가공조제가 Styrene-Butadiene Rubber 배합고무의 유변특성 및 기계적 물성에 미치는 영향 Effect of Process Aids on Rheological and Mechanical Properties of Styrene-Butadiene Rubber Compound원문보기
공정조제의 성분 및 함량이 styrene-butadiene rubber (SBR) 배합고무의 유변학적 특성과 기계적 물성에 미치는 영향을 조사하였다. 공정조제로 지방산, 지방산 유도 금속염, 에스테르 알코올, 아미드 성분을 단독 혹은 혼합한 5종의 상용제품을 선택하였다. 공정조제 첨가에 따른 무니점도와 전단점도의 감소는 금속염이 주성분인 공정조제가 가장 컸고, 고분자량의 지방산 알콜이나 에스터의 함량이 높은 공정조제가 낮았다. 공정조제의 함량증가에 따라 인장 모듈러스는 감소하고, 발열은 증가하는 경향을 나타내었지만, 극한물성인 인장강도와 파단신장율에는 그다지 큰 영향을 미치지 않았다.
공정조제의 성분 및 함량이 styrene-butadiene rubber (SBR) 배합고무의 유변학적 특성과 기계적 물성에 미치는 영향을 조사하였다. 공정조제로 지방산, 지방산 유도 금속염, 에스테르 알코올, 아미드 성분을 단독 혹은 혼합한 5종의 상용제품을 선택하였다. 공정조제 첨가에 따른 무니점도와 전단점도의 감소는 금속염이 주성분인 공정조제가 가장 컸고, 고분자량의 지방산 알콜이나 에스터의 함량이 높은 공정조제가 낮았다. 공정조제의 함량증가에 따라 인장 모듈러스는 감소하고, 발열은 증가하는 경향을 나타내었지만, 극한물성인 인장강도와 파단신장율에는 그다지 큰 영향을 미치지 않았다.
Effects of type and loading level of process aids on the rheological and mechanical properties of styrene-butadiene rubber (SBR) compound were investigated. Five commercial grades of process aids composed of fatty acids and their various derivatives such as metal salts, esters, alcohols and amides w...
Effects of type and loading level of process aids on the rheological and mechanical properties of styrene-butadiene rubber (SBR) compound were investigated. Five commercial grades of process aids composed of fatty acids and their various derivatives such as metal salts, esters, alcohols and amides were selected. The reduction in Mooney and shear viscosities was higher for metal salt-type process aids but lower for the process aids containing high molecular weight fatty acid alcohols and esters with increasing the loading of process aids. Tensile modulus generally decreased, while heat-build-up increased with increased process aids content. No considerable effect was observed for ulimate properties such as tensile strength and elongation at break.
Effects of type and loading level of process aids on the rheological and mechanical properties of styrene-butadiene rubber (SBR) compound were investigated. Five commercial grades of process aids composed of fatty acids and their various derivatives such as metal salts, esters, alcohols and amides were selected. The reduction in Mooney and shear viscosities was higher for metal salt-type process aids but lower for the process aids containing high molecular weight fatty acid alcohols and esters with increasing the loading of process aids. Tensile modulus generally decreased, while heat-build-up increased with increased process aids content. No considerable effect was observed for ulimate properties such as tensile strength and elongation at break.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
5종의 공정조제를 SBR 컴파운드에 첨가하여 유변학적 특성과 기계적 물성을 조사하여 다음 과 같은 결과를 얻었다.
가황 특성은 진동원판형 레오미터 (ODR R-2000E, Monsanto)를 이용하여 165℃에서 조사하였고, 결정된 최적가 황시간을 이용하여 기계적 물성측정에 필요한 고무시험 편을 가압프레스로 제조하였다. 고무컴파운드의 인장 시험은 ASTM D 3182에 따라 실시하였다.
인장시험기(Instron-4301, Instron)를 이용하여 응력-변형 곡선을 조사하였고, 이로부터 탄성율, 인장 강도 및 파단 신장률을 측정하였다. 경도는 경도계 (Shore A, Durometer)를 사용하여 측정하였다. 고무컴파운드의 발열 특성은 발열시험기(Ueshima FT-101)를 이용하여 측정하였다.
경도는 경도계 (Shore A, Durometer)를 사용하여 측정하였다. 고무컴파운드의 발열 특성은 발열시험기(Ueshima FT-101)를 이용하여 측정하였다.
실험에 사용된 재료들과 혼합고무의 조성은 Table 2에 정리하였다. 공정조제의 함량을 각각 1, 2, 3 phr 변량하였고, 각 물성 결과를 공정조제를 첨가하지 않은 고무컴파운드와 비교하였다.
15 또한 무니점도계의 경우 약 10 sec-1의 일정한 전 단속도에서 측정된다. 따라서 보다 광범위한 전단속도 범위에서의 점도를 조사하기 위해 모세관 레오미터 (Haake Rheocord)를 이용하여 공정조제별 고무컴파운드의 유변학적 거동을 조사하였다. Figure 3에는 각 공정조제가 3 phr 함유된 고무컴파운드에 대한 전단응력과 전단속도를 도시하였다.
측정시 모세관의 직경은 2 mm이고 길이와 직경비(L/D)는 10인 것을 사용하였다. 바렐(barrel)과 다이(die) 온도는 각각 70℃와 110℃로 조절하였다. 압출기의 스크류(screw)의 회전 속도를 10, 20, 30 rpm으로 변화 시켜가면서 압출되는 고무량으로부터 전 단속도를 파악하였고, 바렐에서 측정된 전단 응력과의 관계로부터 겉보기점도를 구하였다.
배합고무의 가공성은 무니(Mooney) 점도계(Model SMV-201, Shimadzu)를 이용하여 조사하였고, 125℃에서 1분간의 예열을 거쳐 4분 후에 측정된 무니 점도 (MLl+4@125℃)를 얻었다. 압출 특성은 Haake torque rheometer (Polylab System RC3009, Haake)를 이용하여 측정하였다.
배합고무의 혼합은 내부 혼합기 (82 BR Banbury, Farrel)의 로터(rotor) 속도를 60 rpm으로 유지하면서 고무와 카본 블랙, 산화아연, 스테아린산, 공정조제를 동시에 투입하고 온도가 150℃를 넘지 않도록 조절하면서 210 sec 동안 혼합한 후롤밀 (roll-mill)을 이용하여 2 mm 두께로 고무쉬트(rubber sheet)를 제조하였다. 내부 혼합기를 이용하여 1차 혼합된 고무에 다시 가황제와 촉진제를 첨가하고 로터속도를 20 rpm, 온도는 100℃가 넘지 않도록 조절하면서 120 sec 동안 혼합한 후롤밀에서 2mm 고무쉬트로가공하여 24시간 방치한 후 제반가공성 및 물성 시험에 사용하였다.
본 연구에서는 styrene-butadiene rubber (SBR) 배합고무에 5종류의 혼합형 공정조제를 1~3 phr 적용한 후, 배합고무의 유변학적 거동과 가황 특성 및 기계적 물성을 조사하였다.
바렐(barrel)과 다이(die) 온도는 각각 70℃와 110℃로 조절하였다. 압출기의 스크류(screw)의 회전 속도를 10, 20, 30 rpm으로 변화 시켜가면서 압출되는 고무량으로부터 전 단속도를 파악하였고, 바렐에서 측정된 전단 응력과의 관계로부터 겉보기점도를 구하였다. 전 단속도나 전단응력에 대한보정은 하지 않았기 때문에 본 실험에서 보고된 유변학적 결과들은 겉보기 값을 나타내고 있다.
고무컴파운드의 인장 시험은 ASTM D 3182에 따라 실시하였다. 인장시험기(Instron-4301, Instron)를 이용하여 응력-변형 곡선을 조사하였고, 이로부터 탄성율, 인장 강도 및 파단 신장률을 측정하였다. 경도는 경도계 (Shore A, Durometer)를 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 5종류의 공정조제들을 Table 1에 정리하였다. 기타 배합고무에 사용된 원료고무와 첨가제들은 상용제품들을 별도의 정제나 처리없이 그대로 사용하였다.
압출 특성은 Haake torque rheometer (Polylab System RC3009, Haake)를 이용하여 측정하였다. 측정시 모세관의 직경은 2 mm이고 길이와 직경비(L/D)는 10인 것을 사용하였다. 바렐(barrel)과 다이(die) 온도는 각각 70℃와 110℃로 조절하였다.
이론/모형
고무컴파운드의 인장 시험은 ASTM D 3182에 따라 실시하였다. 인장시험기(Instron-4301, Instron)를 이용하여 응력-변형 곡선을 조사하였고, 이로부터 탄성율, 인장 강도 및 파단 신장률을 측정하였다.
압출 특성은 Haake torque rheometer (Polylab System RC3009, Haake)를 이용하여 측정하였다. 측정시 모세관의 직경은 2 mm이고 길이와 직경비(L/D)는 10인 것을 사용하였다.
성능/효과
이는 낮은 함량의 공정조제에서는 카본 블랙 혼입에 의한 점도 상승 효과가 공정조제에 의한 점도 감소 효과를 능가하기 때문인 것으로 판단된다. A형 공정조제인 경우는 더 높은 공정조제 함량에서 최대 점도를 나타내었고, C와 D형은 지속적인 점도 증가를 보였는데, 이는 분자량이 큰 지방산의 함량이 증가함에 따라 공정조제의 첨가에 의한 점도 감소 효과가 카본블랙 혼입에 의한 점도 증가 효과에 비해 상대적으로 작기 때문으로 판단된다. 그러나 배합시간이 충분하여 카본 블랙이 고르게 분산되어 있는 최종배합고무에서는 공정조제의 영향만이 존재하여 Figure 1에서와 같이 전체적으로 공정조제 함량증가에 따라 점도 가 감소하는 경향을 보이고 있다.
4-12 E형 공정조제의 경우 고무에 대한 용해도가 낮고, 외부 이형 작용이 큰 아미드 계열로 구성되어있어 전술한 카본 블랙 혼입 및 분산에 의한 점도의 영향 보다는 외부 이형 작용에 의한 점도 의 하락이 우세하기 때문인 것으로 판단된다. B형 공정조제는 분자량이 작은 금속염으로 구성되어 있어 점도 하락의 효과가 클 것으로 예상되었지만, 낮은 함량에서는 오히려 증가하다가 추가적인 공정조제 함량 증가에 따라 다시 감소하였다. 이는 낮은 함량의 공정조제에서는 카본 블랙 혼입에 의한 점도 상승 효과가 공정조제에 의한 점도 감소 효과를 능가하기 때문인 것으로 판단된다.
도시하였다.가 공조제의 함량이 증가함에 따라 인장강도는 대체로 하락한 반면 파단 신장율은 증가하였다. 이는 가공 조제의 함량이 증가함에 따라 배합고무내 가소제격으로 작용하는 양이 많아져서 가교밀도는 떨어지고 가교점 간의 사슬 길이는 증가하여 인장 변형에 대한 저항력 즉 인장 강도는 약해지지만 사슬의 유연성은 커지게 되어 파단신장율은 증가하는 것으로 생각된다.
함량에 대해 도시하였다. 가공조제의 함량증가에 따라 SBR-B는 가황시간이 짧아진 반면, SBR-D는 지연되었고, 나머지의 경우는 큰 영향을 나타내지 않았다. SBR-B의 경우 가공조제의 성분이 금속염으로만 구성되어 있어 이들이 zinc stearate 와 같이 가황 활성화제의 역할을13 하기 때문인 것으로 생각된다.
고무컴파운드의 유변학적 특성은 가공 조제의 성분과 함량에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 무니 점도와 전단점도는 금속염이 주성분인 B와 E를 첨가했을 때 점도 감소가 크게 나타났고, 분자량이 높은 지방산 알콜이나 에스터를 첨가했을 때 낮은 점도감소를 보였다.
공정조제를 사용함으로써 얻을 수 있는 주요 효과로는 혼합공정에서 보다 높은 컴파운드의 균일성을 얻을 수 있고, 보강제나 충전제와 같은 첨가제를 보다 용이하게 분산시킬 수 있어 혼합시간을 단축시킬 수 있고, 혼합공정상의 높은 발열을 어느 정도 억제하는 효과를 거둘 수 있다. 한편, 압출이나 압연(calendering) 공정에서는 흐름 특성을 개선하여 압출량을 증가시키고, 온도의 상승을 방지할 수 있으며, 그 외에도 롤(roll) 공정에서는 고무가설비에 달라붙는 현상을 완화시켜 작업성을 개선할 수 있다.
기계적 물성에서는 공정조제의 함량을 증가시킴에 따라 탄성율은 감소하였고, 발열은 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 극한 물성인 인장강도와 파단신장율에는 그다지 큰 영향을 미치지 않았다.
Figure 3에는 각 공정조제가 3 phr 함유된 고무컴파운드에 대한 전단응력과 전단속도를 도시하였다. 모든 경우에 있어서 직선의 관계식을 보였고, 직선의 기울기는 실험오차범위에서 크게 변하지 않았다. 이는 본 실험에서 적용한 전 단속도 범위에서 고무컴파운드가 power-law 거동을 따르는 것으로 해석할 수 있다.
전단응력과 전 단속도로부터 전단점도를 얻었고 이를 전 단속도에 대하여 Figure 4에 도시하였다. 모든 컴파운드에서 전 단속도 증가에 따라 점도가 감소하는 전형적인 전단묽 어짐 (shear-thinning) 거동을 보였다.15 또한 점도 감소의 정도는 무니점도의 경향과 유사하게 SBR-E > SBR-B > SBR-A ≈ SBR-C ≈ SBR-D의 순으로 크게 나타났다.
무니 점도와 전단점도는 금속염이 주성분인 B와 E를 첨가했을 때 점도 감소가 크게 나타났고, 분자량이 높은 지방산 알콜이나 에스터를 첨가했을 때 낮은 점도감소를 보였다.
15 또한 점도 감소의 정도는 무니점도의 경향과 유사하게 SBR-E > SBR-B > SBR-A ≈ SBR-C ≈ SBR-D의 순으로 크게 나타났다. 이러한 결과로부터 아미드계 지방산과 금속염이 알코올 및 에스터계 지방산보다 공정성 측면에서는 유리하고, 지방산의 분자량이 낮을수록 우수한 공정성을 보이는 것을 알 수 있었다.
Figure 1에서 최종 배합물의 무니점도는 공정조제의 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 점도 감소의 정도는 SBR-B와 SBR-E가 가장 크고 SBR-D가 비교적 작은 결과를 보였고, SBR-A 와 SBR-C는 중간 정도의 감소 경향을 나타내었다. SBR-D가 가장 작은 점도 감소를 보이는 원인으로는 Table 1에 나타낸 바와 같이 D형 공정조제는 분자량이 큰 지방산 에스터의 함량이 65 wt% 로써 높기 때문으로 생각되고, A와 C형의 경우도 분자량이 큰 지방산 알콜을 함유하고 있기 때문에 비교적 점도 하락 폭이 낮은 것으로 판단된다.
참고문헌 (15)
B. G. Crowther, Plastic and Rubber International, 9, 14 (1984)
W. Schuette, Proceedings of Rubber Division Meeting of American Chemical Society (paper no. 56), Cleveland, USA, October, 1996
F. M O'Conner and J. L. Slinger, Rubber World, Oct. 19 (1982)
K. C. Beach, L. F. Comper and V. E. Lowery, Rubber Age., May 253 (1959)
N. Tokia and I. Pliskin, 'The Dependence of Processability on Weight Distribution of Elastomers', Rubber Chem. Technol., 46, 1166 (1973)
E. S. Dizon and L. A. Papazian, 'The Processing of Filler-reinforced Rubber', Rubber Chem. Technol., 50, 756 (1977)
G. R Cotten, 'Significance of Extensional Flow in Processing of Rubbers', Rubber Chem. Technol., 54, 61 (1981)
G. R Cotten, 'Mixing of Carbon Black with Rubber I. Measurement of Dispersion Rate by Changes in Mixing Torque', Rubber Chem. Technol., 57, 118 (1984)
G. R Cotten, 'Mixing of Carbon Black with Rubber II. Mechanism of Carbon Black Incorporation', Rubber Chem. Technol., 58, 774 (1985)
A. Y. Coran, F. Ignatz-Hoover and P. C. Smakula, 'The Disperison of Carbon Black in Rubber Part IV. The Kinetics of Carbon Black Dispersion in Various Polymers', Rubber Chem. Technol., 67, 237 (1994)
Y. G. Kang, Ph.D. Dissertation, Chonnam National University, Kwangju Korea (1999)
Y. G. Kang, C. Y. Park, and C. Nah, 'A Theoretical Analysis and Simulation of Power Curve During Rubber Mixing', J. Korean Ind. Eng. Chem., 12, 693 (2001)
D. H. Chang, Ph.D. Dissertation, Chonnam National University, Kwangju Korea (1996)
A. Y. Coran, 'Vulcanization. Part VII. Kinetics of Sulfur Vulcanization of Natural Rubber in Presence of Delayed-action Accelerators', Rubber Chem. Technol., 38, 1 (1965)
P. J. Carreau, D. C. R De Kee, and R. P. Chhabra, Rheology of Polymeric Systems, Hanser, Munich (1997)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.