열가소성 에폭시의 산업화: 혁신과 응용

영국 솔즈베리에 본사를 둔 Cecence는 2014년 수십 년간의 복합재 경험을 가진 세 명의 창업자에 의해 설립되었습니다. 마이크 오렌지(Mike Orange) 이사는 요트용 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 리깅과 마스트 분야에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. 혁신 책임자인 험프리 번얀(Humphrey Bunyan)은 이전에 스페인 발렌시아의 Future Fibres에서 혁신 책임자를 역임했습니다. 오렌지는 "그들은 아메리카 컵과 기타 레이싱 선박용 전 복합재 리깅뿐만 아니라 포뮬러 1 자동차의 휠을 고정하는 CFRP 테더도 제작했습니다."라고 말했습니다(「요트 건조 복합재: 성공을 위한 리깅」 참조). "우리는 경량화의 이점을 이해했지만, 우리만큼의 경험이 없고 비용, 제조 규모 확대, 방화 규정 준수에 어려움을 겪는 다른 분야와 협력하게 되었습니다."

이에 Cecence(발음: 'see-sense', 탄소섬유 복합재로 상식을 뜻함)는 내화성, 산업화된 제조, 지속가능성에 초점을 맞춰 설립되었습니다. 그 결과, 승객 항공기용 압축 성형 탄소섬유/바이오수지 복합재 시트백이 개발되었는데, 무게는 불과 7.5kg, 시트 두께는 20mm 미만으로 줄어들어 승객 공간과 편안함이 증가했으며, 모든 화재, 연기, 독성(FST) 요구사항을 충족했습니다.

"이전 프로젝트에서 Cecence는 핫 프레스 제조법을 개발해, 영국 프리프레거 FTI(서머셋)와 공동 개발한 스냅 큐어 페놀릭을 사용해 이코노미 클래스 시트백의 사이클 타임을 2.5시간에서 7분으로 단축했습니다."라고 오렌지는 말합니다. 위에서 설명한 최신 시트백의 경우, 디자인 큐(Design Q, 영국 레디치)와 공동 개발했으며, SHD 컴포지트(영국 슬리포드)가 개발한 폴리푸릴 알코올(PFA) 수지 프리프레그를 사용해 FST 포트폴리오를 확장했습니다. PFA는 바이오매스에서 유래한 열경화성 폴리머로, 페놀릭과 유사하게 우수한 표면 가공성과 지속가능성을 발휘합니다(「무게 없이 내화성 견디기」 참조). "우리는 SHD 컴포지트와 협력해 더 빠른 경화를 위한 화학을 추진했습니다."라고 오렌지는 말합니다. "우리가 하는 일은 소재, 공정, 설계를 가져와 복합재 제품이 상업적으로 실행 가능하면서도 지속가능한 방식으로 대규모 제조될 수 있도록 추가 개발하는 것입니다."

제조 속도와 지속가능성은 Cecence가 몇 년 전 열가소성 에폭시 수지 시스템을 접했을 때 핵심 요소였습니다. "이 열가소성 수지는 폴리머 사슬 끝에 에폭시 성분을 가지고 있었는데, 한 원단 회사에서 사용 중이었지만 복합재에서의 잠재력을 인지하지 못하고 있었습니다."라고 오렌지는 설명합니다.

"우리는 저점도 열가소성이 섬유에 매우 잘 침투하면서 열성형 가능한 에폭시를 가능하게 한다는 장점을 즉시 이해했습니다."라고 험프리 번얀은 말합니다. Cecence는 이 열가소성 에폭시 기술을 기반으로 프리프레그를 개발한 후, K_시리즈라는 제품군을 선보였습니다: 코일 가능한 K_로드, 0.25~1.98mm 두께의 세미-프레그 K_플레이트, K_칩 몰딩 컴파운드(그림 1). "우리는 3분 이내에 프레스 성형으로 부품을 생산할 수 있었고, 항공기 인테리어 FST 요구사항을 충족하는 FR 변형도 시연했습니다."라고 오렌지는 말합니다. Cecence는 이 소재를 사용해 전기 철도용 복합재 가공 전차선(COHLE) 시스템도 개발했는데, 지지 파일론/폴의 수를 절반으로 줄이고 킬로미터당 전체 설치 및 운영 비용을 10만 파운드(약 1억 2,420만 원) 절감했습니다.

열성형 가능한 에폭시

"일반적인 열가소성의 경우, 고점도 매트릭스 폴리머가 섬유 속으로 강제로 들어가기 어렵습니다."라고 번얀은 설명합니다. "따라서 토우나 원단의 함침이 어렵습니다. 하지만 K_시리즈 열성형 에폭시는 100°C에서 80 센티푸아즈의 매우 낮은 점도를 가집니다. 이로 인해 유리, 탄소, 천연 섬유 보강재를 우수한 수지-섬유 분포와 일반적으로 중량 기준 60%의 섬유 함량으로 프리프레그할 수 있습니다. 또한 에폭시용 사이징이 된 섬유도 사용할 수 있는데, 이는 일반적으로 열가소성과 호환되지 않습니다." 그러면서도 이 시스템은 진정한 열가소성이어서, 180~200°C에서 화학 반응이나 발열 없이 성형된 부품을 재성형할 수 있습니다.

"에폭시처럼 섬유에 잘 접착되므로, 성형 시 더 높은 압력을 사용하더라도 섬유가 매트릭스에서 분리되지 않습니다."라고 오렌지는 지적합니다. 이는 그가 단섬유 강화 폴리아미드(PA) 및 폴리프로필렌 화합물에서 본 문제입니다. "우리는 뜨거운 프레스로 원단 위에 녹인 PA 층을 평평한 시트로 만드는 작업을 했습니다. 매트릭스가 섬유에 달라붙지 않고 단지 둘러싸고만 있었습니다. 그래서 부품으로 프레스하면 섬유 풀아웃이 발생했습니다."

150~220°C에서 가공되는 K_플레이트는 단기 노출 시 100°C, 지속 사용 시 90°C의 사용 온도를 제공합니다. 절단된 단방향 토우 K_칩 컴파운드는 240°C에서 프레스됩니다. "K_시리즈의 Tg(유리 전이 온도)와 열변형 개시점은 일반적인 에폭시보다 낮지만, 이것이 재성형과 재활용을 가능하게 합니다."라고 오렌지는 말합니다. K_시리즈 공정은 또한 빠릅니다. "Cecence는 2016년 JEC에서 RocTool(프랑스 르 부르제 뒤 락)과 협력해 그들이 본 가장 빠른 열가소성 성형을 시연했습니다."라고 그는 말하며, 자동차 후드 성형에 2분 40초의 사이클 타임을 기록했고, 진공 멤브레인 위의 8-9바 압력에서 냉각 전 체류 시간은 단 25초였다고 덧붙입니다. "그들은 무광과 유광 표면 마감 모두에 만족했으며, 우리 소재가 시험한 모든 것 중 최고의 마감을 제공했다고 언급했습니다(첫 이미지 참조)."

또한, K_시리즈 제품의 에폭시 성분 덕분에 복합재 부품을 특수 프라이머와 준비 없이도 일반 열가소성 수지보다 쉽게 도장하고 접착할 수 있습니다. "표준 접착제로 2차 접착이 가능합니다."라고 번얀은 덧붙입니다. "우수한 층간 전단 특성도 얻을 수 있으며, 전반적으로 열가소성 덕분에 튼튼하고 에너지 흡수성이 뛰어난 구조물이 됩니다."

CFRP 캐터너리로 저비용 전기 철도 실현

이 열가소성 에폭시의 이중 특성은 K_로드로 만든 CFRP 캐터너리를 사용한 Cecence의 가공 전차선(OHLE) 시스템에서 잘 드러납니다. 캐터너리와 전류를 운반하는 콘택트 와이어는 전기 철도 OHLE의 두 주요 와이어입니다(그림 2). 전기는 기관차 상단에서 연장된 팬터그래프를 통해 콘택트 와이어에 압착되어 열차에 공급됩니다. "캐터너리는 25미터 간격으로 선로를 따라 설치된 파일론(마스트, 폴) 사이의 현수교 역할을 합니다."라고 오렌지는 설명합니다. 구리 콘택트 와이어는 현수교에서 도로가 케이블로 지지되는 것처럼 수직 드로퍼 와이어로 캐터너리에서 매달립니다.

"K_로드 텐션 케이블을 캐터너리로 사용하면 구리 콘택트 와이어에서 불과 70mm 위에 위치할 수 있습니다."라고 오렌지는 지적합니다(그림 3). "전체 시스템이 더 콤팩트해 환경에 대한 시각적 영향이 훨씬 적습니다." 현재 OHLE 시스템은 온도 변화에 따라 길이가 변하는 강철 캐터너리 케이블을 사용합니다. "여름에는 킬로미터당 최대 400mm까지 늘어나기도 합니다."라고 그는 말합니다. 이 처짐을 방지하기 위해 풀리에 콘크리트 카운터웨이트를 설치한 자동 장력 조절 시스템을 사용하지만, 전체 비용이 증가합니다.

"강철 라인의 무게와 처짐 프로파일 때문에 많은 폴이 필요합니다."라고 오렌지는 말합니다. "우리 CFRP 케이블은 탄소섬유의 무시할 만한 열팽창 덕분에 열적으로 안정한 복합재를 만들어 여름에 킬로미터당 단 7mm만 길이가 변합니다. 또한 강철 케이블보다 80% 가볍고 처짐이 없어 파일론 간격을 50미터로 벌릴 수 있어 필요한 파일론 수를 절반으로 줄입니다." 이는 파일론마다 캔틸레버 크로스암과 스테이 와이어가 필요하기 때문에 추가적인 비용 절감을 가능하게 합니다.

또한, 기존 OHLE 시스템은 전체 금속 부품을 사용하므로 원치 않는 전류 전도를 방지하기 위해 절연체를 추가해야 합니다. "Cecence COHLE은 비전도성 유리섬유(GF) 복합재 폴과 크로스암, 비전도성 복합재 스테이 케이블을 사용하므로 모든 절연체가 필요하지 않습니다."라고 오렌지는 설명합니다. "중간 드로퍼는 3D 프린팅된 폴리락트산(PLA)으로 만듭니다. 금속 시스템과 달리 폴은 정기적인 도장이 필요 없고, 내식성 복합재는 유지보수가 적게 듭니다."

"열가소성 에폭시는 CFRP 캐터너리에서 핵심 역할을 합니다."라고 그는 계속합니다. "Cecence는 탄소섬유 K_로드 코어와 오버브레이드된 GF 복합재 재킷 모두에 이를 사용합니다. 그 결과, 코일 가능하고 소켓에 접착 시 잘 결합되는 경량, 고강도, 절연 케이블이 탄생했습니다. 이는 탄소섬유 복합재 케이블의 일반적으로 까다로운 종단 문제를 해결합니다. 오버브레이드를 통해 코어에서 소켓으로 놀라운 하중 전달이 이루어지기 때문에 거대한 소켓 길이가 필요 없고, 이 시스템은 철도 기술자가 현장에서 설치하기에 실용적입니다."

CFRP 케이블이 강철 캐터너리보다 3배 비싸지만, 전체 시스템 비용은 킬로미터당 51만 2천 파운드에서 41만 3천 파운드로 줄어듭니다. 이는 다국적 엔지니어링 및 인프라 기업 앳킨스(Atkins, 영국 런던)와 계산한 것으로, 시스템 수명 동안 킬로미터당 40만~340만 파운드의 운영/유지보수 절감액이 포함됩니다.

"Cecence는 2019년 5월 프로토타입 부품을 납품했습니다."라고 오렌지는 말합니다. "개발 파트너들은 2020년 2월까지 전차선을 설치할 예정이었으나 코로나19로 지연되었습니다. 전체 시스템은 2019년 어드밴스드 엔지니어링 쇼에서 전시되어 Composites UK 혁신상을 수상했습니다."

추가 K_시리즈 응용 및 개발

OHLE 응용 분야 외에도 Cecence는 K_시리즈 제품을 적용할 다른 기회를 모색 중입니다. "Cecence는 스위스 건설 프로젝트에서 석회암 절벽 면 앵커로 K_로드 케이블을 사용한 프로젝트에도 참여했습니다."라고 오렌지는 말합니다. "프로젝트 파트너들은 암반에 80미터 깊이의 구멍을 뚫고 CFRP 케이블을 삽입한 후 콘크리트로 채울 예정이었습니다. 놀라운 테스트 결과가 나왔지만, 학계 파트너가 산업계와 연결되지 않아 랩 스케일을 넘어 프로젝트를 개발하지 못했습니다. 우리는 다른 시연을 추진 중이며, 이 시스템은 부식 방지되고 우수한 하중 전달을 제공합니다. 허리케인 방지 건물 등 다양한 건설 시스템의 그라운드 앵커로도 적용 가능합니다."

유튜브와 Cecence 웹사이트의 동영상은 K_플레이트 제품의 열성형성을 보여줍니다. "영국 항공우주 회사와 가변 형상/변형 에어포일 응용 분야를 탐색하는 논의도 있었습니다."라고 오렌지는 말합니다. Cecence는 절단된 복합재 토우로 만든 K_칩을 사용해 비용 효율적인 자동차 소재를 시연했는데, 탄소-유리 2:1 비율을 유지하는 하이브리드 CF/GF/열가소성 에폭시 소재로 테스트를 통해 확인했습니다.

회사는 또한 Tg 250~300°C, 가공 온도 360~400°C의 고온 K_시리즈도 개발했습니다. "이는 180°C E-코트 도장 공정을 견뎌야 하는 CFRP 부품을 원하는 자동차 제조사를 위해 사용되었습니다."라고 오렌지는 말합니다. "K-FR 소재도 있어 항공기 FST 수직 연소, 열방출, 연기 독성 요구사항을 통과할 수 있으며, 항공기 객실 소음 감소를 위한 진동 댐핑 지원 방안도 검토 중입니다. 열가소성을 조정하고 엘라스토머 소재 층을 추가해 상당한 소음 감소를 달성할 수 있습니다."

세 번째 Cecence 창업자이자 산업 참여 책임자인 사만다 번얀(Samantha Bunyan)은 재활용성도 주요 개발 영역이라고 지적합니다. Cecence는 국립 복합재 센터(영국 브리스톨)가 운영하는 ReDisCoveR 복합재 컨소시엄의 일원입니다. 2019년 4월 설립된 이 컨소시엄은 재활용, 분해, 순환 소재, 재사용의 네 가지 흐름을 따라 24개 프로젝트를 추진 중입니다. "이 프로젝트들에서 우리는 부품 분해와 열가소성 복합재의 실제 재활용성을 입증하는 방안을 살펴보고 있습니다."라고 번얀은 말합니다. "업계는 수년간 주장해온 재활용성을 마침내 입증해야 하는 상황에 직면했습니다. Cecence는 K_시리즈 열가소성 에폭시 제품의 재활용 이점을 인지하지만, 그 공정과 경제적 실행 가능성도 입증해야 합니다."

"우리는 항공기 인테리어, 시트, 철도 응용 분야를 포함한 대중교통 분야에서 지속가능한 복합재의 여지가 훨씬 더 크다고 믿습니다."라고 오렌지는 말하며, Cecence가 개발 파트너일 뿐만 아니라 제조 파트너이기도 하다고 덧붙입니다. "현재까지 A320 타입 항공기용 복합재 시트백 2,500개를 제작했으며, 코로나19 발생 전에는 업계에서 가장 가볍고 얇은 시트백을 생산할 예정이었습니다. 복합재 시트 스크랩은 풋레스트와 암레스트에 재사용될 수 있습니다. 재활용재는 현재 버진 플라스틱을 사용하는 기타 보조 부품에도 사용 가능합니다. 이 모든 것이 화석 연료 소비와 배출을 줄이고 전동화와 지속가능성을 촉진하는 데 도움이 됩니다."

사만다 번얀은 복합재 분야에서 "지속가능성은 소재, 가공(빠르고 저에너지), 공급망의 세 가지 측면이 있습니다. 우리는 이 모든 것을 혁신하고 있으며, 대부분의 사람들이 대기업만 보기 때문에 보이지 않는 전 세계의 혁신가들과 협력합니다. 세상에는 산업에 맞는 새로운 솔루션이 필요합니다. 이것이 Cecence가 하는 일입니다."라고 말합니다.