3.3.1.1 EMSC 충진함량에따른 인장강도 특성

그림. 6과 표 3에서는 에폭시 수지에 랜덤형상을 갖는 MS 충진함량별 40, 50, 60, 70wt% 기계적 인장강도의 평가결과 와이블 플롯으로 나타내었다. 그리고 표 3에서는 와이블플롯의 특성파라터의 결과를 나타낸 것이다. 원형에폭시수지 인장강도의 스케일파라미터의 결과는 71.83MPa을 나타내었고 그리고 원형에폭시수지를 기준으로 EMSC 충진함량별 기계적 특성결과를 비교한 결과로서, 40wt%에서는 –0.9%, 50wt%에서는 1.1%, 60wt%에서는 2.93% 그리고 70wt%에서는 17.13%의 원형에폭시수지의 인장강도에 비하여 EMSC의 경우 충진함량이 증가할수록 기계적 인장강도 성능이 향상되었다. MS 충진함량이 증가할수록 40~ 60wt%에서는 소폭 성능향상을 나타내었지만 과도한 충진함량의 경우(70wt%) 17.13%로서 매우 높은 기계적 인장강도의 특성이 향상된 결과를 얻게 되었다.

3.3.1.2 EMAC 충진함량에따른 인장강도 특성

그림. 7과 표 4에서는 에폭시수지에 MA 충진함량별 40, 50, 60, 70wt%에 대한 기계적 인장강도 결과를 와이블플롯으로 나타내었다. 원형 에폭시수지의 인장강도 스케일파라미터의 결과는 71.88MPa로서, MA 충진함량별 EMAC의 인장강도 스케일파라미터와의 경우와 비교한 결과, 40wt%에서는 -25.27%, 50wt%에서는 –64.84%, 60wt%에서는 -22.98% 그리고 70wt%에서는 -19.11%로 MA 충진함량이 증가할수록 기계적 인장강도의 성능이 약간은 증가하는 결과를 얻었다. 반대로 MA의 충진함량이 작을수록 인장강도는 낮은 결과이다. 그러나 형상파라미터의 경우 50wt%에서는 전체적인 경우에 비하여 낮은 기울기를 갖고 있으며, 이는 특정함량에만 국한되어 나쁜 결과는 아닐 것으로 사료되며, 제조공정과정의 문제점일 것으로 사료된다.

3.3.2.1 EMSC 충진함량에따른 굴곡강도 특성

그림. 8과 표 5에서는 에폭시수지에 충진 함량별 40, 50, 60, 70wt% MS 콤포지트의 굴곡강도 측정결과를 와이블 플롯으로 나타낸 것이다. 원형에폭시 수지의 휨강도 (굴곡강도)의 스케일파라미터는 126.62MPa를 나타내었다. 휨강도의 경우, 원형에폭시수지는 유연성이 다소존재하기 때문에 파단 되지 않고 임계점을 넘어서는 경우가 존재하게 된다. 그런 이유로 파단 되는 기계적 굴곡강도의 결과 전적으로 확신할 수는 없다. 그러나 비교의 척도로 원형에폭시수지에 대한 MS 충진함량별 EMSC와의 기계적 성능을 비교 평가하여볼 때, 40wt% 충진 시의 경우 –18.05%, 50wt% 충진 시의 경우 –15.76%, 60wt% 충진 시의 경우 +9.36% 그리고 70wt%의 경우 +12.26% 로서, 원형에폭시수지에 비하여 충진함량이 증가할수록 기계적 인장강도 성능이 향상되었다. 충진함량이 높은 60, 70wt%에서 특히 굴곡강도의 향상이 큰 결과를 얻게 되었다.

3.3.2.2 EMAC 충진함량에따른 굴곡강도 특성

그림. 9와 표 6에서는 에폭시수지에 MA입자를 충진함량별 40, 50, 60, 70wt% 충진시켜 제조된 콤포지트의 기계적 굴곡강도 측정결과를 와이블플롯으로 나타내었고 그리고 표 6에서 와이블 플롯된 특성파라미터를 나타내었다. 원형 에폭시수지의 굴곡강도는 126.62MPa를 기록하였으며, 원형에폭시수지를 기준으로 충진함량별 여러종류 EMAC와 비교할 때, 40wt%에서는 원형에 비하여 –21.43%, 50wt%에서는 -13.24%, 60wt%에서는 –5.25% 그리고 70wt%에서는 –1.31%로서 MA 충진함량이 증가할수록 굴곡강도는 증가하였다. 그러나 원형 에폭시수지에 비하여 모든 함량별 콤포지트에서는 낮은 기계적 굴곡강도의 결과를 나타내었다.

이상의 결과로서 기계적 인장강도 및 굴곡강도에서 충진함량별 40, 50, 60, 70wt%로 증가할수록 기계적 인장강도의 경우 MS, MA의 경우 비교하여 볼 때, 모두 충진함량 증가에 따라 인장강도의 성능이 증가하는 결과를 나타내었다.

그러나 EMSC가 EMAC에 비하여, 성능면에서 EMSC가 EMAC보다 높은 성능의 결과를 나타내었다.

그리고 충진함량별 EMSC와 EMAC의 굴곡강도 특성에서, 충진함량 증가에 따라 증가되는 경향을 얻었지만 역시 기계적 굴곡강도의 성능면에서 큰 차이를 나타내고 있다. 즉, EMSC가 EMAC보다 상대적으로 높은 기계적 굴곡강도의 결과를 얻게 된 것이다. 이와 같은 원인에 대해서 검토하여 볼 때

1. 기계적 특성인 인장강도 및 굴곡강도의 경우, 충진함량 증가에 따라 EMSC, EMAC 모두 증가하는 이유.

일반적으로 기계적 파괴강도 특성에서 충진함량이 증가하면 오히려 인장 및 굴곡강도가 저하되는 특성을 나타내고 있다. MA의 경우 낮은 충진 함량(10~40wt%)에서는 원형에폭시 수지의 강도 보다 증가하였지만, 그 이상의(50~70wt%) 경우 충진함량이 증가할수록 감소하였다. 이유는 에폭시 수지와 경화제간의 경화촉진에 의해 가교가 이루어져 망상구조로 경화가 진행되어 그 결과 단단한 물질로 변화하게 된다. 그리고 알루미나와 같이 단단한 필러가 충진함량이 증가되면 에폭시의 유동성과 입자의 강성으로 증가되는 경우를 설명하고 있다⁽¹⁹⁾. 또한 가교밀도(crosslink density)가 크고 작음에 따라 굴곡 및 인장강도에 크게 영향을 주게 된다. 그런 이유로 충진 함량이 적은 경우 가교밀도가 높고, 충진 함량이 높은 경우 오히려 가교밀도가 낮은 이유로, “MA 입자가 오히려 경화반응인 에폭시 관능기가 이동하는 것을 방해하는 효과로 감소하게 된다.” 이 또한 EMSC에서 MS를 충진한 경우 수지와 실리카입자 간 공유결합 및 수소결합으로 인하여 anchor 되어 에폭시체인의 이동도를 방해하게 되어 결국 굴곡강도가 증가하는 원인되기도 한다.

그러나 충진함량이 증가할수록 기계적 특성이 증가하는 이유는 소량의 마이크로 필러를 충진할 때면, 입자수가 상대적으로 적기 때문에, 입자간의 거리가 대단히 멀리 떨어져있게 된다. 그런 입자의 분포상태에서는 오히려 마이크로필러가 불순물로 작용하는 경향을 갖게 된다. 다시 표현하면, 기계적 결함의 시작점이 되어 진다는 것이다. 그런 이유로 충진 함량이 증가할수록 마이크로 필러 입자 간 간격이 좁아지고 그리고 계면이 상대적으로 증가하게 되어, 입자 간격이 좁아지면서 수지의 영역이 감소하게 된다. 즉, 기계적 특성 향상을 가져올 수 있는 무기물의 영역이 증가되어 인장강도 및 굴곡강도의 특성향상을 가져올 수가 있을 것으로 사료된다.

2. 기계적 인장강도 및 굴곡강도 특성으로, EMSC가 EMAC보다 우수한 이유

전기적인 절연파괴특성에서도 EMSC가 EMAC보다 우수한 절연성능을 나타내었다. 역시 문제는 계면에 있다 할 것이다. MS의 경우 표면에 OH기가 존재하고 에폭시수지에서도 OH기가 존재하기 때문에 두 개의 계면사이에는 수소결합이 강하게 작용하여 계면 결합력이 크게 강화된 것으로 사료된다.

이는 앞서 나타낸 그림. 2와 그림. 3에서 SEM의 관찰로 확인될 수 가있다. 구상의 MA 경우 계면이 불량한 상태를 나타내었고, 반면 랜덤형상인 MS의 경우 계면이 매우 양호한 상태를 나타내었다. 그런 이유로 EMSC가 우수한 기계적 특성을 나타낸 것으로 사료된다.

기계적 특성 향상의 핵심은 마이크로필러가 에폭시수지에 균질한 상태로 분산이 이루어져야만 한다. 또한 구조적인 상태에 존재하는 마이크로필러 입자가 수지와 계면의 결합력을 크게 가질 때, 특성향상을 가져오는 것이다. 그러나 문제는 계면이 작기 때문에 장시간 하중의 스트레스를 지속적으로 받게 되면 마이크로 필러 입자와 수지의 계면과 결합력의 약화로 결함이 발생되곤 한다. 그런 이유로 현재 상용화하여 제조된 전력기기의 경우 장시간 신뢰성에 노출되어 수명을 짧게 하는 원인이 된다.