롤밀과 밀폐식 혼합기가 실리카 분산 및 부틸고무 복합소재의 물성에 미치는 영향 Effects of Processing Geometry on the Mechanical Properties and Silica Dispersion of Silica-Filled Isobutylene-Isoprene Rubber (IIR) Compounds원문보기
가공기기의 기하학적 구조(geometry)가 실리카 분산에 대해 미치는 영향을 알아보기 위해서 롤밀(two roll mill)과 밀폐식 혼합기(internal mixer)를 사용하여 실리카가 충전된 부틸고무 가황물을 제조하여 가황특성, 인장특성 및 실리카 분산을 비교하였다. 가공 시, 롤밀을 사용하여 제조한 배합물은 밀폐식 혼합기를 사용하여 제조한 배합물보다 경화 속도($t_{90}$)는 약간 느렸으나, 긴 유도시간($ts_2$), 높은 최대 토크 값($T_{max}$)을 보였다. 또한 롤밀을 사용하여 제조한 배합물은 실리카 입자의 분산 및 기계적 물성의 특성에 있어서 밀폐식 혼합기를 사용했을시 보다 상대적으로 우수함을 보였다.
가공기기의 기하학적 구조(geometry)가 실리카 분산에 대해 미치는 영향을 알아보기 위해서 롤밀(two roll mill)과 밀폐식 혼합기(internal mixer)를 사용하여 실리카가 충전된 부틸고무 가황물을 제조하여 가황특성, 인장특성 및 실리카 분산을 비교하였다. 가공 시, 롤밀을 사용하여 제조한 배합물은 밀폐식 혼합기를 사용하여 제조한 배합물보다 경화 속도($t_{90}$)는 약간 느렸으나, 긴 유도시간($ts_2$), 높은 최대 토크 값($T_{max}$)을 보였다. 또한 롤밀을 사용하여 제조한 배합물은 실리카 입자의 분산 및 기계적 물성의 특성에 있어서 밀폐식 혼합기를 사용했을시 보다 상대적으로 우수함을 보였다.
We investigated the effects of processing geometry of silica-filled isobutylene-isoprene rubber (IIR) compounds on its mechanical properties and silica dispersion, using a two roll mill and an internal mixer (banbury mixer). The compound processed with the two roll mill showed the longer induction t...
We investigated the effects of processing geometry of silica-filled isobutylene-isoprene rubber (IIR) compounds on its mechanical properties and silica dispersion, using a two roll mill and an internal mixer (banbury mixer). The compound processed with the two roll mill showed the longer induction time ($t_2$), higher maximum torque ($T_{max}$), and better silica dispersion than the compound processed with the internal mixer; however, showed slightly the lower cure index ($t_{90}$). The mechanical properties (hardness, 300% modulus, tensile strength, elongation) of the compound processed with two roll mill were higher than compound done with the internal mixer.
We investigated the effects of processing geometry of silica-filled isobutylene-isoprene rubber (IIR) compounds on its mechanical properties and silica dispersion, using a two roll mill and an internal mixer (banbury mixer). The compound processed with the two roll mill showed the longer induction time ($t_2$), higher maximum torque ($T_{max}$), and better silica dispersion than the compound processed with the internal mixer; however, showed slightly the lower cure index ($t_{90}$). The mechanical properties (hardness, 300% modulus, tensile strength, elongation) of the compound processed with two roll mill were higher than compound done with the internal mixer.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 실리카가 첨가되는 부틸고무 배합을 밀폐식 혼합기와 롤밀을 사용하여 가공하고 이를 통해 생산된 고무복합소재 내에서의 실리카의 분산이 미치는 기계적 물성의 특성, 가황특성의 차이를 검토하고 두 가공 시스템이 실리카 실란을 함유한 부틸고무 배합물의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
가공기기가 실리카 분산에 대해 미치는 영향을 고찰하기 위해 밀폐식 혼합기와 롤밀을 사용하여 제조한 고무배합물의 물성을 비교평가하였다. 가황특성은 Figures 1~3 및 Table 3에 인장특성은 Figures 4~7 및 Table 4에 각각 나타내었다.
를 평가하였다. 경도는 TECLOCK사의 shore A 타입 경도기로, 비중은 비중계(densimeter H, Toyoseki)를 이용하여 평가하였다. 실리카 분산은 JEOL사의 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, JSM6490LV)을 사용하여, 가류된 시편에 액체질소로 냉각시킨 후에 절단하여 스퍼터 코팅기(sputter coating)에 의해 코팅한 후에 관찰하였다.
그리고 다음과 같이 일정량의 배합물이 동일한 비율로 혼련되도록 다음과 같은 운전조건(혼련속도, 혼련시간, 혼련이 진행된 폭, 배합물의 중량, 믹싱유효둘레 등)을 설정하였다.
따라서 각 가공기기에 따라 동일한 부피 내에서 배합물이 혼련되도록 혼련속도와 시간, 배합물의 중량 등을 계산하였다. 이에 따른 믹싱 조건은 다음 Table 2에 정리하였다.
롤밀과 밀폐식 혼합기를 사용하여 제조한 부틸고무 배합물의 실리카 분산, 가황특성, 인장특성을 비교· 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
먼저 밀폐식 혼합기를 사용한 실험의 1단계는 고무, 보강제, 활성제, 산화방지제, 프로세스오일을 초기온도 50 ℃에서 최종온도 70 ℃로 10분간 밀폐식 혼합기로 배합하여 CMB(carbon master batch)를 제조하였고, 2단계로 밀폐식 혼합기에서 CMB와 가교제를 2분간 배합하여 FMB(final master batch)를 제조하였다. 롤밀을 사용한 실험은 1단계로 롤밀에서 고무, 보강제, 활성제, 산화방지제, 프로세스오일을 실온에서 30분간 배합하였고, 2단계로 역시 롤밀에서 CMB와 가교제와 함께 6분간 배합하였다. 물성 평가를 위하여 제조된 FMB를 고온압축기(hot press, DAE LIP IRON WORKS CO.
두 실험 모두 2단계에 걸쳐 배합을 진행하였다. 먼저 밀폐식 혼합기를 사용한 실험의 1단계는 고무, 보강제, 활성제, 산화방지제, 프로세스오일을 초기온도 50 ℃에서 최종온도 70 ℃로 10분간 밀폐식 혼합기로 배합하여 CMB(carbon master batch)를 제조하였고, 2단계로 밀폐식 혼합기에서 CMB와 가교제를 2분간 배합하여 FMB(final master batch)를 제조하였다. 롤밀을 사용한 실험은 1단계로 롤밀에서 고무, 보강제, 활성제, 산화방지제, 프로세스오일을 실온에서 30분간 배합하였고, 2단계로 역시 롤밀에서 CMB와 가교제와 함께 6분간 배합하였다.
롤밀을 사용한 실험은 1단계로 롤밀에서 고무, 보강제, 활성제, 산화방지제, 프로세스오일을 실온에서 30분간 배합하였고, 2단계로 역시 롤밀에서 CMB와 가교제와 함께 6분간 배합하였다. 물성 평가를 위하여 제조된 FMB를 고온압축기(hot press, DAE LIP IRON WORKS CO.)에서 각 배합비에 적절한 시간(t90+90sec)동안 160 ℃에서 가압하여 최종 가교물을 제조하였다.
경도는 TECLOCK사의 shore A 타입 경도기로, 비중은 비중계(densimeter H, Toyoseki)를 이용하여 평가하였다. 실리카 분산은 JEOL사의 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, JSM6490LV)을 사용하여, 가류된 시편에 액체질소로 냉각시킨 후에 절단하여 스퍼터 코팅기(sputter coating)에 의해 코팅한 후에 관찰하였다.
Figure 3은 160 ℃에서 20분 경과한 후에 최대 토크값 (Tmax)을 ODR로 측정하여 도시한 그림으로서, 본 실험에서 롤 밀을 사용한 경우 그 값이 더 높았다. 실리카 분산이 저조하면 실리카 입자의 응집(2차 결합, aggregation)특성에 의해 형성된 망상구조체 속으로 가황제 및 촉진제가 흡수되거나 또는 실리카표면에 흡착되어 배합물의 가황반응에 참여하지 못하기 때문에 모두 참여하였을 시 보다는 최대 토크값이 낮지만 고무와의 상용성이 좋지 않은 실리카의 분산성이 개선되면 실리카 표면에 흡착되어 있거나 실리카입자의 응집특성에 의해 형성된 망상구조체 속에 있던 가황제나 촉진제가 노출됨에 따라 가교 온도에서 용해되어 가교밀도를 증가시키는데 기여했을 것으로 혹자는 해석한다.29 이는 본 실험에서도 실리카 분산을 SEM으로 관찰한 결과 롤밀에서의 실리카 분산이 더 우수함을 보였다.
실질적으로 혼련작업을 쉽게 할 수 있도록 배합물의 중량 (WB, WR)과 배합시간 (tB, tR)은 아래와 같이 정하였고 (WB=1000g, WR=500g, tB=10min, tR=30min), 고정되지 않은 값 (롤에서 혼련이 진행된 폭(wR))은 다음식에 의해 계산하여 결정하였다.
제조된 가교물에서 아령 3호 시편을 만들어 만능인장기 (Universal Testing Machine, Instron 3365)를 이용하여 100%, 300%, 모듈러스 인장강도, 신장율을 측정하였고, 대경㈜의 레오미터(DRM-100), 무늬점도기(DMV-200C)를 이용하여 Vmin, t5, t35, ts2, t10, t90, Tmin, Tmax를 평가하였다. 경도는 TECLOCK사의 shore A 타입 경도기로, 비중은 비중계(densimeter H, Toyoseki)를 이용하여 평가하였다.
대상 데이터
촉진제로 EKALAND사의 ETU(Na-22)와 QINGDAO DUOTE사에서 제조한 tetramethyl thiuram disulfide (TMTD)를 사용하였다. 가교제로는 미원상사㈜의 유황 (MIDAS SP 325)을 사용하였고, 산화방지제로 SINO-PEC사의 RD를 사용하였다. 프로세스오일로 미창석유공업㈜의 파라핀계 오일(P-3)를 사용하여 실험을 진행하였다.
본 실험에 사용한 밀폐식 혼합기로는 탄젠셜(tangential) 타입으로 회전수가 44 rpm의 로터를 가진 1.6리터의 반바리믹서(banbury mixer, BS-B16S, Bongshin Casting & Machinery CO., LTD.)를 이용하였다.
부틸고무 (isobutylene-isoprene rubber)는 Togliatti사에서 제조한 무늬점도(Mooney viscosity)가 ML 1+8 (125 ℃)에서 51, 불포화도가 1.6%mol인 BK1675N grade를 사용하였다. 실리카는 SHANDONG Link Silica CO.
, LTD에서 제조한 평균 입자크기가 15 nm, BET surface area가 160~190 m2/g인 실리카(LK955-1)를 사용하였다. 실란으로는 DEGUSSA에서 제조한 TESPT (bis (3-triethoxy silyl propyl) tetrasulfane, Si-69)를 사용하였고, 활성제로 DEAD Periclase에서 제조한 MgO(RA 150D)와 피제이 켐텍㈜에서 제조한 ZnO를 사용하였다. 촉진제로 EKALAND사의 ETU(Na-22)와 QINGDAO DUOTE사에서 제조한 tetramethyl thiuram disulfide (TMTD)를 사용하였다.
6%mol인 BK1675N grade를 사용하였다. 실리카는 SHANDONG Link Silica CO., LTD에서 제조한 평균 입자크기가 15 nm, BET surface area가 160~190 m2/g인 실리카(LK955-1)를 사용하였다. 실란으로는 DEGUSSA에서 제조한 TESPT (bis (3-triethoxy silyl propyl) tetrasulfane, Si-69)를 사용하였고, 활성제로 DEAD Periclase에서 제조한 MgO(RA 150D)와 피제이 켐텍㈜에서 제조한 ZnO를 사용하였다.
가교제로는 미원상사㈜의 유황 (MIDAS SP 325)을 사용하였고, 산화방지제로 SINO-PEC사의 RD를 사용하였다. 프로세스오일로 미창석유공업㈜의 파라핀계 오일(P-3)를 사용하여 실험을 진행하였다.
성능/효과
)은 증가하였다. 기계적물성에 있어서는 경도, 인장강도 및 신장율은 높았으나 300% 모듈러스는 약간 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 또한 실리카 분산이 밀폐식 혼합기를 사용한 배합물보다 더 잘됨을 확인할 수 있었다.
26 본 실험에서 롤밀에서의 혼합은 개방형으로 대기에 노출되어 있기 때문에 30분 동안 혼련하는 중 (Table 2 참조) 배합물의 온도가 상승하면서 대기 중으로 많은 수분이 증발했을 것으로 추정되고 밀폐식 혼합기에서 10분 동안 이루어지는 혼합은 대기 중으로 증발하는 수분의 양이 배합시간과 노출된 면을 고려해 볼 때 롤밀보다 적을 것으로 추정된다. 따라서 밀폐식 혼합기에서 혼련된 수분의 함량이 많은 배합물의 t90 및 ts2가 짧게 (즉, 롤밀에서 혼련된 배합물의 t90 및 ts2가 더 길게) 되는 것은 앞선 연구들의 결과들과 일치하는 경향을 보인다. Figure 3은 160 ℃에서 20분 경과한 후에 최대 토크값 (Tmax)을 ODR로 측정하여 도시한 그림으로서, 본 실험에서 롤 밀을 사용한 경우 그 값이 더 높았다.
기계적물성에 있어서는 경도, 인장강도 및 신장율은 높았으나 300% 모듈러스는 약간 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 또한 실리카 분산이 밀폐식 혼합기를 사용한 배합물보다 더 잘됨을 확인할 수 있었다.
롤밀을 사용하여 가공했을시 실리카 분산, 경도, 인장강도, 신장율의 특성이 밀폐식 혼합기로 가공했을 때보다 더 좋은 것으로 나타났다. 이는 실리카 분산이 가공기기에 영향을 받는다는 것을 나타낸다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 가공의 혼합과정에 사용되는 기기에는 어떤 형태가 있는가?
고분자 가공의 혼합과정에서 롤밀(two roll mill)과 밀폐식 혼합기(internal mixer)가 대표적으로 사용 되고 있는데 기계별로 서로 다른 특징을 가지고 있다.
롤밀 방식은 실리카가 첨가되는 부틸고무 배합 가공에서 밀폐식 혼합기보다 어떤 점들이 우수했는가?
롤밀을 사용하여 가공했을시 실리카 분산, 경도, 인장강도, 신장율의 특성이 밀폐식 혼합기로 가공했을 때보다 더 좋은 것으로 나타났다. 이는 실리카 분산이 가공기기에 영향을 받는다는 것을 나타낸다.
롤밀과 밀폐식 혼합기를 사용하여 제조한 부틸고무 배합물이 가진 실리카 분산, 가황특성, 인장특성의 비교검토 결과는 어떠했는가?
롤밀을 사용하여 제조한 고무배합물의 경우, 밀폐식 혼합기를 사용하여 제조한 고무배합물에 비해 최적가황시간(t90)과 유도시간(ts2)이 길어지고 최대 토크값(Tmax)은 증가하였다. 기계적물성에 있어서는 경도, 인장강도 및 신장율은 높았으나 300% 모듈러스는 약간 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 또한 실리카 분산이 밀폐식 혼합기를 사용한 배합물보다 더 잘됨을 확인할 수 있었다.
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