[논문]프로필렌의 플라즈마 처리로 개질된 목분이 복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향

조동련; 하종록; 김병선; 이진우

doi:10.7234/composres.2017.30.2.145

프로필렌의 플라즈마 처리로 개질된 목분이 복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향
The Effect of Surface-Modification of Wood Powders by Plasma Treatment of Propylene on the Mechanical Properties of Wood Powder/PP Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.30 no.2, 2017년, pp.145 - 148

조동련 (School of Chemical Engineering, Chonnam National University) , 하종록 (Composite Materials Lab, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding) , 김병선 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science) , 이진우 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science)

초록
AI-Helper

프로필렌의 플라즈마 처리로 목분을 표면 개질하여 복합재 기지인 PP와 상용성을 가지게 하였다. 프로필렌을 플라즈마로 처리하여 증착된 소수성 박막 필름의 화학적 구조는 PP와 흡사하였다. 목분과 PP는 이축 압출기에 의해 펠렛으로 만들어 졌고 50 wt% wood powder/PP 복합재료는 사출 성형기에 의해 성형되었다. 인장강도와 굴곡 강도는 최고 7.59% and 12.43%까지 향상되었으며 파단면에 대한 SEM 관찰로 플라즈마 중합이 계면 접착력과 기계적 특성을 향상시킨 것을 볼 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wood powders were surface-modified by plasma-treating propylene to make them compatible with PP matrix in WPC(wood powder composite). The plasma treatment of propylene resulted in the deposition of an ultrathin hydrophobic film which had the chemical structure similar to that of polypropylene. Wood powder and polypropylene were mixed to pellets by twin screw extruder and then 50 wt% wood powder/PP composites were produced by an injection machine. Tensile strength and flexural strength were improved by 7.59% and 12.43% at the maximum respectively. SEM (Scanning Electron Microscopy) observation on the fracture surface revealed that the treatment improved the interfacial bonding and the mechanical properties of the composites.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서 목분과 폴리프로필렌을 균일하게 혼합하고 접착강도를 증가시키기 위하여 목분의 표면에 플라즈마 표면처리를 하였다. 처리된 목분을 이용하여 압∙사출공정을 이용하여 WPC 복합재를 제조한 후 인장시험 및 굴곡강도 시험을 하였고, 복합재의 파단면을 SEM을 이용하여 미세 구조를 평가함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 플라즈마 공정으로 목분의 표면을 개질시킨 후 목분의 분산성과 기지수지와의 접착성 향상이 목 분 복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 플라즈마 공정은 여러 가지 고체 표면을 개질하는데 매우 적합하다.
최근 환경오염과 화석연료 고갈로 인하여 저비용, 재활용, 생분해성 및 높은 강도와 강성을 가지고 있는 자연 섬유 복합재료 개발에 많은 연구가 진행 중에 있다[1-3]. 이에 본 연구에서는 비교적 높은 강도를 나타낼 수 있는 재료인 목분과 폴리프로필렌(Polypropylene)을 사용하는 WPC(Wood Powder Composite) 복합재료를 연구하였다. 일반적으로 목분과 폴리프로필렌을 혼합하게 되면 낮은 기계적 강도를 나타내게 된다[4-6].

제안 방법

1. 폴리프로필렌과의 계면결합력 향상을 위한 최적의 모노머를 선정하기 위해 폴리프로필렌과의 호환성이 가장 좋은 프로필렌 가스를 이용하였다.
WPC 복합재 제조는 Table 1에 나타난 조건 하에서 Fig. 2의(TSE 16 TC, PRISM, U.K.) 개략도와 같이 진행하여 목 분의 함량비가 50 wt%인 혼합체를 제조하였고 펠렛 상태 로 가공한 후 진공 오븐에서 60^oC에서 24시간 진공건조 후 수분을 제거하였다. 제거된 재료를 이용하여 사출기(NE55, (주) Woojin Selex, Korea)로 WPC 복합재를 제조하였다.
처리 시간에 따른 영향을 보면 60분 까지는 인장∙굴곡강도가 점차적으로 증가하다가 그 이후에는 오히려 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 60분까지는 처리 시간이 증가함에 따라 개질 정도가 증가하나 그 이후에는 목분 표면에서의 과도한 전기적 에칭 등에 의한 역효과가 증가함으로써 목분과 폴리프로필렌간의 계면 결합력이 감소하여 기계적 특성이 저하된 것으로 추정된다. 그리고 기계적 특성 평가가 완료된 시편을 이용하여 복합재의 파단면의 미세조직을 관찰하였다. Fig.
기계적 특성 평가를 위해 목분에 대한 플라즈마 표면처리를 각각 20, 40, 60, 80분 동안 실시하였다. 압∙사출 공정을 통해 WPC 복합재를 제조하고 인장강도(ASTM D638 type 1), 굴곡강도(ASTM D790)를 측정, 비교 평가하였다.
기계적 특성 평가를 위해 목분에 대한 플라즈마 표면처리를 각각 20, 40, 60, 80분 동안 실시하였다. 압∙사출 공정을 통해 WPC 복합재를 제조하고 인장강도(ASTM D638 type 1), 굴곡강도(ASTM D790)를 측정, 비교 평가하였다. Fig.
압∙사출공정을 통해 제조된 WPC 복합재를 이용하여 ASTM D638 type 1, ASTM D790의 규격에 따라 만능물성시험기 (UTM, Instron model 5882, U.S.A.)를 통해 인장강도 및 굴곡 강도를 측정하였고 각 시편의 파단면은 SEM (JSM-5800, JEOL, Japan)을 이용하여 목분과 PP의 계면 접착 정도를 확인 하였다.
본 연구에서 목분과 폴리프로필렌을 균일하게 혼합하고 접착강도를 증가시키기 위하여 목분의 표면에 플라즈마 표면처리를 하였다. 처리된 목분을 이용하여 압∙사출공정을 이용하여 WPC 복합재를 제조한 후 인장시험 및 굴곡강도 시험을 하였고, 복합재의 파단면을 SEM을 이용하여 미세 구조를 평가함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
플라즈마 처리로 증착된 프로필렌 박막의 화학적 구조는 박막을 스테인리스 강판에 증착시켜 FTIR-ATR(FT/IR430, Miracle, Jasco)을 이용하여 분석하였고, 소수성은 접촉 각 측정기(G-1, Erma)로 물과의 접촉각을 측정하여 판단하였다.

대상 데이터

WPC 복합재료 제조에 사용된 목분은 (주)화인우드에서 제조된 자동차용 목분으로 진공 건조를 통해 수분을 제거한 후 별도의 정제과정 없이 사용되었다. 폴리프로필렌 (SEETEC M1500, LG Chem.
) 개략도와 같이 진행하여 목 분의 함량비가 50 wt%인 혼합체를 제조하였고 펠렛 상태 로 가공한 후 진공 오븐에서 60^oC에서 24시간 진공건조 후 수분을 제거하였다. 제거된 재료를 이용하여 사출기(NE55, (주) Woojin Selex, Korea)로 WPC 복합재를 제조하였다.
WPC 복합재료 제조에 사용된 목분은 (주)화인우드에서 제조된 자동차용 목분으로 진공 건조를 통해 수분을 제거한 후 별도의 정제과정 없이 사용되었다. 폴리프로필렌 (SEETEC M1500, LG Chem. Co., Korea)은 파우더(powder) 상태로 제작한 후 사용하였다. 플라즈마 처리용 프로필렌 (Matheson, 99.
, Korea)은 파우더(powder) 상태로 제작한 후 사용하였다. 플라즈마 처리용 프로필렌 (Matheson, 99.97%) 가스도 별도의 정제과정 없이 사용되었다.

성능/효과

2. 목분의 표면에 플라즈마 표면처리의 효과를 확인하기 위한 수분 침강 실험을 통해 목분의 표면이 소수성으로 개질이 잘되었음을 확인할 수 있었다. 플라즈마 표면처리조 건은 챔버의 내부압력 = 3.
3. 플라즈마 미처리 목분의 경우 최대 인장강도가 34.68 MPa, 최대 굴곡강도는 50.78 MPa로 나타났으며, 60분 처리의 경우 인장강도가 37.13 MPa, 굴곡강도는 57.09 MPa로 각각 7.62%, 12.43%가 증가하였다. 하지만 60분 이상으로 플라즈마 표면처리를 할 경우 오히려 강도 저하가 나타났다.
5 와 6는 플라즈마 표면처리 시간에 따른 복합재의 인장∙굴 곡강도를 측정한 결과이다. 결과에 나타난 바와 같이 처리 되지 않은 목분의 경우 최대 인장강도가 34.68 MPa, 최대 굴곡강도는 50.78 MPa로 나타났으며, 60분 처리의 경우 인장 강도는 37.13 MPa, 굴곡강도는 57.09 MPa로 각각 7.62%, 12.43%가 증가하였다. 처리 시간에 따른 영향을 보면 60분 까지는 인장∙굴곡강도가 점차적으로 증가하다가 그 이후에는 오히려 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 60분까지는 처리 시간이 증가함에 따라 개질 정도가 증가하나 그 이후에는 목분 표면에서의 과도한 전기적 에칭 등에 의한 역효과가 증가함으로써 목분과 폴리프로필렌간의 계면 결합력이 감소하여 기계적 특성이 저하된 것으로 추정된다.
43%가 증가하였다. 처리 시간에 따른 영향을 보면 60분 까지는 인장∙굴곡강도가 점차적으로 증가하다가 그 이후에는 오히려 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 60분까지는 처리 시간이 증가함에 따라 개질 정도가 증가하나 그 이후에는 목분 표면에서의 과도한 전기적 에칭 등에 의한 역효과가 증가함으로써 목분과 폴리프로필렌간의 계면 결합력이 감소하여 기계적 특성이 저하된 것으로 추정된다. 그리고 기계적 특성 평가가 완료된 시편을 이용하여 복합재의 파단면의 미세조직을 관찰하였다.
프로필렌 플라즈마 처리가 목분에 응용되면 목분의 표면이 소수성으로 변한다는 사실은 목분을 물에 넣었을 때 목분의 분산성이 처리 전에 비하여 크게 달라지는 것을 관 측함으로써 확인할 수 있었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	습식공정과 비교했을때 플라즈마 공정의 장점은?	고로, 프로필렌 플라즈마 공정으로 표면 개질된 목분 표면의 화학적 구조는 프로필렌과 유사하여 목분과 PP사이의 호환성을 향상 시켜준다. 플라즈마 공정이 유기화학물질을 사용하는 습식 공정에 비해 이로운 점은 친환경적이며 건식 공정인 것이다.
	친수성 목분과 소수성 PP가 낮은 상용성을 나타내는 이유는?	그 이유는 친수성 목분과 소수성 PP와의 낮은 상용성 때문이다. 이 낮은 상용성은 PP matrix 내 목분의 불균일한 분포와 목분과 PP의 낮은 계면 접착력 때문이다. 그래서, maleated polyolefins 커플링제 등을 이용한 목분의 분산성과 계면 접착력을 향상시키는 연구 등이 추진되고 있다[7,8].
	목분과 폴리프로필렌을 혼합할 때 낮은 기계적 강도를 나타내는 이유는?	일반적으로 목분과 폴리프로필렌을 혼합하게 되면 낮은 기계적 강도를 나타내게 된다[4-6]. 그 이유는 친수성 목분과 소수성 PP와의 낮은 상용성 때문이다. 이 낮은 상용성은 PP matrix 내 목분의 불균일한 분포와 목분과 PP의 낮은 계면 접착력 때문이다.

참고문헌 (10)

Defosse, M., "Wood Composite are Expanding Among sectors," Modern Plastics, Jan. 2003, pp. 30-33.
Morton and L. Rossi, "Current and Emerging Applications for Natural and Wood Fiber Composite," Proc.7th International Conference on Wood Fiber Composites, Madison, WI, Forest Product Society, 2003.
Clemons, C. and Caufield, D., "Functional Filler for Plastics," Wood Powder, 249- 1st Ed., ISBN3-527-31054-1. 2005.
Kim, B.S., Kim, M.M., Ha, J.R., Um, M.K., and Chun, B.H., "Effect of Plasma Treatment on Lyocell Fabric/PLA," High Performance Structure and Materials V", WIT Transactions, Vol. 112, pp. 271-277, 2010.
Zhang, Y.C., Toghiani, H., Zhang, J.L., Xue, Y.B., and Pittman, C.U., "Studies of Surface-modified Wood Flour/polypropylene Composites," Journal of Materials Science, Vol. 44, No. 8, 2003, pp. 2143-2151.
Nunez, A.J., Sturm, P.C., and Kenny, J.M., "Mechanical Characterization of Polypropylene--wood Flour Composites," Journal of Applied Polymer Science, Vol. 88, No. 6, 2003, pp. 1420-1428.

상세보기
Salemane, M.G., and Luyt, A.S., "Thermal and Mechanical Properties of Polypropylene-wood Powder Composites," Journal of Applied Polymer Science, Vol. 100, No. 5, 2006, pp. 4173-4180.

상세보기
Keneer, T.J., Stuart, R.K., and Brown, T.K., "Maleated Coupling Agents for Natural Fibre Composites," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 35, No. 3, 2004, pp. 357-362.

상세보기
Danyadi, L., Renner, K., Moczo, J., and Pukanszky, B., "Wood Flour Filled Polypropylene Composites: Interfacial Adhesion and Micromechanical Deformations," Polymer Engineering and Science, Vol. 47, No. 8, 2007, pp. 1246-1255.

상세보기
Yasuda, H., "Plasma Polymerization", Academic Press, Orlando, Florida, 1985.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증