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160 Hae Gil Lee et al. / Elastomers and Composites Vol. 50, No. 3, pp. 159-166 (September 2015) 하고가교밀도를떨어뜨리기때문에이를보강하기위해실리카-고무복합재료에서는카본블랙-고무복합재료에비해과량의가교촉진제를사용한다. 실리카에의한가교촉진제의흡착을줄이기위한노력으로는실리카표면을개질시켜극성을줄이거나폴리에틸렌글리콜 (PEG), 에틸렌글리콜 (EG) 을첨가하여실리카표면과반응하여촉진제가실리카표면에흡착되는것을줄여가교반응속도를빠르게하고가교밀도를증가시킨다. 17 또한촉진제로 diphenylguanidine (DPG) 을첨가하여가교반응속도를빠르게하고가교밀도를증가시킨다. 하지만이러한노력에도불구하고실리카에의한가교촉진제의흡착을막을수는없기때문에여전히과량의가교촉진제를사용한다. 18 고온의배합에서도스코치발생이적은커플링제의개발, 실리카와고무양쪽다친화력이있는재료에의한실리카의분산성향상, 실리카표면에흡착이덜되는가황촉진제의개발이나기존의카본블랙-실리카복합재료에사용하는가교시스템아닌실리카-고무복합재료에적합한가황시스템의개발등은앞으로도더연구해야할분야라여겨진다. 19 본실험에서는천연고무를베이스로한실리카배합물의물성에영향을미치는실린커플링제와활성제의상관관계를규명하기위하여 Mooney점도, 가황특성, 기계적물성및내마모성등에미치는실란커플링제및활성제의영향을검토하였다. Experimental 1. 실험재료본실험에서사용된주요재료인 natural rubber, silica, 가공유, 노화방지제, 가교제, 가교촉진제, 활성제에대하여 Table 1에나타내었다. Natural rubber는인도네시아산천연고무로서 TSR 분류기준 20 Grade인 SIR20을사용하였고, 실리카는 Evonik사 Ultrasil VN3GR granule 타입을사용하였으며, BET Table 1. Properties of Materials 1) Natural rubber Item M.V(ML1+4) P0 PRI (%) Ash (%) SIR 20 68 32 83 0.3 2) Silica Item Moisture(%) ph SiO 2 content BET surface area VN3 GR 5.5 6.2 98% 175 m 2 /g 3) Silane Item Sulfur content Average molecular weight Density Si-69 22.5% 3.70 g/mol 1.10 g/cm 3 4) PEG 4000 Item 표면적이 175 m 2 /g인범용 grade를사용하였다. 산화아연은 KS#2호, 스테아린산, 가공유는파라핀계오일, 노화방지제는 TMDQ (RD) 인 quinoline계를사용하였다. 본평가의주요재료인실란커플링제 organosilane은 Evonik사의 Si-69을사용하였고, 활성제는분자량이 4000인 KPX GREEN Chemical사의 PEG 4000을사용하였다. 가교시스템은황을이용한 semi- EV cure system을사용하였고가교촉진제 N-tert-butyl-2- benzothiazoyl sulfenamide (TBBS) 와 dibenzothazyl disulfide (DM) 을함께사용하였다. 2. 시편제조 Average molecular weight sp. gr. viscosity (100 o C) flash point PEG 4000 3800~4200 1.212 90.8cps 268 o C 배합 formulation은크게실란커플링제 Si-69 함량에따른그리고활성제 PEG 4000 함량에따른가황체의영향을보기 Table 2. Compound Formulation of NR Vulcanizates with Si-69 & PEG (phr) Ingredient T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 NR 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Silica 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 Si-69-2 4 5 6 4 4 4 4 4 PEG 4000 - - - - - - 1 2 3 4 Oil 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 ZnO KS#2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 Stearic acid 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 RD 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Sufur 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 TBBS 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 DM 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Total 172.8 175.2 176.4 177.6 178.8 176.4 177.4 178.4 179.4 180.4

Cure Characteristics, Mechanical Properties and Abrasion Resistance of Silica Filled Natural Rubber Vulcanizate 161 viscometer (Monsanto MV100) 를이용하여 100 o C에서무우니점도를조사하였다. 150 o C에서적정가황시간을산출하여 hot press에서압축성형법으로시험시편을제조하여물성을측정하였다. 3. 물성측정 3.1 경화특성각각조성을달리하여제작한배합고무의경화반응특성은진동디스크 rheometer (Monsanto ODR2000) 를이용하여 150 에서측정하였다. 시험방법은 ASTM D 2084에준하여실행하였으며, rheometer를사용하여얻어진가황곡선은일정온도하에서가황시간이증가함에따라고무시편의중심에놓인판을일정한각도로주기적으로회전시키는데필요한힘을시간에대한 torque의함수로써나타낸것이다. 이때가해진힘, 즉 torque는가황도에비례하며다음식을이용하여구할수있다. Degree of crosslinking(%) = T(t) T min /(T max T min ) 100 (1) Figure 1. Mixing procedure. 위해서 2가지변수를가지고설계를하였으며 Table 2에표시하였다. T1에서 T5까지는실란커플링제 Si-69의투입중량을실리카 50 phr 함량의 0%, 4%, 8%, 10%, 12% 비율인 0, 2, 4, 5, 6 phr로나누어서평가를진행하고, T6에서 T10은 PEG 4000 투입함량을 0 phr부터 4 phr까지단계적으로높여서평가를진행하였다. 본실험에서이용된시편은 1차혼련 (master batch stage) 과 2차혼련으로 (final mixing stage) 나누어배합하였다. Figure 1에서는시험반바리에서배합과정을도식화였다. 1차혼련에서는용량 1.6 L banbury mixer를이용하여초기온도 85 o C, 최종온도 155 o C를유지하면서총 10분간혼련하였다. 고무소련은 30초동안행하였으며, 이후실리카 1/2과약품, 오일을함께투입하여 2분간더혼련한후, 실리카 1/2과실란커플링제 Si-69, PEG 4000을함께투입하고마지막으로산화아연, 스테아린산, 노화방지제 RD를투입하는순서대로시행하였다. Silanization 반응과부산물인수화물의제거를위해 155 o C 온도조건하에 3분간저속 rpm으로변경하여온도가 steady state 상태에서최종덤프하였다. 20 1차혼련물은상온에서 24시간방치하여충분히숙성시간을가졌고 2차혼련은 60 o C 온도에서 1차배합물과가황제, 가교촉진제를투입하고 1분 30초후덤프시켜최종배합물을제조하였다. 최종배합시편은 rheometer (Monsanto ODR 2000) 를이용하여 ASTM D 20849에준하여 150 o C에서실험하였으며, Mooney T max : 최대 torque 값 (Newton m) T min : 최소 torque 값 T(t) : 가황시간 t에서의 torque 값 3.2 기계적물성시험노화전과노화후인장특성은 ASTM D 412에따라 dumbbell die C를사용하여측정하였다. 노화조건은 125 o C 온도하에서노화시간을 24시간동안행한후에실험을하였다. 실험에서사용된 tensometer (Instron 3312) 는 25 o C 하에서 500 mm/min의 crosshead 속도와 100 kgf load cell 조건에서측정하였다. 경도는스프링식경도계 (Shore A) 를사용하여측정하였다. 3.3 마모특성마모특성실험은 Akron type과 NBS type을각각 KS M6624과 KS M6524에준하여실험하였으며사용된장치를 Figure 2에나타내었다. 상대적인마모손실율을비교하기위해서시험전 후의시편무게감소를측정하여다음과같이백분율로환산하였다. 정확성을위해서평가시료는 3개로평균값을적용하였다. 마모손실율 (%) = (T 0 T n )/T 0 100 T 0 : 시험편의시험전질량 (g) T 0 : 시험편의시험후질량 (g) Akron type 시험조건은마모각도 25 o ( 고무시편과연마석

162 Hae Gil Lee et al. / Elastomers and Composites Vol. 50, No. 3, pp. 159-166 (September 2015) Figure 2. Pictures of Akron & NBS abrasion testers. 과의각도 ) 에회전수 3000회 하중 4.6 kg 조건으로평가를진행하고, NBS Type은회전수 500회 하중 460 g 조건으로평가를진행하였다. Results and Discussion 1. 경화특성및 Mooney viscosity에미치는영향본실험에서평가한 Si-69 함량별그리고 PEG 함량별가황특성결과를진동디스크 rheometer를이용하여 Table 3에나타내었다. 실란커플링제 Si-69 함량과 PEG 4000 함량에따른 Mooney viscosity의변화를 Figure 3에나타냈다. 실란커 Figure 3. Variation of Mooney viscosity as a function of Si-69 and PEG content. 플링제를함유한고무배합물은실란커플링제를사용하지않은경우보다무우니점도는급격히감소하는경향을보이는데이것은실란커플링제와글리콜의점도가낮은데기인한것으로판단된다. 실란커플링제는실리카표면과의반응에의하여실리카입자간수소결합에의한 1차구조에서 2차구조의응집을억제하여입자가성장하지못하기때문에입자크기가작아져서점도가감소되는것으로보인다. 21 PEG 함량에따른평가결과는함량이증가할수록무우니점도는감소하는경향을보였다. 이는실리카표면의실라놀과반응하여수 Table 3. Mooney Viscosities and Cure Rates of NR Vulcanizates with Si-69 & PEG Item T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Tmin a) 15.7 11.4 11 8.8 8.9 9.2 10.7 9.2 8.6 10.1 Tmax b) 41.2 44.7 45.6 43.8 45.1 44.6 47.5 46.2 45.7 47.3 ts1 c) 6:11 6:01 5:56 6:31 5:50 5:57 6:02 5:57 5:09 4:32 t90 d) 13:55 13:05 13:03 13:35 13:28 13:17 12:36 13:05 13:12 12:28 MV e) 82.4 69.6 67.4 60.1 61.2 66 59.1 53.1 50 51.2 a) minimum torque value (lb-in) b) maximum torque value (lb-in) c) scorch time (min:sec) d) optimum cure time (min:sec) e) Mooney viscisity, ML1+4(100 o C)(dn.m)

Cure Characteristics, Mechanical Properties and Abrasion Resistance of Silica Filled Natural Rubber Vulcanizate 163 소결합을할수있는 glycol이실리카입자간의응집을줄여준데따른결과로판단된다. 22 하지만실란투입량에따른점도변화량에비해초기점도감소효과는작았다. 그러한경향을보이는이유는실리카투입량의 8% 인실란 4 phr을동일하게적용한상태에서 PEG 함량별평가를진행하였기때문에일차적으로실란의영향으로점도가많이감소된상태라 PEG 투입량에따른효과가많이줄어든것으로사료된다. 2. Delta torque에미치는영향실란커플링제함량에따른가교밀도차이는최대토크와최소토크값의차이를나타내는상대가교밀도에의해측정결과를 Figure 4에나타내었으며실란커플링제를사용할경우사용하지않을때보다가교밀도는큰폭으로증가하는경향을보이며, 실란커플링제함량이증가할수록가교밀도또한증가하는것을볼수있다. 이는실란커플링제를사용함에따라고무와실리카간의상호작용이증가하여고무의가교구조에영향을미치는것으로판단된다. 한편가교밀도의상승폭은 volume swell 등의측정으로확인할수있다. PEG 사용전후를비교해보면 Figure 4에서보는바와같이 PEG 함량이증가함에따라 delta torque 값이미세하게증가하는경향을볼수있다. 이는배합시실리카표면에존재하는실라놀그룹과 PEG의글리콜의 -OH기와반응하여실리카표면의극성을줄여줌에따라촉진제등이실리카표면에흡착되는현상을억제하여소모되는촉진제의양이감소하여가교속도는빨라지고고무와실리카간의결합력을증진하여 delta Table 4. Physical Properties of NR Vulcanizates with Si-69 Before Aging After Aging Item T1 T2 T3 T4 T5 Hardness a) 62 65 66 67 67 Modulus b) 61 99 130 141 148 Ts c) 225 260 264 278 293 Eb d) 619 569 549 495 485 Hardness a) 65 66 69 70 72 Modulus b) 32 41 48 58 69 Ts c) 130 140 162 167 177 Eb d) 388 363 325 249 198 a) Hardness : Shore A b) Modulus : Before aging : 300% Modulus (kgf/cm 2 ) After aging : 100% Modulus (kgf/cm 2 ) c) Ts : Tensile strength (kgf/cm 2 ) d) Eb : Elongation at break (%) Figure 4. Variation of delta torque as a function of Si-69 & PEG content. Figure 5. Variation of hardness and 300% modulus of unaged and aged as a function of Si-69 content.

164 Hae Gil Lee et al. / Elastomers and Composites Vol. 50, No. 3, pp. 159-166 (September 2015) torque 값이증가하는것으로판단된다. 23 3. 기계적물성 3.1 실란커플링제함량에따른영향실란커플링제의사용에따른기계적물성평가결과를 Table 4에나타내었다. 평가항목은경도, 300% modulus, 인장강도, 신장율등이며노화조건은 125 o C 24hr 이다. Figures 5~6에서는각각의물성항목을 Si-69 함량별로그래프를도식화하였다. 그림에서보는바와같이실란커플링제사용전 후를비교해보면경도, 300% modulus, 인장강도값이확연히높아진것을확인할수있으며반면신장율은낮아지는경향을볼수있다. 이는 rheometer 평가결과실란함량이증가할수록상대가교밀도가증가하였듯이실리카와고무간의가교결합의증가로인하여기계적물성이향상된데기인하는것으로판단된다. 실란커플링제함량별평가결과함량이증가할수록경도와 modulus, 인장강도는상승하는경향을보이는데비하여파단신률값은감소하는경향을보였다. 내열노화시험후의 modulus, 인장강도및파단신률값은감소하였으나경도는후경화에의하여증가하는경향을보였다. 3.2 PEG 함량에따른영향 PEG 4000 투입함량에따른기계적물성평가결과를 Table 5에나타내었다. 평가결과는동일하게경도, 300% modulus, 인장강도, 신장율등을평가하였으며노화후시험조건은 125 o C 24hr 으로하였다. Figures 7~8 그래프에서보여지는것처럼 PEG 사용전 후를비교해보면사용시경도및 Table 5. Physical Properties of NR Vulcanizates with Si-69 & PEG Before Aging After Aging Item T6 T7 T8 T9 T10 Hardness a) 66 67 68 66 65 Modulus b) 131 133 136 129 123 Ts c) 288 289 295 265 263 Eb d) 543 536 525 543 548 Hardness a) 69 70 71 70 70 Modulus b) 48 51 53 46 41 Ts c) 172 173 179 158 151 Eb d) 327 317 304 308 301 a) Hardness : Shore A b) Modulus : Before aging : 300% modulus (kgf/cm 2 ) After aging : 100% modulus (kgf/cm 2 ) c) Ts : Tensile strength (kgf/cm 2 ) d) Eb : Elongation at break (%) Figure 6. Variation of tensile strength and elongation at break of unaged and aged as a function of Si-69 content. Figure 7. Variation of hardness and 300% modulus of unaged and aged as a function of PEG content.

Cure Characteristics, Mechanical Properties and Abrasion Resistance of Silica Filled Natural Rubber Vulcanizate 165 Figure 10. Variation of abrasion weight loss as a function of PEG content. 4. 마모특성에미치는영향 Figure 8. Variation of tensile strength and elongation at break of unaged and aged as a function of PEG content. modulus, 인장강도등이약간증가하는경향을보이고, 2 phr 이상에서는감소하는경향을보였다. 이것은고무내의실리카의균일한분산성과실리카간의응집력약화및실리카와고무간의결합력상승작용과고무와의결합력증가로가교밀도가상승하지만 2 phr 이상에서는가소제처럼유연제로작용하여물성감소및내노화성이저하되는것으로보인다. 24 마모특성에대한평가는 Akron type과 NBS type 마모시험기로평가를진행하였으며실란커플링제 Si-69 함량에따른마모손실량과 PEG 4000 함량에따른마모손실량을각각 Figure 9 및 10에나타내었다. 실란커플링제를사용할경우사용하지않을경우보다가교밀도가상대적으로높아졌기때문에마모손실량이감소하는경향을보이다가 5 phr 이상즉실리카대비 10% 이상투입량에서는마모손실량이거의동일한결과를보여더이상의마모개선효과는미비하였다. PEG 함량을 1 phr 가한경우는실리카의균일한분포및분산성기여로마모손실량이감소하는결과를보였으며 2 phr 이상에서는경도감소및유연제로서작용하여마모손실량이증가하는경향을보였다. Conclusion 천연고무베이스의실리카배합물의물성에영향을주는첨가제인실란커플링제와활성제의상관관계를규명하기위해 Mooney 점도, 가교특성, 기계적물성, 내마모성등을측정하여다음과같은결론을얻었다. 실란커플링제를사용함으로서가교밀도는큰폭으로증가하는경향을보이고이로인해기계적물성인인장강도와 300% modulus, 내마모특성이향상되는결과를보였다. 실란커플링제함량별 0~6 phr 평가결과 4, 5 phr에서가장양호한마모특성을나타내었다. 또한실란커플링제의적정함량비는 8~10% 수준으로판단된다. 활성제 PEG 4000의함량이증가함에따라무우니점도는감소하는한편가교밀도는미세한증가를보였다. Acknowledgement Figure 9. Variation of abrasion weight loss as a function of Si- 69 content. 이논문은부경대학교자율창의학술연구비 (2014 년 ) 에의

166 Hae Gil Lee et al. / Elastomers and Composites Vol. 50, No. 3, pp. 159-166 (September 2015) 하여연구되었으며이에감사드립니다. References 1. Proposal for a Directive of the European parliament and the council on labelling of tyres with respect to fuel effiency and other essential parameters [SEC(2008)2860] Brussels, COM(2008) 779 final 2008/0221 (COD) (2008). 2. S. J. Park and K. S. Cho, Filler elastomer interactions: influence of silane coupling agent on crosslink density and thermal stability of silica/rubber composites, J. Colloid Interf. Sci., 267, 86 (2003). 3. Y. Li, M. J, Wang, T. Zhang, F. Zhang, and X. Fu, Study on Dispersion Morphology of Silica in Rubber, Rubber Chem. Technol., 67, 693 (1994). 4. U. Goerl, A. Hunsche, A. Mueller, and H. G. Koban, Investigations into the Silica/Silane Reaction System, Rubber Chem. Technol., 70, 608, (1997). 5. H. W. Walter, O. H. John, E. R. Larry, and H. Jeffrey, Organic polymer-surface modified precipitated silica, J. Appl. Polym. Sci., 55, 1627 (1995). 6. H. Ismail, S. Shuhelmy, and M. R. Edyham, The effects of a silane coupling agent on curing characteristics and mechanical properties of bamboo fibre filled natural rubber composites, Eur. Polym. J., 38, 39 (2002). 7. A. S. Hashim, B. Azahari, and Y. Ikeda, The effect of bis (3- tri-ethoxysilylpropyl) tetrasulfide on silica reinforcement of styrene-buta-diene rubber, Rubber Chem. Technol., 71, 289 (1998). 8. M. J. Wang, Effect of polymer-filler and filler-filler interactions on dynamic properties of filled vulcanizates, Rubber Chem. Technol., 71(3), 520 (1998). 9. S. S. Choi, Improvement of properties of silica-filled natural rubber compounds using polychloroprene, J. Appl. Polym. Sci., 83, 2609 (2002). 10. B. T. Poh and C. C. Ng, Effect of silane coupling agent on the Mooney scorch time of silica-filled natural rubber compound, Eur. Polym. J., 34, 975 (1998). 11. S. Indra, H. Ismail, and A. R. Azura, The comparison of alkanolamide and silane coupling agent on the properties of silica-filled natural rubber (SMR-L) compounds, Polym. Test., 40, 24 (2014). 12. K. H. Kuoa, W. Y. Chiua, and K. H. Hsieha, Synthesis of UV-curable silane-coupling agent as an adhesion promoter, Mater. Chem. Phys., 113, 941 (2009). 13. J. W. Brinke, S. C. Debnath, L. A. Reuvekamp, and J. W. Noordermeer, Mechanistic aspects of the role of coupling agents in silica rubber composites, Compos. Sci. Technol., 63, 1165 (2003). 14. S. S. Choi, Influence of storage time and temperature and silane coupling agent on bound rubber formation in filled styrene butadiene rubber compounds, Polym. Test., 21, 201 (2002). 15. Y. Xie, A. S. Callum, Z. Xiao, H. Militz, and M. Carsten, Silane coupling agents used for natural fiber/polymer composites, Composites : Part A, 41, 806 (2010). 16. B. T. Poh and C. C. Ng, Effect of silane coupling agents on the mooney scorch time of silica-filled natural rubber compound, Eur. Polym. J., 34, 975 (1998). 17. P. Ghosh, B. Chattopadhyay, and A. K. Sen, Thermal and oxidative degradation of PE-EPDM blends vulcanized differently using sulfur accelerator systems, Eur. Polym. J., 32, 1015 (1996). 18. H. Ismail, U. S. Ishiaku, Z. A. Ishak, and P. K. Freakley, The effect of a cationic surfactant(fatty diamine) and a commercial silane coupling agent on the properties of a silica filled natural rubber compound, Eur. Polym. J., 33, 1 (1997). 19. P. S. Oui, C. Sirisinha, U. Thepsuwan, and K. Hatthapanit, Roles of silane coupling agents on properties of silica-filled polychloroprene, Eur. Polym. J., 42, 479 (2006). 20. C. Kaynak, C. Celikbilek, and G. Akovali, Use of silane coupling agents to improve epoxy-rubber interface, Eur. Polym. J., 39, 1125 (2003). 21. A. N. Gent and R. H. Tobias, Threshold tear strength of elastomers, J. Polym. Sci.: Polym. Phys., 20, 2051 (1982). 22. N. Suzuki, M. Ito, and F. Yatsuyanagi, Effects of rubber/ filler interactions on deformation behavior of silica filled SBR systems, Polymer, 46, 193 (2005). 23. S. Pattanawanidchai, S. Loykulnant, P. S. Oui, N. Maneevas, and C. Sirisinha, Development of eco-friendly coupling agent for precipitated silica filled natural rubber compounds, Polym. Testi., 34, 58 (2014). 24. 박성수, 실리카와첨가제가천연고무배합물의물성에미치는영향, 87, 전남대학교, 박사학위논문 (2000).