며칠 전, 워싱턴 대학교의 아니루드 바시스트 교수는 국제적으로 권위 있는 학술지인 카본(Carbon)에 새로운 유형의 탄소 섬유 복합 소재를 개발했다고 발표했습니다. 기존의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 한 번 손상되면 수리가 불가능하지만, 이 신소재는 반복적으로 수리할 수 있습니다.
기존 소재의 기계적 특성을 유지하면서도, 새로운 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 열을 가해 반복적으로 수리할 수 있다는 새로운 장점을 제공합니다. 열은 소재의 피로 손상을 복구할 수 있을 뿐 아니라, 사용 수명이 다한 후 재활용이 필요할 때 소재를 분해하는 데에도 사용할 수 있습니다. 기존 CFRP는 재활용이 불가능하기 때문에, 열에너지나 고주파 가열을 이용하여 재활용 또는 수리가 가능한 새로운 소재를 개발하는 것이 중요했습니다.
바시스트 교수는 열원이 새로운 CFRP의 노화 과정을 무기한 지연시킬 수 있다고 말했습니다. 엄밀히 말하면 이 소재는 탄소섬유 강화 비트리머(vCFRP, Carbon Fiber Reinforced Vitrimers)라고 불러야 합니다. 유리 폴리머(비트리머)는 2011년 프랑스 과학자 루드비크 라이블러 교수가 발명한 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱의 장점을 결합한 새로운 유형의 고분자 소재입니다. 비트리머 소재는 동적 결합 교환 메커니즘을 사용하여 가열 시 동적으로 가역적인 화학 결합 교환을 수행할 수 있으며, 동시에 전체적으로 가교 구조를 유지하므로 열경화성 폴리머처럼 자가 치유 및 재가공이 가능합니다.
반면, 일반적으로 탄소 섬유 복합재료라고 불리는 것은 탄소 섬유 강화 수지 매트릭스 복합재료(CFRP)이며, 수지 구조에 따라 열경화성 또는 열가소성 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 열경화성 복합재료는 주로 에폭시 수지를 함유하고 있으며, 이 수지 내의 화학 결합은 재료를 영구적으로 하나의 덩어리로 결합시킵니다. 열가소성 복합재료는 비교적 부드러운 열가소성 수지를 함유하고 있어 녹여서 재가공할 수 있지만, 이 과정에서 재료의 강도와 강성이 저하되는 것은 불가피합니다.
vCFRP의 화학 결합은 연결, 분리 및 재연결이 가능하여 열경화성 수지와 열가소성 수지 사이의 "중간 지점"을 얻을 수 있습니다. 연구진은 비트리머가 열경화성 수지를 대체하고 매립지에 쌓이는 열경화성 복합재료의 양을 줄일 수 있을 것으로 기대합니다. 또한 vCFRP는 기존 소재에서 동적 소재로의 중요한 전환점이 될 것이며, 전체 수명 주기 비용, 신뢰성, 안전성 및 유지 보수 측면에서 여러 가지 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상합니다.
현재 풍력 터빈 블레이드는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 사용이 많은 분야 중 하나이지만, 블레이드 재활용은 이 분야에서 항상 골칫거리였습니다. 수명이 다한 수천 개의 폐기 블레이드가 매립지에 버려져 환경에 막대한 악영향을 미치고 있습니다.
vCFRP를 블레이드 제조에 사용할 수 있다면 간단한 가열 처리를 통해 재활용 및 재사용이 가능합니다. 처리된 블레이드를 수리하여 재사용할 수 없더라도 최소한 열에 의해 분해될 수 있습니다. 이 신소재는 열경화성 복합재료의 선형적인 수명 주기를 순환적인 수명 주기로 전환시켜 지속 가능한 발전을 향한 큰 발걸음이 될 것입니다.
vCFRP를 블레이드 제조에 사용할 수 있다면 간단한 가열 처리를 통해 재활용 및 재사용이 가능합니다. 처리된 블레이드를 수리하여 재사용할 수 없더라도 최소한 열에 의해 분해될 수 있습니다. 이 신소재는 열경화성 복합재료의 선형적인 수명 주기를 순환적인 수명 주기로 전환시켜 지속 가능한 발전을 향한 큰 발걸음이 될 것입니다.
게시 시간: 2021년 11월 9일
