The CCS (Cryogenic Containment System) of LNG (Liquefied Natural Gas) has primary and secondary barriers, in order to prevent LNG leakage with high reliability at cryogenic environment of -163oC. The secondary barrier is composed of adhesively bonded thin austenite stainless steel sheet (SUS 304 or 304L). Since the thin stainless steel sheets are not suitable for welding or other mechanical joining without leakage, thin stainless steel sheets are adhesively bonded using epoxy adhesive which has relatively low CTE (Coefficient of Thermal Expansion) and high strength adhesion characteristics. However, as adhesives become quite brittle at the cryogenic temperature, the fracture toughness of adhesive joint is relatively low at the cryogenic temperature. Therefore, in order to improve the reliability of secondary barrier, the adhesives should be reinforced with fibers or fillers to increase their fracture toughness.
In this work, a film-type epoxy adhesive was reinforced with E-glass, polyester and aramid fiber mats to improve the fracture toughness of adhesive joint composed of austenite stainless steel adherends at the cryogenic temperature of -150oC. To evaluate the fracture toughness and crack resistance of the stainless steel-epoxy adhesive joints, cleavage tests on the DCB (Double Cantilever Beam) adhesive joints were performed with respect to the crack length and fiber volume fraction of the reinforcements at the cryogenic temperature. From the experiments, it was found that the crack propagated in the stable mode with significantly increased fracture toughness when the film-type epoxy adhesive was reinforced with the E-glass, polyester and aramid fiber mats. Also, optimum volume fractions of fibers were suggested for the film-type epoxy adhesive in the adhesive joint at the cryogenic temperature.
LNG 선박의 극저온 저장탱크는 -163도의 극저온 환경에서 LNG의 누설이 발생하지 않도록 높은 신뢰성을 유지하기 위하여 1차 방벽과 2차 방벽을 갖는 이중 방벽 구조를 갖는다. 그 중, 2차 방벽은 얇은 오스테나이트계 스테인리스 강철 박판 (SUS 304 or 304L)을 접착 조인트 형태로 접합 하는 방법이 개발되고 있다. 얇은 스테인리스 강철 박판의 경우 용접이나 기타 기계적인 접합을 통해 누설이 발생하지 않도록 하는 것이 어렵기 때문에, 열팽창계수가 상대적으로 작고 접착력이 우수한 에폭시 접착제를 사용하여 접합 한다.
대개, 극저온에서 접착 조인트의 파괴 인성은 극저온 영향에 의한 접착제의 취성화와 접착 조인트의 경화 온도와 사용 온도 사이의 큰 온도차에 의한 열 잔류 응력의 영향으로 상온에 비해 낮아지게 된다. 극저온에서 2차 방벽 접합부의 낮은 파괴 인성을 향상시킨다면, 2차 방벽의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다.
따라서, 본 연구에서는 필름 타입의 에폭시 접착제를 유리 섬유, 폴리에스터 섬유, 아라미드 섬유로 보강하여 극저온에서 스테인리스 강철 접착 조인트의 파괴 인성을 향상 시키고자 하였다. 스테인리스 강철 접착 조인트의 파괴 인성과 균열 저항성을 측정하기 위하여 DCB (Double Cantilever Beam) 접착 조인트 실험을 섬유 부피 분율과 균열 길이에 따라 수행하였다.
실험을 통하여, 극저온에서 보강되지 않은 에폭지 접착제의 경우 균열 진전 양상이 불안정한 형태로 진전함을 관찰 하여, 불안정한 균열 진전 양상을 안정한 형태로 바꾸고, 파괴 인성과 균열 저항성을 향상 시키기 위하여 무작위로 배열된 유리 섬유, 폴리에스터 섬유, 아라미드 섬유 매트를 이용하여 접착제를 보강하였다. 또한, 보강재의 부피 분율에 따른 영향을 확인하여, 극저온에서 파괴 인성과 균열 저항성을 가장 효과적으로 향상시키는 유리 섬유, 폴리에스터 섬유, 아라미드 섬유의 부피 분율을 제시하였다.
