반복 충격이 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 기계적 성능에 미치는 영향

Effect of Repetitive Impacts on the Mechanical Behavior of Glass Fiber-reinforced Polyurethane Foam

Article information

J. Ocean Eng. Technol. 2019;33(1):85-91
Publication date (electronic) : 2019 February 27
doi : https://doi.org/10.26748/KSOE.2018.068
*Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University, Busan, Korea
김명성*orcid_icon, 김정현*orcid_icon, 김슬기*orcid_icon, 이제명*orcid_icon
*부산대학교 조선해양공학과
Corresponding author Jae-Myung Lee: +82-51-510-2342, jaemlee@pusan.ac.kr
Received 2018 August 20; Revised 2019 January 22; Accepted 2019 February 22.

Trans Abstract

In a cryogenic storage structure, the insulation system is in an environment in which fluid impact loads occur throughout the lifetime of the structure. In this study, we investigated the effect of repetitive impact loading on the mechanical performance of glass fiber-reinforced polyurethane foam. The repeated impact loading test was conducted in accordance with the required impact energy and the required number of repetitive impacts. The impact behavior of glass fiber-reinforced polyurethane foam was analyzed in terms of stress and displacement. After the impact test, the specimen was subjected to a compression test to evaluate its mechanical performance. We analyzed the critical impact energy that affected mechanical performance. For the impact conditions that were tested, the compressive strength and elastic modulus of the polyurethane foam can be degraded significantly.

1. 서 론

유리섬유 강화 폴리우레탄 폼(Glass fiber-reinforced polyurethane foam, RPUF)은 셀 구조로 이루어진 경질 폴리우레탄 폼에 유리섬유를 첨가해 발포하여 이방성 다공성 구조를 갖고 있다. 이러한 미세구조 때문에 폴리우레탄 폼은 밀도대비 기계적 성능 및 단열 성능이 매우 뛰어나 극저온 환경 구조물에 적용되고 있다(Desai et al., 2000). 대표적으로는 액화천연가스 화물창(Liquefied natural gas cargo containment system, LNGCCS)에 적용되고 있으며, 액화천연가스 화물창은 영하 163도로 액화된 천연가스를 장기간 저장해야 하고(Harris, 1993), 이 과정에서 내부에 적용되는 단열 소재는 열구배로 인한 열하중, 액화천연가스 정수압에 의한 하중 및 화물창 운동주기 및 탱크 내부 유체의 공진주파수 영향에 의한 유체 충격 하중을 견딜 수 있어야 한다(Park et al., 2016a). 만일, 액화천연가스 화물창에 파손이 발생하여 내부 극저온 유체가 외부로 유출된다면, 이는 큰 재산적, 인명 손실을 가져올 수 있으므로 이에 대한 구조 안정성 확보 및 파손 예측이 상당히 중요하다고 할 수 있다.

이를 위해, 액화천연가스 화물창에 적용되는 폴리우레탄 폼의 전산해석적 거동 및 파손 예측을 위한 여러 연구가 수행되었다. Lee et al.(2015)은 액화천연가스 화물창내 환경 조건인 극저온 하에서 수행된 일련의 압축 시험 데이터를 기반으로 온도 및 변형률 속도 영향을 고려한 압축 거동 모사 구성방정식을 제안하였다(Lee et al., 2015). Jeong and Cheon(2009)은 Sherwood-Frost 모델과 임펄스 모멘텀 이론의 두가지가 연성된 방정식을 이용하여 충돌 조건에서 폴리우레탄 폼의 충격 및 기계적 거동모사 모델을 개발하였다(Jeong and Cheon, 2009). 폴리우레탄 폼의 재료단위 거동 예측 기법 뿐만 아니라 폴리우레탄 폼 기반 단열 구조물의 파손 예측을 위해 Lee and Lee(2014)는 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 이방성 재료 거동 및 손상 구현 모델을 적용해 액화천연가스 화물창에 설치되는 단열 패널 구조물의 충격 하중 하 파손을 모사할 수 있는 기법을 제안하였다(Lee and Lee, 2014).

폴리우레탄 폼의 거동 및 파손을 예측하기 위한 전산해석적 기법 이외에도 액화가스 저장 구조물의 운용 환경을 고려한 성능 평가 연구 또한 수행되었다. Park et al.(2016b)은 극저온 분야에 적용되는 여러 종류의 폴리머 폼의 압축 거동에 대해 온도가 미치는 영향을 미세구조를 활용하여 분석하였다(Park et al., 2016b). Denay et al.(2013)은 극저온 환경에서 폴리우레탄 폼과 유리섬유강화 단조, 반복 압축 및 크리프 하중등 여러 하중 조건에서 폴리우레탄 폼 거동을 분석하였다(Denay et al., 2013). 앞서 언급된 연구는 준정적 하중 하 거동을 다루고 있지만 폴리우레탄 폼의 준정적 범위부터 홉킨스바를 활용한 고속 변형률 속도 범위의 인장, 압축 및 전단 성능을 분석 또한 수행된 바 있다(Pellegrino et al, 2015). 복합소재의 경우 저에너지 충격(Low-energy impact)에 의한 외관상 관찰이 불가능한 내부 손상 혹은 파손이 발생할 수 있으며 이것이 누적되면 구조물의 수명을 상당히 저하시킬 수 있기 때문에(Jang et al, 1992, Petit et al., 2007), 액화천연가스 화물창에 확률 분포에 따라 여러 범위의 충격 하중이 지속적으로 가해지는 것(Graczyk and Moan, 2008)을 고려하였을 때, 액화천연가스 화물창 적용 소재에 대한 저에너지 반복 충격 하 설계 조건을 만족하는지에 대한 연구가 필요함에도 불구하고 이루어진 바 없다. 충격 하중에 의해 복합소재의 내부에 발생한 손상으로 구조물 본연의 역할을 수행할 수 있는지에 대한 평가 방법은 항공분야에서 이미 제안된 바 있지만(ASTM, 2005), 본 성능 평가 방법은 면외 충격 하중(Out-of-plane impact)이 가해진 판구조 형상 복합소재의 면내 압축(In-plane compression) 성능을 평가하는 것이기 때문에 액화천연가스 화물창에 설치되는 폴리우레탄 폼과 같은 육면체 형상에 적용하기에는 무리가 따른다.

따라서, 본 연구에서는 액화천연가스 화물창에 대표적으로 적용되는 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 기계적 성능에 반복 충격이 미치는 영향을 분석한다. 이를 위해, 충격 에너지 및 반복 충격 횟수를 변수로 하는 반복 충격 시험을 수행하고 이에 따른 충격 거동을 분석하였다. 충격 에너지는 1회 충격 하중을 기준으로 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼에 영구 변형이 발생하지 않는 저에너지 영역을 대상으로 하였다. 반복 충격을 가한 시험편에 대해 이후 압축 시험을 통한 기계적 성능 평가를 수행하였으며, 이를 통해 반복 충격이 영향을 미치지 못하는 충격 에너지 임계점을 분석하고 임계점 이후의 반복 충격에 의한 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 탄성 계수 및 압축 강도의 변화에 대해 분석하였다. 이를 통해, 반복 충격 조건에 따른 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 충격 성능 및 압축 성능의 저하를 확인하였으며 임계 이상의 충격 에너지가 지속적으로 가해지는 경우 내충격 성능 및 기계적 성능 모두 급격한 저하를 나타낼 수 있다.

2. 시험 방법

2.1 시험 장비 및 시험편 준비

본 연구에서는 Fig. 1에서 나타낸 바와 같이 유리섬유 강화 폴리우레탄폼의 반복 충격에 따른 기계적 성능 저하를 분석하기 위한 시험편을 준비하였다. 해당 시험편은 액화천연가스(Liquefied natural gas, LNG) 운반선 화물창에 설치되는 극저온 단열 패널에 적용되는 소재이며, 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 정육면체 모양으로 한국산업규격(KS M ISO844)에 준수하여 제작하였다. 시험편의 밀도는 120kg/m3이며, 유리섬유는 중량비의 15% 가량 첨가되어 있다.

Fig. 1

Glass fiber-reinforced polyurethane foam specimen

유리섬유 강화 폴리우레탄폼에 가해지는 반복 충격이 기계적 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 재료단위 충격시험기를 통해 대상 시험편에 반복 충격을 가하였다. 재료의 동적 파손을 포함한 충격문제 분석용으로 널리 사용되고 있는 충격 시험기인 Instron 사의 CEAST®9340 모델을 사용하였으며 장비 사진 및 이에 대한 개요도는 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2

Instron CEAST®9340 impact test machine

충격 시험은 특정 높이까지 기계식 기중기(Lifter)에 의해 올려진 후 분리된 낙하추(Impactor)가 낙하를 하며 시험편에 충격하중을 전달하는 방식이며, 이때 시험편에 가해지는 하중은 낙하추에 설치된 부하전지(Loadcell)를 통해 실시간으로 측정한다. 낙하추는 시험편의 윗면 전체를 덮는 형태이며 낙하추 및 시험편 지지대(Supporter)를 교체하여 각종 국제 표준에 적합한 형태로 시험 수행이 가능하다. 시험편의 변형량 및 변형 속도는 충격시험기에 설치된 광학검측기(Photocell)가 낙하추의 깃발(Flag)을 감지해 측정된다. 낙하추가 첫 충격을 가한 이후 반발하여 다시 낙하해 시험편에 지속적으로 충격을 가하는 것을 방지하기 위해 반등 방지 시스템(Anti rebound system)을 설치하였다. 충격 시험을 마친 시험편의 준정적 영역 압축 거동을 평가하기 위해 만능시험기(KSU-5M, 경성시험기)를 사용하였다. 충격 시험 조건과 동일하게 모든 시험편은 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 발포 방향과 하중 방향이 평행하도록 설치하여 압축 시험을 수행하였다.

2.2 시험 시나리오

유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 반복 충격에 따른 기계적 성능을 분석하기 위해 반복 충격 횟수 및 충격 에너지를 변수로 하는 시험 시나리오를 선정하였다. 시험편을 대상으로 80회까지 반복 충격을 가하였으며, 반복 충격 횟수에 따른 압축 성능을 평가하기 위해 시험편에 20회, 40회, 60회, 80회의 반복 충격을 가하였다. 충격을 가하는 낙하추의 무게는 3.475kg이며 낙하 추가 시험편에 닿기 직전의 충격 속도, 변형률 속도 및 충격 에너지는 Table 1에 나타내었다. 변형률 속도는 낙하추가 시험편에 충격을 가하는 순간의 초기속도를 기준으로 정의하였으며 이때 변형률 속도는 낙하 충격의 특성상 시간에 따라 지속적으로 변화한다. 충격에너지는 낙하추가 시험편에 충격을 전달하기 직전의 속도를 기반으로 한 운동에너지 값으로 산정하였다. 이는 모두 1회 충격을 기준으로 시험편의 소성변형을 포함한 파손이 나타나지 않으며 충격을 가한 이후에도 기계적 성능의 저하가 발생 않은 범위이다.

Impact test condition

충격 시험이 끝난 시험편은 곧바로 준정적 영역의 압축 성능을 평가하기 위한 압축 시험을 수행하였다. 시험 시나리오는 Table 2에 나타내었으며, 어느 수준의 반복 충격 조건이 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼 시험편의 기계적 성능에 영향을 미치는지 확인하기 위해 본 연구에서는 충격 시험을 수행하지 않은 시험편을 시나리오에 추가하였다. 모든 충격 시험 및 압축 시험은 상온에서 수행하였으며, 재현성을 위해 각각 5회씩 반복 수행하였으며 평균에 가까운 3개의 데이터를 이용하여 결과를 도출하였다.

Impact test scenario

3. 시험 결과

3.1 충격 특성 분석

반복 충격이 유리섬유 강화 폴리우레탄폼의 기계적 성능에 미치는 영향을 분석하기 앞서, 충격 조건에 따른 유리섬유 강화 폴리우레탄폼의 충격 거동에 대해 분석한다. Fig. 3은 충격 에너지 및 반복 충격 횟수에 따른 낙하추 속도의 시간이력을 나타내고 있다. Fig. 3(a)에 나타낸 바와 같이, 충격 에너지가 증가함에 따라 충격에너지 및 낙하 속도 값이 크며, 시험편에 충격 하중을 가한 이후 반발 속도 및 가속도 또한 이와 같은 경향을 보이고 있다. Fig. 3(b)는 1,500J/m2의 충격에너지를 기준으로 한 반복 횟수에 따른 속도의 시간이력을 나타내고 있는데, 충격을 지속적으로 가함에 따라 반발되는 정도가 저하되어 시험편의 변형 속도가 더 유지됨을 확인하였다. 이는 후술할 내용인 탄성계수가 감소하여 이와 같은 현상이 나타나는 것으로 보인다.

Fig. 3

Velocity-time history in accordance with (a) the impact energy and (b) the repetitive

Fig. 4는 충격에너지 및 반복 충격 횟수에 따른 응력 시간이력을 나타낸다. 956J/m2의 충격 에너지를 반복적으로 가한 경우 응력 시간 이력의 변화는 거의 관찰되지 않았다. 하지만, 1,228J/m2의 충격에너지를 가한 경우, 시험편의 최대 응력이 지속적으로 감소하였으며 충격량이 동일하기 때문에 응력 지속시간(Duration)은 점점 증가하였다. 1,500J/m2의 충격에너지가 가해지는 시험편의 경우 확연하게 최대 응력의 감소 및 지속 시간의 증가가 관찰되었다.

Fig. 4

Stress time history of RPUF specimen under repeated impact

반복 충격에 따른 성능 저하를 정량적으로 평가하기 위해 Fig. 5에 반복 충격 횟수에 따른 최대 응력 및 최대 변위를 나타내었다. 956J/m2의 충격에너지의 경우 반복 충격에 따라 최대 충격 하중의 감소가 나타나지 않았지만, 1,228J/m2 충격에너지 시나리오부터 지속적으로 감소를 나타내다가 1,500J/m2 충격에너지 시나리오는 상당한 최대 충격 하중의 감소를 확인하였다. 1회대비 80회 충격 하중을 가하였을 때 최대 충격 하중의 감소폭은 1,228J/m2 및 1,500J/m2 충격 에너지에서 각각 4.8%, 13.4%인 것으로 나타났다. 시험편에 충격이 가해질 때 나타나는 변위 시간이력의 최대 변위를 반복 충격 횟수에 따라 나타낸 경우에서도 956J/m2 및 1,228J/m2 충격에너지의 경우 최대 변위의 증감이 거의 관찰되지 않았지만, 1,500J/m2의 경우 최대 변위가 첫 충격 하중 대비 80회 충격 하중에서 40.2% 증가하였다.

Fig. 5

(a) Maximum stress and (b) maximum displacement in accordance with repetitive impact

3.2 압축 성능 분석

반복 충격 하중이 가해진 유리섬유 강화 폴리우레탄폼 시험편의 압축 성능을 알아보기 위해 압축 시험을 수행하였다. Fig. 6는 본 연구에서 진행하는 시험 시나리오에서 각 충격 에너지별 80회씩 반복 충격을 가한 케이스에 대한 압축 거동을 나타내었다.

Fig. 6

Compressive behavior in accordance with 80th impact loading

반복 충격 시험을 수행하지 않은 시험편에 대비하여 충격에너지가 956J/m2 및 1,228J/m2인 경우 거의 큰 차이가 없었으나, 충격에너지가 1,500J/m2인 경우 탄성계수가 감소함을 확인하였다. 또한, 탄성 계수가 감소함에 따라 항복이 발생하는 지점이 충격 하중을 가하지 않은 경우보다 이후에 발생했고, 이에 따라 상항복점에 도달하지 않고 바로 평탄부 응력(Plateau stress)에 도달해 압축 강도가 감소하는 현상이 발생하였다. 이는 폴리머 폼의 셀 구조에 좌굴이 발생하여 내하력(Load-carrying capacity)이 손실되어 발생하는 것으로 알려져있다(Lim et al., 2009). 그 외, 평탄부 응력이나 경화 현상이 나타나는 지점 및 경화 정도에는 반복 충격이 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다. 충격 에너지 및 반복 충격 횟수에 따른 탄성계수, 압축강도는 Table 3에 정량적으로 정리하여 나타내었다. 충격 에너지가 956J/m2일 때 80회 반복 충격에서도 큰 성능저하가 없다고 판단하여 80회 이하 반복 횟수에 대한 데이터는 나타내지 않았다.

Elastic modulus and compressive strength in accordance with the impact condition

Table 3을 살펴보면, 956J/m2의 충격 에너지를 가한 경우는 충격 에너지를 가하지 않은 시험편과 큰 차이가 없었다. 충격에너지 1,228J/m2의 시험편부터 반복 충격에 따라 지속적으로 탄성계수가 감소하는 것이 나타났으며, 1,500J/m2의 경우 20회 반복 충격부터 탄성계수가 두드러지게 감소한 것을 확인할 수 있다. 감소폭의 경우도, 1,228J/m2은 반복충격을 20회에서 80회까지 가하는 동안 탄성계수가 3.9MPa 감소하였지만, 1,500J/m2의 경우 6.6MPa 감소해, 충격 에너지가 크면 클수록 탄성계수가 더 많이 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 압축 성능의 감소는 반복 충격을 가함에 따라 Fig. 4에 나타낸 응력 시간이력에서 알 수 있듯이 시험편에서 야기되는 응력이 압축 강도에 근접하거나 그 이상이 되는 경우에 기인하는 것으로 추정된다. 여기서, 반복 충격 조건은 탄성계수에 큰 영향을 미치는 것에 반해, 압축 강도의 경우 평탄부응력 이하로 하락하는 현상은 관찰되지 않았으며, 이로 인해 반복 충격은 압축 강도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 저에너지 반복 충격 하중이 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 기계적 성능에 미치는 영향에 대해서 분석하였다. 이를 위해 충격에너지 및 반복 충격 횟수에 따른 낙하 충격시험을 수행하였으며, 이후 충격 시험을 수행한 시험편에 대해 기계적 성능 평가를 수행하였다. 본 연구 결과는 여지껏 수행된 바 없는 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 반복 충격에 따른 특성을 분석하였기 때문에 슬로싱이 문제될 수 있는 극저온 유체화물창 설계에 매우 유용한 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 연구 결과에 대한 요약은 아래와 같다.

(1) 반복 충격을 가함에 따라 충격 에너지가 956J/m2인 경우, 하중 이력에 큰 변화를 나타내지 않았지만, 충격에너지가 1,228J/m2에서부터는 유의미한 변화를 보였으며, 충격에너지가 1,500J/m2에서는 그 감소가 두드러지게 나타났으며 각각 80회 충격하중에서는 첫 충격하중 대비 최대 응력이 4.8%, 13.4% 감소해 이에 따라 지속시간은 점점 길어진 것으로 나타났다.

(2) 충격 하중에 의한 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼 시험편의 최대 변형량은 956J/m2 및 1,228J/m2의 경우 큰 변화가 없었지만, 1,500J/m2은 최대 변위가 80회 충격하중에서는 첫 충격하중 대비 40.2% 증가하였다.

(3) 반복충격이 기계적 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 압축 시험을 수행한 결과, 탄성계수의 감소가 두드러지게 나타났다. 압축 강도에는 큰 변화가 없었으며 반복 횟수를 증가시킨다던지, 더 큰 충격에너지 조건 하에서도 평탄부 응력 이하로 감소하는 현상을 나타나지 않을 것으로 판단된다.

(4) 위 결과를 통해, 유리섬유 강화 폴리우레탄 폼의 경우 반복 충격에 따른 기계적 성능의 저하가 나타나는 임계 충격 에너지는 956J/m2에서 1,228J/m2 사이 값으로 판단되며, 이는 첫 충격 하중 하 시험편의 응력이 압축강도를 넘어선 것이 영향을 미친 것으로 판단된다. 1,228J/m2 이상의 충격 에너지가 지속적으로 가해지는 경우 내충격 성능 및 기계적 성능 모두 급격한 저하를 나타낼 수 있다.

Acknowledgements

이 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2018R1A2B6007403). 이 논문은 2013년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2011-0030013).

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Article information Continued

Fig. 1

Glass fiber-reinforced polyurethane foam specimen

Fig. 2

Instron CEAST®9340 impact test machine

Fig. 3

Velocity-time history in accordance with (a) the impact energy and (b) the repetitive

Fig. 4

Stress time history of RPUF specimen under repeated impact

Fig. 5

(a) Maximum stress and (b) maximum displacement in accordance with repetitive impact

Fig. 6

Compressive behavior in accordance with 80th impact loading

Table 1

Impact test condition

Impact velocity [m/s] Strain rate [/s] Impact energy [J/m2]
1.17 23.4 956
1.33 26.6 1,228
1.48 29.6 1,500

Table 2

Impact test scenario

No. Impact Energy [J/m2] Strain rate [/s] Repetitive number
1 - - 0

2 956 23.4 20
3 40
4 60
5 80

6 1,228 26.6 20
7 40
8 60
9 80

10 1,500 29.6 20
11 40
12 60
13 80

Table 3

Elastic modulus and compressive strength in accordance with the impact condition

Impact energy [J/m2] Strain rate [/s] Repetitive number Elastic modulus [MPa] Compressive strength [MPa]
- - - 39.8 1.28

956 23.4 80 39.4 1.22

1,228 26.6 20 38.7 1.25
40 36.4 1.24
60 36.4 1.25
80 34.8 1.27

1,500 29.6 20 28.7 1.18
40 25.2 1.18
60 23.7 1.19
80 22.1 1.22