MIF (Molded-In Foaming) 공법의 발포 거동에 적합한 고분자 기재를 선정하기 위해 SBC (K-resin KK38)와 SBS (KTR 101와 KTR 301)의 유변물성을 측정하였다. SBS의 유변물성 ($G^{\prime}$, $G^{{\prime}{\prime}}$, ${\eta}^*$)은 $155^{\circ}C$와 $170^{\circ}C$의 경우 시간에 따라 유변물성 값의 변화가 거의 없으나, $185^{\circ}C$와 $200^{\circ}C$의 경우에는 시간에 따라 증가하는 것을 볼 수 있었다. 특히, KTR 301의 유변물성 값이 시간에 따라 큰 폭으로 증가하였다. 시간에 따른 유변물성 상승의 정확한 원인을 확인하기 위해 $155^{\circ}C$와 $200^{\circ}C$에서 1800 s 이후의 KTR 301의 비선형 유변물성을 진폭에 대해 측정하였다. $155^{\circ}C$에서는 일반적인 수지와 같은 한 번의 박화(thinning)현상이 관찰되나 $200^{\circ}C$에서는 두 번의 박화현상이 관찰되었고 (Payne effect), 이는 고온에서 SBS가 겔화에 의한 경화가 일어난다고 볼 수 있다. 따라서 이러한 유변물성으로부터 MIF 공법에 요구되는 특성(발포 초기 낮은 점도와 발포 완료 이후 높은 점도)에 적합한 고분자 기재는 SBS KTR 301임을 확인할 수 있었다.
MIF (Molded-In Foaming) 공법의 발포 거동에 적합한 고분자 기재를 선정하기 위해 SBC (K-resin KK38)와 SBS (KTR 101와 KTR 301)의 유변물성을 측정하였다. SBS의 유변물성 ($G^{\prime}$, $G^{{\prime}{\prime}}$, ${\eta}^*$)은 $155^{\circ}C$와 $170^{\circ}C$의 경우 시간에 따라 유변물성 값의 변화가 거의 없으나, $185^{\circ}C$와 $200^{\circ}C$의 경우에는 시간에 따라 증가하는 것을 볼 수 있었다. 특히, KTR 301의 유변물성 값이 시간에 따라 큰 폭으로 증가하였다. 시간에 따른 유변물성 상승의 정확한 원인을 확인하기 위해 $155^{\circ}C$와 $200^{\circ}C$에서 1800 s 이후의 KTR 301의 비선형 유변물성을 진폭에 대해 측정하였다. $155^{\circ}C$에서는 일반적인 수지와 같은 한 번의 박화(thinning)현상이 관찰되나 $200^{\circ}C$에서는 두 번의 박화현상이 관찰되었고 (Payne effect), 이는 고온에서 SBS가 겔화에 의한 경화가 일어난다고 볼 수 있다. 따라서 이러한 유변물성으로부터 MIF 공법에 요구되는 특성(발포 초기 낮은 점도와 발포 완료 이후 높은 점도)에 적합한 고분자 기재는 SBS KTR 301임을 확인할 수 있었다.
In order to select polymer matrix for MIF (Molded-In Foaming) process, in this study, we investigated rheological properties of commercial polymers, SBC (Styrene-Butadiene Copolymers, K-resin KK38) and SBS (Styrene- Butadiene-Styrene, KTR 101 and KTR 301). In time sweep test, the rheological propert...
In order to select polymer matrix for MIF (Molded-In Foaming) process, in this study, we investigated rheological properties of commercial polymers, SBC (Styrene-Butadiene Copolymers, K-resin KK38) and SBS (Styrene- Butadiene-Styrene, KTR 101 and KTR 301). In time sweep test, the rheological properties ($G^{\prime}$, $G^{{\prime}{\prime}}$, ${\eta}^*$) of SBS at 155 and $170^{\circ}C$ display almost constant value as a function of time from 0 s to 1800 s. On contrast, the rheological properties of SBS at 185 and $200^{\circ}C$ exponentially increase as a function of time. It could be due to gelation of SBS at high temperature conditions. These increment of rheological properties are not observed in SBC. From LAOS (large amplitude oscillatory shear) test, the nonlinear rheological properties of SBS at 155 and $200^{\circ}C$ after 1800 s are compared. The nonlinear rheological properties at $155^{\circ}C$ show simple strain thinning behavior such as linear homopolymer, however, the nonlinear rheological properties at $200^{\circ}C$ show 2 times strain thinning behavior (Payne effect). It well match with the gelation of SBS at $200^{\circ}C$. From rheological studies, it is confirmed that the proper polymer matrix for MIF process (low rheological properties at initial time and high rheological properties after process) is SBS KTR 301.
In order to select polymer matrix for MIF (Molded-In Foaming) process, in this study, we investigated rheological properties of commercial polymers, SBC (Styrene-Butadiene Copolymers, K-resin KK38) and SBS (Styrene- Butadiene-Styrene, KTR 101 and KTR 301). In time sweep test, the rheological properties ($G^{\prime}$, $G^{{\prime}{\prime}}$, ${\eta}^*$) of SBS at 155 and $170^{\circ}C$ display almost constant value as a function of time from 0 s to 1800 s. On contrast, the rheological properties of SBS at 185 and $200^{\circ}C$ exponentially increase as a function of time. It could be due to gelation of SBS at high temperature conditions. These increment of rheological properties are not observed in SBC. From LAOS (large amplitude oscillatory shear) test, the nonlinear rheological properties of SBS at 155 and $200^{\circ}C$ after 1800 s are compared. The nonlinear rheological properties at $155^{\circ}C$ show simple strain thinning behavior such as linear homopolymer, however, the nonlinear rheological properties at $200^{\circ}C$ show 2 times strain thinning behavior (Payne effect). It well match with the gelation of SBS at $200^{\circ}C$. From rheological studies, it is confirmed that the proper polymer matrix for MIF process (low rheological properties at initial time and high rheological properties after process) is SBS KTR 301.
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문제 정의
이를 측정하기 위해 동적 진동유동(dynamic os- cillatory shear flow) 측정방법을 이용하였다. 또한 새롭게 연구되는 MIF공법의 공정조건은 다양한 온도와 시간에서 결정되므로, 온도와 시간의 변화에 따른 고분자 재료의 유변물성을 같이 살펴보고 이를 통해 MIF공법에 적합한 고분자 기재에 대해 살펴보았다.
본 연구에서는 MIF 공법의 발포 거동에 적합한 고분자 기재를 선정하기 위해 상업적으로 판매하고 있는 수지(SBC K-resin KK38)와 열가소성 엘라스토머(SBS KTR 101 및 KTR 301)의 유변학적 거동을 분석하였다.
본 연구에서는 신발용 창을 제작하는 데 사용되는 다양한 상업용 고분자 기재에 대해 유변학적(또는 기계적) 물성에 대해서 살펴보았다. 이를 측정하기 위해 동적 진동유동(dynamic os- cillatory shear flow) 측정방법을 이용하였다.
이번에는 SBS KTR 301에 대해 보다 중점적으로 살펴보았다. 155 ℃와 200 ℃에서 30분의 시간이 흐른 후 유변물성의 역전현상이 나타났기 때문에 1800 s가 지난 후 두 가지 온도(155 ℃와 200 ℃)에서의 유변물성을 측정하여 보았다.
제안 방법
그리고 KTR 301의 시간에 따른 점도 상승 효과의 원인을 알아보기 위해 1800 s가 지난 후 비선형 유변물성을 측정하였다. 155 °C에서의 유변물성과는 다르게 200 °C의 유변물성에서는 박화(thinning)현상이 두 번 일어난 것(Payne effect)을 관찰하였다. 또한 비선형도(Q)에서도 두 번의 뚜렷한 박화현상이 관찰되었다.
이번에는 SBS KTR 301에 대해 보다 중점적으로 살펴보았다. 155 ℃와 200 ℃에서 30분의 시간이 흐른 후 유변물성의 역전현상이 나타났기 때문에 1800 s가 지난 후 두 가지 온도(155 ℃와 200 ℃)에서의 유변물성을 측정하여 보았다. 특히 155 ℃에서는 시간에 따른 경화반응이 관찰 되지 않았고, 200℃에서는 시간에 따른 경화반응이 관찰 되었기 때문에 내부에서의 구조적 변화가 있을 것으로 추정된다.
SAOS(Small Amplitude Oscillatory Shear, 진폭이 작은 진동유동) 측정방법을 이용하여 저장 탄성률(storage modulus, Gᐟ), 손실 탄성률 (loss modulus, Gᐥ)과 복소 점도(complex viscosity, η*)을 진동수에 대해 측정하였다.
그리고 200 ℃에서 SBS와 SBC의 시간에 따른 표준화된 복소 점도를 비교하여 보았다(Figure 6). Figure 6에서 알 수 있듯이, 공중합체이지만 스티렌 함량이 높아 일반적인 수지로 분리되는 SBC의 경우 시간이 흘러도 유변물성의 변화는 거의 관찰되지 않았다.
그리고 KTR 301의 시간에 따른 점도 상승 효과의 원인을 알아보기 위해 1800 s가 지난 후 비선형 유변물성을 측정하였다. 155 °C에서의 유변물성과는 다르게 200 °C의 유변물성에서는 박화(thinning)현상이 두 번 일어난 것(Payne effect)을 관찰하였다.
또한, LAOS(Large Amplitude Oscillatory Shear, 진폭이 큰 진동유동) 측정방법을 이용하여 진동수를 고정한 상태에서 비선형 유변물성을 진폭에 대해 측정하였다. 그리고 시간에 따른 유변물성의 변화를 다양한 온도(155, 170, 185, 및 200 ℃)에서 측정하였다.
SAOS(Small Amplitude Oscillatory Shear, 진폭이 작은 진동유동) 측정방법을 이용하여 저장 탄성률(storage modulus, Gᐟ), 손실 탄성률 (loss modulus, Gᐥ)과 복소 점도(complex viscosity, η*)을 진동수에 대해 측정하였다. 또한, LAOS(Large Amplitude Oscillatory Shear, 진폭이 큰 진동유동) 측정방법을 이용하여 진동수를 고정한 상태에서 비선형 유변물성을 진폭에 대해 측정하였다. 그리고 시간에 따른 유변물성의 변화를 다양한 온도(155, 170, 185, 및 200 ℃)에서 측정하였다.
또한 200 ℃에서의 저장 탄성률과 손실 탄성률은 진폭이 커지면서 전단박화(strain thinning)가 두 번 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 좀더 자세히 확인하기 위해서 LAOS에서 유용하게 사용되는 비선형도(Q)를 살펴보았다(Figure 7(c)). 비선형도, Q는 LAOS 유동하에서 응력곡선이 얼마나 변형되었는지를 나타내주는 변수이다.
대상 데이터
MIF 공정에 적합한 고분자 기재를 선정하기 위해 본 연구에서는 두 가지의 상업용 SB공중합체(styrene butadiene block- copolymer)인 SBC(Styrene-Butadiene Copolymers, Chevron Phillips Chemical Company)와 SBS(Styrene-Butadiene-Styrene block- copolymer, Kumho petrochemical)를 선택하였다(Table 1). 본 연구에서 사용한 K-resin SBC는 스티렌 함량이 70% 수준이므로 공중합체보다는 수지류로 분류되고 있으며, 폴리스티렌 상이 연속 상으로 존재하고 폴리부타디엔 상이 그 내부에 충진제(filler)와 같이 분포하게 되는 형태를 취하게 된다.
유변물성은 상업용 회전형 레오미터인 ARES-G2(TA Instruments, USA)를 이용하여 측정하였다. 이를 위해 Hot press를 이용하여 200 ℃에서 20 MPa의 압력을 주어 원형 디스크(지름 = 25 mm, 두께 = 1 mm) 형태의 시편을 제조하였다. SAOS(Small Amplitude Oscillatory Shear, 진폭이 작은 진동유동) 측정방법을 이용하여 저장 탄성률(storage modulus, Gᐟ), 손실 탄성률 (loss modulus, Gᐥ)과 복소 점도(complex viscosity, η*)을 진동수에 대해 측정하였다.
이론/모형
유변물성은 상업용 회전형 레오미터인 ARES-G2(TA Instruments, USA)를 이용하여 측정하였다. 이를 위해 Hot press를 이용하여 200 ℃에서 20 MPa의 압력을 주어 원형 디스크(지름 = 25 mm, 두께 = 1 mm) 형태의 시편을 제조하였다.
본 연구에서는 신발용 창을 제작하는 데 사용되는 다양한 상업용 고분자 기재에 대해 유변학적(또는 기계적) 물성에 대해서 살펴보았다. 이를 측정하기 위해 동적 진동유동(dynamic os- cillatory shear flow) 측정방법을 이용하였다. 또한 새롭게 연구되는 MIF공법의 공정조건은 다양한 온도와 시간에서 결정되므로, 온도와 시간의 변화에 따른 고분자 재료의 유변물성을 같이 살펴보고 이를 통해 MIF공법에 적합한 고분자 기재에 대해 살펴보았다.
특히 155 ℃에서는 시간에 따른 경화반응이 관찰 되지 않았고, 200℃에서는 시간에 따른 경화반응이 관찰 되었기 때문에 내부에서의 구조적 변화가 있을 것으로 추정된다. 이를 확인하기 위해서 LAOS 측정방법을 이용하였다. 고분자의 내부구조는 LAOS 유동 하에서 보다 더 민감하게 반응한다는 것이 잘 알려져 있다.
성능/효과
특히 SBS KTR 301의 경우 30분 경과 후에는 유변물성이 초기보다 2배 가까이 커지는 현상이 발견되었다. 따라서 MIF 공정에 사용하기에 적합한 물질은 SBS이고 특히KTR 301이 KTR 101보다 더 적합하다는 것을 확인 할 수 있었다.
Figure 7(a)에서 보면 오히려 200 ℃의 저장 탄성률이 155 ℃에서 보다 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 200 ℃에서의 저장 탄성률과 손실 탄성률은 진폭이 커지면서 전단박화(strain thinning)가 두 번 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 좀더 자세히 확인하기 위해서 LAOS에서 유용하게 사용되는 비선형도(Q)를 살펴보았다(Figure 7(c)).
본 연구에서 사용한 두 가지 Grade인 SBS KTR 101과 SBS KTR 301 중에서 특히 KTR 301의 경우 200 ℃에서 시간이 30분 경과한 후의 유변물성이 150 ℃에서의 유변물성보다 훨씬 크게 나타나기 때문에 MIF 공정에 아주 적합한 고분자 기재라고 할 수 있다. 시간에 따라 일어나는 경화현상을 좀 더 자세히 살펴보기 위해서 표준화된 복소 점도(Normalized η*(t) = η*(t) / η*(0), t = 시간, 0 s - 1800 s)를 다양한 온도 (155, 170, 185, 및 200 ℃)에서 시간에 대해 Figure 5에 도시하였다.
마찬가지로 수지로 분류되는 SBC K-Resin 역시 시간에 따른 변화가 관찰되지 않았다. 하지만 본 연구에서 사용한 열가소성 엘라스토머(TPE)인 SBS의 경우 온도에 따라서, 그리고 시간이 지나면서 유변물성이 변하는 것이 관찰되었다. Figure 2에서는 SBS KTR 101을 진동수 1 rad/s, 진폭 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신발용 창 발포체의 구조적 특징은 무엇인가?
신발용 창 (sole)은 신발 완제품에 경량성 및 탄성을 부여하기 위하여 발포체(foam)로 제조된다.1 이러한 발포체는 고분자 또는 고무 기재(polymer or elastomer matrix)에 무수히 많은 기체로 충전된 단위 셀(cell)이 분산되어 있는 구조를 가지며, 셀의 외부는 셀벽(cell wall)으로 둘러싸여 있고, 셀벽은 고분자 소재가 주재를 이루고 있다.2 발포체를 기반으로 제조되는 안창, 중창 및 유니솔(unisole)과 같은 발포창(foaming sole)은 압축(compression molding) .
신발은 어떻게 분류되는가?
신발은 크게 갑피(upper)와 창(sole)으로 분류될 수 있으며, 신발용 창(sole)은 다시 밑창(outsole), 중창(midsole), 안창(insole) 등의 부품으로 구분된다. 각 부품은 각각의 다른 제조공정을 통해 제조된 후 접착제에 의해 조립된다.
신발은 어떻게 조립되는가?
신발은 크게 갑피(upper)와 창(sole)으로 분류될 수 있으며, 신발용 창(sole)은 다시 밑창(outsole), 중창(midsole), 안창(insole) 등의 부품으로 구분된다. 각 부품은 각각의 다른 제조공정을 통해 제조된 후 접착제에 의해 조립된다. 신발용 창 (sole)은 신발 완제품에 경량성 및 탄성을 부여하기 위하여 발포체(foam)로 제조된다.
참고문헌 (12)
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