[논문]말레인산 무수물 그래프트 폴리프로필렌/케나프 섬유 복합체의 물성에 대한 연구

구선교; 김유신; 홍영은; 김동원; 김기성; 김연철

doi:10.14478/ace.2016.1110

말레인산 무수물 그래프트 폴리프로필렌/케나프 섬유 복합체의 물성에 대한 연구
Study on Physical Properties of Maleic anhydride Grafted Polypropylene (PP)/Kenaf Fiber (KF) Composites 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.1, 2017년, pp.73 - 79

구선교 (공주대학교 고분자공학전공) , 김유신 (공주대학교 고분자공학전공) , 홍영은 (공주대학교 고분자공학전공) , 김동원 (서연이화) , 김기성 (서연이화) , 김연철 (공주대학교 고분자공학전공)

초록
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이축압출기(twin screw extruder)를 이용하여 $190^{\circ}C$에서 말레인산 무수물(maleic anhydride, MAH)과 스티렌 모노머(styrene monomer, SM)의 함량을 변화시켜가며 MAH와 SM이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH-SM) 공중합체를 제조하였다. 제조한 PP-g-MAH-SM 공중합체의 그래프트율은 비수용성 역적정을 통하여 측정하였으며, 동일한 MAH 함량에서 SM이 사용된 경우 높은 그래프트율을 나타내었다. 그래프트율에 따른 PP-g-MAH-SM/케나프섬유(kenaf fiber, KF) 복합체를 $200^{\circ}C$에서 제조하였고, KF의 함량은 20 wt%로 고정시켰다. 복합체에 대한 열중량분석기(TGA)의 분해온도에 따르면, MAH 만 적용된 PP-g-MAH 보다 MAH와 SM이 함께 적용된 PP-g-MAH-SM 복합체의 열안정성이 다소 우세하였다. 복합체의 기계적 강도 또한 MAH와 SM이 함께 적용된 경우에 개선정도가 우수하였다. 계면접착정도는 파단면의 SEM과 접촉각으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Maleic anhydride (MAH) grafted polypropylene (PP-g-MAH) copolymers were prepared by changing MAH and styrene monomer (SM) content, using a twin screw extruder at $190^{\circ}C$. The grafting degree was measured by non-aqueous back titration method. The grafting degree of PP-g-MAH-SM copolymer was higher than that of PP-g-MAH at the same MAH content. PP-g-MAH-SM/kenaf fiber (KF) composites were also prepared by using a PP-g-MAH as a matrix at $200^{\circ}C$ and the KF content was fixed at 20 wt%. Based on the degradation temperature investigated by TGA, the thermal stability of PP-g-MAH-SM/KF composites was more enhanced than that of PP-g-MAH only. Mechanical properties of the composites were also improved when MAH and SM applied together. The adhesion degree between the copolymer and KF was confirmed by both SEM pictures of the fractured surface and contact angles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구실의 기존 연구에서 용융지수와 PP의 종류에 따라 반응압출 시 MAH 그래프트율, 용융지수 및 기계적 물성에 대한 SM 첨가 효과를 고찰하였다[21,22]. 따라서 본 연구에서는 MAH에 전자공여 모노머로써 스티렌 모노머(styrene monomer, SM)를 적용시킨 상용화제(PP-g-MAH-SM)를 제조하고, 그래프트율이 다른 상용화제가 적용된 PP-g-MAH-SM/KF 복합체를 제조하여 소재 간 계면접착 특성, 흐름성 및 기계적 물성을 평가하여 상관관계를 규명하고자 하였다.

제안 방법

열적 특성은 시차주사열량분석기(DSC)와 열중량분석기(TGA)로 측정하였다. DSC는 TA instruments DSC Q20을 이용하여 50-250 ℃의 온도범위에서 승온속도는 10 ℃/min, 냉각속도는 10 ℃/min와 1 ℃/min로 각각 설정하여 heat/cool/heat mode로 질소분위기에서 측정하였다. TGA는 TA instruments TGA Q50을 이용하여 승온속도 10 ℃/min으로 질소분위기에서 800 ℃까지 측정하였다.
DSC는 TA instruments DSC Q20을 이용하여 50-250 ℃의 온도범위에서 승온속도는 10 ℃/min, 냉각속도는 10 ℃/min와 1 ℃/min로 각각 설정하여 heat/cool/heat mode로 질소분위기에서 측정하였다. TGA는 TA instruments TGA Q50을 이용하여 승온속도 10 ℃/min으로 질소분위기에서 800 ℃까지 측정하였다. 동적유변학 특성측정을 위해 동적 유변 측정기(Anton Parr, MCR-301)를 사용하였다.
상용화제를 매트릭스로 KF를 20 wt% 함량으로 고정하여 제조한 복합체의 물성을 분석하여 최적의 PP-g-MAH-SM을 선정하고자 하였다. 우선 이축압출기를 이용하여 제조한 PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 열적 특성 분석을 위해 DSC와 TGA 이용하여 측정하였고, Figure 2와 Figure 3에 DSC와 TGA 결과를 나타내었으며, 용융온도, 결정화온도, 용융엔탈피, 결정화엔탈피 및 분해온도를 Table 3에 정리하였다.

대상 데이터

1M KOH in ethanol, thymol blue를 사용하였다. KF는 베트남에서 재배되어 수입된 케나프로부터 섬유화된 것을 (주)나노톡스텍으로부터 제공받아 마이크로분쇄기(Kineimatica, Polymix PX-MFC 90D)를 이용하여 200 µm의 길이로 분쇄하여 사용하였다. PP-g-MAH와 PP-g-MAH/KF 복합체는 이축압출기(바우테크, BA-11, L/D =40)를 이용하여 제조하였다.
PP는 폴리미래의 HP600R (melt index(MI) = 25 g/10 min)을 사용하였고, MAH는 Junsei의 제품을 사용하였으며, SM은 Sigma-Aldrich의 제품을 정제 없이 사용하였다. 개시제는 Sigma-Aldrich의 dicumyl peroxide (DCP)를 사용하였다.

이론/모형

PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 계면 접착특성을 보다 구체적으로 고찰하기 위해 복합탄성률(complex modulus, )과 위상차( )를 이용하여 복합체의 점성과 탄성을 예측할 수 있는 Van Gurp-Palmen 분석[24]을 실시하여 Figure 6에 나타내었다. PP 용융체에 고체(탄성) 특성을 나타내는 KF가 혼합될 때 낮은 주파수 영역(zero shear 영역)에서의 점탄성 특성에 있어 큰 변화를 나타낸다.
PP-g-MAH-SM의 그래프트율 측정은 비수용성 역적정법을 이용하였다. 그래프트에 참여하지 않은 반응물을 제거하기 위하여 5 g의 PP-g-MAH-SM을 190 ℃ 자일렌에 용해시킨 후, 클로로포름에 상분리시켜 여과된 침전물을 원통형 여과지에 넣고 Soxhlet 추출기를 이용하여 12 h 동안 처리하였다.

성능/효과

이와 같은 기계적 특성의 향상은 PP와 KF의 계면 접착특성에 기인한 것으로 해석할 수 있고, 이는 동적 유변학특성을 이용한 VanGurp-Palmen 분석과 판단면의 SEM 분석 그리고 접촉각 특성 자료로부터 확인하였다. PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 DSC 분석 결과 용융온도에는 큰 영향을 주지 않았고, 결정화 온도는 PP의 결정이 생성되는 과정에서 KF가 외부에서 도입된 이물질로 작용하여 불균일 핵생성을 유도하는 불균일 핵제로 작용하여서 증가하는 것을 확인하였다. PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 복소 점도 측정결과 PP보다는 높은 값을 나타내었지만, PP/KF보다는 복소 점도가 감소하는 결과를 얻었고, 이는 계면접착 특성 개선에 의한 것으로 설명할 수 있다.
PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 DSC 분석 결과 용융온도에는 큰 영향을 주지 않았고, 결정화 온도는 PP의 결정이 생성되는 과정에서 KF가 외부에서 도입된 이물질로 작용하여 불균일 핵생성을 유도하는 불균일 핵제로 작용하여서 증가하는 것을 확인하였다. PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 복소 점도 측정결과 PP보다는 높은 값을 나타내었지만, PP/KF보다는 복소 점도가 감소하는 결과를 얻었고, 이는 계면접착 특성 개선에 의한 것으로 설명할 수 있다.
PP-g-MAH-SM의 그래프트율은 SM이 함께 적용된 경우 MAH만 적용된 경우보다 높은 그래프트율을 보이는데, 이는 전자 공여모노머인 SM의 적용은 MAH의 C=C결합주위의 비대칭구조와 라디칼-음이온 특성의 π전자를 제공하여 보다 MAH 활성을 높이기 때문으로 해석할 수 있으며, PP-g-M(6)-S(9)가 최대 그래프트율을 나타내었다. 제조한 상용화제를 매트릭스로 하여 PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 인장 특성, 굴곡특성 및 충격특성을 측정한 결과 MAH의 함량이 2에서 6phr 사이, SM이 3에서 9 phr 사이에서 최적의 기계적 특성을 나타내었다.
PP-g-MAH-SM의 그래프트율은 SM이 함께 적용된 경우 MAH만 적용된 경우보다 높은 그래프트율을 보이는데, 이는 전자 공여모노머인 SM의 적용은 MAH의 C=C결합주위의 비대칭구조와 라디칼-음이온 특성의 π전자를 제공하여 보다 MAH 활성을 높이기 때문으로 해석할 수 있으며, PP-g-M(6)-S(9)가 최대 그래프트율을 나타내었다. 제조한 상용화제를 매트릭스로 하여 PP-g-MAH-SM/KF 복합체의 인장 특성, 굴곡특성 및 충격특성을 측정한 결과 MAH의 함량이 2에서 6phr 사이, SM이 3에서 9 phr 사이에서 최적의 기계적 특성을 나타내었다. 이와 같은 기계적 특성의 향상은 PP와 KF의 계면 접착특성에 기인한 것으로 해석할 수 있고, 이는 동적 유변학특성을 이용한 VanGurp-Palmen 분석과 판단면의 SEM 분석 그리고 접촉각 특성 자료로부터 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유강화플라스틱이란?	그에 따라 자동차 경량화를 위한 섬유강화플라스틱(fiber reinforced plastic, FRP)의 연구가 활발히 이루어지고 있다[1,2]. 섬유강화플라스틱이란 고분자 자체의 물성으로는 충분한 성능을 나타내기 어렵기 때문에 고분자 수지에 유기/무기섬유 강화제를 혼합하여 강도와 내열성 등을 향상시킨 재료이다.
	미국, 유럽 등지의 강력한 연비 규제 및 환경 규제에 대응하기 위해서 자동차경량화의 필요성이 매우 중요한 이유는?	현재 자동차 산업에서 미국, 유럽 등지의 강력한 연비 규제 및 환경 규제에 대응하기 위해서 자동차경량화의 필요성이 매우 중요하게 인식되고 있다. 또한 배터리에 전기를 충전하여 운행을 하는 하이브리드나 전기자동차도 배터리의 무게로 차량무게가 증가하기 때문에 자동차의 경량화가 필수적이다. 일반적으로 자동차 무게의 10%가 감소하면, 연비가 3.8% 향상되고, 배기가스 배출이 감소되고, 가속성능이 향상된다고 알려져 있다. 그에 따라 자동차 경량화를 위한 섬유강화플라스틱(fiber reinforced plastic, FRP)의 연구가 활발히 이루어지고 있다[1,2].
	천연섬유는 유리섬유와 비교하여 어떤 장점을 가지고 있는가?	따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 천연섬유(natural fiber, NF)를 고분자에 혼합하는 천연섬유 복합소재 연구가 활발히 진행되고 있다[3-5]. 천연섬유는 유리섬유와 비교하여 저비중, 생분해성, 가격경쟁력, 내마모도와 같은 장점을 가지고 있으며, 천연섬유 복합소재에 주로 사용되는 천연섬유는 양마(kenaf), 황마(jute), 아마(flax), 대마(hemp), 대나무(bamboo), 목재(wood) 등이 있다. 천연섬유의 주성분은 셀룰로오스,헤미셀룰로오스, 리그닌 등이며, 헤미셀룰로오스는 약한 가교 상태를 유지하고 있어 섬유의 물성엔 크게 기여하지 않고, 리그닌은 낮은 열 안정성을 가지고 있는 반면 셀룰로오스는 결정성이고 약 10,000 정도의 중합도를 가져 인장특성이 높다는 장점이 있다[6-8].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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