탄소섬유 토우프리프레그용 고강도, 고내열 다관능 에폭시 수지 제조 및 성능에 관한 연구 :A study on the preparation and performance of multi functional epoxy resin for high strength and high thermal resistance tow prepreg

박용민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박용민 (전북대학교, 전북대학교 일반대학원)

지도교수: 나창운

발행연도: 2023

저작권: 전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

탄소섬유 토우프리프레그용 고강도, 고내열 다관능 에폭시 수지 제조 및 성능에 관한 연구

박용민 유기신물질공학과 2023.01 학위논문

2017

탄소섬유 토우프리프레그 최신 연구동향

박용민 , 황태경 , 정상기 외 3명 한국추진공학회지 2017.04 학술저널

2016

탄소섬유 토우프리프레그 최신연구동향

박용민 , 황태경 , 정상기 외 3명 한국추진공학회 학술대회논문집 2016.05 학술대회자료

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본 연구는 최근 수소저장용기 용 소재로 각광을 바고 있는 탄소섬유 토우프리프레그에 적용할 에폭시 수지 Formulation 개발을 목표로 하였다. 수소저장용기는 700기압 이상의 고압을 견뎌야 할 정도로 높은 강도를 가져야 하는 한편, 차량에 탑재되는 부품으로 연비와 기동성을 고려할 때 부품 자체의 무게가 가벼워야 하는 특징을 갖는다. 또한 충격, 피로, 외부의 기온변화 등의 환경에서 높은 신뢰성과 안전성이 확보되어야 하는 부품으로, 탄소섬유강화 복합소재 적용이 유일한 대안으로 인식되고 있다. 수소저장용기는 탄소섬유 토우에 열경화성 에폭시 수지를 함침시킨 형태의 토우프리프레그를 이용한 필라멘트와인딩 공법을 통해 제조하게 된다. 최근 수소저장용기의 안전성에 대한 요구는 강화되고, 사용 환경이 가혹해짐에 따라, 이에 적용되는 소재의 요구 물성 또한 점차 강화되고 있다. 특히 고속 충방전에 따른 수소저장용기의 급격한 온도 상승에 따라, 유리전이온도(Tg)로 제시되는 소재의 내열온도 요구도가 크게 높아지게 되었다. 이에 토우프리프레그 수지에 적용되는 에폭시 수지의 내열도를 높이기 위한 다양한 연구들이 활발하게 이뤄지고 있다. 다만 에폭시 수지의 내열도가 올라감에 따라 에폭시 수지의 취성이 증가하는 문제를 해결해야 하는 문제가 발생하게 된다. 이에 토우프리프레그용 고내열 수지 개발의 방향은 내열성이 증가함에도 기계적 물성을 유지할 수 있는 기술을 개발하는 방향으로 전개되고 있다.

This study aimed to develop an epoxy resin formulation to be applied to a carbon fiber tow prepreg, which has recently been in the limelight as a semi-product material for hydrogen storage pressure tanks.
The hydrogen storage tank must have high strength enough to withstand a high pressure of 700bar. In addition, as a part or component mounted on a vehicle, it has a feature that the part itself must be lightweight in consideration of fuel efficiency and mobility. In addition, it is a part that must ensure high reliability and safety in environments such as impact, fatigue, and external temperature change, so the application of carbon fiber reinforced composite is recognized as the only alternative to conventional materials such as metals. The hydrogen storage tank is manufactured through a filament winding method using a tow prepreg in which a carbon fiber tow is impregnated with a thermoset epoxy resin. Recently, as the demand for safety of hydrogen storage containers has been increased and the service environment has become harsher, the required physical properties of materials applied thereto are also gradually enforced. Accordingly, various studies are being actively conducted to improve the heat resistance of the epoxy resin for the tow prepreg. However, as the heat resistance of the epoxy resin increases, a problem of increasing brittleness of the epoxy resin needs to be solved. Accordingly, the development of high heat resistant epoxy resin for tow prepreg is being directed to the technology capable of maintaining mechanical properties even when heat resistance increases.
In this study, it was tried to improve the heat resistance of the tow prepreg matrix by using multi-functional epoxies. The glass transition temperature(Tg) change was evaluated using Dynamic Mechanical Analysis(DMA) according to the type and content of the multi-functional epoxy and the addition amount of curing agents. The Tg of 125 ℃ level could be improved to 150 ℃ by the application of the multi-functional epoxies. In addition, their tensile strength, impact strength, and fracture toughness were evaluated according to the addition of PESU toughener. It was confirmed that tensile strength, impact strength, and fracture toughness
were respectively improved by more than 10% when 10phr of PESU was added compared to 100phr of epoxy. The addition of PESU could confirm that the decrease in mechanical properties due to the increase in heat resistance and brittleness could be minimized.
A practical epoxy resin formulation for tow prepreg was successfully derived through the element technology analyses and characterization of heat resistance and mechanical properties, and the practical tow prepreg was
manufactured with the derived resin formulation, and comparative evaluation was performed with commercially available tow prepreg products. According to the application of multi-functional epoxy and PESU toughening agent, the heat resistance increased from 125°C to 154°C as a function of Tg, and the mechanical properties were similar to or superior to those of commercially available tow prepreg products.
Through this, this study successfully developed an epoxy resin formulation for carbon fiber tow prepreg with excellent heat resistance and mechanical strength without the trade-off of these properties by applying a
multi-functional epoxy raw material and a PESU toughening agent.

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목차 i
그림 목차 ⅳ
표 목차 ⅵ
Abstract ⅷ
I. 서론 1
II. 이론적 고찰 4
2.1 수소저장용기 4
2.2 건식 필라멘트와인딩 공정 6
2.3 토우프리프레그 9
2.4 토우프리프레그용 에폭시 수지 13
2.5 수소저장용기 적용을 위한 토우프리프레그 18
III. 고내열 다관능 에폭시 수지 제조 및 성능연구 22
3.1 재료 및 장치 22
3.2 에폭시 고내열화에 관한 연구 1: 고내열 에폭시 원료 스크리닝 26
3.2.1 수지배합 및 시편제작 26
3.2.2 수지 특성 평가 27
3.2.3 결과 및 고찰 30
3.3 에폭시 고내열화에 관한 연구 2: 고내열 에폭시 원료 함량 최적화 40
3.3.1 수지배합 및 시편제작 40
3.3.2 수지 특성 평가 40
3.3.3 결과 및 고찰 41
3.4 에폭시 고내열화에 관한 연구 3: 경화제 함량에 관한 연구 49
3.4.1 수지배합 및 시편제작 49
3.4.2 수지 Tg 평가 51
3.4.3 결과 및 고찰 51
3.5 에폭시 고내열화에 관한 연구 4: 경화촉진제에 관한 연구 55
3.5.1 수지 배합 및 시편의 제작 55
3.5.2 수지 특성 평가 56
3.5.3 결과 및 고찰 56
IV. 고강도 에폭시 수지 제조 및 성능연구 63
4.1 재료 및 장치 63
4.2 에폭시 고인성화 연구 66
4.2.1 수지배합 및 시편제작 66
4.2.2 수지 특성 평가 67
4.2.3 결과 및 고찰 70
4.3 토우프리프레그용 고강도/고내열 에폭시 수지 조성 88
4.3.1 수지배합 및 시편제작 88
4.3.2 수지 특성 평가 90
4.3.3 결과 및 고찰 91
V. 토우프리프레그 응용 연구 97
5.1 재료 및 장치 97
5.2 수지의 준비 98
5.3 토우프리프레그 제작 101
5.4 Laminate 및 시편 제작 103
5.5 토우프리프레그 물성 평가 106
5.6 결과 및 고찰 107
VI. 결론 및 제언 121
VII. 참고문헌 123
국 문 초 록 128
Publications 130

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