Kim, Tae Yeop
(School of Energy, Materials, Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education)
,
Won, Sung Yeon
(School of Energy, Materials, Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education)
,
Kang, Shin Hye
(School of Energy, Materials, Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education)
,
Cho, Ur Ryong
(School of Energy, Materials, Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education)
The optimum mixing conditions of silica and silane containing rubber composites were evaluated by investigating the properties of rubber composites prepared with a silica composition of 10, 20, 40, 60, and 80 g, respectively. The crosslinking rate decreased with increasing silica content, with he pr...
The optimum mixing conditions of silica and silane containing rubber composites were evaluated by investigating the properties of rubber composites prepared with a silica composition of 10, 20, 40, 60, and 80 g, respectively. The crosslinking rate decreased with increasing silica content, with he promoters being adsorbed on the silica surface with in the rubber composite. As a result, the increase in crosslinking time resulted in the destruction of the silica structure. The increase of the bound rubber content due to the destruction of the silica structure inhibited the chain motion of the polymer molecules and reduced the cohesion of the silica itself. Finally, the increase of silica content showed the increase of hardness, tensile strength, and storage modulus of rubber composites.
The optimum mixing conditions of silica and silane containing rubber composites were evaluated by investigating the properties of rubber composites prepared with a silica composition of 10, 20, 40, 60, and 80 g, respectively. The crosslinking rate decreased with increasing silica content, with he promoters being adsorbed on the silica surface with in the rubber composite. As a result, the increase in crosslinking time resulted in the destruction of the silica structure. The increase of the bound rubber content due to the destruction of the silica structure inhibited the chain motion of the polymer molecules and reduced the cohesion of the silica itself. Finally, the increase of silica content showed the increase of hardness, tensile strength, and storage modulus of rubber composites.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 나머지 조건들은 동일하게 고정하고, 실리카의 함량 비에 따른 고무복합체의 특성 연구를 통하여 최적의 함량 비를 찾고자 하였다. 이렇게 제조된 고무복합체의 함량 비에 따른 가교 특성과 결합고무의 함량, 경도, 인장강도를 측정하였고, 동적점탄성을 평가하였으며, 고무복합체에서 실리카의 함량이 증가할수록 가교밀도, 가교시간(t90), 결합고무, 경도, 인장강도, 저장탄성율이 증가함을 확인하였다.
제안 방법
각 고무 복합체의 저장 탄성률과 손실 탄성률의 비를 통해 tan δ를 구하고, tan δ 곡선의 최대 피크 값일 때의 온도를 측정하여 유리전이온도(Tg)값을 결정하였다.
각 고무복합체의 기본특성인 탄성률, 인장강도, 신장률 등을 상온에서 측정하였다. 만능재료시험기(H5KT-0401, TiniusOlsen)를 이용하여 인장속도 500 mm/min의 crosshead speed로 총 5개의 가황 시편을 측정하여 최대값 및 최소값을 제외한 나머지 값들의 평균값을 구하였다.
경도는 Shore A 경도계(Time, TH200)을 이용하여 총 5개의 가교 공정 후의 고무배합체의 시편을 제작하여 5개의 시편을 측정한 뒤 최대값 및 최소값을 제외한 3개의 시편의 평균을 구하였다. 실험 절차는 ASTM D2240에 따랐다.
고무복합체의 가교 특성은 레오미터(DMR2000, Myungji Tech)를 사용하여 140℃에서 진행하였다. 그리고 그래프에서 사용한 가교도 지수 △M (MH-ML)값과 가교반응이 90% 이상 완료된 시간인 t90 값을 측정하였다.
그리고 그래프에서 사용한 가교도 지수 △M (MH-ML)값과 가교반응이 90% 이상 완료된 시간인 t90 값을 측정하였다. 고무복합체의 점도 특성과 관련된 최소 토크값을 측정하였으며, 레오미터의 데이터 값을이용하여최적의고무복합체의가교시간을결정하였다.3
각 고무복합체의 기본특성인 탄성률, 인장강도, 신장률 등을 상온에서 측정하였다. 만능재료시험기(H5KT-0401, TiniusOlsen)를 이용하여 인장속도 500 mm/min의 crosshead speed로 총 5개의 가황 시편을 측정하여 최대값 및 최소값을 제외한 나머지 값들의 평균값을 구하였다.
결합고무 함량 측정은 고무복합체의 일정량을 톨루엔이 담긴 용기 속에 담궈둔다. 상온에서 용매는 72시간마다 총 2회에 걸쳐 교환한 후 배합고무를 빼내고 80℃ 오븐에서 24시간 동안 건조시키고, 상온에 24시간 방치한 후에 무게를 측정하였다. 측정된 값을 통해 결합고무 함량은 아래의 식 (1)로 측정하였다.
; −35℃)을 사용하였고, 보강제로 실리카(Ultrasil 7000GR, Evonik Korea; BET 175 m²/g)와 커플링제는 bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide (TESPT)에 카본블랙을 이용하여 바인더로 제조한 X-50S (Evonik carbon black,Korea)를 사용하였다. 실리카를 배합할 때 실리카 표면에서 실라놀 그룹의 작용으로 인한 가교속도의 지연을 방지하기 위하여 1, 2차 촉진제인 N-cyclohexyl-2-benzothiazole sulfonamide(CBS, Tokyo chemical industry)와 di-phenyl guanidine (DPG,Tokyo chemical industry)을 첨가하였다. Zinc oxide (Samchunpure chemical Co.
실리카를 제외하고 동일한 조성을 가진 고무복합체의 결합 고무의 함량과 실란 반응율을 비교하고 고무복합체의 기계적인 특성변화를 분석하였다. 실리카 함량이 늘어날수록 고무 복합체 내에 촉진제들이 실리카 표면에 흡착되면서 가교 반응속도가 저하되었다.
타이어와 같이 동적 반복 변형을 일으키는 제품의 역학적 성질은 고무복합체의 점성과 탄성을 분리하여 데이터를 측정하고 이에 따라서 제품의 성능을 예측한다. 점성과 탄성의 성질 중에서 어느 성질이 더 크게 작용하냐에 따라 점성체의 특성을 보이기도 하고 탄성체의 특성을 나타내기도 한다.
대상 데이터
실리카를 배합할 때 실리카 표면에서 실라놀 그룹의 작용으로 인한 가교속도의 지연을 방지하기 위하여 1, 2차 촉진제인 N-cyclohexyl-2-benzothiazole sulfonamide(CBS, Tokyo chemical industry)와 di-phenyl guanidine (DPG,Tokyo chemical industry)을 첨가하였다. Zinc oxide (Samchunpure chemical Co.), stearic acid (Daejung reagents chemicals),sulfur (Daejung reagents chemicals)는 상용화된 재료를 사용하였다.
본 논문에서 적용한 원료고무는 solution styrene-butadiene rubber (SSBR, Kumho Polychem, SOL 5251H, styrene 함량; 21 wt%, vinyl content in butadiene; 55 wt%, Mooney viscosity(100℃); 77, Tg; −35℃)을 사용하였고, 보강제로 실리카(Ultrasil 7000GR, Evonik Korea; BET 175 m²/g)와 커플링제는 bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide (TESPT)에 카본블랙을 이용하여 바인더로 제조한 X-50S (Evonik carbon black,Korea)를 사용하였다.
오픈 롤밀(SJTM-200, Sejin Technology)을 사용하여 1, 2차 촉진제와 황을 제외한 재료를 배합 한 후에 CBS와 DPG를 넣고 다시 혼련하고 마지막으로 황을 넣고 배합고무를 제조하였다. 가황은 140℃에서 진행하였다.
데이터처리
고무복합체의 가교 특성은 레오미터(DMR2000, Myungji Tech)를 사용하여 140℃에서 진행하였다. 그리고 그래프에서 사용한 가교도 지수 △M (MH-ML)값과 가교반응이 90% 이상 완료된 시간인 t90 값을 측정하였다. 고무복합체의 점도 특성과 관련된 최소 토크값을 측정하였으며, 레오미터의 데이터 값을이용하여최적의고무복합체의가교시간을결정하였다.
이론/모형
Strain sweep test는 고무물성시험기(RPA-V1, U-CANDYNATEX INC.)를 통해 측정하였다. 진동수 1.
본 시험에서는 강제 진동법에 의한 시험기를 사용하였다. 강제 진동법은 진폭의 비와 위상차를 검출하는 시험기로 시료의 한편을 강제로 진동시키면서 반대편에서 측정하는 시험이다.
경도는 Shore A 경도계(Time, TH200)을 이용하여 총 5개의 가교 공정 후의 고무배합체의 시편을 제작하여 5개의 시편을 측정한 뒤 최대값 및 최소값을 제외한 3개의 시편의 평균을 구하였다. 실험 절차는 ASTM D2240에 따랐다.
성능/효과
실리카 함량을 달리한 고무복합체의 탄성률 변화를 Figure 5에 나타내었다. 140℃의 가교온도에서 실리카 양의 증가에 따라 탄성률과 인장강도는 상승하고, 신장률은 반대로 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 Figure 3에서 보인 바와 같이 실리카 양이 늘어남에 따라 결합고무의 함량이 증가하게 되고, 고무복합체 내부에 생성된 결합고무는 고분자에 비해 견고한 영역으로 작용하여 보강효과를 발휘한 것으로 보인다.
그리고 실리카 양의 증가로 고분자와 실리카의 결합에 의한 결합고무의 형성이 많아졌다. 결국 결합고무는 충진제로서의 역할을 하여 상대적으로 고분자가 차지하고 있던 체적 분율이 감소했고, 고무복합체에서 분자의 사슬 운동이 억제되었다. 반면 타이어의 회전저항 성능을 가리키는 60o C tan δ 값은 실리카 함량의 증가로 인하여 감소하여 고무 복합체의 히스테리시스 특성이 향상되었다.
따라서 본 연구에서는 나머지 조건들은 동일하게 고정하고, 실리카의 함량 비에 따른 고무복합체의 특성 연구를 통하여 최적의 함량 비를 찾고자 하였다. 이렇게 제조된 고무복합체의 함량 비에 따른 가교 특성과 결합고무의 함량, 경도, 인장강도를 측정하였고, 동적점탄성을 평가하였으며, 고무복합체에서 실리카의 함량이 증가할수록 가교밀도, 가교시간(t90), 결합고무, 경도, 인장강도, 저장탄성율이 증가함을 확인하였다.
실리카 함량이 늘어날수록 고무 복합체 내에 촉진제들이 실리카 표면에 흡착되면서 가교 반응속도가 저하되었다. 이로 인한 배합시간의 증가는 실리카 구조의 파괴로 이어졌으며, 실리카 구조의 파괴로 인한 결합 고무의 증가는 고분자의 쇄 운동을 억제하고 실리카 자체 응집력을 감소시켜 우수한 물성을 나타내었다. 즉, 고무복합체에서 실리카의 함량이 증가할수록 가교밀도, t90, 결합고무, 경도, 인장강도, 저장탄성율의 증가를 보여 주었다.
이로 인한 배합시간의 증가는 실리카 구조의 파괴로 이어졌으며, 실리카 구조의 파괴로 인한 결합 고무의 증가는 고분자의 쇄 운동을 억제하고 실리카 자체 응집력을 감소시켜 우수한 물성을 나타내었다. 즉, 고무복합체에서 실리카의 함량이 증가할수록 가교밀도, t90, 결합고무, 경도, 인장강도, 저장탄성율의 증가를 보여 주었다.
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