[국내논문]상용화제의 첨가에 따른 재생 폴리프로필렌/폐타이어 분말 복합체의 기계적 특성 분석 Effect of Compatibilizers on the Mechanical Properties of Waste Polypropylene/Waste Ground Rubber Tire Composites원문보기
본 연구에서는 이축 스크류식 치합형 압출기를 이용하여 재생 폴리프로필렌/폐타이어 분말 복합체를 제조하였다. 세 가지 주요 실험 변수 즉 폐타이어 분말 함량, 폐타이어 분말 크기, 상용화제의 종류 및 함량이 재생 폴리프로필렌/폐타이어 분말 복합체의 물성에 미치는 영향을 자세히 관찰하였다. 폐타이어 분말의 함량이 증가 할수록 인장강도는 감소하였으며 신장률과 충격강도는 증가하는 것이 관찰되었다. 또한 폐타이어 분말의 크기가 작아질수록 인장강도 및 신장률, 충격강도는 증가하였다. PP-g-MA를 첨가 하였을 시 복합체의 인장강도는 증가하였지만 신장률과 충격강도는 감소하였다. 반면에, 상용화제 EPDM-g-MA, SEBS-g-MA의 경우에는 복합체의 인장강도, 충격강도가 증가하였고 신장률은 PP-g-MA와 비교했을 때 매우 큰 폭으로 증가하는 것이 관찰되었다.
본 연구에서는 이축 스크류식 치합형 압출기를 이용하여 재생 폴리프로필렌/폐타이어 분말 복합체를 제조하였다. 세 가지 주요 실험 변수 즉 폐타이어 분말 함량, 폐타이어 분말 크기, 상용화제의 종류 및 함량이 재생 폴리프로필렌/폐타이어 분말 복합체의 물성에 미치는 영향을 자세히 관찰하였다. 폐타이어 분말의 함량이 증가 할수록 인장강도는 감소하였으며 신장률과 충격강도는 증가하는 것이 관찰되었다. 또한 폐타이어 분말의 크기가 작아질수록 인장강도 및 신장률, 충격강도는 증가하였다. PP-g-MA를 첨가 하였을 시 복합체의 인장강도는 증가하였지만 신장률과 충격강도는 감소하였다. 반면에, 상용화제 EPDM-g-MA, SEBS-g-MA의 경우에는 복합체의 인장강도, 충격강도가 증가하였고 신장률은 PP-g-MA와 비교했을 때 매우 큰 폭으로 증가하는 것이 관찰되었다.
In this study, waste polypropylene and waste ground rubber tire(WGRT) composites were prepared by using a modular intermeshing co-rotating twin screw extruder. The effect of three main factors such as WGRT contents, particle size, compatibilizers on the properties of waste PP/WGRT composites was ext...
In this study, waste polypropylene and waste ground rubber tire(WGRT) composites were prepared by using a modular intermeshing co-rotating twin screw extruder. The effect of three main factors such as WGRT contents, particle size, compatibilizers on the properties of waste PP/WGRT composites was extensively investigated. Tensile strength of the composites was decreased with an increase in WGRT contents, whereas elongation at break and impact strength were increased. The tensile strength, elongation at break and impact strength of the composites with the smaller size of the WGRT were more enhanced. Addition of PP-g-MA into waste PP/WGRT composites exhibited better tensile strength. However, elongation at break and impact strength were slightly decreased with increasing of PP-g-MA. On the other hand, tensile strength, impact strength and elongation at break of the composites were increased by adding the EPDM-g-MA and SEBS-g-MA. Especially, elongation at break was significantly increased compared to the composite with PP-g-MA.
In this study, waste polypropylene and waste ground rubber tire(WGRT) composites were prepared by using a modular intermeshing co-rotating twin screw extruder. The effect of three main factors such as WGRT contents, particle size, compatibilizers on the properties of waste PP/WGRT composites was extensively investigated. Tensile strength of the composites was decreased with an increase in WGRT contents, whereas elongation at break and impact strength were increased. The tensile strength, elongation at break and impact strength of the composites with the smaller size of the WGRT were more enhanced. Addition of PP-g-MA into waste PP/WGRT composites exhibited better tensile strength. However, elongation at break and impact strength were slightly decreased with increasing of PP-g-MA. On the other hand, tensile strength, impact strength and elongation at break of the composites were increased by adding the EPDM-g-MA and SEBS-g-MA. Especially, elongation at break was significantly increased compared to the composite with PP-g-MA.
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문제 정의
13) 경도는 폐타이어 분말 함량이 증가 할수록 경도는 약간의 상승하는 효과를 보였다. 본 연구에서는 우수한 신장률의 복합체를 얻기 위해 재생 PP/폐타이어 분말 복합체의 함량비를 30 : 70 wt%로 설정하여 폐타이어 분말 입자 크기에 따른 복합체의 특성을 알아보았다.
본 연구에서는 폐타이어 분말을 70 wt%까지 첨가하여 복합체를 제조하는 기술을 확립하고 도로 안전용품, 건축자재, 자동차 등에 응용 될 수 있도록 재생 PP/ WGRT 복합체의 신장률 향상에 목적이 있다. 먼저, 폐타이어 분말의 함량 및 폐타이어 분말의 크기에 따른 기계적 특성 실험을 진행하고 신장률이 가장 우수한 조건을 설정하였다.
제안 방법
재생 PP/폐타이어 분말 복합체의 최적 함량을 알아보기 위하여 Table 1의 (a)와 같은 90 : 10/70 : 30/50 : 50/30 : 70 wt%의 함량비로 제조하였다. 또한 Table 1의 (b) 에서와 같이 폐타이어 분말의 사이즈 40, 80, 140 mesh에 따른 물성의 변화를 관찰하였으며, 최적의 폐타이어 분말 함량 및 크기를 설정한 뒤 세 가지의 상용화제 PP-g-MA, EPDM-g-MA, SEBS-g-MA의 함량을 5, 10, 15, 20 phr로 변화하여 복합체를 제조하였다. 상용화제 PP-g-MA, EPDM-g-MA, SEBS-g-MA의 함량조건은 Table 2에 나타내었다.
165 mm가 되도록 notch를 제작한 후에 notched Izod impact test를 실시하였다. 각 시편별 10회씩 측정하여 평균값을 도출하였다. 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM 6380)을 이용하여 제조된 복합체 시편의 파단면을 관찰하기 위해 인장시험 후 파단면을 gold sputtering시킨 후 형태학적으로 관찰하였다.
경도는 입자 크기에 따라서 큰 영향을 미치지 못하였으며 91 ~ 92로 비슷한 경향을 보였다. 따라서, 폐타이어 분말 크기는 인장강도, 신장률, 충격강도가 가장 우수한 140mesh로 설정하여 상용화제의 종류 및 함량에 따른 복합체의 특성을 알아보았다.
만능시험기(UTM, Instron 4467)를 이용하여 ASTM D638 규격에 따라 시편의 인장강도를 측정하였으며 50 kN의 load cell로 crosshead speed는 50 mm/min로 설정하였다. 충격시험기(Tinius Olsen, Model 892)를 이용하여 ASTM D256규격에 따라 시편 중앙부위의 두께가 10.
본 연구에서는 폐타이어 분말을 70 wt%까지 첨가하여 복합체를 제조하는 기술을 확립하고 도로 안전용품, 건축자재, 자동차 등에 응용 될 수 있도록 재생 PP/ WGRT 복합체의 신장률 향상에 목적이 있다. 먼저, 폐타이어 분말의 함량 및 폐타이어 분말의 크기에 따른 기계적 특성 실험을 진행하고 신장률이 가장 우수한 조건을 설정하였다. 폐타이어 분말과 재생 PP 사이의 계면 결합력을 향상시키기 위하여 상용화제 PP-g-MA, SEBS-g-MA, EPDM-g-MA를 5, 10, 15, 20 phr로 첨가하여 인장강도, 신장률, 경도, 충격강도와 같은 기계적 물성을 확인하고 FE-SEM을 통하여 시편의 파단면을 관찰하여 계면결합력을 확인하였다.
재생 PP/폐타이어 분말 복합체는 Modular intermeshing co-rotating twin screw extruder (Ø30)를 이용하여 제조하였으며, 분산 향상 및 mixing 최적화를 위해 Fig. 1과 같이 3-kneading block screw configuration 을 사용하였다.
각 시편별 10회씩 측정하여 평균값을 도출하였다. 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM 6380)을 이용하여 제조된 복합체 시편의 파단면을 관찰하기 위해 인장시험 후 파단면을 gold sputtering시킨 후 형태학적으로 관찰하였다.
만능시험기(UTM, Instron 4467)를 이용하여 ASTM D638 규격에 따라 시편의 인장강도를 측정하였으며 50 kN의 load cell로 crosshead speed는 50 mm/min로 설정하였다. 충격시험기(Tinius Olsen, Model 892)를 이용하여 ASTM D256규격에 따라 시편 중앙부위의 두께가 10.165 mm가 되도록 notch를 제작한 후에 notched Izod impact test를 실시하였다. 각 시편별 10회씩 측정하여 평균값을 도출하였다.
먼저, 폐타이어 분말의 함량 및 폐타이어 분말의 크기에 따른 기계적 특성 실험을 진행하고 신장률이 가장 우수한 조건을 설정하였다. 폐타이어 분말과 재생 PP 사이의 계면 결합력을 향상시키기 위하여 상용화제 PP-g-MA, SEBS-g-MA, EPDM-g-MA를 5, 10, 15, 20 phr로 첨가하여 인장강도, 신장률, 경도, 충격강도와 같은 기계적 물성을 확인하고 FE-SEM을 통하여 시편의 파단면을 관찰하여 계면결합력을 확인하였다.
폐타이어 분말의 함량, 크기에 대한 실험을 바탕으로 재생 PP/WGRT(140mesh) 30 : 70 wt%로 재생 PP와 폐타이어 분말 사이의 계면결합력을 개선하기 위해 PPg-MA, SEBS-g-MA, EPDM-g-MA를 함량 조건 5, 10, 15, 20 phr로 실험을 진행하였다. PPg-MA, SEBSg-MA, EDPM-gMA를 상용화제로 선정한 이유는 상용화제의 maleic anhydride(MA)와 폐타이어 분말 내에 첨가된 carbon black의 -OH기와의 결합을 통하여 재생 PP와 폐타이어 분말 사이에 계면결합력을 향상할 것이라고 예상되기 때문이다.
대상 데이터
사출조건은 hopper에서 nozzle까지 160 -190℃로 설정하였으며, 금형은 상온으로 유지하였고, 냉각시간은 25초로 설정하였다. ASTM D638 및 D256 규격에 따라 금형을 이용하여 각각 인장강도와 충격강도 시험용 시편을 제조하였다.
본 실험에서는 복합체 제조를 위하여 고분자 매트릭스는 유화실업의 White 색상의 재생 PP를 사용하였으며, 폐타이어 분말은 Lehigh Technologies에서 40, 80, 140mesh을 크기 별로 구매하여 사용하였다. 상용화제 PP-g-MA는 호남석유화학의 CM-1120H제품을 사용하였으며, SEBS-g-MA는 Kraton사의 FG-1901, EPDM-gMA는 금호폴리켐 KEPA 1150 제품을 사용하였다.
본 실험에서는 복합체 제조를 위하여 고분자 매트릭스는 유화실업의 White 색상의 재생 PP를 사용하였으며, 폐타이어 분말은 Lehigh Technologies에서 40, 80, 140mesh을 크기 별로 구매하여 사용하였다. 상용화제 PP-g-MA는 호남석유화학의 CM-1120H제품을 사용하였으며, SEBS-g-MA는 Kraton사의 FG-1901, EPDM-gMA는 금호폴리켐 KEPA 1150 제품을 사용하였다. 재생 PP/폐타이어 분말 복합체는 Modular intermeshing co-rotating twin screw extruder (Ø30)를 이용하여 제조하였으며, 분산 향상 및 mixing 최적화를 위해 Fig.
또한 폐타이어 함량이 증가할수록 충격강도가 증가하는 것이 관찰 되었으며, 이는 복합체에 가해지는 충격이 복합체의 고무상으로 전달이 일어나게 되고 고무상이 에너지를 흡수함으로서 충격 저항성이 커지기 때문이다.13) 경도는 폐타이어 분말 함량이 증가 할수록 경도는 약간의 상승하는 효과를 보였다. 본 연구에서는 우수한 신장률의 복합체를 얻기 위해 재생 PP/폐타이어 분말 복합체의 함량비를 30 : 70 wt%로 설정하여 폐타이어 분말 입자 크기에 따른 복합체의 특성을 알아보았다.
1) 환경문제의 해결과 경제적 측면을 충족시킬 기술로 가장 효율적인 방법 중 하나는 폐타이어를 분쇄 및 미분화하여 재활용하는 방법이다.2) 폐타이어 분쇄 및 미분화는 폐타이어에서 비드와이어를 물리적으로 제거 한 후, 폐타이어 고무분말을 기계적 파쇄 법으로 파쇄기와 미분쇄기를 통해 파쇄 과정과 분쇄 과정을 거쳐 얻어진다. 그 외 섬유질이나 철 스크랩은 자기력 매트와 집진기를 통해 제거한다.
PP-gMA의 함량이 증가할수록 185%에서 134%로 점차 감소하는 경향을 보였지만 PP-g-MA를 첨가하지 않은 재생 PP/폐타이어 분말 복합체에 비해 전체적으로 신장률이 5 ~ 50%이상 높게 나타났다. Fig. 8에서와 같이 충격강도 또한 PP-g-MA의 함량이 증가 할수록 61 kJ/m2에서 34 kJ/m2로 감소하는 경향을 보였다. 또한 경도는 94로 PP-g-MA의 함량에 따라서 큰 변화를 보이지 않았다(Fig.
SEBS-gMA 의 함량이 증가 할수록 인장강도 및 신장률 또한 증가하였으며, SEBS-g-MA 20phr에서 신장률 272%로 PP-g-MA, EPDM-g-MA이 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체와 비교하였을 때 신장률이 가장 우수한 값을 나타내었다. Fig. 8에서와 같이 충격강도는 SEBS-g-MA의 함량이 증가 할수록 52 kJ/m2에서 67 kJ/m2로 증가하였으며 SEBS-g-MA 20 phr이 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체가 다른 PP-g-MA, EPDM-g-MA가 첨가된 복합체에 비해 높은 충격강도 값을 나타내었다. Fig.
5에서는 EPDM-g-MA의 함량에 따른 인장강도와 신장률을 나타내었다. PP-g-MA가 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체의 경우와 달리 EPDM-g-MA이 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체가 전체적으로 높은 신장률을 보였다. 또한 EPDM-g-MA의 함량이 증가 할수록 인장강도와 신장률은 향상되는 경향을 보였으며, EPDM-g-MA가 20 phr이 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체의 인장강도가 8.
2는 재생 PP/WGRT 복합체에 PP-g-MA를 5, 10, 15, 20 phr을 첨가하였을 때 인장강도를 나타내었다. PP-g-MA의 함량이 증가 할수록 인장강도는 9.6, 11.3, 12, 12.7 MPa로 증가하는 경향을 보였으며, PP-g-MA 20 phr이 첨가 되었을 때 12.7 MPa로 가장 높은 인장강도를 나타내었다. PP-g-MA의 함량에 따른 재생 PP/ WGRT 복합체의 신장률은 Fig.
3에 나타내었다. PP-gMA의 함량이 증가할수록 185%에서 134%로 점차 감소하는 경향을 보였지만 PP-g-MA를 첨가하지 않은 재생 PP/폐타이어 분말 복합체에 비해 전체적으로 신장률이 5 ~ 50%이상 높게 나타났다. Fig.
7에서는 SEBS-gMA의 함량에 따른 인장강도 및 신장률을 나타내었다. SEBS-gMA 의 함량이 증가 할수록 인장강도 및 신장률 또한 증가하였으며, SEBS-g-MA 20phr에서 신장률 272%로 PP-g-MA, EPDM-g-MA이 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체와 비교하였을 때 신장률이 가장 우수한 값을 나타내었다. Fig.
10에 나타내었다. 동일한 폐타이어 분말 입자 (40 mesh)에서 함량 10, 30, 50, 70 wt% 첨가한 복합체에서 파단면의 형태를 관찰한 결과, 폐타이어 분말의 함량 증가에 따라 거친 파단면을 보이게 되고 파단면은 재생 PP와 폐타이어 분말의 계면에서 일어나는 것으로 보인다. 이는 SEM 이미지 통해 재생 PP와 폐타이어 분말 사이에 큰 기공이 형성되어 계면 사이가 약화됨을 알수 있다.
PP-g-MA가 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체의 경우와 달리 EPDM-g-MA이 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체가 전체적으로 높은 신장률을 보였다. 또한 EPDM-g-MA의 함량이 증가 할수록 인장강도와 신장률은 향상되는 경향을 보였으며, EPDM-g-MA가 20 phr이 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체의 인장강도가 8.6 MPa, 신장률이 240%로 가장 우수한 물성을 나타내었다. Fig.
폐타이어 분말의 함량, 크기에 대한 실험을 바탕으로 재생 PP/ WGRT(140mesh) 30 : 70wt%로 상용화제가 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체는 PP-g-MA의 함량이 증가 할수록 인장강도는 증가하였으며, 신장률 및 충격강도는 감소하였고, EPDM-g-MA가 첨가된 복합체는 인장강도, 신장률, 충격강도는 모두 증가하였다. 또한 SEBS-g-MA가 첨가된 복합체는 다른 상용화제가 첨가된 복합체에 비해 가장 우수한 신장률을 나타났으며, 인장강도, 신장률, 충격강도 모두 증가하였다.
3 MPa, 신장률은 130%로 입자 크기가 작은 것이 큰 것보다 더 높은 인장강도와 신장률을 보이고 있는 데, 이는 폐타이어 분말 입자가 작아짐에 따라 단위 부피당 표면적이 넓어져 재생 PP와 폐타이어 분말간의 계면결합력이 증가하였기 때문이다. 또한 충격강도는 폐타이어 분말 크기가 가장 작은 140 mesh를 첨가한 복합체가 42 kJ/m2으로 가장 우수한 값을 나타내었다. 이는 재생 PP와 폐타이어 분말과의 계면결합력에 의해서 충격강도가 영향을 받게 되는데, 계면 접착력이 클수록 충격에너지의 전달이 상승 하게 되므로 충격강도는 증가하게 된다.
11에 나타내었다. 복합체 파단면에서 폐타이어 분말 입자 크기가 작을수록 재생 PP와 폐타이어 분말 사이의 표면적이 넓어져 우수한 계면 결합력이 향상됨이 관찰되었다. PP-g-MA, EPDM-g-MA, SEBS-g-MA의 20 phr을 첨가한 시편의 파단면을 Fig.
12에 나타내었다. 시편의 파단면을 관찰한 결과 상용화제가 첨가되면 계면 사이에 기공이 형성되지 않고 폐타이어 분말과 재생 PP사이에 계면결합력을 향상시켜주어 인장 및 신장률이 증가한 것으로 사료된다.
9). 신장률과 인장강도의 결과를 보았을 때 PP-g-MA가 재생 PP와 폐타이어 분말간의 계면결합력을 향상시켜 주었으며, PP-g-MA 5 phr 첨가 시에 신장률은 185%로 PP-g-MA를 첨가하지 않은 재생 PP/ WGRT 복합체에 비해 높은 신장률을 나타내었다.
폐타이어 분말 크기 40 mesh를 10, 30, 50, 70 wt%로 첨가 하였을 시 인장강도 및 신장률, 충격강도를 Table 1의 (a)에 나타내었다. 재생 PP/WGRT 복합체에서 폐타이어 분말 함량이 증가할수록 인장강도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 폐타이어 분말 함량이 증가 되면 재생 PP와 폐타이어 분말 사이의 계면결합력이 약해져 두 성분 간의 상분리가 일어나고 많은 기공을 갖게 되기 때문에 인장강도가 감소하는 경향이 나타난 것이라고 사료된다.
폐타이어 분말의 함량이 증가할수록 재생 PP/WGRT 복합체의 인장강도는 감소하였으며, 신장률 및 충격강도는 향상되는 경향을 나타내었다. 폐타이어 분말의 크기가 작을수록 재생 PP/WGRT 복합체의 인장강도, 신장률, 충격강도는 모두 증가 하였다. 폐타이어 분말의 함량, 크기에 대한 실험을 바탕으로 재생 PP/ WGRT(140mesh) 30 : 70wt%로 상용화제가 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체는 PP-g-MA의 함량이 증가 할수록 인장강도는 증가하였으며, 신장률 및 충격강도는 감소하였고, EPDM-g-MA가 첨가된 복합체는 인장강도, 신장률, 충격강도는 모두 증가하였다.
폐타이어 분말의 크기가 작을수록 재생 PP/WGRT 복합체의 인장강도, 신장률, 충격강도는 모두 증가 하였다. 폐타이어 분말의 함량, 크기에 대한 실험을 바탕으로 재생 PP/ WGRT(140mesh) 30 : 70wt%로 상용화제가 첨가된 재생 PP/WGRT 복합체는 PP-g-MA의 함량이 증가 할수록 인장강도는 증가하였으며, 신장률 및 충격강도는 감소하였고, EPDM-g-MA가 첨가된 복합체는 인장강도, 신장률, 충격강도는 모두 증가하였다. 또한 SEBS-g-MA가 첨가된 복합체는 다른 상용화제가 첨가된 복합체에 비해 가장 우수한 신장률을 나타났으며, 인장강도, 신장률, 충격강도 모두 증가하였다.
폐타이어 분말의 함량이 증가할수록 재생 PP/WGRT 복합체의 인장강도는 감소하였으며, 신장률 및 충격강도는 향상되는 경향을 나타내었다. 폐타이어 분말의 크기가 작을수록 재생 PP/WGRT 복합체의 인장강도, 신장률, 충격강도는 모두 증가 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TPV는 어떻게 제조되는가?
TPV는 열가소성 탄성체로 polypropylene과 Ethylenepropylene-diene-monomer(EPDM)을 dynamic vulcanization하여 제조된다. 낮은 비중, 우수한 내약품성과 내열성, 우수한 인열강도와 특히, 높은 신장률을 가지고 있으며 재활용이 가능하다는 장점을 가지고 있어 자동차, 건축, 전기 기기, 스포츠 용품 등에 많이 사용되고 있다.
TPV의 장점은?
TPV는 열가소성 탄성체로 polypropylene과 Ethylenepropylene-diene-monomer(EPDM)을 dynamic vulcanization하여 제조된다. 낮은 비중, 우수한 내약품성과 내열성, 우수한 인열강도와 특히, 높은 신장률을 가지고 있으며 재활용이 가능하다는 장점을 가지고 있어 자동차, 건축, 전기 기기, 스포츠 용품 등에 많이 사용되고 있다.3)
폐타이어 분쇄 및 미분화는 어떤 과정을 거쳐 얻어지는가?
1) 환경문제의 해결과 경제적 측면을 충족시킬 기술로 가장 효율적인 방법 중 하나는 폐타이어를 분쇄 및 미분화하여 재활용하는 방법이다.2) 폐타이어 분쇄 및 미분화는 폐타이어에서 비드와이어를 물리적으로 제거 한 후, 폐타이어 고무분말을 기계적 파쇄 법으로 파쇄기와 미분쇄기를 통해 파쇄 과정과 분쇄 과정을 거쳐 얻어진다. 그 외 섬유질이나 철 스크랩은 자기력 매트와 집진기를 통해 제거한다.
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