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1 Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 9 pp , 손영곤 1* 1 공주대학교신소재공학과 Study on Compatibilities between Asphalt and Various Ionomers Younggon Son 1* 1 Division of Advanced Material Engineering, Kongju National University 요약아스팔트와 PE 혼합물에사용될상용화제를선정하기위하여 poly(ethylene-co-acrylic acid) 와 poly(ethylene-co -methacrylic acid) 의금속염인이오노머들의아스팔트에대한상용성을광학현미경, 열분석및유변학연구를통하여관찰하였다. 수분흡수를통한극성분석, 광학현미경관찰결과와열분석을통하여후보고분자들의아스팔트와의상용성을관찰한결과대체적으로극성이높을수록아스팔트와의상용성이높아짐을알수있었다. 또한유변학관찰을통하여몇몇고분자들은아스팔트와균일상을이룬다는것을알수있었다. Abstract In order to select the best compatibilizer for PE/asphalts mixtures, compatibilities of poly(ethylene-co -acrylic acid) and poly(ethylene-co-methacrylic acid) based ionomers with asphalts were investigated via optical microscopy, thermal analysis and rheology. By comparing the polarities of ionomers through an ultimate adsorption of moisture, it was observed that the compatibilities of ionomers increase with the increases of the polarities. By rheological investigations, some of ionomer were observed to be not only compatible but also miscible with asphalts. Key Words : Asphalt, Ionomer, Compatibilzation 1. 서론 아스팔트란원유를증류하고남은매우끈적끈적한물질로수천종이상의다양한탄화수소 (CH) 화합물로구성된흑색또는흑갈색고체또는반고체의열가소성물질이다. 아스팔트의구성성분은원유의채굴장소, 증류방법에따라다양한화합물이포함될수있는데, 대략적으로구성성분의분자량및용해도상수에따라구성성분을나누면표 1에나타낸바와같이 4 가지로나눌수있다. 또한이표에는몇몇고분자의용해도상수도같이나타냈다. 아스팔트는고대로부터선박및가옥지붕의방수제로사용되어왔으며, 19 세기말에이르러서는도로포장용바인더로그이용이급격히증가해왔다. 포장도로는장기 간에걸쳐사용되면서여러가지결함들이발생하는데, 크게다음의 3가지심각한결함들이있다. 첫번째는영구변형 (rutting) 이라불리는결함으로여름철한낮과같은고온의환경에서대형차량들이도로를지날때주는고하중에의한포장도로의영구변형을지칭한다. 포장도로에서골재의바인더를이루는아스팔트는고온에서는끈적끈적하고유동이가능하며저온에서는딱딱하고깨지기쉬운성질을지닌다. 고온의고하중에서는아스팔트가흐를수있는성질을지니게되어영구변형이일어난다. 또한, 반복된차량의하중이나, 밤과낮의기온차에서오는반복적인열응력에의해서균열이발생하기도하는데, 전자를피로균열 (fatigue crack) 후자를열균열 (thermal cracking) 이라칭한다. 이논문은 2011 년교육과학기술부로부터지원받아수행된연구임 ( 지역거점연구단육성사업 / 에너지자립형그린빌리지핵심기술사업단 ) * 교신저자 : 손영곤 (sonyg@kongju.ac.kr) 접수일 11 년 05 월 17 일수정일 (1 차 11 년 08 월 29 일, 2 차 11 년 09 월 02 일 ) 게재확정일 11 년 09 월 08 일 4267

2 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 [ 표 1] 아스팔트의구성성분및용해도상수. [Table 1] Constituents and solubility parameters of asphalts. 성분 용해도상수 d (cal 1/2 /cm 3/2 ) 고분자 용해도상수 d (cal 1/2 /cm 3/2 ) saturates PE naphtene aromatic P(EB) polar aromatic PB asphaltene PS PA 이와같은심각한결함들은도로의유지보수비를증가시켜도로포장의비용을증가시키는큰원인이되고있다. 따라서지난수십년간아스팔트의성능을개선시키려는많은연구가진행되어왔는데, 아스팔트에고분자를혼합시켜고온에서유동성을감소시키고 ( 영구변형감소 ), 저온및반복하중에대한균열저항성을증가시키는연구가주류를이루었다. 대부분의고분자의경우, 아스팔트에고분자를혼합시키면앞에서언급한아스팔트의결함은줄어든다. 그러나사용된고분자의종류에따라성능의증가정도는크게다르다. 고분자블렌드와같이서로다른종류의물질을혼합할때, 혼합물의물성이효율적으로발현되기위해서는두성분간의친화력이좋아야한다. 궁극적으로는두성분이균일상 (one phase, homeogenous phase) 을이루는것이일반적으로는좋은물성을나타내게한다. 그러나고분자 / 아스팔트혼합물의경우는혼합물의점도가높을수록고온에서의영구변형의정도가적어지므로, 균일상을나타내는것보다는고분자와아스팔트가상분리는이루면서상호친화력이좋은상태인 network 구조를이루는것이최상임이여러연구결과에의해서밝혀졌다 [1, 2]. 이때, 고분자와아스팔트간에친화력이좋기위해서는표 1에나타낸용해도상수가서로비슷해야하고균열저항성을증가시키기위해서는고분자가엘라스토머와같이고무탄성 ( 고무와같은성질 ) 을가져야한다. 아스팔트의발화점이 220 o C 정도되므로가공이가능한온도범위는 140 ~ 190 o C 정도이다. 따라서용융점이높은결정성고분자들은아스팔트개질재로사용이불가능하다. 또한아스팔트의저온 (-30 ~ 0 o C) 균열성을개선시키기위해서는이온도범위에서고분자에고무탄성이있어야하므로유리전이온도가 -30 o C 로낮아야한다. 이런요구를충족시키는여러가지고분자에대해서아스팔트개질제로서의성능을시험한여러연구가있어왔다. 그중가장성공적인물성의증진을보이는고분자 는열가소성블록공중합체로 SBS, SIS (styreneisoprene-styrene), SEBS 등이있다. 지난 30년동안이범주에드는블록공중합체에관한수많은연구가있어왔다 [3, 4]. 아스팔트와혼합시상의형태변화, 성능개선, 유변학적거동에관한연구등생각할수있는범위에서는거의연구가다되어있는상태이다. 현재까지연구된고분자중에서는열가소성블록공중합체가가장우수한아스팔트개질제이다. 그러나이고분자는고가이고, 고온에서산화와열분해가일어나는단점을가지고있다. 이때문에 PE을이용한아스팔트의개질에관한연구가많이진행되었다 [5, 6]. 그러나 PE는극성이낮은고분자로아스팔트와의친화성 (compatibility) 이매우낮아서원하는정도의아스팔트성능개선이이루어지지못한다는단점이있다. 이를해결하기위해서극성이낮은 ethylene과극성이높은 butyl acrylate, vinyl acetate와같은모노머를공중합시켜아스팔트와의 compatibility를높이고자하는연구가있었다 [3-6]. 이러한방식으로극성모노머의양을제어하여아스팔트와친화성이좋은공중합체를만들수있고, 궁극적으로우수한고분자개질제를합성할수있었다. PE에비해아스팔트개질제로서우수한물성을가진공중합체를합성할수는있으나가격면에서상업화되지는못했다. PE 자체만으로는아스팔트와의상용성문제를해결할수없기때문에이연구에서는 PE와아스팔트사이의친화력을높여줄수있는상용화제 (compatibilizer) 로서 poly(ethylene-co-methacrylic acid)(emaa) 와 poly(ethylene -co-acrylic acid)(eaa) 의이오노머 (ionomer) 를선택하여연구하였다, 이러한계통의이오노머는공중합체의조성이다른여러그레이드가생산되고있고산 (acid) 을금속이온으로쉽게치환하여극성과물성이다른여러종류를쉽게만들수있기때문에우선다양한조성및금속치환체를가지는이오노머를준비하여아스팔트와친화력을 DSC, 광학현미경유변학물성을사용하여관찰하였다. 2. 실험 2.1 재료 실험에사용된고분자는고밀도폴리에틸렌 (HDPE), poly (ethylene-co-acrylic acid)(eaa) 및 7가지종류의이오노머였다. 이오노머는 Poly (ethylene-co-methacrylic acid)(emaa) 또는 EAA를부분적으로금속염으로중화시켜제조한것으로모두상업화된그레이드를사용하였 4268

3 다. 표 2에나타낸바와같이이오노머들을 EMAA19Mg50, EMAA19Na50 및 EAA15Zn35 등으로표기하였다. 이때 EMAA 및 EAA는이오노머의기본고분자가폴리에틸렌 -메타크릴산공중합체및폴리에틸렌-아크릴산임을나타낸다. 그뒤의숫자는전체에서차지하는산 (acid) 의비율그뒤는금속의종류마지막숫자는산에금속이치환된비율 (neutralization level) 을의미한다. 즉 EMAA19Mg50 는 ethylene 81% MAA 19% 로이루어진공중합체에 MAA의 50%( 전체에서는 9.5 %) 가마그네슘 (Mg) 으로중화되었음을의미한다. 이오노머중 EMAA계열은 Dupont 사에서 EAA 계열은 ExxonMobile사에서구입하였다. HDPE는 Phillips사의제품을사용하였다. 사용된아스팔트는 CAP(CT advanced pavement) Lab. 에서입수한고온그레이드로사용가능온도는 -28 o C to 64 o C 이다. 3. 결과및토론 HDPE (0.0) EAA15 (0.07) 2.2 아스팔트혼합물제조아스팔트와고분자의혼련은재순환형이축압출기 (recirculation twin screw extruder, HAAKE MiniLab TM ) 에서수행하였다. 온도는, 스크류회전속도는 100 rpm로 10 분간혼련하였다. EMAA10Zn70 (0.29) EMAA15Zn60 (0.35) 2.3 형태학관찰아스팔트와고분자의혼합물의형태학을광학현미경을이용하여관찰하였다. 소량의시료를 hot-stage (Linkam TM TMS 94) 의유리사이에놓은후 의온도에서용융시킨후최대한얇게펴서투과모드로관찰하였다. EAA19Mg50 (0.41) EAA15Zn35 (0.46) 2.4 시차주사열량계 (DSC) 측정먼저시료의온도를 까지최대속도로승온시킨후 3 분동안등온유지시켰다. 그리고상온까지분당 -20 o C의속도로냉각시켜 cooling thermogram을얻었다. 사 EMAA10Na50 (2.5) EMAA19Na50 (2.9) 용된 DSC 장비는 TA 사의모델명 DSC Q1000 이었다. 2.5 유변물성측정 고분자및아스팔트혼합물의복소점도 (complex viscosity, h*) 를 angular velocity(w) 의함수로측정하였다. 사용된유변측정기는 Rheometric사에서제조된 ARES(Advanced Rheometric Expansion System) 이었다. 측정은 150, 180 및 에서 plate-plate fixture를사용하여진행되었고, strain은 30% 로고정하였다. EAA15Na45 (4.1) [ 그림 1] HDPE, EAA, 이오노머및아스팔트혼합물들의광학현미경사진. [Fig. 1] Optical micrograph of HDPE, EAA, ionomer and asphalts mixtures. 그림 1에 HDPE, poly(ethylene-co-acrylic acid) 및이오노머등 9가지의고분자를각각 90 wt.% 아스팔트를 10 wt.% 포함한혼합물들의광학현미경사진을나타냈다. 4269

4 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 샘플은 hot stage에서용융이된채로투과 (transmission) 모드에서관찰하였다. 사진에서검은색으로나타난부분이아스팔트이며회색으로나타난부분이고분자이다. 사진에서눈금한칸은 10 mm의크기를나타낸다. 각사진아래괄호안의숫자는고분자를물에 5일정도잠기게하였을때총흡수한수분의양을 % 로나타낸것이다. 일반적으로흡수된물의양이많으면물과친화력이높고그고분자의극성은높다고말할수있다. 극성이낮은 HDPE와 EAA15는아스팔트와의혼화성 (compatibility) 이낮은것을볼수있다. 아스팔트도메인의크기가 10 mm 가넘는것들이아주많은것을볼수있다. 그러나이오노머의경우에는아스팔트가매우작게분산이되어있는것을볼수있는데, 이는 EAA 또는 EMAA에서산 (acid) 대신염 (salt) 으로치환됨에따라극성이높아졌고극성이높은아스팔트와의혼화성이높아진것으로해석할수있다. 이오노머의경우 PE 및금속이치환되지않은 EAA15 와비교했을경우전반적으로아스팔트와혼화성이높은것을광학현미경관찰결과에서볼수있다. 그러나재미있게도이오노머들만비교할때극성이높은경우보다극성이낮은경우가아스팔트와의혼화성이더좋은것을볼수있다. 수분흡수율이 0.29 ~ 0.46 % 인 ionomer 들이수분흡수율이 2.5 ~ 4.1 % 나되는이오노머들보다훨씬균일한상구조를보임을관찰할수있는데이는아스팔트의극성이수분흡수율이 0.29 ~ 0.46 % 인이오노머들의극성과비슷하기때문인것으로생각된다. 아스팔트는용해도상수가 9.0 ~ 10.0 cal 1/2 /cm 3/2 인아스팔텐이약 20%, 용해도상수가 9.0 cal 1/2 /cm 3/2 이하인말텐이약 80% 로이루어져있는데수분흡수율이 2.5 ~ 4.1 % 인이오노머들의용해도상수는 10.0 cal 1/2 /cm 3/2 보다훨씬커서아스팔트와의혼화성이낮은것으로추정된다. 수분흡수율이 0.29 ~ 0.46 % 인이오노머들의용해도상수는 9.0 ~ 10.0 cal 1/2 /cm 3/2 인것으로추정되며그중에서도수분흡수율이 0.35 ~ 0.41 인 EMAA15Zn60 및 EAA19Mg50가아스팔트와의혼화성이가장좋은것으로관찰되었다. 이연구에사용된이오노머들은비교적흡수율이높은고분자로이를상용화제로아스팔트에혼입하게되면빗물흡수에의해아스팔트팽창률및포장도로의파손을염려하지않을수없다. 아스팔트바인더에사용되는고분자는고무와같은성질을가기고있기때문에수분이흡수되어팽창되더라도골재에미치는응력은높지않을것으로추측되고또한그림 2에나타낸바와같이아스팔트와친화력이좋은이오노머는수분흡수율이 0.5 % 이하로낮기때문에아스팔트의내구성에는큰영향이없 을것으로판단된다. Exothermic (W/g) HDPE E-MAA10-Zn70 E-MAA10-Na50 2 E-MAA15-Zn60 E-MAA19-Na50 E-MAA19-Mg50 0 E-MAA15 EAA15-Zn35 EAA15-Na Temperature ( o C) [ 그림 2] DSC 냉각곡선. 냉각속도 = 20 o C/min. [Fig. 2] DSC cooling curves. cooling rate = 20 o C/min. 그림 2에 HDPE, poly(ethylene-co-acrylic acid) 및이오노머등 9가지의고분자의 DSC 냉각커브를나타냈다. 또한표 2에는언급한 9 종류의고분자에아스트를 5% 및 10% 함유한혼합물의결정화피크온도 (T c) 및순수한고분자의 T c 와의온도차이를나타냈다. EMAA19Mg50의경우엔결정화피크가두개나타나서결정화피크온도를두온도로표기하였다. 이연구에서사용된고분자와아스팔트혼합물의경우결정화피크온도 (T c) 가아스팔트의혼합에의해서변화되는것을볼수있다. 일반적으로서로다른물질을혼합하는경우상용성또는친화성이좋을수록결정화가가능한성분의 T c 가감소하는것을관찰할수있다. 이는두성분이서로영향을미쳐서결정화를방해하기때문이다. 즉친화력이있는성분에의해결성화속도가느려져서 T c 가감소하는결과를얻은것이라할수있다. HDPE의경우는아스팔트를섞었을때 T 가전혀변화지않은것을볼수있는데이는 HDPE와아스팔트의상용성이전혀없기때문에아스팔트가 HDPE의결정화에전혀영향을미치지않는것임을알수있다. 따라서표 2의마지막열에나타낸 DT c( 순수한고분자의 T c 와아스팔트를 10% 혼합한혼합물의 T c 차이 ) 는두성분간의친화도를나타내는척도라고할수있다. 광학현미경및 DSC 결과에서유추한두성분간의친화도는어느정도상관관계가있음을보여주고있다. 4270

5 [ 표 2] HDPE, EAA, 이오노머및아스팔트혼합물들의결정화피크온도 [Table 2] Crystallization peak temperature of HDPE, EAA, ionomer and asphalts mixtures. T c ( o C) as a function of asphalt concentration Designation Pure DT c=t c(0%) 0% 5% 10% -T c(10%) EMAA19Mg / 57.4 EMAA19Na50 37/ / / EMAA10Na EMAA10Zn EMAA15Zn EAA15Zn EAA15Na EAA HDPE 이연구에서쓰인 9종류의고분자중광학현미경과 DSC 실험에서아스팔트와친화성이가장좋은 4종류의고분자를선정하여아스팔트와혼합물및고분자의유변물성을측정하였고그결과를그림 3에나타냈다 (c) (a) (b) [ 그림 3] 각속도 (w) 변화에따른이오노모들의복소점도 (h*). 여러온도에서측정된복소점도를온도 - 시간중첩원리에의하여재구성한그림임. (a)emaa15zn60 (b)emaa19mg50 (c)emaa10zn70 (d)eaa15zn35 [Fig. 3] Complex viscosity(h*) of ionomers as a fuction of angular velocity(w). Master curve was achieved by time-temperature superposition principle. 고분자에아스팔트를 10% 혼합한경우아스팔트가이오노머에비해저점도이기에혼합물의점도는순수한이오노머에비하여현저히감소하는것을볼수있다. 혼합물의유변물성은각성분의유변물성, 조성, 두성분간의계면장력및상구조 / 형태에큰영향을받는것으로알려져있다. 혼합물의점도는각성분의점도와그조성으로부터어느정도예상이가능한데, 일반적으로두성분의평균으로나타난다. 혼합물이상분리가되지않고균일상 (one phase) 을보이는경우에는혼합물의점도가모든전단속도 (shear rate) 범위에서두성분의평균으로나타내어지나, 상분리된구조를가지는경우에는낮은전단속도에서는두상간의계면장력및상구조에큰영향을받는다. 상분리된액체혼합물의점도를예측하는에 (d) 4271

6 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 멀젼모델에따르면고점도물질에저점도물질을소량혼합한경우전단속도가아주낮은구간에서의혼합물의점도는고점도물질의점도보다약간높아진다. 두상이균일상을이루는경우에는저점도물질의첨가로혼합물의점도는약간저하되나상분리되는경우에는일반상식에따른결과를보이지않는다. 고분자에소량의기체가거품형태로존재하는경우혼합물의점도는고분자차체의점도보다약간높아지는결과를보이는것과같은이치이다. 이연구에서아스팔트와최상의친화성을보인 EMMA15Zn60과 EMMA19Mg50의경우 10% 아스팔트와혼합물은전체의전단속도구간에걸쳐서혼합물의점도가순수한이오노머의점도보다낮은결과를보인다. 이는이두고분자가아스팔트와단일상을이루거나최소한부분적으로 miscible함을의미한다. 반면나머지고분자들은전단속도가낮아짐에따라아스팔트와혼합물의점도가순수한이오노머의점도보다커지는경향을보인다. 그림 4에는수분흡수율 ( 극성 ) 이가장높은그룹에속하는 3종류의이오노머및아스팔트와의혼합물들의유변물성을나타냈다 with 10wt.% asphalt (a) (b) 1e+5 1e+4 1e+3 1e (c) [ 그림 4] 각속도 (w) 변화에따른이오노모들의복소점도 (h*). 여러온도에서측정된복소점도를온도 - 시간중첩원리에의하여재구성한그림임. (a)eaa15na45 (b) EMAA19Na50 (c) EMAA10Na50 [Fig. 4] Complex viscosity(h*) of ionomers as a fuction of angular velocity(w). Master curve was achieved by time-temperature superposition principle. 그림 4에나타낸 3종류의이오노머들은극성은관찰대상이된고분자들중에서가장높은것으로관찰되었으나, 복소점도결과를보면아스팔트와의혼화성은그림 3에나타낸 4 종류의이오노머들에비해낮은것을볼수있다. 일반적으로두성분으로이루어진유체의유변성질은상분리된경우와균일상을이루는경우확연히구별되는유변성질을보이는데상분리된경우시간-온도중첩성을보이지않는다. 즉서로다른온도에서구한유변성질을온도-시간중첩원리에의하여재구성한경우균일상을보이는물질은하나의마스터곡선으로나타내어지나상분리된경우는그렇지않는다고알려져있다. 그림 4에나타낸 3종류의이오노머들과아스팔트혼합물은시간온도중첩원리를보이지않음을볼수있는데이는고분자와아스팔트간의상분리가일어났기때문이다. 이는광학현미경결과와일치하는결과이다. 그러나그림 3에나타낸고분자들은대체적으로시간- 온도중첩원리를잘나타냄을볼수있는데이는아스팔트와균일한상을이루기때문이다. 수분흡수율에의한유변물성및광학현미경측정결과에의한아스팔트와이오노머들의친화도는대체적으로일치함을보였으나, 수분흡수율로측정한이오노머의극성과아스팔트와의친화도는반드시일치하는결과를보이지는않았다. 이연구에서관찰된극성이제일높은 3 종류의이오노머들은그보다극성이조금낮은그룹에속하는이오노머들에비해아스팔트와친화도가오히려낮은것을 4272

7 보였는데이는아스팔트의극성이 EAA15Na45, EMAA19Na50 및 EMAA10Na50보다는다소낮고 EMAA15Zn60, EMAA19Mg50 및 EMAA10Zn70 들과비슷한수준임을유추할수있다. 이상의실험결과로부터이연구에쓰인이오노머들은아스팔트와전반적으로친화성이높으며, 그중 EMMA15Zn60과 EMMA19Mg50가아스팔트의농도가낮은경우균일상을이룬다는것을알수있었고, PE/ 아스팔트혼합물의상용화제로사용되기에좋은성능을보임을확인할수있었다. 4. 결론 손영곤 (Younggon Son) [ 정회원 ] < 관심분야 > 고분자가공, 고분자유변학 1988 년 2 월 : 서울대학교화학공학과 ( 공학사 ) 1990 년 2 월 : 한국과학기술원화학공학과 ( 공학석사 ) 1998 년 2 월 : 서울대학교화학공학과 ( 공학박사 ) 2002 년 9 월 ~ 현재 : 공주대학교신소재공학부부교수 에틸렌-아크릴산공중합체와에틸렌-메타아크릴산공중합체계열이오노머들의아스팔트에대한상용성을광학현미경, 열분석및유변학연구를통하여관찰한결과연구에서사용된이오노머들중극성이중간정도되는그룹에속하는이오노머들이아스팔트와의상용성이높음을알수있었다. 그중 EMAA15Zn60 과 EMAA19Mg50가아스팔트의농도가낮은경우균일상을이룬다는것을알수있었고, PE/ 아스팔트혼합물의상용화제로사용되기에좋은성능을보임을확인할수있었다. References [1] G. D. Airey, "Styrene butadiene styrene polymer medication of road bitumens", J Mater Sci, 99, , [2] X. Lu, U. Isacsson, "Rheological characterization of styrene-butadienestyrene copolymer modified bitumens", J Constr Build Mater 11 (1), 23 32, [3] Y. Yildirim, "Polymer modified asphalt binders", Constr Buil Mater, 21(1), 66-72, [4] C. D. Whiteoak, "The Shell Bitumen Handbook", Surrey, UK: Shell Bitumen; [5] C. Giavarini, P. DeFilippis, M. L. Santarelli, M. Scarsella, "Production of stable polypropylene-modified bitumens", Fuel, 75(6), , [6] O. Gonza lez, et al., "Rheological techniques as a tool to analyze polymer bitumen interactions: bitumen modified with polyethylene and polyethylene-based blends", Energy Fuels 16(5), ,

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