섬유 강화 열가소성 복합재료는 일반적으로 자동차 산업에서 제품의 기계적 성질을 향상시키고 뒤틀림 변형 문제를 줄이기 위해 사용된다. 기존의 섬유는 일반적으로 막대 모양에 원형 및 다양한 모양의 횡단면을 가지는데, 최근 일본 도쿄의 방직품 및 유리섬유 제조업체 Nitto Boseki (NITTOBO)가 플랫 섬유 기술[1]을 개발하였다. 플랫 섬유의 횡단면은 직사각형에 근접하며, 그 편평율(FR)은 길이를 너비로 나누어 계산한다(그림 1).

그림 1　일반 섬유 및 플랫 섬유

원형 횡단면의 섬유는 일반 섬유로 불린다. 공개된 특허 및 보고서[1]에 따르면， 플랫 섬유(너비 7 µm， 길이 28 µm， FR = 4)로 충전된 열가소성 재료 플레이트의 뒤틀림 변형 상황은 일반 섬유보다 미세하고[2]， 그 변형 정도 개선율은 80% 이다.

그러나 현재 플랫 섬유 복합재료에 대한 학술 연구가 매우 적고, 기존의 첨단 기술조차도 플랫 섬유 충전물의 성형 과정을 시뮬레이션할 수 없기 때문에  매우 도전적인 난제가 되었다. 따라서 현재 시급한 과제는 플랫 섬유 복합재료 강화 제품의 이점을 예측할 수 있는 방법을 찾아내는 것이다. Moldex3D 최신 버전은 첨단 플랫 섬유 사출 성형을 시뮬레이션하여 변형 상황을 관찰하고 개선할 수 있다.

다음 사례는 각각 원형 섬유와 플랫 섬유가 포함된 복합재료에 대한 관찰이며, 그 유리 섬유/PP의 농도비는 0wt%이다. 그 중 원형 섬유의 길이 LF는 0.3 mm이고, 섬유 직경은 15 µm， 종횡비는 20이다. 플랫 섬유의 길이 L_F는 0.5 mm이고, 편평율F_R=4， 길이 L_min= 7µm ， 너비 L_max  = 28µm 이다.

그림 2의 시뮬레이션 결과에 따르면, 원형 섬유와 비교해서 플랫 섬유의 뒤틀림 변형이 분명하게 개선되었다는 것을 알 수 있다. 또한 그림 3도 플랫 섬유의 X축 유동 길이에 따른 Y방향(두께 방향)의 변위가 원형 섬유보다 60% 감소되었음을 나타낸다. 이를 통해, Moldex3D 소프트웨어가 플랫 섬유의 뒤틀림 변형 현상을 성공적으로 시뮬레이션함에 따라, 플랫 섬유가 첨가된 열가소성 재료가 앞으로 더 광범위하게 응용될 수 있다는 것을 설명하였다 [3].

그림 2　원형 섬유(상단 그림)와 플랫 섬유(하단 그림)의 뒤틀림 시뮬레이션 결과 비교

그림 3　원형 섬유와 플랫 섬유의 Y방향 변위 비교

Reference Source:

쩡환창(曾煥錩) 박사 코어테크 시스템 (Moldex3D) 연구개발부　프로젝트 매니저 타이완교통대학 응용화학 박사로 폴리머 유변학, 고분자 복합재료 가공 및 분자 사뮬레이션 전공. 새로운 섬유 배향 방식 연구 성과로 미국 특허 획득 및 세계 유수의 고분자 유변학 저널Journal of Rheology® 2016에 게재.