[논문]과산화물 농도가 천연고무 스폰지의 팽윤에 미치는 효과

이환광; 전필선; 정태경; 하병근; 장기원; 이성택; 김성찬; 김현기; 최경만; 김영민; 한동훈

문제 정의

본 연구에서는 헬리콥터의 연료탱크에 적용가능한 적층구조의 복합재료에 적합한 고무재료를 개발하기 위하여 천연고무를 사용하여 발포고무를 제조하고 시료가 연료와 접촉할 때 발생하는 팽윤거동을 검토하였다. 금번 연구는 동일한 금형조건에서 과산화물 가교제의 함량을 변화시켜서 천연고무의 가교도를 조절하였고 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다.
헬리콥터의 연료탱크에 적용가능한 자기밀폐성을 갖는 고무소재를 개발하기 위하여 천연고무를 사용하여 발포고무를 제조하고 연료의 접촉에 따른 팽윤거동을 연구하였다. 동일한 금형조건에서 가교제의 함량을 변화시켜 천연고무의 가교도를 조절하여 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다.

제안 방법

그러나 가교되지 않은 상태에서 발포제가 분해되면 발생한 기체는 셀구조를 형성하지 못하고 고분자콤파운드 밖으로 새어 나오게 되므로 가압상태(150kgf/cm²)의 1차금형에서 발포제가 분해되지 않는 다소 낮은 온도에서 천연고무를 부분적으로 가교시킨 이후 신속하게 대기압조건의 2차금형으로 옮겨서 발포와 완전가교반응을 실시하였다. 1차금형과 2차금형의 온도와 체류시간은 Oscillating Disk Rheometer를 활용하여 고무컴파운드의 가황특성을 평가하여 결정하였으며 본 연구의 모든 경우에 동일한 조건을 적용시켰다.
다음에 고무의 스폰지 구조를 얻기 위하여 사용하는 발포제와 고무의 가교반응을 일으키는 과산화물은 Roll-Mill 작업에서 투입하였다. Roll-Mill을 통하여 얻은 시트를 적절한 두께로 몇 장 겹쳐서 금형에 넣고 고무의 가교반응과 발포제의 분해반응을 진행시켜 발포고무 시편을 제조하였다.
따라서 발포시킬 때 금형의 압력이 낮은 상압발포를 검토하였다. 그러나 가교되지 않은 상태에서 발포제가 분해되면 발생한 기체는 셀구조를 형성하지 못하고 고분자콤파운드 밖으로 새어 나오게 되므로 가압상태(150kgf/cm²)의 1차금형에서 발포제가 분해되지 않는 다소 낮은 온도에서 천연고무를 부분적으로 가교시킨 이후 신속하게 대기압조건의 2차금형으로 옮겨서 발포와 완전가교반응을 실시하였다. 1차금형과 2차금형의 온도와 체류시간은 Oscillating Disk Rheometer를 활용하여 고무컴파운드의 가황특성을 평가하여 결정하였으며 본 연구의 모든 경우에 동일한 조건을 적용시켰다.
본 연구에서는 헬리콥터의 연료탱크에 적용가능한 적층구조의 복합재료에 적합한 고무재료를 개발하기 위하여 천연고무를 사용하여 발포고무를 제조하고 시료가 연료와 접촉할 때 발생하는 팽윤거동을 검토하였다. 금번 연구는 동일한 금형조건에서 과산화물 가교제의 함량을 변화시켜서 천연고무의 가교도를 조절하였고 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다.
금형에서 제거한 발포고무는 시간이 흐르면서 부피가 수축하므로 실온에서 1개월 이상 방치하여 안정화 시킨 후 밀도를 측정하고 팽윤실험을 실시하였다. 팽윤실험에 필요한 시편은 금형과 접촉한 스킨 층을 배제시키고 셀의 분포가 비교적 균일한 중간 부위를 사용하였다.
헬리콥터의 연료탱크에 적용가능한 자기밀폐성을 갖는 고무소재를 개발하기 위하여 천연고무를 사용하여 발포고무를 제조하고 연료의 접촉에 따른 팽윤거동을 연구하였다. 동일한 금형조건에서 가교제의 함량을 변화시켜 천연고무의 가교도를 조절하여 얻어진 스폰지의 셀구조와 연료에 의한 팽윤거동을 조사하였다. 과산화물 투입량을 낮춤에 따라 팽윤비는 서서히 높아지다 급격히 증가하며 다시 감소하는 결과를 얻었다.
가압조건에서 발포시키면 셀의 크기와 분포가 비교적 균일하게 형성되지만, 발포배율이 낮고 닫힌셀 구조가 형성되어 본 연구에서 추구하는 천연고무 스폰지를 연료에 담갔을 때 신속한 연료의 침투를 확보할 수 없다[1]. 따라서 발포시킬 때 금형의 압력이 낮은 상압발포를 검토하였다. 그러나 가교되지 않은 상태에서 발포제가 분해되면 발생한 기체는 셀구조를 형성하지 못하고 고분자콤파운드 밖으로 새어 나오게 되므로 가압상태(150kgf/cm²)의 1차금형에서 발포제가 분해되지 않는 다소 낮은 온도에서 천연고무를 부분적으로 가교시킨 이후 신속하게 대기압조건의 2차금형으로 옮겨서 발포와 완전가교반응을 실시하였다.
발포고무를 제조하기 위하여 먼저 소형 Kneader와 Roll-Mill을 사용하여 고무컴파운드를 제조하고 온도와 압력이 조절되는 프레스에서 시편을 성형하였다. 천연고무 덩어리를 Kneader에 넣고 어느 정도 균일한 상태가 되면 화학반응을 일으키지 않는 보강제와 첨가제를 넣고 약 10분 정도 혼련을 실시하였다.
발포고무의 셀구조는 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다. 시료를 액체질소에 담가 급냉시킨 후 충격을 가하여 파단면을 형성하고 진공에서 표면에 금을 코팅하여 전자현미경 관찰에 필요한 시편을 제조하였다.
시료를 2cm x 1.5cm x 0.5cm의 직육면체 크기로 잘라서 20～23℃ 온도에서 충분한 양의 용매에 담가 2분 후 꺼내어 시료의 표면에 묻은 용매를 티슈로 가볍게 제거하고 신속하게 시편의 질량과 부피를 측정하여 질량팽윤비와 부피팽윤비 값을 결정하였다.
발포고무의 셀구조는 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다. 시료를 액체질소에 담가 급냉시킨 후 충격을 가하여 파단면을 형성하고 진공에서 표면에 금을 코팅하여 전자현미경 관찰에 필요한 시편을 제조하였다.
발포고무를 제조하기 위하여 먼저 소형 Kneader와 Roll-Mill을 사용하여 고무컴파운드를 제조하고 온도와 압력이 조절되는 프레스에서 시편을 성형하였다. 천연고무 덩어리를 Kneader에 넣고 어느 정도 균일한 상태가 되면 화학반응을 일으키지 않는 보강제와 첨가제를 넣고 약 10분 정도 혼련을 실시하였다. 다음에 고무의 스폰지 구조를 얻기 위하여 사용하는 발포제와 고무의 가교반응을 일으키는 과산화물은 Roll-Mill 작업에서 투입하였다.

대상 데이터

천연고무는 SVR-3L(베트남산)을 사용하였으며 과산화물은 3M40%(Akzo)와 F40%(Sekiarkema), 카본블랙은 N774(Korea Carbon Black), 기타첨가제는 산화아연(유승산업)과 스테아린산(LG화학), 스테아린산아연(송원산업), 가공오일(미창석유화학)을 사용하였다. 발포제는 중탄산나트륨(금양화학 KY91)을 사용하였다.
팽윤비는 용매에 담그기 전 시료의 질량과 부피를 기준으로 용매에 의하여 증가된 질량과 부피를 백분율로 나타내었다. 용매는 항공유, 이소옥탄과 톨루엔을 사용하였다. 밀도와 팽윤비는 모든 경우 3회 이상 측정하여 얻어진 값들의 평균치를 Data로 취하였다.
천연고무는 SVR-3L(베트남산)을 사용하였으며 과산화물은 3M40%(Akzo)와 F40%(Sekiarkema), 카본블랙은 N774(Korea Carbon Black), 기타첨가제는 산화아연(유승산업)과 스테아린산(LG화학), 스테아린산아연(송원산업), 가공오일(미창석유화학)을 사용하였다. 발포제는 중탄산나트륨(금양화학 KY91)을 사용하였다.

이론/모형

5cm의 직육면체 크기로 잘라서 20～23℃ 온도에서 충분한 양의 용매에 담가 2분 후 꺼내어 시료의 표면에 묻은 용매를 티슈로 가볍게 제거하고 신속하게 시편의 질량과 부피를 측정하여 질량팽윤비와 부피팽윤비 값을 결정하였다. 팽윤실험은 항공기 연료탱크의 발포저항성에 관한 규격을 충족시키기 위하여 제시되어 있는 조건을 따랐다[3]. 팽윤비는 용매에 담그기 전 시료의 질량과 부피를 기준으로 용매에 의하여 증가된 질량과 부피를 백분율로 나타내었다.

성능/효과

5 phr 근처에서 급격히 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보여준다. 3M40%를 0.5phr 투입하여 제조한 스폰지 시료를 실온의 용매에 2분 동안 담근 후 측정한 부피팽윤비는 226%(항공유), 396%(이소옥탄), 417%(톨루엔)으로 매우 높은 값을 보여준다. 과산화물 함량에 따라 천연고무 스폰지의 팽윤비 값이 극적으로 변화하는 현상은 가교제 투입량을 약간 낮추면 천연고무 고분자 사슬의 가교도가 약간 낮아짐에 따라 부피팽윤비가 증가되고, 발포고무의 겉보기밀도가 낮아짐에 따라 기공을 통한 연료의 침투가 용이하여 질량팽윤비가 증가하는 것으로 해석된다.

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