천연 섬유 적용 친환경 SMC, 산업 성능 향상

새로운 유기 SMC로 제작된 리어 스포일러. 연구자들은 기존 가공 파라미터로 복잡한 리브 구조를 채울 수 있었으며 섬유와 매트릭스의 분리가 발생하지 않았음을 확인했다. 사진 제공: 복합재 연구소(IVW)

해바라기 씨앗 껍질 분말과 갈대 같은 천연 충전재와 섬유를 수용할 수 있는 유기 시트 몰딩 컴파운드(SMC)가 로렌츠 쿤스트슈토프테크닉 GmbH(독일 발렌호르스트)와 라이프니츠 복합재 연구소(IVW, 독일 카이저슬라우테른)에 의해 개발되었다. 로렌츠는 다양한 산업용 반제품 폴리머 제품을 생산하는 기업이고, IVW는 라인란트-팔츠 주와 카이저슬라우테른 공과대학의 비영리 연구 기관으로 복합재 개발과 가공을 전문으로 한다. 목표는 상대적으로 작은 CO₂ 발자국을 가진 열경화성 복합재 개발이다.

로렌츠의 영업 및 비즈니스 개발 디렉터 페터 옴스는 "우리는 전문성과 SMC 소재, 후속 산업 생산 테스트로 IVW를 지원했습니다. 카이저슬라우테른 연구소는 실험실 규모 예비 테스트, 일반 연구, 새로운 유기 SMC 제형 개발을 수행했습니다."라고 말한다.

잠재 사용자 설문 조사

두 기관은 전기, 자동차, 산업 장비 등 다양한 산업의 30개 기업 설문 조사를 기반으로 소재 사양서를 개발했다. "설문 조사 결과 각 산업마다 소재에 대한 요구사항이 다르다는 것이 나타났습니다."라고 옴스는 말한다. 그러나 거의 모두 수명주기 평가(LCA)를 통해 생산 시 환경적 측면과 CO₂ 감축, 재활용성을 문서화하길 원했다. "우리는 이러한 요구사항을 기반으로 SMC 생산에 가능한 유기 소재를 선택했습니다."

파트너들은 부분적으로 유기 기반 충전재를 포함하는 유리섬유 SMC 개발을 결정했다. 충전재로는 해바라기 씨앗 껍질 분말, 갈대, 목분, 산업용 연수 플랜트에서 업사이클링된 탄산칼슘, 열경화성 재활용 소재 등 여러 옵션이 고려되었다. 추가 지속가능성 이니셔티브로 원자재는 로렌츠 시설 반경 500킬로미터 내에서 조달되었다.

SMC와 충전재, 소재 가공성에 대한 연구는 IVW에서 수행되었다. 고려된 요소로는 함침성, 밀도, 점도, 원자재 가용성 등이었다. 연구자들은 불포화 폴리에스터(UP) 수지와 수축 방지 첨가제를 사용하여 제형을 개발했다.

제형 가공

다음으로 파트너들은 새 소재로 제조할 데모 배틀 컴포넌트의 파라미터를 정의했다. "이 데모는 소재의 흐름과 몰드 충진 거동을 검토하고 기존 SMC 반제품과 비교하는 데 도움이 되었습니다."라고 IVW의 과학자 플로리안 고르트너 박사는 말한다. "이 결과와 프레스 레오메트리 테스트를 바탕으로 흐름 거동을 시연하고 다른 몰드 형상에 대한 예측을 가능하게 하는 시뮬레이션 모델을 구축했습니다."

초기 연구 후, 불포화 폴리에스터(UP) 수지와 수축 방지 첨가제, 산화마그네슘, 내부 이형제(수지 점도 증가용), 컬러 페이스트로 구성된 기준 SMC 수지 페이스트가 개발되었다. 이 수지 페이스트는 연구자들이 SMC 내에서 각 개별 구성요소의 상호작용을 이해하도록 테스트되었다. 다양한 충전재를 사용한 수지 제형의 반복적 테스트 시리즈를 통해 궁극적으로 원하는 점도, 흐름, 함침 거동을 가진 다수의 유기 충전재 기반 수지가 도출되었다.

고르트너는 "산화마그네슘과 내부 이형제로 수지를 점도 조절하고 컬러 페이스트로 반제품에 색상을 입혔습니다. 설문 결과를 바탕으로 추가 첨가제를 넣고 수지 페이스트를 애플리케이션에 맞게 조정했습니다."라고 말한다.

원하는 점도, 흐름, 함침 거동을 가진 제형이 도출될 때까지 여러 반복을 거쳤다. 결과 소재는 기존 SMC보다 낮은 밀도의 반제품 생산을 가능하게 하여 로렌츠는 전기차 시장에 매력적일 것으로 기대한다. 다음 단계는 수지의 상업적 버전 생산으로, 옴스는 로렌츠가 올해 내 달성할 계획이라고 말한다.

"이제 IVW와 함께 이 새로운 열경화성 소재를 만드는 데 성공했으니 실용적 애플리케이션을 위한 추가 개선을 계획 중입니다."라고 옴스는 덧붙인다. 예를 들어 로렌츠는 수지 페이스트와 충전재 비율을 변화시키거나 애플리케이션에 따라 유리섬유를 천연 섬유로 대체하는 소재 변형을 개발할 수 있다. 로렌츠는 불포화 폴리에스터 수지를 더 안전하고 환경 친화적인 수지로 대체할 수도 있다고 말한다.

고르트너에 따르면, "우리 연구 프로젝트의 목적은 반제품 열경화성 제품에 유기 기반 컴포넌트 사용이 가능함을 보이는 것이었습니다. 로렌츠의 적극적인 지원 덕분에 성공적으로 수행했으며, 산업 생산 피드백을 결과에 지속적으로 반영할 것입니다."