KR102776130B1 - composition for fiber reinforced composite materials having crack detection using color changeableness, fiber reinforced composite comprising the same and method of crack detection of structures using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 손상감지가 가능한 섬유강화 복합재료용 조성물, 이를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템 및 이를 이용한 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법에 관한 것으로, 본 발명의 섬유강화 복합재료는 우수한 기계적 물성을 제공하면서도, 이를 사용한 구조물에 원하는 점검 시점에 육안 또는 드론을 이용한 사진을 통해 색변화를 모니터링 함으로써 외력에 의한 구조물의 손상 상태 및 균열 정도를 효과적이면서도 경제적으로 쉽고 정확하게 확인할 수 있다.The present invention relates to a composition for a fiber-reinforced composite material capable of damage detection, a structural safety diagnosis system comprising the same, and an analysis method for a structural safety diagnosis system using the same. The fiber-reinforced composite material of the present invention provides excellent mechanical properties, and at a desired inspection point in time for a structure using the same, the state of damage and the degree of cracking of the structure caused by external force can be easily and accurately confirmed in an effective, economical, and easy manner by monitoring color changes through photographs using the same or a drone.
Description
본 발명은 섬유강화 복합재료용 조성물, 이를 포함하는 섬유강화 복합재료 및 이를 이용한 구조물의 손상진단방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 외력에 의해 손상 및 파손이 발생하는 경우 색 변화를 나타내는 섬유강화 복합재료를 통해, 구조 안전 진단용 시스템을 구성하고, 이를 분석하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for a fiber-reinforced composite material, a fiber-reinforced composite material comprising the same, and a damage diagnosis method for a structure using the same. More specifically, the present invention relates to a system for structural safety diagnosis using a fiber-reinforced composite material that exhibits color change when damaged or broken by an external force, and a method for analyzing the same.
섬유강화 플라스틱(fiber-reinforced plastics: 이하 "FRP"라 한다) 복합재료는 섬유와 열경화성 수지를 혼합하여 경화시킨 복합재료이다. FRP 복합재료는 부식에 대한 저항성인 내식성이 대단히 우수하며 알루미늄보다 가볍고 철보다 비강도(specific strength)가 높은 소재로 선진국에서는 건축, 석유화학, 레저, 자동차, 환경산업뿐 아니라 첨단산업까지 거의 모든 산업분야별 공정에 널리 사용하고 있으며, 특히 자동차 및 풍력발전 회전날개(wind turbine blade)와 같은 대형 구조물의 제조에서의 사용도 증가되고 있는 추세이다.Fiber-reinforced plastics (hereinafter referred to as "FRP") composites are composite materials that are hardened by mixing fibers and thermosetting resins. FRP composites have excellent corrosion resistance, are lighter than aluminum, and have higher specific strength than steel. In advanced countries, they are widely used in processes in almost all industrial fields, including construction, petrochemicals, leisure, automobiles, environmental industries, and even high-tech industries. In particular, their use in the manufacture of large structures such as automobiles and wind turbine blades is also increasing.
이러한 섬유강화 복합재료는 고강도를 확보하기 위해 열경화성 수지와 강화섬유를 연속적으로 함침시켜 프리프레그를 제조하는데, 상기 프리프레그는 높은 굴곡탄성율을 가지고 있음에도, 대형 구조물에 적용시 외부 충격을 적절히 흡수하지 못하고 전달되어, 쉽게 손상되거나 파손되는 문제가 있다.These fiber-reinforced composite materials are manufactured by continuously impregnating thermosetting resin and reinforcing fibers to produce a prepreg in order to secure high strength. However, although the prepreg has a high flexural modulus, when applied to large structures, it has a problem in that it does not properly absorb external impact and instead transmits it, making it easily damaged or broken.
특히 대형 구조물 중에서도 풍력발전기의 블레이드는 회전하는 회전 구조물이기 때문에, 외부 환경조건에 의해 손상될 우려가 높다. 이때 다양한 외부 환경조건에 의해 발생된 손상/크랙을 그대로 방치하면 크랙 부분이 떨어지면서 주변 가옥이나 사람에게 2차적인 피해를 입힐 수 있으며, 블레이드 손상에 의한 풍력발전의 효율 저하 뿐만 아니라, 심한경우에는 풍력발전기 자체를 교체해야하는 큰 손실이 발생할 수 있다. In particular, among large structures, the blades of wind turbines are rotating structures, so they are highly susceptible to damage from external environmental conditions. If the damage/cracks caused by various external environmental conditions are left as they are, the cracked portion may fall off, causing secondary damage to nearby houses or people. In addition to the reduction in efficiency of wind power generation due to blade damage, in severe cases, the wind turbine itself may have to be replaced, resulting in a large loss.
이러한 대형 구조물의 유지 관리를 위해서는 손상이 발생한 부위를 정확히 진단하는 것이 가장 중요하나, 기존의 기술들은 대부분 블레이드를 수리하는 방법이나 섬유강화 복합재료가 쉽게 손상되지 않도록 강도를 보강하는 것에 관심을 두고 있을 뿐, 손상을 진단하는 방법에는 관심을 두지 않고 있다. 따라서 본 발명은 외부 하중이 구조물에 가해진 경우에 구조물의 손상 발생 여부를 쉽고 용이하게 측정할 수 있는 새로운 기술을 개발하고자 노력한 바, 구조물의 안전성을 색 변화를 통해 관찰되도록 함으로써 손쉽게 진단 및 모니터링할 수 있는 방법을 완성하기에 이르렀다.In order to maintain such large structures, it is most important to accurately diagnose the damaged area, but most existing technologies are only interested in how to repair blades or how to reinforce the strength of fiber-reinforced composite materials so that they are not easily damaged, and do not focus on how to diagnose the damage. Therefore, the present invention has tried to develop a new technology that can easily and conveniently measure whether a structure is damaged when an external load is applied to the structure, and has completed a method that can easily diagnose and monitor the safety of the structure by observing the color change.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 손상감지가 가능한 섬유강화 복합재료용 조성물에 관한 것이다.The present invention has been made in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to provide a composition for a fiber-reinforced composite material capable of damage detection.
본 발명의 다른 목적은 기계적 물성이 향상되고, 색상의 변화를 통해 손상 여부를 진단할 수 있는 섬유강화 복합재료에 관한 것이다.Another object of the present invention is to provide a fiber-reinforced composite material having improved mechanical properties and capable of diagnosing damage through color changes.
본 발명의 또 다른 목적은 색상의 변화를 통해 손상 여부를 쉽고 용이하게 진단할 수 있는 구조 안전 진단용 시스템 및 이를 이용한 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법에 관한 것이다.Another object of the present invention is to provide a system for structural safety diagnosis that can easily and conveniently diagnose damage through color changes and an analysis method of the system for structural safety diagnosis using the same.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 10 내지 40 중량부; 및 적색 안료 또는 적색 분산염료 0.1 내지 4 중량부;를 포함하는 외력에 의한 물리적 손상이 발생한 경우, 색 변화를 통해 손상 여부를 판단할 수 있도록 하는 섬유강화 복합재료용 조성물을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned purpose, the present invention provides a composition for a fiber-reinforced composite material, which comprises 10 to 40 parts by weight of a curing agent per 100 parts by weight of a thermosetting resin; and 0.1 to 4 parts by weight of a red pigment or red disperse dye; and which enables the presence of damage to be determined through a change in color when physical damage occurs due to an external force.
상기 섬유강화 복합재료용 조성물은 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 25 내지 35 중량부; 및 적색 안료 또는 적색 분산염료 0.13 중량부를 포함하는 것일 수 있다.The composition for the above fiber-reinforced composite material may include 25 to 35 parts by weight of a curing agent per 100 parts by weight of a thermosetting resin; and 0.13 parts by weight of a red pigment or a red disperse dye.
상기 열경화성 수지는 비스페놀 A 형 에폭시 수지일 수 있다.The above thermosetting resin may be a bisphenol A type epoxy resin.
상기 경화제는 지방족 아민계 경화제, 아미도아민계 경화제 및 페날카민(phenalkamine)계 경화제로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.The above curing agent may be at least one selected from the group consisting of an aliphatic amine curing agent, an amidoamine curing agent, and a phenalkamine curing agent.
상기 안료는 고채도 마젠타 안료(Cinquasia® Magenta D 4570)일 수 있다.The above pigment may be a high chroma magenta pigment (Cinquasia® Magenta D 4570).
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 강화섬유; 및 상기 섬유강화 복합재료용 조성물;을 포함하는 손상 감지가 가능한 섬유강화 복합재료를 제공한다.In order to achieve the above-mentioned purpose, the present invention provides a fiber-reinforced composite material capable of damage detection, including reinforcing fibers; and a composition for the fiber-reinforced composite material.
상기 섬유강화 복합재료는 상기 섬유강화 복합재료용 조성물에 상기 강화섬유를 함침시켜 제조되는 것일 수 있다.The above fiber-reinforced composite material may be manufactured by impregnating the reinforcing fiber into the composition for the fiber-reinforced composite material.
상기 강화섬유는 유리 섬유, 천연 섬유, 금속 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 아릴레이트 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유, 레이온 섬유, 바살트 섬유, 방향족 폴리아미드 섬유, 폴리아라미드 섬유, 알루미나 섬유 및 붕소 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.The above reinforcing fiber may be at least one selected from the group consisting of glass fiber, natural fiber, metal fiber, ultra-high molecular weight polyethylene fiber, polyacrylonitrile fiber, arylate fiber, polyetheretherketone fiber, rayon fiber, basalt fiber, aromatic polyamide fiber, polyaramid fiber, alumina fiber, and boron fiber.
상기 섬유강화 복합재료는 외력에 의해 물리적 손상이 발생하는 경우, 해당 부위에 색변화가 야기되는 것일 수 있다.The above fiber-reinforced composite material may experience color change in the affected area when physically damaged by external force.
상기 색변화는 CMYK 색도값 또는 RGB 색도값이 40% 내지 50% 감소하는 것일 수 있다.The above color change may be a decrease of 40% to 50% in CMYK chromaticity values or RGB chromaticity values.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 섬유강화 복합재료를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템으로서, 상기 섬유강화 복합재료에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 색 변화가 일어나며, 상기 색 변화는 상기 섬유강화 복합재료의 광학 이미지로부터 RGB 색도값 또는 CMYK 색도값을 조사하여 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned purpose, the present invention provides a structural safety diagnosis system including the fiber-reinforced composite material, wherein a color change occurs when force, stress or deformation is applied to the fiber-reinforced composite material, and the color change is measured by examining RGB chromaticity values or CMYK chromaticity values from an optical image of the fiber-reinforced composite material.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 섬유강화 복합재료를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법에 있어서, ⅰ) 제11항의 섬유강화 복합재료를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템을 카메라로 촬영하여 이미지를 획득하는 단계; ⅱ) 상기 이미지로부터 RGB 색도값 또는 CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, Key) 색도값을 추출하는 단계; 및 ⅲ) 상기 추출된 색도값을 근거로 상기 구조 안전 진단용 시스템의 손상 정보를 도출하는 단계;를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a method for analyzing a structural safety diagnosis system including the fiber-reinforced composite material, the method comprising: i) a step of capturing an image of a structural safety diagnosis system including the fiber-reinforced composite material of claim 11 by using a camera; ii) a step of extracting an RGB chromaticity value or a CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key) chromaticity value from the image; and iii) a step of deriving damage information of the structural safety diagnosis system based on the extracted chromaticity value.
상기 ⅰ) 단계에서 구조 안전 진단용 시스템과 카메라의 거리는 15 cm 내지 1 m일 수 있다.In step i) above, the distance between the system for structural safety diagnosis and the camera can be 15 cm to 1 m.
상기 ⅲ) 단계에서 상기 색도값이 초기 색도값에 비해 30 내지 50% 이상 감소한 경우에는 손상된 것으로 판단하는 것일 수 있다.In the above step ⅲ), if the color value decreases by 30 to 50% or more compared to the initial color value, it may be judged to be damaged.
본 발명에 의한 섬유강화 복합재료용 조성물은 종래의 열경화성 수지를 매트릭스로 하여 강화섬유를 함침시킨 프리프레그보다 강도가 우수하고 손상에 따라 색변화를 유도할 수 있다.The composition for a fiber-reinforced composite material according to the present invention has superior strength to a prepreg in which a conventional thermosetting resin is used as a matrix and reinforcing fibers are impregnated, and can induce color change depending on damage.
따라서 본 발명의 섬유강화 복합재료는 우수한 기계적 물성을 제공하면서도, 이를 사용한 구조물에 원하는 점검 시점에 육안 또는 드론을 이용한 사진을 통해 색변화를 모니터링 함으로써 외력에 의한 구조물의 손상 상태 및 균열 정도를 효과적이면서도 경제적으로 쉽고 정확하게 확인할 수 있다.Therefore, the fiber-reinforced composite material of the present invention provides excellent mechanical properties, and at the desired inspection point in a structure using the same, the color change can be monitored with the naked eye or through photographs taken by a drone, thereby enabling the damage status and degree of cracking of the structure caused by external force to be easily and accurately confirmed, effectively, economically, and easily.
또한, 본 발명의 섬유강화 복합재료를 시공한 구조물은 간단하게 육안 또는 RGB/CMYK 수치변화 측정을 통해 손상 및 균열을 진단할 수 있게 함으로써, 높은 강도와 함께 광범위한 영역에 대해 경제적인 손상 감지 방법을 제공할 수 있다.In addition, structures constructed with the fiber-reinforced composite material of the present invention can be easily diagnosed for damage and cracks by visual inspection or RGB/CMYK numerical change measurements, thereby providing an economical damage detection method for a wide area along with high strength.
도 1은 섬유강화 복합재료(기본, 적색, 초록색, 파란색, 검정색)에 대해 경화 전(Wetted)/후(Cured) CMYK 분석 결과이다.
도 2는 실시예 1-3 내지 2-3 및 비교예 1 내지 3의 섬유강화 복합재료용 조성물을 촬영한 사진이다.
도 3은 3종의 염료(Dispersion Dye Red 1, Acid Red 299, Remazol Red RB-133)와 안료(Cinquasia® Magenta D4570)의 FT-IR 그래프(a)와 화학구조를 나타낸 도면(b-e)이다.
도 4는 실시예 1-1 내지 1-5 및 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물의 사진(상)과 이들 각각을 광학 현미경으로 분석한 결과(하)이다.
도 5는 비교예 1(Neat) 및 실시예 1-1 및 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물의 경화 전(Before curing)과 경화 후(Cured)에 대한 FT-IR 분석 그래프이다.
도 6은 비교예 1(Neat), 실시예 1-1 내지 1-5 및 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료의 유리전이온도(Tg) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 실시예 1-1 내지 1-5의 섬유강화 복합재료용 조성물로 제조된 단일필름의 인장강도와 항복강도를 나타낸 그래프이고, 도 7b는 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물로 제조된 단일필름의 인장강도와 항복강도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1-1 내지 1-5, 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물로 제조된 단일필름의 굽힘강도와 충격강도(Izod impact strength)를 나타낸 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/P-epoxy)(a), 실시예 4의 섬유강화 복합재료(GF/D-epoxy)(b), 실시예 5의 섬유강화 복합재료(CF/P-epoxy)(c) 및 실시예 6의 섬유강화 복합재료(CF/D-epoxy)(d)를 광학 현미경으로 촬영한 도면이다.
도 9e는 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/P-epoxy), 실시예 4의 섬유강화 복합재료(GF/D-epoxy) 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료(GF/epoxy)에 대한 인장강도 및 굽힘강도 그래프이다.
도 9f는 실시예 5의 섬유강화 복합재료(CF/P-epoxy), 실시예 6의 섬유강화 복합재료(CF/D-epoxy) 및 비교예 5의 섬유강화 복합재료(CF/epoxy)에 대한 인장강도 및 굽힘강도 그래프이다.
도 10은 400N의 굽힘하중이 적용된 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/p-epoxy) 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료(GF/epoxy)를 촬영한 사진(좌측)과 확대 이미지(우측)이다.
도 11a는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 외력(load)에 의해 손상되었을 때, 색변화가 관찰되는 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11b는 손상되기 전 실시예 3의 섬유강화 복합재료이고, 도 11c는 손상되기 전 비교예 4의 섬유강화 복합재료이며, 도 11d는 비틀림 손상된 실시예 3의 섬유강화 복합재료이며, 도 11e는 비틀림 손상된 비교예 4의 섬유강화 복합재료이며, 도 11f는 굽힘 손상된 실시예 3의 섬유강화 복합재료이며, 도 11g는 굽힘 손상된 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 촬영한 사진이다.
도 12는 실시예 3의 섬유강화 복합재료와 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 ⅱ 굽힙 손상, ⅲ 인장 손상, ⅳ 마멸 손상시켰을 때, 색변화를 비교하기 위하여 촬영한 사진이다.
도 13은 다양한 촬영 거리로 촬영한 실시예 3의 섬유강화 복합재료의 사진이다.
도 14는 다양한 촬영 거리로 촬영한 실시예 3의 섬유강화 복합재료의 사진으로부터 RGB를 분석한 결과 그래프이다.
도 15는 비교예 4의 섬유강화 복합재료(좌)와 실시예 3의 섬유강화 복합재료(우)의 손상 종류에 따른 CMYK 수치 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16은 실시예 3의 섬유강화 복합재료가 다양한 굴곡 응력(flexural stress)으로 손상된 후, 상기 실시예 3의 섬유강화 복합재료의 결함 부위에서의 색변화를 시각적으로 데이터화한 그래프이다. 도 16의 좌측 하단은 흑백으로 이미지 변환하여 손상 정도를 대비적으로 확인하고자 한 결과이다.
도 17은 안료가 사용되지 않은 순수 섬유강화 복합재료(비교예 4)가 다양한 굴곡 응력으로 손상된 후, 결함 부위에서의 색변화를 시각적으로 데이터화한 그래프와 사진이다.
도 18은 섬유강화 복합재료를 이용한 구조물에서 손상을 분석하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.Figure 1 shows the results of CMYK analysis before (Wetted) and after (Cured) curing for fiber-reinforced composite materials (base, red, green, blue, black).
Figure 2 is a photograph of the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-3 to 2-3 and Comparative Examples 1 to 3.
Figure 3 shows FT-IR graphs (a) and chemical structures (be) of three dyes (Dispersion Dye Red 1, Acid Red 299, Remazol Red RB-133) and a pigment (Cinquasia® Magenta D4570).
FIG. 4 is a photograph (top) of the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 to 1-5 and Examples 2-1 to 2-5 and the results of analysis of each using an optical microscope (bottom).
Figure 5 is an FT-IR analysis graph of the fiber-reinforced composite material compositions of Comparative Example 1 (Neat) and Examples 1-1 and 2-1 before curing and after curing.
Figure 6 is a graph showing changes in the glass transition temperature (T g ) of fiber-reinforced composite materials of Comparative Example 1 (Neat), Examples 1-1 to 1-5, and Examples 2-1 to 2-5.
FIG. 7a is a graph showing the tensile strength and yield strength of a single film manufactured from the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 to 1-5, and FIG. 7b is a graph showing the tensile strength and yield strength of a single film manufactured from the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 2-1 to 2-5.
FIG. 8 is a graph showing the bending strength and impact strength (Izod impact strength) of a single film manufactured from the composition for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 to 1-5 and Examples 2-1 to 2-5.
FIGS. 9a to 9d are optical microscope photographs of the fiber-reinforced composite material (GF/P-epoxy) of Example 3 (a), the fiber-reinforced composite material (GF/D-epoxy) of Example 4 (b), the fiber-reinforced composite material (CF/P-epoxy) of Example 5 (c), and the fiber-reinforced composite material (CF/D-epoxy) of Example 6 (d).
Figure 9e is a graph of tensile strength and flexural strength for the fiber-reinforced composite material (GF/P-epoxy) of Example 3, the fiber-reinforced composite material (GF/D-epoxy) of Example 4, and the fiber-reinforced composite material (GF/epoxy) of Comparative Example 4.
FIG. 9f is a graph of tensile strength and flexural strength for the fiber-reinforced composite material (CF/P-epoxy) of Example 5, the fiber-reinforced composite material (CF/D-epoxy) of Example 6, and the fiber-reinforced composite material (CF/epoxy) of Comparative Example 5.
Figure 10 shows a photograph (left) and an enlarged image (right) of the fiber-reinforced composite material (GF/p-epoxy) of Example 3 and the fiber-reinforced composite material (GF/epoxy) of Comparative Example 4 to which a bending load of 400 N was applied.
Figure 11a is a drawing schematically illustrating the principle of observing color change when a fiber-reinforced composite material according to the present invention is damaged by an external force (load).
FIG. 11b is a fiber-reinforced composite material of Example 3 before being damaged, FIG. 11c is a fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 before being damaged, FIG. 11d is a fiber-reinforced composite material of Example 3 that has been torsionally damaged, FIG. 11e is a fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 that has been torsionally damaged, FIG. 11f is a fiber-reinforced composite material of Example 3 that has been bending damaged, and FIG. 11g is a photograph of a fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 that has been bending damaged.
Figure 12 is a photograph taken to compare color changes when the fiber-reinforced composite material of Example 3 and the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 were subjected to ⅱ bending damage, ⅲ tensile damage, and ⅳ wear damage.
Figure 13 is a photograph of the fiber-reinforced composite material of Example 3 taken at various shooting distances.
Figure 14 is a graph showing the results of RGB analysis from photographs of the fiber-reinforced composite material of Example 3 taken at various shooting distances.
Figure 15 is a graph showing the change in CMYK values according to the type of damage in the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 (left) and the fiber-reinforced composite material of Example 3 (right).
Fig. 16 is a graph visually dataifying the color change at a defective portion of a fiber-reinforced composite material of Example 3 after the fiber-reinforced composite material of Example 3 is damaged by various flexural stresses. The lower left of Fig. 16 is the result of converting the image to black and white to check the degree of damage in contrast.
Figure 17 is a graph and photograph visually dataifying the color change at a defective site after a pure fiber-reinforced composite material (Comparative Example 4) without pigment was damaged by various flexural stresses.
Figure 18 is a schematic diagram illustrating a method for analyzing damage in a structure using fiber-reinforced composite materials.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.Below, various aspects and various implementation examples of the present invention are described in more detail.
본 발명의 일 측면은, 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 10 내지 50 중량부; 및 적색 안료 또는 적색 분산염료 0.1 내지 4 중량부;를 포함하는 손상 감지가 가능한 섬유강화 복합재료용 조성물을 제공한다.One aspect of the present invention provides a composition for a fiber-reinforced composite material capable of damage detection, comprising 10 to 50 parts by weight of a curing agent per 100 parts by weight of a thermosetting resin; and 0.1 to 4 parts by weight of a red pigment or red disperse dye.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 섬유강화 복합재료용 조성물은 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 25 내지 35 중량부; 및 적색 안료 또는 적색 분산염료 0.13 중량부를 포함하는 경우, 섬유강화 복합재료의 제조시 기계적 물성이 높아져 인장강도 및 충격강도 등이 향상되는 효과가 있으며, 색 구현이 우수하여 손상상태에서 색 변화를 용이하게 진단할 수 있게 되는 효과가 있어 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, when the composition for the fiber-reinforced composite material includes 25 to 35 parts by weight of a curing agent and 0.13 parts by weight of a red pigment or a red disperse dye per 100 parts by weight of a thermosetting resin, the mechanical properties of the fiber-reinforced composite material are improved, so that the tensile strength and impact strength, etc. are improved, and the color expression is excellent, so that color change can be easily diagnosed in a damaged state, which is preferable.
상기 열경화성 수지는 나일론 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부틸렌 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리아크릴 수지, 스티렌부타디엔 수지, 비닐 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리비닐포르말 수지, 폴리비닐아세테이트 수지, 폴리스티렌 수지, 스티렌디비닐벤젠 수지, 불소 수지, 아크릴 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지 및 페놀 수지 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 바람직하게는 에폭시 수지일 수 있다. The thermosetting resin may be at least one selected from among nylon resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polybutylene resin, polyester resin, polyurethane resin, polyacrylic resin, styrene butadiene resin, vinyl resin, polycarbonate resin, polysulfone resin, polyethersulfone resin, polyvinyl butyral resin, polyvinyl formal resin, polyvinylacetate resin, polystyrene resin, styrene divinylbenzene resin, fluorine resin, acrylic resin, silicone resin, epoxy resin, amino resin, and phenol resin, but is preferably an epoxy resin.
상기 에폭시 수지는, 통상의 열경화성 수지로 사용되는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있고, 바람직하게는 바이페닐계 에폭시 수지, 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 크레졸 노볼락 에폭시 수지, 페놀 노볼락 에폭시 수지, 4관능성 에폭시 수지, 트리페놀메탄형 에폭시 수지, 알킬 변성 트리페놀메탄형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지 및 디시클로펜타디엔 변성 페놀형 에폭시 수지 등에서 선택되는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 비스페놀 A형 에폭시 수지일 수 있다.The above epoxy resin may be used without limitation as long as it is a conventional thermosetting resin, and preferably may be selected from biphenyl-based epoxy resin, bisphenol A epoxy resin, bisphenol F epoxy resin, cresol novolac epoxy resin, phenol novolac epoxy resin, tetrafunctional epoxy resin, triphenolmethane-type epoxy resin, alkyl-modified triphenolmethane-type epoxy resin, naphthalene-type epoxy resin, dicyclopentadiene-type epoxy resin, and dicyclopentadiene-modified phenol-type epoxy resin, and more preferably, bisphenol A-type epoxy resin.
상기 에폭시 수지와 관련하여 상업적으로 입수 가능한 제품의 예는 국도화학의 KFR140 또는 KFR 120V을 들 수 있다.Examples of commercially available products related to the above epoxy resin include KFR140 or KFR 120V from Kukdo Chemical.
상기 섬유강화 복합재료용 조성물에 사용가능한 경화제는 아민계 경화제, 산무수물계 경화제, 아미드계 경화제 및 페놀계 경화제로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 에폭시 수지 및 적색 안료/분산염료와 혼합시 저선팽창과 내열성의 향상 효과를 갖는 아민계 경화제를 사용하는 것이 바람직하다.The curing agent usable in the composition for the above fiber-reinforced composite material may be at least one selected from the group consisting of an amine-based curing agent, an acid anhydride-based curing agent, an amide-based curing agent, and a phenol-based curing agent, but it is preferable to use an amine-based curing agent that has the effects of low linear expansion and improved heat resistance when mixed with an epoxy resin and a red pigment/dispersant.
상기 경화제와 관련하여 상업적으로 입수 가능한 제품의 예는 국도화학의 KFH180 또는 KFH163을 들 수 있다.Examples of commercially available products related to the above hardener include Kukdo Chemical's KFH180 or KFH163.
본 발명에서의 안료 또는 분산염료는 1 내지 10 ㎛ 평균 직경, 바람직하게는 1 내지 5 ㎛를 갖는 것일 수 있는데, 상기 평균 직경을 벗어날 경우 응집되거나 균일한 분산성을 확보할 수 없는 등의 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 범주를 만족하는 것이 바람직하다.The pigment or disperse dye in the present invention may have an average diameter of 1 to 10 ㎛, preferably 1 to 5 ㎛. If the average diameter is outside the above range, problems such as agglomeration or inability to secure uniform dispersion may occur, and therefore it is preferable that the average diameter satisfies the above range.
본 발명에서의 안료는 임의의 형상의 적색 입자를 의미하고자 하는데, 상기 입자는 상기 입자가 존재하는 조성물에서 에폭시 수지와 혼합되어 균일하게 분산되는 것일 수 있다.The pigment in the present invention is intended to mean red particles of any shape, and the particles may be uniformly dispersed by mixing with an epoxy resin in a composition in which the particles exist.
상기 안료는 적색을 띄는 안료(pigment)라면 당업계에 공지된 유기안료, 미네랄 안료로부터 적절히 선택하여 사용될 수 있으며, 특별히 이에 제한되지 않는다.The above pigment may be appropriately selected from organic pigments and mineral pigments known in the art as long as it is a red pigment, and is not particularly limited thereto.
본 발명에 따른 상기 적색 안료는 유기 안료일 수 있다. 상기 유기 안료는 특히 니트로소, 니트로, 아조, 잔텐, 피렌, 퀴놀린, 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 플루오란, 프탈로시아닌, 금속 착물, 이소인돌리논, 이소인돌린, 퀴나크리돈, 페리논, 페릴렌, 디케토피롤로피롤, 인디고, 티오인디고, 디옥사진, 트리페닐메탄 및 퀴노프탈론 화합물로부터 선택될 수 있다.The red pigment according to the present invention may be an organic pigment. The organic pigment may be selected in particular from nitroso, nitro, azo, xanthene, pyrene, quinoline, anthraquinone, triphenylmethane, fluorane, phthalocyanine, metal complexes, isoindolinone, isoindoline, quinacridone, perinone, perylene, diketopyrrolopyrrole, indigo, thioindigo, dioxazine, triphenylmethane and quinophthalone compounds.
특히, 상기 유기 안료는 바람직하게, 퀴나크리돈, 명칭 CI 12085, 12120, 12370, 12420, 12490, 14700, 15525, 15580, 15620, 15630, 15800, 15850, 15865, 15880, 17200, 26100, 45380, 45410, 58000, 73360, 73915 및 75470으로 컬러 인덱스에 코드화된 적색 안료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 BASF에서 판매되는 Cinquasia® Magenta D4570 제품이 사용될 수 있다.In particular, the organic pigment may preferably be at least one selected from the group consisting of red pigments coded in the color index with the names CI 12085, 12120, 12370, 12420, 12490, 14700, 15525, 15580, 15620, 15630, 15800, 15850, 15865, 15880, 17200, 26100, 45380, 45410, 58000, 73360, 73915 and 75470, more preferably, the product Cinquasia® Magenta D4570 sold by BASF may be used.
상기 적색 염료는 분산염료(dispersion dye)인 것이 에폭시 수지와의 혼화성이 우수하여, 침전되지 않고 뛰어난 적색을 구현할 수 있어 바람직하다. 상기 분산염료는 벤젠아조계, 헤테로환 아조계, 아조트라퀴논계 및 축합계 분산염료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 보다 바람직하게는 헤테로환 아조계 분산염료를 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 DyStar에서 판매되는 Dispersion Dye Red 1(DIANIX Red S-G) 제품일 수 있다.The above red dye is preferably a dispersion dye because it has excellent miscibility with epoxy resin and can implement an excellent red color without precipitation. The above disperse dye may be at least one selected from the group consisting of benzene azo, heterocyclic azo, azothraquinone, and condensed disperse dyes, more preferably a heterocyclic azo disperse dye can be used, and most preferably a Dispersion Dye Red 1 (DIANIX Red S-G) product sold by DyStar.
상기 섬유강화 복합재료용 조성물은 통상적인 혼합 방법에 따라 혼합될 수 있으며, 각각의 성분들을 용융혼련시켜 펠렛 형태로 제조할 수도 있다.The composition for the above fiber-reinforced composite material can be mixed according to a conventional mixing method, and each component can be melt-mixed to produce a pellet form.
또한, 본 발명에서는 상술된 섬유강화 복합재료용 조성물을 이용하여 제조된 경화물을 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 경화물은 향상된 충격저항성과 함께 인장강도 등의 유연성에 탁월함을 보인다.In addition, the present invention can provide a cured product manufactured using the composition for a fiber-reinforced composite material described above. The cured product according to the present invention exhibits excellent flexibility such as tensile strength along with improved impact resistance.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 경화물은 분산염료보다 적색 안료(pigment)를 사용한 경우에 인장강도, 항복강도, 굽힘강도 및 충격강도에 대한 증가율이 현저하게 높다. 구체적으로, 분산염료를 사용하는 경우에는 기계적 물성의 향상이 거의 관찰되지 않으나, 적색 안료를 사용하면 기계적 물성이 ~10% 이상 유의적으로 증가하면서도, 색 구현이 우수하고, 손상에 의한 색변화의 관찰이 용이하다는 장점을 갖는다. 따라서 본 발명의 경화물은, 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 10 내지 50 중량부 및 적색 안료 또는 적색 분산염료 0.1 내지 4 중량부, 바람직하게는 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 25 내지 35 중량부 및 적색 안료 또는 적색 분산염료 0.1 내지 0.2 중량부를 포함하는 섬유강화 복합재료용 조성물을 사용하여 제조되는 것이 보다 바람직하며, 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 25 내지 35 중량부 및 적색 안료 또는 적색 분산염료 0.13 중량부를 포함하는 것이 가장 바람직하다.In addition, the cured product according to one embodiment of the present invention has a significantly higher increase rate in tensile strength, yield strength, flexural strength, and impact strength when a red pigment is used than when a disperse dye is used. Specifically, when a disperse dye is used, almost no improvement in mechanical properties is observed, but when a red pigment is used, the mechanical properties significantly increase by about 10% or more, while having the advantage of excellent color implementation and easy observation of color change due to damage. Therefore, it is more preferable that the cured product of the present invention be produced using a composition for a fiber-reinforced composite material comprising 10 to 50 parts by weight of a curing agent and 0.1 to 4 parts by weight of a red pigment or red disperse dye per 100 parts by weight of a thermosetting resin, preferably 25 to 35 parts by weight of a curing agent and 0.1 to 0.2 parts by weight of a red pigment or red disperse dye per 100 parts by weight of a thermosetting resin, and it is most preferable that it comprises 25 to 35 parts by weight of a curing agent and 0.13 parts by weight of a red pigment or red disperse dye per 100 parts by weight of a thermosetting resin.
상기 섬유강화 복합재료 경화물의 유리전이온도(Tg)는 90 내지 100 ℃로, 상기 범위 내에 유리전이온도가 존재함으로써, 내열성이 요구되는 항공부품 또는 자동차 소재 부품 뿐만 아니라 풍력발전기의 회전날개 복합재료의 적용이 가능하다는 장점이 있다.The glass transition temperature (Tg) of the cured product of the above fiber-reinforced composite material is 90 to 100°C. Since the glass transition temperature exists within the above range, there is an advantage in that it can be applied to not only aircraft parts or automobile materials requiring heat resistance, but also composite materials for rotary blades of wind turbines.
상기 경화물은, ASTM D638의 방법에 따라 측정된 인장강도가 2500 MPa 이상인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 경화물의 인장강도는 2600 MPa 이상, 보다 구체적으로는 2600 내지 2700 MPa인 것일 수 있다.The above-mentioned cured product may have a tensile strength of 2500 MPa or more as measured according to the method of ASTM D638. Specifically, the tensile strength of the above-mentioned cured product may be 2600 MPa or more, more specifically, 2600 to 2700 MPa.
상기 경화물은, ASTM D790의 방법에 따라 측정된 굽힘강도가 90 내지 100 MPa이고, ASTM D256의 방법에 따라 측정된 충격강도가 100 J/m이상인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 경화물의 충격강도는 110 J/m이상, 보다 구체적으로는 110 내지 120J/m인 것일 수 있다.The above-mentioned cured product may have a flexural strength of 90 to 100 MPa as measured according to the method of ASTM D790 and an impact strength of 100 J/m or more as measured according to the method of ASTM D256. Specifically, the impact strength of the above-mentioned cured product may be 110 J/m or more, more specifically, 110 to 120 J/m.
본 발명에 따른 경화물은 기계적 물성이 우수하고, 외부 또는 내부의 충격에도 견딜 수 있는 내구성이 우수하므로, 우수한 충격성능 뿐만 아니라 손상의 용이한 진단/검출이 실시간 요구되는 다양한 양태의 구조물 소재로 유용하게 활용될 수 있다. 구체적으로 자동차의 내외장용 소재, 철도, 항공기, 선박 및 우주선 등의 내외자용 소재 뿐만 아니라 풍력발전기의 회전날개용 소재 등으로도 사용될 수 있다. 특히 수리, 유지 및 관리가 어려운 대형 구조물인 풍력발전기의 회전날개용 소재로 활용될 경우, 뛰어난 기계적 물성과 함께 사진 또는 육안을 통해 손상된 부위를 정확하고 쉽게 진단할 수 있으므로 바람직하다.The cured product according to the present invention has excellent mechanical properties and excellent durability to withstand external or internal impacts, and therefore can be usefully utilized as a material for various types of structures that require not only excellent impact performance but also easy diagnosis/detection of damage in real time. Specifically, it can be used as a material for interior and exterior of automobiles, interior and exterior of railways, aircraft, ships, and spacecraft, as well as a material for a rotor blade of a wind turbine. In particular, when utilized as a material for a rotor blade of a wind turbine, which is a large structure that is difficult to repair, maintain, and manage, it is preferable because it has excellent mechanical properties and allows for accurate and easy diagnosis of damaged areas through photographs or the naked eye.
또한, 본 발명의 다른 측면은 강화섬유; 및 상기 섬유강화 복합재료용 조성물;을 포함하는 손상 감지가 가능한 섬유강화 복합재료를 제공한다.In addition, another aspect of the present invention provides a damage-detectable fiber-reinforced composite material comprising reinforcing fibers; and a composition for the fiber-reinforced composite material.
본 발명에서 사용된 용어 "섬유강화 복합재료"는 탄소섬유나 유리섬유와 같은 섬유 강화재에 에폭시 수지와 같은 액상 합성수지를 침투시킨 복합재료로, 한번의 성형으로 최종제품이 제조되거나, 프리프레그(Prepreg)와 같은 중간재를 만든 후 2차 성형을 통해 최종 제품을 제조할 수 있다. The term "fiber-reinforced composite material" used in the present invention refers to a composite material in which a liquid synthetic resin, such as epoxy resin, is impregnated into a fiber reinforcing material, such as carbon fiber or glass fiber, and the final product can be manufactured through a single molding, or the final product can be manufactured through secondary molding after making an intermediate material, such as prepreg.
상기 섬유강화 복합재료는 상기 섬유강화 복합재료용 조성물에 강화섬유를 함침시켜 제조되는 것으로, 상기 복합재료 100 중량%에 대하여 강화섬유 40 내지 60 중량% 및 섬유강화 복합재료용 조성물 40 내지 60 중량% 포함할 수 있으며, 강화섬유의 중량%가 상기 범위를 초과하면 복합재료의 기계적 물성은 증가하나 적색 안료 또는 적색 분산 염료의 불안정성이 높아지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 상기 강화섬유와 섬유강화 복합재료용 조성물의 배합비는 상기 범위 내에서 적절이 선택되는 것이 바람직하다.The above fiber-reinforced composite material is manufactured by impregnating reinforcing fibers into the composition for the fiber-reinforced composite material, and may contain 40 to 60 wt% of the reinforcing fibers and 40 to 60 wt% of the composition for the fiber-reinforced composite material with respect to 100 wt% of the composite material. If the wt% of the reinforcing fibers exceeds the above range, the mechanical properties of the composite material increase, but the instability of the red pigment or red disperse dye may increase, which may cause a problem. Therefore, it is preferable that the blending ratio of the reinforcing fibers and the composition for the fiber-reinforced composite material is appropriately selected within the above range.
상기 강화섬유는 특별히 한정되지는 않지만, 예로써, 유리 섬유, 천연 섬유, 금속 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 아릴레이트 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유, 레이온 섬유, 바살트 섬유, 방향족 폴리아미드 섬유, 폴리아라미드 섬유, 알루미나 섬유 및 붕소 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 특정적인 색을 띄지 않는 투명, 흰색의 강화섬유라면 이에 제한되지 않는데, 일예로 유리 섬유, 천연 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 아릴레이트 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유, 레이온 섬유, 방향족 폴리아미드 섬유, 폴리아라미드 섬유, 알루미나 섬유 및 붕소 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 유리 섬유일 수 있다.The above reinforcing fiber is not particularly limited, but may be at least one selected from the group consisting of glass fiber, natural fiber, metal fiber, ultra-high molecular weight polyethylene fiber, polyacrylonitrile fiber, arylate fiber, polyetheretherketone fiber, rayon fiber, basalt fiber, aromatic polyamide fiber, polyaramid fiber, alumina fiber, and boron fiber, and is preferably not limited thereto as long as it is a transparent or white reinforcing fiber without a specific color, and for example, may be at least one selected from the group consisting of glass fiber, natural fiber, ultra-high molecular weight polyethylene fiber, polyacrylonitrile fiber, arylate fiber, polyetheretherketone fiber, rayon fiber, aromatic polyamide fiber, polyaramid fiber, alumina fiber, and boron fiber, and more preferably, may be glass fiber.
상기 강화섬유는 평균 직경이 0.3 내지 300 μm인 것이 바람직한데, 직경이 하한치 미만일 경우에는 너무 가는 직경으로 인하여 물성 보강 효과가 충분하지 못할 우려와 더불어 섬유가 엉키는 현상이 발생할 수 있어 바람직하지 않고, 직경이 상한치를 초과하는 경우에는 강화섬유가 본 발명의 섬유강화 복합재료 조성물에 충분히 함침되지 못할 우려가 있어 바람직하지 않다.The above reinforcing fibers preferably have an average diameter of 0.3 to 300 μm. However, if the diameter is less than the lower limit, there is a concern that the physical property reinforcing effect may not be sufficient due to the diameter being too thin, and the fibers may become entangled, which is not preferable. If the diameter exceeds the upper limit, there is a concern that the reinforcing fibers may not be sufficiently impregnated into the fiber-reinforced composite material composition of the present invention, which is not preferable.
상기 강화섬유는 섬유강화 복합재료 기술분야에서 자명하게 공지된 단섬유, 장섬유, 연속섬유, 직물, 니트, 부직포, 브레이드(braid) 및 매트(Mat) 등의 섬유 구조물 형태일 수 있으며, 이로 제한되는 것은 아니다.The above reinforcing fibers may be in the form of fiber structures such as short fibers, long fibers, continuous fibers, fabrics, knits, non-woven fabrics, braids, and mats, which are clearly known in the field of fiber-reinforced composite material technology, but are not limited thereto.
상기 섬유구조물 형태의 강화섬유는 적어도 1층 이상으로 적층된 것일 수 있으며, 물성 향상을 위해 2층 이상 적층되는 것이 바람직하나, 특별히 이에 제한되지 않는다.The reinforcing fibers in the form of the above fiber structure may be laminated in at least one layer, and it is preferable to laminate in two or more layers to improve physical properties, but is not particularly limited thereto.
상기 섬유강화 복합재료 조성물에 강화섬유를 함침시키는 구체적인 방법은 당업계에 공지된 방법이라면 어떠한 것이라도 무방하다.Any specific method for impregnating reinforcing fibers into the above fiber-reinforced composite material composition may be used as long as it is known in the art.
상기 섬유강화 복합재료는 외력에 의해 물리적 손상이 발생하는 경우, 해당 부위에 색변화가 야기되므로, 육안 또는 카메라를 이용한 이미지를 통해 손상된 부분을 식별하고, 손상 여부를 쉽고 용이하며 정확하게 판별할 수 있다. Since the above fiber-reinforced composite material causes a color change in the affected area when it is physically damaged by an external force, the damaged area can be identified with the naked eye or through an image using a camera, and the presence or absence of damage can be easily, conveniently, and accurately determined.
이와 관련하여 도 10, 11, 12 및 16은 섬유강화 복합재료의 응력 또는 변형에 의한 색 변화에 대한 일 구현예를 나타낸 이미지로서, 상기 섬유강화 복합재료는 외부 자극에 의하여 적색에서 투명한 색으로 변색되고, 상기 변색된 섬유강화 복합재료의 영역에서는 CMYK 색도값이 원상태에 비해 50% 이상 감소되는 것을 확인하였다.In this regard, FIGS. 10, 11, 12, and 16 are images showing an example of color change due to stress or deformation of a fiber-reinforced composite material. The fiber-reinforced composite material was discolored from red to transparent by an external stimulus, and it was confirmed that the CMYK chromaticity value in the area of the discolored fiber-reinforced composite material was reduced by more than 50% compared to the original state.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 섬유강화 복합재료를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템으로서, 상기 섬유강화 복합재료에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 색 변화가 일어나며, 상기 색 변화는 상기 섬유강화 복합재료의 광학 이미지로부터 CMYK 색도값을 조사하여 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a structural safety diagnosis system including the fiber-reinforced composite material, wherein a color change occurs when force, stress or strain is applied to the fiber-reinforced composite material, and the color change is measured by examining CMYK chromaticity values from an optical image of the fiber-reinforced composite material.
상기 섬유강화 복합재료는 앞서 설명한 섬유강화 복합재료의 내용을 참고할 수 있으므로 중복 설명은 생략하도록 한다.Since the above fiber-reinforced composite material can refer to the contents of the fiber-reinforced composite material described above, duplicate explanation will be omitted.
상기 섬유강화 복합재료는 열경화성 수지에 적색 안료 또는 적색 분산염료 분자가 균일하게 분산되는 과정이 필요한데, 상기 열경화성 수지의 화학 구조 내에서 적색 안료 분자는 이웃하는 분자와의 강한 상호작용을 형성하면서도, 에폭시 수지에 대해 우수한 분산성을 가지므로, 외부에서의 힘, 응력 및 변형(변위)가 인가되면 열경화성 수지의 물리적 구조가 변화하여 적색 안료가 빛을 흡수하기 전에 열경화성 수지에 의해 빛이 산란되기 때문에 적색을 나타내지 못하게 된다. The above fiber-reinforced composite material requires a process in which red pigment or red disperse dye molecules are uniformly dispersed in a thermosetting resin. Within the chemical structure of the thermosetting resin, the red pigment molecules form strong interactions with neighboring molecules, while also having excellent dispersibility in the epoxy resin. Therefore, when an external force, stress, or strain (displacement) is applied, the physical structure of the thermosetting resin changes, and the light is scattered by the thermosetting resin before the red pigment absorbs the light, so that the red color is not displayed.
즉 본 발명에 따른 구조 안전 진단용 시스템은 외력에 의하여 물리적 손상이 야기된 경우, 원상태에서 적색을 나타내다가 투명하게 변색되고, 상기 변색된 정도는 RGB 색도값을 추출함으로써 분석할 수 있다. 이는 후술하는 실험을 통해 확인할 수 있다.That is, when the system for structural safety diagnosis according to the present invention is physically damaged by an external force, it displays a red color in its original state and then changes color to transparent, and the degree of the change can be analyzed by extracting the RGB color value. This can be confirmed through the experiment described below.
특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료를 사용한 구조 안전 진단용 시스템의 경우, 섬유강화 복합재료에서의 구성 함량, 종류 및 적층수를 달리하여 제작한 후, 태양광 아래에서 100일 동안 방치한 후 CMYK 색도값 변화를 분석하였다. In particular, although not explicitly described in the examples or comparative examples below, in the case of a structural safety diagnosis system using a fiber-reinforced composite material according to the present invention, the fiber-reinforced composite material was manufactured by varying the composition content, type, and number of layers, and then left under sunlight for 100 days, after which the CMYK chromaticity value changes were analyzed.
또한, 태양광 아래에서 100일 동안 방치한 후 400 N 굽힘하중으로 손상을 유도하고, 100회 반복하여 CMYK 색도값 변화를 분석한 결과, 100회 반복 실시하여도 오차 범위가 거의 발생하지 않는 것을 확인하였다. In addition, after leaving it under sunlight for 100 days, damaging it with a 400 N bending load, and repeating it 100 times, the change in CMYK color value was analyzed, and it was confirmed that there was almost no error range even after repeating it 100 times.
그 결과, 하기 조건을 모두 만족하였을 때, 태양광 아래에서도 색 변화를 장기간 안정적으로 유지하여, 외력에 의해서만 발생하는 손상에 정량적, 정성적인 측정이 가능하다는 것을 확인하였다.As a result, it was confirmed that when all of the following conditions are satisfied, the color change is stably maintained for a long period of time even under sunlight, and quantitative and qualitative measurements are possible for damage caused only by external force.
상기 섬유강화 복합재료는 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 25 내지 35 중량부 및 BASF에서 판매되는 Cinquasia® Magenta D4570 제품의 적색 안료 0.13 중량부를 포함하는 섬유강화 복합재료용 조성물;에 유리섬유;를 함침시켜 제조된 것으로, 상기 유리섬유는 2 내지 10층 적층된 유리섬유 시트이고, 외력이 가해져 손상이 발생하면 적색이 옅어져 투명하게 변화되므로, 이러한 색 변화를 이미지로부터 CMYK 색도값을 추출하여 손상여부와 손상정도를 분석할 수 있다.The above fiber-reinforced composite material is manufactured by impregnating glass fiber into a composition for a fiber-reinforced composite material containing 25 to 35 parts by weight of a hardener and 0.13 parts by weight of a red pigment of the product Cinquasia® Magenta D4570 sold by BASF per 100 parts by weight of a thermosetting resin; wherein the glass fiber is a glass fiber sheet laminated in 2 to 10 layers, and when an external force is applied and damaged, the red color lightens and changes to transparent, so that the presence and degree of damage can be analyzed by extracting the CMYK chromaticity values from the image of this color change.
본 발명의 또 다른 측면은 ⅰ) 상기 섬섬유강화 복합재료를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템을 카메라로 촬영하여 이미지를 획득하는 단계; ⅱ) 상기 이미지로부터 CMYK 값을 추출하는 단계; 및 ⅲ) 상기 추출된 CMYK 값을 근거로 상기 구조 안전 진단용 시스템의 손상 정보를 도출하는 단계;를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for analyzing a structural safety diagnosis system, including: i) a step of capturing an image of a structural safety diagnosis system including the above-described fiber-reinforced composite material by a camera; ii) a step of extracting CMYK values from the image; and iii) a step of deriving damage information of the structural safety diagnosis system based on the extracted CMYK values.
구조물 특히 대형 구조물의 경우 손상을 방치할 경우 혹시 모를 대참사, 2차적 피해를 유발할 수 있으므로 사전에 손상을 쉽고 정확하게 진단하는 것이 필요하다. 구조물이나 대형 구조물은 크고 높기 때문에 전기 저항을 이용하여 손상을 진단하거나 사람의 오감으로 진단하는 것에 어려움이 있다. 따라서 외력(힘/응력/변위)에 의해 소재 외부 및 내부에서 물리적 변화가 발생한 경우(즉, 손상, 크랙, 마멸, 균열, 파손 등의 손상)를 원하는 시점에 정확히 진단할 수 있는 방법이 필요하다. 상술한 섬유강화 복합재를 포함하는 구조체의 경우 외력에 의해 손상이 발생하면 섬유강화 복합재에 존재하는 열경화성 수지와 적색 안료/적색 분산염료의 결합관계가 달라지게 되고, 이로 인해 발생하는 가시적인 색상 변화를 외부에서 감지 및 정량화함으로써 소재의 손상 위치를 측정/분석하고 손상 정도를 진단할 수 있다.In the case of structures, especially large structures, if damage is left untreated, it can cause an unexpected disaster or secondary damage, so it is necessary to diagnose the damage easily and accurately in advance. Since structures or large structures are large and tall, it is difficult to diagnose damage using electrical resistance or using the human five senses. Therefore, a method is needed that can accurately diagnose at a desired time when physical changes occur on the outside and inside of the material (i.e., damage, cracks, abrasion, fractures, etc.) due to external force (force/stress/displacement). In the case of a structure including the fiber-reinforced composite described above, when damage occurs due to an external force, the bonding relationship between the thermosetting resin and the red pigment/red disperse dye present in the fiber-reinforced composite changes, and by detecting and quantifying the visible color change caused by this from the outside, the location of the damage to the material can be measured/analyzed and the degree of damage can be diagnosed.
상기 색 변화를 위해서는 상기 열경화성 수지로 빛이 입사되어 적색 안료/적색 분산염료가 빛을 흡수하고 적색 빛만 반사 또는 산란하여 적색을 띄게 되는데, 이를 위한 광원은 태양광이나 구조물이 위치한 곳에 기존에 설치된 광원을 그대로 사용하거나 필터 혹은 단색화 장치 등을 통해 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 조사할 수 있으며, 빛이 충분하지 않거나 입사 광원의 빛의 특성의 제어가 필요한 경우 추가적인 광원을 통해 빛을 조사할 수 있다.For the above color change, light is incident on the thermosetting resin, the red pigment/red disperse dye absorbs the light, and only the red light is reflected or scattered to produce a red color. The light source for this can be a sunlight or a light source already installed where the structure is located, or it can selectively irradiate light of a specific wavelength band using a filter or a monochromator. In cases where the light is insufficient or the light characteristics of the incident light source need to be controlled, light can be irradiated through an additional light source.
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템은 별도의 광원을 공급하지 않고 태양광만으로 손상에 의한 색 변화를 용이하게 측정할 수 있으며, 손상되기 전의 CMYK 색도값의 기록과 비교함으로써 색 변화를 정성적 또는 정량적으로 분명하게 확인할 수 있으므로 손상에 따른 색 변화 감지가 용이하다.A system for structural safety diagnosis including a fiber-reinforced composite material according to the present invention can easily measure color changes due to damage using only sunlight without supplying a separate light source, and can clearly confirm the color changes qualitatively or quantitatively by comparing them with the records of CMYK chromaticity values before damage, making it easy to detect color changes due to damage.
상기 구조 안전 진단용 시스템으로부터 손상을 진단하기 위해 색 변화를 측정하기 위해서는 우선, 상기 구조 안전 진단용 시스템을 카메라로 촬영하여 이미지를 획득할 수 있다.In order to measure color changes to diagnose damage from the above structural safety diagnosis system, first, the above structural safety diagnosis system can be photographed with a camera to obtain an image.
이때, 상기 구조 안전 진단용 시스템과 카메라의 거리는 15 cm 내지 1 m인 것이 바람직한데, 15 cm 미만이면 색 변화 측정이 불분명하고, 1 m를 초과하면 측정 경로에 의한 흡수/산란 등으로 인해 색도값이 감소하여 손상 여부를 정확하게 측정할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.At this time, it is preferable that the distance between the system for structural safety diagnosis and the camera be 15 cm to 1 m. If it is less than 15 cm, color change measurement is unclear, and if it exceeds 1 m, the color value may decrease due to absorption/scattering by the measurement path, which may cause a problem in that it is impossible to accurately measure whether there is damage.
다음, 상기 이미지로부터 RGB 색도값 또는 CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, Key) 색도값을 추출 또는 산출할 수 있지만, CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, Key) 색도값이 손상에 따른 변화가 선명하게 나타나므로, RGB 색도값보다는 CMYK 색도값을 이용하는 것이 정확도 면에서 현저히 우수하다.Next, RGB chromaticity values or CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key) chromaticity values can be extracted or calculated from the image above, but since CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key) chromaticity values clearly show changes due to damage, it is significantly better in terms of accuracy to use CMYK chromaticity values than RGB chromaticity values.
상기 색도값의 추출 또는 산출을 위해 상기 이미지로부터 RGB 센서로 데이터를 받고, CMYK 색도값으로 변화하여 사용할 수 있다.In order to extract or calculate the above color value, data can be received from the image using an RGB sensor and converted into CMYK color value for use.
최종적으로, 상기 추출된 색도값을 근거로 상기 구조 안전 진단용 시스템의 손상 정보를 도출할 수 있으며, 상기 색도값이 초기 색도값에 비해 30 내지 50% 이상 감소한 경우에는 손상된 것으로 판단할 수 있고, 상기 색도값 차이를 통해 손상 정도를 정량적으로 분석할 수도 있다. 바람직하게는 CMYK 색도값을 기반으로 초기 색도값에 비해 30 내지 50% 이상 감소한 경우에는 손상된 것으로 판단할 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 CMYK 색도값 중에서 K 값이 초기 K 값에 비해 30 내지 50% 감소한 경우에 손상 또는 파손된 것으로 판단할 수 있다.Finally, based on the extracted chromaticity value, damage information of the structural safety diagnosis system can be derived, and if the chromaticity value decreases by 30 to 50% or more compared to the initial chromaticity value, it can be determined to be damaged, and the degree of damage can also be quantitatively analyzed through the difference in the chromaticity value. Preferably, if the CMYK chromaticity value decreases by 30 to 50% or more compared to the initial chromaticity value, it can be determined to be damaged, and more preferably, if the K value among the CMYK chromaticity values decreases by 30 to 50% compared to the initial K value, it can be determined to be damaged or broken.
상기 이미지는 위치 별로 색도값을 산출 또는 추출하여 위치별, 손상 여부와 정도를 판별하기 위한 용도로 사용될 수 있다. The above image can be used to determine the presence and degree of damage by location by calculating or extracting color values by location.
또한, 상기 이미지를 흑백 이미지로 변환하여 손상부위의 색변화를 극명하게 나타내어, CMYK 색도값의 비교없이 바로 확인할 수도 있다.In addition, by converting the image to a black and white image, the color change of the damaged area can be clearly shown, allowing immediate confirmation without comparing the CMYK color values.
상기 카메라를 드론에 연결하여 진단 대상 구조물의 여러 곳에 대해 용이하게 촬영하여 데이터를 제공할 수 있으며, 상기 카메라 달린 드론을 색도값 추출 프로그램 또는 상기 프로그램이 탑재된 장치에 연결하여 분석 인터페이스를 구현할 수 있으며, 각각의 위치에 촬영한 카메라로부터 나오는 이미지에서 색상을 색도값으로 정량적으로 분석하여 이를 디스플레이함으로써 비전문가도 쉽게 구조물의 손상 여부, 손상 정도를 진단하고 판단할 수 있는 인터페이스를 구축할 수 있다. 이러한 개념은 도 18에 나타내었다.By connecting the above camera to a drone, it is possible to easily take pictures of various locations of a target structure for diagnosis and provide data, and by connecting the camera-equipped drone to a color value extraction program or a device equipped with the above program, an analysis interface can be implemented, and by quantitatively analyzing the color of the images from the camera taken at each location into color value and displaying them, an interface can be constructed where even non-experts can easily diagnose and determine whether or not a structure is damaged and the degree of damage. This concept is illustrated in Fig. 18.
예를 들면, 본 발명의 섬유강화 복합재료를 포함하는 구조물의 서로 다른 지점에서 이미지를 얻은 후, 연결된 장치에서 색도값을 산출 또는 추출함으로써 구조물의 위치에 따른 색도값 변화를 도식화하고 원하는 시간에 원하는 부위에 대해 쉽고 간편하게 모니터링하고 손상 여부와 손상 정도를 진단할 수 있다. 도 18은 드론에 탑재된 카메라를 통해, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료로 제조된 구조물을 촬영한 후, 각각의 이미지에서의 색도값 변화를 산출 또는 추출하고, 이를 디스플레이화를 통해 외력에 의한 물리적 손상 여부, 정도에 대해 분포를 확인하고, 진단 및 해석하는 시스템을 나타내고 있다.For example, after obtaining images at different points of a structure including the fiber-reinforced composite material of the present invention, the color value can be calculated or extracted from a connected device, thereby diagramming the change in the color value according to the position of the structure, and easily and conveniently monitoring a desired part at a desired time and diagnosing the presence and degree of damage. FIG. 18 shows a system that photographs a structure manufactured from the fiber-reinforced composite material according to the present invention through a camera mounted on a drone, calculates or extracts the change in the color value in each image, and displays the results to check the distribution, diagnose, and interpret whether there is physical damage due to an external force and the degree of damage.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and the like. However, the scope and content of the present invention cannot be reduced or limited by the examples and the like. In addition, based on the disclosure of the present invention including the examples below, it is obvious that those skilled in the art can easily practice the present invention, even though specific experimental results are not presented, and it is natural that such modifications and variations fall within the scope of the appended patent claims.
실험재료Experimental materials
KFR140(에폭시 수지) 및 KFH180(경화제)은 국도화학에서 구매한 것을 사용하였다. 비압축 유리 직물(SE1500)은 Owens Corning에서 구매했으며 탄소 섬유 직물(T700SC 24K)은 Toray에서 구매하여 사용하였다. 상기 직물은 강화 복합 재료의 보강재로 사용되었다.KFR140 (epoxy resin) and KFH180 (curing agent) were purchased from Kukdo Chemical. Non-compressed glass fabric (SE1500) was purchased from Owens Corning, and carbon fiber fabric (T700SC 24K) was purchased from Toray. The above fabrics were used as reinforcing materials for reinforced composite materials.
Cinquasia® Magenta D4570 안료(pigment)는 BASF(Pigment Red 202)로부터 구입한 것을 사용하였다. 분산 염료(Disperse dye)(DIANIX Red S-G, Dispersion Dye Red 1), 산성 염료(acid dye)(Telon Red AFG, Acid Red 299) 및 반응성 염료(reactive dye)(Remazol Red RB-133)는 DyStar에서 구매한 것을 사용하였다.Cinquasia® Magenta D4570 pigment was purchased from BASF (Pigment Red 202). Disperse dyes (DIANIX Red S-G, Dispersion Dye Red 1), acid dyes (Telon Red AFG, Acid Red 299), and reactive dyes (Remazol Red RB-133) were purchased from DyStar.
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3: 섬유강화 복합재료용 조성물 제조Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3: Preparation of compositions for fiber-reinforced composite materials
에폭시 단량체(KFR140, 국도화학)에 염료(dye) 또는 안료(pigment)를 첨가하고, 초음파 균질화기를 사용하여 분산 및 용해하여 섬유강화 복합재료용 조성물을 제조하였다(0.5 cycle, 60% amplitude, 1 hour). 이때, 에폭시 수지와 경화제 및 안료는 표 1과 같이 혼합하여 제조하였다. 분산용매는 별도로 사용하지 않았다. 초음파 처리 과정에서 최대 50 ℃의 열이 발생하기 때문에, 초음파 처리하여 혼합된 조성물은 실온에서 냉각한 다음 사용하였다.A composition for fiber-reinforced composite materials was prepared by adding dye or pigment to epoxy monomer (KFR140, Kukdo Chemical) and dispersing and dissolving using an ultrasonic homogenizer (0.5 cycle, 60% amplitude, 1 hour). At this time, the epoxy resin, hardener, and pigment were mixed as shown in Table 1. A separate dispersion solvent was not used. Since heat of up to 50℃ is generated during the ultrasonic treatment process, the composition mixed by ultrasonic treatment was cooled to room temperature and then used.
(P-epoxy)Example 1-1
(P-epoxy)
(P-epoxy)Example 1-2
(P-epoxy)
(P-epoxy)Example 1-3
(P-epoxy)
(P-epoxy)Example 1-4
(P-epoxy)
(P-epoxy)Example 1-5
(P-epoxy)
(D-epoxy)Example 2-1
(D-epoxy)
(D-epoxy)Example 2-2
(D-epoxy)
(D-epoxy)Example 2-3
(D-epoxy)
(D-epoxy)Example 2-4
(D-epoxy)
(D-epoxy)Example 2-5
(D-epoxy)
(neat)Comparative Example 1
(neat)
(A-epoxy)Comparative Example 2
(A-epoxy)
(R-epoxy)Comparative Example 3
(R-epoxy)
실시예 3 : 균열감지가 가능한 섬유강화 복합재료(GF/p-epoxy)의 제조Example 3: Preparation of fiber-reinforced composite material (GF/p-epoxy) capable of crack detection
균열감지가 가능한 섬유강화 복합재료를 제조하기 위하여, 비압축 유리 직물(SE1500)(GF)이 2겹 적층된 적층체를 제조하였다. 상기 적층체를 금형에 배치한 뒤, 상기 실시예 1-1의 섬유강화 복합재료용 조성물을 고압으로 함침하는 RTM 공법을 이용해 균열감지가 가능한 실시예 3의 섬유강화 복합재료를 얻었다.In order to manufacture a fiber-reinforced composite material capable of crack detection, a laminate in which two layers of non-compressed glass fabric (SE1500) (GF) were laminated was manufactured. After the laminate was placed in a mold, the fiber-reinforced composite material composition of Example 1-1 was impregnated under high pressure using an RTM method to obtain a fiber-reinforced composite material of Example 3 capable of crack detection.
구체적으로 상기 금형 안에서 충분한 양의 섬유강화와 섬유강화 복합재료용 조성물이 함침되면 경화과정을 통해 균열감지가 가능한 섬유강화 복합재료를 얻을 수 있다. 상기 경화과정은 상온에서 24시간 경화할 수 있으나, 경화속도를 고려하여 본 실시예에서는 80 ℃에서 1 시간동안 수행하여 섬유강화 복합재료를 얻었다.Specifically, when a sufficient amount of fiber reinforcement and a composition for fiber reinforced composite material are impregnated in the mold, a fiber reinforced composite material capable of crack detection can be obtained through a curing process. The curing process can be performed at room temperature for 24 hours, but considering the curing speed, in this example, it was performed at 80° C. for 1 hour to obtain a fiber reinforced composite material.
실시예 4 : 균열감지가 가능한 섬유강화 복합재료(GF/D-epoxy)의 제조Example 4: Preparation of fiber-reinforced composite material (GF/D-epoxy) capable of crack detection
실시예 1-1의 섬유강화 복합재료용 조성물 대신 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물을 사용한 것을 제외하고 모두 실시예 3과 동일하게 하여 실시예 4의 섬유강화 복합재료를 제조하였다.A fiber-reinforced composite material of Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the fiber-reinforced composite material composition of Example 2-1 was used instead of the fiber-reinforced composite material composition of Example 1-1.
실시예 5 : 균열감지가 가능한 섬유강화 복합재료(CF/p-epoxy)의 제조Example 5: Preparation of fiber-reinforced composite material (CF/p-epoxy) capable of crack detection
비압축 유리 직물(SE1500)(GF) 대신에 탄소 섬유 직물(T700SC 24K)(CF)을 사용한 것을 제외하고 실시예 3과 모두 동일하게 하여 섬유강화 복합재료를 제조하였다.A fiber-reinforced composite material was manufactured in the same manner as in Example 3, except that carbon fiber fabric (T700SC 24K) (CF) was used instead of non-compressed glass fabric (SE1500) (GF).
실시예 6 : 균열감지가 가능한 섬유강화 복합재료(CF/D-epoxy)의 제조Example 6: Preparation of fiber-reinforced composite material (CF/D-epoxy) capable of crack detection
비압축 유리 직물(SE1500)(GF) 대신에 탄소 섬유 직물(T700SC 24K)(CF)을 사용한 것을 제외하고 실시예 4와 모두 동일하게 하여 섬유강화 복합재료를 제조하였다.A fiber-reinforced composite material was manufactured in the same manner as in Example 4, except that carbon fiber fabric (T700SC 24K) (CF) was used instead of non-compressed glass fabric (SE1500) (GF).
비교예 4 : 섬유강화 복합재료(CF/epoxy)의 제조Comparative Example 4: Manufacturing of Fiber-Reinforced Composite Material (CF/epoxy)
실시예 1-1의 섬유강화 복합재료용 조성물 대신 비교예 1의 섬유강화 복합재료용 조성물을 사용한 것을 제외하고 모두 실시예 3과 동일하게 하여 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 제조하였다.A fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the fiber-reinforced composite material composition of Comparative Example 1 was used instead of the fiber-reinforced composite material composition of Example 1-1.
비교예 5 : 섬유강화 복합재료(CF/epoxy)의 제조Comparative Example 5: Manufacturing of Fiber-Reinforced Composite Material (CF/epoxy)
비압축 유리 직물(SE1500)(GF) 대신에 탄소 섬유 직물(T700SC 24K)(CF)을 사용한 것을 제외하고 비교예 4와 모두 동일하게 하여 섬유강화 복합재료를 제조하였다.A fiber-reinforced composite material was manufactured in the same manner as in Comparative Example 4, except that carbon fiber fabric (T700SC 24K) (CF) was used instead of non-compressed glass fabric (SE1500) (GF).
실험예 1 : 다양한 색상으로 착색된 섬유강화 복합재료의 비교 분석Experimental Example 1: Comparative Analysis of Fiber-Reinforced Composite Materials Colored in Various Colors
A. 다양한 착색제를 이용해 제조된 섬유강화 복합재료A. Fiber-reinforced composite materials manufactured using various colorants
에폭시 단량체(KFR140, 국도화학)에 sigma aldrich Anthracene, ReagentPlus®, 99%(초록색), sigma aldrich solvent blue 59(파란색), CM-95, 탄소나노튜브(검정색) 염료(dye) 또는 Cinquasia® Magenta D4570의 적색 안료(pigment)를 첨가하는 것을 제외하고 실시예 1-3과 모두 동일하게 하여 서로 다른 색상으로 착색된 섬유강화 복합재료(적색, 초록색, 파란색, 검정색)를 제조하였다. 실험대조를 위해 착색제를 첨가하지 않고, 모두 동일하게 하여 기본 섬유강화 복합재료(neat)를 제조하였다.Fiber-reinforced composites colored in different colors (red, green, blue, black) were prepared in the same manner as in Examples 1-3, except that sigma aldrich Anthracene, ReagentPlus®, 99% (green), sigma aldrich solvent blue 59 (blue), CM-95, carbon nanotube (black) dye, or red pigment of Cinquasia® Magenta D4570 was added to epoxy monomer (KFR140, Kukdo Chemical). For the control, basic fiber-reinforced composites (neat) were prepared in the same manner without adding any colorant.
B. 분석B. Analysis
에폭시 수지 내에 염료나 안료를 분산시킬 경우, 에폭시 수지에 색상을 구현할 수 있다. 안료를 착색제로 사용한 경우에는 불투명한 색상이 구현되고, 염료를 착색제로 사용한 경우에는 투명하게 색상이 구현되며. 각각의 색상은 CMYK 값으로 확인할 수 있다. 상술한 과정을 통해 제조된 각각의 섬유강화 복합재료(기본, 적색, 초록색, 파란색, 검정색)에 대해 경화 전(Wetted)/후(Cured) CMYK를 분석하여 도 1에 나타내었다.When dyes or pigments are dispersed in epoxy resin, colors can be implemented in the epoxy resin. When pigments are used as colorants, opaque colors are implemented, and when dyes are used as colorants, transparent colors are implemented. Each color can be identified by CMYK values. The CMYK before (Wetted) and after (Cured) curing of each fiber-reinforced composite material (basic, red, green, blue, and black) manufactured through the above-described process were analyzed and shown in Fig. 1.
도 1은 섬유강화 복합재료(기본, 적색, 초록색, 파란색, 검정색)에 대해 경화 전(Wetted)/후(Cured) CMYK 분석 결과이다.Figure 1 shows the results of CMYK analysis before (Wetted) and after (Cured) curing for fiber-reinforced composite materials (base, red, green, blue, black).
도 1에 나타난 바와 같이, 에폭시 수지 내에 염료가 안료가 혼합된 용액 상태에서는 색상이 명확히 구분되었으나, 경화 후에는 색상이 매우 크게 변화되는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 1, the color is clearly distinguished when the dye is mixed with pigment in the epoxy resin solution, but it can be seen that the color changes significantly after curing.
적색 안료가 아닌 초록색, 파란색, 검정색 염료를 사용한 경우 섬유강화 복합재료에서 색상구현이 제대로 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 따라서, 섬유강화 복합재료의 손상을 확인할 수 있도록 하기 위해서는 완벽한 색상이 구현되어야 하고, 이를 위해서는 적색이 바람직하고, 염료보다는 안료가 사용되는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다.It was confirmed that color realization was not properly achieved in fiber-reinforced composites when green, blue, and black dyes, rather than red pigments, were used. Therefore, in order to be able to detect damage to fiber-reinforced composites, perfect color realization must be achieved, and for this purpose, red is preferable, and it is most preferable to use pigments rather than dyes.
실험예 2: 광학 평가Experimental Example 2: Optical Evaluation
적색 색상의 안료 및 염료를 선정하여 섬유강화 복합재료용 조성물을 제조하고, 에폭시 수지와의 분산/용해 여부 등을 평가하고자 하였다. 구체적으로 실시예 1-3 내지 2-3 및 비교예 1 내지 3의 섬유강화 복합재료용 조성물을 현미경을 사용하여 촬영함으로써, 에폭시 수지 내에 염료 또는 안료의 분산정도를 분석하였다.A composition for fiber-reinforced composite materials was prepared by selecting a red pigment and dye, and the dispersion/dissolution thereof in epoxy resin was evaluated. Specifically, the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-3 to 2-3 and Comparative Examples 1 to 3 were photographed using a microscope to analyze the degree of dispersion of the dye or pigment in the epoxy resin.
도 2는 실시예 1-3 내지 2-3 및 비교예 1 내지 3의 섬유강화 복합재료용 조성물을 촬영한 사진으로, 이에 따르면, 실시예 1-3 및 2-3의 섬유강화 복합재료용 조성물은 안료(pigment) 또는 염료 입자의 침전이 관찰되지 않았다. FIG. 2 is a photograph of the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-3 to 2-3 and Comparative Examples 1 to 3. According to the photographs, no precipitation of pigment or dye particles was observed in the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-3 and 2-3.
반면, 비교예 2의 섬유강화 복합재료용 조성물(A-epoxy)은 염료 입자가 완전히 용해되지 못하고 침전물이 생성되는 것을 확인하였고, 비교예 3의 섬유강화 복합재료용 조성물(R-epoxy)은 용해되지 못하고 전부 침전되는 것을 확인하였다.On the other hand, it was confirmed that the composition for fiber-reinforced composite materials (A-epoxy) of Comparative Example 2 did not completely dissolve the dye particles and formed precipitates, and it was confirmed that the composition for fiber-reinforced composite materials (R-epoxy) of Comparative Example 3 did not dissolve and formed precipitates entirely.
에폭시 단량체에 염료 및 안료의 분산/용해 여부는 분자의 화학 구조 및/또는 작용기에 기인하므로, 이를 확인하기 위해 본 발명에 따른 실시예 1-3 내지 2-3 및 비교예 2 내지 3의 섬유강화 복합재료용 조성물에 대한 FT-IR 분석을 수행하였다.Since the dispersion/dissolution of dyes and pigments in epoxy monomers is due to the chemical structure and/or functional groups of the molecules, FT-IR analysis was performed on the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-3 to 2-3 and Comparative Examples 2 to 3 according to the present invention to confirm this.
실험예 3 : 3종의 염료(Dispersion Dye Red 1, Acid Red 299, Remazol Red RB-133), 안료(Cinquasia® Magenta D4570)와 에폭시 단량체의 용해/분산 여부 분석Experimental Example 3: Analysis of the dissolution/dispersion of three dyes (Dispersion Dye Red 1, Acid Red 299, Remazol Red RB-133), pigment (Cinquasia® Magenta D4570) and epoxy monomer
도 3은 3종의 염료(Dispersion Dye Red 1, Acid Red 299, Remazol Red RB-133)와 안료(Cinquasia® Magenta D4570)의 FT-IR 그래프(a)와 화학구조를 나타낸 도면(b-e)이다.Figure 3 shows FT-IR graphs (a) and chemical structures (b-e) of three dyes (Dispersion Dye Red 1, Acid Red 299, Remazol Red RB-133) and a pigment (Cinquasia® Magenta D4570).
도 3a를 살펴보면, 실시예 1에 사용된 안료(pigment, Cinquasia® Magenta D4570)에서는 퀴나크리돈 유도체의 특징적인 피크인 약 1643 cm-1 및 1600 cm-1가 확인되었다. 이들은 각각 퀴나크리돈 골격의 카르보닐(carbonyl) 및 벤젠(benzene) 그룹에서 C=O 및 C=C 진동(vibration)에 해당한다. 도 3b에 나타난 안료(pigment, Cinquasia® Magenta D4570)의 분자구조를 살펴보면, 상기 작용기와 염소(823 cm-1) 및 아민(3265cm-1 및 3230 cm-1) 그룹이 있어 에폭시 단량체와 우수한 혼합을 형성한다는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 1에 사용된 안료(pigment, Cinquasia® Magenta D4570)는 아민 그룹의 N-H 진동 피크를 살펴보면, ~200 cm-1의 상당한 수변색 이동(bathochromic shift)이 관찰되는데, 이는 안료 분자 사이에 강한 상호 작용이 형성된다는 의미한다.Looking at Fig. 3a, in the pigment (pigment, Cinquasia® Magenta D4570) used in Example 1, peaks at about 1643 cm -1 and 1600 cm -1 , which are characteristic peaks of quinacridone derivatives, were confirmed. These correspond to the C=O and C=C vibrations in the carbonyl and benzene groups of the quinacridone skeleton, respectively. Looking at the molecular structure of the pigment (pigment, Cinquasia® Magenta D4570) shown in Fig. 3b, it can be seen that the pigment forms an excellent mixture with the epoxy monomer due to the presence of the functional group and chlorine (823 cm -1 ) and amine (3265 cm -1 and 3230 cm -1 ) groups. In particular, the pigment (pigment, Cinquasia® Magenta D4570) used in Example 1 shows a significant bathochromic shift of ~200 cm -1 when examining the NH vibration peak of the amine group, which means that a strong interaction is formed between pigment molecules.
나아가, 실시예 1에 사용된 안료(pigment, Cinquasia® Magenta D4570)는 인접한 안료분자의 2차 아민기와 카르보닐기가 상호작용할 때(N-H···O) 발생하는 IR 피크인 1625 cm-1가 확인되었다. 즉 실시예 1에 사용된 안료는 분자간 상호작용이 형성하며, 이는 약 3161 cm-1 및 3139 cm-1에서 관찰된 또 다른 IR 피크에 의해서도 알 수 있다. 상기 IR 피크는 이웃하는 안료 분자의 카르보닐기와 N-H기의 상호작용을 의미한다. 따라서 실시예 1의 섬유강화 복합재료용 조성물에서 나타난 바와 같이, 안료(Cinquasia® Magenta D4570)는 높은 분자 상호작용을 가지므로, 용매에 대해서는 낮은 용해도를 가지지만 에폭시 단량체에 한해서는 우수한 분산특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.Furthermore, the pigment (pigment, Cinquasia® Magenta D4570) used in Example 1 was confirmed to have an IR peak at 1625 cm -1 that occurs when the secondary amine group and the carbonyl group of adjacent pigment molecules interact (NH···O). That is, the pigment used in Example 1 forms an intermolecular interaction, which can also be seen by other IR peaks observed at about 3161 cm -1 and 3139 cm -1 . The IR peaks indicate the interaction of the carbonyl group and the NH group of adjacent pigment molecules. Therefore, as shown in the composition for a fiber-reinforced composite material of Example 1, it can be seen that the pigment (Cinquasia® Magenta D4570) has a high molecular interaction, and therefore has low solubility in solvents but excellent dispersion characteristics in epoxy monomers.
도 3a 및 도 3c를 살펴보면, 실시예 2에 사용된 분산염료(Dispersion Dye Red 1)는 방향족 화합물의 니트로기(-NO2)의 비대칭(asymmetric) 및 대칭(symmetric) 스트레치에 대한 ~1509 cm-1 및 ~1334 cm-1의 강한 피크가 확인되었다. 니트로(nitro) 그룹은 분산염료 분자와 에폭시 단량체 사이에 N…O 상호작용을 일으켜 화합물이 에폭시 단량체에 용해되도록 돕는다. 분산염료(Dispersion Dye Red 1)에서 관찰된 약 3438 cm-1 하이드록실(hydroxyl) 그룹은 에폭시 단랸체의 에폭시 그룹과의 O…H 상호작용을 형성하며, 이는 에폭시 단량체에 분산염료 분자가 용해되도록 한다.Looking at Figs. 3a and 3c, the disperse dye (Dispersion Dye Red 1) used in Example 2 was confirmed to have strong peaks at ~1509 cm -1 and ~1334 cm -1 for the asymmetric and symmetric stretches of the nitro group (-NO 2 ) of the aromatic compound. The nitro group causes N…O interactions between the disperse dye molecules and the epoxy monomer, which helps the compound to dissolve in the epoxy monomer. The hydroxyl group observed at about 3438 cm -1 in the disperse dye (Dispersion Dye Red 1) forms O…H interactions with the epoxy groups of the epoxy monomer, which allows the disperse dye molecules to dissolve in the epoxy monomer.
실시예 2에 사용된 분산염료(Dispersion Dye Red 1)는 azo 그룹을 기반으로 하고 있으므로, 단단하고 평면인 quinacridone 골격을 가진 안료(pigment)보다 더 높은 자유도를 가지고, 상기 유연한 골격에 존재하는 니트로기와 히드록실기는 에폭시 단량체와의 용해도를 높인다.The disperse dye (Dispersion Dye Red 1) used in Example 2 is based on an azo group and therefore has a higher degree of freedom than a pigment having a rigid and planar quinacridone skeleton, and the nitro and hydroxyl groups present in the flexible skeleton increase the solubility with the epoxy monomer.
도 3a 및 도 3d를 살펴보면, 비교예 2에 사용된 산성염료(Acid Red 299)는 3438 cm-1에서 하이드록실 그룹이 관찰되었고, 이는 에폭시 단량체와의 용해를 높일 수 있다. 그러나 산성염료(Acid Red 299)에는 에폭시 단량체와의 용해를 방해하는 소듐 설포네이트 그룹을 나타내는 ~1035 cm-1이 확인되었다. 즉 산성염료(Acid Red 299)는 서로 다른 특성을 갖는 작용기가 존재하므로, 에폭시 단량체에 대해서 난용성을 띄므로 제대로 용해되거나 분산되지 못하는 것을 알 수 있다.Looking at FIGS. 3a and 3d, the acid dye (Acid Red 299) used in Comparative Example 2 had a hydroxyl group observed at 3438 cm -1 , which can enhance the dissolution with the epoxy monomer. However, the acid dye (Acid Red 299) had a sodium sulfonate group at ~1035 cm -1 , which hinders the dissolution with the epoxy monomer. In other words, it can be seen that the acid dye (Acid Red 299) has functional groups with different characteristics, so it has poor solubility in the epoxy monomer and cannot be properly dissolved or dispersed.
도 3a 및 도 3e를 살펴보면, 비교예 3에 사용된 반응성 염료(Remazol Red RB-133)는 외측에 4개의 황산나트륨 그룹이 존재하여, 반응성 염료의 아민기와 에폭시 단량체의 접근을 차단하므로 용해되거나 분산되지 않고, 전부 침전되는 것을 알 수 있다.Looking at FIGS. 3a and 3e, it can be seen that the reactive dye (Remazol Red RB-133) used in Comparative Example 3 has four sodium sulfate groups on the outside, which block the approach of the amine group of the reactive dye and the epoxy monomer, so it does not dissolve or disperse, but rather completely precipitates.
상술한 결과를 종합하여, 에폭시 수지 조성물의 착색제로 안료(pigment)와 분산염료(Dispersion Dye Red 1)를 선택하여, 실험을 수행하였다.Based on the above results, a pigment and a disperse dye (Dispersion Dye Red 1) were selected as colorants for the epoxy resin composition, and an experiment was conducted.
실험예 4 : 실시예 1 내지 2의 섬유강화 복합재료용 조성물에 대한 응집 여부 분석Experimental Example 4: Analysis of Coagulation in Compositions for Fiber-Reinforced Composite Materials of Examples 1 to 2
각각의 안료 또는 염료와 에폭시 단량체와의 용해/분산 정도를 분석하기 위하여 서로 다른 함량으로 혼합된 실시예 1-1 내지 1-5 및 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물을 제조하고, 현미경 접안렌즈와 대물렌즈를 사용하여 분석하였다. 이때 접안렌즈는 10배율, 대물렌즈는 5-40 배율로 촬영하여 응집여부를 분석하였다.In order to analyze the degree of dissolution/dispersion of each pigment or dye with an epoxy monomer, compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 to 1-5 and Examples 2-1 to 2-5 were prepared by mixing different contents, and analyzed using a microscope eyepiece and objective lens. At this time, the eyepiece was photographed at a magnification of 10 times, and the objective lens was photographed at a magnification of 5 to 40 times to analyze the presence of aggregation.
도 4는 실시예 1-1 내지 1-5 및 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물의 사진(상)과 이들 각각을 광학 현미경으로 분석한 결과(하)이다. 이에 따르면, 안료(pigmnet) 함량이 증가할수록 섬유강화 복합재료용 조성물의 색상이 진해지고 수백 마이크로미터 크기의 입자가 생성되는 것을 확인할 수 있다. 반면 분산염료가 사용된 실시예 2의 섬유강화 복합재료용 조성물에서는 염료의 함량이 증가하여도 응집 형성이 상대적으로 낮긴하나, 실시예 2-2의 섬유강화 복합재료용 조성물부터 일부 응집이 발생하는 것을 확인하였다.FIG. 4 is a photograph (top) of the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 to 1-5 and Examples 2-1 to 2-5 and the results of analysis of each using an optical microscope (bottom). According to the photographs, it can be confirmed that as the pigment content increases, the color of the composition for fiber-reinforced composite materials becomes darker and particles of several hundred micrometers in size are generated. On the other hand, in the composition for fiber-reinforced composite materials of Example 2 in which a disperse dye was used, although the formation of agglomerates was relatively low even when the dye content increased, it was confirmed that some agglomerations occurred starting from the composition for fiber-reinforced composite materials of Example 2-2.
상술한 결과를 통해 0.1 wt% 안료 또는 염료가 사용된 실시예 1-1, 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물이 액상에 응집이 형성되지 않는 바람직한 조건임을 확인하였다.Through the results described above, it was confirmed that the composition for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 and 2-1 using 0.1 wt% pigment or dye had a desirable condition in which no agglomerates were formed in the liquid phase.
실시예 1과 같이 섬유강화 복합재료용 조성물의 착색제로 안료(pigment)가 사용되면, 불투명한 색상을 나타내나 안료분자의 크기가 크기 때문에 고르고 완벽하게 분산될 수 있도록 0.1 wt% 이하의 소량 사용하는 것이 바람직하고, 분산염료의 경우에는 투명한 색상을 나타내므로 색상 구현에는 용이하나 에폭시 수지 자체를 변질시킬 위험이 있으므로 분산염료 보다 안료를 사용하는 것이 가장 바람직하다.When a pigment is used as a coloring agent for a composition for a fiber-reinforced composite material as in Example 1, it exhibits an opaque color, but since the size of the pigment molecules is large, it is preferable to use a small amount of 0.1 wt% or less so that it can be evenly and completely dispersed. In the case of a disperse dye, it exhibits a transparent color, so it is easy to implement color, but there is a risk of deteriorating the epoxy resin itself, so it is most preferable to use a pigment rather than a disperse dye.
실험예 5 : 섬유강화 복합재료용 조성물의 화학적 구조 변화 분석Experimental Example 5: Analysis of chemical structural changes in compositions for fiber-reinforced composite materials
실시예 1-1 및 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물의 경화 전과 후의 화학적 구조 변화를 살펴보기 위하여, 실시예 1-1 및 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물을 소정의 형태를 갖는 몰드(예 : 스테인레스 스틸 몰드)에 각각 유입시키고, 80 ℃에서 1시간 가열하여 경화하여 4 mm 두께의 단일필름을 각각 제작하였다.In order to examine the chemical structural changes before and after curing of the fiber-reinforced composite material compositions of Examples 1-1 and 2-1, the fiber-reinforced composite material compositions of Examples 1-1 and 2-1 were each poured into a mold having a predetermined shape (e.g., a stainless steel mold), and cured by heating at 80° C. for 1 hour to produce a single film having a thickness of 4 mm.
상기 경화된 실시예 1-1 또는 실시예 1-2의 필름을 몰드에서 분리한 후 ATR 방법에 따라 분석하였다.The film of the above-mentioned cured Example 1-1 or Example 1-2 was separated from the mold and analyzed according to the ATR method.
도 5는 비교예 1(Neat) 및 실시예 1-1 및 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물의 경화 전(Before curing)과 경화 후(Cured)에 대한 FT-IR 분석 그래프이다. 도 5의 우측은 비교예 1(Neat) 및 실시예 1-1 및 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물을 경화한 필름에 대한 광학 현미경 사진이다. 도 5에 따르면, 실시예 1-1 및 실시예 2-1의 섬유강화 복합재료용 조성물은 경화 후 새로운 피크가 발견되지 않으므로, 에폭시 수지와 안료 및 염료사이에 새로운 화학결합은 형성되지 않는다고 예상된다.FIG. 5 is an FT-IR analysis graph of the fiber-reinforced composite material compositions of Comparative Example 1 (Neat) and Examples 1-1 and 2-1 before curing and after curing (Cured). The right side of FIG. 5 is an optical microscope photograph of a film cured with the fiber-reinforced composite material compositions of Comparative Example 1 (Neat) and Examples 1-1 and 2-1. According to FIG. 5, since no new peaks are found after curing in the fiber-reinforced composite material compositions of Examples 1-1 and 2-1, it is expected that no new chemical bonds are formed between the epoxy resin and the pigment and dye.
실험예 6 : 섬유강화 복합재료의 유리전이온도 분석Experimental Example 6: Analysis of Glass Transition Temperature of Fiber-Reinforced Composite Materials
실시예 1-1 내지 1-5 및 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료 조성물의 유리전이온도(Tg)는 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning calorimetry)의 이중 스캔 곡선(double scanned curve)(온도조건: 40 내지 200 ℃)으로 측정하였다. 이때 5 ℃/min의 승온/감온 속도조건으로 분석하였다.The glass transition temperature (T g ) of the fiber-reinforced composite material compositions of Examples 1-1 to 1-5 and Examples 2-1 to 2-5 was measured by a double scanned curve of differential scanning calorimetry (DSC) (temperature condition: 40 to 200°C). At this time, the analysis was performed under a heating/cooling rate condition of 5°C/min.
도 6은 비교예 1(Neat), 실시예 1-1 내지 1-5 및 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료 조성물의 유리전이온도(Tg) 변화를 나타낸 그래프이다.Figure 6 is a graph showing changes in the glass transition temperature (T g ) of fiber-reinforced composite material compositions of Comparative Example 1 (Neat), Examples 1-1 to 1-5, and Examples 2-1 to 2-5.
도 6에 따르면, 실시예 1-1 내지 1-5로부터 제조된 섬유강화 복합재료 조성물은 유리전이온도(Tg)가 안료(pigment) 함량 증가에 따라 급격히 증가하다가 1~3 wt% 안료 함량 조건에서는 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 실시예 1-5로부터 제조된 섬유강화 복합재료 조성물은 비교예 1(neat) 섬유강화 복합재료의 유리전이온도(Tg)(~84 ℃)에 비해 약 10% 더 높은 수치라는 것을 확인하였다. 즉 안료(pigmnet)는 수십~수백 마이크로미터 크기의 강화 입자 형태로 에폭시 수지에 고르게 분산되므로, 에폭시 수지의 결정화에 방해되지 않을 뿐만 아니라, 에폭시 수지의 자유 부피를 감소시켜 기계적 물성까지 높일 수 있다.According to FIG. 6, it can be seen that the glass transition temperature (T g ) of the fiber-reinforced composite material compositions manufactured from Examples 1-1 to 1-5 rapidly increases with an increase in the pigment content and then gradually increases under the condition of a pigment content of 1 to 3 wt%. It was confirmed that the fiber-reinforced composite material composition manufactured from Example 1-5 had a glass transition temperature (T g ) (~84° C.) that was about 10% higher than that of the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 1 (neat). That is, since the pigment is evenly dispersed in the epoxy resin in the form of reinforcing particles having a size of tens to hundreds of micrometers, not only does it not interfere with the crystallization of the epoxy resin, but also reduces the free volume of the epoxy resin to improve the mechanical properties.
도 6에 따르면, 실시예 2-1 내지 2-5로부터 제조된 섬유강화 복합재료 조성물에서는 염료분자가 에폭시 수지 단량체와 올리고머 사이에 위치하여 에폭시 수지 매트릭스에서 가소제 역할을 함으로써 에폭시 수지의 자유부피를 감소시킬 수 있다. 즉 분산염료는 에폭시 결정의 형성 및/또는 성장을 방해함으로써, 실시예 2-1 내지 2-5로부터 제조된 섬유강화 복합재료 조성물에서와 같이 Tg가 감소된다.According to FIG. 6, in the fiber-reinforced composite material compositions manufactured from Examples 2-1 to 2-5, the dye molecules are positioned between the epoxy resin monomer and the oligomer and act as a plasticizer in the epoxy resin matrix, thereby reducing the free volume of the epoxy resin. That is, the disperse dye inhibits the formation and/or growth of epoxy crystals, thereby reducing T g as in the fiber-reinforced composite material compositions manufactured from Examples 2-1 to 2-5.
실험예 7 : 섬유강화 복합재료용 조성물의 기계적 물성 분석Experimental Example 7: Analysis of mechanical properties of composition for fiber-reinforced composite materials
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료용 조성물로만 제조한 단일필름의 기계적 물성 분석을 분석하고자 하였다. 구체적으로 실시예 1-1 내지 1-5 및 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물을 소정의 형태를 갖는 몰드(예 : 스테인레스 스틸 몰드)에 각각 유입시키고, 80 ℃에서 1시간 가열하여 경화하여 3 mm 두께의 단일필름을 각각 제작하였다. 인장강도, 항복강도, 굽힘강도 및 충격강도를 평가하기 위해 200 mm × 200 mm(가로 × 세로) 크기의 시편으로 제작하였다.The purpose of this invention was to analyze the mechanical properties of a single film manufactured only with the composition for a fiber-reinforced composite material according to the present invention. Specifically, the compositions for a fiber-reinforced composite material of Examples 1-1 to 1-5 and Examples 2-1 to 2-5 were each poured into a mold having a predetermined shape (e.g., a stainless steel mold), and heated at 80° C. for 1 hour to harden, thereby manufacturing a single film having a thickness of 3 mm. In order to evaluate the tensile strength, yield strength, flexural strength, and impact strength, specimens measuring 200 mm × 200 mm (width × height) were manufactured.
상기 각각의 단일필름에 대해 인장강도, 굴곡강도, 충격강도 및 항복강도(yield tensile strength)를 UTM(Universal Testing Machine)를 사용하여 평가하였다. 인장, 굴곡, 충격강도(Izod impact strength) 시험은 각각 ASTM D638, ASTM D790, ASTM D256 규격으로 평가하였고, 각 실험은 10번씩 반복실험되었으며, 이를 평균 ± 표준편차로 나타내었다. For each of the above single films, tensile strength, flexural strength, impact strength, and yield strength were evaluated using a Universal Testing Machine (UTM). The tensile, flexural, and Izod impact strength tests were evaluated according to ASTM D638, ASTM D790, and ASTM D256 standards, respectively, and each experiment was repeated 10 times, which were expressed as the mean ± standard deviation.
도 7a는 실시예 1-1 내지 1-5의 섬유강화 복합재료용 조성물로 제조된 단일필름의 인장강도와 항복강도를 나타낸 그래프이고, 도 7b는 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물로 제조된 단일필름의 인장강도와 항복강도를 나타낸 그래프이다.FIG. 7a is a graph showing the tensile strength and yield strength of a single film manufactured from the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 to 1-5, and FIG. 7b is a graph showing the tensile strength and yield strength of a single film manufactured from the compositions for fiber-reinforced composite materials of Examples 2-1 to 2-5.
도 8은 실시예 1-1 내지 1-5, 실시예 2-1 내지 2-5의 섬유강화 복합재료용 조성물로 제조된 단일필름의 굽힘강도와 충격강도(Izod impact strength)를 나타낸 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the bending strength and impact strength (Izod impact strength) of a single film manufactured from the composition for fiber-reinforced composite materials of Examples 1-1 to 1-5 and Examples 2-1 to 2-5.
도 7에 따르면, 안료(pigment) 0.1 wt% 함유하는 실시예 1-1의 섬유강화 복합재료용 조성물로 제조된 단일필름은 인장강도와 항복강도가 가장 높다는 것을 확인하였고, 안료 함량이 증가할수록 인장강도와 항복강도가 점차 감소하였다.According to FIG. 7, it was confirmed that the single film manufactured with the composition for fiber-reinforced composite material of Example 1-1 containing 0.1 wt% of pigment had the highest tensile strength and yield strength, and as the pigment content increased, the tensile strength and yield strength gradually decreased.
분산염료의 경우에는 염료의 함량이 낮을수록 인장강도와 항복강도가 증가하는 것을 확인하였다. 실시예 2-1로 제조된 단일필름보다 실시예 1-1로 제조된 단일필름의 인장강도 및 항복강도가 ~100 MPa 더 높은 것을 확인한 바, 0.1 wt% 안료를 첨가하는 것이 기계적 물성 강화를 위해 가장 바람직하다.In the case of disperse dyes, it was confirmed that the tensile strength and yield strength increased as the dye content decreased. It was confirmed that the tensile strength and yield strength of the single film manufactured by Example 1-1 were ~100 MPa higher than that of the single film manufactured by Example 2-1, so adding 0.1 wt% of pigment is most preferable for enhancing mechanical properties.
도 8에 따르면, 염료나 안료의 첨가로 굽힘강도와 충격강도가 40 MPa 향상되었으나, 염료나 안료의 함량이 0.2 wt%를 초과하면 굽힘강도와 충격강도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 종합하면 적색 색상을 띄는 착색제 중에서 안료를 에폭시 수지와 혼합하는 것이 기계적 물성의 강화효과를 얻을 수 있어 바람직하고, 에폭시 수지 전체 중량을 기준으로 0.1 wt% 안료를 혼합하는 것이 명백한 색상구현과 함께 우수한 기계적 물성을 달성할 수 있어 가장 바람직하다.According to Fig. 8, the addition of dye or pigment improved the bending strength and impact strength by 40 MPa, but it could be confirmed that the bending strength and impact strength decreased rapidly when the content of dye or pigment exceeded 0.2 wt%. In summary, among the red-colored colorants, mixing a pigment with an epoxy resin is preferable because it can obtain the effect of reinforcing the mechanical properties, and mixing 0.1 wt% of pigment based on the total weight of the epoxy resin is most preferable because it can achieve excellent mechanical properties along with clear color implementation.
실험예 8 : 섬유강화 복합재료에 대한 기계적 물성 분석Experimental Example 8: Mechanical Properties Analysis for Fiber-Reinforced Composite Materials
비교예 4 또는 5의 섬유강화 복합재료, 실시예 3, 5의 섬유강화 복합재료, 실시예 4, 6의 섬유강화 복합재료를 준비하고, 이에 대한 인장강도와 굽힘강도를 실험예 7과 같이 평가하였다.The fiber-reinforced composite materials of Comparative Example 4 or 5, the fiber-reinforced composite materials of Examples 3 and 5, and the fiber-reinforced composite materials of Examples 4 and 6 were prepared, and the tensile strength and bending strength thereof were evaluated as in Experimental Example 7.
도 9a 내지 도 9d는 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/P-epoxy)(a), 실시예 4의 섬유강화 복합재료(GF/D-epoxy)(b), 실시예 5의 섬유강화 복합재료(CF/P-epoxy)(c) 및 실시예 6의 섬유강화 복합재료(CF/D-epoxy)(d)를 광학 현미경으로 촬영한 도면이다. 도 9e는 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/P-epoxy), 실시예 4의 섬유강화 복합재료(GF/D-epoxy) 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료(GF/epoxy)에 대한 인장강도 및 굽힘강도 그래프이고, 도 9f는 실시예 5의 섬유강화 복합재료(CF/P-epoxy), 실시예 6의 섬유강화 복합재료(CF/D-epoxy) 및 비교예 5의 섬유강화 복합재료(CF/epoxy)에 대한 인장강도 및 굽힘강도 그래프이다.FIGS. 9a to 9d are optical microscope photographs of the fiber-reinforced composite material (GF/P-epoxy) of Example 3 (a), the fiber-reinforced composite material (GF/D-epoxy) of Example 4 (b), the fiber-reinforced composite material (CF/P-epoxy) of Example 5 (c), and the fiber-reinforced composite material (CF/D-epoxy) of Example 6 (d). FIG. 9e is a graph of tensile strength and flexural strength for the fiber-reinforced composite material (GF/P-epoxy) of Example 3, the fiber-reinforced composite material (GF/D-epoxy) of Example 4, and the fiber-reinforced composite material (GF/epoxy) of Comparative Example 4, and FIG. 9f is a graph of tensile strength and flexural strength for the fiber-reinforced composite material (CF/P-epoxy) of Example 5, the fiber-reinforced composite material (CF/D-epoxy) of Example 6, and the fiber-reinforced composite material (CF/epoxy) of Comparative Example 5.
도 9a 내지 9d를 살펴보면, 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/P-epoxy), 실시예 4의 섬유강화 복합재료(GF/D-epoxy)는 모두 균일하게 색이 착색되어 있다는 것을 알 수 있다. 반면, 실시예 5의 섬유강화 복합재료(CF/P-epoxy) 및 실시예 6의 섬유강화 복합재료(CF/D-epoxy)는 탄소섬유가 가시광선의 전체 범위를 흡수하는 검정색을 띄고 있기 때문에 착색이 제대로 되지 않는다. Looking at FIGS. 9a to 9d, it can be seen that the fiber-reinforced composite material (GF/P-epoxy) of Example 3 and the fiber-reinforced composite material (GF/D-epoxy) of Example 4 are both uniformly colored. On the other hand, the fiber-reinforced composite material (CF/P-epoxy) of Example 5 and the fiber-reinforced composite material (CF/D-epoxy) of Example 6 are not properly colored because the carbon fibers are black, which absorbs the entire range of visible light.
도 9e에 따르면, 비교예 4 및 실시예 4의 섬유강화 복합재료 대비 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/P-epoxy)는 인장강도와 굽힘강도가 각각 ~20 MPa 및 ~60 MPa 유의적으로 더 높은 것을 확인할 수 있다. According to FIG. 9e, it can be confirmed that the fiber-reinforced composite material (GF/P-epoxy) of Example 3 has significantly higher tensile strength and flexural strength by ~20 MPa and ~60 MPa, respectively, compared to the fiber-reinforced composite materials of Comparative Example 4 and Example 4.
또한, 비교예 5 및 실시예 6의 섬유강화 복합재료 대비 실시예 5의 섬유강화 복합재료(CF/p-epoxy)는 인장강도와 굽힘강도가 각각 ~30 MPa, ~50 MPa 유의적으로 더 높은 것을 확인할 수 있다. 같은 적색이라도 안료(pigment)를 사용하는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다. In addition, it can be confirmed that the fiber-reinforced composite material (CF/p-epoxy) of Example 5 has significantly higher tensile strength and flexural strength of ~30 MPa and ~50 MPa, respectively, compared to the fiber-reinforced composite materials of Comparative Example 5 and Example 6. It can be seen that it is most desirable to use a pigment even for the same red color.
실험예 9 : 섬유강화 복합재료의 색변화 분석Experimental Example 9: Color Change Analysis of Fiber-Reinforced Composite Materials
실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/p-epoxy) 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료(GF/epoxy)의 손상감지가 가능한지 여부를 분석하고자 하였다.The purpose was to analyze whether damage detection was possible for the fiber-reinforced composite material (GF/p-epoxy) of Example 3 and the fiber-reinforced composite material (GF/epoxy) of Comparative Example 4.
실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/p-epoxy) 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료(GF/epoxy)를 준비하고, 여기에 굽힘하중을 400N 적용한 후, 일반 스마트 폰(LG Q92)을 통해 이미지 파일을 얻은 후, 상기 이미지로부터 PPT 프로그램을 통해 RGB 색도값을 측정하고, RGB 색도값을 CMYK 값으로 변환하여 분석하였다. CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, and Black) 측정은 RGB 변환 프로그램을 사용하여 수행하였다. 색이 변하지 않은 부분과 색이 변한 부분에서 각각 10 포인트에서 CMYK 색도값을 도출하고, 이들의 평균값을 나타내었다.The fiber-reinforced composite material (GF/p-epoxy) of Example 3 and the fiber-reinforced composite material (GF/epoxy) of Comparative Example 4 were prepared, and a bending load of 400 N was applied thereto. Then, an image file was obtained through a general smart phone (LG Q92), and the RGB chromaticity values were measured from the image through a PPT program, and the RGB chromaticity values were converted to CMYK values and analyzed. CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, and Black) measurement was performed using an RGB conversion program. The CMYK chromaticity values were derived at 10 points each in the area where the color did not change and the area where the color changed, and their average value is shown.
도 10은 400N의 굽힘하중이 적용된 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/p-epoxy) 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료(GF/epoxy)를 촬영한 사진(좌측)과 확대 이미지(우측)이다.Figure 10 shows a photograph (left) and an enlarged image (right) of the fiber-reinforced composite material (GF/p-epoxy) of Example 3 and the fiber-reinforced composite material (GF/epoxy) of Comparative Example 4 to which a bending load of 400 N was applied.
도 10에 나타난 바와 같이, 실시예 3의 섬유강화 복합재료(GF/p-epoxy)는 굽힘하중에 의해 손상된 부위의 색이 옅어진 것을 확인할 수 있는바, 외력에 의한 손상을 별도의 장비없이도 색상변화를 통해 육안으로 쉽게 확인할 수 있다.As shown in Fig. 10, it can be confirmed that the color of the area damaged by the bending load of the fiber-reinforced composite material (GF/p-epoxy) of Example 3 has faded, and damage caused by external force can be easily confirmed with the naked eye through the color change without separate equipment.
상기 실시예 3의 섬유강화 복합재료에서 외력에 의해 손상된 부분은 에폭시 결정화에 의해 변형되며, 이는 안료가 빛을 흡수하기 전에 빛을 산란시키기 때문에 적색이 나타나지 않게 된다. 실시예 3의 섬유강화 복합재료의 색변화는 1m 떨어진 곳에서도 뚜렷하게 확인할 수 있다(도 10, 좌측). In the fiber-reinforced composite material of Example 3, the portion damaged by external force is deformed by epoxy crystallization, and this scatters light before the pigment absorbs it, so that the red color does not appear. The color change of the fiber-reinforced composite material of Example 3 can be clearly observed even from 1 m away (Fig. 10, left).
실시예 3의 섬유강화 복합재료 색변화를 정량화한 결과(도 10의 우측), 손상되기 전에 비해 M 값과 K 값이 각각 35 이상 유의적으로 감소한다는 것을 확인하였다. 반면 비교예 4의 섬유강화 복합재료는 경화 전 및 후 유의한 변화가 관찰되지 않았다. As a result of quantifying the color change of the fiber-reinforced composite material of Example 3 (right side of Fig. 10), it was confirmed that the M value and the K value significantly decreased by more than 35, respectively, compared to before damage. On the other hand, no significant change was observed in the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 before and after curing.
실험예 10 : 손상여부에 따른 섬유강화 복합재료의 색변화 분석Experimental Example 10: Analysis of color change in fiber-reinforced composite materials according to damage
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료를 다양한 방식으로 손상시켰을 때, 색 변화 발생을 관찰하고, 이의 원리를 분석하고자 하였다. 구체적으로 실시예 3의 섬유강화 복합재료와 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 준비하고, 상기 섬유강화 복합재료를 각각 서로 다른 손상을 야기한 후, 색변화를 관찰하였다.When the fiber-reinforced composite material according to the present invention is damaged in various ways, the occurrence of color change was observed and the principle thereof was analyzed. Specifically, the fiber-reinforced composite material of Example 3 and the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 were prepared, and the color change was observed after causing different types of damage to each of the fiber-reinforced composite materials.
ⅰ) 지그장비를 사용한 비틀림 손상i) Twist damage using jig equipment
ⅱ) 400N 굽힘하중을 적용한 굽힘 손상(flexural load)ⅱ) Flexural damage with 400N bending load applied
ⅲ) 양쪽에서 당기는 인장력에 의한 인장 손상(yield flexural strength)ⅲ) Tensile damage due to tensile force pulling from both sides (yield flexural strength)
ⅳ) 반복마찰시킨 마멸 손상(wear)ⅳ) Wear damage due to repeated friction
상기 각각의 시편으로부터 일반 스마트 폰(LG Q92)을 통해 이미지 파일을 얻은 후, 상기 이미지로부터 PPT 프로그램을 통해 RGB 색도값을 측정하고, RGB 색도값을 CMYK 값으로 변환하여 분석하였다. CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, and Black) 측정은 RGB 변환 프로그램을 사용하여 수행하였다. 색이 변하지 않은 부분과 색이 변한 부분에서 각각 10 포인트에서 CMYK 색도값을 도출하고, 이들의 평균값을 나타내었다.After obtaining image files from each of the above specimens through a general smart phone (LG Q92), RGB chromaticity values were measured from the images through a PPT program, and the RGB chromaticity values were converted to CMYK values and analyzed. CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, and Black) measurement was performed using an RGB conversion program. CMYK chromaticity values were derived from 10 points each in the area where the color did not change and the area where the color changed, and their average value was presented.
도 11a는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 외력(load)에 의해 손상되었을 때, 색변화가 관찰되는 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 11b는 손상되기 전 실시예 3의 섬유강화 복합재료이고, 도 11c는 손상되기 전 비교예 4의 섬유강화 복합재료이며, 도 11d는 비틀림 손상된 실시예 3의 섬유강화 복합재료이며, 도 11e는 비틀림 손상된 비교예 4의 섬유강화 복합재료이며, 도 11f는 굽힘 손상된 실시예 3의 섬유강화 복합재료이며, 도 11g는 굽힘 손상된 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 촬영한 사진이다.FIG. 11a is a drawing schematically showing the principle of observing color change when a fiber-reinforced composite material according to the present invention is damaged by an external force (load). FIG. 11b is a fiber-reinforced composite material of Example 3 before being damaged, FIG. 11c is a fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 before being damaged, FIG. 11d is a fiber-reinforced composite material of Example 3 that has been torsionally damaged, FIG. 11e is a fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 that has been torsionally damaged, FIG. 11f is a fiber-reinforced composite material of Example 3 that has been bending damaged, and FIG. 11g is a photograph of a fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 that has been bending damaged.
도 12는 실시예 3의 섬유강화 복합재료와 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 ⅱ 굽힙 손상, ⅲ 인장 손상, ⅳ 마멸 손상시켰을 때, 색변화를 비교하기 위하여 촬영한 사진이다.Figure 12 is a photograph taken to compare color changes when the fiber-reinforced composite material of Example 3 and the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 were subjected to ⅱ bending damage, ⅲ tensile damage, and ⅳ wear damage.
도 11에 나타난 바와 같이, 실시예 3의 섬유강화 복합재료는 손상된 부위에서 색 변화가 분명하게 확인되므로, 손상된 부위에 대한 정확한 감지가 용이하다는 것을 알 수 있다. 반면 비교예 4의 섬유강화 복합재료는 손상된 부위에 유의적인 변화가 확인되지 않는 바, 손상부위 감지에 어려움이 있다.As shown in Fig. 11, the fiber-reinforced composite material of Example 3 clearly shows a color change at the damaged area, so it can be seen that accurate detection of the damaged area is easy. On the other hand, the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 shows no significant change at the damaged area, so it is difficult to detect the damaged area.
실시예 3의 섬유강화 복합재료는 손상된 부위에서만 색변화가 분명하게 관찰될 뿐만 아니라, CMYK 값의 비교를 통해 1 mm 까지의 손상도 정량적으로 평가할 수 있다.In the fiber-reinforced composite material of Example 3, not only is a color change clearly observed only at the damaged area, but damage of up to 1 mm can also be quantitatively evaluated by comparing CMYK values.
도 11의 사진 촬영은 시료와의 15 cm 거리에서 Q92 스마트폰 카메라를 이용해 촬영된 것으로, 저가형 카메라로도 효과적인 손상 감지가 가능하다는 것을 알 수 있다.The photograph in Fig. 11 was taken using a Q92 smartphone camera at a distance of 15 cm from the sample, demonstrating that effective damage detection is possible even with a low-cost camera.
도 12에 따르면, 실시예 3의 섬유강화 복합재료는 손상에 따라 손상되는 부위가 다르게 표현되는 것을 확인할 수 있었고, 손상의 깊이에 따라 완전 투명해지거나 약하게 적색을 띄는 등 색에 차이가 있는 것을 확인하였다. 반면 비교예 4의 섬유강화 복합재료는 손상 영역과 손상되지 않은 영역의 색차이가 유의적이지 않는 것을 확인하였다.According to Fig. 12, it was confirmed that the fiber-reinforced composite material of Example 3 had a damaged area expressed differently depending on the damage, and that there was a difference in color, such as being completely transparent or slightly reddish depending on the depth of damage. On the other hand, it was confirmed that the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 had an insignificant color difference between the damaged area and the undamaged area.
실험예 11 : 촬영 거리에 따른 섬유강화 복합재료의 색변화 분석Experimental Example 11: Analysis of color change of fiber-reinforced composite material according to shooting distance
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 손상을 관찰할 때, 촬영거리에 영향을 받는지 확인하고자 하였다. 구체적으로 실시예 3의 섬유강화 복합재료를 일반 스마트 폰(LG Q92)을 통해 서로 다른 촬영거리에서 촬영하여 이미지 파일을 얻은 후, 상기 이미지로부터 PPT 프로그램을 통해 RGB 색도값을 추출하였다. 상기 이미지 파일을 동일한 면적으로 16개로 분할한 후 각 분할면에서 RGB값을 도출한 평균값을 도 14에 나타내었다.When observing damage to the fiber-reinforced composite material according to the present invention, it was attempted to determine whether it was affected by the shooting distance. Specifically, the fiber-reinforced composite material of Example 3 was photographed at different shooting distances using a general smart phone (LG Q92) to obtain image files, and RGB color values were extracted from the images using a PPT program. The image file was divided into 16 equal areas, and the average RGB values derived from each divided surface are shown in Fig. 14.
도 13은 다양한 촬영 거리로 촬영한 실시예 3의 섬유강화 복합재료의 사진이고, 도 14는 다양한 촬영 거리로 촬영한 실시예 3의 섬유강화 복합재료의 사진으로부터 RGB를 분석한 결과 그래프이다. Fig. 13 is a photograph of the fiber-reinforced composite material of Example 3 taken at various shooting distances, and Fig. 14 is a graph of the results of analyzing RGB from the photographs of the fiber-reinforced composite material of Example 3 taken at various shooting distances.
도 13 및 도 14에 따르면, 동일한 시편(실시예 3의 섬유강화 복합재료)에 대해 촬영거리를 달리하여 촬영하면, RGB 값이 달라졌으나 촬영거리가 15 ㎝부터는 R값이 균일하게 측정되었다. 상기 결과를 토대로 촬영거리가 15 cm 이상인 것이 바람직하다는 것을 확인하였다. CMYK로 측정할 경우에는 1 m까지도 판별이 가능하므로 15 cm~1 m 인 것이 촬영거리로 바람직하며, RGB 색도값보다 CMYK 색도값으로 비교하는 것이 보다 정확하게 손상부분과 비손상부위의 차이를 나타내므로 CMYK 색도값을 사용하는 것이 가장 바람직하다는 것을 확인하였다.According to FIGS. 13 and 14, when the same specimen (fiber-reinforced composite material of Example 3) was photographed at different shooting distances, the RGB values were different, but the R value was measured uniformly when the shooting distance was 15 cm or more. Based on the above results, it was confirmed that the shooting distance is preferably 15 cm or more. When measuring with CMYK, discrimination is possible up to 1 m, so a shooting distance of 15 cm to 1 m is preferable. In addition, it was confirmed that using CMYK chromaticity values rather than RGB chromaticity values more accurately shows the difference between damaged and undamaged areas, so it is most preferable to use CMYK chromaticity values.
실험예 12 : CMYK에 의한 정량분석Experimental Example 12: Quantitative Analysis by CMYK
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료의 손상을 관찰할 때, 손상 종류에 따른 CMYK 값의 정량적 평가를 수행하였다. 구체적으로 실시예 3의 섬유강화 복합재료 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 15 cm에서 일반 스마트 폰(LG Q92)을 통해 이미지 파일을 얻은 후, 상기 이미지로부터 PPT 프로그램을 통해 RGB 색도값을 측정하고, RGB 색도값을 CMYK 값으로 변환하여 분석하였다. CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, and Black) 측정은 RGB 변환 프로그램을 사용하여 수행하였다. 색이 변하지 않은 부분(pristine)과 색이 변한 부분(crack)에서 각각 10 포인트에서 CMYK 색도값을 도출하고, 이들의 평균값을 나타내었다.When observing damage of the fiber-reinforced composite material according to the present invention, a quantitative evaluation of CMYK values according to the type of damage was performed. Specifically, the fiber-reinforced composite material of Example 3 and the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 were image files obtained at 15 cm using a general smart phone (LG Q92), and then the RGB chromaticity values were measured from the images using a PPT program, and the RGB chromaticity values were converted to CMYK values and analyzed. CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, and Black) measurement was performed using an RGB conversion program. The CMYK chromaticity values were derived at 10 points each from the part where the color did not change (pristine) and the part where the color changed (crack), and their average value was presented.
도 15는 비교예 4의 섬유강화 복합재료(좌)와 실시예 3의 섬유강화 복합재료(우)의 손상 종류에 따른 CMYK 수치 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.Figure 15 is a graph showing the change in CMYK values according to the type of damage in the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 (left) and the fiber-reinforced composite material of Example 3 (right).
도 15에 따르면, 손상되기 전 비교예 4의 섬유강화 복합재료(pristine)는 애초에 C와 M 값이 매우 낮아, 균열(crack) 손상이 발생한 부위에서 유의한 색상 차이가 관찰되지 않으므로, CMYK 값으로 손상여부를 확인이 어렵다.According to Figure 15, the fiber-reinforced composite material (pristine) of Comparative Example 4 before damage had very low C and M values to begin with, so no significant color difference was observed in the area where crack damage occurred, making it difficult to confirm damage using CMYK values.
반면 실시예 3의 섬유강화 복합재료는 손상 전에 CMYK 값이 높게 측정되다가, 극명한 손상이 발생하면 M, Y, K 값이 모두 큰 폭으로 감소하므로 육안과 수치로 쉽고 정확한 확인이 가능하다. 실시예 3의 섬유강화 복합재료는 손상 정도에 따라 CMYK 값이 다르므로, 손상 정도에 대한 정성적 평가와 정량적 평가가 모두 가능하다는 것을 알 수 있다.On the other hand, the fiber-reinforced composite material of Example 3 has high CMYK values before damage, and when significant damage occurs, the M, Y, and K values all decrease significantly, so that easy and accurate confirmation is possible with the naked eye and numerically. Since the fiber-reinforced composite material of Example 3 has different CMYK values depending on the degree of damage, it can be seen that both qualitative and quantitative evaluations of the degree of damage are possible.
실험예 13 : 섬유강화 복합재료의 손상분석Experimental Example 13: Damage Analysis of Fiber-Reinforced Composite Materials
본 발명에 따른 섬유강화 복합재료에 400N 굴곡응력을 가한 경우, 손상 부위의 육안 관찰이 가능한지, CMYK 값의 정량적 평가 및 흑백 이미지 변환을 통해 평가할 수 있는지를 분석하였다. 구체적으로 실시예 3의 섬유강화 복합재료 및 비교예 4의 섬유강화 복합재료를 15 cm에서 일반 스마트 폰(LG Q92)을 통해 이미지 파일을 얻은 후, 상기 이미지로부터 PPT 프로그램을 통해 RGB 색도값을 측정하고, RGB 색도값을 CMYK 값으로 변환하여 분석하였다. CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, and Black) 측정은 RGB 변환 프로그램을 사용하여 수행하였다. 색이 변하지 않은 부분(pristine)과 색이 변한 부분(crack)에서 각각 10 포인트에서 CMYK 색도값을 도출하고, 이들의 평균값을 나타내었다.When a 400 N bending stress is applied to the fiber-reinforced composite material according to the present invention, it was analyzed whether the damaged portion can be observed with the naked eye and whether it can be evaluated through quantitative evaluation of CMYK values and conversion to a black and white image. Specifically, the fiber-reinforced composite material of Example 3 and the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 were image files obtained at 15 cm using a general smart phone (LG Q92), and then the RGB chromaticity values were measured from the images using a PPT program, and the RGB chromaticity values were converted to CMYK values for analysis. CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, and Black) measurement was performed using an RGB conversion program. The CMYK chromaticity values were derived at 10 points each from the part where the color did not change (pristine) and the part where the color changed (crack), and their average value was presented.
도 16은 실시예 3의 섬유강화 복합재료가 다양한 굴곡 응력(flexural stress)으로 손상된 후, 상기 실시예 3의 섬유강화 복합재료의 결함 부위에서의 색변화를 시각적으로 데이터화한 그래프이다. 도 16의 좌측 하단은 흑백으로 이미지 변환하여 손상 정도를 대비적으로 확인하고자 한 결과이다.Fig. 16 is a graph visually dataifying the color change at a defective portion of a fiber-reinforced composite material of Example 3 after the fiber-reinforced composite material of Example 3 is damaged by various flexural stresses. The lower left of Fig. 16 is the result of converting the image to black and white to check the degree of damage in contrast.
도 17은 안료가 사용되지 않은 순수 섬유강화 복합재료(비교예 4)가 다양한 굴곡 응력으로 손상된 후, 결함 부위에서의 색변화를 시각적으로 데이터화한 그래프와 사진이다.Figure 17 is a graph and photograph visually dataifying the color change at a defective site after a pure fiber-reinforced composite material (Comparative Example 4) without pigment was damaged by various flexural stresses.
도 16에 나타난 바와 같이, 섬유강화 복합재료에 굴곡응력이 가해지는 경우, 손상된 부분에서 적색 색상이 옅어지게 되고, 강화섬유(유리섬유의 투명 또는 흰색)의 색이 나타나므로, 손상 영역에서의 변화된 색의 대비가 뚜렷하게 발생하기 때문에 손상 또는 균열의 정도와 위치를 육안으로 확인할 수 있다.As shown in Fig. 16, when a bending stress is applied to a fiber-reinforced composite material, the red color in the damaged area becomes lighter and the color of the reinforcing fiber (transparent or white glass fiber) appears, so the contrast of the changed color in the damaged area becomes distinct, and the degree and location of the damage or crack can be confirmed with the naked eye.
구체적인 데이터화를 통해 정량적으로 손상 부위를 분석하기 위하여 색도값을 이용할 수 있으나, RGB 색도값의 경우에는 손상에 따른 색감지가 용이하지 못하기 때문에 CMYK 인자를 활용하는 바람직하다. 즉 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 손상이 없는 경우에는 분명한 적색을 띄고 있다가 외력에 의해 손상이 발생하면 손상, 파손 또는 균열이 발생한 영역에서 적색이 옅어져, 그 정도와 위치를 육안으로 정성적으로 진단 및 판단할 수 있다. 또한 상술한 손상, 파손 또는 균열에 대해 일반 카메라를 통한 이미지 파일 생성으로 색도값을 추출하여 수치적으로도 용이하게 비교할 수 있다. 상기 분석과정에 고가의 장비나 별도의 프로그램이 필요하지 않으므로 매우 경제적이라는 장점이 있다.In order to quantitatively analyze the damaged area through specific data, the color value can be used, but in the case of the RGB color value, it is not easy to recognize the color according to the damage, so it is preferable to utilize the CMYK factor. That is, the fiber-reinforced composite material according to the present invention has a clear red color when there is no damage, and when damaged by an external force, the red color becomes lighter in the area where the damage, damage, or crack occurred, so that the degree and location can be qualitatively diagnosed and judged with the naked eye. In addition, the color value can be extracted by creating an image file using a general camera for the above-mentioned damage, damage, or crack, and it can be easily compared numerically. Since the above analysis process does not require expensive equipment or a separate program, it has the advantage of being very economical.
도 17에 나타난 바와 같이, 비교예 4의 섬유강화 복합재료는 손상부위와 손상되지 않은 부위에서의 색상 차이가 분명하지 않으므로 육안으로 바로 확인이 어렵고, 색도값의 추출도 용이하지 않다는 것을 확인할 수 있다.As shown in Fig. 17, the fiber-reinforced composite material of Comparative Example 4 has a color difference between the damaged and undamaged areas that is not clear, making it difficult to confirm with the naked eye, and it is also not easy to extract the color value.
또한, 종래 섬유강화 복합재료는 첨가제로써 안료 또는 염료가 포함되거나, 페인팅되어 사용되었다. 본 발명의 실험예를 통해 적색 외의 색을 사용할 경우 손상에 따른 색 변화의 차이를 확인할 수 없음을 확인하였고, 안료 또는 분산염료가 아닌 착색제를 0.13 중량부를 초과하여 사용하는 경우, 색상 구현이 제대로 이루어지지 않을 뿐만 아니라 손상에 따른 색 변화가 유의미하지 않아 색도값 만으로 쉽게 진단할 수 없다는 문제가 있었다.In addition, conventional fiber-reinforced composite materials have been used with pigments or dyes as additives, or have been painted. Through the experimental examples of the present invention, it was confirmed that when a color other than red is used, the difference in color change due to damage cannot be confirmed, and when a colorant other than a pigment or disperse dye is used in excess of 0.13 parts by weight, not only is the color not properly implemented, but there is also a problem that the color change due to damage is not significant, making it difficult to easily diagnose with only the chromaticity value.
이에 반해, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재료는 극미량의 적색 안료(0.13 중량부)를 사용하여 우수한 기계적 물성 뿐만 아니라, 손상 여부/손상 정도를 진단할 수 있는 새로운 기능성을 갖는 섬유강화 복합재료를 제공할 수 있다.In contrast, the fiber-reinforced composite material according to the present invention can provide a fiber-reinforced composite material having not only excellent mechanical properties but also a new functionality that can diagnose the presence/degree of damage by using a very small amount of red pigment (0.13 parts by weight).
Claims (14)
섬유강화 복합재료용 조성물;을 포함하는 손상 감지가 가능한 섬유강화 복합재료로,
상기 섬유강화 복합재료용 조성물은 열경화성 수지 100 중량부에 대하여 경화제 25 내지 35 중량부 및 고채도 마젠타 안료(Cinquasia® Magenta D 4570) 0.13 중량부를 포함하고,
상기 섬유강화 복합재료는 외력에 의해 물리적 손상이 발생하는 경우, 해당부위에 CMYK 색도값 또는 RGB 색도값이 40% 내지 50% 감소하는 것을 특징으로 하는 손상 감지가 가능한 섬유강화 복합재료.Reinforcing fibers; and
A damage-detectable fiber-reinforced composite material comprising a composition for a fiber-reinforced composite material;
The composition for the above fiber-reinforced composite material contains 25 to 35 parts by weight of a hardener and 0.13 parts by weight of a high-chroma magenta pigment (Cinquasia® Magenta D 4570) per 100 parts by weight of a thermosetting resin.
The above fiber-reinforced composite material is a damage-detectable fiber-reinforced composite material, characterized in that when physical damage occurs due to an external force, the CMYK chromaticity value or RGB chromaticity value in the relevant area decreases by 40% to 50%.
상기 열경화성 수지는 비스페놀 A 형 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.In the first paragraph,
A fiber-reinforced composite material, characterized in that the thermosetting resin is a bisphenol A type epoxy resin.
상기 경화제는 지방족 아민계 경화제, 아미도아민계 경화제 및 페날카민(phenalkamine)계 경화제로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.In the first paragraph,
A fiber-reinforced composite material, characterized in that the curing agent is at least one selected from the group consisting of an aliphatic amine-based curing agent, an amidoamine-based curing agent, and a phenalkamine-based curing agent.
상기 섬유강화 복합재료는 상기 섬유강화 복합재료용 조성물에 상기 강화섬유를 함침시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.In the first paragraph,
The above fiber-reinforced composite material is a fiber-reinforced composite material characterized in that it is manufactured by impregnating the reinforcing fiber into the composition for the fiber-reinforced composite material.
상기 강화섬유는 유리 섬유, 천연 섬유, 금속 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 아릴레이트 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유, 레이온 섬유, 바살트 섬유, 방향족 폴리아미드 섬유, 폴리아라미드 섬유, 알루미나 섬유 및 붕소 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료.In the first paragraph,
A fiber-reinforced composite material, characterized in that the reinforcing fiber is at least one selected from the group consisting of glass fiber, natural fiber, metal fiber, ultra-high molecular weight polyethylene fiber, polyacrylonitrile fiber, arylate fiber, polyether ether ketone fiber, rayon fiber, basalt fiber, aromatic polyamide fiber, polyaramid fiber, alumina fiber, and boron fiber.
상기 섬유강화 복합재료에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 색 변화가 일어나며,
상기 색 변화는 상기 섬유강화 복합재료의 광학 이미지로부터 CMYK 색도값을 조사하여 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.A system for structural safety diagnosis comprising a fiber-reinforced composite material according to Article 1,
When force, stress or strain is applied to the above fiber-reinforced composite material, a color change occurs.
A system for structural safety diagnosis, characterized in that the color change is measured by examining CMYK chromaticity values from an optical image of the fiber-reinforced composite material.
ⅰ) 제11항의 섬유강화 복합재료를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템을 카메라로 촬영하여 이미지를 획득하는 단계;
ⅱ) 상기 이미지로부터 CMYK(Cyan, Magenta, Yellow, Key) 색도값을 추출하는 단계; 및
ⅲ) 상기 추출된 색도값을 근거로 상기 구조 안전 진단용 시스템의 손상 정보를 도출하는 단계;를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.In the analysis method of a system for structural safety diagnosis including a fiber-reinforced composite material of Article 11,
i) A step of obtaining an image by photographing a system for structural safety diagnosis including a fiber-reinforced composite material of Article 11 with a camera;
ⅱ) a step of extracting CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key) color values from the image; and
ⅲ) A method for analyzing a structural safety diagnosis system, comprising: a step of deriving damage information of the structural safety diagnosis system based on the extracted color value.
상기 ⅰ) 단계에서 구조 안전 진단용 시스템과 카메라의 거리는 15 cm 내지 1 m인 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.In Article 12,
An analysis method of a structural safety diagnosis system, characterized in that the distance between the structural safety diagnosis system and the camera in the step i) above is 15 cm to 1 m.
상기 ⅲ) 단계에서 상기 색도값이 초기 색도값에 비해 30 내지 50% 이상 감소한 경우에는 손상된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.In Article 12,
An analysis method for a system for structural safety diagnosis, characterized in that if the color value in step ⅲ) above decreases by 30 to 50% or more compared to the initial color value, it is judged to be damaged.
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