[논문]A Study on Properties of SSBR/NdBR Rubber Composites Reinforced by Silica

Lee, Dam-Hee; Li, Xiang Xu; Cho, Ur-Ryong

doi:10.7473/ec.2018.53.4.202

A Study on Properties of SSBR/NdBR Rubber Composites Reinforced by Silica 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.53 no.4, 2018년, pp.202 - 206

Lee, Dam-Hee (School of Energy, Materials and Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education) , Li, Xiang Xu (Research Center of Eco-friendly & High-performance Chemical materials) , Cho, Ur-Ryong (School of Energy, Materials and Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education)

Abstract ▼ AI-Helper

Five solution styrene butadiene rubber/neodymium butadiene rubber (SSBR/NdBR) composites were manufactured using different ratios of SSBR and NdBR. In this study, the composites were reinforced with NdBR and silica to confirm the physical properties of SSBR used for treads of automobile tires and the dispersibility with silica. The morphologies of the rubber composites were observed using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The crosslinking behaviors of the composites were tested using a rubber process analyzer (RPA), and the abrasion resistances were tested using a National Bureau of Standards (NBS) abrasion tester. The hardness values, tensile strengths, and cold resistances of the composites were also tested according to ASTM standards. Increased NdBR content yielded composites with excellent crosslinking properties, abrasion resistances, hardnesses, tensile strengths, and cold resistances. The crosslinking point increased due to the double bond in NdBR, thereby increasing the degree of crosslinking in the composites. The NdBR-reinforced composites exhibited excellent abrasion resistances, which is explained as follows. In SSBR, a breakage is permanent because a resonance structure between styrene and SSBR forms when the molecular backbone is broken during the abrasion process. However, NdBR forms an additional crosslink due to the breakdown of the molecular backbone and high reactivity of the radicals produced. In addition, the low glass transition temperature (Tg) of NdBR provided the rubber composites with excellent cold resistances.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Fomulation of SSBR/NdBR Blends
그림 Figure 1. SEM images of SSBR/NdBR blends; (a) S100; (b) S90; (c) S80; (d) S70; (e) S60.
표 Table 2. Curing Characteristics of SSBR/NdBR Blends
표 Table 3. Hardnesses of SSBR/NdBR Blends
그림 Figure 2. Tensile strengths of SSBR/NdBR blends.
그림 Figure 3. Abrasion resistance test results of SSBR/NdBR blends.
표 Table 4. Cold Resistance of SSBR/NdBR Blends

AI 본문요약
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문제 정의

이는 극지방이나 고산지대에서 상용 가능한 타이어나 신발 밑창, 트레드용 고무복합체에 대한 좋은 방안으로 적용될 수 있다. 본 연구에서는 실리카와 기타 충전제 비율은 동일하게 고정하고, SSBR 과 NdBR의 함량 변화에 따른 고무복합체의 물성 연구를 통하여 결합고무의 가교특성, 경도, 인장강도, 내마모성, 내한성에서 경향성을 보고자 하였다.

제안 방법

^4,5 또한 타이어용 SBR은 접지력이 우수하나 이와 반대급부로 따라오는 불량한 내마모성을 보강하기 위하여 butadiene rubber (BR)을 혼합하여 사용한다.⁶ 타이어용 고무복합체에서 BR의 함량 증가는 butadiene에 존재하는 이중결합의 증가로, 이는 고무 가교의 가장 일반적인 방법인 유황 가황을 위한 가교점을 제공한다. 또한 최근에는 다양한 기후조건 하에서 대외적인 활동을 활발히 하고 있기 때문에 고무복합체의 내한성에 대한 관심이 크다.
배합과정에서 컴파운드 내부의 온도는 60℃를 유지하였다. Rubber process analyzer (RPA)를 이용하여 최적의 가황시간(t₉₀)을 측정한 후 2 mm 두께의 몰드를 이용하여 160℃, 10 MPa의 조건에서 t₉₀ 동안 가황하였다. 배합처방은 Table 1에 나타내었다.
SSBR과 NdBR을 오픈 롤밀(open rollmill)을 이용하여 5 분간 소련한 후 ZnO, SA, silica, carbon black (CB)을 첨가하여 10 분간 혼합하였다. 그 후에 sulfur, CBS, DPG를 넣고 3분간 혼련하여 배합고무를 제조하였다.
경도는 ASTM D2240의 시험방법을 따랐다. Shore A 경도계(Time, TH200)를 사용하여 총 5 개의 가황고무를 6 mm 두께로 제작하여 5 번 측정한 후 최대 값 및 최소 값을 제외한 3 개의 시편의 평균을 구하였다.
고무복합체의 모폴로지를 조사하기 위해 제조된 2 mm 두께의 시편을 액체질소로 급속 냉동 후 파단하여 2 분간 백금 코팅 후 SEM (scanning electron microscopy, EM-30, Coxem)을 이용하여 파단면을 관찰하였다.
고무복합체의 유변학적 성질 및 가교특성, 적정가교 시간을 측정하기 위하여 RPA-V1 (U-can Inc., Taiwan)을 이용하여 160℃, 30 분 동안 측정하였다. 실험은 ASTM 6204 시험 방법을 따랐다.
SSBR과 NdBR을 오픈 롤밀(open rollmill)을 이용하여 5 분간 소련한 후 ZnO, SA, silica, carbon black (CB)을 첨가하여 10 분간 혼합하였다. 그 후에 sulfur, CBS, DPG를 넣고 3분간 혼련하여 배합고무를 제조하였다. 배합과정에서 컴파운드 내부의 온도는 60℃를 유지하였다.
26 mm × 6 mm × 2 mm 크기의 시편을 제작한 후 시편과 시험편 집게를 –50℃의 내한성 시험기에 2 일간 냉동한다. 냉동된 시편을 각 조성에서 5 회 타격하여 몇 개의 시험편이 파괴되었는지를 측정한다.
자동차 타이어 트레드용으로 사용되는 SSBR의 물성 향상과 silica와의 분산성을 확인하기 위해 NdBR과 silica로 보강하여 실험을 실시하였다. NdBR의 함량이 증가할수록 가교속도가 빨라지고 가교도가 증가하는 경향을 보였다.
인장시험은 ASTM D 412의 규격에 맞추어 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 만능재료시험기(H5KT, Tinius Olsen)를 이용하여 인장속도 500 mm/min으로 각 배합당 5 개의 시편을 측정하여 최대값 및 최소값을 제외한 나머지 값들의 평균값을 구하였다.

대상 데이터

/g)와 커플링제는 bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide (TESPT)로 표면을 개질한 카본블랙(X-50s, Evonik carbon black Korea)을 사용하였다. 가교제로는 sulfur (Daejung Reagents Chemicals)를 사용하였고 실리카 배합 시 실라놀 그룹의 작용으로 인한 가교속도 지연을 방지하기 위하여 1, 2차 가교촉진제로 N-cyclohexyl-2-benzothiazole sulfonamide (CBS, Tokyo Chemical Industry)와 di-phenyl guanidine (DPG, Tokyo Chemical Industry)를 사용하였고, 이외에 zinc oxide (ZnO, Samchun Pure Chemical Co.), stearic acid (SA, Daejung Reagents Chemicals)는 상용화된 재료를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 원료 고무는 solution styrene-butadiene rubber (SSBR, Kumho Petrochemical, SOL-5270H, styrene content; 21 wt%, vinyl content; 65 wt%, Mooney viscosity (100℃); 63, Tg; −26℃)와 ultra high-cis polybutadiene rubber (NdBR, Kumho Petrochemical, NdBR-40, cis content; > 97 wt%, Mooney viscosity (100℃); 43, Tg; −100℃)를 사용하였고, 보강제로 실리카(Ultrasil 7000GR, Evonik Korea; BET 175 m2/g)와 커플링제는 bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide (TESPT)로 표면을 개질한 카본블랙(X-50s, Evonik carbon black Korea)을 사용하였다.

이론/모형

ASTM D 1630에 의거 시험을 실시하였다. 25.
ISO 1432:2003에 의거하여 시험을 실시하였다. 26 mm × 6 mm × 2 mm 크기의 시편을 제작한 후 시편과 시험편 집게를 –50℃의 내한성 시험기에 2 일간 냉동한다.
경도는 ASTM D2240의 시험방법을 따랐다. Shore A 경도계(Time, TH200)를 사용하여 총 5 개의 가황고무를 6 mm 두께로 제작하여 5 번 측정한 후 최대 값 및 최소 값을 제외한 3 개의 시편의 평균을 구하였다.
, Taiwan)을 이용하여 160℃, 30 분 동안 측정하였다. 실험은 ASTM 6204 시험 방법을 따랐다. 가교속도 CRI (cure rate index)는 식 (1)로 계산하였다.
인장시험은 ASTM D 412의 규격에 맞추어 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 만능재료시험기(H5KT, Tinius Olsen)를 이용하여 인장속도 500 mm/min으로 각 배합당 5 개의 시편을 측정하여 최대값 및 최소값을 제외한 나머지 값들의 평균값을 구하였다.

성능/효과

주요인으로는 가교도의 증가로 조밀한 매트릭스를 가지는 조성이 내마모성이 높고, SSBR의 경우 마모 진행 중에서 분자 주쇄가 끊어질 때 styrene과 공명구조를 이루기 때문에 안정되어 끊어짐이 영구히 지속되는 반면, NdBR의 경우 분자 주쇄가 끊어지고 생성된 라디칼의 높은 반응성으로 또 다른 가교를 형성하기 때문에 내마모성에서 우수하다.⁸ 내한성 측정 결과는 NdBR의 함량이 증가할수록 좋은 결과를 보였다. 이는 NdBR의 Tg가 –100℃로 낮기 때문에 고무복합체의 Tg가 낮아져서 내한성이 향상된 것으로 판단되었다.
NdBR의 함량이 증가할수록 가교속도가 빨라지고 가교도가 증가하는 경향을 보였다. NdBR의 함량 증가는 분자 내의 이중결합의 증가로 가교 지점이 증가하는 것으로 판단되었다. 또한 고분자주쇄에 styrene 그룹의 비율이 감소하므로 조금 더 선형적인 구조가 되어 가교 거리가 줄어들게 되는 것도 가교속도와 가교도의 증가 이유로 생각된다.
가교도의 경우 NdBR의 함량이 증가할수록 증가하는 모습을 볼 수 있었다. NdBR의 함량의 증가는 분자 내의 이중결합의 증가로 가교 지점이 증가함으로 가교도가 증가되었다고 판단되었다.
자동차 타이어 트레드용으로 사용되는 SSBR의 물성 향상과 silica와의 분산성을 확인하기 위해 NdBR과 silica로 보강하여 실험을 실시하였다. NdBR의 함량이 증가할수록 가교속도가 빨라지고 가교도가 증가하는 경향을 보였다. NdBR의 함량 증가는 분자 내의 이중결합의 증가로 가교 지점이 증가하는 것으로 판단되었다.
SSBR과 NdBR의 배합비율에 따른 분산성은 큰 차이를 보이지 않았다. NdBR의 함량이 증가할수록 고분자주쇄의 소수성이 커지게 되므로 충전제-충전제 상호작용이 커지므로 응집현상으로 인하여 미세하게 충전제의 분산성이 낮아지는 모습을 관찰할 수 있었다.
분자 내 이중결합의 증가와 조밀한 구조는 경도와 인장강도의 증가로 나타났다. 내마모성 측정 결과도 NdBR의 함량 증가가 수치 증가로 나타났다. 주요인으로는 가교도의 증가로 조밀한 매트릭스를 가지는 조성이 내마모성이 높고, SSBR의 경우 마모 진행 중에서 분자 주쇄가 끊어질 때 styrene과 공명구조를 이루기 때문에 안정되어 끊어짐이 영구히 지속되는 반면, NdBR의 경우 분자 주쇄가 끊어지고 생성된 라디칼의 높은 반응성으로 또 다른 가교를 형성하기 때문에 내마모성에서 우수하다.
또한 고분자주쇄에 styrene 그룹의 비율이 감소하므로 조금 더 선형적인 구조가 되어 가교 거리가 줄어들게 되는 것도 가교속도와 가교도의 증가 이유로 생각된다. 모폴로지 관찰 결과는 실리카 입자가 비교적 균일하게 잘 분산된 것으로 확인되었다. 경도와 인장강도 측정결과는 가교도와 비슷한 경향을 보였다.

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저자의 다른 논문 :

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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