[논문]산화열화과정 중 가교폴리에틸렌 파이프의 분자구조 및 인장 특성 변화

박성규; 김대수

산화열화과정 중 가교폴리에틸렌 파이프의 분자구조 및 인장 특성 변화
Molecular Structure and Tensile Properties Change of Crosslinked Polyethylene Pipes during Oxidative Degradation Process 원문보기

폴리머 = Polymer (Korea), v.33 no.6, 2009년, pp.520 - 524

박성규 (충북대학교 공과대학 화학공학과) , 김대수 (충북대학교 공과대학 화학공학과)

초록
AI-Helper

가교 폴리에틸렌 파이프의 산화 열화가 진행되는 동안 인장 특성의 변화 및 화학적 구조의 변화를 조사하여 산화 열화가 파이프의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 가교 폴리에틸렌 파이프의 산화 열화를 유도하기 위하여 고온 열처리 및 UV 조사 방법을 이용하였으며 파이프 생산 시 다이 온도가 파이프의 산화 열화에 미치는 영향도 조사하였다. 산화 열화 과정 중 파이프의 인장 특성 변화는 만능재료시험기로, 화학적 구조의 변화는 적외선분광기로 각각 조사하였다. 열에 의한 산화 열화가 진행됨에 따라 파이프의 인장 강도는 서서히 감소하였으나 파단 신율은 급격히 감소하였고, 파이프 내부로 도입된 산소 분자로 인해 화학적 구조도 변화하였다. 이러한 결과는 가교 폴리에틸렌 파이프의 생산 및 저장 중 산화 열화에 따른 성능 저하를 평가하는데 유용하게 사용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of oxidative degradation on the performance of crosslinked polyethylene pipes were analyzed by the investigation of tensile properties and chemical structure change of the pipes during oxidative degradation. Annealing at high temperatures or UV irradiation method was used to induce the oxidative degradation of the crosslinked polyethylene pipes and the effects of the die temperature on the oxidative degradation of the pipes were also investigated. The tensile properties and chemical structure change of the pipes were investigated by universal testing machine and FT-IR, respectively. With the progress of thermo-oxidative degradation the tensile strength of the pipes slowly decreased but the elongation at break rapidly decreased, and the chemical structure of the pipes also changed considerably because of the introduced oxygen molecules. These results would be useful in estimating the performance deterioration of the crosslinked polyethylene pipes due to the oxidative degradation during production and storage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나, 가교 폴리에틸렌 파이프의 생산 및 저장 조건에 따라 산화 열화가 발생할 경우 파이프의 물성이 크게 저하되며 이러한 불량 피이프로 시공을 하는 경우에는 시공 후 누수가 발생하는 등의 사고가 발생하게 되므로 막대한 경제적 손실을 초래하는 문제점이 발생한다. 그러므로 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산화 열화가 진행된 가교 폴리에틸렌 파이프의 인장 특성 및 회학적 구조 분석을 통해 산화 열화가 파이프의 성능 변화에 어떠한 영향을 미치는가에 대하여 살펴보았다. 그리하여 생산 및 저장 후 가교 폴리에틸렌 파이프의 산화 상태를 분석 및 평가히여 파이프의 성능을 핀단할 수 있-는 기초 자료를 마련하고자 하였다.
그러므로 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산화 열화가 진행된 가교 폴리에틸렌 파이프의 인장 특성 및 회학적 구조 분석을 통해 산화 열화가 파이프의 성능 변화에 어떠한 영향을 미치는가에 대하여 살펴보았다. 그리하여 생산 및 저장 후 가교 폴리에틸렌 파이프의 산화 상태를 분석 및 평가히여 파이프의 성능을 핀단할 수 있-는 기초 자료를 마련하고자 하였다.

제안 방법

이용하였다. 4000—400 cmT의 wavenumber 영역에 대해서 파이프 시편의 적외선 흡수 특성을 조사하였다.
및 파단 신율을 즉정하였다. Crosshead speed를 50 rnm/min으로 하여 인장 실험을 진행하였으며 각각의 시편당 5개의 시편에 대해 인장 특성을 측정 후 평균 값을 취하였다.
가교 폴리에틸렌 파이프가 출하 및 시 공되기 전 방치되는 과정에서 햇빛에 노출될 경우 UV에 의한 산화 열화가 진행될 수 있으므로 이를 확인하기 위하여 xenon arc weathero- meter를 이용하여 102분 UN 조사 및 8분 수분 노출 조건을 반복적으로 500시간 동안 진행하면서 각 100시간 간격으로 파이프의 인장 특성을 조사하였으며 그 결과를 Figure 6에 나타내었다 파이프의 인장 강도는 UV 조사 시간이 증가함에 따라 증가하여 300시간에서 최고점을 보인 후 다시 감소하는 경향을 보였다. 이렇게 UV 조사 시간이 증가함에 따라 인장 강도가 증가하는 이유는 UV 조사에 의해 생긴 고분자 라디칼 사이의 재결합으로 인해 가교밀도가 증가하기 때문인 것으로 생각된다.
고온 열처리 및 UV 조사 방법을 이용하여 산화 열화된 가교 폴리에틸렌 파이프의 인장 특성의 변화 및 화학적 구조의 변화를 조사하였다. 열에 의한 산화 열화가 진행됨에 따라 파이프의 인장 강도는 서서히 감소하였으나 파단 신율은 급격히 감소하였다.
파이프 시편을 각각 1~8시간 열처리하였다. 또한 보다 높은 온도인 270 ℃에서 3, 6, 12분 동안 열처리된 시편도 각각 제조하였다' UV에 의해 인위적으로 산화 열화된 파이프 시편은 xenon arc weatherometer (ARC - 6, ATLAS 1, USA)를 이용하여 102분 UV 조사와 8분 수분 노출 과정을 빈복적으로 100~500시간 동안 수행하여 각각 제조하였다. 대단한 인연이다.
그러므5, 다이 온도의 변화에 따라 제조 과정 중에 파이프의 산화가 얼마나 많이 진행되는가를 확인하였다. 또한, 파이프 제조시 첨가되는 산화방지제의 역할을 확실히 살펴보기 위해서 산화방지제가 배제된 가교 폴리에틸렌 원료를 사용하여 파이프를 제조하였다.
만능재료시험기 (H₁₀K-T, Hounsfield, UK)를이용하여 ASTM D638에 따라 가교 폴리에틸렌 파이프 시편의 인장강도 및 파단 신율을 즉정하였다. Crosshead speed를 50 rnm/min으로 하여 인장 실험을 진행하였으며 각각의 시편당 5개의 시편에 대해 인장 특성을 측정 후 평균 값을 취하였다.
산화 열화가 진행된 가교 폴리에틸렌 파이프의 화학적 구조 변화를 살펴보기 위해 FT-IR(Bomem MB 100, Hartmann & Braun) 을 이용하였다. 4000—400 cmT의 wavenumber 영역에 대해서 파이프 시편의 적외선 흡수 특성을 조사하였다.
파이프 생산 과정에서의 산화 열화 진행 정도를 알아보기 위하여 압출기의 다이 온도를 245, 265, 285 ℃로 바꿔 가며 파이프를 제조하였다. 산화방지제의 역할을 알아보기 위하여 산화방지제를 넣지 않은 가교 폴리에틸렌 파이프도 제조하였다.
열에 의한 가교 폴리에틸렌 파이프의 산화 열화를 인위적으로 유도하기 위해 180℃의 전기 오븐 내에서 파이프 시편을 각각 1~8시간 열처리하였다. 또한 보다 높은 온도인 270 ℃에서 3, 6, 12분 동안 열처리된 시편도 각각 제조하였다' UV에 의해 인위적으로 산화 열화된 파이프 시편은 xenon arc weatherometer (ARC - 6, ATLAS 1, USA)를 이용하여 102분 UV 조사와 8분 수분 노출 과정을 빈복적으로 100~500시간 동안 수행하여 각각 제조하였다.
산화방지제로는 octadecyl-3, 5- df-tezt-butyl-4-hydroxyhydro-cinnamate (Ciba-Geigy, IRGANOX 1010)를 사용하였다. 파이프 생산 과정에서의 산화 열화 진행 정도를 알아보기 위하여 압출기의 다이 온도를 245, 265, 285 ℃로 바꿔 가며 파이프를 제조하였다. 산화방지제의 역할을 알아보기 위하여 산화방지제를 넣지 않은 가교 폴리에틸렌 파이프도 제조하였다.

대상 데이터

가교 폴리에틸렌 파이프 (외경: 20 mm, 내경: 16 mm, 벽두께: 2 mm)는 고밀도폴리에틸렌 (LG석유화학, LUTENEeH XL1800) 과 화학 가교제인 di-tert- butyl-peroxide(DTBP)를 사용하여 램식 압출기를 이용하여 다이온도 245 ℃ 조건으로 제조하였다. 산화방지제로는 octadecyl-3, 5- df-tezt-butyl-4-hydroxyhydro-cinnamate (Ciba-Geigy, IRGANOX 1010)를 사용하였다.
245 ℃ 조건으로 제조하였다. 산화방지제로는 octadecyl-3, 5- df-tezt-butyl-4-hydroxyhydro-cinnamate (Ciba-Geigy, IRGANOX 1010)를 사용하였다. 파이프 생산 과정에서의 산화 열화 진행 정도를 알아보기 위하여 압출기의 다이 온도를 245, 265, 285 ℃로 바꿔 가며 파이프를 제조하였다.

성능/효과

변화를 가열 시간의 변화에 따라 나타내고 있다. 가교 폴리에틸렌 파이프가 고온 조건에 노출되는 시간이 증가하여도 본 연구의 실험 영역인 12분까지 인장 강도는 크게 변화가 없는 것으로 나타났다. 그렇지만 12분 동안 고온에 노출된 파이프의 경우에는 파이프의 표면이 아주 진한 갈색으로 변한 것으로 보아 표면 부분이 심하게 손상된 것으로 판단할 수 있으며 이로 인해 파단 신율이 급격하게 떨어지는 것으로 생각할 수 있다.
이러한 경향은 열에 의해 산화 열화된 파이프의 FT-IR 스펙트럼 (Figure 5) 에서도 잘 나타나 있다. 결과적으로 FT-IR 분석을 통해 열에 의한 또는 UV에 의한 산화든 관계없이 가교 폴리에틸렌의 분자구조가 산화에 의해 변해가는 과정은 유사하다는 것을 알 수 있다.
또한 파이프의 파괴 형태를 비교 분석해본 결과 기준 파이프 및 200시간 이하 UV 조사된 파이프는 연성파괴 (ductile failure) 를 보이는 반면 300시간 이상 UV 조사된 파이프는 취성파괴 (brittle failure)를 보이는 것으로 관측되었다. 이러한 파괴 형태의 차이는 UV 조사에 의한 가교밀도의 증가 정도 및 파이프 내부에 포함된 산화방지제의 역할을 나타내는 지표로서 취성파괴에 의해 파이프가 파괴된다는 것은 가교밀도가 아주 높을 뿐만 아니라 파이프의 산화 열화가 상당히 진행되었다는 것을 나타낸다.
열에 의한 산화 열화가 진행됨에 따라 파이프의 인장 강도는 서서히 감소하였으나 파단 신율은 급격히 감소하였다. 반면, UV에 의한 산화 열화가 진행됨에 따라 파단 신율은 점차 감소하였지만 인장 강도는 서서히 증가 후 감소하는 것으로 나타났다. 열 또는 UV에 의한 산화 열화 방법에 상관없이 산화가 진행될수록 1740 cmT에서의 피크가 점차 상대적으로 작아지면서 1720 cmT에서의 피크가 점차적으로 커졌으며, 1720-1740 cm-1 영역에서 관측되는 전체적인 흡수피크의 크기는 점차적으로 커졌다.
21 반면, 파단 신율은 초기에 급격한 감소를 보인 후 서서히 감소하다가 다시 200~300시간을 기점으로 급격히 감소하는데 이는 UV 조사에 의해 생긴 고분자 라디칼 사이의 재결합으로 인한 가교밀도의 증가뿐만 아니라 300시간 시점에서부터 파이프 표면이 손상될 정도로 심하게 진행되는 산화 열화에 기 인한다고 볼 수 있다. 이러한 결과를 산화방지제의 역할과 연계시켜 보면 산화 열화는 파이프 내부에 잔류하고 있는 산화방지제가 산화방지 역할을 수행하면서 소모되고 산화방지제가 완전히 소모되면 파이프 산화가 급격히 진행되어 표면이 손상될 정도까지 산화가 진행된다는 것을 나타낸다.
뿐만 아니라 1720-1740 cm"1 영역에서 관측되는 전체적인 흡수피크의 크기는 다이 온도가 증가함에 따라 점점 더 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 사실로부터 파이프 제조 시 고온 가열 이력이 발생할 경우 산화가 더 많이 진행된다는 사실을 확인할 수 있었다.
것을 알 수 있다. 이미 잘 알려진 사실이기는 하지만 가교 폴리에틸렌 파이프 제조 시 산화방지제의 첨가가 매우 중요하다는 것을 다시 한번 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 산화방지제가 포함된 원료를 이용하여 파이프를 제조하는 경우에도 기준 가공 온도 조건을 철저하게 지켜주어야 가공 과정에서의 산화에 의한 열화를 최소화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

후속연구

산화방지제가 배제된 파이프의 경우에는 1720 cmT에서의 피크가 훨씬 더 크게 부각되어 나타났다. 본 연구 결과는 가교 폴리에틸렌 파이프의 생산 및 저장 중 산화 열화에 따른 성능 저하를 평가하는데 유용하게 사용될 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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