지속가능한 에폭시 수지: 항공우주 복합재용 재가공·수리·재활용 가능한 3R 솔루션

대부분의 항공우주 복합 구조물에서 열경화성 에폭시는 높은 기계적 물성, 낮은 경화 수축률, 내열·내습성으로 인한 환경 열화 방지 덕분에 선호되는 매트릭스 수지입니다. 이러한 장점은 경화 중 형성되는 에폭시의 가교 분자 구조에서 기인합니다. 하지만 이 열경화성 공유 결합 화학 때문에 기존 경화 에폭시 복합재는 재성형, 재형성, 용해가 어려워 재활용과 수리가 까다롭습니다.

동적 화학의 등장

지난 10년간 열 등의 자극으로 공유 결합이 교환·재배열되는 '동적 화학'이 개발되었습니다. '가역성 수지'로 불리는 이 폴리머는 유리 전이 온도(Tg) 이하에서는 열경화성 거동을 보이지만, Tg보다 80°C 이상 높은 온도에서는 열가소성처럼 거동합니다. 스페인의 응용 연구 기관 CIDETEC(도노스티아-산 세바스티안)은 2013년부터 이러한 수지를 연구해왔으며, 방향족 이황화물 교환 기반의 열기계적 재가공 가능 에폭시 수지 및 복합재를 특허화했습니다. 이는 경화 복합재의 재가공, 수리, 재활용(3R 기술)을 가능하게 합니다. CIDETEC은 현재 11개 파트너와 함께 호라이즌2020 프로젝트 'AIRPOXY'를 주도하며 이 기술을 TRL 3에서 TRL 5로 끌어올리고 있습니다.

AIRPOXY 프로젝트 개요

2018년 9월 시작된 42개월 프로젝트는 고량산 복합재 열성형 공정, 비용 효율적인 3R 복합재 수리 및 열경화성 용접·접착 접합 조립 기술 발전을 목표합니다. 두 가지 항공우주 데몬스트레이터로 검증됩니다: RTM 스킨과 횡방향 보강재가 열성형 종방향 보강재에 접착된 복합 팬 카울 섹션, SQRTM으로 제작된 스킨에 열성형 립이 용접된 날개 앞전 섹션. CIDETEC은 3R 복합 소재·부품 재활용도 탐구하며, LCA(생애주기 평가)와 LCC(생애주기 비용) 방법론으로 기존 복합재 대비 이점을 평가합니다.

3R 에폭시 비트리머(Vitrimer)

CIDETEC 폴리머·복합재 총괄 알라이츠 레콘도(Alaitz Rekondo)는 "동적 화학은 해리형과 결합형으로 나뉜다"고 설명합니다. 해리형은 가교가 끊어져 열성형·재활용 시 물성 저하가 발생합니다(예: 에보닉의 딜스-알더 반응 기반 수지, 코노라의 리사이클아민). 반면 CIDETEC의 3R 수지는 결합형으로 가교가 끊어지지 않는 '비트리머'입니다. 가열 시 동적 교환(방향족 이황화물 결합)으로 열가소성처럼 거동하지만 항상 열경화성 상태를 유지합니다. 촉매 없이도 작동하나 필요시 촉매 사용으로 속경화·상온 경화도 가능합니다.

CIDETEC은 연성 엘라스토머 소재로 자기 치유 특성 연구를 시작하다 상용 동적 경화제가 에폭시 경화제로도 작용함을 발견했습니다. 초기 산업용 3R 에폭시 수지 배합은 기존 항공우주 에폭시와 동등한 물성을 보였습니다(Fig. 1).

예상 효과

AIRPOXY 코디네이터 네레아 마르카이데(Nerea Markaide)는 "3R 열성형으로 오토클레이브 대비 훨씬 빠르고 저렴한 고량산 생산, 3R 수리로 기존 본드 패치 대비 50% 비용 절감, 3R 용접으로 접착 조립 대비 55% 조립 비용 절감, 3R 접착으로 기존 방식보다 견고한 접합이 가능하다"며, 궁극적으로 3R 수지·접착제 패밀리로 복합 항공 구조물 생산의 비용과 지속가능성을 개선할 것이라고 전망합니다.

프리프레깅, RTM 및 열성형

CIDETEC은 데모 시험용 최적의 수지 배합을 도출했습니다. 이 RTM/주입용 시스템은 건조 Tg 170°C/습윤 Tg 150°C, 70°C에서 200 센티푸아즈 점도, 저흡수율(2-3%)을 가지며, 1성분/2성분 제형 모두 가능하고 대표적 경화 조건은 130°C 1시간 + 180°C 30분 포스트 경화입니다.

이 3R 수지로 쇼마라(Chomarat, 프랑스) 5HS(5해러새틴) 중간 탄성률 카본 파이버 직물을 연속 프리프레그 공정으로 함침했습니다. 이 프리프레그는 라이프니츠 복합재연구소(IVW, 독일)에서 연속 압축 성형(CCM)으로 평판 및 3D 형상 3R 라미네이트 제조에 사용되었습니다.

Eurecat(스페인 바르셀로나)는 3R 수지에 최적화된 공정 파라미터로 5HS 및 단방향(UD) 직물을 RTM으로 함침해 3R 라미네이트를 제작했습니다. IDEC(스페인 아라바)는 산업 환경에서 동일 수지로 RTM 생산을 시연하며 팬 카울 서브컴포넌트용 RTM 스킨과 횡방향 보강재 제작 시험을 시작했습니다.

Coexpair(벨기에 나멘)와 Sonaca(벨기에 샬루아)는 헥셀 HexPly 8552 터프 에폭시 프리프레그와 3R 수지 필름(용접 가능)을 결합해 SQRTM 공정으로 1m 길이 날개 앞전 서브컴포넌트용 곡면 노즈 구조물을 제작합니다.

접합, 용접, SHM 및 수리

CIDETEC은 3R 수지를 접착용으로 재배합해 2020년 2월 첫 3R 접착 필름을 제작했습니다. "기판과 접착제 모두에 동적 수지를 사용하면 이황화물 결합 재배열로 화학적 결합이 일어나 접합 무결성이 향상된다"고 레콘도는 설명합니다. IDEC이 3R 접착 필름으로 보강재와 스킨을 접합해 팬 카울 데몬스트레이터를 제작합니다(Fig. 2).

3R 수지의 동적 화학은 열과 압력으로 두 3R 복합 라미네이트를 접합해 공유 결합을 형성하는 '열경화성 용접'을 가능하게 합니다. 이는 EireComposites가 스탬핑된 3R 라미네이트 립을 SQRTM 노즈에 접합해 날개 앞전 데몬스트레이터를 제작하는 데 활용됩니다(Fig. 3). IVW가 3R 라미네이트용 최적 용접 파라미터를 개발했습니다. 상용 프리프레그로 제작된 SQRTM 노즈 표면에 추가 3R 수지 필름을 통합해 두 웹의 용접을 가능하게 했습니다.

작업 패키지 4(SHM 및 수리)에서 IVW는 3R 복합재의 박리, 용접 심 이탈 등 결함 수리 가능성을 조사했습니다. 220°C 수리 온도에서 20bar 압력으로 가열·압착해 박리를 수리했습니다. 그리스 이오안니나 대학 CSML이 기계적 시험과 위상 배열 초음파, 적외선 열화상, 음향 방출, 임피던스 분광법, 전기 저항 변화법(ERCM) 등 다중 NDE 기법으로 수리 효과를 검증했습니다. ILSS 시험 기준 초기 물성의 72% 회복, 9·15줄 저속 충격 시험에서 ~90% 회복을 보였습니다.

재활용 및 AIRPOXY 2

AIRPOXY 프로젝트 범위 외이나 CIDETEC은 스크랩 분쇄 후 압축 성형(210°C)으로 재성형 가능함을 입증했습니다. 코노라 공정처럼 환원제 용액에 담가 동적 네트워크를 파괴해 수지를 용해·침전·분말 회수하는 것도 가능합니다(100°C 가열로 가속). "분말을 2차 복합재 용도로 재사용하는 연구 중"이라고 레콘도는 말합니다.

"스크랩 재활용은 2~3회 가능하나, 실 서비스 후 풍화·열화가 있는 실질적 수명 종료품은 1회 재활용이 한계일 것"이라며, 이는 현재 산업용 3R 수지로 전면 특성 평가와 함께 검증 중입니다. 두 데몬스트레이터는 올해 완료 예정이며, 기계적 시험·손상·수리 평가를 거쳐 2022년까지 TRL 5 달성이 목표입니다. 마르카이데는 "AIRPOXY Part II로 공정 최적화, 기계적 특성화, 소재·공정 검증·인증을 추진해 상용화로 나아갈 것"이라고 덧붙였습니다. 도심 항공 모빌리티(UAM) 분야에도 열성형·용접 기술이 적합할 것으로 기대됩니다.