전산 및 실험 모사를 통한 비스페놀 A 폴리카보네이트의 광 내구수명 예측 :Photodurability assessment of Bisphenol A Polycarbonate based on Computational and Experimental Simulations

오정택

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자료유형: 학위논문

저자정보: 오정택 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 김형섭

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

전산 및 실험 모사를 통한 비스페놀 A 폴리카보네이트의 광 내구수명 예측

오정택 유기나노시스템공학과 2021.01 학위논문

2020

비스페놀 A 폴리카보네이트의 광 열화거동을 고려한 물성 예측 시뮬레이션 및 사용 환경을 고려한 최적 설계 가이드 수립

오정택 , 송민우 , 김형섭 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2020.10 학술대회자료

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비스페놀 A 폴리카보네이트(BPA-PC)는 우수한 내충격성과 투명성으로 다양한 용도로 사용되고 있다. 고분자의 광열화로 인한 내구성은 도로 시설물, 건축 외장재와 같은 많은 응용 분야에서 중요한 요소이다. 광에 대한 BPA-PC의 신뢰성을 평가하기 위해 실험적/전산적 모사를 기반으로 예측 모델을 수립하였다. 광분해 거동은 두 가지 모사 조건인, 챔버와 옥외 조건에서 연구되었다. 열화 거동을 모사하는 모델을 최적화하기 위해 황변도와 인장강도의 변화에 시그모이드와 4PL 로지스틱 모델을 적용하였다. 황변도는 초가속 내후성 시험과 옥외폭로 시험 간의 지수 관계를 바탕으로 거동 변화에 대한 예측 모델을 얻었다. 마찬가지로, 유리 관계를 기반으로 인장 강도 예측 모델을 얻었다. 옥외 폭로 시험장이 위치한 플로리다와 애리조나의 10년 동안의 기후데이터는 초가속 내후성 시험 조건을 수립하는데 사용되었다. 세 가지 다른 복사조도 조건에서의 시험 결과로 광세기에 따른 열화 메커니즘에 큰 변화가 없음을 보여주었다.
다양한 기후 조건을 고려한 모델로 확장하기 위해 해당 지역의 5년 이상의 기후데이터를 통해 1년 노출에 해당하는 등가시간을 산출하고, 해당 지역에서의 복사조도와 조사시간에 대한 가속계수를 구하였다. 애리조나와 대한민국에 대한 총 가속계수는 269, 20.6이며, 등가시간은 325.6, 425.2로 산출되었다. 예측 모델을 활용하여 초가속 내후성 시험 결과를 보정하였다. 마지막으로, 황변도에 의한 내구수명은 한국에서는 0.47년, 애리조나에서는 0.35년이었다. 인장강도의 경우에는 내구수명이 0.89년(국내)과 0.67년(애리조나)으로 추정되었다.
유한요소법을 적용하여 두께가 다른 플레이트의 기계적 거동을 시뮬레이션하였다. 해석 결과는 실제 시험편의 변형률-응력 곡선의 10개 지점에서 비교되었고, 10개 지점에서 측정한 차이는 2.35%로 계산되었다. 전산 모사를 기반으로 두께에 대한 설계 가이드를 제안할 수 있습니다.
본 연구는 광분해에 의한 황변도와 인장강도 거동을 예측할 수 있는 모델을 제시하였고, 이를 통해 초가속 내후성 시험의 정확도를 획기적으로 향상 할 것으로 기대된다. FEM을 기반으로 한 전산 모사는 광분해 하에서 BPA-PC의 내구수명을 충족하기 위한 기본적인 이해와 설계 가이드를 제공합니다.

Bisphenol A polycarbonate (BPA-PC) has wide range of application due to its excellent impact resistance and transparency. The photodurability of the polymer is critical in many application areas such as road facilities, architectural exterior materials. In order to assess the reliability of BPA-PC against light, the prediction model was established based on the experimental and computational simulations. The photo-degradation behavior was studied under two simulated conditions; one is in the chamber and the other is outdoor condition. For the optimization of estimation model, sigmoid model and 4PL logistic model were applied to changes of the yellowness and the tensile strength, respectively. Based on the exponential relationship of yellowness between the highly accelerated weathering test and the outdoor test, the prediction model for the yellowness change was obtained. Similarly, the prediction model of the tensile strength was obtained based on the rational relationship. The 10-years climate data in Florida and Arizona (the locations for the outdoor exposure sites) was used to set the highly accelerated conditions. The test results under three different irradiation condition showed no significant change in the degradation mechanism by the light intensity.
To extend the model for various climate conditions, the equivalent time for 1 year exposure was calculated from the climate data over five years in the region and the acceleration factor was obtained from the irradiance and the duration of sunshine in the region. The total acceleration factor was calculated as 26.9 for Korea and 20.6 for Arizona, while the equivalent time was calculated as 325.6 and 425.2, respectively. Using the prediction model, the results of the highly accelerated test was compensated. Finally, the reliable lives for yellowness were 0.47 years in Korea and 0.35 years in Arizona. For the tensile strength, the lives were estimated as 0.89 (Korea) and 0.67 (Arizona) years, respectively.
Finite element method was applied to simulate the mechanical behavior of the plates with different thickness. The analysis result was compared at 10 points of the strain-stress curve of the real sample. The difference measured at the 10 points were calculated as 2.35%. Based on the computational simulation, the design guide for the thickness can be suggested.
This study presented a prediction models of the yellowness and the tensile strength behaviors by photo-degradation. It is expected to dramatically improve the accuracy of the highly accelerated weathering test. The computational simulation based on FEM gives fundamental understanding and design guideline to meet the reliable life of BPA-PC under photo-degradation.

#비스페놀 A 폴리카보네이트 #옥외폭로 시험 #초가속 내후성 시험 #전산모사 #내구수명

제1장 서론 1
제1절 연구배경 1
1.1 신뢰성평가 1
1.2 비스페놀 A 폴리카보네이트 (BPA-PC) 5
제2절 내후성 평가방법 8
2.1 옥외폭로 시험 8
2.2 초가속내후성 시험 10
2.2.1 초가속 내후성 평가 장비 10
2.2.2 광원 12
2.2.3 필터 조합 13
제3절 선행 연구 17
3.1 광 분해 메커니즘 17
3.2 광 조사 환경을 고려한 실험적 모사 21
3.3 내구 수명 산출 방법 27
3.4 고분자 소재의 전산적 모사 29
제4절 연구목표 34
제2장 실험 35
제1절 시험편 35
제2절 옥외폭로 시험 38
2.1 직접폭로(Direct exposure) 시험 38
2.2 촉진옥외폭로(EMMAQUA) 시험 44
2.3 기후데이터 분석 47
2.3.1 광량 47
2.3.2 온도 51
2.3.3 습도 56
제3절 초가속 내후성 시험 59
3.1 복사조도 59
3.2 온도 및 습도 63
3.3 시험조건 64
제4절 내구수명예측 프로세스 65
4.1 복사조도에 대한 가속계수 산출 67
4.2 조사시간에 대한 가속계수 산출 68
4.3 연간복사량에 대한 등가시간 및 내구수명 예측 69
제5절 분석 방법 70
5.1 화학적 구조 분석 70
5.2 광학특성 70
5.2.1 황색도(Yellowness, YI0) 71
5.2.2 황변도 (Yellowness Index, △YI) 71
5.3 표면특성 72
5.4 인장특성 72
제6절 시뮬레이션(구조해석) 74
제3장 실 사용 환경을 고려한 실험적 모사에 대한 결과 및 고찰 76
제1절 화학적 분석 76
1.1 FT-IR 76
1.2 XPS 79
제2절 광학특성 83
2.1 황변도 83
2.1.1 직접폭로 시험 (플로리다 Vs. 애리조나) 83
2.1.2 직접폭로 시험 Vs. 촉진옥외폭로 시험 88
2.1.3 초가속 내후성 시험 92
2.1.4 처리 조건별 황변도 거동 비교 94
2.2 투과율 97
제3절 표면특성 99
3.1 미세 균열 관찰 99
3.2 표면거칠기 105
제4절 인장특성 110
4.1 비스페놀 A 폴리카보네이트 인장특성 110
4.2 조사 광량에 따른 인장특성 112
제5절 실험적 모사를 위한 예측모델 116
5.1 실험적 모사를 통한 황변도 예측 모델 116
5.2 실험적 모사를 통한 항복 강도 예측 모델 118
제4장 내구수명 예측 프로세스에 대한 결과 및 고찰 120
제1절 등가시간 산출 120
1.1 가속계수 산출 120
1.1.1 복사조도에 대한 가속계수 산출 프로세스 121
1.1.2 조사시간에 대한 가속계수 산출 프로세스 122
1.1.3 총 가속계수와 등가시간 산출 프로세스 123
제2절 예측 모델을 적용한 내구수명 예측 124
제5장 성능 예측을 위한 전산적 모사에 대한 결과 및 고찰 127
제1절 인장특성 예측 프로세스 127
1.1 강도-변형률 데이터 분석 127
1.2 유한요소모델구성 및 해석 129
1.3 시뮬레이션모델의 유효성 검증 132
1.4 소성변형과 취성변형 시의 구간 해석 135
1.5 두께별 인장특성 예측 137
1.6 인장(하중) 예측 모델 수립 142
제6장결론 145
참고문헌 147
국문초록 159

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