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1 , pp 저수축제폴리스틸렌과불포화폴리에스터수지를사용한 Sheet Molding Compound 제조및특성 배기붕 이상구 * 윤홍진 ** 이종대 **, ( 주 ) 에스켐 충북청원군부용면금호리 256 * 한국화학연구원그린화학연구단 대전광역시유성구장동 100 ** 충북대학교화학공학과 충북청주시흥덕구성봉로 410 (2011 년 12 월 14 일접수, 2012 년 2 월 26 일채택 ) Preparation and Characteristic of Sheet Molding Compound using Unsaturated Polyester Resin with Low Profile Agent of Polystyrene Gi Boong Bae, Sang Goo Lee*, Hong Jin Yoon** and Jong Dae Lee**, Soft Chemical Co. LTD., 256 Geumho-ri, Buyong-myeon, Cheongwon-gun, Chungbuk , Korea *Division of Green Chemistry, Korea Research Institute of Chemical Technology, 100 Jang-dong, Yuseong-gu, Daejeon , Korea **Department of Chemical Engineering, 410 Sungbong-ro, Heungduk-gu Cheongju-si, Chungbuk , Korea (Received 14 December 2011; accepted 26 February 2012) 요 약 불포화폴리에스터 (unsaturated polyester, UP) 와저수축제 (low profile agent, LPA), 폴리스틸렌 (polystyrene, PS) 과의 compatibility 가불포화폴리에스터와저수축제의비율, 혼합시간, 혼합온도그리고추가로투입되는불포화폴리에스터수지량과같은다양한조건하에서확인되었다. 1 단계로 1700 rpm 의교반속도에서제조된수지혼합액의경우, 불포화폴리에스터수지 (unsaturated polyester resin, UPR) 투입량 25 g, 약 30 o C 의반응온도에서상대적으로작은입자크기및상분리율을나타내었다. 2 단계수지혼합액의경우, 2 차로투입된 45 g 의불포화폴리에스터수지혼합액에서향상된 compatibility 를보였다. 이러한결과는혼합조건이불포화폴리에스터수지와저수축제혼합액의 compatibility 에중요한역할을한다는것을의미한다. 또한, 상기조건을통해제조된 sheet molding compound (SMC) 를사용해서만든샘플은흡수율, 수축율및광택도에서향상된결과를나타내었다. Abstract Compatibility of unsaturated polyester (UP) and low profile agent (LPA) of polystyrene (PS) have been investigated under various mixing conditions such as the ratio of UP and LPA, mixing time, mixing temperature, and input amount of 2nd UP. It was possible to obtain mixture with small particle size and low phase separation in condition of 35 g of LPA, 25 g of 1st UP input, 5 min of mixing time, 1700 rpm of mixing speed, and 45 g of 2nd UP input. It was found that compatibility of UP and LPA was very sensitive to mixing conditions. In addition, molded sample using sheet molding compound prepared by stable mixing condition appeared good properties such as low water adsorption, low shrinkage, and high gloss. Key words: Unsaturated Polyester Resin, Low Profile Agent, Compatibility, Shrinkage 1. 서론 최근이종의재료를조합시킨복합재료는단일소재로는대응할수없는특성을나타내기때문에다양한분야에서중요한소재로이용되고있다 [1,2]. 일반적으로분산상과매트리스상으로구성되는복합재료는강화하는기지재료 (matrix) 에따라고분자기지복합재료 To whom correspondence should be addressed. jdlee@chungbuk.ac.kr (polymer matrix composite, PMC), 금속기지복합재료 (metal matrix composite, MMC), 세라믹기지복합재료 (ceramic matrix composite, CMC) 로구분된다 [3]. 특히, 섬유강화의개념과고분자기지재료를조합한섬유강화고분자복합재료 (fiber reinforced plastics, FRP) 는현대복합재료의중추적역할을하고있다 [4]. FRP는복합재료의충전재로탄산칼슘, 실리카, 카본블랙, 산화티탄등으로대표되는무기입자나유리, 탄소, 아라미드등의섬유를일반적으로사용한다. 이들을불포화폴리에스테르와함께제조한것이일반적인복합재료의 588

2 저수축제폴리스틸렌과불포화폴리에스터수지를사용한 Sheet Molding Compound 제조및특성 589 제조방법이다. 현재의섬유강화플라스틱은우수한역학적특성과가벼우면서우수한내식성으로인해항공, 우주산업뿐만아니라인간생활의여러분야에서없어서는안될재료로성장하고있다. 국내에서는 1970년초반에유리섬유의개발과함께범용 FRP 산업이시작되어, 일부방위산업제품과스포츠레저용품에응용되고있다. 이어아라미드섬유인케블라의개발, 탄소섬유의국내생산이이루어지고, 1988년에는복합재료학회가창립되어산 학 연의유기적협력체계하에서연구가이루어지고있다. 고분자계복합재료의개발방향을보면크게 2개의방향으로추진되고있다. 하나는범용엔지니어링플라스틱과액정폴리머를함유한슈퍼엔지니어링플라스틱이고, 다른하나는무기재료와의복합화를통한고성능화이다. 따라서복합재료는특히고도한구조특성을활용하여고기능성과고성능을추구하는대표적인대상으로구조특성의응용개발이매우중요하다. 섬유강화고분자복합재료중 SMC는현재의시장에서가장크게확대되고있는소재로서, 활발한연구가진행되고있다 [5,6]. SMC의원재료는불포화폴리에스터, 비닐에스터, 에폭시, 페놀수지등과같은수지와스타이렌과같은반응성단량체를 peroxide 계열의경화제를사용하여이중결합간의가교반응을통해 3차원망상구조를형성함으로제조된다. 불포화폴리에스터수지는가장널리사용되는열경화성수지로서, SMC 열경화성분야에서일반적으로사용되고있다 [7,8]. 그런데, 불포화폴리에스터수지는열경화성수지중경화반응에의한성형수축이큰편이며, 보통 7~8% 의체적수축을반영한다 [9,10]. 이수축으로인하여성형품의치수가부정확해지며, 크랙이나수축등의성형불량이발생하게된다. 이러한문제를개선하기위해폴리스틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리비닐아세테이트 (polyvinyl acetate, PVAC), 폴리우레탄 (polyurethane, PU) 와같은열가소성수지를저수축제로사용하는다양한기술이연구되어왔다 [11-13]. 하지만, 기본수지인불포화폴리에스터수지와저수축제는혼합액의불안정한 compatibility 및경화하는동안상분리가일어나는문제점을가지고있어이를해결하기위한연구가활발히진행되고있다 [14-16]. 본연구에서는수지혼합액에있어서불포화폴리에스터와저수축제의비율, 혼합시간, 혼합속도및 2차불포화폴리에스터수지투입량이불포화폴리에스터와저수축제의 compatibility에미치는영향및최적의조건으로제조된 SMC를사용한압축필름의물리적특성및표면특성에대해논의하였다. 수지혼합액은 30 g의저수축제에계산된불포화폴리에스터수지를각각넣어혼합시킨후 2 차불포화폴리에스터수지를첨가하여제조하였다. 이혼합액에다양한첨가제를넣어 SMC 샘플을최종적으로제조하였다. 2. 실험 2-1. 시약기본수지로불포화폴리에스터수지 ( 애경화학, OS-902) 를사용하였다. 저수축제는폴리스틸렌 ( 금호석유화학, GP-125) 과스틸렌 (Aldrich) 을사용하여제조하였다. n-부틸아세테이트 (CAS No ) 10%, 1-메톡시-2-프로필아세테이트 (CAS No ) 60%, 블록공중합체 30% 로구성된분리방지제 (BYK Chemi., BYK-972) 는분리방지효과를상대적으로측정하기위한균형물질로첨가되었다. Table 1. Materials for preparation of sheet molding compound Materials S-1 a S-2 b UPR c LPA (SC530) d curing agent (TBPB) e retardant (PBQ 2%) additive (BYK-996) 0.25 additive (BYK-972) 0.25 additive (S-100) release agents (Zn-St powder) filler (S-2000) thickener (CBU-616) colorant (UP-white SP1) glass fiber (G/F 25.4 mm) Total S-1 a : preparation of general sheet molding compund, S-2 b : this work, UPR c : unsaturated polyseter resin, LPA d : low profile agent, TBPB e : tertiary butyl peroxylbenzoate. 라디칼개시제는 tertiary butyl peroxylbenzoate(n.o.f) 를사용하였다. 충전재와보강재는탄산칼슘 ( 평균직경 3 µm) 및유리섬유 (1 inch) 를각각사용되었다. 이형제로징크스테아레이트 ( 신원화학, Hiflow) 를사용하였으며흐름성을개선하기위해 PE-Powder( 투에치켐, SD-120) 가첨가되었다 수지혼합액및 SMC 제조불포화폴리에스터와저수축제의비율, 혼합시간, 혼합속도및 2 차액상투입량을달리하여수지혼합액을제조하였다. 수지혼합액제조예로, 200 ml 폴리에틸렌병에 30 g의저수축제와 25 g의불포화폴리에스터수지를각각넣은후, 프로펠러타입의혼합기를사용하여 1700 rpm의임펠러속도로 5분동안혼합시켰다. 그후, 45 g의불포화폴리에스터수지를 8분간에걸쳐투입하면서혼합시켰다. 상기에서제조된수지혼합액에개시제및다양한첨가제그리고유리섬유를각각투입한후열경화시켜, 최종적으로샘플을제조하였다. 또한, 기존방식인 1단계로만불포화폴리에스터수지를투입하여만든혼합액을사용한 SMC 샘플을비교분석을위해추가적으로제조하였다. SMC 제조에사용된재료및그양을 Table 1에정리하였다. 제조된 SMC는시험용프레스를사용하여상부온도 140 o C 및하부온도 155 o C에서압축하여물성측정용압축필름을준비하였다 물성측정입자크기는광학현미경 (Olympus, CX41/31) 을사용하여측정하였다. 불포화폴리에스터수지와저수축제를혼합한후의상분리측정은스크류캡바이알병 (50 ml, mm) 을사용하여불포화폴리에스터수지 35 g, 저수축제 15 g을넣고 30 o C 항온수조에서 5분간방치한후에상부의저수축제부분의상대적높이를통해확인되었다. 경화수축 (cure shrinkage) 측정은 Fig. 1과같이특별히제작된장치를통해확인하였다. 수축율측정시에는상온경화제인 methyl ethyl ketone peroxide(mekpo, Eternal Co., Taiwan) 를사용하였다. 그리고다이알게이지를설치시, 액면에서약 5 mm정도함침이되도록수지를넣는다. SMC로제조된시편의표면광택도는표면광택도측정기 (Suga Test Instruments, UGV-4D) 를사용하여확인하였

3 590 배기붕 이상구 윤홍진 이종대 Fig. 1. Schematic of shrinkage measurement apparatus. 다. 굽힘강도 (flexural strength, FS), 굴곡탄성율 (flexural modulus, FM), 인장강도 (tensile strength, TS) 및경도 (hardness) 는만능재료시험기 (JT TOHSI INC, YU-1000S II) 와경도계 (QUALITEST, GYZJ934-1) 를통해서측정했고, 흡수율 (water Absorption) 은 ASTM D570 표준을사용하여확인하였다. 비중측정은비중측정기 (ANC, GFD-200) 를통해서확인하였다. 3. 결과및검토 3-1. 수지혼합액의불포화폴리에스터와저수축제비율저수축제내에불포화폴리에스터수지를작은입자로분산시켜안정화시키는기술은최종제품의표면광택및치수안정성에큰영향을미친다. 특히, 수지와저수축제의비율은입자크기결정에중요한역할을하기때문에최적의분산조건이요구된다. 이에본연구에서는분산안정성을향상시키기위한최적의저수축제와수지의혼합비율을살펴보았다. Fig. 2는저수축제 30 g과각기다른양의불포화폴리에스터수지가혼합된액을프로펠러타입의혼합기를사용하여 30 o C에서 5 분간 1700 rpm으로혼합한후입자크기및상분리율을 5분경과후 에측정한것이다. 그림에서확인할수있듯이, 불포화폴리에스터수지를 10 g, 15 g, 20 g, 25 g씩각각투입함에따라입자크기가약 752 µm에서약 115 µm로점차적으로작아지고있는것을확인할수있다. 반면, 25 g이초과된불포화폴리에스터수지에서는그양이증가함에따라입자크기는증가되었다. 특히, 불포화폴리에스터수지 35 g이투입되었을때에는약 932 µm의상당히큰입자크기를나타내었다. 상분리율을살펴보면, 불포화폴리에스터수지를 10 g에서 25 g으로투입함에따라 85% 에서 5% 로크게감소하였다. 반면 25 g이초과된경우는상분리율이크게증가되었고, 35 g에서는 62% 의상당히높은상분리율을나타내었다. 불포화폴리에스터수지와저수축제혼합의경우, 저수축제 30 g과불포화폴리에스터수지 25 g을넣었을때가가장안정적인분산조건임을알수가있다. 또한입자크기가상분리율에큰영향을주고있다는것을확인할수있다 혼합시간및혼합온도의영향상기결과로부터우리는불포화폴리에스터수지와저수축제의혼합비율이입자크기및상분리율에큰영향을준다는것을확인하였다. 하지만이는혼합비율에대한결과로다양한혼합시간및혼합온도를적용할필요성이있다. 이에본연구에서는혼합시간을 1분, 3분, 5분, 7분, 9분으로분리하여실시한실험및혼합온도를 10, 20, 30, 40, 50 o C 그리고 60 o C로달리하며혼합액의입자크기및상분리율을살펴보았다. Fig. 3은불포화폴리에스터 25 g, 저수축제 30 g 및 30 o C에서혼합속도 1700 rpm 하에서의혼합시간이입자크기및상분리율에미치는영향을나타낸것이다. 그림에서확인할수있듯이, 혼합시간이 1분에서 5분으로증가함에따라입자크기가 325 µm에서 115 µm로작아지고있다. 반면혼합시간 9분에서는 119 µm의입자크기를나타내었다. 비록입자크기가증가되긴했지만실험적오차를고려해볼때약 5분이상의혼합시간에서는비슷한입자크기를나타낸다고생각된다. 상분리율을살펴보면, 혼합시간이 1분에서는 10.5% 를나타내었지만혼합시간이증가함에따라감소하는경향성을나타내었 Fig. 2. Micro globule size and phase separation ratio of solution of unsaturated polyester and low profile agent with various UP amount. Fig. 3. Micro globule size and phase separation ratio of solution of unsaturated polyester and low profile agent with various mixing time.

4 저수축제폴리스틸렌과불포화폴리에스터수지를사용한 Sheet Molding Compound 제조및특성 591 Fig. 4. Micro globule size and phase separation ratio of solution of unsaturated polyester and low profile agent with various mixing temperature. Fig. 5. Micro globule size and phase separation ratio of solution of unsaturated polyester and low profile agent with added UP amount. 다. 특히, 혼합시간 9분에서 2.9% 의낮은상분리율을나타내었다. 이러한결과는입자크기의감소및분산안정성의증가로나타나는결과로판단된다. Fig. 4는불포화폴리에스터 25 g, 저수축제 30 g 및 5분간혼합속도 1700 rpm 하에서의혼합온도가입자크기및상분리율에미치는영향을나타낸것이다. 그림에서확인할수있듯이, 혼합온도 10 o C에서 20 o C로증가함에따라입자크기는 695 µm에서 150 µm로급격하게감소하였다. 혼합온도 20~40 o C에서는입자크기가 150 µm에서 102 µm로서서히감소하였다. 혼합온도 40 o C 를초과한경우는 60 µm 이하의작은입자크기를나타내었다. 상분리율을살펴보면, 혼합온도 10 o C에서 20 o C로증가함에따라상분리율은 25% 에서 6.5% 로크게감소하였다. 혼합온도 30 o C에서 5.2% 의최소값을나타내다가 40 o C에서 5.4% 로약간증가된값을보였다. 한편, 50 o C 및 60 o C에서는상분리율이크게증가하였다. 혼합온도에따른상분리율은기존의입자크기와의관계와다른경향성을나타내었다. 이러한결과는적정혼합온도가초과된혼합상태에서는열역학적으로불안정성이크게증가되기때문인것으로판단된다 차불포화폴리에스터투입량에따른영향 Fig. 5는저수축제 30 g에불포화폴리에스터수지 25 g을넣고혼합하여 1차액상을만든후, 추가로불포화폴리에스터를투입하여입자크기및상분리율을확인한것이다. 추가로 25 g의불포화폴리에스터수지가투입된샘플의경우, 1차혼합액보다크게증가된입자크기 (460 µm) 를나타내었다. 더욱이 Fig. 6(a) 에서볼수있듯이, 불균일한입자크기를나타내어상당히불안정한혼합액으로확인되었다. 하지만, 불포화폴리에스터수지의투입량이 35 g, 45 g으로증가됨에따라입자크기는크게감소되었다. 특히, 45 g이투입된샘플은 45 µm의최대입자크기를나타내었다. 또한, 상당히균일한입자크기를나타내고있음을 Fig. 6(c) 에서확인할수있다. 반면 65 g이투입된경우에는 88 µm로약간증가되었다. 상분리율의 Fig. 6. Optical microscope image of solution of unsaturated polyester and low profile agent with various UP amount. (a) 25 g of UP, (b) 35 g of UP, (c) 45 g of UP, and (d) 65 g of UP. 경우, 25 g이투입된혼합액은 84% 의상당히높은상분리율을보였다. 반면, 불포화폴리에스터수지량이 45 g이투입된샘플은 2% 의상분리율을나타내어상당히안정적인혼합성을나타내고있음을 Fig. 5에서확인할수있다. 반면, 불포화폴리에스터수지 45 g이초과된샘플은상대적으로증가된상분리율을나타내었다 SMC를사용한압축필름의물리적특성및표면특성 SMC는저수축제와기본수지인불포화폴리에스터수지와의혼합안정성및경화반응시의가교결합을통한 3차원망상구조의형성결과에영향을받는다. 특히, 수지혼합액의상안정성은 SMC의좋은

5 배기붕 이상구 윤홍진 이종대 592 Table 2. Physical and surface property of sheet molding compound prepared from unsaturated polyester resin with low profile agent of polystyrene Physical and surface property flexural strength (FS, Mpa) flexural modulus (FM, Mpa) tensile strength (TS. MPa) water absorption (WA, %) specific gravity shrinkage (%) hardness (barcol) gloss (%) S S 화시간 30분까지는 큰 차이는 없었지만 그이후로는 S-1 보다 1.0 배 이상 감소된 결과를 나타내어 상당히 향상된 수축률을 나타내었다. 또한, S-2의 광택도는 81.7%에서 88.2%로 상승된 결과를 얻을 수 있 었다. Fig. 8은 기존의 방법으로 제조된 S-1과 분산기술을 사용하여 제 조된 S-2의 모폴로지를 관찰하기 위해 측정된 주사전자 현미경 사 진이다. 그림에서 확인할 수 있듯이, S-2의 표면 기공크기가 S-1보 다 작고 균일하게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. UP 수지와 저 수축제의 비율 및 분산조건 등이 샘플의 경화과정에 영향을 주어 모폴로지의 변화를 야기시킨다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 저 수축제 내에 불포화 폴리에스터 수지를 최대한 작은 입자로 분산 시킬 때 미세구조를 갖는 샘플표면이 형성된다는 것이다. 광택도는 표면 상태에 따라 큰 영향을 받는 광학 특성임을 고려해볼 때, 작 고 균일한 미세구조를 갖는 S-2의 광택도 증가는 당연한 결과로 받 아들일 수 있다. 4. 결 Fig. 7. Cure shrinkage versus cure time for S-1 and S-2. 물리적 특성에 큰 기여를 한다. Table 2는 기존방법 및 수지 혼합액의 상 안정성을 향상시킨 현 작 업을 통해 제조된 SMC를 사용한 압축 필름의 물리적 특성 및 표면 특성을 정리한 것이다. 분산기술을 사용하여 제조된 S-2 경우, 굽힘 강도, 굴곡 탄성율 및 인장강도는 기존의 방법으로 제조된 S-1과 큰 변화가 없었다. 반면, 흡수율은 0.25에서 0.1로 감소되어 향상된 물 성을 나타내었다. 특히, 수축률은 Fig. 7에서도 확인할 수 있듯이, 경 론 본 연구에서는 수지 혼합액에 있어서 불포화 폴리에스터와 저수 축제의 비율, 혼합시간, 혼합속도 및 2차 불포화 폴리에스터 수지 투 입량이 불포화 폴리에스터와 저수축제의 compatibility에 미치는 영 향 및 최적의 조건으로 제조된 SMC를 사용한 압축 필름의 물리적 및 표면 특성에 대해 조사하였다. 수지 혼합액은 30 g의 저수축제에 계산된 불포화 폴리에스터 수지를 각각 넣어 혼합시킨 후 2차 불포 화 폴리에스터 수지를 첨가하여 제조하였다. 이 혼합액에 다양한 첨 가제를 넣어 SMC 샘플을 최종적으로 제조하였다. 제조된 수지 혼합액의 경우, 1차 불포화 폴리에스터 수지 투입량 25 g, 약 30 oc의 반응온도, 1700 rpm의 교반속도에서 상대적으로 작은 입자 크기 및 상분리율을 나타내었다. 또한, 2차로 투입된 45 g 의 불포화 폴리에스터 수지 혼합액에서 향상된 compatibility를 보였 다. 이러한 결과는 불포화 폴리에스터 수지의 단계적 투입량 및 반 응온도, 교반속도가 불포화 폴리에스터 수지와 저수축제 혼합액의 compatibility에 큰 영향을 끼치고 있다는 것을 보여 주는 것이다. 특 히, 본 연구를 통해 확인 된 최적의 혼합조건을 통해 제조된 SMC을 사용하여 만든 샘플은 기존방법으로 제조된 것보다 흡수율, 수축율 및 광택도에서 향상된 결과를 나타내었다. 감 사 본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2010년도 중소기업 기술혁신 개발사업의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다. 참고문헌 Fig. 8. SEM image of sample using sheet molding compund of S-1 and S-2. S-1: preparation of general sheet molding compund, S-2: this work. 1. Cherian, A. B. and Thachil, E. T., Block Copolymers of Unsaturated Polyesters and Functional Elastomers, J. Appl. Polym. Sci., 94(5), (2004). 2. Atkins, K. E., Sheet Molding Compound: Science and Technology, Chapter 4, H. G. Kia, ed., Hanser Publishers, New York (1993). 3. Brady, M. and Brady, P, Automotive Composites: Which Way Are We Going?, Reinforced Plastics(2007).

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<32372D332D312DB1E8C7D1B5B52E687770> ISSN(Print) 1229-0033 ISSN(Online) 2234-036X http://dx.doi.org/10.5764/tcf.2015.27.3.165 Textile Coloration and Finishing Vol.27,No.3 연구논문( 학술) 랜덤상태의 E-유리단섬유강화불포화폴리에스터기반수지복합재료의물성 -E-유리단섬유의길이와함량및적층수의영향-