실란농도가 실리카 / 천연고무 복합소재의 실리카 입자간 상호 관계 계수 (αF)에 미치는 영향의 비교 Effects of Silane Concentration on the Silica-Silica Interaction Parameter (αF) of the Silica / Natural Rubber Compound원문보기
실리카가 충전된 천연고무 복합소재 내에서 실란 함량의 증가가 실리카간의 구조 발달 상수 (${\alpha}_F$)에 미치는 영향을 비교하였다. 동일한 실리카양 (10, 20, 30, 40 phr)에서 실란의 함량 (2, 4, 6, 8, 10, 12%)이 증가할수록 ${\alpha}_F$값이 증가하는 경향이 나타났다. 이는 실란내 존재하는 황이 가교에 참여하였기 때문인 것으로 판단된다. 또한 실란 함량이 같은 조건에서 실리카양이 증가할수록 ${\alpha}_F$값이 증가하였는데 이는 실리카 간 상호관계가 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
실리카가 충전된 천연고무 복합소재 내에서 실란 함량의 증가가 실리카간의 구조 발달 상수 (${\alpha}_F$)에 미치는 영향을 비교하였다. 동일한 실리카양 (10, 20, 30, 40 phr)에서 실란의 함량 (2, 4, 6, 8, 10, 12%)이 증가할수록 ${\alpha}_F$값이 증가하는 경향이 나타났다. 이는 실란내 존재하는 황이 가교에 참여하였기 때문인 것으로 판단된다. 또한 실란 함량이 같은 조건에서 실리카양이 증가할수록 ${\alpha}_F$값이 증가하였는데 이는 실리카 간 상호관계가 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
The silica-silica interaction parameter (${\alpha}_F$) of the silane treated silica filled natural rubber (NR) compound was investigated. As silane (TESPT) concentration increased from 2 to 12% (2, 4, 6, 8, 10, 12%), the ${\alpha}_F$ value increased at the same silica concentra...
The silica-silica interaction parameter (${\alpha}_F$) of the silane treated silica filled natural rubber (NR) compound was investigated. As silane (TESPT) concentration increased from 2 to 12% (2, 4, 6, 8, 10, 12%), the ${\alpha}_F$ value increased at the same silica concentration (10, 20, 30, and 40 phr). It seemed the sulfur atoms in TESPT acted as a crosslinking agent in the compound. As silica concentration increased from 10 to 40 phr, the ${\alpha}_F$ value increased at the same silane concentration due to increased silica-silica interaction.
The silica-silica interaction parameter (${\alpha}_F$) of the silane treated silica filled natural rubber (NR) compound was investigated. As silane (TESPT) concentration increased from 2 to 12% (2, 4, 6, 8, 10, 12%), the ${\alpha}_F$ value increased at the same silica concentration (10, 20, 30, and 40 phr). It seemed the sulfur atoms in TESPT acted as a crosslinking agent in the compound. As silica concentration increased from 10 to 40 phr, the ${\alpha}_F$ value increased at the same silane concentration due to increased silica-silica interaction.
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가설 설정
18 즉, 첫째, 실리카의 αF가 카본블랙에 비해 더 크다.
제안 방법
먼저 1단계는 천연고무와 실리카, 커플링제를 넣고 5분간 믹싱한 다음, zinc oxide, stearic acid를 넣고 다시 5분간 믹싱하여 master batch 1 (MB1)을 제조하였다. 2단계는 롤밀을 이용해서 MB1과 황 및 가황촉진제 (MBT)를 배합하여 master batch 2 (MB2)를 제조하였다. 각 실리카 함량 (10~40 phr)에 대해서 1phr의 MBT를 첨가하였다.
배합은 2단계에 걸쳐 진행하였다. 먼저 1단계는 천연고무와 실리카, 커플링제를 넣고 5분간 믹싱한 다음, zinc oxide, stearic acid를 넣고 다시 5분간 믹싱하여 master batch 1 (MB1)을 제조하였다. 2단계는 롤밀을 이용해서 MB1과 황 및 가황촉진제 (MBT)를 배합하여 master batch 2 (MB2)를 제조하였다.
본 연구에서는 실리카가 10, 20, 30, 40 phr로 충전된 천연고무 복합소재에 대해서 각각 실란의 첨가량을 실리카 무게 대비 2, 4, 6, 8, 10, 12%로 변량 시켰을 경우 나타나는 αF의 거동변화를 관찰하였다.
또한 Table 1에 실험에 사용한 컴파운드의 배합비를 나타냈다. 실란은 실리카 무게 대비 각각 2, 4, 6, 8, 10, 12%에 해당하는 양을 첨가하였다.
실리카로 충전된 천연고무 복합소재에 대해서 실란의 함량변화 (실리카 무게 대비 2, 4, 6, 8, 10, 12%)가 미치는 영향을 파악하기 위해 컴파운드 내에서 충전제의 구조 발달에 대한 특정상수 (αF)를 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
하지만 본 연구에서 TESPT 내의 황이 가교에 참여하여 복합소재내 실란-고무, 고무-고무의 crosslinking에 관여할 뿐 아니라 실리카 표면과도 화학적으로 결합하여 복합소재의 가교밀도를 높이고 αF가 증가하는 부분을 관찰하였다.
대상 데이터
커플링제는 Evonik에서 제조한 TESPT (bis (triethoxy silyl propyl) tetrasulfane, Si-69)를 사용하였고, 활성제로는 PJChemtek㈜에서 제조한 zinc oxide와 Suriachem 사에서 제조한 stearic acid를 사용하였다. 가교제로는 미원상사㈜의 유황(MIDAS SP 325)을 사용하였다. 촉진제는 Qingdao Duote 사의 2-mercapto benzothiazole (MBT)를 사용하였다.
)를 이용하였다. 롤밀 (two roll mill)은 각 롤의 속도비가 1:1.2이고 앞 롤의 회전수는 19 rpm인 대웅기계공업사의 제품을 사용하였다. 배합은 2단계에 걸쳐 진행하였다.
본 실험에 사용한 밀폐식 혼합기는 탄젠셜(tangential)타입으로 로터의 회전수가 44 rpm인 1.6리터(L)의 반바리믹서(banbury mixer, BS-B16S, Bongshin Casting & Machinery Co., Ltd.)를 이용하였다.
, Ltd.에서 제조한 평균 입자경 크기가 15 nm, BET surface area가 160~190 m2/g인 실리카 (LK955-1)를 사용하였다. 커플링제는 Evonik에서 제조한 TESPT (bis (triethoxy silyl propyl) tetrasulfane, Si-69)를 사용하였고, 활성제로는 PJChemtek㈜에서 제조한 zinc oxide와 Suriachem 사에서 제조한 stearic acid를 사용하였다.
가교제로는 미원상사㈜의 유황(MIDAS SP 325)을 사용하였다. 촉진제는 Qingdao Duote 사의 2-mercapto benzothiazole (MBT)를 사용하였다. 실험에 사용한 실험 재료는 Table 1에 요약하였다.
에서 제조한 평균 입자경 크기가 15 nm, BET surface area가 160~190 m2/g인 실리카 (LK955-1)를 사용하였다. 커플링제는 Evonik에서 제조한 TESPT (bis (triethoxy silyl propyl) tetrasulfane, Si-69)를 사용하였고, 활성제로는 PJChemtek㈜에서 제조한 zinc oxide와 Suriachem 사에서 제조한 stearic acid를 사용하였다. 가교제로는 미원상사㈜의 유황(MIDAS SP 325)을 사용하였다.
이론/모형
에서 제작한 가압 회전 방식의 레오미터 (pressurized rotational rheometer, DRM-100)를 이용하였다. ASTM D 2084를 참고하여 160 ℃에서 60분 동안 Biconical 로터를 이용하여 측정하였으며 진동 주파수는 분당 100회 (1.66 Hz)였다.
, Ltd.에서 제작한 가압 회전 방식의 레오미터 (pressurized rotational rheometer, DRM-100)를 이용하였다. ASTM D 2084를 참고하여 160 ℃에서 60분 동안 Biconical 로터를 이용하여 측정하였으며 진동 주파수는 분당 100회 (1.
컴파운드 내에서 충전제의 구조 발달에 대한 특정 상수 (αF)는 Wolff가 제안한 다음 식을 이용하였다.
성능/효과
각 실란 함량에 대해서 실리카 함량이 증가할수록 αF가 증가하는 경향이 나타났다.
각 실리카 로딩량에 대해서 실란 함량이 증가함에 따라 αF 값이 증가하는 경향을 나타냈다.
동일한 실리카양 (10, 20, 30, 40 phr)에서 실란의 함량이 증가할수록 αF가 증가하는 경향이 나타났다. 이는 실란이 포함하고 있는 황이 가교반응에 참여하여 αF의 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다.
둘째, 실리카의 경우 로딩량이 증가함에 따라 αF값이 증가한다.
이는 실란이 포함하고 있는 황이 가교반응에 참여하여 αF의 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한 실란 함량이 같은 조건에서 실리카양이 증가할수록 실리카 입자간 상호관계가 증가하여 αF가 증가하였다.
셋째, 실리카가 충전된 컴파운드에서 실리카 로딩량이 많을 경우 αF의 급격한 증가가 나타난다.
)의 변화를 나타낸 그림이다. 실란 함량이 8, 10, 12% 일 때 실리카 함량이 증가함에 따라 토크 상승값은 대체로 증가하는 경향을 보였다. 하지만 실란 함량이 2, 4, 6%일 때 일부 컴파운드는 실리카 함량이 증가하는 경우에도 토크 상승값이 감소하다가 증가하는 경향을 보였다.
가 증가하는 경향이 나타났다. 실리카가 10과 20 phr 일 때는 증가하는 폭이 작은데 비해 30과 40 phr 일 때는 크게 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 실리카 로딩량이 많을수록 aggregates 사이의 거리가 가까워져서 2차 구조가 더욱 발달하여 αF가 증가한 것으로 해석된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
αF의 Wolff의 정의는?
충전제 입자간 상호관계를 관찰하기 위해서는 충전제 입자 간 상호작용 계수 (αF),1,2 Payne effect3,4를 측정하는 방법 등 여러 가지가 있다. Wolff는 충전제 로딩량과 토크 상승값(Tmax-min)의 함수관계에서 나타나는 기울기를 αF로 정의하였고 입자가 충전된 복합소재와 비충전된 복합소재의 토크 상승 값을 이용하여 측정하였으며 카본블랙과 실리카의 αF를 비교하였다.1,2 한편 Payne은 입자간 관계를 strain sweep으로 표현하였는데 입자간 상호작용은 입자들의 percolation point 이상에서 관찰된다.
실란의 함량변화가 αF와 연관있는 이유는?
동일한 실리카양 (10, 20, 30, 40 phr)에서 실란의 함량이 증가할수록 αF가 증가하는 경향이 나타났다. 이는 실란이 포함하고 있는 황이 가교반응에 참여하여 αF의 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한 실란 함량이 같은 조건에서 실리카양이 증가할수록 실리카 입자간 상호관계가 증가하여 αF가 증가하였다.
초기의 실란들이 지닌 약점은?
11-15 그 중에 실리카가 충전된 컴파운드에서 유용성을 목적으로 양기능성 실란이 연구 되었다. 초기의 실란들은 취급 및 운송의 편이성, 저장 안정성, 개질 반응의 운동성, 반응물질과 부산물의 독성 등과 관련하여 약점을 가지고 있었지만 후에 개발된 bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulphide (TESPT)와 3-thiocyanato-propyltriethoxy silane (TCPTS) 등의 실란들은 위의 요구사항을 충족시킨다. 현재 널리 사용되고 있는 양기능성 실란의 특성은 실리카와 고무를 화학적으로 결합시켜 줌으로써 고무복합소재의 회전저항성 (rolling resistance)이나 노면 접지력 (snow-, wet-traction) 등의 특성들을 높이는 역할을 한다.
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