Polyurethane (PU) adhesive is widely used for bonding the secondary barrier of cryogenic containment systems (CCS) of liquefied natural gas (LNG) ships due to its ductility at room temperature, although it becomes brittle at the cryogenic temperature below its glass transition temperature.
To evaluate the reliability of PU adhesive joint at the cryogenic temperature of -150°C, the fracture toughness of double-cantilever-beam (DCB) and lap shear strength of single-lap adhesive joints composed of stainless steel and aluminum adherends were measured. The fracture toughness and lap shear strength of PU adhesive joints were found to be very low due to its brittleness at cryogenic temperature. In order to improve the cryogenic performances of PU adhesive joints at the cryogenic temperature, the adhesive was reinforced with chopped glass fibers.
The fracture toughness of the reinforced adhesive was measured with respect to the length and volume fraction of the chopped glass fibers. Based on the experimental results, the optimum length of the chopped glass fiber and the volume fraction were suggested for improving the fracture toughness of PU adhesive joint for cryogenic application. The lap shear strength of the reinforced adhesive was evaluated varying the volume fraction of the chopped glass fiber. Also the lap shear strength of adhesive under the thermal shock was evaluated to guarantee the reliable adhesive joint. Finally, the optimal method to improve the cryogenic performances of the PU adhesive joint for secondary barrier of CCS was suggested.
폴리우레탄 접착제 (Polyurethane, PU)는 높은 인성으로 인해LNG 선박 용 극저온 화물창 (Cryogenic containment system, CCS)의 이차방벽의 접착에 사용되고 있다.
극저온 화물창은 -150oC에서 운행되며, 이는 폴리우레탄 접착제의 유리 전이 온도 (Glass transition temperature) 보다 낮기 때문에 접착제는 취성 (Brittleness)을 띠게 된다. 이에 따른 극저온 환경에서의 신뢰성을 평가하기 위해 이차방벽의 소재로 사용되는 알루미늄과 스테인리스 강철로 구성된 이중외팔보 (Double-cantilever-beam, DCB) 접착 시편을 제작하여 파괴 인성에 대해 평가하였고, 단일겹침 (Single-lap) 접착 시편을 제작하여 접착 강도에 대해 평가하였다. 극저온에서 접착제는 강한 취성을 띠므로, 파괴 인성과 접착 강도가 급격히 낮아지며, 이에 따라 극저온 환경에서의 폴리우레탄 접착 조인트의 성능 향상을 위해 접착제를 유리 단 섬유 (Chopped glass fiber)를 이용해 보강하였다.
폴리우레탄 접착제의 점도 (Viscosity)에 따라 보강하는 유리 단 섬유의 부피 분율 (Volume fraction)을 다르게 설정하고 접착제의 온도를 높여 점도를 낮추어 보강하였다. 먼저, 유리 단 섬유의 길이와 부피 분율에 따라 극저온에서의 파괴 인성 및 균열 저항성 (Crack resistivity)을 평가하였고, 이를 바탕으로 파괴 인성을 가장 크게 향상 시킬 수 있는 유리 단 섬유의 길이와 부피 분율을 제시하였다. 또한 유리 섬유 부피 분율에 따른 극저온에서의 전단 강도를 평가하고, 화물창의 실제 상황을 모사한 열 충격 (Thermal shock) 실험을 통해 신뢰성 있는 접착 조인트의 보강 방법에 대해 연구를 수행하였다.
최종적으로는 극저온에서의 파괴 인성과 접착 강도를 모두 고려하여, 극저온 화물창의 이차방벽 접착 조인트를 구성함에 있어서 유리 단 섬유를 이용해 접착 조인트를 보강하는 최적의 방법을 제시하였다.
