할로겐계 난연제의 환경적 문제로 인한 규제가 강화되면서 비할로겐타입의 인계화합물을 기초로 한 난연제의 비중이 높아지고 있으며, 기능성 film 제조에 있어 난연 효과를 보이는 적인 첨가에 따라 수지의 물성 및 열적 특성이 확연히 달라진다. 난연 효과를 높이고자 난연제 과량 첨가시 수지의 물성은 크게 저하되며, 수축 또는 방청 등 기능성 film에 적용되기 어렵다. 본 연구에서는 적인MB의 함유량에 따른 LDPE film을 blow 타입의 사출공청을 통해 제조하였고, 이에 대한 난연성 시험과 인열 강도 및 수축률, 방청성 평가를 통해 적인-LDPE film의 기계적 특성 및 물성특성에 미치는 영향력과 함유량에 따른 적인난연 film의 특성연구를 그 목적으로 하였다. 난연성의 경우 VTM 0를 보였으며, 인열 강도의 경우 MD 및 TD의 경향성이 상반되는 것을 알 수 있었다. 수축률의 경우 함유량에 따른 특성은 보이지 않았으며, 방청성의 경우 국내 방청 수축 필름 신뢰성 규격의 기준인 0.05 % 보다 우수한 결과를 보였다.
할로겐계 난연제의 환경적 문제로 인한 규제가 강화되면서 비할로겐타입의 인계화합물을 기초로 한 난연제의 비중이 높아지고 있으며, 기능성 film 제조에 있어 난연 효과를 보이는 적인 첨가에 따라 수지의 물성 및 열적 특성이 확연히 달라진다. 난연 효과를 높이고자 난연제 과량 첨가시 수지의 물성은 크게 저하되며, 수축 또는 방청 등 기능성 film에 적용되기 어렵다. 본 연구에서는 적인MB의 함유량에 따른 LDPE film을 blow 타입의 사출공청을 통해 제조하였고, 이에 대한 난연성 시험과 인열 강도 및 수축률, 방청성 평가를 통해 적인-LDPE film의 기계적 특성 및 물성특성에 미치는 영향력과 함유량에 따른 적인난연 film의 특성연구를 그 목적으로 하였다. 난연성의 경우 VTM 0를 보였으며, 인열 강도의 경우 MD 및 TD의 경향성이 상반되는 것을 알 수 있었다. 수축률의 경우 함유량에 따른 특성은 보이지 않았으며, 방청성의 경우 국내 방청 수축 필름 신뢰성 규격의 기준인 0.05 % 보다 우수한 결과를 보였다.
Due to tightened environmental regulations on halogen type flame retardants, the portions of those based on phosphorous compounds that are non-halogen type is rising. When producing functional film, the physical and thermal properties become distinctly different depending on the amount of Red-phosph...
Due to tightened environmental regulations on halogen type flame retardants, the portions of those based on phosphorous compounds that are non-halogen type is rising. When producing functional film, the physical and thermal properties become distinctly different depending on the amount of Red-phosphorus(RP) addition which causes flame resistance. The physical properties of resin fall in big scale when too much flame retardants are added, and it is hard to be applied to functional films such as shrink or anticorrosive film. The purpose of this research is to study the effects on mechanical, physical, and other properties of RP-LDPE films by changing the RP-MB contents. The LDPE film used for this study was produced through blow-type injection molding. The flame resistance was VTM-0, and the tear resistance showed inverse trends of MD and TD. Contraction percentage showed no relationship with the amount of RP content, but the anti-corrosive property showed 0.05 % better result than the national anti-corrosion shrink film reliability standard.
Due to tightened environmental regulations on halogen type flame retardants, the portions of those based on phosphorous compounds that are non-halogen type is rising. When producing functional film, the physical and thermal properties become distinctly different depending on the amount of Red-phosphorus(RP) addition which causes flame resistance. The physical properties of resin fall in big scale when too much flame retardants are added, and it is hard to be applied to functional films such as shrink or anticorrosive film. The purpose of this research is to study the effects on mechanical, physical, and other properties of RP-LDPE films by changing the RP-MB contents. The LDPE film used for this study was produced through blow-type injection molding. The flame resistance was VTM-0, and the tear resistance showed inverse trends of MD and TD. Contraction percentage showed no relationship with the amount of RP content, but the anti-corrosive property showed 0.05 % better result than the national anti-corrosion shrink film reliability standard.
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문제 정의
본 연구에서는 LDPE 고분자 수지에 난연성을 가진 적인MB를 첨가제로 개질하여 적인MB함유량에 따른 난연성 및 제조필름의 인열 강도 및 수축률 등의 특성을 분석하는데 그 목적을 갖는다. 또한 중공업용 기능성 수축필름용 연구개발에 있어 제습, 방청 film 등의 물성특성에 영향을 미치지 않고 난연성 기능향상을 위한 기반에 그 목적이 될 것이다.
본 연구에서는 LDPE 고분자 수지에 난연성을 가진 적인MB를 첨가제로 개질하여 적인MB함유량에 따른 난연성 및 제조필름의 인열 강도 및 수축률 등의 특성을 분석하는데 그 목적을 갖는다. 또한 중공업용 기능성 수축필름용 연구개발에 있어 제습, 방청 film 등의 물성특성에 영향을 미치지 않고 난연성 기능향상을 위한 기반에 그 목적이 될 것이다.
제안 방법
적인 MB를 LDPE 수지에 대해 질량비를 달리하여 배합하였다. 5 kg을 기준으로 7.5, 10, 15, 20 wt%의 적인필름을 제조하였다. film 제조는 Fig.
적인 함유량에 따라 film의 MD/TD 방향의 인열 저항에 미치는 영향을 파악하기 위해 KS M ISO 6383-2의 엘멘도르프법[17]에 준하여 인열 강도 시험을 진행하였다. film의 하단 부를 고정하고 찢어질 때의 저항하는 강도를 측정하였다.
접촉 시험편의 밀봉은 sealing 장비를 이용하였다. 방청 시험용 시험편은 온․습도 사이클 환경에서 14일 동안 노출시켰으며, 시험 종료 후 금속 시험편은 에탄올 등을 이용하여 세척․건조 후, 표면을 Scion Image프로그램을 이용하여 부식 정도를 측정하였다.4.
본 연구 논문에서는 적인-LDPE 필름의 특성 평가를 위하여 정성 및 정량 분석을 실시하였고, 기계적 특성평가를 통해 신축율, 인열 강도, 난연성, 방청성에 대한 결과도출을 하였다.
6의 모식도와 같은 수직연소시험방법 (VTM; vertical burning test)에 의해 실시하였다. 수직 방향으로 위치한 시험편에 점화원이 가해질 때의 연소 거동을 상대적으로 비교하기 위한 평가방법으로 잔염 연소와 잔광 연소 시간을 측정함으로서 난연 등급을 평가하였다.
수축 필름의 방청 성능을 평가하기 위해서 온․습도 사이클 환경시험을 실시하였으며, 방청성 시료는 Fig.7과 같이 준비하여 진행하였다. 환경시험은 JEOTECH의 TH-6 모델의 장비를 사용하였다.
적인 MB를 LDPE 수지에 대해 질량비를 달리하여 배합하였다. 5 kg을 기준으로 7.
수축율 시험은 KS T 1043 : 수축 포장용 필름 표준[16]에 따라 시험하였다. 적인 film의 수축율을 평가하기 위해 글리세린 용액의 항온 욕조에 10초간 침지하여 측정하였다. 항온 욕조의 온도는 (130±1) ℃로 유지하였다.
제조된 적인-LDPE film의 주사 전자 현미경 (scanning electron microscope; SEM, S-3000H, Hitachi)을 통해 표면관찰을 실시하고 EDS (energy dispersive x-ray spectrometer) 성분 분석을 하였다.
대상 데이터
방청 성능 평가용 금속 시험편은 냉간압연강판(AISI 1010 steel)을 사용하였으며, 금속 시험편은 초음파 세척기, 아세톤, 메탄올 등을 이용하여 세척․건조 후 사용하였다. 접촉 시험편의 밀봉은 sealing 장비를 이용하였다.
본 연구에서 사용된 LDPE(low-density polyethylene) 수지는 롯데케미칼 LDF201FG 제품을 사용하였으며, 물성 및 특성은 Table 2와 같다.
2) mm를 기준으로 MD 및 TD 방향에 따라 각각 10개로 준비하였다. 시험장비는 Elmendorf tear tester를 이용하였다.
시험편 size는 (100±1) mm × (100±1) mm로 준비하였으며, 두께는 100 ㎛로 모두 동일하였다.
시험편 size는 칼날로 흠집을 내는 길이 (7.5 ± 0.5) mm, 수직 길이 (6.5 ± 0.2) mm를 기준으로 MD 및 TD 방향에 따라 각각 10개로 준비하였다.
시험편은 (200±5) mm × (50±2) mm로 제작을 하였으며, 두께는 100 ㎛로 모두 동일하며, 각각 시험편 5개를 준비하여 시험하였으며, 시험편은 상온 (23 ± 2) ℃, 상대 습도 (50 ± 5) %에서 48시간 이상 상태조절후 시험을 진행하였다.
적인MB는 안료분산 및 안정제 등 역할을 하는 첨가물질 Ca-st, LDPE-wax 등으로 배합한 적인 35%가 함유된 pallet형태의 적인MB를 사용하였고, LDPE 수지를 base로 하였다.
이론/모형
난연성 시험 결과는 KS M ISO 9773 규격 부속서 A에 대한 등급 지정 체계에 준하여 등급부여를 하였으며, 등급 지정표는 Table 4에 나타내었다. t1은 1차 잔염 연소 시간을, t2는 2차 잔염 연소 시간, tFS는 각 시험편에 대한 총 잔염 연소시간(t1+t2), t3은 2차 점화 후의 잔광 연소 시간을 나타내며, VTM 등급외의 시험결과(etc(a))는 KS M IEC 60695-11-10의 방법 A를 사용하여 등급을 부과하여야 한다.
환경시험은 JEOTECH의 TH-6 모델의 장비를 사용하였다. 방청 성능 평가는 국내 신뢰성 규격인 RS-KRICT-006 기화성 방청필름[19] 에 따라 수행하였고, 시험 조건은 Fig. 8과 같다.
사출을 통한 적인-LDPE film 제조시 적인이 graft 되었는지 확인하기 위해 적외선 분광법(fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR, NICOLET 6700)을 사용하였다.
수축율 시험은 KS T 1043 : 수축 포장용 필름 표준[16]에 따라 시험하였다. 적인 film의 수축율을 평가하기 위해 글리세린 용액의 항온 욕조에 10초간 침지하여 측정하였다.
적인 함유량에 따라 film의 MD/TD 방향의 인열 저항에 미치는 영향을 파악하기 위해 KS M ISO 6383-2의 엘멘도르프법[17]에 준하여 인열 강도 시험을 진행하였다. film의 하단 부를 고정하고 찢어질 때의 저항하는 강도를 측정하였다.
적인 함유량에 따른 난연성 평가는 KS M ISO 9773[18]에 따라 Fig. 6의 모식도와 같은 수직연소시험방법 (VTM; vertical burning test)에 의해 실시하였다. 수직 방향으로 위치한 시험편에 점화원이 가해질 때의 연소 거동을 상대적으로 비교하기 위한 평가방법으로 잔염 연소와 잔광 연소 시간을 측정함으로서 난연 등급을 평가하였다.
적인첨가에 따른 인열 강도의 균일성을 확인하기 위해 KS M ISO 6383-2의 방법에 준하여 인열 강도시험을 진행하였다. MD 및 TD 방향에 따른 인열 강도 시험 결과는 Fig.
7과 같이 준비하여 진행하였다. 환경시험은 JEOTECH의 TH-6 모델의 장비를 사용하였다. 방청 성능 평가는 국내 신뢰성 규격인 RS-KRICT-006 기화성 방청필름[19] 에 따라 수행하였고, 시험 조건은 Fig.
성능/효과
1.SEM-EDS를 통해 적인의 분포현상이 uniform하게 이루어짐을 알 수 있었고, film 제조시 배합한 적인의 함유량에 맞게 인의 성분이 분석됨을 확인하였다. 또한, FT-IR 분석을 통해 LDPE에 적인이 graft되었음을 확인하였다.
S1의 경우 2차 불꽃 접염 후 잔염시간 (t2)에서 #5번 시험편에서 1 초가 나타났으며, S2는 #2번 시험편에서 2초를, S4의 경우 #1 ~ 4 (각 1 초)에서 4초를 보였다. 125 mm 표시선 도달 여부 및 적하에 의한 솜의 착화는 모두 없는 것으로 나타났다. Table 4에 제시한 등급 지정표에 따라 적인 film 모두 VTM-0임을 알 수 있었다.
2.수축율의 경우 TD에 대해서는 10 ~ 12 %의 수축율을 보였으며, MD에 대해서는 약80 %의 수축율을 보였다. 이는 난연 효과를 기대할 수 있는 적인을 첨가함에 있어, 열가소성 LDPE의 수축에 대한 물성저하는 없는 것으로 판단하였다.
3.인열 강도 시험분석을 통해 MD가 TD보다 높게 측정되었으며, 함유량 증가에 따라 MD는 하향, TD는 상향하는 경향을 보였다. 적인첨가로 인해 TD 인열 강도의 물성은 감소하였고, MD 인열 강도의 물성은 적인MB함량 20 wt%에서 약 20%의 인열 강도감소를 보였다.
4.적인함량에 따른 LDPE film의 난연 시험평가 결과 모두 VTM-0임을 보였으며, 적인 2.5%의 낮은 함량에서도 난연 효과가 있음을 확인할 수 있었다.또한 적하에 의한 솜의 착화 및 표시선 125 mm에 대한 연소성은 없었다.
5.방청성능평가 결과 발청도 (부식 면적율)는 LDPE수지(발청도: 0.237 %)에 비해 적인MB 15wt%(발청도: 0.006 %)경우 약 2.5 %대의 방청성을 보였으며, 적인MB 20wt% 경우 발청도 0%로 국내 방청 수축 필름 신뢰성 규격의 기준인 0.05 % 보다 우수한 결과 값을 나타내었다.
MD 방향의 경우 TD 방향보다 높은 인열 저항을 보였으며, S4 경우를 제외하고 약 2배의 차이가 있는 것을 알 수 있었다. TD 방향의 data 경향은 적인함유량에 따라 약 100 mN의 증가함을 보였으며, 이는 각 함유량 평균값 대비 약 3 % 증가율을 보였다. MD 방향의 경우 적인함유량에 따라 감소함을 보였다.
적임함유량에 따라 각각 10번의 test를 평균한 값이다. film 생산시 MD (기계방향, 상향식 blow up일 경우 세로방향)의 수축률이 TD(기계 수직방향; 가로방향)보다 높게 측정되었다.
Ca의 경우 MB제조시 안료분산 및 안정제 역할을 위해 첨가된 Ca-st로 판단되어 진다. 또한 인의 분포가 uniform한 것을 알 수 있었다.
SEM-EDS를 통해 적인의 분포현상이 uniform하게 이루어짐을 알 수 있었고, film 제조시 배합한 적인의 함유량에 맞게 인의 성분이 분석됨을 확인하였다. 또한, FT-IR 분석을 통해 LDPE에 적인이 graft되었음을 확인하였다.
또한, 국내 기화성 방청 필름의 신뢰성 평가 규격인 RS-KRICT-006[19]의 발청도 기준인 0.05 %와 비교하여 매우 우수한 방청 성능을 보이는 것으로 확인되었다.
일반적 LDPE의 수축률은 30에서 80 %를 갖으며, 적인함유량에 따른 경향성은 보이지 않았으나 난연제로 인한 수축률 저하의 원인은 없는 것으로 판단되어진다. 응집분포는 수축률 저하에 영향을 미치지만, 본 연구에서 제조한 film의 경우 mixing 작업 및 압출하는 작업에서 인의 균일한 분포가 이루어짐으로서 수축률 저하의 원인을 배제하였다고 판단하였고, SEM 이미지 관찰을 통해서도 인의 균일 분포함을 확인할 수 있었다.
LDPE MD / TD에 대한 인열 강도는 약 6000 mN / 4000 mN이다. 적인 함량에 있어 TD의 경우 3100 ~ 3400 mN 대로 순수 LDPE 인열 강도보다 감소되는 것을 알 수 있었고, MD의 경우 적인 20 wt%인 경우에 1000 mN 정도 감소됨을 보였다.
인열 강도 시험분석을 통해 MD가 TD보다 높게 측정되었으며, 함유량 증가에 따라 MD는 하향, TD는 상향하는 경향을 보였다. 적인첨가로 인해 TD 인열 강도의 물성은 감소하였고, MD 인열 강도의 물성은 적인MB함량 20 wt%에서 약 20%의 인열 강도감소를 보였다.
적인함유량에 따라 이러한 경향을 보이는 것으로 보아 함유량이 높아짐에 따라 MD/TD 방향성에 대한 인열 저항성에 영향력을 미치는 것으로 판단되어지며, 일정 적인함유량 (약 10 % 이상)이 되면 film 방향성에 관계없이 거의 일정한 인열 저항성을 보일 것으로 판단되어 진다.
후속연구
할로겐계부터 인계, 질소계, 금속수산화물 무기계 난연제 등 다양한 난연제 개발이 이루어졌다. 그러나 난연성 부여에 의한 다량의 첨가는 수지의 열적 및 기계적 물성을 저하하는 문제가 발생됨으로 최적의 조건을 찾는 것이 난연제 연구의 주요 쟁점이 될 것이다.
기능성 수축필름, 난연 방청필름 등 고분자수지의 뒤틀림온도 향상과 난연성의 개선 등으로 화재에 대한 위험성 감소를 위한 합지 필름 및 플라스틱 연구개발에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 수지는 어떤 곳에 이용되는가?
고분자 수지는 가정용 생활용품, 산업용 파렛트, 용기및 부품 등 이용범위가 매우 넓으며, 특히 고분자 수지 필름 및 플라스틱은 제품포장, 운송 및 보관 시 금속제품의 부식방지 및 제습, 화재예방 등 다양한 특수목적의 제품개발이 지속적으로 개발되어지고 있다.
열에 취약한 원소원이 있는 유무기 고분자수지의 문제점은?
열에 취약한 원소원이 있는 유무기 고분자수지는 열에 의해 고분자사슬이 분해되어 가연성 가스를 발생시킨다. 분해물은 산소와 연쇄적 반응을 통해 다량의 smoke를 배출하고 높은 연소열을 발생시킨다[1]. 이러한 영향으로 화재 발생시 유독가스 등 위험성의 문제가 대두되고 있다. 환경적 문제 및 화재사고발생에 대한 고분자수지의 분해속도를 늦추고 열전달 경로 차단 등 여러 가지 연소제어방법을 찾기 위한 난연제 성능연구는 지속적인 관심의 대상이 되고 있다.
기능성 film 제조시 난연제를 과량 첨가하면 나타나는 문제점은?
할로겐계 난연제의 환경적 문제로 인한 규제가 강화되면서 비할로겐타입의 인계화합물을 기초로 한 난연제의 비중이 높아지고 있으며, 기능성 film 제조에 있어 난연 효과를 보이는 적인 첨가에 따라 수지의 물성 및 열적 특성이 확연히 달라진다. 난연 효과를 높이고자 난연제 과량 첨가시 수지의 물성은 크게 저하되며, 수축 또는 방청 등 기능성 film에 적용되기 어렵다. 본 연구에서는 적인MB의 함유량에 따른 LDPE film을 blow 타입의 사출공청을 통해 제조하였고, 이에 대한 난연성 시험과 인열 강도 및 수축률, 방청성 평가를 통해 적인-LDPE film의 기계적 특성 및 물성특성에 미치는 영향력과 함유량에 따른 적인난연 film의 특성연구를 그 목적으로 하였다.
참고문헌 (19)
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