FRP조형물의 모든 것! - ① FRP란?

안녕하세요~ 이번 주제는 FRP조형물의 모든 것! 소재에 대한 것부터 제작 방법까지 차례대로 소개해볼까 합니다.

첫 주제는 FRP조형물을 만드는 재료인 FRP란 무엇인지 이 소재 관련해서 포스팅해보도록 하겠습니다.

 

1. FRP란..?

FRP(Fiber Reinforced Plastics)는 유리섬유강화플라스틱의 약자로 1940년대 초부터 사용되기 시작하여 1960년대 이후 유리섬유보다 우수한 탄소섬유가 출현해 플라스틱과 결합함으로써 기존에 사용되던 금속, 세라믹 재료 등을 대체하고 있으며 유리섬유, 탄소섬유, 케블라 등의 방향족 나일론 섬유와 불포화 폴리에스테르, 에폭시수지 등의 열경화성 수지를 결합한 물질로 철보다 강하고 알루미늄보다 가볍습니다.

 

현재는 건축자재, 보트의 몸체, 스키용품, 가정용 욕조, 헬멧, 테니스 라켓, 의자, 항공기 부품 등 생활에 필요한 여러 가지 제품에 활용되고 있으며 유리성분이 많이 포함되어 있어 파쇄하거나 소각처리가 어려워서 환경오염의 주범 가운데 하나로 인식되기도 합니다.

이 소재는 주로 유럽에서 많이 사용되고 있으며 1987년 현재 유럽에서 연간 소모되는 비율은 25%가 자동차 산업에 사용되고 있으며 주요 군용기의 약 25%, 민간항공기의 약 10%가 FRP로 제작되고 있습니다.

 

건설재료로는 내장재, 욕조, 물탱크 등에 사용되어왔지만 근래에는 주구조재로 이용하려는 경향이 두드러지고 있으며 국내에서도 점차 이 소재를 사용해 구조물을 제작하는 사례가 늘고 있는데요, 교량 구조재로도 사용되어 1986년에 오스트리아에서는 기존 부두를 대체하기 위해 FRP 교량을 제작하였고, 서독에서도 실험겸 실용을 위한 교량에 복합재료를 이용한 긴장재를 사용하였으며 체코슬로바키아와 중국에서도 보행자용 FRP교량을 건설했다고 합니다.

유리섬유와 플라스틱을 혼합한 물질인 복합재료는 복합화 기술을 통하여 다기능성 재료화 되며 지속적인 발전을 위해서는 복합화기술개발과 신소재를 지속적으로 개발 적용하여야 한다고 하는데요!

여기서 복합이란 무엇인지 잠깐 설명하고 갈게요!

 

∴ 복합이란??

일반적으로 2종류 이상의 소재를 조합해 새로운 소재를 만들어내는 것을 말하는 것으로 단일재료와 달리 사용 목적에 맞도록 소재를 선택하고 설계함으로서 용도에 맞추는 능동적 재료입니다.

이 복합재료의 특성은!

1. 복합재료의 특성은 다기능화될 수 있다.

2. 단일재료로 얻을 수 없었던 특성을 얻을 수 있다.

3. 강화재와 복합으로 종래의 플라스틱에서 예상할 수 없었던 경량재료를 만들 수 있다.

4. 순한 기계적 특성 뿐만 아니라 우수한 내식성이나 단열특성등 종래의 공업재료가 단기능적인데 반해 복합재료는 다기능적재료이다.

 

2. 종류

FRP의 종류는 수지(Resin)와 유리섬유(Glass Fiber)로 나눠집니다.

 

1) 수지 (Resin)

강화재(유리섬유)와 강화재(유리섬유)를 결합시키고, 유리섬유에 가해지는 하중을 분산시켜 주는 역할을 하는 액상 물질로 일반 수지와 내식 수지로 구분로 구분이 됩니다.

내식용 수지로는 노브락 비닐 에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 브롬화 비닐 에스테르 수지 등이 있습니다.

- 폴리에스텔수지

- 비닐에스텔수지

- 에폭시수지

- 페놀수지

- 열가소성수지

 

2) 유리섬유 (Glass Fiber)

유리섬유=는 수지와 함께 FRP를 구성하는 주요 요소로서 FRP제품의 보강재 역할을 하며 매트(Chopped Strand Mat), 로빙클로스(Roving Cloth), 글라스 로빙(Glass Roving), 서페이스 매트(Surface Mat)등이 있습니다.

- 유리섬유

- 탄소섬유

- 아라미드섬유

- 폴리에틸렌섬유

- 자이론섬유

- 보론섬유

 

3. 특성

1) 단일 재료에 비해 동일 탄성률일지라도 마찰에 의한 에너지 흡수성을 가진다.

2) 타 금속계 재료에 비해 우수한 내식성을 가지고 있다.

3) 비중이 철의 1/5로 중량에 비해서 우수한 강도를 가지고 있다.

4) 금속이온을 전혀 사용하지 않으므로 내용물에 금속이온의 용출이 없고 품질 변동이 발생하지 않는다.

5) 열전도율이 철의 약 1/200로 특별하지 않을 경우 별도의 보온이나 보냉이 필요하지 않는다.

6) 열경화성 수지를 대부분 사용하므로 고온에서 변형이 없으며, 저온에서도 Crack이 발생하지 않는다.

7) 국부 보수작업이 가능하여 유지, 보수에 용이하다.

8) 어떠한 형상의 제품도 제작 가능하고, 대량 생산도 가능하다.

 

4. 장단점

1) 장점

(1) 내식성이 우수 : 내식용 수지는 산(Acids), 알칼리(Alkalies), 염(Salts), 용제 류(Solvents) 등에 부식되거나 녹지 않는다.

(2) 내열성이 우수 : 고온에서도 연화하거나 변형되지 않고 또한 저온에서도 부서지지 않는다.

(3) 가볍고, 내구성이 강함 : 비중은 철의 약 1/5, 인장강도는 철의 1/3

(4) 다양한 성형 작업이 가능 : 목형 작업만 가능하다면 어떠한 형태로든 성형작업이 가능하다.

(5) 반투명해서 여러 가지 색 구현가능 : 수지 특성상 반투명하나 겔코트(안료)를 적절히 사용하여 여러 가지 색깔로 제품구현이 가능하다.

(6) 금속이온 용출이나 화학부식이 일어나지 않음 : 금속이온 용출이나 화학부식이 일어나지 않는다.(특성 수지 사용 시)

(7) 접삭성이 강해 타 재질과 혼성이 용이

(8) 파손 시 수리 보수가 용이

2) 단점

(1) 낮은 탄성 계수 : FRP의 탄성 계수는 목재의 2배이지만 강철의 10배로 강성이 불충분하고 제품 구조가 변형되기 쉽습니다.

(2) 불량 장기간 온도 저항 : 일반적으로 FRP는 고온에서 장시간 사용할 수 없습니다.

범용 폴리에스테르 강도는 50°C보다 낮으며 일반적으로 100°C이하에서만 사용되며 범용 에폭시는 60°C이상이며 강도가 감소합니다. 단, 고온용 수지는 200~300℃의 장시간 사용이 가능하도록 선택할 수 있습니다.

(3) 에이징 현상 : 노화는 일반 플라스틱의 특징으로 자외선, 모래, 비, 눈, 화학적 매개체 및 기계적 응력의 영향으로 성능 저하를 일으킵니다.

(4) 낮은 전단 강도 : 층간 전단 강도는 수지가 지니고 있으므로 매우 낮습니다. 층간 접착은 커플 링제 등을 사용하여 공정을 선택하고 가장 중요한 것은 제품 설계 시 층간 전단을 피함으로써 개선될 수 있습니다.

 

지금까지 FRP조형물의 모든 것! 1탄 FRP란 무엇인지 샅샅이 파헤쳐봤는데요, 이 소재는 이러한 특성이 있고, 장단점이 있어서 우리 주변에도 많이 사용되고 있었습니다.

FRP에 대해 궁금했던 것들을 이 포스팅을 통해 조금이라도 도움이 됐으면 합니다 감사합니다.

 

 

 

 

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