며칠 전, 워싱턴 대학교의 아니루드 바시스 교수는 국제 권위 학술지 카본(Carbon)에 새로운 유형의 탄소 섬유 복합 소재를 성공적으로 개발했다고 주장하는 논문을 발표했습니다. 기존 CFRP는 한 번 손상되면 복구할 수 없지만, 새로운 소재는 반복적으로 복구할 수 있습니다.
새로운 CFRP는 기존 소재의 기계적 특성을 유지하면서도 열을 가하여 반복적으로 수리할 수 있다는 새로운 장점을 제공합니다. 열은 소재의 피로 손상을 복구할 수 있을 뿐만 아니라, 사용 주기 종료 시 재활용이 필요할 때 재료를 분해하는 데에도 사용될 수 있습니다. 기존 CFRP는 재활용이 불가능하기 때문에 열에너지나 고주파 가열을 사용하여 재활용하거나 수리할 수 있는 새로운 소재 개발이 중요합니다.
바시스 교수는 열원이 새로운 CFRP의 노화 과정을 무한정 지연시킬 수 있다고 말했습니다. 엄밀히 말하면 이 소재는 탄소 섬유 강화 비트리머(vCFRP, Carbon Fiber Reinforced Vitrimers)라고 불러야 합니다. 유리 중합체(비트리머)는 2011년 프랑스 과학자 루드비크 라이블러 교수가 발명한 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱의 장점을 결합한 새로운 유형의 중합체 소재입니다. 비트리머 소재는 동적 결합 교환 메커니즘을 사용하여 가열 시 가역적인 화학 결합 교환을 동적으로 수행하면서도 가교 구조를 전체적으로 유지하여 열경화성 중합체가 열가소성 중합체처럼 자가 치유 및 재가공될 수 있도록 합니다.
반면, 일반적으로 탄소 섬유 복합재라고 불리는 재료는 탄소 섬유 강화 수지 매트릭스 복합재(CFRP)로, 수지 구조에 따라 열경화성 수지와 열가소성 수지의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 열경화성 복합재는 일반적으로 에폭시 수지를 포함하며, 이 화학 결합을 통해 재료를 하나의 덩어리로 영구적으로 결합시킬 수 있습니다. 열가소성 복합재는 비교적 부드러운 열가소성 수지를 포함하고 있어 용융 및 재가공이 가능하지만, 이는 재료의 강도와 강성에 필연적으로 영향을 미칩니다.
vCFRP의 화학 결합은 연결, 분리, 재연결을 통해 열경화성 재료와 열가소성 재료 사이의 "중간 지점"을 찾을 수 있습니다. 프로젝트 연구원들은 비트리머가 열경화성 수지를 대체할 수 있고 매립지에 열경화성 복합재가 축적되는 것을 방지할 수 있다고 생각합니다. 연구원들은 vCFRP가 기존 재료에서 동적 재료로의 주요 전환점이 될 것이며, 전체 수명 주기 비용, 신뢰성, 안전성 및 유지 보수 측면에서 여러 가지 영향을 미칠 것으로 예상합니다.
현재 풍력 터빈 블레이드는 CFRP 사용이 많은 분야 중 하나이며, 이 분야에서 블레이드 회수는 항상 어려운 문제였습니다. 사용 기한이 만료된 수천 개의 블레이드가 매립지에 버려지면서 환경에 큰 영향을 미쳤습니다.
vCFRP를 블레이드 제조에 사용할 수 있다면, 간단한 가열만으로도 재활용 및 재사용이 가능합니다. 처리된 블레이드를 수리하여 재사용할 수는 없더라도, 적어도 열에 의해 분해될 수는 있습니다. 이 신소재는 열경화성 복합재의 선형 수명 주기를 순환 수명 주기로 전환하여 지속 가능한 발전을 향한 중요한 발걸음이 될 것입니다.
vCFRP를 블레이드 제조에 사용할 수 있다면, 간단한 가열만으로도 재활용 및 재사용이 가능합니다. 처리된 블레이드를 수리하여 재사용할 수는 없더라도, 적어도 열에 의해 분해될 수는 있습니다. 이 신소재는 열경화성 복합재의 선형 수명 주기를 순환 수명 주기로 전환하여 지속 가능한 발전을 향한 중요한 발걸음이 될 것입니다.
게시 시간: 2021년 11월 9일
