EPDM (ethylene propylene diene monomer)/silicone rubber blends were prepared and the influence of a compatibilizer and thermal aging on the properties of the blends was investigated. The blends of which the compositions were varied in the range of 90/10 through $10/90\;wt\%$ were melt mix...
EPDM (ethylene propylene diene monomer)/silicone rubber blends were prepared and the influence of a compatibilizer and thermal aging on the properties of the blends was investigated. The blends of which the compositions were varied in the range of 90/10 through $10/90\;wt\%$ were melt mixed by using a Brabender Plasticoder (internal mixer) and were vulcanized by a hot press. The morphology of the vulcanized EPDM/SR blends was examined by scanning electron microscopy (SEM). After the thermal Aging for 24, 48, 96 hrs at $100^{\circ}C$ in an air oven, hardness, tensile strength, elongation and contact angle of the blends were investigated. From the result of the morphology, it was confirmed that the domain size of the blends containing the compatibilizer was reduced. As the increase of the thermal aging time, hardness and tensile strength of the blends decreased but elongation and contact angle increased.
EPDM (ethylene propylene diene monomer)/silicone rubber blends were prepared and the influence of a compatibilizer and thermal aging on the properties of the blends was investigated. The blends of which the compositions were varied in the range of 90/10 through $10/90\;wt\%$ were melt mixed by using a Brabender Plasticoder (internal mixer) and were vulcanized by a hot press. The morphology of the vulcanized EPDM/SR blends was examined by scanning electron microscopy (SEM). After the thermal Aging for 24, 48, 96 hrs at $100^{\circ}C$ in an air oven, hardness, tensile strength, elongation and contact angle of the blends were investigated. From the result of the morphology, it was confirmed that the domain size of the blends containing the compatibilizer was reduced. As the increase of the thermal aging time, hardness and tensile strength of the blends decreased but elongation and contact angle increased.
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문제 정의
본 연구에서는 비상용성인 EPDM/SR 블렌드의 조성에 따른 모폴로지와 물성의 변화를 조사하기 위해 전 조성에 걸쳐 용융 상태로 블렌드를 제조하였으며, 상용화제의 첨가 유무와 열노화 조건에 따른 모폴로지, 기계적 물성과 접촉각의 변화를 살펴보았다.
제안 방법
미가교 고무 블렌드의 경화 거동을 살펴 보기 위해 Alpha Tech- nology사의 oscillating disk rheometer(ODR, ODR-2000)를 이용하여 ASTM D 2502에 따라 온도를 170 °C로 진폭각을 3。로 유지하여 토크변화와 가교 시간 등을 측정하였다.
상용화제 및 열노화 조건이 블렌드의 기계적 물성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 경도, 인장 강도 및 신장률을 측정하였다.
시료의 모폴로지는 JEOL사의 scanning electron microscope(SEM, JSM-6700F)를 이용하여 관찰하였다. 액체질소를 이용하여 시편을 파단하고, 그 파단면을 질산과 물의 부피 비가 1 : 1인 용액으로 2시간 동안 끓이면서 EPDM을 에칭한 후, 백금으로 코팅하여 측정하였다.
시료의 모폴로지는 JEOL사의 scanning electron microscope(SEM, JSM-6700F)를 이용하여 관찰하였다. 액체질소를 이용하여 시편을 파단하고, 그 파단면을 질산과 물의 부피 비가 1 : 1인 용액으로 2시간 동안 끓이면서 EPDM을 에칭한 후, 백금으로 코팅하여 측정하였다. 측정 배율은 500 배이고 가속전압은 5kV 이상이었다.
Table 1에 주어진 배합비율에 따라 먼저 EPDM과 상용화제를 투입하여 3분간 혼합한 다음 주어진 양의 SR을 첨가하여, 동일한 조건에서 5분 동안 혼합한 후, 가교제를 첨가하여 5분 동안 혼합해 EPDM/SR 블렌드를 완성하였다. 제 조한 미가교 블렌드는 hot press를 이용하여 170 °C에서 2000 psi의 압력으로 10분간 가압하여 두께가 1 mm인 시트상의 가교시편을 제 조하였다. 시트상의 가교시편은 충분한 가교를 위해 150 °C로 온도가 조절된 가열 오븐에 2시간 동안 후가 교시켰다.
대상 데이터
EPDM은 5 -ethylene-2-iK)rbomene(ENB) 을 함유한 Du Pont사의 Nor del IP NDR4640(ethylene/propylene/ENB = 55/40/5 wt%; 비중 = 0.86; Mooney viscosity ML1+4, 125 °C =40)을 사용하였으며, SR은 Dow Cor- ning사의 Silastic GP437(vinyl methyl based silicone; 비중 =1.1; 가소 도 190)을 사용하였다. 상용화제(compatibilizer : C)는 무수말레인산 이 그래프트돤 EPDM인 Crompton사의 Royaltuf 498(maleic anhydride1.
1; 가소 도 190)을 사용하였다. 상용화제(compatibilizer : C)는 무수말레인산 이 그래프트돤 EPDM인 Crompton사의 Royaltuf 498(maleic anhydride1.0 wt%; 비중 = 0.89; Mooney viscosity MLi+4, 125 °C = 30; 孔 = 46 °C)을 사용하였고, 가교제로는 di(tert-butylperoxy-isopropyl)benzene-^] 함량 이 40wt%인 Akzo Nobel사의 Perkadox 14-40MB< 사용하였다.
인장 강도와 신장률은 Instron사의 만능시험기(UTM, 5567)를 사용 하여 KS M 6518의 아령형 3호 시편으로 측정하였다. 시험기의 하중 보정은 시험시마다 실시하였으며, crosshead speed는 500 mm/min, grip 간격은 20 mm로 측정하였다.
데이터처리
경도는 KS M 6518의 중 스프링 빙식인 Shore Instrument사의 Shore A-2를 이용하여 시료 당 5번씩 측정하여 평균값으로 결정하였다.
시료 표면의 젖음성을 측정하기 위하여 SEO사의 contact angle (300A)을 이용하여 적하법(sessile dipp)으로 측정하였다. 측정은 화학분석용 증류수 방울의 부피가 평균 10 皿가 되도록 만들어 사용하였으며 측정치는 5회 이상 반복 시험하여 평균값을 사용하였다.
이론/모형
EPDM/SR 블렌드의 열노화에 따른 물성 변화를 살펴보기 위해 KS M 6518의 방법으로 공기 가열식 노화 시험기를 사용하여 100 °C 에서 24, 48, 96시 간 노화시 켰다.
시료 표면의 젖음성을 측정하기 위하여 SEO사의 contact angle (300A)을 이용하여 적하법(sessile dipp)으로 측정하였다. 측정은 화학분석용 증류수 방울의 부피가 평균 10 皿가 되도록 만들어 사용하였으며 측정치는 5회 이상 반복 시험하여 평균값을 사용하였다.
성능/효과
1) EPDM/SR 블렌드의 경화 거동은 실리콘 고무의 함량이 증가함에 따라 가교 속도는 빨라졌으며, 상용화제를 첨가한 경우에는 스코 치 시간과 적정 가교 시간이 증가하였지만 8~10분 정도로 성형가 공의 용이함을 보였다.
2) EPDM/SR 블렌드는 본 연구에서 제조한 모든 조성에서 전형적 인 연속상-분산상의 모폴로지를 나타내었다. 또한, 상용화제를 사용한 경우에는 EPDM과 SR의 계면장력을 감소시켜 단순 블렌드의 경우보다 분산상의 크기가 감소하였다.
3) EPDM/SR 블렌드에 상용화제를 첨가함으로써 경도, 인장 강도와 신장률이 증가하였다. 열노화 시간이 증가함에 따라, 블렌드의 경도와 인장 강도는 감소하였으며, 신장률은 증가하였다.
4) 표면 발수성의 척도인 접촉각을 측정한 결과 실리콘 고무의 함량이 증가할수록 블렌드의 접촉각은 증가하였다. 상용화제를 첨가하면 극성이 증가하여 접촉각은 떨어지지만 절연재료에서 요구되는 발수성에는 적합한 값을 나타내었다.
상용화제가 첨가되지 않은 경우에 EPDM이 90〜50 wt%인 블렌드는 파단면의 에칭에 의해 EPDM은 빠져나가고 구형의 SR 입자가 나타나는, EPDM이 연속상이고 SR이 분산상인 모폴로지를 나타내었다. EPDM의 함량이 30〜10 wt% 인 경우에는 구형의 EPDM이 빠져나간 자리가 관찰되는 것으로부터 SR이 연속상이고 EPDM이 분산상을 이루는 전형적인 연속상-분 산상 모폴로지를 나타내었다 본 연구에서 제조한 블렌드에서는 co- continuous 모폴로지는 관찰되지 않았지만, 위의 결과로부터 EPDM의 함량이 31에서 49 wt% 사이의 블렌드에서 상전이가 일어났을 것으로 추정된다.
2) EPDM/SR 블렌드는 본 연구에서 제조한 모든 조성에서 전형적 인 연속상-분산상의 모폴로지를 나타내었다. 또한, 상용화제를 사용한 경우에는 EPDM과 SR의 계면장력을 감소시켜 단순 블렌드의 경우보다 분산상의 크기가 감소하였다.
그러나, 열노화 시간이 길어질수록 전 조성에서 인장 강도는 감소하고 신장률은 증가하는데, 이는 앞에서 설명한 바와 같이 블렌드가 계속적으로 열을 받음으로써 주사슬과 가교점이 절단되기 때문이라고 판단된다. 또한, 실리콘 고무의 함량이 증가할수록 열노 화 인장 강도 보존율이 열노화 전보다 높아지는 현상을 보였다. 이는 EPDM보다 열안정성이 높은 실리콘이 블렌드에 영향을 주었기 때문이다.
Figure 7(a)의 열노화의 경우 Bhowmick 등* 에 의하면 열노화 초기에는 접촉각이 감소하다가 일정시간이 지나면 다시 증가한다고 보고하고 있다. 본 실험에서도 열노화 초기(24시간)에는 접촉각이 떨 어지고 일정시간(48시간)이 지나면 열노화하기 전의 접촉각보다 높 아지는 현상을 보였다. 이는 24시간 열노화시킨 경우 블렌드의 표면은 열화에 의한 산화가 발생하는데 이런 산화는 표면의 극성 성 분의 증가를 유발하여 표면에너지를 증가시키고 궁극적으로 접촉각의 감소를 초래한다.
4) 표면 발수성의 척도인 접촉각을 측정한 결과 실리콘 고무의 함량이 증가할수록 블렌드의 접촉각은 증가하였다. 상용화제를 첨가하면 극성이 증가하여 접촉각은 떨어지지만 절연재료에서 요구되는 발수성에는 적합한 값을 나타내었다. 열노화 시간이 증가함에 따라, 블렌드의 접촉각은 모두 증가하였다.
상용화제를 첨가한 경우에도 실리콘 고무의 함량이 증가함에 따라 경도가 선형으로 감소하는 경향을 보였다. 열노화 시간이 96시간 일 때 실리콘 고무의 함량이 50%까지 급격한 경도의 감소를 보이지만 50% 이상에서는 감소의 폭이 줄어들었다.
상용화제를 첨가한 경우에도 실리콘 고무의 함량이 증가함에 따라 경도가 선형으로 감소하는 경향을 보였다. 열노화 시간이 96시간 일 때 실리콘 고무의 함량이 50%까지 급격한 경도의 감소를 보이지만 50% 이상에서는 감소의 폭이 줄어들었다. 이는 시료의 표면에 분포되어 있는 EPDM이 열화되어 사슬절단이 일어났기 때문이라고 생각된다.
3) EPDM/SR 블렌드에 상용화제를 첨가함으로써 경도, 인장 강도와 신장률이 증가하였다. 열노화 시간이 증가함에 따라, 블렌드의 경도와 인장 강도는 감소하였으며, 신장률은 증가하였다.
예를 들면, EPDM이 90 wt%일 때 상용화제의 첨가에 따라 분산상인 SR의 크기가 약 4에서 1 |im 이하로 작아진 것이 관찰되었다. 이와 같이 분산상의 크기가 작아지는 것으로부터 상용화제인 MAH-g-EPDM이 EPDM과 SR의 계면 장력을 감소시켜 상용성이 증가되었다는 것을 알 수 있었다.
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