[논문]가교제의 종류가 천연고무 발포체의 팽윤거동에 미치는 효과

이환광; 정태경; 김성찬; 김현기; 최경만; 김영민; 한동훈

doi:10.5762/kais.2008.9.6.1775

가교제의 종류가 천연고무 발포체의 팽윤거동에 미치는 효과
Influence of the Type of Curing Agent on Swelling Behavior of Natural Rubber Foam 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.9 no.6, 2008년, pp.1775 - 1781

이환광 (청운대학교 화장품과학과) , 정태경 ((주)한화) , 김성찬 (한국항공우주연구원) , 김현기 (한국항공우주연구원) , 최경만 (한국신발피혁연구소) , 김영민 (한국신발피혁연구소) , 한동훈 (한국신발피혁연구소)

초록
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가교제의 종류가 헬리콥터 연료탱크의 자기밀폐층 소재로 적용시키기 위한 천연고무 스폰지의 팽윤에 미치는 효과를 조사하였다. 과산화물과 황을 섞은 가교방식과 과산화물에 의한 가교방식을 채택하였다. 천연고무 콤파운드를 Kneader와 Roll-Mill을 활용하여 제조하고, 고압조건의 프레스에서 부분 가교시킨 후 대기압의 금형에서 발포와 완전가교를 실시하였다. 얻어진 스폰지의 겉보기밀도를 측정하고 스폰지의 셀구조를 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다. 톨루엔, 이소옥탄과 항공유를 사용하여 실온에서 팽윤실험을 실시하였다. 용매에 2분 동안 침적 후 얻어지는 부피팽윤비 값은 과산화물 가교에 의한 천연고무 스폰지가 비슷한 양의 황과 과산화물의 혼합가교에 의한 경우보다 높았다. 스폰지의 겉보기밀도와 셀구조는 과산화물 함량에 매우 민감하였으며 이는 또한 천연고무 스폰지의 팽윤거동에 영향을 미쳤다. 천연고무 스폰지가 연료와 접촉하여 신속한 팽윤이 얻어지기 위하여 금형에서 동시에 발생하는 두 가지 반응인 발포제의 분해반응과 천연고무의 가교반응을 적절히 조절하는 것이 중요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of the type of curing agent on the swelling of the natural rubber(NR) sponge applicable to the self-sealing layer of a helicopter fuel tank were investigated. The curing systems employed were peroxide and mixed ones of sulfur and peroxide. The NR compounds were prepared in a kneader and a roll-mill. The compounds were partially cured in a press at high pressure and subsequently cured fully with expansion in another press at atmospheric pressure. The apparent density of the NR sponge was measured and the cell structure was observed with scanning electron microscopy. The swelling experiments were performed at room temperature using toluene, iso-octane, and an aircraft fuel as a solvent. More rapid volume swelling of the NR sponge cured by peroxide was achieved than cured by sulfur and peroxide with similar amount of curing agent added in rubber compounds. The apparent density and cell structure of the sponge were extremely sensitive to the amount of peroxide, which influences again the swelling behavior of the NR sponge. It is important to control properly two reactions of decomposition of foaming agent and crosslinking of NR in the mold to obtain rapid swelling of the NR sponge on contact of the fuel.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 헬리콥터의 연료탱크에 적용가능한 적층 구조의 복합재료에 적합한 고무재료를 개발하기 위하여 천연고무를 사용하여 발포고무를 제조하고 시료가 연료와 접촉할 때 발생하는 팽윤거동을 연구하였다. 금번 연구는 동일한 금형조건에서 가교제의 종류와 함량을 변화시켜서 천연고무의 가교방식과 가교도를 조절하였고 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다.
가교반응이 많이 진행되어 고분자사슬 구조가 치밀하게 되면 발포가 불가능하며 고무가 가교 되지 않은 상태에서 발포제가 분해되면 발생한 기체는 금형 바깥으로 새어나가 발포구조를 얻을 수 없다. 본 연구를 통하여 헬리콥터의 연료탱크에 적용시킬 수 있는 우수한 성능의 자기밀폐성을 갖는 고무소재를 개발하기 위한 기초자료를 확보하였다.
헬리콥터의 연료탱크에 적용가능한 자기밀폐성을 갖는 고무소재를 개발하기 위하여 천연고무를 사용하여 발포 고무를 제조하고 연료의 접촉에 따른 팽윤거동을 연구하였다. 동일한 금형조건에서 가교제의 종류와 함량을 변화 시켜 천연고무의 가교방식과 가교도를 조절하여 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다.

제안 방법

그러나 가교되지 않은 상태에서 발포제가 분해되면 발생한 기체는 셀구조를 형성하지 못하고 고분자 콤파운드 밖으로 새어 나오게 되므로 가압상태(150kgf/citf)의 1 차금형에서 발포제가 분해되지 않는 다소 낮은 온도에서 천연고무를 부분적으로 가교시킨 이후 신속하게 대기압 조건의 2차금형으로 옮겨서 발포와 완전가교반응을 실시하였다. 1차금형과 2차금형의 온도와 체류시간은 Oscillating Disk Rheometer를 활용하여 고무컴파운드의 가황특성을 평가하여 결정하였으며 본 연구의 모든 경우에 동일한 조건을 적용시켰다.
다음에 고무의 스폰지구조를 얻기 위하여 사용하는 발포제와 고무의 가교 반응을 일으키는 황과 촉진제 혹은 과산화물은 Roll-Mill 작업에서 투입하였다. Roll-Mill을 통하여 얻은 시트를 적절한 두께로 몇 장 겹쳐서 금형에 넣고 고무의 가교 반응과 발포제의 분해반응을 진행시켜 발포고무 시편을 제조하였다.
가압조건에서 발포시키면 셀의 크기와 분포가 비교적 균일하게 형성되지만, 발포배율이 낮고 닫힌셀 구조가 형성되어 본 연구에서 추구하는 천연고무 스폰지를 연료에 담갔을 때 신속한 연료의 침투를 확보할 수 없다[1]- 따라서 발포시킬 때 금형의 압력이 낮은 상압발포를 검토하였다. 그러나 가교되지 않은 상태에서 발포제가 분해되면 발생한 기체는 셀구조를 형성하지 못하고 고분자 콤파운드 밖으로 새어 나오게 되므로 가압상태(150kgf/citf)의 1 차금형에서 발포제가 분해되지 않는 다소 낮은 온도에서 천연고무를 부분적으로 가교시킨 이후 신속하게 대기압 조건의 2차금형으로 옮겨서 발포와 완전가교반응을 실시하였다.
그러나 가교되지 않은 상태에서 발포제가 분해되면 발생한 기체는 셀구조를 형성하지 못하고 고분자 콤파운드 밖으로 새어 나오게 되므로 가압상태(150kgf/citf)의 1 차금형에서 발포제가 분해되지 않는 다소 낮은 온도에서 천연고무를 부분적으로 가교시킨 이후 신속하게 대기압 조건의 2차금형으로 옮겨서 발포와 완전가교반응을 실시하였다. 1차금형과 2차금형의 온도와 체류시간은 Oscillating Disk Rheometer를 활용하여 고무컴파운드의 가황특성을 평가하여 결정하였으며 본 연구의 모든 경우에 동일한 조건을 적용시켰다.
금번 연구는 동일한 금형조건에서 가교제의 종류와 함량을 변화시켜서 천연고무의 가교방식과 가교도를 조절하였고 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다.
금형에서 제거한 발포고무는 시간이 흐르면서 부피가 수축하므로 실온에서 1개월 이상 방치하여 안정화 시킨 후 밀도를 측정하고 팽윤실험을 실시하였다. 팽윤 실험에 필요한 시편은 금형과 접촉한 스킨층을 배제시키고 셀의 분포가 비교적 균일한 중간 부위를 사용하였다.
동일한 금형조건에서 가교제의 종류와 함량을 변화 시켜 천연고무의 가교방식과 가교도를 조절하여 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다. 과산화물과 황을 섞어 가교시킨 경우 연료에 의한 팽윤 비가 황가교에 비하여 크게 높지 않았으며, 황 함량 보다 과산화물의 함량이 팽윤비에 미치는 효과가 컸다.
천연고무 100중량부를 기준으로 모든 경우 산화아연, 스테아린산, 카본블랙, 파라핀계 가공오일, 스테 아린산아연 중탄산나트륨은 동일수준을 유지 하였으며 가교제의 조성을 변화시켰다. 또한 천연고무의 가교 반응과 발포제의 분해반응이 진행되는 1차금형과 2차 금형 조건을 일정하게 적용시켰다.
발포고무를 제조하기 위하여 먼저 소형 Kneader와 Roll-Mill을 사용하여 고무컴파운드를 제조하고 온도와 압력이 조절되는 프레스에서 시편을 성형하였다. 천연고무 덩어리를 Kneader에 넣고 어느 정도 균일한 싱태가되면 화학반응을 일으키지 않는 보강제와 첨가제를 넣고 약 10분 정도 혼련을 실시하였다.
발포고무의 셀구조는 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다. 시료를 액체질소에 담가 급냉시킨 후 충격을 가하여 파단면을 형성하고 진공에서 표면에 금을 코팅하여 전자현미경 관찰에 필요한 시편을 제조하였다.
팽윤 실험에 필요한 시편은 금형과 접촉한 스킨층을 배제시키고 셀의 분포가 비교적 균일한 중간 부위를 사용하였다. 시료를 2 cm X 1.5cm x 0.5ctn의 직육면체 크기로 잘라서 20 ~ 2 3°C 온도에서 충분한 양의 용매에 담가 2분 후 꺼내어 시료의 표면에 묻은 용매를 티슈로 가볍게 제거하고 신속하게 시편의 질량과 부피를 측정하여 질량팽윤비와 부피팽윤비 값을 결정하였다. 팽윤실험은 항공기 연료탱크의 발포 저항성에 관한 규격을 충족시키기 위하여 제시되어있는 조건을 따랐다[7].
시료를 액체질소에 담가 급냉시킨 후 충격을 가하여 파단면을 형성하고 진공에서 표면에 금을 코팅하여 전자현미경 관찰에 필요한 시편을 제조하였다.
나타내었다. 천연고무 100중량부를 기준으로 모든 경우 산화아연, 스테아린산, 카본블랙, 파라핀계 가공오일, 스테 아린산아연 중탄산나트륨은 동일수준을 유지 하였으며 가교제의 조성을 변화시켰다. 또한 천연고무의 가교 반응과 발포제의 분해반응이 진행되는 1차금형과 2차 금형 조건을 일정하게 적용시켰다.
천연고무 덩어리를 Kneader에 넣고 어느 정도 균일한 싱태가되면 화학반응을 일으키지 않는 보강제와 첨가제를 넣고 약 10분 정도 혼련을 실시하였다. 다음에 고무의 스폰지구조를 얻기 위하여 사용하는 발포제와 고무의 가교 반응을 일으키는 황과 촉진제 혹은 과산화물은 Roll-Mill 작업에서 투입하였다.
천연고무 발포체를 연료에 침적시켰을 때 일정한 황 함량에서 과산화물 투입량의 감소가 부피팽윤비 값을 증가시키는 현상을 보다 상세히 조사하기 위하여 과산화물 단독에 의한 가교를 검토하였다. 천연고무 100중량 부를 기준으로 산화。.

대상 데이터

황과 촉진제를 사용하는 가교 방식은 연료의 접촉에 의한 발포고무의 팽윤비 값이 그다지 높지 않아서 더 이상 시도하지 않았다[1]. 과산화물은 3M40%(Akzo) 와 F40%(Sekiarkema), 황은 SAMU-2(삼우화학), 촉진제는 DM(금호석유화학), 카본블랙은 N₇₇4(Korea Carbon Black), 기타첨가제는 산화아연(유승산업)과 스테아린산(LG화학), 스테아린산아연(송원산업), 가공오일(미창석유화학)을 사용하였다. 발포제는 중탄산나트륨(금양화학 KY91)을 사용하였다.
천연고무 덩어리를 Kneader에 넣고 어느 정도 균일한 싱태가되면 화학반응을 일으키지 않는 보강제와 첨가제를 넣고 약 10분 정도 혼련을 실시하였다. 다음에 고무의 스폰지구조를 얻기 위하여 사용하는 발포제와 고무의 가교 반응을 일으키는 황과 촉진제 혹은 과산화물은 Roll-Mill 작업에서 투입하였다. Roll-Mill을 통하여 얻은 시트를 적절한 두께로 몇 장 겹쳐서 금형에 넣고 고무의 가교 반응과 발포제의 분해반응을 진행시켜 발포고무 시편을 제조하였다.
과산화물은 3M40%(Akzo) 와 F40%(Sekiarkema), 황은 SAMU-2(삼우화학), 촉진제는 DM(금호석유화학), 카본블랙은 N₇₇4(Korea Carbon Black), 기타첨가제는 산화아연(유승산업)과 스테아린산(LG화학), 스테아린산아연(송원산업), 가공오일(미창석유화학)을 사용하였다. 발포제는 중탄산나트륨(금양화학 KY91)을 사용하였다.
값이다. 용매는 항공유, 이소옥탄과 톨루엔을 사용하였다. 밀도와 팽윤비는 모든 경우 3회 이상 측정하여 얻어진 값들의 평균치를 Data로 취하였다.
천연고무는 SVR-3L(베트남산)을 사용하였으며 가교는 황과 과산화물 혼합에 의한 방식과 과산화물 단독을 사용하는 방식을 채택하였다. 황과 촉진제를 사용하는 가교 방식은 연료의 접촉에 의한 발포고무의 팽윤비 값이 그다지 높지 않아서 더 이상 시도하지 않았다[1].

성능/효과

동일한 금형조건에서 가교제의 종류와 함량을 변화 시켜 천연고무의 가교방식과 가교도를 조절하여 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다. 과산화물과 황을 섞어 가교시킨 경우 연료에 의한 팽윤 비가 황가교에 비하여 크게 높지 않았으며, 황 함량 보다 과산화물의 함량이 팽윤비에 미치는 효과가 컸다. 과산화물을 사용한 가교에서 과산화물 투입량을 낮춤에 따라 팽윤비는 서서히 높아지다 급격히 증가하며 다시 감소하는 결과를 얻었다.
5phr 투입하여 제조한 스폰지 시료를 실온 의용 매에 2분 동안 담근 후 측정한 부피팽윤비는 226%(항공유), 396%(이소옥탄), 417%(톨루엔)이었다. 실제로 피탄실험에 의하여 자기밀폐성이 입증된 상용 헬리콥터 연료탱크의 스폰지 층을 잘라서 본 연구에서와 동일한 방법으로 항공유에 2분 동안 담근 후 측정한 부피팽윤비가 89%임을 감안하면 본 연구에서 얻어진 부피팽윤비 226%는 매우 높은 값이다. 과산화물 함량에 따라 천연고무 스폰지의 팽윤비 값이 극적으로 변화하는 현상은 다음과 같이 해석된다.
표1에서 황 함량이 일정한 조건에서 과산화물 투입량을 감소시키면 발포고무의 겉보기밀도가 0.24 g/ctrf에서 0.45 g/cin' 수준으로 높아지고, 일정한 과산화물 농도에서 황 사용량을 낮추면 발포고무의 겉보기 밀도는 큰 변화를 보여주지 않음을 알 수 있다. 연료에 침적시킨 후 측정한 부피팽윤비 값은 주어진 연료에서 과산화물 함량이 낮아지면 약간 증가하고 황 투입량에 따른 효과는 크지 않다.

참고문헌 (11)

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