[논문]나노클레이 첨가에 따른 할로겐프리 난연컴파운드의 기계적 특성에 관한 연구

황찬연; 양종석; 성백용; 김지연; 박대희

doi:10.4313/jkem.2015.28.2.126

나노클레이 첨가에 따른 할로겐프리 난연컴파운드의 기계적 특성에 관한 연구
A Study on Mechanical Properties Improvement of Halogen-free Flame Retardant Compounds by Nanoclay Addition 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.2, 2015년, pp.126 - 130

황찬연 (원광대학교 정보통신공학과) , 양종석 ((주)디와이엠) , 성백용 ((주)디와이엠) , 김지연 (원광대학교 정보통신공학과) , 박대희 (원광대학교 정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, some materials are organized and experimented with variables to obtain the optimum mix proportion for the mechanical property of halogen free flame resistance compound with varying addition of nano clay. Tensile strength, density and stiffness are tested in the room temperature. In this study, unlike existing layered structure, nano clay with tabular structure is used and sufficient stiffness, strength, thermal stability and gas block capability can be achieved with small amount of addition. Tensile strength and elongation test show high rupture strength only in specimens with compatibilizing agents while density test shows average measurement in all the specimens except T-9. It was confirmed that the measurement value according to the additives in compatibilizing agent or in nano clay of hardness test represents similarly.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

나노 클레이를 이용한 고분자 기반 나노복합체는 다른 무기입자에 비해 비교적 적은 양을 첨가하여 특성들을 고려해 나노클레이, 난연제, 상용화제 및 기타 첨가제의 최적 함량을 결정해야 한다. 따라서 본 논문에서는 친환경적인 재료인 나노클레이의 첨가에 따라 기계적 특성을 확인하였다.

제안 방법

각각의 시편들은 약 130℃의 오픈 롤[open roll]로 베이스폴리머를 먼저 용융 혼련시킨 후 각종 필러와 첨가제를 넣고 약 20분 동안 혼련한 후 170℃에서 5분간 200kg/cm²의 압력으로 프레싱하여 1 mm (일반 물성 측정용) 시트 형태로 제작하였다.
나노클레이 상용화제 및 베이스 수지 변화에 따라서 제작된 난연 컴파운드 아령형 시험편을 표 1의 조건 하에 인장강도 및 신장률(%)을 측정하여 물리적 특성변화를 알아보았다. 인장강도는 플라스틱의 많은 성능 중 가장 많이 측정되며 플라스틱 성능을 평가하는 규격에 포함되어있는 특성 중 다른 어떠한 특성도 인장강도와 같이 널리 사용되는 것은 없다.
본 실험에 사용된 시편들은 점탄성을 가지는 난연컴파운드의 재료로서 일정 하중에 의해 어느 지점까지 직선적으로 강도를 발휘하는 탄성영역과 이 영역을 벗어난 후 강도와 함께 신장률이 급격하게 증가하는 점성영역이 동시에 나타난다 [7]. 인장강도는 크게 항복점에서의 인장강도와 파단점에서의 인장강도로 나뉘며 본 실험에서는 재료가 끊어지는 시점인 파단점에서의 인장강도와 신장률을 확인하였다.
제작된 아령형 인장시편을 인장강도-신장률 측정기인 만능재료시험기를 사용하여 시험편이 파단될 때까지 인장 시험하여 하중과 길이의 변화를 측정하여 인장강도(T.S)와 신장률(%)을 구한다.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 베이스 폴리머는 선상저밀도 폴리에틸렌[LLDPE](MI 1.0), 에틸렌 초산비닐 공중합체 [EVA](24 VA%,MI 2.0)를 사용하였으며 상용화제 (modifier polymers MI1.5, melting point 119℃), 난연보조제 (나노클레이), 수산화 알루미늄 (particle size 1.7∼2.1[μm], 자외선 차단제(oilgomeric hindered amine light stabilizer, HALS), 페놀계 산화방지제 (phenolic antioxidant), 황계 산화방지제(thiophenol antioxidant), 실리콘 오일 (활제)을 배합해 표 1과 같이 나타내었다 [1].
본 시험에서 나노클레이 첨가에 따른 할로겐프리 난연컴파운드의 기계적 특성에 관하여 물성적 실험을T-1∼T-10까지의 시료를 두고 실험을 하였다.
본 실험에 사용된 시편들은 점탄성을 가지는 난연컴파운드의 재료로서 일정 하중에 의해 어느 지점까지 직선적으로 강도를 발휘하는 탄성영역과 이 영역을 벗어난 후 강도와 함께 신장률이 급격하게 증가하는 점성영역이 동시에 나타난다 [7]. 인장강도는 크게 항복점에서의 인장강도와 파단점에서의 인장강도로 나뉘며 본 실험에서는 재료가 끊어지는 시점인 파단점에서의 인장강도와 신장률을 확인하였다.

이론/모형

시편들의 인장강도 및 신장률 측정을 위해 Alpha사의 Tensometer 2000 장비를 도입하였으며, 측정은 인장강도 실험 규격인 ASTM D 638에 의해 측정하였다. 측정 범위는 [400 Kgf/Cm²]와 600[%]이었으며, 측정 속도는 200[mm/min]으로 하였으며, 실험은 3회 측정 후 측정치의 평균값을 나타내었다.
이 시험 방법은 ASTM D2240에 의해 특정구간 하에서 재료에 강제할 때 압입 특정 유형의 침투에 기초한다. 압입 경도는 역 침투 관련 및 재료의 탄성 계수 및 점탄성 거동에 의존한다.
측정법은 공기 중에서 측정 시료의 무게를 재고 나서 화학적 상호작용이 없는 불활성 액체에 잠근 다음 부피를 측정하며 단위는[g/cm³]으로 나타내는데 이를 수중치환법(ASTM D1505)이라 부르며, 본 실험에서는Mirage사의 EW-200SG 장비를 도입하여 사용하였다.

성능/효과

경도 실험에서는 나노클레이 첨가에 따른 측정값과 상용화제 첨가에 따른 측정값이 비슷하게 나타냄을 확인했다. 따라서 본 논문에서는 기존의 재료와는 다르게 나노클레이를 첨가하여 기계적 특성을 확인하였고, 나노클레이는 기계적 특성에는 많이 미치지 않는 것으로 확인되었다.
본 시험에서 나노클레이 첨가에 따른 할로겐프리 난연컴파운드의 기계적 특성에 관하여 물성적 실험을T-1∼T-10까지의 시료를 두고 실험을 하였다. 인장강도와 신장률은 상용화제만 첨가된 시편들은 대체적으로 파단강도가 높게 나타났다. 이는 상용화제가 베이스폴리머와 난연제와의 상용성을 높여준 영향을 받게 된 것이라 판단된다.
표 2를 참고하면 T-4가 인장강도와 신장률이 전체적으로 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노클레이를 첨가한 할로겐프리 난연컴파운드의 기계적 특성 평가 시, 상용화제만 첨가된 시편은 파단강도가 높게 나타났는데 이는 어떤 이유 때문인가?	인장강도와 신장률은 상용화제만 첨가된 시편들은 대체적으로 파단강도가 높게 나타났다. 이는 상용화제가 베이스폴리머와 난연제와의 상용성을 높여준 영향을 받게 된것이라 판단된다. T-4가 인장강도와 신장률이 전체적으로 높게 확인되었다.
	나노클레이는 어떤 구조를 가지고 있는가?	나노클레이는 대부분 실리카와 같은 구형의 무기입자와 달리 종횡비가 큰 판상구조를 이루고 있으며, 판상구조의 클레이를 이용하여 나노복합체를 제조하는경우, 충전제와 고분자간 접촉 면적이 넓어져 충전 효과가 기존 복합체에 비해 훨씬 커진다 [2,6].
	할로겐계 난연제는 어떤 문제가 있는가?	최근에는 높은 난연성과 함께 환경에 적합한 재료의개발이 강하게 요구되고 있으며, 저유해성·저발연성·저부식성·내열성을 겸비한 난연컴파운드의 개발이 중요시되고 있다. 할로겐계 수지의 경우 대부분 유해한 무기난연제를 병행하여 사용하고 있는데, 이들 할로겐계 난연제는 연소 시 맹독성 발암물질을 발생시키고 수지 제조과정 및 컴파운딩 과정에서 유독한 기체와 분진을 발생시키기 때문에 환경적으로 어려움을 겪고 있다 [3-5].

참고문헌 (7)

Y. D. Kim, Sungkyunkwan University Polymer Engineering, Elastomer, 37, 177 (2002).
J. H. Lee, Sungkyunkwan University Polymer Engineering, Polymer(Korea), 27, 569 (2003).
Y. S. Jung, Master's Thesis, Korea Polytechnic University (2005).
S. S. Choi, Sangmyung University, Industrial Chemistry, Elastomer, 37, 224 (2002).
W. J. Kim, Master's Thesis, Sungkyunkwan University (2007).
D. H. Lee, Ph. D. Thesis, Kyungki University (2006).
G. B. Gim, Master's Thesis, Dongguk University (1998).

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