The curing behavior of epoxy/glass fiber prepregs, widely used for aeronautic structural materials, has been investigated under isothermal and dynamic conditions using a differential scanning calorimetry (DSC) and a dielectric analyser (DEA). The isothermal curing reactions for the prepregs were found to be well-expressed by the autocatalytic kinetics. The fractional cure experiments, which are closely related to the practical composite processing, were also performed and compared with results from the isothermal cure reaction. The experimental results obtained from DEA and DSC under isothermal condition allowed us to construct a qualitative Time-Temperature-Transformation cure diagram (TTT cure diagram). In order to test the possibility that the kinetic expression for the isothermal cure reaction can be applied to dynamic cure condition, the effect of initial degree of cure (α₀) and heating rate on the dynamic curing behavior has been studied using DSC as well as DEA. Dynamic DSC experiments show that the experimentally determined temperature at cure peak is higher than that for the cure peak predicted from the isothermal cure kinetics when α₀ ranges between zero and 0.46. When α₀ is larger than 0.46 the experimentally determined dynamic cure exotherm is in good agreement with that predicted from the isothermal cure kinetics. From the DEA experiments under dynamic cure condition we observed that there was a physical phase transition around 80℃ before curing reaction and the physical transition at the low temperature was not considered in the isothermal kinetics obtained at high cure temperatures, causing the deviation from the model predictions. When α₀ was larger than about 0.4 the physical transition around 80℃ disappeared which could, in turn, explain the good agreement between experiment and model predictions.

본 연구에서는 항공기용 구조물로 많이 사용되는 에폭시/유리섬유 프리프레그의 경화 반응을 시차 주사 열량계 (differential scanning calorimetry (DSC)) 및 유전율 측정법 (dielectric analysis (DEA))을 사용하여 등온 및 가온 조건에서 살펴보았다. 프리프레그의 등온 경화 반응에 대한 실험 결과는 자촉매 (autocatalysis) 반응식으로 잘 표현됨을 알았다. 또한 실제 복합재료 가공 공정과 유사한 조건을 만들기 위하여 부분 경화 (fractional cure) 실험을 통하여 얻은 결과를 등온 실험에서 얻어진 경화 모델식의 예측과 비교하였다. 등온 조건에서 DEA 및 DSC 실험 결과로부터 정성적인 Time-Temperature-Transformation (TTT) 경화 곡선 (cure diagram)을 얻을 수 있었다. 등온 실험에서 얻어진 모델식의 가온 조건에서의 적용 가능성을 확인하기 위하여 초기 경화도 (α₀)와 가온 비율 (heating rate)에 따른 영향을 가온 DSC 및 DEA 실험을 통하여 분석하였다. 가온 DSC 실험 결과 초기 경화도 (α₀)가 0에서 0.46까지는 등온 실험에서 얻저진 경화식의 예측 결과보다 실제 경화 피이크가 높은 온도에서 나타남을 확인하였으며, 초기 경화도가 0.46 이상인 경우는 등온 경화 모델식의 예측과 일치된 실험 결과를 얻었다. 가온 조건 하의 DEA 실험 결과 경화 반응 이전에 80℃ 부근에서 물리적 전이 현상이 존재하는 것이 관찰되었고, 이러한 전이는 초기 경화도가 0.46 이상이 되면 사라짐을 관찰하였다. 따라서 고온에서 등온 DSC 실험을 하여 구한 모델식은 이러한 경화 온도 이전의 저온 영역에서의 전이를 고려할 수 없었기 때문에, 가온 실험 조건에서는 초기 경화도가 작을 때에 실험으로부터 구한 경화 곡선이 등온 모델식의 예측보다 느리게 나타나며, 초기 경화도가 약 0.4 이상이 되면 등온 모델식과 잘 맞는다는 것을 알 수 있었다.

Keywords: prepreg(s); isothermal cure; fractional cure; dynamic cure; time-temperature-transformation (TTT) cure diagram; differential scanning calorimeter (DSC); dielectric analysis (DEA)