대기 조건에서 경화가 가능한 텅스텐계 p-DCPD의 개선된 성형 방법 An Improved Manufacturing Method of p-Dicyclopentadiene (DCPD) using Tungsten Type Catalyst in Air Condition원문보기
권동준
(Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Center for Creative Human Resource & Convergence Materials, Gyeongsang National University)
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신평수
(Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Center for Creative Human Resource & Convergence Materials, Gyeongsang National University)
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김종현
(Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Center for Creative Human Resource & Convergence Materials, Gyeongsang National University)
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박종만
(Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Center for Creative Human Resource & Convergence Materials, Gyeongsang National University)
폴리디싸이클로팬타디엔 (p-DCPD) 수지를 경화하기 위해 개환반응이 사용된다. 이 반응은 텅스텐계 촉매를 이용한 반응이기 때문에 질소 조건에서 반응이 진행되어야 한다. 왜냐하면, 텅스텐계 수지는 촉매독 현상이 발생될 수 있기 때문에 대기조건에서는 사용이 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 연구에서는 대기 조건에서 텅스턴 (W)을 촉매로한 p-DCPD 대해 프레스 성형법을 이용하여 수지를 경화시켰다. 프레스 성형을 통해 p-DCPD (W) 수지를 경화시킬 경우 기계적 강도가 향상되는 결과를 얻었으며, 이는 DCPD 성형 단계에서 발생되는 기체를 압으로 눌러 미세 기공의 발생을 줄였기 때문이다. 촉매 독 현상이 발생되는 것은 반응시간이 길 때에 발생되지만, 짧은 성형을 시도하는 프레스 성형에서는 촉매 자체로 인한 물성 저하가 발생되지 않았다. 궁극적으로 p-DCPD 성형을 위해 대기 조건에서 성형이 가능하였으며, 경화 시간, 압력 변수를 조절할 경우 기계적 물성이 향상을 확인하였다.
폴리디싸이클로팬타디엔 (p-DCPD) 수지를 경화하기 위해 개환반응이 사용된다. 이 반응은 텅스텐계 촉매를 이용한 반응이기 때문에 질소 조건에서 반응이 진행되어야 한다. 왜냐하면, 텅스텐계 수지는 촉매독 현상이 발생될 수 있기 때문에 대기조건에서는 사용이 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 연구에서는 대기 조건에서 텅스턴 (W)을 촉매로한 p-DCPD 대해 프레스 성형법을 이용하여 수지를 경화시켰다. 프레스 성형을 통해 p-DCPD (W) 수지를 경화시킬 경우 기계적 강도가 향상되는 결과를 얻었으며, 이는 DCPD 성형 단계에서 발생되는 기체를 압으로 눌러 미세 기공의 발생을 줄였기 때문이다. 촉매 독 현상이 발생되는 것은 반응시간이 길 때에 발생되지만, 짧은 성형을 시도하는 프레스 성형에서는 촉매 자체로 인한 물성 저하가 발생되지 않았다. 궁극적으로 p-DCPD 성형을 위해 대기 조건에서 성형이 가능하였으며, 경화 시간, 압력 변수를 조절할 경우 기계적 물성이 향상을 확인하였다.
Ring-opening metathesis polymerization of p-dicyclopentadiene (DCPD) can be performed using the tungsten type catalyst. This reaction usually progresses in nitrogen condition, because the catalysts are extremely sensitive in air condition. To solve this problem, DCPD resin with tungsten (W) was cure...
Ring-opening metathesis polymerization of p-dicyclopentadiene (DCPD) can be performed using the tungsten type catalyst. This reaction usually progresses in nitrogen condition, because the catalysts are extremely sensitive in air condition. To solve this problem, DCPD resin with tungsten (W) was cured using hot press after stirring of DCPD A and B liquid in air condition. Mechanical properties of DCPD were improved by reducing microvoid occurrence successfully by using hot press method. It might be because hot press could provide sufficient press on DCPD specimen. Addition of catalyst was not effective for the curing of resin in a short time. During polymerization, pressure and temperature had a great influence on the mechanical properties of DCPD.
Ring-opening metathesis polymerization of p-dicyclopentadiene (DCPD) can be performed using the tungsten type catalyst. This reaction usually progresses in nitrogen condition, because the catalysts are extremely sensitive in air condition. To solve this problem, DCPD resin with tungsten (W) was cured using hot press after stirring of DCPD A and B liquid in air condition. Mechanical properties of DCPD were improved by reducing microvoid occurrence successfully by using hot press method. It might be because hot press could provide sufficient press on DCPD specimen. Addition of catalyst was not effective for the curing of resin in a short time. During polymerization, pressure and temperature had a great influence on the mechanical properties of DCPD.
본 연구에서는 p-DCPD 수지에 대한 경화 조건을 개선하기 위해 대기 조건에서 프레스 성형이 가능한지를 확인한 연구를 진행하였다. 최적의 p-DCPD (W) thwo 성형을 위한 프레스 성형, 교반 과정의 변수에 따른 기계적 강도의 변화를 정리하고 최적의 소재 성형 조건을 연구하였다.
제안 방법
최적의 p-DCPD (W) thwo 성형을 위한 프레스 성형, 교반 과정의 변수에 따른 기계적 강도의 변화를 정리하고 최적의 소재 성형 조건을 연구하였다. 또한, DCPD수지의 대기 노출 시간에 따른 수지 내 촉매독 현상에 대해 확인하여 p-DCPD (W) 수지의 대기 중 성형 가능성을 평가하였다.
본 연구에서는 p-DCPD 수지에 대한 경화 조건을 개선하기 위해 대기 조건에서 프레스 성형이 가능한지를 확인한 연구를 진행하였다. 최적의 p-DCPD (W) thwo 성형을 위한 프레스 성형, 교반 과정의 변수에 따른 기계적 강도의 변화를 정리하고 최적의 소재 성형 조건을 연구하였다. 또한, DCPD수지의 대기 노출 시간에 따른 수지 내 촉매독 현상에 대해 확인하여 p-DCPD (W) 수지의 대기 중 성형 가능성을 평가하였다.
최적의 성형 조건에 대해서 확보하며, 텅스텐계 촉매를 이용하기 때문에 발생할 수 있는 촉매 독에 의한 영향을 비교 평가하였다.
대상 데이터
텅스텐계 p-DCPD (p-DCPD W, 동성 TCS)를 지원받아 연구를 진행하였다. p-DCPD (W) 수지는 2 액형으로 구성되어 있으며, 기존에 반응 사출 성형을 통해 제작했던 동성 TCS의 시편과 본 연구실에서 제작한 핫프레스 성형 법에 따른 차이를 분석하였다.
이론/모형
최적의 성형 조건에 대해 가압에 따른 정도를 다르게 하며 p-DCPD (W) 소재의 강도 변화를 인장, 굴곡으로 확인하였다. 교반 조건에 따른 영향, 경화 시간 및 온도에 따른 영향을 두고 인장, 굴곡 시편을 ASTM 규격에 맞게 절단하여 성형 조건에 따른 강도 변화를 확인하였다[9]. (굴곡 강도: ASTM D 790, 인장 강도 : ASTM D638)
우선 촉매 독의 발생 여부를 확인하기 위해 2 액형 수지 혼합액을 500rpm에 30초 교반시킨 뒤 상온, 대기 조건에서 수지를 노출시키고, 일정 시간이 지난 뒤 프레스 성형을 통해 200mm × 200mm × 4mm의 시편을 확보한다. 이후 ASTM D638 기준으로 인장 시편을 제조하고 5개의 실험을 진행시켜 평균값을 이용해 촉매독 발생에 따른 시편의 강도 변화를 관찰하였다.
성능/효과
본 연구에는 일반적으로 질소 조건에서 반응 사출 성형으로만 제조되고 있는 p-DCPD (W) 수지에 대한 성형 공정 최적화에 관한 내용이다. p-DCPD (W) 수지는 일반적으로 텅스텐 촉매를 이용하기 때문에 상온에서 촉매독 현상에 의한 수지의 경화가 완벽하게 발생하지 못한다고 알려졌지만, 본 실험을 통해 확인한 바로는 상온에서 3시간까지 노출된 수지를 사용하여도 기존의 p-DCPD (W) 물성이 확보되었다. 2 액형 상태인 DCPD 수지에 대해서 교반 과정은 단순히 수지의 경화 속도를 줄이는 변수로 사용될 수 있음을 확인하였다.
7(b)와 (c)의 결과를 보면 색상이 국방색에서 황색으로 변화된 것을 관찰할 수 있으며, 이러한 차이를 통해 경화된 p-DCPD (W)의 경화 균일성이 높아졌음을 의미한다. 수지가 가지고 있는 밀도의 차이를 관찰할 경우 일반적으로 5psi 조건의 경우 0.84 g/cm3의 밀도 수준을 나타내지만, 15psi 조건으로 가압하여 성형했을 경우 1.01 g/cm3수준으로 확보되기 때문에 가압 성형이 p-DCPD (W) 수지를 경화시킬 때 매우 중요한 조건임을 확인해 볼 수 있었다.
2 액형 상태인 DCPD 수지에 대해서 교반 과정은 단순히 수지의 경화 속도를 줄이는 변수로 사용될 수 있음을 확인하였다. 하지만 프레스 성형 단계에서는 가압 되는 정도에 따라 수지의 기계적 물성과 밀도 향상과 같은 고분자 결합의 향상 결과를 도출하기 때문에 p-DCPD (W)의 기계적 물성과 연관성이 높음을 확인하였다.
후속연구
즉 p-DCPD (W) 수지를 질소 조건에서 사용하는 것이 일반적으로 알려졌지만, 최소 1시간, 최대 3시간의 시간 내에서 시편을 제작할 경우 비교적 촉매도 현상이 발생하지 않음을 설명할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 p-DCPD (W) 수지에 대한 대기 중 성형이 가능하며 다양한 성형 공정에 수지가 응용될 수 있을 것으로 예상한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
p-DCPD는 어떤 형상을 가지며 무엇 때문에 경화가 이루어지는가?
p-DCPD 수지는 내피로 성과 내한성이 우수한 열가소성 계 소재로 사용되고 있다[1]. p-DCPD는 노보넨 구조를 가지는 디사이클로펜타디엔의 형상을 가지며, 이중결합 부분에 강한 촉매 반응을 통해 개환반응이 발생되어 경화가 이루어진다[2]. 주로 DCPD 수지는 탄수화물 중에서도 수산화기의 존재 여부가 낮기 때문에 내수성, 내 환경성, 내화학성이 우수한 특색을 나타낸다[3].
개환반응은 무엇을 이용한 반응인가?
폴리디싸이클로팬타디엔 (p-DCPD) 수지를 경화하기 위해 개환반응이 사용된다. 이 반응은 텅스텐계 촉매를 이용한 반응이기 때문에 질소 조건에서 반응이 진행되어야 한다. 왜냐하면, 텅스텐계 수지는 촉매독 현상이 발생될 수 있기 때문에 대기조건에서는 사용이 어려운 것으로 알려져 있다.
p-DCPD 수지는 무엇으로 사용되고 있는가?
p-DCPD 수지는 내피로 성과 내한성이 우수한 열가소성 계 소재로 사용되고 있다[1]. p-DCPD는 노보넨 구조를 가지는 디사이클로펜타디엔의 형상을 가지며, 이중결합 부분에 강한 촉매 반응을 통해 개환반응이 발생되어 경화가 이루어진다[2].
참고문헌 (10)
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Park, J.M., Wang, Z.J., Kwon, D.J., Shin, P.S., Choi, J.Y., Ha, J.C., Jeong, G.S., and DeVries, L., "Improved Manufacturing Method of p-DCPD Using W. Mo or Ru Type Catalysts in Air Condition," ICCM-20, 2014.
Vallons, K.A.M., Drozdzak, R., Charret, M., and Lomov, S.V., "Exploratory Study on the Behaviour of Glass/PDCPD Composites," ICCM-20, 2014.
Knorr, D.B., Masser, K.A., Elder, R.M., Sirk, T.W., Hindenlang, M.D., Yu, J.H., Richardson, A.D., Boyd, S.E., Spurgeon, W.A., and Lenhart, J.L., "Overcoming the Structural Versus Energy Dissipation Trade-off in Highly Crosslinked Polymer Networks: Ultrahigh Strain Rate Response in Polydicyclopentadiene," Composite Science and Technology, Vol. 114, 2015, pp. 17-25.
Hong, C.H., Song, S.W., Nam, B.U., Cha, B.J., and Kim, B.J., "Preparation of Poly-DCPD/Silicate Nano Composites and Their Physical and Mechanical Properties," Polymer(Korea), Vol. 30, 2006, pp. 311-317.
Pan, B., Zhao, Y., Zhang, Y., and Zhang, Y., "Dry Sliding Behaviors of Polydicyclopentadiene under Elevated Sliding Velocity," 2012 2nd International Conference on Mechanical, Industrial, and Manufacturing Engineering, 2012.
Wang, Z.J., Kwon, D.J., Gu, G.Y., Kim, H.S., Kim, D.S., Lee, C.S. and Park, J.M., "Evaluation of Mechanical Properties and Damage Sensing of CNT-polypropylene Composites by Electromicromechnical Techniques," Composites Research, Vol. 26, 2013, pp. 1-6.
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