In this study, molecular dynamics (MD) models of epoxy resin/functionalized graphene layer nanochannel were developed to simulate epoxy resin impregnation behavior with respect to chemical characteristics of the carbon fiber surface during the VaRTM process. To analyze the effects of functional group type and density on resin flow, hydroxyl, carboxyl, and epoxide groups—commonly found in the sizing layer of carbon fibers—were introduced onto the graphene surfaces. The MD simulation results showed that while functional groups with high affinity for epoxy resin can enhance resin flow, an excessive density of these groups may hinder pressure-driven flow. Furthermore, the study suggests that in order to more accurately replicate epoxy resin impregnation during the VaRTM process, future MD models should incorporate the physical surface morphology of carbon fibers in addition to their chemical features.

본 연구에서는 VaRTM 공정에서 탄소섬유 표면의 화학적 특성에 따른 에폭시 수지 함침을 모사하기 위해 에폭시 수지/기능성 흑연층 나노 채널 분자동역학 모델을 구축하고 압력 구배에 의한 유동 해석을 수행하였다. 탄소섬유 표면의 사이징층에 주로 존재하는 하이드록실기, 카르복실기, 에폭사이드기를 흑연층 모델에 부여함으로써 화학 작용기의 개수 및 종류가 에폭시 수지 유동 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 분자동역학 해석 결과를 기반으로 에폭시 수지와 친화적인 화학 작용기가 부여된 흑연층이 에폭시 수지 유동 증진에 효과적이지만 작용기의 밀도가 일정 수준 이상으로 높아지면 압력 구배에 의한 수지 유동을 저해할 가능성이 있음을 제시하였다. 또한 VaRTM 공정을 통한 에폭시 수지 함침을 보다 정확히 모사하기 위해서는 탄소섬유 표면의 물리적 형상이 추가적으로 구현된 분자동역학 모델 구축 및 유동 해석이 필요함을 확인하였다.

Keywords: 분자동역학(Molecular dynamics), 탄소섬유(Carbon fiber), 사이징제(Sizing agent), 수지 함침(Resin impregnation), 압력 구동 유동(Pressure-driven flow)