최근 탄소 중립 등 지속 가능한 발전을 위한 지구환경 문제가 대두되면서 기존 풍력터빈의 소재인 유리섬유 복합재의 폐기 시 처리 방안이 문제가 되고 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 기존의 유리섬유 복합재를 대체할 수 있는 친환경 복합재인 아마섬유 기반 복합재를 활용하여 30kW 풍력터빈 블레이드를 제조하고 적합성을 평가하였다. 먼저 친환경 천연 아마섬유 복합재의 풍력터빈 블레이드 소재로 활용 가능성을 검증하기 위해 기계적 강도 시험을 수행하였으며, 그 결과 선행 아마섬유 복합재 물성 연구 대비 좀 더 우수한 강도가 측정된 것을 확인하였다. 또한 제작된 30kW 급 아마섬유 복합재 블레이드를 활용하여 아마섬유 복합재 블레이드의 정적강도를 측정하는 정적강도 성능평가 시험을 통하여 적합성을 확인하였다.
본 연구에서 아마/비닐에스테르(Flax/vinyl ester)를 적용한 친환경 구조물 설계를 위한 선행 연구로서 아마/비닐 에스테르 자연 섬유 복합재료의 기계적 물성치를 분석하였다. 시편 제작을 위해 VARTM 제작 공법이 적용되었다. 참고문헌에서 제시한 자연 섬유 복합재료의 물성치와 본 연구에서 제작된 시편의 물성치를 비교하였다. 이 결과를 바탕으로 아마/비닐 에스테르 복합재료가 친환경 구조물에 적용하는 것이 유리함을 확인하였다.
폴리아마이드 섬유, 즉 나일론 섬유에 응용될 수 있는 여러 종류의 이온성 염료들 중에서 섬유분자와 염료의 결합특성에 기인하는 산성염료의 사용이 현재 주를 이루고 있지만 결합력에서 기인하는 염료의 탈착으로 말미암아 색상강도의 저하 및 첨부포에의 오염이 문제가 되고 있다. 또한 함금속 염료를 이용한 방법에서는 세탁 및 일광에 대한 견뢰도 향상은 얻을 수 있지만, 원하는 수준의 견뢰도를 얻기 위해서는 후처리의 적용도 고려되어진다. 반응성 염료$^{1.2)}$ 를 이용한 염색은 셀룰로오스 섬유에의 적용이 대부분이며, 양모 및 견에 대한 응용도 발표되고 있다. (중략)
본 연구에서는 단방향, 직교방향, 임의의 방향 총 세 방향성을 가진 아마섬유에 첨가형 난연제로 널리 쓰이는 나노클레이를 분사한 뒤, 이 섬유를 복합재료의 제조에 사용하였다. 나노클레이는 분산성이 다른 세가지 분사방법을 사용하였으며, 제조에 사용한 기지재는 열가소성 수지인 폴리프로필렌과 열경화성 수지인 에폭시이다. 다구찌 실험계획법을 이용해서 실험을 단순화 하였으며, 실험결과 인장강도, 탄성계수, 총 충격흡수에너지, 열 방출율에 대한 최적의 복합재료 제조 조건을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 차량용 본넷의 구조 설계 및 해석을 수행하였다. 구조 설계를 위해 아마/비닐 에스테르 복합재료가 적용되었다. 아마 섬유 복합재 본넷의 제조공법은 VARTML(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding-Light) 제조공법이 적용하였다. VARTML 공법은 한쪽 면은 견고한 금형을 사용하고 다른 면은 진공과 함께 유연한 금형을 사용하여 압력차를 이용하여 내부에 적층된 섬유에 수지를 신속하게 함침 시켜 성형하는 방법이다. 아마/비닐 에스테르 패널로 부터 시편을 가공하여 재료의 기계적 물성치를 획득하기 위한 시편 시험을 수행하였다. 이를 기반으로 자동차 본넷의 구조 설계를 수행하였다.
아마인의 유용성분에 대해서 알아보고 가열과정을 통한 성분변화 및 다른 종유작물과 유지의 물리화학적 성분과 비교, 평가하였다. 조지방은 37~43%, 탄수화물은 30~35%, 조단백질은 18~23%, 조회분은 3~4% 그리고 수분 함량은 0.2~6.8%의 함량을 나타내었다. 식이섬유 함량은 생아마인보다 가열 처리한 볶음 아마인에서 SDF의 함량이 증가한 것을 알 수 있었다. 하지만 상대적으로 IDF의 함량도 감소하기 때문에 TDF의 함량은 큰 차이를 보이지 않았다. 그리고 총 식이섬유 함량은 28~31%로 높은 함량을 보였다. 또한 아마인의 주요 유용성분을 살펴본 결과, 비타민은 ${\gamma}$-tocopherol(E), 아미노산은 agrginine, aspartic acid, glutamic acid가 높은 함량을 보였다. 이들은 생아마인보다 볶음 아마인에서 낮은 함량을 나타내었다. 아마인의 무기물 함량을 분석한 결과, 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 인이 주요 구성성분이었다. 물리화학적인 특징으로 요오드가, 비누화가, 산가를 분석하였으며, 브라운 아마인유는 각각 204.1 g/100 g, 193.6 mg/g, 1.59 mg/g을 나타내었으며, 골드 아마인유는 각각 203.0 g/100 g, 189.9 mg/g, 2.35 mg/g으로 조사되었다. 아마인유의 지방산 함량에서는 전체적인 구성 비율을 볼 때 ${\alpha}$-linolenic acid(ALA, C18:3n-3)가 약 55.5~56.1% 로 가장 높은 함량을 차지하였다. 그리고 브라운보다는 골드 아마인유의 ${\alpha}$-linolenic acid의 함량이 약간 높았다. 높은 ${\alpha}$-linolenic acid 함량은 아마인유가 오메가-3 지방산이 강화된 식품 개발에 좋은 자원이 될 것으로 사료된다. 또한 다가 불포화지방산 함량이 약 71%로 함유되어 있으며, ${\alpha}$-linolenic acid 등 필수지방산의 함량이 높아 식품의 영양학적인 의의가 크며, 양질의 식용유로 사용 가능할 것이다.
대량의 폐기물에 의한 환경오염, 세계 평균기온 상승에 의한 기후위기가 인류의 생존을 위협하는 수준에 이르고 있다. 이를 해결하기 위하여 다양한 분야에서 관련 연구가 이루어지고 있으며 재료분야에서도 친환경적이며 탄소중립적인 소재를 개발하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 탄소섬유에 천연섬유를 조합함으로써 천연섬유의 장점인 친환경성과 탄소배출 저감을 달성하고자 하였다. 일반적으로 고강도와 저강도 소재를 조합할 경우 그 중간의 물성을 가지는 것으로 알려져 있지만, 본 연구에서는 일부 물성이 탄소섬유 복합재료의 물성을 초과하는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 검증하기 위하여 탄소섬유복합재료와 탄소섬유/천연섬유 하이브리드 복합재료를 제조하고 다양한 기계적시험을 통하여 기계적 물성을 비교하고 우수한 물성을 보이는 시험에 대하여 강도향상 기구를 분석하였다. 시험결과 하이브리드 복합재료의 굽힘강도와 파괴인성치가 탄소섬유 복합재료에 비하여 우수하게 나타났으며 강도향상 기구를 규명하였다. 하이브리드 복합재료를 활용할 경우 더욱 우수한 강도의 구조물을 제작할 수 있을 뿐만아니라 환경오염 및 기후위기에도 도움이 될 것으로 예상된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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