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화학적 방법에 의한 가황 EPDM 고무의 탈황처리
Devulcanization of Vulcanized EPDM Rubber by a Chemical Method 원문보기

엘라스토머 = Elastomer, v.35 no.4, 2000년, pp.288 - 295  

문재호 (인제대학교 화학공학과) ,  김양수 (인제대학교 화학공학과)

초록
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가황 EPDM(ethylene-propylene-diene terpolymer) 고무를 화학적 탈황처리 방법을 통하여 가교 밀도를 감소시키고자 시도하였다. 화학적 탈황처리를 위하여 상이동 촉매(phase transfer catalyst), 알카리 금속인 sodium, triphenylphosphine 등을 탈황 조제로 사용하였으며 또한 2-butanol을 탈황반응의 반응용매로 사용한 경우에 대한 탈황처리 효과도 아울러 조사하였다. 4급 암모니움염 형태의 상이동 촉매를 탈황반응에 이용할 경우 촉매의 분자량에 따른 변화 그리고 bromide(Br) 음이온 대비 chloride(Cl)음이온 사용에 따른 변화 등을 비교하였다. Sodium(Na)을 탈황반응에 투여할 경우 Na의 사용량, 반응온도, 반응시간 그리고 반응 분위기로 이용된 수소가스의 압력 등 반응변수에 따른 탈황효과를 살펴보았다. 가교밀도를 정량적으로 나타내는 수치인 $M_c$값(가교점 사이의 수평균 분자량)을 평형팽윤법을 이용하여 실험적으로 결정하였고 가황 EPDM 고무시료의 탈황효과 분석은 탈황 전과 탈황 후 시료에 대한 $M_c$ 값을 비교함으로써 수행되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It has been tried to decrease the crosslink density of vulcanized EPDM (ethylone-propylene-diene terpolymer) rubber through a chemical devulcanization treatment. Phase transfer catalyst, alkali metal (i.e., sodium), and triphenylphosphine have been used as a chemical agent ul the devulcanization tre...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 가황된 EPDM 고무(자동차용 weather strip)를 화학적 처리반응을 통하여 탈황시킴으로써 가교밀도를 감소시키는 시도로서 먼저 상이동촉매를 이용한 탈황을 수행하였다. Fig.
  • 반응온도는 최소 250℃ 이상이 되어야만 탈황의 효과가 나타나며 앞에서 시도된 상이동촉매 및 sodium 이용 탈황 방법에 비하여 탈황에 의한 가교밀도 감소는 그렇게 뚜렷하지 않다고 할 수 있다. 네번째 시도된 탈황실험에서는 triphenylphosphine(TPP)을 가황 EPDM 고무와 반응용매인 시클로헥산의 반응혼합물에 투여하고 질소압력 20psi와 반응온도 80℃에서 5hr 동안 탈황 처리한 후 시료의 Mc값을 조사하였다. 이때 TPP의 사용량은 가황고무 시료가 갖고 있는 유황함량을 기준으로 하여 8:1, 16:1, 33:1, 41:1 등으로 상당히 많은 량을 투여하였다.
  • EPDM 고무는 고분자의 주쇄에 가교구조가 형성되지 않고 측쇄 (side chain)에 도입된 diene 류에 황가교 구조가 형성되므로 탈황 처리공정시 화학적 반응과정이 타이어용 가황고무인 NR이나 SBR과는 달라지므로 가황 EPDM 고무에 대한화학적 탈황처리 공정의 적용 가능성을 조사할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 자동차 W/S 용도로 상업적으로 생산 제조된 solid type 가황 EPDM 고무를 사용하여 위에서 언급한 상 이동 촉매, sodium, 2-butanol 및 triphenylphosphine 등을 사용한 화학적 탈황방법을 적용함으로써 탈황 재생의 가능성을 살펴보았으며 탈황 반응의 정량적 비교를 위하여 평형 팽윤 (equilibrium swelling) 실험에 의한 Mc(가교점 사이의 평균분자량) 값 측정치와 원소분석에 의한 황함량(S%) 측정치가 사용되었다.
  • 탈황반응은 고압반응기를 이용하여 수소로 가압 (최대 800psi)한 후 수행하였으며 반응온도는 200~250℃, 반응시간은 최대 2hr까지 반응을 진행하였다. 반응 종료 후 반응기에 물을 첨가하여 미반응 sodium을 sodium hydroxide 상태로 제거하며 반응 혼합물은 여과하여 고형분을 회수하고 진공오븐에서 완전 건조시킨 후 분석하였다.
  • 반응에 사용한 가황고무는 팽윤되지 않은 상태의 시료를 사용하였으며 TPP(Yakuri Co.)는 시약용을 그대로 사용하였고 TPP는 반응에 투입된 가황고무가 함유하고 있는 황함량 대비(무게비) 8:1~41:1 정도 투입하였다. 탈황반응은 시클로헥산(250mL)을 반응용매로 사용하여 질소압력 20psi에서 80℃로 5hr 동안 수행하였다.
  • 반응용 고무원료는 PTC 이용 탈황에서와 같이 시클로헥산에 24hr 동안 침적시켜 팽윤된 시료를 사용하였으며 2-butanol 존재 하에서 수소 압력 500psi로 가압된 상태에서 반응온도는 최대 300℃까지 가열하며 3hr 동안 탈황반응을 수행하였다.
  • 반응원료인 분말상태의 가황 EPDM 고무입자는 먼저 시클로헥산(cyclohexane)에 24hr 동안 침적하여 팽윤시킨 후 반응에 사용하였으며 냉각수가 순환되는 냉각기가 부착된 반응 플라스크에 팽윤된 고무입자를 투입하였다. 반응 플라스크에 적정량 (0.
  • 감소한다. 본 연구에서는 원소분석기(Heraeus Co.)를 이용하여 CHNS mode 하에서 분석함으로써 고무시료가 갖고 있는 황을 정량분석(wt.%) 하였다. .
  • 세번째 실험에서는 가황 EPDM 고무를 2-부탄올 존재 하에서 탈황반응을 수행하였다. Fig.
  • 실험에 사용한 원료는 PTC 이용 탈황에서와 같이 시클로헥산에 24hr 동안 침적시켜 팽윤된 고무시료를 용매만 흡습지로 제거한 후 반응플라스크에 투입하였다. 사용한 sodium (Fluka Co.
  • 네번째 시도된 탈황실험에서는 triphenylphosphine(TPP)을 가황 EPDM 고무와 반응용매인 시클로헥산의 반응혼합물에 투여하고 질소압력 20psi와 반응온도 80℃에서 5hr 동안 탈황 처리한 후 시료의 Mc값을 조사하였다. 이때 TPP의 사용량은 가황고무 시료가 갖고 있는 유황함량을 기준으로 하여 8:1, 16:1, 33:1, 41:1 등으로 상당히 많은 량을 투여하였다. Fig.
  • 분리 회수된 고형분을 진공오븐 (55℃)에 넣고 2hr 동안 완전 건조시킨다. 탈황 처리 전과 처리 후의 EPDM 고무입자의 Mc값을 측정하여 비교하였다.
  • )의 양은 가황고무가 함유하고 있는 황함량대비 (무게비) 최대 8:1 정도까지 사용하였고 시클로헥산 (250mL)을 반응용매로 사용하였다. 탈황반응은 고압반응기를 이용하여 수소로 가압 (최대 800psi)한 후 수행하였으며 반응온도는 200~250℃, 반응시간은 최대 2hr까지 반응을 진행하였다. 반응 종료 후 반응기에 물을 첨가하여 미반응 sodium을 sodium hydroxide 상태로 제거하며 반응 혼합물은 여과하여 고형분을 회수하고 진공오븐에서 완전 건조시킨 후 분석하였다.

대상 데이터

  • 상업적으로 제조 생산된 [(주)덕강산업] 자동차용 weather strip (가황 EPDM 고무)을 화학적 탈황실험의 원료로 사용하였으며 고무시료는 액체질소가 채워진 dewar 플라스크에 1~2분 동안 담근 후 바로 꺼내 소형 mill을 사용하여 100mesh 이하의 크기로 잘게 분쇄시켜 분말 상태로 만들어 탈황반응에 투입하였다.
  • 실험에 사용된 상이동촉매(PTC)로는 HTAB(hexadecyltrimethylammonium bromide), HTAC (hexadecyltrimethylammonium chloride), Aliquat-336 (tricaprylylmethylammonium chloride), TMAC (tridodecylmethylammonium chloride) 등의 4급 암모니움염 (quaternary ammonium salt)를 시약용 (Fluka 제품)으로 그대로 사용하였다. 반응원료인 분말상태의 가황 EPDM 고무입자는 먼저 시클로헥산(cyclohexane)에 24hr 동안 침적하여 팽윤시킨 후 반응에 사용하였으며 냉각수가 순환되는 냉각기가 부착된 반응 플라스크에 팽윤된 고무입자를 투입하였다.

이론/모형

  • 그러나 triphenylphosphkie을 탈황제로 과량 투여한 탈황처리에서는 전혀 탈황효과가 나타나지 않았다. 고무의 가교밀도를 정량적으로 비교하기 위하여 평형팽윤법을 이용하여 Mc값(가교점 사이의 수평균 분자량)을 결정하였으며 가황 처리전 및 처리후의 시료 Mc값을 비교하여 가교밀도 감소 여부를 판단할 수 있었다.
  • 이와 같이 고무시료의 가교밀도와 밀접한 관련성을 갖고 있는 Mc값은 평형팽윤법8Hory-Rehner 관계식9을 적용함으로써 결정할 수 있다. 우선 시편을 유기용매인 시클로헥산에 충분히(약 24hr) 침적시켜 완전히 팽윤시킨 후 시편을 꺼내어 표면에 존재하는 유기용매를 흡습지로 닦아내고 무게를 잰다( w1).
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