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하연 심
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1 한국기계가공학회지, 제권, 제1호, pp.~ (00. ) Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. No. 1, pp.~ (00. ) 엘라스토머 TPV 의사출성형조건에따른기계적물성 한성렬 *, 정영득 # Mechanical Properties of Elastomer TPVs due to Injection Molding Conditions Seong-Ryeol Han*, Yeong-Deug Jeong # ABSTRACT Thermoplastic elastomer(tpe) has many advantages such as high flexibility, high elasticity and high elongation, etc. TPE is easily molded as plastic materials, therefore, many TPE parts are applied as home appliances and mechanical parts. However, its mechanical properties would be changed by injection molding conditions such as melt temperature, mold temperature, injection pressure and holding pressure, etc. In this study, the influences of the injection molding condition on the mechanical properties as tensile strength, hardness of thermoplastic vulcanizates(tpvs), which is one of the TPE, were investigated. By the injection molding experiment, the molding's tensile strength and hardness was influenced on the melt temperature and composition ratio of PP and EPDM. The morphology of moldings were shown by the scanning electron microscope. Key Words : Thermoplastic Elastomer ( 열가소성엘라스토머 ), Thermoplastic Vulcanizate ( 열가소성가황물 ), Injection Molding Condition ( 성형조건 ), Scanning Electron Microscope ( 주사전자현미경 ) 1. 서론 최근의소비자들은다양한개성과요구를나타내고있기때문에거의모든제품은경량이면서고기능, 고품질화가요구되고있다. 이중에도자동차의고급화와경량화는큰사회적이슈가되고있다. 특히자동차의경량화를위하여기존의금속을대신할수있는플라스틱및고무가차지하는비중은나날이커지고있다. 특히고무는플라스틱이나다른재료와 * 부경대학교대학원기계공학부 # 교신저자 : 부경대학교기계공학부 ydjung@pknu.ac.kr 는다르게고유연성, 고탄성, 고신장율등의특성을나타내는장점이있지만, 고무재료를가공하기위해서는유황을첨가하여재료를거대고문자물질로변화시키는가황가교 (vulcanize) 등의복잡한공정을거쳐야하는단점이있다 [1,]. 이러한단점을개선하기위해서고무의특성을가지면서높은온도에서가소화되어일반플라스틱사출성형기로도성형이가능한각종열가소성엘라스토머 (thermoplastic elastomer; TPE) 가개발되어있다 []. TPE는가황가교공정이필요없으며, 폭넓은물리적, 기계적성질을나타내므로여러가지제품에적용가능하며, 스크랩 (scrap) 의재활용이용이하다. 따라서 TPE의사용이점차증가하고있는추세이다. - -

한성렬 정영득 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 TPE 제품의사용증가로인한대량생산의필요성이대두되고있는상황에서사출성형에의한생산에대한관심도증가하고있다. 그러나실제사출성형에의한생산은여러차례의시행착오를거치면서최종제품을생산하는비합리적인과정을거치고있으며, 사출성형과정에서성형공정조건이제품에미치는물리적, 기계적변화에대한연구는아주미미한수준이다.

. 실험장치및방법 열가소성엘라스토머인 TPE에는스티렌계, 올레핀계, 우레탄계, 에스테르계등의여러종류로나눠지는데본연구에서는올레핀계 TPE 중의하나인 TPVs (thermoplastic vulcanizates) 를사용하였다.

2 한성렬 정영득 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 TPE 제품의사용증가로인한대량생산의필요성이대두되고있는상황에서사출성형에의한생산에대한관심도증가하고있다. 그러나실제사출성형에의한생산은여러차례의시행착오를거치면서최종제품을생산하는비합리적인과정을거치고있으며, 사출성형과정에서성형공정조건이제품에미치는물리적, 기계적변화에대한연구는아주미미한수준이다. 따라서본연구에서는사출성형조건들이 TPE 제품의기계적물성에어떤영향을미치는가를실험적연구를통하여조사하였다. 이번연구의결과는 TPE 제품의설계와성형분야에서활용할수있는기초자료가될것으로기대한다.. 실험장치및방법 열가소성엘라스토머인 TPE에는스티렌계, 올레핀계, 우레탄계, 에스테르계등의여러종류로나눠지는데본연구에서는올레핀계 TPE 중의하나인 TPVs (thermoplastic vulcanizates) 를사용하였다. TPVs는폴리프로필렌 (polypropylene; PP) 과에틸렌프로필렌고무 (ethylene propylene rubber; EPDM) 을혼합하여사용하고있다 []. 실험을위하여사용된 TPVs는 화승소재에서제조한 종으로 PP와 EPDM의혼합비율은 Table 1에나타내었으며, 본연구에서는간략화를위하여정식명칭이아닌괄호안의약칭을사용하였다. 이있지만본연구에서는실험을위한성형조건으로성형온도 (melt temperature), 금형온도 (mold temperature), 사출압 (Injection pressure), 보압 (holding pressure), PP와 EPDM의혼합비를변화시켰을때등의변화에따라인장강도및경도의변화추이를조사하고자하였다. 그외의사출조건은사출시간 (injection time).초, 냉각시간 (cooling time) 1초로고정하였다. Table 는성형조건의범위를나타낸것으로, 각각의조건을 단계로나누어실험하였다. 실험에사용된사출성형기는 LG 전선 에서제작한 톤사출성형기 (EN) 를사용하였다. Fig. 1은시편성형용금형으로 Fig. 에나타낸것처럼인장시편과사각형상의시편을동시에성형할수있는금형이다. 본연구에서수축률은인장시편을대상으로하였고, 경도는사각시편을대상으로하였다. Fig. 은인장실험에사용된만능시험기 (Hounsfield 사, H10KT) 이다. Table Experimental variables and ranges Variable Unit Range Melt temperature 190, 19, 00, 0, 10 Mold temperature, 0,, 0, Injection pressure MPa,, 9,, Holding pressure MPa 9., 1, 1., 19.,. Table 1 Composition ratio of PP and EPDM TPVs Materials Composition ratio (%) LKBKS PP 9 (PP9) EPDM 1 B0I PP (PP) EPDM BI PP 1 (PP1) EPDM Fig. 1 Experimental mold 본실험에서는성형조건이 TPVs제품의인장강도와경도에어떤영향을미치는가에대하여실험하였다. 사출제품의성형성과정밀도를결정짓는인자들은많 Fig. Molded Specimen - -

엘라스토머 TPV 의사출성형조건에따른기계적물성 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 Fig. 는보압의증가시의인장강도변화를나타낸것으로보압을증가시켰을때엘라스토머별인장강도의변화는거의나타나지않았다. 이러한현상은다른플라스틱의경우에서와같이보압을증가시켜도인장강도의변화가거의없는것과같은결과이다 []. Fig. Universal test machine. 결과및고찰.

3 엘라스토머 TPV 의사출성형조건에따른기계적물성 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 Fig. 는보압의증가시의인장강도변화를나타낸것으로보압을증가시켰을때엘라스토머별인장강도의변화는거의나타나지않았다. 이러한현상은다른플라스틱의경우에서와같이보압을증가시켜도인장강도의변화가거의없는것과같은결과이다 []. Fig. Universal test machine. 결과및고찰.1 성형조건과인장강도 TPVs의폴리프로필렌 (PP) 을 9%, % 및 1% 로각각혼합시킨뒤사출하였을때사출조건 ( 사출압력, 보압, 보압시간, 성형온도, 금형온도등 ) 의변화에에따라인장강도및경도의변화추이를조사하고자하였다. Fig. 는사출압을증가시켰을때의성형품의인장강도의변화를나타낸것이다. PP를 9%, % 첨가한엘라스토머는사출압이증가할수록인장강도가약간감소하는현상을보였다. 그러나 PP를 1% 첨가한엘라스토머는사출압의변화에도불구하고인장강도의변화가거의없음을보였다 Holding pressure (MPa) Fig. Tensile strength variation according to holding pressure 그이유는실험에사용된엘라스토머의경우는내부의 PP 하드세그먼트 (hard segment) 가사출되는과정에서 PP 하드세그먼트를감싸고있는소프트세그먼트 (soft segment) 인 EPDM에의해서배향이이루어지는것이방해되어일반적인플라스틱보다분자배향이작게생겨서, 배향의정도와관련된인장강도의변화가거의없다고생각한다. 0 0 Injection pressure (MPa) Fig. Tensile strength variation according to injection pressure H old ing pres s ure time (s ec ) Fig. Tensile strength variation according to holding pressure time - 9 -

4 한성렬 정영득 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 Fig. 은보압유지시간의증가에따른인장강도의변화를나타낸것으로보압의유지시간이길어져도인장강도에는큰변화가없었다. 이러한현상은 Fig. 에서의결과와관련하여배향발생이거의없는상태에서보압을계속유지시켜도엘라스토머내부의변화가없음에서발생하는결과라생각된다. Fig. 은엘라스토머의성형온도에따른인장강도의변화를나타낸그래프이다. PP가가장많이첨가된엘라스토머의경우성형온도가증가할수록인장강도가감소하는결과를보였고, 그외의엘라스토머는성형온도가증가하여도인장강도에는큰영향을끼치지못하였다. 성형온도가증가할수록엘라스토머내부의 PP 세그먼트의메트릭스가분해 (degradation) 되면서인장강도가저하되는것으로생각된다. 그리고 PP 세그먼트의수가감소할수록 PP 세그먼트의와해정도는감소하며, PP 세그먼트가일정수준까지감소하면, 인장강도는 PP 세그먼트분해의영향보다는 EPDM 세그먼트의분해에의해영향을받을것으로생각된다. 따라서 PP 첨가량이감소할수록인장강도가낮으며, 성형온도의변화에도불구하고인장강도의변화는거의없는현상이발생하는것으로생각된다 Me lt temperatu re ( ) Fig. Tensile strength variation according to melt temperature Fig. Tensile strength variation according to mold temperature. 성형조건과경도 Fig. 9와 Fig. 10은성형온도및보압의증가에따른엘라스토머성형품의경도의변화를각각나타낸것이다. 경도의측정은성형품의게이트부 (a) 와게이트반대편을동시에측정하였다.(Fig. 참조 ) 성형온도의경우 PP가가장많이첨가된경우에가장큰경도를나타났고, 성형온도가증가할수록경도는약간감소하는경향을보였다. 보압의증가시에도 PP가가장많이첨가했을경우에가장큰경도를나타내었고, 보압이증가시키면경도도약간증가하는경향을보였다. 그리고모든경우에서게이트쪽의경도가약간크게나타났는데이는성형시캐비티의게이트쪽과게이트먼쪽의압력전달차이라고사료된다 []. Fig. 은금형온도가증가하면서발생하는인장강도의변화를나타낸그래프이다. 실험결과에서는금형온도가증가하여도성형품의인장강도에는큰영향을끼치지못하는것으로나타났다. Fig. 9 Hardness variation according to melt temperature - 0 -

엘라스토머 TPV 의사출성형조건에따른기계적물성 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 Fig. 10 Hardness variation according to holding (b) 00.

성형온도가높아질수록흐름과표면주름이감소하였다. 이와같은현상은성형온도 10 시편이 190 시편에비해급냉되어내부조직들이원래의위치로되돌아가지못하고, 응집되어있는것으로생각된다. 그리고이와같은현상은 Fig.

결론 사출성형인자가열가소성엘라스토머 TPVs의기계적물성에미치는영향을실험적연구를통하여조사하였다. 이연구의주요결과는다음과같다. 1.

5 엘라스토머 TPV 의사출성형조건에따른기계적물성 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 Fig. 10 Hardness variation according to holding (b) 00. 성형온도와모폴로지 (Morphology) Fig. 11은 PP9 성형품의내부조직을주사전자현미경 (scanning electron microscope SEM) 을이용하여촬영한결과이다. Fig. 11(a) 에서부터 (c) 까지는성형온도가증가되는과정에서성형된시편들의내부조직을나타낸것으로측정위치는인장시편의중앙부이다. 성형온도가높아질수록흐름과표면주름이감소하였다. 이와같은현상은성형온도 10 시편이 190 시편에비해급냉되어내부조직들이원래의위치로되돌아가지못하고, 응집되어있는것으로생각된다. 그리고이와같은현상은 Fig. 의결과와같이성형온도가증가할수록인장강도가저하되는결과와일치됨을알수있었다. (a) 190 (c) 10 Fig. 11 SEM micrographs of TPVs. 결론 사출성형인자가열가소성엘라스토머 TPVs의기계적물성에미치는영향을실험적연구를통하여조사하였다. 이연구의주요결과는다음과같다. 1. 엘라스토머성형품의인장강도와경도는성형조건중성형온도에의해서가장많은영향을받고, 그외의성형조건은큰영향을미치지않았다.. TPVs 엘라스토머의경우 PP 세그먼트의첨가량이증가할수록인장강도와경도가증가함을알수있었다.. PP 세그먼트의량이증가되고, 성형온도가증가할수록성형품내부조직이균일하지못하고, 응집되어인장강도가저하됨을알았다

6 한성렬 정영득 : 한국기계가공학회지제 권, 제 1 호 후기 이논문은 00학년도부경대학교기성회학술연구비에의하여연구되었습니다. 참고문헌 1. Ghoreishy, M.H.R., Razavi-nouri, M. and Naderi, G., Finite element analysis of a thermoplastic elastomer melt flow in the metering region of a single screw extruder, Computational Materials Sci., Vol., pp. 9-9, 00.. 박인환등, 염비엘라스토머제조기술개발에관한연구, 한국화학연구소보고서, pp. -9, Yun, J., Patel, R. and Worley, D. C. II, High performance thermoplastic vulcanizates (TPVs) for long term temperature application, ANTEC 00, pp. 1-1, 00.. Zoetelief, W. and Teeuwen, M., Mechanical behavior of TPV in automotive sealing systems, ANTEC 00, pp. 9-00, 00.. 김경범, 폴리카보네이트사출성형품의성형수축과인장강도, 공학석사논문, 부경대학교, pp. 0-0, 00.. 최윤식, 사출성형방식에따른성형수축거동에관한연구, 공학박사논문, 부경대학교, pp. 0-1,

여기에 제목을 입력하시오

여기에 제목을 입력하시오 10 대한기계학회논문집 A권, 제3권 제11호, pp. 10~107, 008 DOI:10.3795/KSME-A.008.3.11.10 비선형 유한요소해석을 이용한 웨더스트립의 특성예측 장왕진 한창용 * 우창수 ** 이성범 *** (008 년 8월 4일 접수, 008 년 10 월 16 일 수정, 008 년 10 월 19 일 심사완료) Prediction