[논문]Wood Flour 폴리프로필렌 복합재료의 기계적 특성: 반복적 온도 변화의 영향

이선영; 전상진; 도금현; 박상범; 최수임

doi:10.7473/ec.2011.46.3.218

Wood Flour 폴리프로필렌 복합재료의 기계적 특성: 반복적 온도 변화의 영향
Mechanical Properties of Wood Flour Polypropylene Composites: Effect of Cycled Temperature Change 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.46 no.3, 2011년, pp.218 - 222

이선영 (국립산림과학원 녹색자원이용부 환경소재공학과) , 전상진 (국립산림과학원 녹색자원이용부 환경소재공학과) , 도금현 (국립산림과학원 녹색자원이용부 환경소재공학과) , 박상범 (국립산림과학원 녹색자원이용부 환경소재공학과) , 최수임 (순천대학교 생명산업과학대학 산림자원학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 반복적인 온도변화가 목분(50 wt.%와 70 wt.%)이 첨가된 폴리프로필렌 WPC(Wood Plastic Composites)의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. WPC의 휨탄성계수(flexural modulus)와 휨강도 (flexural strength)는 반복 회수에 상관없이 동결 융해 시험에서 계면접착력의 약화 때문에 감소하는 경향을 보였다. 목분의 함량이 높을 때, 휨탄성계수의 감소가 비교적 높았다. WPC의 휨탄성계수와 휨강도는 고온($60^{\circ}C$) 저온 ($-20^{\circ}C$) 반복시험 후 고온에서 감소하고 저온에서 증가되었다. 폴리프로필렌(polypropylene, PP)의 유리전이점 (glass transition temperature: $-10^{\circ}C$) 보다 낮은 저온($-20^{\circ}C$에서 WPC는 높은 강성(stiffness)과 강도 (strength)를 유발시키는 유리상태(glassy state)로 존재한다. 고온에서 목분의 함량이 낮은 WPC가 연성의 증가 때문에 낮은 휨탄성계수와 휨강도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of cycled temperature change on the mechanical properties of wood flour(50 wt.% and 70 wt.%) polypropylene WPC(Wood Plastic Composites) was investigated in this study. Flexural modulus and flexural strength of the WPC showed a decrease due to the degradation of interfacial adhesion between polymer matrix and wood flour by the freeze-thaw test regardless of the cycled number. At the higher loading level of wood flour, the reduction of the flexural modulus was remarkable. After the cycled heat-freeze test, it was found that the flexural modulus and flexural strength of the WPC were lower at the high temperature ($60^{\circ}C$) and higher at the low temperature ($-20^{\circ}C$). At the low temperature ($-20^{\circ}C$) which is below glass transition temperature of polypropylene ($-10^{\circ}C$), WPC is in a glassy state which brings about the high stiffness and strength. At the high temperature ($60^{\circ}C$), the flexural modulus and flexural strength of the WPC with 50 wt.% wood flour were lower because of the increase of polymer ductility.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

, Korea)에서 각각 고온(60 ℃)과 저온(-20 ℃)에서 12시간 동안 노출시키는 것을 각각 5회 반복하여 총 10회의 온도변화가 WPC의기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다(Table 5). 또한 목분 함량의 변화와 상용화제 MAPP가 저온과 고온에서 WPC의 기계적 특성에 미치는 영향 또한 조사하였다. 휨강도 측정은 ASTM D790 방법에 따라 수행되었는데, 25 ℃와 상대습도 50%의 조건에서 5번 반복하여 분당 10 mm의 속도로 진행되었다.
본 연구에서는 목분(50 wt.%와 70 wt.%)이 첨가된 폴리프로필렌 WPC의 기계적 성질에 온도의 변화가 미치는 영향이 조사되었다. 위에서 제시된 결과 및 토론으로부터 다음과 같은 결과가 도출되었다.
본 연구에서는, 목분과 폴리프로필렌을 용융 압출시켜 만든 WPC의 기계적 특성에 반복적인 동결/융해 노출의 영향을 조사하였다. 특히 50 wt.

제안 방법

또한 상용화제 3 wt.%를 복합재의 중량에 따라 첨가시켜서, PP, 목분 및 MAPP의 배합비율은 각각 47:50:3과 27:70:3으로 혼합시켰다 (Table 1). PP와 목분을 혼합 후 WPC를 제조하였는데, 혼합된 재료는 동방향 이축압출기(40L/D ratio, Bautek Co.
%의 목분 함량과 3 wt.%의 상용화제의 첨가에 따른 WPC의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 저온과 고온에서의 반복적 노출이 WPC의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
PP와 목분을 혼합 후 WPC를 제조하였는데, 혼합된 재료는 동방향 이축압출기(40L/D ratio, Bautek Co., Korea)를 통과시켜 용융·압출시켰다.
첫 번째 시험이 종료될 때, 첫 번째 동결·융해시험의 결과를 분석하기 위해 휨강도를 측정했다. 두 번째 및 세 번째 반복 시험의 종료 시 휨강도를 측정했다. 휨강도 시험은 ASTM D790 방법에 따라 수행되었다.
또한 동결·융해시험 후 기계적 성질의 저하는 WPC 속의 수분 증가에 따른 계면특성의 저하라고 사료되어, 동결·융해 시험에서 24시간 동안 WPC를 증류수에 함침 시키는 과정을 생략했다.
%의 상용화제의 첨가에 따른 WPC의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 저온과 고온에서의 반복적 노출이 WPC의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
시편제작을 위해서 사출기(injection molder, Dr. Boy GmbH & Co. KG, Germany)를 이용하였는데, 190 ℃의 내부온도와 5.5 MPa 압력 조건에서 기계적 특성과 물리적 특성 평가를 위해 시편을 제조하였다 (Table 3).
온도가 WPC의 기계적 특성에 순수하게 미치는 특성을 평가하기 위하여 항온·항습기(Taekwang E&S Co., Korea)에서 각각 고온(60 ℃)과 저온(-20 ℃)에서 12시간 동안 노출시키는 것을 각각 5회 반복하여 총 10회의 온도변화가 WPC의기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다(Table 5).
첫 번째 시험이 종료될 때, 첫 번째 동결·융해시험의 결과를 분석하기 위해 휨강도를 측정했다.

대상 데이터

100-120메시 크기의 목분은 J.Retenmaier & Sohne 사(Germany)로부터 제공받았으며, 목분의 밀도는 100-135 g/L이다.
9 g/cm³)은 (주)대한유화 공업에서 제공받았다. 상용화제로 이용된 Maleated polypropylene(MAPP, 분자량=40,000 g/mol)은 (주)호남석유화학으로부터 제공받았다.
Retenmaier & Sohne 사(Germany)로부터 제공받았으며, 목분의 밀도는 100-135 g/L이다. 폴리프로필렌(polypropylene, 이하 PP, 분자량=180,000 g/mol, 용융지수=3.2 g/10min, 밀도=0.9 g/cm³)은 (주)대한유화 공업에서 제공받았다. 상용화제로 이용된 Maleated polypropylene(MAPP, 분자량=40,000 g/mol)은 (주)호남석유화학으로부터 제공받았다.

이론/모형

두 번째 및 세 번째 반복 시험의 종료 시 휨강도를 측정했다. 휨강도 시험은 ASTM D790 방법에 따라 수행되었다.¹⁰ 휨강도는 25 ℃와 상대습도 50%의 환경에서 5번 반복하여 분당 10 mm의 속도로 진행되었다.
또한 목분 함량의 변화와 상용화제 MAPP가 저온과 고온에서 WPC의 기계적 특성에 미치는 영향 또한 조사하였다. 휨강도 측정은 ASTM D790 방법에 따라 수행되었는데, 25 ℃와 상대습도 50%의 조건에서 5번 반복하여 분당 10 mm의 속도로 진행되었다.

성능/효과

6% 감소하였고, 70 wt.% 목분이 함유된 PP27/WF70/MAPP3의 휨강도는 온도처리가 없을 때보다 1.7% 감소하였다. 저온(-20 ℃)에서 5회 반복 후에 PP47/ WF50/MAPP3의 휨강도는 온도처리가 없을 때보다 12.
1회부터 3회 동결·융해시험 후, PP50/WF50의 휨강도는 약 9.1%-10.1% 감소했으며, 상용화제 MAPP를 첨가한 PP47/WF50/MAPP3의 휨강도는 4.0%-5.6% 감소하였다.
1회부터 3회 동결·융해시험 후, 모든 WPC의 휨강도는 약간 감소하는 경향을 보였다.
1회부터 3회 동결·융해시험 후, 목분의 함량이 높은 PP30/WF70의 휨강도는 약 9.1% 감소했고, PP27/WF70/ MAPP3의 휨강도는 9.4% 감소했다.
7 또한, 목분과 폴리염화비닐을 용융·압출시켜 만든 WPC의 특성분석 결과, 동결·융해 반복시험은 밀도와 치수안정성에는 큰 영향을 주지 않았으나, 목분의 함량이 증가할수록 WPC의 치수안정성(dimensional stability)을 감소시켰다.
목분의 함량이 크게 증가할수록, WPC의 강성(stiffness)이 크게 증가 함을 알 수 있다. 낮은 목분(50 wt.%)의 함량보다 높은 목분(70 wt.%)의 함량에서, 상용화제 MAPP 첨가 또한 WPC의 강성을 크게 증가시켰다.
동결·융해 시험 후 WPC의 휨탄성계수와 휨강도는 반복 회수에 상관없이 휨탄성계수가 약간 감소하는 경향을 보였다.
동결·융해시험 후의 WPC의 휨탄성계수 수치를 볼 때, 반복 회수에 상관없이 휨탄성계수가 감소하는 경향이 나타났다 (Figure 1).
상용화제 MAPP의 첨가는 동결·융해시험 후 휨탄성계수에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
Figure 3은 고온·저온 반복시험 전후의 WPC의 휨탄성계수를 나타낸다. 예상했던 바와 같이, 모든 WPC의 휨탄성계수는 고온(60 ℃)에 5회 노출되었을 때 감소하였고, 저온(-20 ℃)에 5회 노출되었을 때 증가하는 경향을 보였다. 고온에서 휨탄성 계수의 감소는 시편의 강도의 감소와 연성(ductility)의 증가 때문으로 사료된다.
7% 감소하였다. 저온(-20 ℃)에서 5회 반복 후에 PP47/ WF50/MAPP3의 휨강도는 온도처리가 없을 때보다 12.7% 증가하였고, PP27/WF70/MAPP3의 휨강도는 온도처리가 없을 때보다 11.1% 증가하였다. 휨강도는 휨탄성계수보다 고온에 대해서 적게 영향을 받는데, 휨강도의 감소는 휨탄성계수의 감소보다 비교적 작았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 매트릭스는 무슨 역할을 하는가?	목재플라스틱 복합재(Wood Plastic Composites, 이하 WPC)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리염화비닐과 같은 고분자 매트릭스와 보강재로서 목분을 용융 압출시켜 만든다. 고분자 매트릭스는 복합재료 내에서 하중을 지지하는 보강재와 결합하여 표면을 보호하며, 형상을 유지해주는 역할을 한다. 목분의 저렴한 가격과 WPC의 우수한 기계적 성능 때문에, 50 wt.
	목재플라스틱 복합재는 어떻게 만드는가?	목재플라스틱 복합재(Wood Plastic Composites, 이하 WPC)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리염화비닐과 같은 고분자 매트릭스와 보강재로서 목분을 용융 압출시켜 만든다. 고분자 매트릭스는 복합재료 내에서 하중을 지지하는 보강재와 결합하여 표면을 보호하며, 형상을 유지해주는 역할을 한다.
	새로운 소재가 개바뢰기 위해서 극한 환경에 노출되었을 때 일어날 수 있는 문제점들과 장기 내구성에 관한 정보가 필요한 이유는?	WPC가 다양한 기후조건에 노출된 후 발생되는 결함 때문에 매년 여러 나라에서 커다란 경제적 피해가 발생되고 있으며, 손상된 부분을 교체하기 위하여 높은 비용이 지출되고 있다. 따라서 새로운 소재가 개발되기 위해서는 극한 환경에 노출되었을 때 일어날 수 있는 문제점들과 장기 내구성에 관한 정보가 필요하다.

참고문헌 (10)

C. Clemons, "Wood-plastic composites in the United States, the interfacing of two industries", For. Prod. J., 52, 10 (2002).

상세보기
H.S. Yang, H.J. Kim, J.I. Son, H.J. Park, B.J. Lee, and T.S. Hwang, "Rice-husk flour filled polypropylene composites; mechanical and morphological study", Compos. Struct., 63, 305 (2004).

상세보기
J.I. Son, H.S. Yang, and H.J. Kim, "Physico-mechanical properties of paper sludge-thermoplastic polymer composites", J. Thermoplast. Compos., 17, 509 (2004).
S.Y. Lee, I.A. Kang, B.S. Park, G.H. Doh, and B.D. Park, "Effects of fillers and coupling agent on the properties of bamboo fiber-reinforced polypropylene composites", J. Reinf. Plast. Compos., 28, 2589 (2008).
A.J. Schildmeyer, M.P. Wolcott, D.A. Bender, and P.E. Masce, "Investigation of the temperature-dependent mechanical behavior of a polypropylene-pine composite", J. Mater. Civil. Eng., 21, 460 (2009).
M. Tajvidi and N. Motie, "Mechanical performance of hemp fiber polypropylene composites at different operating temperature", J. Reinf. Plast. Compos., 29, 664 (2010).

상세보기
J.M. Pilarski amd L.M. Matuana, "Durability of wood flour-plastic composites exposed to accelerated freeze-thaw cycling. II. High density polyethylene matrix", J. Appl. Polym. Sci., 100, 35 (2006).

상세보기
M. Tajvidi and S. Haghdan, "Effects of accelerated freeze-thaw cycling on physical and mechanical properties of wood flour/PVA composites", J. Reinf. Plast. Compos., 28, 1841 (2009).

상세보기
ASTM D7031-04, "Standard guide for evaluating mechanical and physical properties of wood-plastic composite products", ASTM Annual Book, Vol. 08. 01. (2004).
ASTM D790-07, "Standard guide for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials", ASTM Annual Book, Vol. 08. 01. (2007).

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증