선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 비록 상기의 연구가 순간적인 큰 힘으로 마찰 시 표면이 파괴되어 발생되는 마킹에 관한 연구는 이루어지지 않았지만 기계적 물성 및 내마모성의 개선이 마킹 향상에도 상관관계가 있을 것으로 판단하여 본 연구에서는 TPU에 EPDM과 BR (Butadiene rubber), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber) 같은 고무를 블렌딩하여 TPU/Rubber 필름을 제조하고 이들의 조성이 마킹과의 상관관계를 검토하여 마킹 문제가 개선된 신발 겉창용 소재로 TPU를 활용할 수 있는 방안을 조사하였다.
제안 방법
- 80°C로 유지되는 진공 건조기에서 24 h 건조한 TPU와 고무를 Moriyama사의 밀폐형 혼련기인 니더(kneader)를 사용하여 rpm 50, 180°C, 10 min 동안 용융혼합으로 블렌딩하였고 상온까지 냉각 후 분쇄하여 제조하였다.
- BR 블렌딩 시 표면 파괴 및 마킹의 개선 효과를 규명하기 위해 TPU에 BR을 100/0, 95/5, 90/10, 85/15 및 80/20 조성비로 블렌딩한 후 사출성형품을 만들어 마킹 시험, NBS 내마모성, 기계적 강도 및 경도 등을 평가하였다. 블렌드 중의 BR 함량이 10 wt% 이상에서 표면 파괴 및 마킹 현상이 우수해졌으며 BR함량이 증가함에 따라 표면 파괴 및 마킹 현상이 개선되었고 경도는 감소되는 것을 알 수 있었다.
- TPU/BR 블렌드에서 조성비에 따른 내마모성, 인장강도, 파단신도, 경도 및 TPU의 연질부 Tg 변화를 Table 2에 요약하였으며 Figures 6부터 9를 통해 자세히 살펴보았다. Figure 6은 TPU/BR 블렌드에서 조성비에 따른 NBS 내마모성을 나타낸 것이다.
- 마킹특성 측정을 위해 실제 보행 환경과 유사한 조건에서 신발 겉창의 마킹특성을 평가할 수 있는 Figure 1과 같은 구조의 측정 장치를 자체 설계 ⋅ 개발하였고 보행 중 미끄러지게 될 때 넘어지지 않고 멈추기 위해 평균적으로 가해지는 조건(바닥면에서 미끄러질 때 정지하기 위해 가해지는 압력, 미끄러지는 속도 및 거리)을 족저압력분석 등을 통해 확인하였다. 개발된 장치에서 20 kgf/cm2의 압력에서 300 mm/s 속도로 시험편을 20 cm 거리 동안 검정 아크릴 판에 마찰한 후 표면을 디지털 카메라로 촬영하여 평가하였다.
- 기계적 성질을 측정하기 위해 각 5개의 시험편에 대하여 cross-head speed를 분당 500 mm의 속도로 하여 만능시험기(Universal Testing Machine, Instron, UTM 3345)를 이용하여 측정한 후 평균값을 취하였다.
- 마킹특성 측정을 위해 실제 보행 환경과 유사한 조건에서 신발 겉창의 마킹특성을 평가할 수 있는 Figure 1과 같은 구조의 측정 장치를 자체 설계 ⋅ 개발하였고 보행 중 미끄러지게 될 때 넘어지지 않고 멈추기 위해 평균적으로 가해지는 조건(바닥면에서 미끄러질 때 정지하기 위해 가해지는 압력, 미끄러지는 속도 및 거리)을 족저압력분석 등을 통해 확인하였다.
- 블렌드의 마모특성을 측정하기위해 NBS 마모 시험기(Daesung Tester, NBS Abrasion Tester)를 사용하여 측정하였으며 NBS 내마모성은 아래의 식으로 계산되었다.
- 블렌드의 열적 거동은 dynamic mechanical analyzer(DMA, TA Instrument, Q800)를 사용하여 승온속도 분당 2°C, 온도 -75∼100°C 범위에서 측정되었다.
- 순수한 TPU와 TPU/Rubber 블렌드의 조성비 90/10에서 EPDM, NBR, BR을 평가하였으며, 마킹 및 표면 파괴 개선이 가장 우수한 TPU/BR 블렌드의 조성은 100/0, 95/5, 90/10, 85/15 및 80/20으로 하여 평가하였다.
대상 데이터
- EPDM 고무(ethylene 70 wt%, ML1 + 4 (125°C) 53, 비중 0.87)는 금호폴리켐사(KEP-570P)에서 공급받아 사용하였고 BR 고무(cis-1,4 content 97 wt%, ML1 + 4 (100°C) 45, 비중 0.91)는 엘지화학사 (BR1208)에서 공급받아 사용하였다.
- 또한, NBR (AN content 34 wt%, ML1 + 4 (100°C) 66, 비중 0.98)은 금호석유화학사(KNR35L)에서 공급받아 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 TPU (경도 77 (shore A), 비중 1.18)는 Lubrizol사에서 공급받은 폴리에스테르계 TPU (Estane S175A)를 사용하였다. EPDM 고무(ethylene 70 wt%, ML1 + 4 (125°C) 53, 비중 0.
- 제조된 배합물을 80°C로 유지되는 진공 건조기에서 24 h 건조 후 Arburg (850-210)사의 사출성형기에서 사출해 시편을 제조하였다.
데이터처리
- 블렌드의 경도를 측정하기위해 시편당 5 point를 durometer hardness(Kobounshi, Asker A type)를 사용하여 측정 후 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 블렌드의 구조 및 모포로지를 관찰하기 위하여 전자현미경(Scanning Electron Microscope, Jeol, JSM-6701F)을 사용하였다.
- TPU/NBR (90/10) 블렌드의 경우 순수한 TPU에 비해 NBS 내마모성, 인장강도 및 신장율 등이 개선되어도 표면 파괴 및 마킹현상이 개선되지 않는 반면 TPU/EPDM(90/10) 블렌드의 경우 순수한 TPU에 비해 NBS 내마모성 및 인장강도가 저하되어도 표면 파괴 및 마킹 현상이 개선되는 것을 보면 순간적인 큰 힘으로 마찰 시 TPU의 표면이 파괴되어 나타나는 마킹 현상은 내마모성 및 기계적 강도와 큰 상관관계가 없는 특성임을 알 수 있었다. 이들에 관한 명확한 규명을 위해 표면 파괴 및 마킹 현상이 가장 크게 개선된 TPU/BR 블렌드의 조성비에 따른 연구를 진행하였다.
성능/효과
- NBS 내마모성 및 인장 물성은 BR이 10 wt%까지는 개선되다가 그 이후에는 다시 감소되는 경향을 나타내었다. SEM 사진에서 BR이 구름 형상의 연속상을 이루는 것을 확인하였으며 10 wt% 이상에서 연속상이 뚜렷하게 나타나는데 BR 연속상이 외부로 부터의 순간적인 큰 힘으로 마찰 시 충격을 감소시켜 표면 파괴 및 마킹 현상이 개선되는 것으로 추정 된다.
- 순수한 TPU와 TPU/NBR 블렌드의 경우 시험편의 표면이 크게 파괴되면서 접촉면에 마킹이 많이 발생되는 것을 알 수 있다. TPU/EPDM 블렌드와 TPU/BR 블렌드는 순수한 TPU에 비해 시험편이 파괴가 적게 발생되며 마킹 현상도 개선되었다. 특히, TPU/BR 블렌드에서 표면 파괴 문제 및 마킹 현상이 크게 향상되는 것을 알 수 있다.
- 순수한 TPU에 비해 TPU/EPDM (90/10) 블렌드는 NBS 내마모성과 인장강도가 감소하는 것을 알 수 있었다. TPU/NBR (90/10) 블렌드와 TPU/BR (90/10) 블렌드는 순수한 TPU에 비해 NBS 내마모성과 인장강도가 증가 되었으며, NBS 내마모성은 TPU/BR (90/10) 블렌드가 가장 우수하고 인장강도는 TPU/NBR (90/10) 블렌드가 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 파단신도는 순수한 TPU에 비해 TPU/Rubber (90/10) 블렌드 모두 증가되었고 경도는 순수한 TPU에 비해 TPU/Rubber (90/10) 블렌드 모두 감소하는 경향을 나타내었다.
- TPU/NBR (90/10) 블렌드의 경우 순수한 TPU에 비해 NBS 내마모성, 인장강도 및 신장율 등이 개선되어도 표면 파괴 및 마킹현상이 개선되지 않는 반면 TPU/EPDM(90/10) 블렌드의 경우 순수한 TPU에 비해 NBS 내마모성 및 인장강도가 저하되어도 표면 파괴 및 마킹 현상이 개선되는 것을 보면 순간적인 큰 힘으로 마찰 시 TPU의 표면이 파괴되어 나타나는 마킹 현상은 내마모성 및 기계적 강도와 큰 상관관계가 없는 특성임을 알 수 있었다. 이들에 관한 명확한 규명을 위해 표면 파괴 및 마킹 현상이 가장 크게 개선된 TPU/BR 블렌드의 조성비에 따른 연구를 진행하였다.
- BR 블렌딩 시 표면 파괴 및 마킹의 개선 효과를 규명하기 위해 TPU에 BR을 100/0, 95/5, 90/10, 85/15 및 80/20 조성비로 블렌딩한 후 사출성형품을 만들어 마킹 시험, NBS 내마모성, 기계적 강도 및 경도 등을 평가하였다. 블렌드 중의 BR 함량이 10 wt% 이상에서 표면 파괴 및 마킹 현상이 우수해졌으며 BR함량이 증가함에 따라 표면 파괴 및 마킹 현상이 개선되었고 경도는 감소되는 것을 알 수 있었다. NBS 내마모성 및 인장 물성은 BR이 10 wt%까지는 개선되다가 그 이후에는 다시 감소되는 경향을 나타내었다.
- 순간적인 큰 힘에 의한 마찰 시 TPU의 표면 파괴와 접촉면에 마킹이 발생되는 문제의 개선을 위해 본 연구에서는 TPU에 EPDM, NBR 및 BR을 90/10 조성비로 블렌딩한 후 사출성형품을 만들어 마킹 시험한 결과 비극성인 EPDM과 BR을 블렌딩한 경우 순수 TPU에 비해 표면 파괴 및 마킹 현상이 개선되었으며 특히, TPU/BR 블렌드의 효과가 큰 것을 알 수 있었다.
- TPU/Rubber (90/10) 블렌드의 고무 종류에 따른 내마모성, 인장 강도, 파단신도 및 경도를 Table 1에 요약하였다. 순수한 TPU에 비해 TPU/EPDM (90/10) 블렌드는 NBS 내마모성과 인장강도가 감소하는 것을 알 수 있었다. TPU/NBR (90/10) 블렌드와 TPU/BR (90/10) 블렌드는 순수한 TPU에 비해 NBS 내마모성과 인장강도가 증가 되었으며, NBS 내마모성은 TPU/BR (90/10) 블렌드가 가장 우수하고 인장강도는 TPU/NBR (90/10) 블렌드가 가장 우수한 것을 알 수 있었다.
- Figures 4와 5는 TPU/BR 블렌드에서 조성비에 따른 마킹 시험 후 시험편의 상태와 접촉면에 발생된 마킹 결과를 각각 나타낸 것이다. 시험편의 표면 파괴와 접촉면에 발생된 마킹 현상은 모두 BR이 증가함에 따라 감소되는 경향을 나타내었다.
- TPU/NBR (90/10) 블렌드와 TPU/BR (90/10) 블렌드는 순수한 TPU에 비해 NBS 내마모성과 인장강도가 증가 되었으며, NBS 내마모성은 TPU/BR (90/10) 블렌드가 가장 우수하고 인장강도는 TPU/NBR (90/10) 블렌드가 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 파단신도는 순수한 TPU에 비해 TPU/Rubber (90/10) 블렌드 모두 증가되었고 경도는 순수한 TPU에 비해 TPU/Rubber (90/10) 블렌드 모두 감소하는 경향을 나타내었다.
후속연구
- TPU/BR 블렌드의 경우 순수한 TPU에 비해 경도가 낮아져 착화감이 개선되며 TPU를 일반 신발 겉창에 적용할 수 없었던 가장 큰 문제였던 순간적으로 큰 힘으로 마찰 시 표면이 파괴되고 접촉면에 마킹이 발생되는 문제가 개선되었다. 순수한 TPU에 비해 내마모성및 기계적 강도는 저하되었지만 일반 신발에서 요구되는 특성을 만족하고 가교 공정이 없어 생산시간 단축 및 재활용이 가능한 TPU/BR 블렌드를 신발 겉창에 적용할 수 있을 것으로 예상되어진다.
- BR이 TPU에 비해 자체 물성이 낮은데도 불구하고 10 wt% 사용 시까지는 내마모성 및 인장 관련 물성이 증가되는 특이한 경향이 나타난 것은 BR이 소량 첨가되었을 때 TPU의 구조가 물성에 유리한 쪽으로 변화한 것으로 추정할 수 있다. 일반적으로 TPU는 유연부와 경질부의 상분리 및 경질부의 결정화에 따라 물리적 특성이 좌우되는데 결론적으로 BR이 10 wt%까지는 상분리에 유리하게 작용하기 때문으로 생각되지만 구체적인 이유를 규명할 수 없었으며, 그 규명을 위한 추후 연구가 요망된다. 유사한 경향으로 TPU와 EPDM 블렌드에서 EPDM 함량 8 wt%까지는 TPU의 유연부와 EPDM이 일부 상용성를 가져 TPU 단독일 때보다 인장강도와 파단신율이 증가하는 것을 보고하였다[13].
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.