이헌우
(Heon-Woo Lee)
1
노진원
(Jin-Won Noh)
2
김영찬
(Young-Chan Kim)
3
허종완
(Jong-Wan Hu)
4†iD
-
정회원 ․ 인천대학교 건설환경공학과 박사과정
(Incheon National University · agiko0@inu.ac.kr)
-
인천대학교 건설환경공학과 석사과정
(Incheon National University · danoer32@inu.ac.kr)
-
정회원 ․ 인천대학교 산학협력단 연구원, 인천방재연구센터 연구교수
(Incheon National University · channy0409@inu.ac.kr)
-
정회원 ․ 교신저자 ․ 인천대학교 도시환경공학부 정교수 인천방재연구센터 센터장
(Corresponding Author · Incheon National University · jongp24@inu.ac.kr)
Copyright © 2021 by the Korean Society of Civil Engineers
키워드
폴리케톤, 폴리우레탄, 압축소재, 회복력, 자가치유 소재
Key words
Polyketon, Polyurethane, Compressed material, Recentering force, Self-healing material
1. 서 론
신소재란 새로운 기술을 활용하여 기존의 원료들을 배합함으로써 우수한 특성을 지니는 새로운 물질을 뜻하기도 하지만 기존에 사용하던 소재의 결점을 보완하여
우수한 특성을 창출할 수 있는 물질을 의미한다. 따라서 특정 분야에서 사용하던 소재를 다른 분야에서 사용함으로써 그 분야에서 사용하던 소재의 결점을
보완할 수 있다면 이를 신소재로 분류할 수 있다. 예를 들어 금이라는 소재는 단위무게가 크고 쉽게 변형이 발생할 수 있는 특성을 나타내지만, 특유의
색과 광택, 부식에 강한 특성으로 인해 과거부터 장신구로 사용되었다. 하지만 현대에서는 장식 분야가 아니라 금의 연성 특성과 우수한 전도성을 활용하여
반도체와 같은 부품의 전극에 배선으로도 사용된다. 이러한 예시를 새로운 용도의 발견이라는 관점으로써 신소재라고 할 수 있다(Bogue, 2012; Bahl et al., 2020).
내진 구조 분야에서 구조물에 설치하여 내진 성능을 향상시키기 위한 면진 받침 혹은 댐퍼 장치는 내부의 압축재로 고무를 주로 사용해왔다. 하지만 최근에는
내마모 및 단열 특성이 우수하여 방수재나 실내 바닥재로써 사용해왔던 폴리우레탄의 우수한 탄성 특성을 활용하여 고무를 대체할 수 있는 압축재로 제안되었다(Chen et al., 2022; Doman et al., 2006). 이러한 폴리우레탄은 압축환경에서 33 %, 인장환경에서 17 %의 변형에 대하여 완벽한 탄성 특성을 발현하기 때문에 기존의 압축재인 고무를 대체하여
신소재로 사용되고 있다(Mancke and Landel, 1972). 또한, 고무는 변형이 발생한 다음 순간적으로 원형으로 돌아오는 특성이 뛰어나지만, 폴리우레탄은 고무에 비해 부드럽게 원형으로 돌아오는 특성을 나타내며
단위 부피에 비해 상당히 우수한 강도특성을 나타낸다. 하지만 폴리우레탄은 구조물에 발생한 변위를 완벽히 회복하기에는 다소 회복특성이 약한 단점이 있다.
본 연구에서는 기존의 내진 장치에서 활용된 압축재보다 뛰어난 강도 성능을 나타내는 폴리케톤이라는 신소재를 소개하고자 한다. 폴리케톤은 현재 파이프,
기계부품, 필름, 식판 등 다양한 분야에서 사용되는 소재로 광범위한 온도영역에서 우수한 충격 특성을 지닌 고분자 소재이다. 또한, 우수한 복원 및
인성 특성을 나타내고 고분자 결합 시 CO를 매개체로 Carbon main chain을 형성하기 때문에 탄소 배출량을 저감해야 하는 현대시대에 보다
친환경적인 장점을 부각시킬 수 있는 소재로써 일부 분야에서 최근 연구가 진행되고 있다.
따라서 본 연구에서는 내진 구조 분야에서 폴리케톤을 압축재로 적용하기 위하여 특성이 다른 두 가지 종류의 폴리케톤에 대한 인장실험을 진행하고 이 중
우수한 종류의 폴리케톤을 압축 시편으로 제작하여 동일한 형상의 폴리우레탄과 비교 압축실험을 수행하여 소재 특성을 확인 및 검증한다. 압축실험은 단순압축실험과
반복 하중 조건에서의 반복 압축 실험을 진행하며 압축 속도에도 변화를 주어 폴리케톤의 변형에 있어 속도 의존성을 확인하고자 한다. 또한, 폴리케톤과
폴리우레탄에 선행압축을 적용하여 회복력을 부여함으로써 각 소재가 내진 장치에 적용되었을 때 발생한 변위를 회복할 수 있는 능력을 평가하고자 한다.
2. 폴리케톤의 물적 특성 실험
2.1 폴리케톤의 특성
본 연구에서는 폴리케톤이라는 신소재를 구조 압축 소재로서 활용하기 위해 검증 연구를 진행하였지만 폴리케톤은 파이프, 완구, 화장품, 필름 등 다양한
분야로써 사용할 수 있는 신소재이다. 때문에 GFRP 보강, 내후성 보강 등 제작 및 보강 방법에 따라 특성이 달라져 상당히 많은 종류가 존재한다.
본 연구에서는 순수한 폴리케톤의 압축특성을 확인하기 위해 보강되지 않은 폴리케톤을 사용하고자 하였다. 순수한 폴리케톤은 Table 1과 같이 세가지 종류가 있다. P1과 P2 폴리케톤은 사출성형 방식으로 제작되었으며 밀도가 1.24 g/cm3이다. P3 폴리케톤은 압출 성형 방식으로 제작되었으며 밀도가 1.22 g/cm3이다. 이러한 특성을 확인하였을 때 밀도가 다소 높은 P1, P2 폴리케톤의 하중 성능이 다소 우수할 것으로 예상하였다. 이때, P2 폴리케톤은 압축실험을
위한 시편을 제작하기에는 성형성이 저조하여 P1 폴리케톤을 압축시편으로 제작하여 연구를 진행하였다.
Table 1. Properties of Polyketone
|
Case ID
|
Production method
|
Density (g/cm3)
|
Melt index (g/10 min)
|
|
P1
|
Injection method
|
1.24
|
6
|
|
P2
|
Injection method
|
1.24
|
60
|
|
P3
|
Extrusion method
|
1.22
|
3
|
2.2 폴리케톤의 단순 압축실험 설계
구조 내진분야에 있어 압축재로서의 폴리케톤의 성능을 확인하기 위해 P1 폴리케톤(이하 폴리케톤)을 압축 시편으로 제작하였다. 압축시편의 형태는 압축변형이
발생하였을 때 변형의 형상이 모든 방향에서 일정할 수 있도록 직경 80 mm, 높이 100 mm의 원기둥 형태로 제작하였으며, 내진 장치의 부품으로
고정철물 없이 쉽게 적용할 수 있도록 내부에 직경 20 mm의 구멍을 형성하였다. 또한, 실용적인 폴리케톤의 성능평가를 위해 (Kim et al., 2023a)의 연구에서 내진 장치에 적용된 폴리우레탄을 동일한 형태로 제작하여 실험을 진행하였다(Fig. 1). 실험은 단순 압축실험으로 1,000 kN 하중용량의 UTM을 활용하여 진행되었으며 압축 시 속도 의존성을 확인하기 위하여 0.5 mm/sec,
1.0 mm/sec의 두 가지 시험속도로 실험을 진행하였다. 압축 길이는 선행연구에 따라 폴리우레탄이 파괴되지 않는 시편 길이 100 mm의 60
%에 해당하는 60 mm까지 충분한 변형을 가하여 특성을 확인하였다(Kim et al., 2023b).
Fig. 1. Compression Test Specimen
2.3 폴리케톤의 단순 압축실험 결과
Fig. 2는 폴리케톤과 폴리우레탄의 단순 압축실험결과를 힘-변위 그래프로 나타낸 그림이다. 시험속도 0.5 mm/sec의 폴리우레탄을 압축하였을 떄 최종 하중은
190.68 kN, 1.0 mm/sec의 속도에서는 202.90 kN으로 나타났다. 시험이 끝난 이후에도 폴리우레탄은 파괴되지 않았으며 압축실험 전의
시편 형태를 유지하였다. 이와 비교하여 시험속도 0.5 mm/sec의 폴리케톤은 736.04 kN의 하중을 나타냈으며 1.0 mm/sec의 폴리케톤은
735.60 kN의 하중을 나타냈다. 압축 속도에 따라 각 재료는 하중의 변화가 크지 않은 것으로 판단하였다. 폴리케톤은 40 % 이상의 변형이 발생하면
파괴되는 거동을 그래프를 통해 확인할 수 있지만, 하중 성능이 폴리우레탄에 비해 평균 3.74배 높은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 폴리케톤의
압축변형이 40 %를 넘지 않도록 설계하면 폴리우레탄이 적용된 장치에 비해 훨씬 하중 성능이 뛰어난 내진 장치를 제작할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 2. Force-displacement Results of Polyketone and Polyurethane: (a) Polyurethane-0.5 mm/sec, (b) Polyurethane-1.0 mm/sec, (c) Polyketone-0.5 mm/sec, (d) Polyketone-1.0 mm/sec
3. 폴리케톤 압축재 성능평가
3.1 반복 압축실험 설계
구조물의 내진성능을 향상시키기 위한 댐퍼 및 면진받침과 같은 내진 장치에는 다양한 기술이 적용되므로 연구개발이 활발히 진행되고 있다(Gökçe et al., 2019; Mizari et al., 2021). 이와 관련된 연구 중에서 발생된 변위를 자동적으로 회복하게 하기 위한 연구로 압축재가 장치에 적용되기 전에 선행압축을 가하여 재료에 회복력을 부여하는
연구가 진행된 사례가 있다(Ju and Hu, 2021; Choi et al., 2017). 따라서 본 연구에서도 폴리케톤의 우수한 강도 및 탄성 특성을 활용하기 위해 선행압축을 가하여 반복 압축실험을 진행하였다. 선행압축을 가하는 방법은
Fig. 3과 같이 특수 제작된 지그에 단순 압축실험과 동일한 형태의 폴리케톤을 삽입하여 UTM으로 일정량의 선행압축을 가한다. 이후 지그에 장착된 볼트를 통해
발생된 변위를 회복하지 못하도록 구속한다. 이렇게 적용된 선행압축은 UTM의 압축이 제거되어도 재료 내부에서 변위를 회복하고자 하는 반발력이 발생하며
본 연구에서는 이러한 반발력을 회복력이라고 정의하고 성능평가를 수행하였다.
지진이란 하중은 한번의 하중이 발생하지 않고 다양한 방향에서 반복되기 때문에 폴리케톤을 내진 구조 분야에서 압축재로 사용하기 위해서는 반복 하중에서의
평가가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 회복력과 압축 속도, 압축 소재의 재료를 변수로 하여 반복 압축실험을 진행하고자 한다. 앞서 단순 압축실험을
통해 폴리케톤은 약 2 %의 압축변형에서 항복하는 것으로 판단되었다. 따라서 반복 압축실험에서는 항복 변위만큼 변위가 증가해 가며 같은 변위에서 3회씩
압축을 반복하는 하중 주기에 대해 실험을 진행하였다. 압축실험의 변수 중에서 선행압축의 양은 5 %(5 mm)로 설정하였으며 폴리케톤에 균열이 발생하는
것을 방지하기 위해 최종변위는 40 mm 이하로 설정해야 한다. 이때, 하중 주기가 항복 변위인 2 mm씩 증가해야 하는 점과 선행압축이 5 mm만큼
적용된다는 점을 반영하여 최종변위를 24 mm로 설정하였다. 또한, 각 시편을 변수가 적용된 Case ID를 부여하였으며 Table 2에 나타내었다.
Fig. 3. Pre-compression Application Procedure
Table 2. Compression Test Results of Polyketone
|
Case ID
|
Variable
|
|
Material
|
Loading Speed (mm/sec)
|
Pre-compression (mm)
|
|
PK5
|
Polyketone
|
0.5
|
0
|
|
PK10
|
Polyketone
|
1
|
0
|
|
PPK5
|
Polyketone
|
0.5
|
5
|
|
PPK10
|
Polyketone
|
1
|
5
|
|
PU5
|
Polyurethane
|
0.5
|
0
|
|
PU10
|
Polyurethane
|
1
|
0
|
|
PPU5
|
Polyurethane
|
0.5
|
5
|
|
PPU10
|
Polyurethane
|
1
|
5
|
3.2 반복압축실험 결과
Fig. 4와 Fig. 5는 각 변수가 적용된 폴리케톤과 폴리우레탄의 반복압축 실험결과를 힘-변위로 나타낸 그래프이다. 두 가지의 힘-변위 그래프 모두에서 선행압축이 적용됨에
따라 최대하중이 다소 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 압축 후 새로운 변위에서 압축을 가할 때 발생하는 하중이 0 kN이 아니라 지진 이후
구조물이나 댐퍼장치에 발생한 변위를 회복할 수 있는 회복력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 각 케이스 별로 최대하중은 PK5(525.40 kN),
PK10(497.66 kN), PPK5(558.32 kN), PPK10(526.30 kN), PU5(45.68 kN), PU10(45.42 kN),
PPU5(55.86 kN), PPU10 (55.46 kN)으로 나타났다. 폴리케톤의 경우 속도가 빠른 경우 최대하중이 다소 낮아지는 경향을 나타냈지만
폴리우레탄과 비교하였을 때 평균 최대 하중이 10.49배나 증가하는 성능차이를 보여주어 폴리케톤의 하중특성의 우수성을 입증하였다.
Fig. 6은 선행압축이 5 mm씩 적용된 폴리케톤과 폴리우레탄의 변위별 회복력을 나타낸 그래프이다. 이때, 변위별로 회복력은 3회씩 나타나기 때문에 평균값을
도시하였다. 폴리케톤의 경우 14 mm의 변위부터 시편에 잔류변위가 발생하기 시작하며 회복력이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있으며 폴리우레탄은 실험이
끝날 때까지 회복력이 잔존하는 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 통해 다소 폴리우레탄이 폴리케톤에 비해 회복특성이 뛰어난 것처럼 보일 수 있지만 회복력의
크기를 보게 되면 폴리케톤의 우수성을 확인할 수 있다. 초기 회복력을 확인해보면 폴리우레탄은 13.74 kN, 폴리케톤은 197.78 kN의 회복력을
나타낸다. 이는 14.4배의 차이로 작은 변위가 발생하였을 때는 폴리케톤이 구조물이나 댐퍼 및 면진받침에 발생한 변위를 상당히 우수하게 회복시킬 수
있을 것으로 기대되었다. 또한, 폴리케톤에서 최종적으로 회복력을 나타낸 변위인 12 mm에서는 평균 17.94 kN의 회복력을 나타내며 폴리우레탄의
초기 회복력보다 큰 양상을 나타내었다.
Fig. 4. Force-displacement Results of Polyketone: (a) PK5, (b) PK10, (c) PPK5, (d) PPK10
Fig. 5. Force-displacement Results of Polyurethane: (a) PPK5, (b) PPK10, (c) PPU5, (d) PU10
Fig. 6. Recentering Force of Polyketone and Polyurethane Applied with Pre-compression: (a) PPK5, (b) PPK10, (c) PPU5, (d) PPU10
4. 결 론
구조 내진분야에서 폴리케톤의 압축재 적합성을 평가하기 위해 기존에 사용되던 폴리우레탄과의 비교실험을 수행하였다. 폴리우레탄은 고무보다 우수한 탄성
특성을 가지고 있으나 지진에 의해 발생한 구조물의 변형을 회복하기에는 회복특성이 낮은 단점이 있다. 이에 반해, 폴리케톤은 폴리우레탄과 비교하여 매우
우수한 압축성능을 나타내므로 실험을 통해 이를 입증하고자 하였으며, 압축성능을 평가하기 위해 폴리케톤과 폴리우레탄의 단순 압축실험과 반복 압축실험을
수행하였다. 반복 압축실험에서는 특수 제작된 지그를 활용하여 회복력을 부여하였으며 폴리케톤과 폴리우레탄의 압축재 성능을 평가한 결론은 다음과 같다.
본 연구의 실험 비교분석 결과를 통해 폴리케톤이 폴리우레탄에 비해 높은 하중 성능을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 단순 압축실험에서 실험속도 0.5
mm/sec와 1.0 mm/sec에서 폴리케톤은 각각 736.04 kN, 735.60 kN의 최대하중을 나타냈으며 폴리우레탄은 190.68 kN,
202.90 kN으로 나타난 것을 보아 폴리케톤의 경우 압축 속도에 따라서 하중의 변화가 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 폴리케톤은 변형률이
40 %에 도달하면 파괴하는 거동을 보였으나 폴리우레탄에 비해 평균 3.74배 높은 하중을 확인할 수 있었다. 반복 압축실험 결과를 통해 폴리케톤은
실험속도가 더 빠른 경우에 최대하중이 소폭 감소하는 것을 확인할 수 있었으나 폴리우레탄의 평균 10.49배에 상응하는 최대하중을 나타냈다. 또한,
선행압축 5 mm가 적용된 폴리케톤과 폴리우레탄의 변위별 회복력을 비교한 결과, 폴리케톤은 14 mm부터 잔류변형이 급격하게 증가하였지만, 폴리우레탄과
동일 변위에서 비교하였을 때 회복력의 크기가 각각 197.78 kN, 13.74 kN으로 폴리케톤이 약 14.4배 높은 회복력을 보여주었다. 이 결과를
통해 폴리케톤을 압축 부재로 사용하면 구조물에 발생한 변형도 회복할 수 있을 것으로 기대되었다.
본 연구에서는 신소재 폴리케톤을 기존에 압축 부재로 사용되고 있는 폴리우레탄과 압축 비교실험을 통해 폴리케톤의 압축특성을 확인하여 하중 및 회복력
측면에서의 우수성을 검증하였다. 실험결과를 바탕으로 폴리케톤의 최대변위를 40 % 이내로 설정하여 재료의 파괴를 방지하고 작은 변위 내에서의 우수한
회복능력을 바탕으로 댐퍼 및 면진받침에서의 향후 사용성에 대해 검토할 예정이다. 또한, 실험속도에서 명백한 차이를 두어 폴리케톤의 속도 의존성을 더욱
면밀히 관찰할 계획이며 실험결과의 신뢰성을 향상시키기 위해 유한요소해석을 진행하고자 한다.
Acknowledgements
This research was supported by Basic Science Research Program through the National
Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education(grant number
: RS-2023-00248140).
References
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