[논문]HDPE 함량에 따른 UHMWPE 섬유의 물성에 미치는 연신비의 영향

심진태; 강영식; 김현석; 정재훈; 정용식

doi:10.12772/tse.2019.56.335

HDPE 함량에 따른 UHMWPE 섬유의 물성에 미치는 연신비의 영향
Effect of Drawing Ratio on the Properties of UHMWPE Fibers for HDPE Contents

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.56 no.6, 2019년, pp.335 - 341

심진태 (전북대학교 탄소소재파이버공학과) , 강영식 ((주)디쏠) , 김현석 ((주)디쏠) , 정재훈 (전북대학교 탄소소재파이버공학과) , 정용식 (전북대학교 탄소소재파이버공학과)

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The thermal conductivity of highly oriented ultra-high-molecular-weight polyethylenes (UHMWPEs), such as fiber and film, are known to increase as the drawing ratio increases in the direction of the orientation axis. UHMWPE fibers were prepared by gel spinning and dry heat stretching methods. To increase the drawing ratio, a certain amount of high-density polyethylene (HDPE) was added to the dope. The addition of HDPE enhanced the drawing ratio, and the resultant tensile strength and modulus of the UHMWPE fibers also increased. The HDPE-added fibers showed a lower degree of crystallinity but a higher drawing ratio compared to those of the neat UHMWPE fibers. Therefore, HDPE was an effective additive for producing highly drawn UHMWPE fibers as potential fibrous heat-release materials.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Temperature condition for gel formation.
그림 Figure 2. Schematic representation of melt spinning assembly; (a) cylinder pump, (b) coagulation bath, (c) 1st drawing roller, (d) washing bath, (e) 2nd drawing roller, and (f) winder.
그림 Figure 3. Draw ratio of fibers of UHMWPE/HDPE; (a) spin-draw ratios and (b) total-draw ratios.
그림 Figure 4. DSC thermograms of fibers with different draw ratios; (a) the first heating curves of the UHMWPE fibers, (b) the first heating curves of the UHMWPE/HDPE (95/5) fibers, (c) the cooling curves of the UHMWPE fibers, and (d) the cooling curves of the UHMWPE fibers.
그림 Figure 5. Crystallinity values of fibers with different total-draw ratios.
그림 Figure 6. XRD patterns of fibers with different draw ratios; (a) UHMWPE fibers and (b) UHMWPE/HDPE(95/5) fibers.
표 Table 1. Properties of UHMWPE/HDPE fibers at various draw ratios
그림 Figure 7. Crystallite size of the fibers; (a) UHMWPE fibers and (b) UHMWPE/HDPE(95/5) fibers.
그림 Figure 8. Mechanical properties of fibers; (a) tensile strength, (b) tensile modulus, and (c) elongation at break.
그림 Figure 9. SEM micrographs of UHMWPE/HDPE fibers; (a) UHMWPE x10, (b) UHMWPE x25, (c) UHMWPE/HDPE(95/5) x10, and (d) UHMWPE/HDPE(95/5) x35.
표 Table 2. Fiber diameters with different draw ratios

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 섬유의 연신비를 증가시키기 위해 UHMWPE와 HDPE 비율에 따른 겔을 제조한 후 섬유를 방사하고, 이에 따른 기계적 물성 및 구조 변화를 관찰하였다.

제안 방법

SEM을 이용하여 섬유의 표면을 관찰하였다. UHMWPE 섬유 연신비 10배와 UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유 연신비 35배의 SEM 이미지를 Figure 9에 나타내었다.
UHMWPE/HDPE 섬유의 XRD 패턴은 X-ray diffractometer(XRD, PW 1700, Philips)를 이용하여 20 mA의 전류, 40 kV의 전압의 Cu Kα선(λ=0.1540 nm)을 조사하여 얻었다.
UHMWPE/HDPE 섬유의 인장강도, 탄성률, 파단신도는 만능재료시험기(UTM, Instron 5567, Instron)를 이용하였다. 로드셀 용량은 500 N을 사용하였고, 상온에서 파지간격 20 mm, 인장 속도 10 mm/min으로 실시하였다.
UHMWPE/HDPE 섬유의 형태학적 특성을 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, JSM5900, JEOL)을 이용해 연신비에 따른 섬유 표면 및 직경을 확인하였다.
UHMWPE/HDPE를 100/0, 99/1, 98/2, 95/5, 90/10 중량비로 파라핀오일에 용해하여 5 wt%로 제조하였다. 방사 시겔의 규칙적인 흐름을 촉진하기 위해 알루미늄스테아레이트 1 wt%를 첨가하고, 산화방지를 위해 BHT 0.
XRD 분석을 통해 섬유의 결정피크, 결정 크기를 확인하였다. Figure 6에 UHMWPE, UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유의 연신비에 따른 XRD 회절 패턴을 나타내었다.
겔 섬유 내에 잔류하고 있는 파라핀 오일을 제거하기 위해 용매를 추출하였다. 용매추출은 두 개의 롤러를 이용하여 헥산이 담겨있는 수세조에서 10회 수세를 실시하였다.
또한 HDPE 비율에 따른 섬유의 최대 방사 연신비를 확인하기 위해 용매 추출 전 연신을 실시하였다. 연신은 총 9단의 롤러를 사용하여 실시하였으며, 각 구간 별 롤러 속도 차이로 실시하였다.
UHMWPE/HDPE를 100/0, 99/1, 98/2, 95/5, 90/10 중량비로 파라핀오일에 용해하여 5 wt%로 제조하였다. 방사 시겔의 규칙적인 흐름을 촉진하기 위해 알루미늄스테아레이트 1 wt%를 첨가하고, 산화방지를 위해 BHT 0.1 wt%가 첨가되었다. 산소와의 접촉을 차단하고 Figure 1의 온도조건에서 염색기(DL-6000, Daelim Starlet Co.
본연구에서는섬유의연신비를증가시키기위해 UHMWPE와 HDPE 비율에 따른 겔을 제조한 후 섬유를 방사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
섬유 축에 수직인 방향으로 측정하였으며, scan range는 2θ=5~50 °, scan speed는 2 °/min으로 기록되었다.
수세를 마친 섬유는 히팅롤러를 이용하여 건조 및 열연신을 실시하였다. 110^oC의 온도조건에서 4개 롤러의 속도차이로 섬유 연신을 실시하였다.
연신비에 따른 용융 온도, 결정화온도, 결정화도에 미치는 영향을 확인하기 위해 N2 기체 하에서 온도범위 20−160 °C, 승온 속도 10 °C/min로 측정하였다.
겔 섬유 내에 잔류하고 있는 파라핀 오일을 제거하기 위해 용매를 추출하였다. 용매추출은 두 개의 롤러를 이용하여 헥산이 담겨있는 수세조에서 10회 수세를 실시하였다.

대상 데이터

165^oC로 예열된 방사구에 제조된 겔을 넣고 20분간 안정화시킨 후 방사를 실시하였다. 노즐은 직경 0.5 mm, L/D=8의 모노 노즐을 사용하였다. 방사 온도는 165^oC, 방사 속도는 0.
본 연구에는 UHMWPE(GUR 4022, Celanese, USA)와 HDPE(YUHWA HIDEN E308, Korea Petrochemical Ind. Co., Ltd., Korea)를 사용하였다. 파라핀 오일(paraffin oil, Damul Chem, Korea)을 사용하여 겔을 제조하였으며, 첨가제로 방사성 향상을 위해 알루미늄스테아레이트(aluminum stearate, Daejung Chemicals & Metals Co.
산화방지제는 butylated hydroxyl toluene(BHT, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea), 섬유수세는 헥산(n-hexane, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)을 사용하였다.
또한 HDPE 비율에 따른 섬유의 최대 방사 연신비를 확인하기 위해 용매 추출 전 연신을 실시하였다. 연신은 총 9단의 롤러를 사용하여 실시하였으며, 각 구간 별 롤러 속도 차이로 실시하였다.
파라핀 오일(paraffin oil, Damul Chem, Korea)을 사용하여 겔을 제조하였으며, 첨가제로 방사성 향상을 위해 알루미늄스테아레이트(aluminum stearate, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)를 사용하였다[19,20].

이론/모형

섬유 축에 수직인 방향으로 측정하였으며, scan range는 2θ=5~50 °, scan speed는 2 °/min으로 기록되었다. XRD에 의한 결정 크기는 Scherrer 식으로 구하였다.

성능/효과

1. UHMWPE 섬유의 방사 연신비는 HDPE 비율에 따라 증가하는 경향을 보였으며 총연신비는 최대 35배까지 증가 후 감소하는 경향을 보였다. HDPE가 가소제로 작용하여 연신비의 증가를 가져오나 일정량 이상의 첨가는 분자 사슬 사이에서 입체장애를 발생시켜 총 연신비가 감소하는 것으로 판단된다.
2. 연신비에 따른 결정화도는 UHMWPE 섬유가 UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유보다 증가하였으며, 결정 크기는 연신비가 증가할수록 섬유 축에 수직인 방향으로 감소하였다. 따라서 섬유 축 방향으로 결정크기 증가를 확인하였으며, UHMWPE 섬유가 UHMWPE(95/5) 섬유보다 축방향으로 결정 크기가 증가한 것으로 판단된다.
3. 제조된 섬유의 연신비에 따라 인장강도와 탄성률은 증가하고 파단신도는 감소하였다. 이는 HDPE가 가소제 역할을 하여 연신비를 증가시키고 기계적 물성을 증가시킨 것으로 판단된다.
4. 섬유 연신비가 증가함에 따라 표면의 단차를 관찰할 수 있었다. 이는 섬유의 형상이 원형이 아님을 나타내며 이로 인해 이론적 강도에 도달하지 못하는 것으로 판단된다.
2 g/d까지 증가하였으며, 탄성률은 49 g/d에서 120 g/d로 증가하였다. UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유는 동일 배율의 UHMWPE 섬유에 비해 물성이 감소하였으나 총 연신비는 35배, 인장강도는 4.6 g/d로 증가하였다. 파단신도도 연신비의 증가에 따라 감소하였는데, 이는 앞서 설명한 HDPE가 가소제로 작용하여 연신비를 증가시킨 것으로 판단된다.
UHMWPE/HDPE 블렌드 비율에 따른 섬유의 총 연신비를 확인하기 위해 방사 연신비를 3배로 고정하고 열연신한 결과를 Figure 3(b)에 나타냈다. UHMWPE/HDPE(95/5)까지 최대 연신비는 증가하였으나, UHMWPE/HDPE(90/10)부터는 감소하였다. 높은 연신비에서 과량의 HDPE가 UHMWPE 분자 사슬 사이에서 입체장애를 발생시켜 최대 연신비가 감소하는 것으로 판단된다.
피크에서 확인할 수 있는 여러 인자들을 이용하여 계산한 결정 크기를 Figure 7에 나타내었다[22]. 결정 크기는 연신비가 증가할수록 섬유 축에 수직인 방향으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 섬유 축 방향으로의 결정 크기 증가를 나타내며, UHMWPE 섬유의 결정크기가 UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유보다 높은 결정크기를 나타냈다.
이는 연신비 증가에 따라 결정화도가 증가한 결과로 판단된다. 결정화도는 UHMWPE 섬유가 UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유보다 증가한 것을 확인하였는데, 이는 HDPE가 가소제로 작용하여 연신비는 증가시키지만 분자말단 개수의 증가로 인해 결정화도를 감소에 영향을 미친것으로 판단된다.
연신비에 따른 결정화도는 UHMWPE 섬유가 UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유보다 증가하였으며, 결정 크기는 연신비가 증가할수록 섬유 축에 수직인 방향으로 감소하였다. 따라서 섬유 축 방향으로 결정크기 증가를 확인하였으며, UHMWPE 섬유가 UHMWPE(95/5) 섬유보다 축방향으로 결정 크기가 증가한 것으로 판단된다. 이는 HDPE가 가소제로 작용하여 섬유 연신비는 증가시키지만 결정 크기에 미치는 영향은 적으며 분자 말단 개수의 증가로 인해 결정화도를 감소시키는 것으로 판단된다.
분석결과 2θ=21 ° 부근에 위치한 피크와 24 °에 위치한 피크는 각각 (110), (200)면의 폴리에틸렌 결정격자의 회절에 의한 것으로 orthorhomibic crystal로 이루어진 PE임을 확인하였다.
Table 1에 UHMWPE/HDPE 섬유의 연신비에 따른 T_m, T_c 및 ∆H_f값을 나타내었다. 연신비가 증가할수록 T_m, T_c는 거의 일정한 온도를 나타내었으며, 용융열을 나타내는 피크의 면적이 커지는 것을 확인하였다. 이는 연신비 증가에 따라 결정화도가 증가한 결과로 판단된다.
이는 섬유 축 방향으로의 결정 크기 증가를 나타내며, UHMWPE 섬유의 결정크기가 UHMWPE/HDPE(95/5) 섬유보다 높은 결정크기를 나타냈다. 이는 HDPE가 연신비는 증가시켜주지만 결정크기에 미치는 영향은 낮다고 판단되며, DSC 분석에 의한 결정화도 증가와도 부합하는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고분자량폴리에틸렌의 특징은 무엇인가?	초고분자량폴리에틸렌(ultra high molecular weightpolyethylene, UHMWPE)은 평균분자량이 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE) 분자량의 10배 정도의 선형 폴리에틸렌으로 분자량이 높은 재료이다. 구조가단순하고 유연성이 있으며, 우수한 내화학성, 내마모성, 내충격성 및 전기절연성 등을 나타낸다. UHMWPE 섬유는준희박용액 상태로 겔을 제조하여 방사를 실시하고 초연신과정을 통해 분자사슬을 섬유 축 방향으로 배향시켜 제조한다[1−9].
	UHMWPE 섬유의 제조방법은 무엇인가?	구조가단순하고 유연성이 있으며, 우수한 내화학성, 내마모성, 내충격성 및 전기절연성 등을 나타낸다. UHMWPE 섬유는준희박용액 상태로 겔을 제조하여 방사를 실시하고 초연신과정을 통해 분자사슬을 섬유 축 방향으로 배향시켜 제조한다[1−9]. UHMWPE는 희박용액 상태에서 분자가 shishkebab의 구조를 형성한다.
	초고분자량폴리에틸렌의 장점은 무엇인가?	초고분자량폴리에틸렌(ultra high molecular weightpolyethylene, UHMWPE)은 평균분자량이 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE) 분자량의 10배 정도의 선형 폴리에틸렌으로 분자량이 높은 재료이다. 구조가단순하고 유연성이 있으며, 우수한 내화학성, 내마모성, 내충격성 및 전기절연성 등을 나타낸다. UHMWPE 섬유는준희박용액 상태로 겔을 제조하여 방사를 실시하고 초연신과정을 통해 분자사슬을 섬유 축 방향으로 배향시켜 제조한다[1−9].

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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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