[논문 리뷰] Experimental determination and modelling of volume shrinkage in curing thermosets

Martin Rudolph, Martin Stockmann외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 01.

Epoxy Resin Curing Processes참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 에폭시 기반 열경화성수지의 경화 중 부피수축을 측정하기 위한 신규 실시간 실험 장치를 아르키메데스 원리에 기반하여 제시한다. 진동계와 용량 센서를 결합하고 환경 보정을 통해 절대 밀도와 미세한 열화학적 부피 변화를 정밀하게 동시에 측정할 수 있으며, 경화 동역학과 수축의 현상학적 모델링을 통해 검증되었으며, 비선형 최적화를 통해 핵심 매개변수를 규명하였다.

ABSTRACT

This work deals with the characterisation and modelling of the curing process and its associated volume changes of an epoxy based thermoset resin. Measurements from differential scanning calorimetry (DSC) define the progress of the chemical reaction. The related thermochemical volume changes are recorded by an especially constructed experimental setup based on Archimedes principle. Information on measuring procedure and data processing are provided. This includes investigations on compensation of environmental influences, long-term stability and resolution. With the aim of simulating the adhesives curing process, constitutive models representing the reaction kinetics and thermochemical volume changes are presented and the model parameters are identified.

연구 동기 및 목표

• 열경화성 접착제의 경화 과정에서 부피 및 밀도 변화를 실시간으로 고해상도로 측정하기 위한 방법을 개발하기 위해.
• 액체에서 고체로 전이되는 물질에서 발생하는 미세한 열화학적 부피 변화를 정확히 측정하는 데 도전하는 데 위해.
• differential scanning calorimetry (DSC) 데이터를 사용하여 경화 과정을 모델링하고 부피 수축을 위한 구성 모델을 개발하기 위해.
• 실험적 측정값이 반응 동역학과 등방성 부피 변화의 현상학적 모델과 일치하는지 검증하기 위해.
• 경화에 의해 유도되는 변형과 잔류 응력을 경량 복합재 제조 공정에서 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 경화 중 부력 변화를 측정하기 위해 아르키메데스 원리에 기반한 실험 장치를 설계하였다.
• 절대 부피와 미세한 부피 변화를 고해상도로 측정하기 위해 진동계와 용량 센서 두 가지 센서 시스템을 결합하였다.
• 측정 안정성을 확보하기 위해 듀얼 신호를 사용하여 환경 영향을 보정하였다.
• 장기적 안정성, 해상도, 반복성을 다수의 온도 수준에서 검증하기 위해 시스템을 校정하고 테스트 하였다.
• 시간에 따른 경화도를 결정하기 위해 미세차열량법(differential scanning calorimetry, DSC)을 사용하였다.
• 식 (15)를 사용하여 온도 및 경화도에 따라 변화하는 밀도를 기술하는 현상학적 모델을 개발하였으며, 비선형 최소 제곱 최적화를 통해 매개변수를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에폭시 기반 열경화성수지의 경화 중 실시간 고해상도 부피 수축은 어떻게 측정할 수 있는가?
• RQ2 경화 중 열경화성수지에서 경화도와 관련된 열화학적 부피 변화의 관계는 무엇인가?
• RQ3 부력 기반 부피 측정에서 환경적 및 기계적 간섭은 어떻게 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ4 경화 반응 진행도는 온도에 따라 어떻게 달라지며, 이는 최종 수축에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 DSC 데이터를 바탕으로 한 현상학적 모델이 경화 과정 중 밀도 및 부피 수축의 변화를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 실험 장치는 고해상도와 장기적 안정성을 확보하여 경화 중 미세한 부피 변화의 신뢰성 있는 실시간 측정을 가능하게 하였다.
• 높은 온도에서 확산 제어로 인해 밀도 변화가 비선형적 행동을 보였으며, 유리 전이 온도 이상에서는 완전한 전환 이전에 수축이 멈추는 것으로 나타났다.
• 최대 체적 화학적 수축을 나타내는 모델 매개변수 βq는 -0.053로 규명되어 상당한 수축 잠재력을 가짐을 시사하였다.
• 식 (15)를 기반으로 한 시뮬레이션 결과는 다양한 시간-온도 영역에서 실험 데이터와 밀도적으로 일치하여 모델의 예측 능력을 검증하였다.
• 진동계와 용량 센서의 조합을 통해 절대 밀도와 미세한 변화를 동시에 감지할 수 있었으며 정확도가 향상되었다.
• 환경 보정을 위해 듀얼 신호를 사용함으로써 측정 신뢰성이 크게 향상되고 드리프트가 감소하였다.