상온 상압 플라즈마 표면처리된 목분을 폴리프로필렌(polypropylene)과 혼합하였을 때 두 재료의 계면에 미치는 영향을 연구하였다. 목분과 폴리프로필렌을 압출기를 통해 기계적으로 혼합한 후 사출기를 이용하여 목분함유량 50 wt% 목분/폴리프로필렌(Wood Plastic Composite, WPC) 복합재를 제조하였다. 플라즈마 표면처리 공정에 가장 적합한 Monomer(모노머)를 찾기 위해 Oxygen, Benzene, CH-4, Acrylic-acid, Hexafluoroethane, Trifluorotolune, Hexamethyl-disiloxane(HMDSO) 등 7가지의 모노머에 대해 Contact angle(접촉각)을 측정하여 표면에너지를 계산하였다. 그 결과 HMDSO가 가장 높은 표면에너지를 나타내어 플라즈마 공정의 모노머로 적용하였다. 소수성인 폴리프로필렌과 친수성인 목분을 플라즈마 표면처리를 통하여 목분의 표면을 개질하였고 두 재료의 계면 결합력을 향상시킬 수 있었다. 기계적 물성평가 결과는 인장강도의 경우 최대 7.59%, 굴곡강도의 경우 최대 12.43%가 증가하였다. SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 파단면을 관찰하였고 플라즈마 표면처리의 효과를 확인하였다.
상온 상압 플라즈마 표면처리된 목분을 폴리프로필렌(polypropylene)과 혼합하였을 때 두 재료의 계면에 미치는 영향을 연구하였다. 목분과 폴리프로필렌을 압출기를 통해 기계적으로 혼합한 후 사출기를 이용하여 목분함유량 50 wt% 목분/폴리프로필렌(Wood Plastic Composite, WPC) 복합재를 제조하였다. 플라즈마 표면처리 공정에 가장 적합한 Monomer(모노머)를 찾기 위해 Oxygen, Benzene, CH-4, Acrylic-acid, Hexafluoroethane, Trifluorotolune, Hexamethyl-disiloxane(HMDSO) 등 7가지의 모노머에 대해 Contact angle(접촉각)을 측정하여 표면에너지를 계산하였다. 그 결과 HMDSO가 가장 높은 표면에너지를 나타내어 플라즈마 공정의 모노머로 적용하였다. 소수성인 폴리프로필렌과 친수성인 목분을 플라즈마 표면처리를 통하여 목분의 표면을 개질하였고 두 재료의 계면 결합력을 향상시킬 수 있었다. 기계적 물성평가 결과는 인장강도의 경우 최대 7.59%, 굴곡강도의 경우 최대 12.43%가 증가하였다. SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 파단면을 관찰하였고 플라즈마 표면처리의 효과를 확인하였다.
Atmospheric glow plasma polymerization was applied to wood powder before fabricating polypropylene (PP) matrix composites. Seven different types of monomers (Oxygen, Benzene, CH4, Acrylic-acid, Hexafluoroethane, Trifluorotolune, Hexamethyl-disiloxane) were analyzed to determine the most suitable pre...
Atmospheric glow plasma polymerization was applied to wood powder before fabricating polypropylene (PP) matrix composites. Seven different types of monomers (Oxygen, Benzene, CH4, Acrylic-acid, Hexafluoroethane, Trifluorotolune, Hexamethyl-disiloxane) were analyzed to determine the most suitable precursor for plasma polymerization. The surface energy was calculated from measured contact angle about each monomer on PP. Hexamethyl-disiloxane (HMDSO) had a highest surface energy and is selected as the most suitable monomer. Wood powder and polypropylene were mixed as pellets by twin screw extruder and then 50 wt% wood powder/PP composites were produced by an injection machine. Tensile strength and Flexural strength have improved by 7.59% and 12.43% at the maximum respectively. SEM (Scanning Electron Microscope) observation on the fracture surface revealed that the plasma polymerization have improved the interfacial bonding and the mechanical properties of the composites.
Atmospheric glow plasma polymerization was applied to wood powder before fabricating polypropylene (PP) matrix composites. Seven different types of monomers (Oxygen, Benzene, CH4, Acrylic-acid, Hexafluoroethane, Trifluorotolune, Hexamethyl-disiloxane) were analyzed to determine the most suitable precursor for plasma polymerization. The surface energy was calculated from measured contact angle about each monomer on PP. Hexamethyl-disiloxane (HMDSO) had a highest surface energy and is selected as the most suitable monomer. Wood powder and polypropylene were mixed as pellets by twin screw extruder and then 50 wt% wood powder/PP composites were produced by an injection machine. Tensile strength and Flexural strength have improved by 7.59% and 12.43% at the maximum respectively. SEM (Scanning Electron Microscope) observation on the fracture surface revealed that the plasma polymerization have improved the interfacial bonding and the mechanical properties of the composites.
최근 환경오염과 화석연료 고갈로 인하여 저비용, 재활용, 생분해성 및 높은 강도와 강성을 가지고 있는 자연 섬유 복합재료 개발에 많은 연구가 진행 중에 있다[1,2]. 본 연구에서는 비교적 높은 강도를 나타낼 수 있는 재료인 목분과 폴리프로필렌(Polypropylene)을 사용하는 WPC 복합재를 연구하였다. 일반적으로 목분과 폴리프로필렌을 혼합하게 되면 낮은 강도를 갖게 된다[3-5].
제안 방법
(1) 폴리프로필렌과의 계면결합력 향상을 위한 최적의 모노머를 선정하기 위해 모노머의 접촉각을 측정하였고 측정된 값을 이용하여 표면에너지를 계산하였다. 계산된 표면에너지를 이용하여 소수성이 가장 큰 모노머인 HMDSO를 선정하였다.
본 연구에서 목분과 폴리프로필렌을 균일하게 혼합하고 접착강도를 증가시키기 위하여 목분에 플라즈마 표면처리를 하였고 이를 이용하여 WPC 복합재를 제조한 후 인장시험 및 SEM을 통한 미세구조를 평가함으로서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
플라즈마 처리한 목분과 폴리프로필렌을 압출기에서 기계적으로 혼합 후 펠렛 (Pellet) 형태로 제조하였다. 본 연구에서는 사출기를 사용하여 사출성형 하였으며 목분량은 50 wt%로 하였다. 기계적 물성평가 및 SEM(Scanning Eletron Microscope)을 이용하여 인장 파단면 관찰하였고 이미지 분석을 통하여 상온·상압 플라즈마 표면처리가 기존의 유기화합물 처리방식보다 효과적으로 개질 되는 것을 확인하였다.
플라즈마 처리에 이용된 모노머 중 적합한 모노머를 찾기 위해 접촉각을 측정하였고 이것을 이용해 표면에너지를 계산하였다[10]. 플라즈마 처리한 목분과 폴리프로필렌을 압출기에서 기계적으로 혼합 후 펠렛 (Pellet) 형태로 제조하였다. 본 연구에서는 사출기를 사용하여 사출성형 하였으며 목분량은 50 wt%로 하였다.
대상 데이터
WPC 복합재 제조에 사용된 목분은 (주)화인우드에서 제조된 자동차용 목분으로 진공 건조를 통해 수분을 제거한 후 별도의 정제과정 없이 사용되었다. 폴리프로필렌 (SEETEC M1500, LG Chem.
데이터처리
3에 나타난 것과 같이 Static sessile drop method를 이용하여 측정하고 이를 이용하여 두 재료 간의 표면 에너지를 예측함으로써 목분과 폴리프로필렌간의 계면 결합력을 향상시키기 위한 가장 적합한 모노머를 선정하였다. 그리고 ASTM D638 type 1, ASTM D790의 규격에 따라 시편을 제조한 후 만능물성시험기(UTM, Instron model 5882, U.S.A.)를 통해 인장강도 및 굴곡강도를 측정하고 플라즈마 표면처리 유무에 따른 인장·굴곡강도의 비교를 통해 플라즈마 처리의 건전성 평가 및 계면결합력 향상을 평가하였다. 또한 주사전자현미경(SEM, JSM-5800, JEOL, Japan)을 통해 인장시편의 파단면을 관찰함으로써 목분과 폴리프로필렌간의 계면 결합을 확인하였다.
일반적인 WPC 복합재 경우 두 재료간의 표면 장력의 차이로 인한 상분리가 나타남으로서 기계적 특성이 저하되는 문제점이 발생한다. 이에 본 연구에서는 물과 글리세롤을 이용하여 다양한 모노머간의 접촉각을 측정하고 이를 이용하여 계면에너지를 비교 평가함으로서 모노머의 친수성 및 소수성을 평가하였다. Table 2는 Static Sessile Drop Method에 의해 측정된 접촉각과 식 (1)에 나타난 Young's Equation과 식 (2)에 나타난 Dupre Equation을 조합한 식 (3)에 식 (4)를 대입하여 정리하여 유도된 식 (5)을 통해 계산된 표면 에너지를 나타낸 것이다.
이론/모형
플라즈마 표면처리는 기존의 비환경적인 유기 화합물을 사용하는 방법과 달리 친환경적으로 처리할 수 있다[7]. 본 연구에서 사용된 상온·상압 플라즈마 표면처리는 저비용으로 연속처리가 가능한 건식공법이다. 상온·상압 플라즈마 처리는 Acrylic acid, Hexamethyldisiloxane (HMDSO) 등의 다양한 모노머(Monomer)를 사용하여 처리할 수 있다.
성능/효과
(2) 수분 침강 실험을 통해 균일하게 플라즈마 처리된 목분을 제조하였으며 목분의 소수성을 향상시켰다. 또한 플라즈마 처리 공정을 아래과 같이 최적화하였다.
(3) HMDSO를 이용하여 플라즈마 처리된 목분/폴리프로필렌 복합재의 경우 플라즈마 처리에 의해 목분의 소수성이 증가하여 폴리프로필렌과의 계면결합력이 향상되었고 인장강도는 7.59%, 굴곡강도 12.43%로 증가하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WPC 복합재은 어떤 문제점을 가지고 있는가?
일반적으로 WPC 복합재의 경우, 목분과 폴리프로필렌 간의 낮은 계면결합력으로 인한 복합재의 기계적 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 Fig.
목분과 폴리프로필렌의 혼합이 낮은 강도를 갖게 되는 이유는 무엇인가?
일반적으로 목분과 폴리프로필렌을 혼합하게 되면 낮은 강도를 갖게 된다[3-5]. 이는 소수성을 가지는 폴리프로필렌과 친수성을 가지는 목분 사이의 계면결합력부족, 분산성이 좋지 못하기 때문이다[6]. 이러한 문제를 상온·상압 플라즈마 표면처리를 통하여 친환경적, 저비용으로 개선해 보고자 한다.
상온·상압 플라즈마 표면처리란 무엇인가?
플라즈마 표면처리는 기존의 비환경적인 유기 화합물을 사용하는 방법과 달리 친환경적으로 처리할 수 있다[7]. 본 연구에서 사용된 상온·상압 플라즈마 표면처리는 저비용으로 연속처리가 가능한 건식공법이다. 상온·상압 플라즈마 처리는 Acrylic acid, Hexamethyldisiloxane (HMDSO) 등의 다양한 모노머(Monomer)를 사용 하여 처리할 수 있다. 플라즈마 처리에 이용된 모노머 중 적합한 모노머를 찾기 위해 접촉각을 측정하였고 이것을 이용해 표면에너지를 계산하였다[10].
참고문헌 (8)
Morton and Rossi, L., "Current and Emerging Applications for Natural and Wood Fiber Composite," Proc. 7th International Conference on Wood Fiber Composites, Madison, WI, Forest Product Society, 2003.
Clemons, C., and Caufield, D., "Functional Filler for Plastics," Wood Powder, 249-1st Ed., 2005.
Kim, B.S., Kim, M.M., Ha, J.R., Um, M.K., and Chun, B.H., "High performance Structure and Materails," WIT Transactions, Vol. 112, 2010, pp. 271-277.
Zhang Y.C., Toghiani, H., Zhang, J.L., Xue, Y.B., and Pittman, C.U., "Studies of Surface-modified Wood Flour/Polypropylene Composites," Journal of Materials Science, Vol. 44, No. 8, 2003.
Nunez, A.J., Sturm, P.C., and Kenny, J.M., "Mechanical Characterization of Polypropylene-wood Flour Composites," Journal of Applied Polymer Science, Vol. 88, No. 6, 2003.
Park, I., and Lee, H.L., "Analysis of the Surface Characterisitic of Micrestickies by Contact Angle Measurement," Journal of Korea TAPPI, Vol. 37, No 2, 2005.
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