된 결과를 내지 못했습니다⁶. 이 시험에서 ASTM D638에 기술된 도그본 형상 사용이 80% 이상의 시편이 중앙 게이지 영역 내에서 파손되는 훨씬 향상된 성능을 보였습니다(그림 2 참조). 이 시편 설계는 인장 특성에 상당한 영향을 미치며, 직사각형 기하학 시편은 조기 파손 경향이 있습니다.

동일한 rCF 복합소재 직사각형 및 도그본 시편을 사용한 우리 연구에서, 직사각형 시편이 도그본 시편 대비 인장 강도와 강성에서 각각 10%와 20% 감소를 보였습니다. 개선된 기하학적 설계는 인장 하중에서뿐만 아니라 순환 피로에서도 명백했습니다. 특정 응력 수준에서 인장-인장 피로 하중 시 직사각형 쿠폰은 수백 사이클에서 300만 피로 사이클 이상까지 어디서든 파손될 수 있는 반면, 도그본 쿠폰의 파손 사이클 변동성은 훨씬 낮았습니다.

그림 2. 도그본 시편에서 시편 게이지 길이로의 응력 전달 개선. 출처 | 카르티크 크리슈나 쿠마르

아웃오브플레인 및 인플레인 전단 평가 시에도 유사한 패턴이 관찰되었습니다. 아웃오브플레인 전단 또는 층간 전단은 품질 관리 테스트일 뿐이지만, ASTM D2344 및 ISO 14130에 기술된 짧은 빔 전단(SBS) 테스트 방법, ASTM D3846의 더블 노치 전단(DNS), 최근 개발된 더블 빔 전단(DBS, ISO 19927) 등 그 평가를 위한 여러 테스트 방법이 수립되었습니다. 불행히도, 이들 테스트 중 어느 것도 rCF 복합소재에서 순수 층간 전단 파손이라는 원하는 결과를 제시하지 못했습니다. 일반적인 경향은 시편에서 전단 주도의 파손보다는 인장이나 압착 같은 바람직하지 않은 모드로 파손되는 것이었습니다.

소재(복합소재 또는 금속)를 순수 전단 상태에 놓는 데 꽤 성공적인 방법은 V-노치 기하학 시편을 사용하는 이오시페스쿠 전단 테스트입니다. 그러나 층간 전단 평가를 위해 ASTM D5379는 76mm 두께 패널 사용을 권장하는데, 결함 도입 없이 제조하기는 거의 불가능합니다. 대안은 패널들을 76mm 두께로 본딩하는 것이었는데, 성공적인 시편 제조 시 V-노치 시편의 그립 섹션에서 압착 파손이 잠재적으로 발생할 수 있습니다. V-노치 시편의 임계 섹션만 재구성한 리모디파이드 표준 시편 설계가 이 문제를 피하고 rCF 복합소재에서 순수 층간 전단 파손 생성을 가능하게 했습니다.

그러나 이오시페스쿠 전단 테스트는 rCF 복합소재의 인플레인 전단 테스트에는 적용 불가능했습니다. 라미네이트의 XY 평면에서 섬유 분포를 고려할 때 예상되는 인장 주도의 파손 경향이 있었습니다. 가능한 대안은 일반적으로 목재 복합소재에 사용되는 ISO 15310에 기술된 플레이트 트위스트 방법일 수 있습니다. 섬유 보강 아키텍처의 특성이 기본 정적 매크로 스케일 쿠폰 레벨 테스트에서 기계적 거동과 소재 반응에 상당한 영향을 미치는 것이 분명합니다. 게다가, rCF 복합소재의 순환 하중 하 기계적 거동이 기존 vCF 복합소재나 단섬유 강화 복합소재와는 상당히 다르다는 것이 밝혀졌습니다.

재활용 탄소섬유 복합소재에는 성형 공정, 섬유 함량, 섬유 탄성률 등급, 재활용 원료의 소스 형태인 수지 등급, 섬유-매트릭스 상호작용 등 기계적 특성에 영향을 미치는 여러 소재 가공 변수가 있습니다. 전용 표준 테스트 관행이 새로 시장에 진입한 소재에 대해 개발되지 않고서는 이러한 파라미터 분석은 헛수고이고 번거롭습니다. 영국 표준 협회(BSI)는 직물 유리 강화 플라스틱, 시트 몰딩 컴파운드(SMC), 벌크 몰딩 컴파운드(BMC) 열경화성 복합소재, 목재 폴리머/천연 섬유 복합소재, 풀트루전 강화 복합소재 등 비전통적 복합소재 시스템에 대한 사양을 다루며 적용 가능한 테스트 방법을 식별하는 전용 표준으로 해결했습니다. 재활용 탄소섬유 복합소재도 이제 신뢰할 수 있는 특성화를 위해 동일한 접근이 필요합니다.

참고문헌:

¹Job, S., Leeke, G., Mativenga, P.T., Oliveux, G., Pickering, S. and Shuaib, N.A., 2016. Composites recycling: Where are we now. Composites UK Ltd.: Berkhamsted, UK.

²Jacob, A. (2019). Building confidence in recycled carbon fiber. [online] Available at: https://www.compositesworld.com/blog/post/building-confidence-in-recycled-carbon-fiber [Accessed 29 Jul. 2019].

³Inston, D. (2019). ELG Carbon Fibre open house showcases recycling technology. [online] Available at: https://www.compositesworld.com/news/elg-carbon-fibre-open-house-showcases-recycling-technology [Accessed 29 Jul. 2019].

⁴Adams, D. (2019). Mechanical testing of textile composites. [online] Available at: https://www.compositesworld.com/blog/post/mechanical-testing-of-textile-composites [Accessed 29 Jul. 2019].

⁵Spendley, P.R., 2012. Design allowables for composite aerospace structures.

⁶Oplinger, D.W., Gandhi, K.R. and Parker, B.S., 1982. Studies of Tension Test Specimens for Composite Material Testing (No. AMMRC-TR-82-27). Army Materials and Mechanics Research Centre Watertown Ma.

카르티크 크리슈나 쿠마르는 영국 옥스포드 브룩스 대학교 박사과정 학생입니다. 그의 연구는 재활용, 부직포 탄소섬유 복합소재 시스템을 위한 적절한 테스트 관행 개발, 피로 거동 및 환경 내구성 평가, 탄소섬유의 실용적 애플리케이션에서 안전하고 지속가능한 사용을 포함합니다.