화염 플라즈마 및 실란 표면처리가 실리카 강화 고무복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향 Effect of Surface Treatments with Flame Plasma and Silane on Mechanical Properties of Silica Reinforced Elastomeric Composites원문보기
대기압 화염 플라즈마(APFP) 및 에폭시 실란(ES) 표면처리 한 실리카($V_f=40%$) 강화 고무복합재료의 기계적 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 고무복합재료의 인장강도는 평균 입자경이 감소할수록 크게 증가하였고, 평균 입자경 $2.2{\mu}m$일때, 기지(2.52MPa)에 비해 1.4배 증가하였다. 또한 APFP 및 EP의 처리로 인장강도가 각각 8.8~13.3%, 9.9~12.5% 향상되었다. 평균 입자경이 $26.6{\mu}m$일 때, 고무복합재료의 인장탄성율은 기지(0.88MPa)에 비해 2배 증가하였고, APFP 및 EP의 처리로 인장 탄성율이 각각 15.6~22.8%, 21.1~25.8% 증가되었다. 기존의 실란 커플링제 처리방법은 유기용제의 사용 등의 몇 가지 단점을 가지고 있지만, APFP 처리법은 기계적 특성을 향상시키는데 빠르고, 경제적이며 친환경적인 방법이라 판단된다.
대기압 화염 플라즈마(APFP) 및 에폭시 실란(ES) 표면처리 한 실리카($V_f=40%$) 강화 고무복합재료의 기계적 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 고무복합재료의 인장강도는 평균 입자경이 감소할수록 크게 증가하였고, 평균 입자경 $2.2{\mu}m$일때, 기지(2.52MPa)에 비해 1.4배 증가하였다. 또한 APFP 및 EP의 처리로 인장강도가 각각 8.8~13.3%, 9.9~12.5% 향상되었다. 평균 입자경이 $26.6{\mu}m$일 때, 고무복합재료의 인장탄성율은 기지(0.88MPa)에 비해 2배 증가하였고, APFP 및 EP의 처리로 인장 탄성율이 각각 15.6~22.8%, 21.1~25.8% 증가되었다. 기존의 실란 커플링제 처리방법은 유기용제의 사용 등의 몇 가지 단점을 가지고 있지만, APFP 처리법은 기계적 특성을 향상시키는데 빠르고, 경제적이며 친환경적인 방법이라 판단된다.
The effect of surface treatments with the atmospheric pressure flame plasma (APFP) and epoxy silane (ES) is experimentally investigated to yield the best mechanical properties of silica ($V_f=40%$) reinforced elastomeric composites. The tensile strength of the composites is increased sign...
The effect of surface treatments with the atmospheric pressure flame plasma (APFP) and epoxy silane (ES) is experimentally investigated to yield the best mechanical properties of silica ($V_f=40%$) reinforced elastomeric composites. The tensile strength of the composites is increased significantly with decrease the mean diameter. When the diameter is $2.2{\mu}m$, that of the composite is increased about 1.4 times compared to the matrix (2.52 MPa). Also, the tensile strength of silica reinforced composites with APFP and ES treated is increased 8.8~13.3%, 9.9~12.5%, respectively. When the diameter is $26.6{\mu}m$, the tensile modulus of the composite is increased about 2 times compared to the matrix (0.88MPa), and the tensile modulus of silica reinforced composites with APFP and ES treated is increased 15.6~22.8%, 21.1~5.8%, respectively. Conventional silane coupling agent treatment have a few disadvantages because of using organic solvents. However APFP treatment is a fast, economic and eco-friendly method to improve the mechanical properties.
The effect of surface treatments with the atmospheric pressure flame plasma (APFP) and epoxy silane (ES) is experimentally investigated to yield the best mechanical properties of silica ($V_f=40%$) reinforced elastomeric composites. The tensile strength of the composites is increased significantly with decrease the mean diameter. When the diameter is $2.2{\mu}m$, that of the composite is increased about 1.4 times compared to the matrix (2.52 MPa). Also, the tensile strength of silica reinforced composites with APFP and ES treated is increased 8.8~13.3%, 9.9~12.5%, respectively. When the diameter is $26.6{\mu}m$, the tensile modulus of the composite is increased about 2 times compared to the matrix (0.88MPa), and the tensile modulus of silica reinforced composites with APFP and ES treated is increased 15.6~22.8%, 21.1~5.8%, respectively. Conventional silane coupling agent treatment have a few disadvantages because of using organic solvents. However APFP treatment is a fast, economic and eco-friendly method to improve the mechanical properties.
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문제 정의
본 연구에서는 대기압 화염 플라즈마(APFP, atmospheric pressure flame plasma)를 이용 표면처리 한 실리카 강화 실리콘 고무복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하며, 실란 커플링제 처리 결과와 비교한다. 또한 실리카 입자 크기에 따른 고무복합재료의 기계적 특성에 대해 검토한다. 기존의 실란 커플링제 처리 방법은 유기용제를 사용하기 때문에 환경오염을 유발하거나 처리공정이 복잡하고 노화현상이 빠르게 진행되는 단점이 있다.
본 연구에서는 대기압 화염 플라즈마(APFP, atmospheric pressure flame plasma)를 이용 표면처리 한 실리카 강화 실리콘 고무복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하며, 실란 커플링제 처리 결과와 비교한다. 또한 실리카 입자 크기에 따른 고무복합재료의 기계적 특성에 대해 검토한다.
동일한 유지시간에서 젖음량의 증가는 접촉각의 감소를 의미하며 표면에너지의 증가를 의미한다. 저자들은 APFP 처리를 이용한 NBR(acrylonitrile butadiene rubber)과 강판[10], NBR과 폴리아미드 직물[12]의 접착강도 향상에 관한 연구를 수행하였다.
제안 방법
이때 처리횟수는 왕복 4, 8, 12 그리고 16회 실시하였다. APFP 처리 후 레이저 회절법을 이용한 다기능 입도분석기(LS 13 320)로 평균 입자경을 측정하여 비교하였으며, 용매로는 에탄올을 사용하였다. 또한 실리카(1g)에 대한 증류수의 젖음성을 평가 하여 APFP 처리 전후를 비교하였다.
또한 실리카(1g)에 대한 증류수의 젖음성을 평가 하여 APFP 처리 전후를 비교하였다. 두번째 표면처리 방법으로 신에츠의 에폭시 실란(KBM-303) 커플링제를 사용하였다. 커플링제 처리는 고무와 실리카의 혼합 시 실란을 직접 첨가하는 방법을 사용하였으며, 이때 사용량은 기지 무게의 2%로 하였다.
APFP 처리 후 레이저 회절법을 이용한 다기능 입도분석기(LS 13 320)로 평균 입자경을 측정하여 비교하였으며, 용매로는 에탄올을 사용하였다. 또한 실리카(1g)에 대한 증류수의 젖음성을 평가 하여 APFP 처리 전후를 비교하였다. 두번째 표면처리 방법으로 신에츠의 에폭시 실란(KBM-303) 커플링제를 사용하였다.
대기압 플라즈마 처리는 저압플라즈마 처리와 달리 진공이 필요 없기 때문에 연속공정이 가능한 경제적인 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 경제적이며 조작이 용이한 APFP를 이용하여 실리카의 표면 처리를 하였다. 실리카를 상온에서 APFP로 표면처리 하게 되면, 실리카 표면에 하이드록시기, 카복시기 등과 같은 친수성 관능기가 생성되어 실리카와 고무의 접착성을 향상시킬 수 있다.
성형 후 인장시험(Model AG-5000E)을 위해 Fig. 2와 같이 아령형으로 시편(60×5×1㎜)을 절단하였으며, 실온에서 50㎜/min의 속도로 시험하였다.
실리카의 평균 입자 크기 및 대기압 화염 플라즈마 처리(APFP), 에폭시 실란(EP) 처리를 함수로 실리카 강화 고무복합 재료의 기계적 특성에 대한 실험적 연구에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
처리조건[10]은 버너 포트로 부터의 거리를 40㎜, 처리속도를 30m/min로 하였으며, 고른 처리를 위해 실리카가 담긴 지지판을 진동(shaking)하게 하였다. 이때 처리횟수는 왕복 4, 8, 12 그리고 16회 실시하였다. APFP 처리 후 레이저 회절법을 이용한 다기능 입도분석기(LS 13 320)로 평균 입자경을 측정하여 비교하였으며, 용매로는 에탄올을 사용하였다.
처리횟수의 증가에 따라 인장강도 및 탄성율 증가율이 크게 향상되었고, 8회 이후에는 증가율이 다소 감소되었다. 이하 APFP 처리 관련 데이터는 생산성을 고려하여 8회 처리시의 값을 적용하였다. Park[13] 등의 연구에서도 상압 플라즈마의 처리 횟수 증가에 따라 실리카 표면에 극성 관능 요소가 점차 증가하는 것을 확인하였으며, 인열에너지 값이 처리횟수의 증가에 따라 선형적으로 증가함을 확인하였다.
인장탄성율은 초기 변형율(ε=0.05~0.2)의 범위에서 응력값을 선형화하여 구하였다.
이는 실리카의 유리전이온도(Tg, 약 1140℃)에 가까운 온도로 APFP 처리시의 처리횟수에 따라 일부 실리카의 형상이 다소 변형될 가능성이 있다. 처리조건[10]은 버너 포트로 부터의 거리를 40㎜, 처리속도를 30m/min로 하였으며, 고른 처리를 위해 실리카가 담긴 지지판을 진동(shaking)하게 하였다. 이때 처리횟수는 왕복 4, 8, 12 그리고 16회 실시하였다.
실리카 입자의 표면은 다음의 2가지 방법으로 처리하여 비교하였다. 첫째, 물리적인 방법으로 실리카 표면을 대기압 화염 플라즈마(APFP) 처리를 하였다. 실리카 표면의 APFP 처리는 API(주)의 Super Flame(100)Ⓡ Center 사용 하였다.
두번째 표면처리 방법으로 신에츠의 에폭시 실란(KBM-303) 커플링제를 사용하였다. 커플링제 처리는 고무와 실리카의 혼합 시 실란을 직접 첨가하는 방법을 사용하였으며, 이때 사용량은 기지 무게의 2%로 하였다.
대상 데이터
첫째, 물리적인 방법으로 실리카 표면을 대기압 화염 플라즈마(APFP) 처리를 하였다. 실리카 표면의 APFP 처리는 API(주)의 Super Flame(100)Ⓡ Center 사용 하였다. Fig.
실험에 사용된 기지는 상온경화(RTV, room temperature vulcanization) 실리콘 고무인 신에츠의 KE-12를 사용하였고, 보강 입자로는 실리카를 사용하였다. 실리카는 SAC의 건식 분말형태로 평균 입자경(㎛)은 2.
인열시험은 인장시험기와 동일하며 편측 중앙부에 크랙이 있는 시편[60(L)×10(W)×1(t)㎜]을 사용하였다.
데이터처리
크랙 길이는 3㎜이었고 보조치구를 이용 절단하였으며, 시험속도는 실온에서 10㎜/min로 하였다. 실험의 시료는 시편 5개 이상을 사용하였으며 얻어진 결과는 이들을 산술평균 하였다.
성능/효과
1) APFP 처리횟수의 증가에 따라 인장특성은 향상되었고 평균 입자경은 감소하였으며, 본 논문에서는 생산성을 고려한 적정 처리횟수를 8회로 하였고 결과를 비교하였다.
2) 고무복합재료의 인장강도는 평균 입자경이 감소할수록 크게 증가하였고 입자경 2.2㎛일 때, 기지(2.52㎫)에 비해 1.4배 증가하였다. 또한 APFP 및 EP의 처리로 처리 전에 비해 각각 8.
3) 고무복합재료의 인장탄성율은 입자경 26.6㎛일 때, 기지(0.88㎫)에 비해 2배 증가하였고, APFP 및 EP의 처리로 처리 전에 비해 각각 15.6∼22.8%, 21.1~25.8% 증가되었다.
지금까지 실리카 크기 변화에 대한 실리카 강화 고무복합재료의 기계적 특성에 관한 연구는 찾아 볼 수 없으며, Chuayjuljit[18] 등은 대표적인 고무 보강재인 카본블랙(carbon black)의 평균 입자경 및 함유량 변화에 따른 고무복합재료의 가류 및 기계적 특성에 관한 연구를 수행하였다. 3가지(N330, N550, N660)의 카본블랙 모두 함유량 증가에 따라 탄성율이 크게 증가하였으며, 크기별 비교에서는 중간 크기의 N550의 경우가 가장 높은 값을 보였고, 입자가 가장 작은 N330은 3가지 중 두 번째 순서였다.
4) 평균 입자경 증가에 따른 인장강도의 APFP 처리 시 증가 기울기는 ES 처리 시 기울기보다 1.82배 높았으며, 인장 탄성율의 경우도 APFP 처리의 경우가 ES 처리보다 1.33배 높았다.
5) 경제적이며 조작이 간편한 대기압 화염 플라즈마를 이용하여 실리카 표면을 처리하였으며, 기존의 실란 커플링제 처리 결과와 비교해 유사한 결과를 얻었다고 판단된다.
3에 나타냈다. 50초 이후 젖음량이 안정화 되었으며, APFP 처리의 경우가 처리하지 않은 경우에 비해 좀 더 빠르고 젖음량이 많음을 알 수 있다. 동일한 유지시간에서 젖음량의 증가는 접촉각의 감소를 의미하며 표면에너지의 증가를 의미한다.
9-10은 평균 입자경 증가에 따른 강화고무의 인장강도 및 인장탄성율 결과를 나타냈다. 기지의 인장강도는 2.52㎫이었고, 고무복합재료의 인장강도는 입자경이 2.2㎛에서 최대값을 보였으며 입자경의 증가에 따라 인장강도는 크게 감소였다. 이는 동일한 입자함유량에서 입자경이 작을수록 표면적이 커지기 때문에 복합재료의 인장강도는 증가하게 된다.
또한 APFP 및 EP의 처리로 처리 전에 비해 각각 8.8∼13.3%, 9.9~12.5% 향상되었다.
Park[13] 등의 연구에서도 상압 플라즈마의 처리 횟수 증가에 따라 실리카 표면에 극성 관능 요소가 점차 증가하는 것을 확인하였으며, 인열에너지 값이 처리횟수의 증가에 따라 선형적으로 증가함을 확인하였다. 또한 Fig. 4에서 평균 입자경의 변화도 미처리 상태(26.6㎛)에 비해 APFP의 처리횟수의 증가에 따라 감소하였다. 이는 APFP의 처리에 의한 에칭효과로 판단된다.
84N-㎜)에 비해 실리카의 입자경 크기가 증가할수록 증가하였는데, 이는 입자경이 증가할수록 입자 주위의 크랙 편향과 손상 부분의 에너지 손실이 커지기 때문이다. 또한 실리카 표면의 APFP 처리로 고무복합재료의 인열에너지는 처리하지 않은 경우에 비해 10.8~13.4% 증가하였고, ES 처리의 경우는 12.3~15.4%의 증가를 보였다. 지금까지 실리카 크기 변화에 대한 실리카 강화 고무복합재료의 기계적 특성에 관한 연구는 찾아 볼 수 없으며, Chuayjuljit[18] 등은 대표적인 고무 보강재인 카본블랙(carbon black)의 평균 입자경 및 함유량 변화에 따른 고무복합재료의 가류 및 기계적 특성에 관한 연구를 수행하였다.
APFP 및 ES 처리 모두 입자경 증가에 따라 증가율이 향상되었는데, 입자경이 증가할수록 표면처리가 용이하고 기지 내 분산이 양호하기 때문으로 보인다. 또한 인장강도의 경우 APFP 처리시의 증가 기울기가 ES 처리시의 기울기보다 1.82배 높았으며, 인장 탄성율의 경우 역시 APFP 처리의 경우가 ES 처리 경우보다 1.33배 높았다. ES 처리의 경우는 실리카 표면의 커플링 처리가 주된 요인이다.
실리카 입자는 불규칙한 형상이지만, APFP 처리에 의해 날카로운 모서리 및 면의 에칭현상으로 평균 입자경이 다소 감소하는 것으로 보인다. 또한 처리횟수가 증가할수록 평균 입자경의 감소율이 낮게 나타났다. APFP 처리 초기는 날카로운 모서리가 제거되기 때문에 감소율이 크게 나타나지만, 이후에는 감소율이 다소 작게 나타났다.
6㎛) 강화 고무들은 변형율이 크게 감소하면서 저변형 영역에서의 응력이 크게 증가하였다. 또한 표면처리 하지 않은 경우에 비해 APFP 처리하였거나 ES 처리한 경우가 인장강도와 탄성율이 증가하는 경향을 보였다. Figs.
6㎛에서 최대값을 보였고, 100㎛에서는 다시 약간의 감소세를 보였다. 실리카 표면의 APFP 처리로 고무복합재료의 인장탄성율은 처리하지 않은 경우에 비해 15.6~22.8% 증가하였고, ES 처리의 경우는 21.1~25.8%의 증가를 보였다. 고무복합재료의 인열에너지(tear energy)는 하중변위 그래프의 아래 부분 면적을 적분하여 계산한다.
2)의 범위에서 응력값을 선형화하여 구하였다. 입자경의 증가에 따라 인장탄성율은 증가하여 26.6㎛에서 최대값을 보였고, 100㎛에서는 다시 약간의 감소세를 보였다. 실리카 표면의 APFP 처리로 고무복합재료의 인장탄성율은 처리하지 않은 경우에 비해 15.
)의 증가율 그리고 평균 입자경의 변화를 나타냈다. 처리횟수의 증가에 따라 인장강도 및 탄성율 증가율이 크게 향상되었고, 8회 이후에는 증가율이 다소 감소되었다. 이하 APFP 처리 관련 데이터는 생산성을 고려하여 8회 처리시의 값을 적용하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 실란 커플링제 처리 방법은 어떤 단점을 가지고 있는가?
또한 실리카 입자 크기에 따른 고무복합재료의 기계적 특성에 대해 검토한다. 기존의 실란 커플링제 처리 방법은 유기용제를 사용하기 때문에 환경오염을 유발하거나 처리공정이 복잡하고 노화현상이 빠르게 진행되는 단점이 있다. 반면에 APFP 처리는 열원 가스(LPG)를 대기압 하에서 완전 연소시켜 산화되는 과정에서 방출된 에너지에 의해서 기체의 원자 및 분자가 가열, 전리되어 생성된 플라즈마이다.
고무 보강을 위한 충전제의 필요조건은 무엇이 있는가?
[1-4] 무정형의 고무는 부드럽고 약한 상태로 존재하다가 입자들의 충전에 의해서 단단하고 강한 고무가 될 수 있다. 고무 보강을 위한 충전제의 필요조건으로 충전제의 구조, 고무 기지와의 상호반응, 입자크기 등을 들 수 있다. 이들 중에 가장 중요한 조건은 입자크기가 충분히 작아야 한다는 것이다.
고분자 복합재료의 강성과 탄성율을 나노 크기 입자들을 혼합하여 쉽게 향상시킬 수 있는 이유는 무엇인가?
고분자 복합재료의 강성 혹은 탄성율은 마이크로 또는 나노 크기의 입자들을 혼합하여 쉽게 향상시킬 수 있다. 이는 단단한 무기입자들이 일반적으로 고분자 기지보다 훨씬 더 높은 강성을 가지고 있기 때문이다.[1-4] 무정형의 고무는 부드럽고 약한 상태로 존재하다가 입자들의 충전에 의해서 단단하고 강한 고무가 될 수 있다.
참고문헌 (18)
Zhu, Z.K., Yang, Y., Yin, J., and Qi, Z.N., "Preparation and Properties of Organosoluble Polyimide/silica Hybrid Materials by Sol-Gel Process," J Appl. Polym. Sci., Vol. 73, 1999, pp. 2977-2984.
Fu, S.Y., and Lauke, B., "Characterization of Tensile Behaviour of Hybrid Short Glass Fibre Calcite Particle ABS Composites," Composite Part A, Vol. 29, No. 5-6, 1998, pp. 575-583.
Wang, M., Berry, C., Braden, M., and Bonfield, W., "Young's and Shear Moduli of Ceramic Particle Filled Polyethylene," J Mater. Sci. Mater. Med., Vol. 9, 1998, pp. 621-624.
Ames, K., Gibala D., and Hamed, G.R., "Stylene-Butadiene Rubber Filled With Fluorinated Carbon Black: Part II. Effect of Curative Level," Rubber Chem. and Tech., Vol. 69, 1996, p. 273.
Thongpin, C., Sripetdee, C., Papaka, N., Pongsathornviwat, N., and Sombatsompop, N., "The Effect of Second Filler on Cure Characteristic and Mechanical Properties of Si-69 Treated Precipitate Silica/NR Composite," Advanced Materials Research, Vol. 79-82, 2009, pp. 2183-2186.
Ansarifara, A., Azharb, A., Ibrahima, N., Shiaha, S.F., and Lawto, J.M.D., "The Use of a Silanised Silica Filler to Reinforce and Crosslink Natural Rubber," Int. J of Adhesion & Adhesives, Vol. 25, 2005, pp. 77-86.
류상렬, 이동주, "대기압 화염 플라즈마 처리가 강판의 표면 및 고무와의 접착특성에 미치는 영향," 한국복합재료학회지, 제23권 5호, 2010, pp. 1-7.
Sun, L., Chen, J., and Lynch, V., "Nanosiliver-Reinforced Antimicrobial Cellulose Fiber," 2011 TAPPI International Conference on Nanotechnology for Renewable Materials, June 6-8, 2011.
Pukanszky, B., and Voros, G., "Mechanism of Interfacial Interactions in Particulate Filled Composites," Composite Interface, Vol. 1, 1993, pp. 411-427.
Nakamura, Y, Yamaguchi, M, Okubo, M., and Matsumoto, T., "Effects of Particle Size on Mechanical and Impact Properties of Epoxy Resin Filled with Spherical Silica," J Appl. Polym. Sci., Vol. 45, 1992, pp. 1281-2189.
Chuayjuljit, S., Imvittaya, A., Na-Ranong, N., and Potiyara, P., "Effects of Particle Size and Amount of Carbon Black and Calcium Carbonate on Curing Characteristics and Dynamic Mechanical Properties of Natural Rubber," J of Metals, Materials and Minerals, Vol. 12, No. 1, 2002, pp. 51-57.
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