복합재의 재발명: 미래를 위한 지속 가능한 소재

복합재 기술이 발전함에 따라 복합재가 무엇이고 무엇을 제공할 수 있는지에 대한 우리의 이해도 발전해야 합니다.

이 블로그는 IntegriCo Composites(미국 루이지애나 사렙타)에서 받은 보도자료에서 시작되었습니다. 이 회사는 복합재 철도 침목과 건설 매트를 제조합니다. 보도자료와 웹사이트 모두 재활용과 플라스틱 폐기물을 지속 가능한 고성능 최종 제품으로 전환하는 데 초점을 맞추고 있어 100% 플라스틱 기술로 보였습니다. 그래서 저는 "귀사의 복합재 정의는 우리와 다릅니다"라고 답했습니다. 하지만 제가 틀렸습니다.

 

혼합물이 복합재가 되는 과정

복합재의 정의는 무엇입니까?

저는 IntegriCo가 자사 제품을 우수한 특성을 가진 복합재라고 주장하지만, 실제로는 합금, 즉 플라스틱의 용융 혼합물일 뿐이라고 설명했습니다. 최종 제품에 섬유 보강이 없고 둘 이상의 식별 가능한 소재가 없습니다.

IntegriCo의 Brian Arkwood 최고기술책임자는 반박하며, IntegriCo 제품은 고유한 정체성을 유지하는 두 가지 이상의 소재 혼합물로, 가공을 통해 설계·엔지니어링되어 우수한 특성과 성능을 제공한다고 설명했습니다. "명확히 하겠습니다."라고 그는 말했습니다.

우리 공정은 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)와 LDPE(저밀도 폴리에틸렌), 폴리프로필렌, 폴리스티렌 혼합물을 사용합니다. 이는 의도된 것으로, 각기 다른 이종 폴리머가 최종 제품의 전반적 특성에 기여합니다. 각 플라스틱 비율과 전체 혼합물의 가공을 달리해 최종 제품 특성을 조작하거나 변경할 수 있습니다. 하지만 단순히 플라스틱을 함께 녹이는 것은 아닙니다.

여기서 이 혼합물이 복합재로 차별화됩니다:

"녹지 않는 고분자량(HMW) 플라스틱이 용융 온도 이상으로 가공된 플라스틱의 연속 폴리머 사이에 분산됩니다. 이 혼합물이 냉각되면서 플라스틱은 핵생성 과정을 거칩니다. 핵생성 속도와 과정은 가공 온도, 냉각 속도, 이후 핵생성제 투입량으로 제어됩니다. 이 핵생성제는 IntegriCo가 개발해 자사 공정에만 사용하는 화학제입니다."

"핵생성이 진행되면서 플라스틱 혼합물의 전반적 결정도가 조절되고, HMW 비용융 폴리머가 공유 결합된 폴리머 사슬 사이에 얽히게 됩니다. 폴리머는 전단 응력을 통해 성형 중 점도를 낮춰 핵생성된 폴리머와 비용융 폴리머 간의 상호작용과 얽힘을 촉진합니다."

 

핵생성, 결정도 및 종횡비 제어

저에게 핵심 개념은 핵생성(결정 형성의 시작 과정), 결정도 제어(결정 형성 관리), 그리고 공정 조작을 통한 핵생성 폴리머와 비용융 폴리머 간의 더 나은 계면 달성입니다. 마지막이 복합재에서 정말 중요합니다. 서로 다른 소재 간 계면이 좋지 않으면 효과적인 하중 전달과 우수한 성능을 얻을 수 없기 때문입니다.

또한 고성장 분야인 열가소성 복합재에서 더 높은 기계적 특성과 내열성, 내화학성을 제공하는 폴리머는 준결정성입니다. 이러한 준결정성 특성은 가공 중 온도 제어를 통해 결정도를 관리함으로써 달성되고 조절됩니다.

IntegriCo 복합 철도 침목은 고융점 플라스틱이 저융점 플라스틱 매트릭스를 보강하는 우수한 성능의 복합 제품으로 플라스틱 폐기물을 재활용하는 방법을 제시합니다. 출처 | IntegriCo Composites

Arkwood의 설명은 자가강화 플라스틱(SRP)을 떠올리게 했습니다. Pure, Curv, Armordon, Tegris, 그리고 최근 2019 JEC 혁신상을 수상한 BIO4SELF 프로젝트 등이 있습니다. 일반적으로 SRP 복합재는 저융점 폴리머(PE, PP, PLA 바이오폴리머)를 동일 폴리머로 만든 고융점 섬유로 보강해 만듭니다. 이 고/저융점 폴리머 활용이 IntegriCo의 방식과 정확히 일치합니다. 그래서 Arkwood에게 사용되는 HMW 비용융 폴리머가 실제로 섬유처럼 나타나/형성/거동하는지 물었습니다.

"섬유와 같은 일부 이점을 가능하게 합니다." 그가 답했습니다. "폴리머 매트릭스 내 HMW 폴리머의 종횡비를 변경해 제품 특성을 구동합니다. HMW 폴리머 증감과 기타 운전 파라미터 변경이 탄성률, 파단 탄성률, 경도 등 플라스틱 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다."

Arkwood는 IntegriCo가 폴리머 비율과 운전 파라미터를 수정해 특정 고객 요구를 충족할 수 있다고 설명합니다. "파괴 시험 데이터로 문서화했으며 Union Pacific과 미 육군 등 고객의 물성 기반 요구사항을 충족했습니다. 폴리머 비율(HMW 대 LMW, 선형 대 비선형 또는 고분지)은 타 플라스틱 복합재 제품의 섬유 보강처럼 강도, 강성, 경도, 인성 등 핵심 성능 특성에 영향을 미치는 역할을 합니다."

 

지속 가능성

첫째, IntegriCo는 우리 행성이 폐기물로 파괴되는 상황에서 복합재 산업이 주목할 만한 영감을 제공합니다. 전 세계 플라스틱의 90% 이상이 폐기물이 되며, 미국과 캐나다에서만 매년 3,400만 톤 이상의 플라스틱이 매립되거나 소각됩니다. IntegriCo는 혼합 경질 플라스틱과 일반적으로 재활용 불가능한 3~7등급을 재활용해 실제 솔루션을 제공합니다. 중국이 2018년 수입을 중단했습니다. 플라스틱 3~7등급은 ASTM 국제 수지 식별 코딩 시스템(RIC)에 따라 구성 폴리머와 재활용성을 식별하는 분류 중 재활용이 어려운 등급입니다. 1등급(PETE, PET)과 2등급(HDPE)은 고도로 재활용 가능하며, 5등급(PP)은 재활용되기 시작하는 반면, 3등급(PVC), 4등급(LDPE), 6등급(PS), 7등급(기타)을 포함한 다른 모든 등급은 현재 재활용되지 않습니다. 따라서 IntegriCo는 폐기물을 매립에서 돌려 가치 있는 복합 제품으로 엔지니어링해 대안보다 오래 지속되며 시간이 지남에 따라 폐기물을 줄입니다.

 

나노-CMC

둘째, 기술은 복합재가 무엇인지에 대한 정의를 발전시키고 있습니다. 이는 이미 복합재 소재 과학의 발전에 영향을 미치고 있으며 더 많은 발전을 고무하길 바랍니다. 이 깨달음을 준 계기는 Arkwood의 핵생성 용어 사용이었습니다. 저는 최근 나노 세라믹 매트릭스 복합재(나노-CMC, 2019년 7월 나노복합재 기사 참조) 연구에서 이 용어를 바로 인식했습니다.

2017년 11월 기사 "항공우주 응용을 위한 폴리머 및 세라믹 나노복합재"에서:

"나노복합재는 다기능 능력으로 인해 연간 25% 성장률을 보이는 21세기의 소재입니다. ... 원하는 특성을 결합할 수 있어 나노복합재는 항공우주 응용과 미래 우주 임무에서 잠재력을 확장하고 있습니다. ... 나노필러는 폴리머 매트릭스와의 계면 상호작용을 개선해 핵생성 능력을 증가시킵니다."

25% 성장률은 확신할 수 없지만 나노복합재가 큰 잠재력을 가진 것은 분명합니다. 이 텍스트는 나노필러의 핵생성을 다뤘습니다. 저에게 새로웠던 것은 나노-CMC에서 세라믹 매트릭스가 섬유나 필러가 아닌 다른 세라믹으로 강화되며, 후자의 핵생성과 결정화를 제어해 고종횡비 보강재를 생산한다는 점이었습니다.

2019년 7월 나노복합재 특집 기사에서 Paola Palmero의 2015년 논문 "구조용 세라믹 나노복합재: 특성 및 분말 합성 방법 리뷰"의 삽화를 사용해 미세/나노 복합 구조 예를 보였습니다. A, B, C는 각각 나노입자, 나노섬유, 나노혈소판으로 강화된 미세(미크론) 매트릭스를 보여주며, D는 둥근 것과 고종횡비 나노보강재를 모두 가집니다. 그러나 E와 F는 각각 이상(bi-phasic) 및 다상(multi-phasic) 나노복합재를 보여주며, 여기서 나노스케일 세라믹은 비혼화성입니다.

Fig. 1 세라믹 소재의 일반적인 미세/나노 복합 구조.
출처 | Paola Palmero의 "구조용 세라믹 나노복합재: 특성 및 분말 합성 방법 리뷰".

 

Palmero는 매트릭스 입자 표면에서 제2상의 인시츄 결정화, 즉 매트릭스가 제1상이고 다른 세라믹이 제2상인 경우를 세라믹 나노복합재 제조의 핵심 공정 중 하나로 설명합니다. 결정화 후 세라믹 결정 또는 입자의 크기와 형태를 관리하는데, 이는 세라믹 복합재의 벌크 특성을 결정하므로 중요합니다. 예를 들어 길쭉한 입자는 인시츄 강인화 효과가 있습니다. Palmero는 이러한 소결 복합재에서 원하는 나노구조 특성을 조정하는 것이 필수적이지만 어렵고, 혼합, 성형, 소결, 치밀화 전반에 걸쳐 엄격한 공정 제어가 필요하다고 지적합니다.

Intechopen.com 책 Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites의 Fig. 6에서도 유사한 삽화와 논의가 나옵니다. 9.1.2절은 질화규소(Si₃N₄)/탄화규소(SiC) 나노복합재의 미세구조를 다루며, 이는 소결(열압)로 만듭니다. 미세구조에는 β-Si₃N₄의 큰 길쭉한 입자(위스커)가 포함되며, 이들은 바늘 모양의 미세한 β-Si₃N₄ 입자로 둘러싸여 있습니다. Fig. 7b의 주사전자현미경 사진은 20,000배 배율로 이 구조를 보여줍니다.

이상 세라믹 나노복합재(왼쪽)와 재활용 플라스틱 복합재(오른쪽) 단면은 실제로 매우 유사하지만, 기존 연속 섬유 강화 복합재 단면과는 크게 다릅니다.

출처 | Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová, Petr Jonšta의 Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites Figure 7, Section 9.1.2(왼쪽)와 복합 철도 침목 단면, IntegriCo Composites(오른쪽).

 

이상 및 다상 복합재의 이점

이것이 복합재 산업에 왜 유익한가? 소재 과학자들이 이 새로운 복합재 정의를 사용해 기계적, 열적, 전기적, 소모성 특성의 독특하고 맞춤화된 조합을 달성하기 때문입니다. 예를 들어, 해군연구소(NRL, 미국 워싱턴 D.C.)는 질화규소, 질화지르코늄, 티타늄 디보라이드 복합재와 이를 강인한 섬유로 강화하는 방법을 개발했습니다. 이 내화 세라믹은 고강도, 열적 안정성, 가변적 전기 및 열전도성을 보여 극초음속 차량 부품의 요구를 충족합니다. 이는 유기 폴리머 복합재와 심지어 첨단 금속 합금도 할 수 없는 일입니다.

NRL은 또한 이 소재들에 나노구조를 통합해 유전체, 열적, 전자기 차폐 특성을 현재 사용 가능한 소재보다 높은 해상도로 조정할 적층 제조 기술도 개발 중입니다. 이러한 소재의 국방 응용 계획에 반드시 동의하지 않더라도, 계획된 우주 탐사와 화성 임무에 귀중한 솔루션을 제공할 수 있습니다. 또한 완전 바이오 기반 복합재의 새로운 길을 열어, 지구에서 고성능을 지속 가능하게 제공할 뿐만 아니라 소재와 최종 제품을 더 적은 에너지와 자원으로 제조 및 재활용할 수 있게 할지도 모릅니다.

섬유 강화 복합재가 무대에서 퇴장하거나 퇴색한다고 제안하는 것이 아닙니다. 하지만 기술이 발전함에 따라 복합재가 무엇이고 무엇을 제공할 수 있는지에 대한 우리의 이해도 발전해야 합니다.