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문제 정의
- 본 연구에서는 자동차에 사용되는 고분자 중 가장 많은 양을 차지하는 폴리프로필렌(PP)과 ABS의 재활용을 위한 PP/ABS 블렌드의 물성변화를 알아보기우] 해, ABS에서 부타디엔이 포함되지 않은 스티렌-아크릴로 니트릴 공중합체(SAN)를 이용한 PP/SAN 블렌드를 제조하였다. PP/SAN 블렌드의 혼합 조성비와 블렌드시 공정조건의 변화에 따른 분산상의 크기 변화와 이에 따른 블렌드의 기계적 물성값 변화에 대해서 알아보았고, 물리적 상용화제를 첨가하였을 경우 분 산상 크기의 변화와 이에 따른 기계적 물성값의 변화에 대해서도 알아보았다.
- 스크류의 회선속노, 그리고 상용화제의 첨가가 블렌드의 최종 모폰로지와 기계적 무-성에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
제안 방법
- PP/SAN 블렌드의 혼합 조성비와 블렌드시 공정조건의 변화에 따른 분산상의 크기 변화와 이에 따른 블렌드의 기계적 물성값 변화에 대해서 알아보았고, 물리적 상용화제를 첨가하였을 경우 분 산상 크기의 변화와 이에 따른 기계적 물성값의 변화에 대해서도 알아보았다. PP/SAN 블렌드에서 찾아낸 공정조건을 바탕으로 하여, PP/ABS 블렌드의 혼합조성에 따른 기계적 물성값의 변화와 상용화제 첨가에 따른 블렌드의 기계적 물성값 변화에 대해서 알아보았다.
- 제조하였다. PP/SAN 블렌드의 혼합 조성비와 블렌드시 공정조건의 변화에 따른 분산상의 크기 변화와 이에 따른 블렌드의 기계적 물성값 변화에 대해서 알아보았고, 물리적 상용화제를 첨가하였을 경우 분 산상 크기의 변화와 이에 따른 기계적 물성값의 변화에 대해서도 알아보았다. PP/SAN 블렌드에서 찾아낸 공정조건을 바탕으로 하여, PP/ABS 블렌드의 혼합조성에 따른 기계적 물성값의 변화와 상용화제 첨가에 따른 블렌드의 기계적 물성값 변화에 대해서 알아보았다.
- 곤곡강도는 ASTM D-790에 따라 cross- head speed는 1.2 mm/min, span length는 48 mm 론 신험하였으며, 인장강도는 ASTM D—638에 따라 cross-head speed는 1.5 mm/min, gauge length는 13 mm로 실험하였다.
- 실험용 시편으로는 hot press에서 제조한 굴곡 시편을 액체 질소에 넣고 급냉시킨 후, 시편을 파단 내어 그 단면을 25 kV의 가속전압으로 1000의 배율로 관찰하였다. 분산상의 크기는 image analyzer를 사용하여 측정하였으며, 각 시편 당 200개 이상의 분 산상을 대상으로 크기를 측정하였다.
- 블렌드 시편의 형태학적 구조를 관찰하기 위해 JEOL사의 JSM-5200 주사전자현미경(scanning electron microscope : SEM)을 사용하였다. 실험용 시편으로는 hot press에서 제조한 굴곡 시편을 액체 질소에 넣고 급냉시킨 후, 시편을 파단 내어 그 단면을 25 kV의 가속전압으로 1000의 배율로 관찰하였다. 분산상의 크기는 image analyzer를 사용하여 측정하였으며, 각 시편 당 200개 이상의 분 산상을 대상으로 크기를 측정하였다.
대상 데이터
- 기계적 물성 측정 블렌드의 기계적 문성 측정을 위해 Instron사의 4467모델을 사용하여 상온에서 실험하였다. 곤곡강도는 ASTM D-790에 따라 cross- head speed는 1.
- 블렌드는 스크류의 L/D가 30인 Brabender사의 동방향 이축혼련압출기를 사용하였으며 , 공정온도는 주입부의 온도를 150 ℃, 배럴의 온도는 190 ℃, 그리고 다이의 온도는 200 ℃로 설정하여 실험하였다. 블렌드의 종류와 공정조건에 대한 자세한 설명은 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 고분자인 PP, SAN, ABS에 대한 자세한 설명은 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 상용화제는 일본유지(NOF)에서 제조한 Modiper 제품으로 PP가 70 wt%, SAN이 30 wt% 함유되어 있는 PP/SAN 그라프트 공중합체를 사용하였다.
이론/모형
- 형태학적 구조 관찰. 블렌드 시편의 형태학적 구조를 관찰하기 위해 JEOL사의 JSM-5200 주사전자현미경(scanning electron microscope : SEM)을 사용하였다. 실험용 시편으로는 hot press에서 제조한 굴곡 시편을 액체 질소에 넣고 급냉시킨 후, 시편을 파단 내어 그 단면을 25 kV의 가속전압으로 1000의 배율로 관찰하였다.
성능/효과
- PP/SAN 블렌드에서 상용화제의 첨가량이 5 phr 로 증가됨에 따라 분산상의 크기가 작아지고 기계적 물성값이 상승하는 결과를 나타내었으나, 상용화제가 7.5 phr과 10 phr이 첨가된 블렌드의 경우 분 산상 크기의 큰 변화를 나타내고 있지 않았다. 특히, 굴곡강도의 경우 상용화제가 5 phr이 첨가된 블렌드와 비교하여 거의 비슷한 물성값을 나타내고 있었으며, 인장강도의 경우 약간 하락한 결과를 나타내고 있었다.
- Figure 5에서 보면, PP/ABS 블렌드의 전체 조성에 대한 기계적 물성값이 두 고분자의 첨가량이 비슷해지는 영역에서 기계적 물성값의 최소치를 나타내고 있었다. 굴곡강도의 경우 35/65 조성의 블렌드에서 31.2 MPa로 최소값을 나타낸 후 ABS의 첨가량이 증가함에 따라 물성값도 증가하는 경향을 나타내었으며, 인장강도도 50/50 의 블렌드 조성에서 23.8 MPa로 최소의 물성값을 나타낸 후 ABS의 첨가량이 증가함에 따라 물성값도 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 PP와 ABS의 완전한 비상용 거동을 나타내는 것으로, PP/ABS 블렌드시 혼합 조성이 블렌드의 최종 물성에 미치는 영향을 잘 나타내고 있다고 할 수 있다.
- 특히, PP/SAN 조성이 70/30, 60/40인 블렌드의 경우 상용화제로 인한 물성값의 상승폭이 90/10, 80/20 조성보다 더 큰 값을 나타내고 있었다. 굴곡강도의 경우 90/10의 비율에서 상용화제가 첨가되더라도 54.0 MPa로 동일한 물성값을 나타내고 있었으나 60/40의 비율에서는 상용화제 첨가 후 27.7에서 32.8 MPa로 5.1 MPa이상승한 결과를 나타내었고, 인장강도의 경우 90/10 의 비율에서는 32.8에서 34.5 MPa로 1.7 MPa 상승한 결과를 나타내었으나 60/40의 비율에서는 상용화제 첨가 후 24.4에서 33.0 MPa로 8.6 MPa이 상승한 결과를 나타내었다. 기계적 물성값의 상승폭은 인장강도가 굴곡강도보다 더 큰 값을 나타내고 있었는데, 이는 상용화제의 첨가로 인해 나타난 시편와 유연성이 인장강도의 상승에 더 큰 영향을, 미치고 있었기에 나타난 결과로 사료된다.
- 이는 PP와 ABS의 완전한 비상용 거동을 나타내는 것으로, PP/ABS 블렌드시 혼합 조성이 블렌드의 최종 물성에 미치는 영향을 잘 나타내고 있다고 할 수 있다. 따라서, 폐자동차에서 수거되는 PP오* ABS의 조성비를 여분의 PP를 첨가함으로써 조성비를 조절할 경우, 상용화제나 공정조건의 변화 없이도 일정 수준의 기계적 강도를 지닌 비상용 블렌드를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
- 상용화제가 첨가되지 않은 PP/SAN 블렌드에서 SAN의 함량이 10 wt%인 경우와 40 wt%인 경우의 기계적 물성값을 비교해보면, 굴곡강도의 경우 54.0 에서 27.7 MPa로, 인장강도의 경우 40.0에서 23.4 MPa로 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 블렌드 시분산상의 전체 부피가 증가되면서 분산상 서로 간에 마주칠 수 있는 확률이 증가되고 결과적으로 분산 상의 합체와 파괴 상호간의 평형에서 합체가 우세한 평형에 도달하여 생겨난 현상이라 할 수 있다.
- 이는 과량으로 첨가된 상용화제가 블렌드 내의 계면에서 두꺼운 상을 형성하면서 유연성을 향상시키나, 결과적으르는 각 고분자 상 사이에서 윤활제와 같은 역할을 수행하면서 기계적 강도를 하락시켜 나타난 현상이라 할 수 있다. 상용화제의 과잉첨가에 따른 기계적 물성값의 하락폭은 PP/SAN 블렌드보다 PP/ABS 블렌드가 더 컸으며, 특히 인장강도보다는 굴곡강도가 블렌드의 유연성에 더 민감하게 영향을 받고 있었다.
- 스크류의 회전속도 변화에 따른 블렌드의 경우, 회전속도를 증가시킴에 따라 전단응력이 증가되면서 분산 상의 크기가 감소하였고, 이로 인해 블렌드의 상용성이 향상되면서 굴곡강도와 인장강도가 증가한 결과를 나타내고 있었다.
- Figure 7은 위 방법으로 제조한 블렌드의 굴곡강도와 인장강도의 변화에 대한 것으로써, 스크류의 회전속도 값이 증가할수록 기계적 물성값도 소폭으로 증가하는 경향을 나타내고 있었다. 스크류의 회전속도가 10 rpm일 때의 물성값과 60 rpm일 때의 물성값을 비교해 보면, 굴각상LEW 52.5 MPa에서 55.7 MPa로 인장강도는 32.0에서 33.5 MPa로 증가한 결과를 나타내고 있었다. 이는 분산상의 크기 감소로 인한 블렌느의 상용성 증가로 인해 나타난 현상으로, 서로 비상용성을 나다 내는 고분자 블레도시 늪은 회전속도로 가-공할 경우 향상된 기계적 뭎성을 지닌 블레드를 제조할 수 있음을 나타내고 있다.
- 특히. 일정한 양(5 phr) 의 상용화제가 첨가된 블렌, -의 조성 변화에 따른 물성값 변화 실험의 경우, 상용화세가 짐가되지 않은 동일 소성의 븐렌드와 비교하여, 90/10의 조성에서 인상 강도의 미세한 증가를 나타내고 있으나, 60/40 의 소성에서는 인장강노가 크게 증가한 결과를 나타내고 있었다. 이는 상용화세의 추가로 인해 븜렌드의 유연성이 상승함으로써 나타난 현상으로, 굴곡보다는 인장실험이 시편의 유연성 향상에 따른 물성값 향상에 더 큰 영향을 받고 있음을 나타낸다고 할 수 있다.
- 일반적으로, 상용화제의 첨가량이 증가함에 따라 과량으고 첩가된 상용화제는 고분자의 계면에 두껍게 분포하면서 블렌드의 기계적 물성값을 떨어뜨리게 뇌는네, 상용화제의 첨가로 인해 블렌드에 부여된 유연성의 증가가 인장강도보다는 굴곡 강도 에니 많은 영향을 미치고 있었다. 특히, 이러한 거동은 굴곡 실험에서 더 명확하게 나타나고 있었는데, PP/ SAN 블렌느보다는 PP/ABS 블렌드가 상용화제의 과잉첨가에 따른 강도값의 하락 폭이 더 크게 나타나고 있었다. 이는 ABS에 포함되어 있는 PBD(polybuta- diene)와 상용화제의 첨가에 의한 블레드의 유연성 향상이 PP/ABS 블렌드의 굴곡강도 하락에 더 크게 작용하고 있었기에 나타난 현상으로 사료된다.
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