[논문]에폭시/나일론6 블랜드의 경화 동력학 및 열안정성에 관한 연구

김동규; 김관우; 한웅; 곽이구; 김병주

doi:10.14478/ace.2015.1017

에폭시/나일론6 블랜드의 경화 동력학 및 열안정성에 관한 연구
Studies on Cure Kinetics and Thermal Stability of Epoxy/Nylon 6 Blend 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.5, 2015년, pp.538 - 542

김동규 (한국탄소융합기술원 연구개발본부) , 김관우 (한국탄소융합기술원 연구개발본부) , 한웅 (한국탄소융합기술원 연구개발본부) , 곽이구 (전주대학교 탄소융합공학과) , 김병주 (한국탄소융합기술원 연구개발본부)

초록
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본 연구에서는 epoxy (Diglycidylether of bisphenol-A, DGEBA)에 대한 nylon 6의 혼합비가 각각 0, 10, 20, 30, 40 wt%로 블랜딩한 혼합 수지를 시차 주사 열량계(DSC)와 열 중량 분석(TGA)을 사용하여 경화 동력학 및 열안정성에 관하여 연구하였다. 실험 결과, nylon 6의 함량이 증가함에 따라 최대 발열 온도($T_{max}$)가 낮아지며, 경화 활성화 에너지($E_a$) 값은 감소하였다. 이는, nylon 6의 함량이 증가함에 따라 DGEBA와 결합이 빠르게 이루어져 최대 발열 온도에 영향을 미친다고 판단된다. DGEBA/nylon 6의 TGA 분석 결과 nylon 6의 함량이 증가할수록 열안정지수($A^*{\cdot}K^*$) 및 적분 열분해 진행 온도(IPDT)에 입각한 열안정성이 증가하였다. 이러한 결과는 내열성이 우수한 nylon 6가 DGEBA와 결합하여 DGEBA/nylon 6 내부에 유입되는 열을 흡수하고, 열전달 및 확산을 제어하여 열안정성 인자들의 값이 증가되는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, effects of the blend composition composed of 0, 10, 20, 30 and 40 wt% of nylon 6 to epoxy (diglycidylether of bisphenol-A, DGEBA) resin were investigated in terms of cure kinetics and thermal stability by differential scanning calorimeter (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). As the content of the nylon 6 increased, the maximum exothermic temperature ($T_{max}$) and the value of cure activation energy ($E_a$) decreased. The maximum exothermic temperature of the blending samples decreased with increasing in nylon 6 content, resulting in the decrease in curing activation energy of them due to the rapid curing reaction with epoxy resin in this system. From TGA analysis results of the DGEBA/nylon 6, the thermal stability based on the thermal stability index ($A^*{\cdot}K^*$) and integral procedure decomposition temperature (IPDT) increased with increase in the nylon 6 content. This was because of the combination of DGEBA and nylon 6 having good heat resistance, resulting in improving thermal stability of the DGEBA/nylon 6.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 이관능성 에폭시인 DGEBA와 nylon 6을 블랜드 하여 DSC, TGA 열분석을 통해 경화온도와 혼합조성비에 따른 경화동력학과 열안정성에 대해 알아보고자 한다.

제안 방법

DGEBA/nylon 6 블랜드의 열분석에 의한 경화 동력학 및 열안정성을 알아보기 위해 DGEBA와 nylon 6의 혼합 비율을 각각 10 : 0, 9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6 : 4 (wt%)로 제조하였다. 제조 샘플은 E/N10-0, E/N9-1, E/N8-2, E/N7-3, 그리고 E/N6-4로 각각 명명하였다.
)와 경화 활성화 에너지를 분석을 하였다. DSC 분석은 질소 분위기(50 cc/min)에서 각 샘플에 대해 승온 속도를 각각 10, 15, 20, 25, 30 ℃/min으로 하고 40~400 ℃ 범위에서 측정하였다.
본 연구에서는 epoxy (Diglycidylether of bisphenol-A, DGEBA)에 nylon 6의 함량을 각각 0, 10, 20, 30, 40 wt%까지 변화시켜 블랜드 시스템의 경화 동력학, 열안정성을 동적 DSC와 TGA를 이용하여 알아보았다. 동적 DSC 분석 결과, nylon 6의 함량이 증가할수록 DGEBA와의 결합이 빠르게 이루어져 발열 온도는 저온 쪽으로 이동하고 발열곡선은 완만해진다.
시차주사 열량계(DSC-60, SHIMADZU, Japan)를 사용하여 DGEBA/ nylon 6의 최대 발열 온도(T_max)와 경화 활성화 에너지를 분석을 하였다. DSC 분석은 질소 분위기(50 cc/min)에서 각 샘플에 대해 승온 속도를 각각 10, 15, 20, 25, 30 ℃/min으로 하고 40~400 ℃ 범위에서 측정하였다.
열중량 분석기(TGA-50, SHIMADZU, Japan)는 DGEBA/nylon 6의 열안정성을 알아보기 위하여 질소 분위기(25 cc/min)에서 각 제조 샘플에 대해 상온에서 800 ℃까지 20 ℃/min의 승온 속도로 초기 열분해 온도(IDT), 최대 중량 감소 온도(Tmax), 열안정지수(A*⋅K*), 그리고 적분 열분해 온도(IPDT)를 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 에폭시 수지는 diglycidylether of bisphenol-A (DGEBA, KUKDO Chem., Korea, YD-128, E.E.W = 184~190 g/eq, Viscosity 11,500~13,500 cps)를 사용하였고, nylon 6 (Elvamide®8061, DuPont. Co., USA)를 사용하였으며, nylon 6의 용제로는 ethanol (99.5%, SIGMA-ALDRICH, USA)을 사용하였다.
DGEBA/nylon 6 블랜드의 열분석에 의한 경화 동력학 및 열안정성을 알아보기 위해 DGEBA와 nylon 6의 혼합 비율을 각각 10 : 0, 9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6 : 4 (wt%)로 제조하였다. 제조 샘플은 E/N10-0, E/N9-1, E/N8-2, E/N7-3, 그리고 E/N6-4로 각각 명명하였다. 먼저 ny-lon 6을 에탄올에 약 4 h 동안 60 ℃에서 교반시킨 후 nylon 6이 완전히 용해된 후 DGEBA를 함량에 맞게 첨가하고 30 min 동안 교반시켜 충분한 고분자 사슬간에 물리적 고른 분산을 유도하였다.

이론/모형

단일 주사방법으로는 Barrett method[24]가 있고, 다중 주사 방법으로는Ozawa[25] 및 Kissinger[26] method가 있다. 본 실험에서는 동적 DSC로 얻어진 최대 발열온도(T_max)로부터 경화 활성화 에너지(E_a)를 구할수 있는 다중 주사 방법 Kissinger식을 이용하여 분석하였다. Kissinger식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

성능/효과

TGA 분석 결과, nylon 6의 함량이 증가할수록 A*⋅K*, 그리고 IPDT의 값이 증가하는 것을 볼 수 있다.
그 결과 nylon 6의 함량이 증가함에 따라 A*⋅K*와 IPDT의 값이 미약하게 증가하였다.
본 연구에서는 epoxy (Diglycidylether of bisphenol-A, DGEBA)에 nylon 6의 함량을 각각 0, 10, 20, 30, 40 wt%까지 변화시켜 블랜드 시스템의 경화 동력학, 열안정성을 동적 DSC와 TGA를 이용하여 알아보았다. 동적 DSC 분석 결과, nylon 6의 함량이 증가할수록 DGEBA와의 결합이 빠르게 이루어져 발열 온도는 저온 쪽으로 이동하고 발열곡선은 완만해진다. Kissinger식을 통해 구한 경화 활성화 에너지는 nylon 6의 함량이 증가함에 따라 DGEBA의 함량이 감소하여 고분자 블랜딩계 총량대비 경화 가능한 함량의 감소로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에폭시 수지의 장점은 무엇인가?	에폭시 수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등 다양한 열경화성 수지들 중 에폭시 수지는 경화과정을 통하여 3차원적 망상구조를 가지는 대표적인 열경화성 수지로 코팅제, 접착제, 섬유강화복합재의 기지재 등과 같은 엔지니어링 플라스틱으로 널리 쓰이고 있다[4-7]. 또한 에폭시 수지는 반응성이 큰 에폭시기의 영향으로 경화제 및 첨가제의 선택에 따라 넓은 범위의 경화특성을 가지고 있으며, 그중에서도 비스페놀-A계 에폭시의 경우 강인성, 내열성, 그리고 내약품성 등 우수한 성질을 가지고 있다. 그러나 에폭시 수지는 높은 가교밀도 때문에 취성이 낮아 균열저항성이 낮은 단점을 가지고 있다[8-10].
	고분자 블랜딩은 어떤 방향으로 연구되어 왔는가?	최근 저렴한 재료로부터 원래의 소재보다 우수한 열적⋅기계적 특성을 갖는 제품을 개발하기 위하여 둘 이상의 고분자를 결합시키는 일반적인 기술로 고분자 블랜딩이 사용되고 있다[1,2]. 일반적으로 고분자 블랜딩은 열경화성 수지와 열가소성 수지를 블랜딩하여 열응력을 감소시키고 고분자 네트워크를 강화하는 수단 등 여러 방면으로 연구되어 왔다[3]. 열경화성 재료는 자동차 공업, 우주 및 전기 전자 공업 등 다양한 산업 분야에서 사용되는 복합재료의 기지재로서 사용되고 있다.
	에폭시 수지의 단점을 보완하기 위한 연구는 무엇인가?	그러나 에폭시 수지는 높은 가교밀도 때문에 취성이 낮아 균열저항성이 낮은 단점을 가지고 있다[8-10]. 이러한 단점을 보완하기 위해서 고무나 열가소성 수지와의 결합이 연구되어 왔다[11]. 고무는 carboxyl terminated butadiene acrylonitrile (CTBN)[12]과 amine terminated butadiene acrylonitrile (ATBN)[13] 등이 널리 사용되고 있지만 열안정성 및 기계적 물성이 떨어지는 단점이 있다[11].

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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