최근 제품의 경량화가 산업 현장에서 큰 이슈가 되고 있다. 제품의 경량화는 제품 성능에 직결된 뿐 아니라, 소비자가 직접적으로 체감할 수 있기 때문에 아주 중요한 사항이 되었다. 나아가 물류비의 절감 및 제품의 연비개선 등으로 인한 제품의 경량화는 고유가 시대에 더욱 강조되고 있는 실정이다. 이에 따라 제품의 경량화를 목적으로 플라스틱 복합재인 FRP (Fiber Reinforced Plastic)의 기계적 물성 개선에 대하여 연구가 각지에서 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 복합재료는 두 가지 이상의 성질이 서로 다른 물질이 거시적으로 혼합되어 유용한 물질이 된 것을 가리킨다. 여기서 대표적인 복합재인 FRP는 수십 년 전 부터 사용되고 있는 고전적인 복합재라 할 수 있다.FRP는 크게 섬유와 기지재로 구성되며, 여기서 기지재는 하중을 섬유에 전달하고, 섬유는 전달된 하중에 저항하는 역할을 하게 된다.이들은 일반적으로 기존의 금속 재료보다 강도와 강성이 높고, 낮은 비중으로 인해 높은 비강도와 비강성의 값을 가지고 있으며 좋은 피로특성을 가지고 있기 때문에 무게를 줄여야 하는 우주항공 재료나 자동차의 재료로 사용되고 있다. 또한 녹슬지 않고, 가공하기 쉽다는 장점이 있어 건축자재, 보트의 몸체, 스키용품, 헬멧 등 다양한 산업에서 활용되고 있다. 최근에는 FRP의 물성을 개선하기 위해 Carbon Fiber, Aramid Fiber등을 보강재로 사용하고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 이들은 비싼 가격으로 인하여 제품의 적용에 제한요소가 되고 있으며, 이에 따라 일반적으로 Glass Fiber가 산업 전반에 주로 사용되고 있는 실정이다.
따라서 본 연구에서는 현재 산업적으로 많이 사용되고 있는 chopped strand glass 보강재와 vinyl ester기지재로 되어있는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)에 나노 보강재인 MMT (montmorillonite)를 적용하여, 그에 따른 기계적 물성 개선 효과에 대해서 고찰해 보았다. 나노 보강재는 일반적으로 사용되는 Na+MMT를 사용하였으며, 이는 판상의 MMT 층 사이에 Na+가 intercalation되어 있는 상태의 나노재료이다. NA+MMT는 선행 연구된 사례를 바탕으로 첨가량 대비 효율이 뛰어난 1.0wt%를 첨가하여 진행하였고, 뿐만 아니라 나노재료의 경우 재료의 분산이 가장 큰 문제로 알려져 있어,이를 해결하기 위해 silane으로 Na+를 치환하는 과정을 거쳐, MMT 층간거리를 증가 시키고, 고분자인 수지가 MMT의 층간거리에 swelling될 수 있도록 표면 처리 하였다.
테스트는 나노재료가 첨가되지 않은 시료를 reference로 하고, Na+MMT 표면처리 하지 않은 시료와, Na+MMT의 표면을 silane으로 표면처리 하여 분산성을 개선한 샘플을 각각 비교 하였다. 각각 나노재료는 수지 질량대비 1.0wt%를 적용하였으며, 이는 해수에 침지시켜 환경에 따른 기계적 물성 변화를 인장시험과 굽힘시험으로 측정하고, 복합재 내에서 Na+MMT 및 silane으로 표면처리 된 Na+MMT의 거동을 확인하였다. 먼저 silane 표면 처리 후 Na+MMT의 화학구조 변화를 확인하기 위하여, FT-IR 흡수 스펙트럼을 분석 하였다. FE-SEM 및 XRD 분석을 통해 시편 내의 나노재료의 분산도 및 파단 시 거동을 확인 하였다.
인장시험 및 굽힘시험의 시험 결과로 silane으로 표면 처리된 MMT를 적용한 시편의 경우 가장 높은 인장강도와 굽힘강도를 나타냈다. 또한 해수환경에서의 시편들 역시 같은 경향을 나타냈으며 이들은 해수에 침지시키지 않은 시편들보다 약 4~5%의 낮은 강도를 나타내었다. FT-IR 측정 결과 silane표면 처리를 통해 Na+MMT의 +Na가 Silane으로 치환된 것을 확인할 수 있었다. XRD분석을 통해 NA+MMT의 표면개질에 따른 층간거리의 변화를 측정하였고 이는 silane처리한 MMT의 경우가 층간거리가 넓어지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 MMT가 복합재내에서 분산이 용이하게 되는 데에 대한 근거라고 볼 수 있다. 분산도가 큰 나노 복합재가 인장강도 역시 최대 약 11% 더 큰 값을 갖는 결과를 얻었다. 이 결과들은 각각 시편에 가해지는 하중이 섬유와 나노재료에 함께 분산되어 보다 높은 물성을 갖는 것으로 사료된다. 파단시편의 FE-SEM촬영을 통해 NA+MMT silane처리한 MMT를 적용한 시편의 상태를 육안으로써 확인할 수 있었다.

In this study, GFRP composites were fabricated by impregnating chopped strand glass mat into a vinylester mixed with MMT and surface-treated MMT. The contents ratio of MMT applied in the composites were 1.0wt% respectively. And GFRP composites were absorbed sea-water for 60 days. Tensile tests and bending tests have been performed by using a universal testing machine to determine the effect of GFRP composite. The material properties of GFRP composites were investigated as comparing surface-treated sample with untreated sample, seawater-absorbed sample with unabsorbed sample using various mechanical and chemical analysis methods.
Some pictures which are magnified cross section of breaking parts were taken by using a FE-SEM. It has been found that dispersion of MMT in GFRP composites about each condition. Tensile strength and elastic modulus were maximized at surface-treated sample due to the most effective dispersion of MMT. Tensile strength of seawater-absorbed sample is lower than unabsorbed sample about 5%