EPDM에 카본블랙과 더불어 무기 충전제인 탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이를 함께 혼합하여 EPDM 배합물과 가황물을 제조하여, 무기 충전제가 EPDM 배합물과 가황물의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 무기 충전제를 추가해도 결합 고무 함량(bound rubber content)에는 큰 차이가 없었다. 무기 충전제 함량이 높을수록 큰 입자로 존재함을 확인하였다. 무기 충전제를 추가하면 가교 시간은 전반적으로 증가하는 경향을 보였으며, 델타 토크(delta torque)는 감소하였다. 무기 충전제를 추가하면 모듈러스는 전반적으로 감소하였으나, 신율과 인장강도 그리고 인열강도는 증가하였다. 모듈러스의 감소와 신율의 증가는 가교밀도의 감소로 설명하였으며, 인장강도와 인열강도의 증가는 신율의 증가로 설명하였다. 무기 충전제의 첨가에 의해 보강성은 증가하지 않았고 가교밀도는 감소하였다.
EPDM에 카본블랙과 더불어 무기 충전제인 탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이를 함께 혼합하여 EPDM 배합물과 가황물을 제조하여, 무기 충전제가 EPDM 배합물과 가황물의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 무기 충전제를 추가해도 결합 고무 함량(bound rubber content)에는 큰 차이가 없었다. 무기 충전제 함량이 높을수록 큰 입자로 존재함을 확인하였다. 무기 충전제를 추가하면 가교 시간은 전반적으로 증가하는 경향을 보였으며, 델타 토크(delta torque)는 감소하였다. 무기 충전제를 추가하면 모듈러스는 전반적으로 감소하였으나, 신율과 인장강도 그리고 인열강도는 증가하였다. 모듈러스의 감소와 신율의 증가는 가교밀도의 감소로 설명하였으며, 인장강도와 인열강도의 증가는 신율의 증가로 설명하였다. 무기 충전제의 첨가에 의해 보강성은 증가하지 않았고 가교밀도는 감소하였다.
EPDM compounds and vulcanizates containing inorganic filler such as talc, calcium carbonate, or clay as well as carbon black were prepared, and the influence of inorganic filler on properties of the EPDM compounds and vulcanizates were investigated. The bound rubber contents did not significantly in...
EPDM compounds and vulcanizates containing inorganic filler such as talc, calcium carbonate, or clay as well as carbon black were prepared, and the influence of inorganic filler on properties of the EPDM compounds and vulcanizates were investigated. The bound rubber contents did not significantly increase even though the inorganic filler was added. There were big aggregates in the EPDM samples with high loading inorganic filler. By adding the inorganic filler, the cure times tended to increase and the delta torque decreased. The modulus were on the whole decreased, whereas the elongation at break, tensile strength, and tear strength were increased by adding the inorganic filler. The decreased modulus and increased elongation at break can be explained with the decreased delta torque, the increases of tensile strength and tear strength can be explained with the increased elongation at break. By adding the inorganic filler, level of reinforcing in the EPDM compounds did not increase and the crosslink density decreased.
EPDM compounds and vulcanizates containing inorganic filler such as talc, calcium carbonate, or clay as well as carbon black were prepared, and the influence of inorganic filler on properties of the EPDM compounds and vulcanizates were investigated. The bound rubber contents did not significantly increase even though the inorganic filler was added. There were big aggregates in the EPDM samples with high loading inorganic filler. By adding the inorganic filler, the cure times tended to increase and the delta torque decreased. The modulus were on the whole decreased, whereas the elongation at break, tensile strength, and tear strength were increased by adding the inorganic filler. The decreased modulus and increased elongation at break can be explained with the decreased delta torque, the increases of tensile strength and tear strength can be explained with the increased elongation at break. By adding the inorganic filler, level of reinforcing in the EPDM compounds did not increase and the crosslink density decreased.
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문제 정의
본 연구에서는 탈크, 탄산칼슘, 클레이와 같은 무기 충전제가 EPDM 배합물의 가교 특성과 가황물의 물성 등에 미치는 영향을 조사하였다. 대부분의 EPDM 소재는 카본블랙을 보강성 충전제로 사용하고 있으므로, 본 연구에서도 일정량의 카본블랙이 함유된 EPDM 배합물을 기본으로 하고, 여기에 비보강성 충전제인 탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이를 추가하여 EPDM 배합물을 제조하였다.
제안 방법
3가지 무기 충전제의 형상은 전자 현미경(FE-SEM, 히타치사의 S-4700)로 분석하였으며, 시험편의 단면을 영상 분석기(EG Tech video microscope IT Plus 4.0)로 확대하여 관찰하였다. EPDM 가황물의 물성은 만능시험기(Instron 6021)로 측정하였다.
대부분의 EPDM 소재는 카본블랙을 보강성 충전제로 사용하고 있으므로, 본 연구에서도 일정량의 카본블랙이 함유된 EPDM 배합물을 기본으로 하고, 여기에 비보강성 충전제인 탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이를 추가하여 EPDM 배합물을 제조하였다. EPDM 배합물의 가교 시간(t2, t50, t90)과 가교밀도의 척도인 델타 토크(delta torque), 그리고 보강성의 척도인 결합 고무 함량(bound rubber content)과 겉보기 가교밀도를 측정하여 비교하였다. 또한, EPDM 가황물의 인장물성과 인열강도 등을 비교하였으며, 무기 충전제의 분산성을 관찰하였다.
배합물의 가교 특성은 160 ℃에서 레오미터로 측정하였다. 결합 고무 함량은 비결합 성분(유기물과 비결합 고무 등)을 톨루엔에서 7일간, 노말 헥세인에서 1일간 추출한 후 상온에서 2일간 건조한 후 추출 전후 시험편의 질량을 측정하여 식 (1)로 구하였다.
이는 무기 충전제 함량이 증가할수록 시험편 초기 질량이 크기 때문에 나타난 현상이다. 고무와 충전제 질량의 합에서 고무가 차지하는 질량 분율을 구하여 보정 전 겉보기 가교밀도(1/Q)에 곱하여 보정 겉보기 가교밀도(1/Qc)를 구하였다. 보정 후 겉보기 가교밀도(1/Qc)는 델타토크와 유사한 경향을 보였다.
본 연구에서는 탈크, 탄산칼슘, 클레이와 같은 무기 충전제가 EPDM 배합물의 가교 특성과 가황물의 물성 등에 미치는 영향을 조사하였다. 대부분의 EPDM 소재는 카본블랙을 보강성 충전제로 사용하고 있으므로, 본 연구에서도 일정량의 카본블랙이 함유된 EPDM 배합물을 기본으로 하고, 여기에 비보강성 충전제인 탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이를 추가하여 EPDM 배합물을 제조하였다. EPDM 배합물의 가교 시간(t2, t50, t90)과 가교밀도의 척도인 델타 토크(delta torque), 그리고 보강성의 척도인 결합 고무 함량(bound rubber content)과 겉보기 가교밀도를 측정하여 비교하였다.
델타 토크를 가교밀도와 비교하기 위해 겉보기 가교밀도(1/Q)를 측정하였다. 그 결과를 Table 2에 정리하였다.
EPDM 배합물의 가교 시간(t2, t50, t90)과 가교밀도의 척도인 델타 토크(delta torque), 그리고 보강성의 척도인 결합 고무 함량(bound rubber content)과 겉보기 가교밀도를 측정하여 비교하였다. 또한, EPDM 가황물의 인장물성과 인열강도 등을 비교하였으며, 무기 충전제의 분산성을 관찰하였다.
무기 충전제의 분산 정도를 비교하기 위해 가황 시험편을 잘라 그 단면을 영상 분석기로 확대하여 분석하였다. 그 결과를 Figure 4에 실었다.
6 이는 카본블랙 함량이 증가할수록 결합 고무 함량이 증가하여 비결합 고무에 존재하는 가교제의 상대 함량이 증가하기 때문이다. 본 연구에서 사용한 7가지 EPDM 배합물의 결합 고무 함량을 측정하였으며, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 무기 충전제를 추가하여도 결합 고무 함량에는 거의 변화가 없음을 알 수 있다.
또한, 팽윤 정도는 충전제의 종류와 함량에 따라서도 달라진다. 본 연구에서 사용한 EPDM 배합물들은 모두 충전제의 종류와 함량이 다르므로 이를 보정하기 위해 순수한 고무만에 의한 팽윤을 계산하여 보정 겉보기 가교밀도(1/Qc)를 구하였다. 그 결과를 Table 2에 정리하였다.
대상 데이터
EPDM (KEP 960, 금호폴리켐), 카본블랙(N550), 무기 충전제(탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이), 가교활성제(스테아린산과 산화아연), 그리고 가교제(TBBS와 황)이 포함된 7가지 EPDM 배합물을 준비하였다. 7가지 EPDM 배합물은 충전 시스템을 제외하고는 모두 동일한 조성을 갖는다.
기본이 되는 배합물(배합물 Control)은 단지 카본블랙 20 phr이 포함된 것이고, 나머지 6개 배합물은 각각 탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이 10 phr 혹은 40 phr이 카본블랙 20 phr과 더불어 혼합된 것이다. 배합은 니더 배합기(Kneader mixer)와 밀(two-roll mill)을 이용하여 제조하였다. 가황물은 160 ℃ 압축 몰드(140 mm×140 mm×2 mm)에서 20분간 가교하여 제조하였다.
성능/효과
신율이 증가하면 인장강도는 증가하는 경향을 보인다.11,12 인열강도는 무기 충전제를 10 phr 첨가하였을 때는 크게 증가하였으나 40 phr 첨가하였을 때는 오히려 약간 감소하였다. 무기 충전제를 10 phr 첨가하였을 때의 인열강도 증가는 신율의 증가로 설명할 수 있다.
6,7 실리카 배합물의 경우에도 실리카 함량이 증가할수록 델타 토크가 증가한다.7 카본블랙과 실리카가 혼합된 고무 배합물의 경우, 전체 충전제 함량이 일정한 상태에서 실리카 함량이 증가할수록 결합 고무 함량이 증가하는 경향을 보였다.8 또한, 실리카 함량이 증가하면 가교 시간이 길어졌으며, 실리카 사용에 따른 실란 커플링제((silane coupling agent)의 사용으로 실리카 함량이 증가하면 델타 토크가 증가하였다.
결합 고무 함량이 증가한 경우에도 증가분은 4%를 넘지 않았다. 결합 고무 함량 측정 결과로 보아 탈크, 탄산칼슘, 클레이는 모두 보강성 효과가 전혀 혹은 거의 없다고 할 수 있다.
무기 충전제를 첨가하면, 델타 토크가 최대 약 12% 정도 감소하였다 (Figure 3). 델타 토크 감소 정도는 탄산칼슘을 첨가한 경우에 가장 컸으며, 클레이 배합물이 가장 작았다. 탄산칼슘을 10 phr 더한 배합물 CaL의 델타 토크가 가장 작았는데, 배합물 CaL의 결합 고무 함량도 가장 작았다.
이러한 경향은 보강성 충전제인 카본블랙이나 실리카와는 반대 경향이다. 무기 충전제를 첨가하여 전체 충전제 함량이 증가하여도 결합 고무 함량에는 거의 변화가 없었다. 이는 무기 충전제가 보강성 역할을 하지 못한다는 것을 의미한다.
이는 무기 충전제가 보강성 역할을 하지 못한다는 것을 의미한다. 무기 충전제의 함량이 높으면 분산이 완전히 이루어지지 않아 입자의 크기가 커지는 경향을 보였으며, 이러한 현상은 탈크, 탄산칼슘, 클레이 중에서 탄산칼슘이 가장 두드러지게 나타났다. 따라서 무기 충전제를 카본블랙과 같은 보강성 충전제와 함께 사용할 때는 함량을 너무 높이면 가교밀도를 낮추고 물성을 약화시킬 수 있음을 유의해야 한다.
무기 충전제 입자를 볼 수 있으며, 무기 충전제 함량이 높은 경우에 입자 수가 증가한 것을 볼 수 있다. 특히 탄산칼슘에서 충전제 입자가 잘 보이며, 탄산칼슘 함량이 높은 경우에는 덩어리로 나타났다. 무기 충전제 함량이 증가할수록 입자 수가 많아지고 입자 크기도 커진다는 것은 그만큼 분산이 나빠진다는 것을 의미한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무기 충전제는 어떤 목적으로 사용되고 있는가?
충전제에는 카본블랙과 실리카를 주로 사용하고 있으나, 탈크, 탄산칼슘, 클레이와 같은 무기 충전제를 혼용하여 사용하기도 한다. 무기 충전제는 일부 고무 소재의 화학적․ 물리적 특성을 높이는 역할을 하나 주로 공정 효율성 향상, 비중의 증가, 배합물 형상의 안정성 등의 목적으로 사용하고 있다. EPDM (ethylene propylene diene rubber)은 주쇄가 탄소-탄소 단일 결합으로 이루어져 있어서 산화나 오존에 대한 저항성이 매우 강하고 고온에서도 안정한 절연 특성을 갖고 있다.
고무 소재는 무엇으로 이루졌는가?
고무 소재는 고무, 충전제, 가교제, 노화방지제, 그리고 공정 조제로 이루어져 있다. 충전제에는 카본블랙과 실리카를 주로 사용하고 있으나, 탈크, 탄산칼슘, 클레이와 같은 무기 충전제를 혼용하여 사용하기도 한다.
카본블랙으로 보강된 EPDM 배합물에 탈크, 탄산칼슘, 혹은 클레이와 같은 무기 충전제를 추가할 때에는 가교시간이 길어지고 가교밀도는 감소하는데, 이외에 어떤 변화가 있는가?
이러한 경향은 보강성 충전제인 카본블랙이나 실리카와는 반대 경향이다. 무기 충전제를 첨가하여 전체 충전제 함량이 증가하여도 결합 고무 함량에는 거의 변화가 없었다. 이는 무기 충전제가 보강성 역할을 하지 못한다는 것을 의미한다. 무기 충전제의 함량이 높으면 분산이 완전히 이루어지지 않아 입자의 크기가 커지는 경향을 보였으며, 이러한 현상은 탈크, 탄산칼슘, 클레이 중에서 탄산칼슘이 가장 두드러지게 나타났다. 따라서 무기 충전제를 카본블랙과 같은 보강성 충전제와 함께 사용할 때는 함량을 너무 높이면 가교밀도를 낮추고 물성을 약화시킬 수 있음을 유의해야 한다.
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