무기첨가제의 조성이 다른 EPDM 복합체를 준비하여 $90^{\circ}C$ 공기와 수돗물에서 각각 7일간 노화시켜 백화현상을 관찰하였다. 공기 중에서 노화시킨 시험편들은 모두 백화가 발생하지 않았으나, 수돗물에서 노화시킨 시험편들 중 스테아린산이 함유된 시험편들은 백화가 심하게 발생하였다. 무기첨가제의 조성에 따른 백화 현상의 차이는 없었다. 백화 물질을 가스 크로마토그래피/질량분석법(GC/MS), 영상 분석(image analysis), 에너지 분산 X-선 분광법(EDX), 감쇠 전반사-후리에 변환 적외선 분광법(ATR-FTIR)을 이용하여 분석하였다. 백화 물질은 스테아린산의 금속염이라는 것을 확인하였다. 스테아린산의 금속염은 수돗물에 존재하는 금속 이온과 시험편 내에 존재하는 스테아린산과의 반응에 의해 형성된다.
무기첨가제의 조성이 다른 EPDM 복합체를 준비하여 $90^{\circ}C$ 공기와 수돗물에서 각각 7일간 노화시켜 백화현상을 관찰하였다. 공기 중에서 노화시킨 시험편들은 모두 백화가 발생하지 않았으나, 수돗물에서 노화시킨 시험편들 중 스테아린산이 함유된 시험편들은 백화가 심하게 발생하였다. 무기첨가제의 조성에 따른 백화 현상의 차이는 없었다. 백화 물질을 가스 크로마토그래피/질량분석법(GC/MS), 영상 분석(image analysis), 에너지 분산 X-선 분광법(EDX), 감쇠 전반사-후리에 변환 적외선 분광법(ATR-FTIR)을 이용하여 분석하였다. 백화 물질은 스테아린산의 금속염이라는 것을 확인하였다. 스테아린산의 금속염은 수돗물에 존재하는 금속 이온과 시험편 내에 존재하는 스테아린산과의 반응에 의해 형성된다.
Whitening phenomena of the EPDM composites with different inorganic filler compositions which were aged at $90^{\circ}C$ for 7 days in air and tap water atmospheres, respectively, were investigated. The aged samples in tap water containing stearic acid exhibited severe whitening phenomena...
Whitening phenomena of the EPDM composites with different inorganic filler compositions which were aged at $90^{\circ}C$ for 7 days in air and tap water atmospheres, respectively, were investigated. The aged samples in tap water containing stearic acid exhibited severe whitening phenomena, while all the samples aged in air did not show any whitening. Depending on the filler compositions, there was no big difference in the whitening phenomena. The whitening materials were analyzed using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS), image analysis, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). The whitening materials were identified to be salts of stearic acid. The salts of stearic acid were formed by reaction of metal cation in tap water and stearic acid in the sample.
Whitening phenomena of the EPDM composites with different inorganic filler compositions which were aged at $90^{\circ}C$ for 7 days in air and tap water atmospheres, respectively, were investigated. The aged samples in tap water containing stearic acid exhibited severe whitening phenomena, while all the samples aged in air did not show any whitening. Depending on the filler compositions, there was no big difference in the whitening phenomena. The whitening materials were analyzed using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS), image analysis, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). The whitening materials were identified to be salts of stearic acid. The salts of stearic acid were formed by reaction of metal cation in tap water and stearic acid in the sample.
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제안 방법
본 연구에서는 이들 무기첨가제의 조성과 스테아린산과 아연스테아레이트의 함량이 다른 EPDM 시험편들을 준비하여 90 ℃의 수돗물과 공기에서 7일 동안 노화시켜 백화 발생 여부를 관찰하였다. GC/MS, 영상 분석(image analysis), 에너지 분산 X-선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX), 감쇠 전반사-후리에 변환 적외선 분광법(total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR ATR-FTIR)을 이용하여 백화 물질을 분석하여, 백화 발생 원인을 규명하였다.
대류 오븐을 사용하여 시험편을 90℃의 공기와 수돗물에서 7일 동안 노화시킨 후, 백화 발생 여부를 관찰하였다. 공기 노화 시편은 대류오븐 안에 클립으로 시험편을 고정시킨 뒤 걸어 두었고, 수돗물 노화의 경우 수돗물에 시험편을 담그고 수돗물이 증발하지 않도록 알루미늄 호일로 비커를 감싸 90℃ 오븐에 넣어두었으며, 24시간마다 수돗물을 교체하였다.
노화 전후 시험편의 표면 형상을 영상 분석기(image analyzer, EG Tech video microscope IT Plus 4.0)로 확대하여 관찰하였다. 백화 물질의 성분을 분석하기 백화 표면을 긁어내어 따로 채집한 후, THF에 녹여 Nylon 66 syringe filter를 사용하여 먼지 등의 미세 입자와 불용성 물질을 거른 후, GC/MS로 분석하였다.
대류 오븐을 사용하여 시험편을 90℃의 공기와 수돗물에서 7일 동안 노화시킨 후, 백화 발생 여부를 관찰하였다. 공기 노화 시편은 대류오븐 안에 클립으로 시험편을 고정시킨 뒤 걸어 두었고, 수돗물 노화의 경우 수돗물에 시험편을 담그고 수돗물이 증발하지 않도록 알루미늄 호일로 비커를 감싸 90℃ 오븐에 넣어두었으며, 24시간마다 수돗물을 교체하였다.
시험편 표면의 전자현미경 분석과 원소 분석은 field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi 사의 S-4700)을 이용하여 수행하였다. 무기첨가제들과 시험편들의 ATR-FTIR 분석은 PerkinElmer사의 spectrum100으로 650 -4000 cm-1 범위의 파장에서 실행하였다.
0)로 확대하여 관찰하였다. 백화 물질의 성분을 분석하기 백화 표면을 긁어내어 따로 채집한 후, THF에 녹여 Nylon 66 syringe filter를 사용하여 먼지 등의 미세 입자와 불용성 물질을 거른 후, GC/MS로 분석하였다. 시험편 표면의 전자현미경 분석과 원소 분석은 field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi 사의 S-4700)을 이용하여 수행하였다.
백화의 일반적인 원인은 내부 물질이 이동하여 표면에 적층 되는 것인데, 이와 같은 이유라면 시험편 내에 잔류하는 물질과 백화 물질과는 관련성이 있을 것으로 예상하였다. 백화 물질이 유기용매에 거의 녹지 않았으므로, 백화 물질은 배합시 첨가된 탈크, 탄산칼슘, 클레이와 같은 무기 첨가제와 관련이 있을 가능성을 조사하였다. 이러한 무기 첨가제들과 스테아린산을 ATR-FTIR로 분석하여 비교하였지만, 백화 물질에서 나타나는 특징적인 피크와 일치하는 것은 없었다(Figure 5).
백화가 발생한 시험편 1의 노화 전의 표면, 공기 중 노화후 표면, 수돗물 노화 후의 표면을 ATR-FTIR로 분석하여 비교하였다(Figure 2). 노화 전과 공기 중 노화 후의 결과는 뚜렷한 차이를 보이지 않았으나, 수돗물에서 노화시킨 시험편 표면의 ATR-FTIR 결과(Figure 2(c))에서는 1574 cm-1와 1539 cm-1 영역에서 특징직인 피크가 관찰되었다.
특히, 백화 물질은 유기 용매에 거의 녹지 않았다. 백화가 발생한 시험편의 표면을 EDX를 이용하여 원소 분석하여 표면에 존재하는 원소들을 확인하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 마그네슘, 규소, 아연 등 여러 가지원소들이 검출되었는데, 백화가 발생하지 않은 시험편 2-W, 4-W, 6-W 의 경우에는 대부분 고무 배합 시 첨가된 무기 첨가제 자체에 포함된 원소들이 검출되었고 백화가 발생한 시험편 1-W, 3-W, 5-W 의 표면에서는 배합된 무기 첨가제들과 관련된 원소들이 검출되지 않았다.
고무 배합 시 일반적으로 사용되는 무기첨가제인 탈크, 클레이, 탄산칼슘은 모두 흰색이다. 본 연구에서는 이들 무기첨가제의 조성과 스테아린산과 아연스테아레이트의 함량이 다른 EPDM 시험편들을 준비하여 90 ℃의 수돗물과 공기에서 7일 동안 노화시켜 백화 발생 여부를 관찰하였다. GC/MS, 영상 분석(image analysis), 에너지 분산 X-선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX), 감쇠 전반사-후리에 변환 적외선 분광법(total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR ATR-FTIR)을 이용하여 백화 물질을 분석하여, 백화 발생 원인을 규명하였다.
무기첨가제에 따른 백화 발생 영향을 관찰하기 위해 카본블랙 이외에 탈크, 클레이, 탄산칼슘이 함유된 배합물을 준비하였다. 스테아린산의 영향을 조사하기 위해 가교 시스템을 2가지로 구분하였다. 하나는 가황활성제로 산화 아연과 스테아린산을 사용한 것이고, 다른 한 가지는 아연 스테아레이트를 사용한 것이다.
탈크, 클레이, 탄산칼슘의 함량과 스테아린산과 아연스테아레이트의 배합 여부가 다른 EPDM 시험편들을 90℃ 의 공기와 수돗물에서 7일간 노화시켜 백화 발생 여부를 관찰하였다. 공기 중 노화 시험편과 아연스테아레이트가 배합된 수돗물 노화 시험편에서는 백화가 발생하지 않았고, 스테아린산이 배합된 수돗물 노화 시험편에서 백화가 심하게 발생하였다.
대상 데이터
무기첨가제에 따른 백화 발생 영향을 관찰하기 위해 카본블랙 이외에 탈크, 클레이, 탄산칼슘이 함유된 배합물을 준비하였다. 스테아린산의 영향을 조사하기 위해 가교 시스템을 2가지로 구분하였다.
하나는 가황활성제로 산화 아연과 스테아린산을 사용한 것이고, 다른 한 가지는 아연 스테아레이트를 사용한 것이다. 총 6가지 EPDM 시험편들을 준비하였으며, 상세한 배합 사양은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
백화 물질의 성분을 분석하기 백화 표면을 긁어내어 따로 채집한 후, THF에 녹여 Nylon 66 syringe filter를 사용하여 먼지 등의 미세 입자와 불용성 물질을 거른 후, GC/MS로 분석하였다. 시험편 표면의 전자현미경 분석과 원소 분석은 field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi 사의 S-4700)을 이용하여 수행하였다. 무기첨가제들과 시험편들의 ATR-FTIR 분석은 PerkinElmer사의 spectrum100으로 650 -4000 cm-1 범위의 파장에서 실행하였다.
성능/효과
백화가 발생한 시험편 1의 노화 전의 표면, 공기 중 노화후 표면, 수돗물 노화 후의 표면을 ATR-FTIR로 분석하여 비교하였다(Figure 2). 노화 전과 공기 중 노화 후의 결과는 뚜렷한 차이를 보이지 않았으나, 수돗물에서 노화시킨 시험편 표면의 ATR-FTIR 결과(Figure 2(c))에서는 1574 cm-1와 1539 cm-1 영역에서 특징직인 피크가 관찰되었다. 하지만 산화아연과 스테아린산 대신 아연스테아레이트를 사용한 시험편 2의 노화 전후의 ATR-FTIR 스펙트럼에서는 뚜렷한 차이가 보이지 않았을 뿐만 아니라, 위의 특징적인 영역의 피크가 전혀 관찰되지 않았다(Figure 3).
백화가 발생한 시험편의 표면을 EDX를 이용하여 원소 분석하여 표면에 존재하는 원소들을 확인하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 마그네슘, 규소, 아연 등 여러 가지원소들이 검출되었는데, 백화가 발생하지 않은 시험편 2-W, 4-W, 6-W 의 경우에는 대부분 고무 배합 시 첨가된 무기 첨가제 자체에 포함된 원소들이 검출되었고 백화가 발생한 시험편 1-W, 3-W, 5-W 의 표면에서는 배합된 무기 첨가제들과 관련된 원소들이 검출되지 않았다. 이는 백화 물질이 배합된 무기 첨가제와는 다른 새로운 물질이라는 것을 의미하며, 무기 첨가제에 의한 백화는 발생하지 않는다는 하나의 증거라 할 수 있다.
공기 중 노화 시험편과 아연스테아레이트가 배합된 수돗물 노화 시험편에서는 백화가 발생하지 않았고, 스테아린산이 배합된 수돗물 노화 시험편에서 백화가 심하게 발생하였다. 백화 물질 분석 결과, 칼슘스테아레이트가 백화 물질임을 확인하였다. 백화 원인 물질은 시험편 내에 잔류하는 유기물의 표면 적층이 아니라는 것과 무기 첨가제인 탈크, 탄산칼슘, 클레이와 관련이 없음을 또한 확인하였다.
백화 물질 분석 결과, 칼슘스테아레이트가 백화 물질임을 확인하였다. 백화 원인 물질은 시험편 내에 잔류하는 유기물의 표면 적층이 아니라는 것과 무기 첨가제인 탈크, 탄산칼슘, 클레이와 관련이 없음을 또한 확인하였다. 칼슘스테아레이트의 형성은 외부에 존재하는 칼슘 이온과 시험편 표면의 스테아린산이 반응하여 이루어진다.
수돗물에서 노화시킨 시험편의 표면을 영상 분석기로 300배 확대하여 분석한 사진을 Figure 1에 실었다. 백화가 발생한 시험편 1-W, 3-W, 그리고 5-W 표면에는 흰색의 특이한 결정들이 적층되어 있는 것이 관찰 되었고, 수돗물에서 노화시켰지만 백화가 발생하지 않은 시험편 2-W, 4-W, 그리고 6-W 시험편의 표면은 노화 전의 시험편의 표면과 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았다. 백화가 발생한 것과 그렇지 않은 시험편의 배합 사양의 차이점은 아연 스테아레이트의 배합 여부였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EPDM은 무엇인가?
EPDM (ethylene-propylene-diene rubber)은 ethylene과 propylene에 탄소-탄소 이중 결합(~C=C~)을 갖는 diene이 도입된 것으로, ethylene과 propylene의 함량비는 물론이고 diene의 종류와 함량에 따라 그 특성이 좌우된다. 일반적으로 사용되는 diene은 5-ethylidene-2-norbornene (ENB), dicyclopentadiene(DCPD), 1,4-hexadiene (HD) 등을 들 수 있으며, 이 중 ENB가 가장 광범위하게 적용되고 있다.
고무 복합 재료는 무엇으로 이루어져 있는가?
고무 복합 재료는 고무, 충전제, 가교제, 노화방지제, 그리고 공정조제 등으로 이루어져 있다. 고무 가황물 혹은 배합물 내에 있는 저분자량 유기물은 표면으로 이동하여 쌓일 수 있다.
일반적으로 백화 물질을 분석하는 방법은?
백화 물질의 채집 방법으로는 다듬어진 유리칼로 긁거나 셀룰로우스나 탈지면 혹은 멜라민 발포체를 용매에 적셔 사용하는 방법 등이 있다.2 채취한 유기물은 용매에 녹여 가스 크로마토그래프/질량분석기(gas chromatograph/mass spectrometer, GC/MS)로 분석하는 것이 일반적이다.
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