고성능 배드민턴 줄의 동적 기계적 분석

서론

고분자의 점탄성 특성을 이해하는 것은 스포츠 용품을 비롯한 다양한 분야에서 고분자를 활용하는 데 있어 매우 중요합니다. 고성능 고분자 및 고분자 복합재료는 사용자에게 내구성이 뛰어나고 편안하며 정밀하고 오래 사용할 수 있는 장비를 제공함으로써 스포츠 산업에 혁명을 일으켰습니다 [1]). 고분자와 고분자 복합재료는 일상적인 활동의 토대가 됩니다. 이들은 실내 및 실외 스포츠 시설에 사용되는 바닥재, 신발 밑창, 네트의 그물망, 라켓의 줄 등을 구성합니다. 이러한 재료의 열적 특성과 물리적 성능을 평가할 수 있는 능력은 설계, 제조 및 최종 사용에 있어 매우 중요합니다.

동적 기계 분석(DMA)은 주로 고분자 재료의 점탄성 특성을 분석하는 데 사용되지만, 금속 및 세라믹을 측정하거나 특정 기계적 조건을 시뮬레이션하는 데에도 활용됩니다. NETZSCH 의 DMA 303 Eplexor^® 은 -170°C에서 800°C(-274°F에서 1472°F)에 이르는 온도 범위에서 측정할 수 있고, 1 mN에서 50 N에 이르는 하중을 가할 수 있으며, 0.001~150 Hz의 주파수 범위에서 작동할 수 있는 다목적 데스크톱 장비입니다. 본 연구에서는 동적 기계적 분석(DMA)을 이용하여 세 가지 서로 다른 고성능 배드민턴 스트링을 시험했습니다. 현대식 배드민턴 스트링은 여러 가지 재료, 층 및 코팅으로 구성되어 있습니다[2]. 시험된 세 가지 시편 모두 나일론 멀티필라멘트 코어를 엮은 나일론 섬유로 감싼 동일한 기본 구조를 가지고 있다. 시편 1은 티타늄 하이드라이드 코팅이 되어 있는 반면, 시편 2와 3은 복합 컵-스택 탄소 나노튜브 코팅이 되어 있다. 성능 측면에서 제조사는 각 스트링을 등급별로 분류하며, 그 요약은 표 1에 제시되어 있다.

표 1: 제조사에서 보고한 세 가지 배드민턴 스트링의 특성.

본 연구의 주요 목적은 DMA로 측정된 점탄성 특성을 표 1에 제시된 제조사의 성능 기준과 연관 짓는 것이다. 저장 탄성률(E’)은 재료가 에너지를 저장하고 방출하는 능력(스프링과 유사)을 나타내며, 이는 보고된 반발력과 직접적인 관련이 있다. 손실 탄성계수(E”)는 재료가 에너지를 소산하는 정도(일반적으로 내부 마찰을 통해)를 나타내며, 마지막으로 감쇠 계수(tan δ)는 E”와 E’의 비율로, 재료가 가해진 힘을 얼마나 감쇠시키는지를 나타냅니다. 따라서 타격음과 충격 흡수 모두 E” 및 tan δ의 특성과 직접적으로 연관되어 있습니다. 또한, 내구성과 같은 매개변수는 온도가 아닌 증가하는 힘에 대한 함수로 시험을 수행함으로써 탐구할 수 있습니다.

점탄성 특성 및 적용 시뮬레이션을 위한 DMA 시험

세 가지 배드민턴 스트링의 점탄성 특성을 측정하기 위해, NETZSCH DMA 303 Eplexor^® 을 사용하여 각 시편에 대해 -150~150ºC 범위에서 인장 조건 하의 표준 온도 스윕 시험을 실시하였다(그림 1 참조).

표 2는 각 시료의 다양한 전이 영역을 요약한 것이다. 온도에 따른 시료 1의 점탄성 프로파일은 그림 2에, 시료 2는 그림 3에, 시료 3은 그림 4에 표시되어 있으며, 모든 시료는 인장 조건에서 측정되었다. 그림 2부터 4까지를 보면, 시료 2와 3은 매우 유사한 프로파일과 전이 영역을 보이는 반면, 코팅이 다른 시료 1은 현저히 다른 양상을 보인다. 나일론은 일반적으로 숫자 등급(6, 66, 11, 12)으로 분류되는 지방족 폴리아미드로, 이들 모두 40~95°C 사이에서 유리전이 온도를 나타냅니다. 따라서 주변 온도 이하에서 관찰되는 다른 전이 현상을 살펴보는 것은 매우 흥미롭습니다.

표 2: 시료 1, 2, 3의 열적 전이 특성(E’, E”, tan δ). 모든 시료는 동적 변형량 10 μm, 비례 계수 1.3, 가열 속도 2 ºC/min의 조건에서 인장 방향으로 측정되었다.

그림 2부터 4까지를 살펴보면, 온도가 스트링의 점탄성 성능에 미치는 영향도 고려하는 것이 중요합니다. 배드민턴은 일반적으로 실내에서 즐기는 스포츠이지만, 야외에서 경기를 할 때는 어떨까요?

그림 5는 0~50°C 범위에서 시료 1의 온도 변화를 보여줍니다. 4°C의 선선한 가을 날에는 현의 강성이 실온(25°C)일 때보다 2.3배, 35°C의 더운 여름날보다 3.0배 더 높아집니다. 그러나 감쇠 계수는 이와 정확히 동일한 경향을 따르지 않으며, 25°C에 비해 4°C에서 1.1배, 35°C에 비해 4°C에서 1.3배 더 높은 수준에 그칩니다. 따라서, 줄이 더 뻣뻣해져 셔틀콕을 칠 때 탄성이 줄어들더라도, 줄에 흡수되어 타격으로 전달되지 않는 에너지의 양은 비슷하게 유지될 것입니다.

이 시험의 핵심 목적은 배드민턴 라켓 줄이 실제 사용 환경에서 어떻게 작동할지 파악하는 데 있습니다. 따라서, 동일한 세 개의 시편을 3점 굽힘 시험에 적용하여 굽힘 특성을 파악하고(전체 라켓 격자 패턴의 한 유한 구간을 분석하기 위해 20mm의 굽힘 거리를 설정), 라켓에 줄을 감아 셔틀콕을 치는 상황에서 어떻게 반응할지 시뮬레이션했습니다. 스트링이 굽힘 방향으로 팽팽하게 당겨진 시험 설비는 그림 6에 나와 있습니다.

3점 굽힘 시험에서의 성능을 평가하기 위해, 실온에서 두 가지 다른 하중 변화 곡선을 적용하여 물성을 측정하였다. 그림 7은 동적 변형량이 증가함에 따른 영향을 보여준다(0.7 N 미만 유지).

그림 8은 힘이 증가함에 따라 시편의 길이가 어떻게 변하는지를 보여준다.

그림 7에서 볼 수 있듯이, 실온에서 세 가지 현의 기계적 특성 간에 뚜렷한 차이가 나타난다. 대표적인 진폭인 50 μm에서 시편 1은 가장 낮은 탄성 계수 값(E’ = 89.6 GPa, E” = 12.2 GPa)을 보이며, 시편 2는 가장 높은 값(E’ = 118.1 GPa, E” = 10.3 GPa)를 보이며, 시편 3은 그 중간 수준(E’ = 101.6 GPa, E” = 9.5 GPa)을 나타냅니다. 감쇠 계수가 손실 탄성률과 저장 탄성률의 비율임을 고려할 때, 시편 1이 가장 높은 감쇠 특성(0.14)을 보이며, 그 다음으로 시편 3(0.09), 시편 2(0.09) 순입니다. 이러한 값들은 표 1에 제조사가 보고한 값과 직접적으로 일치하지는 않지만, 그림 5에서 볼 수 있듯이 세 가지 점탄성 매개변수가 성능에 미치는 영향과 시험 시 온도가 얼마나 중요한지를 고려하는 것이 매우 중요하다.

마지막으로, 그림 8에서는 동적 하중이 증가함에 따라 시편 길이가 어떻게 변화하는지 확인할 수 있습니다. 이는 단일 현 요소가 현저한 변형 없이 견딜 수 있는 하중의 크기를 판단하는 데 중요한 고려 사항입니다. 시편 3은 가장 큰 변형량을 보였는데, 이는 변형 경향이 있어 세 시편 중 내구성이 가장 낮을 가능성이 높음을 시사한다(이 결과는 표 1과 일치한다). 3점 굽힘 시험을 거친 이 시편들은 손으로 팽팽하게 당겨졌기 때문에, 절대 측정값 간의 편차가 커질 수 있다는 점을 유의해야 한다.

요약

고성능 폴리머 및 폴리머 복합재료의 개발은 스포츠 용품 업계에 혁명을 일으켰습니다. 본 논문에서는 NETZSCH DMA 303 Eplexor^® 을 활용하여 세 가지 서로 다른 배드민턴 스트링의 성능을 다양한 매개변수에 걸쳐 평가, 비교 및 시뮬레이션하는 방법을 제시했습니다. 세 가지 시료의 전이 온도를 파악하고, 실외에서 노출될 수 있는 다양한 온도 조건에서의 성능을 평가하기 위해 온도 상승 시험을 수행했습니다. 또한 실온에서 스트링의 기계적 특성을 평가하고, 셔틀콕이 스트링에 부딪히는 방향에서 가해지는 하중에 대한 성능을 파악하기 위해 하중 스윕 시험을 실시했습니다.