Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 6 pp. 3990-3996, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.6.3990 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 나일론 66/ 유리섬유복합체의압출횟수에따른특성연구 이봄이 1, 김연철 1* 1 공주대학교신소재공학부고분자공학전공 Study on the physical properties of nylon66/glass fiber composites as a function of extrusion number Bom Yi Lee 1, Youn Cheol Kim 1* 1 Major in Polymer Science and Engineering, Kongju National University 요약나일론66/ 유리섬유복합체의경우 300 이상의고온에서사출가공될때물성저하가일어날수있어, 재이용시열이력에대한체계적인연구가필요하다. 305/290/273/268/265/260 온도조건의이축압출기 (twin screw extruder) 를이용하여나일론 66/ 유리섬유복합체의압출시료를압출횟수에따라제조하였다. 압출횟수에따른화학구조, 열적특성, 용융지수, 결정구조, 아이조드충격강도및유변학적특성을 FT-IR, 용융지수측정기, DSC, TGA, XRD, Izod 시험기, 그리고유변물성측정기를이용하여분석하였다. 적외선분광스펙트럼을이용하여확인한결과압출횟수에따른압출시편에서의화학구조변화는확인되지않았다. 압출횟수에따라분자량이감소하는것을용융지수와복소점도를이용하여확인하였다. 나일론 66/ 유리섬유복합체의용융온도는큰변화가없으나, 압출횟수증가에따라분해온도가 20 정도까지감소하는것을 DSC와 TGA를이용하여확인하였다. 압출시편의아이조드충격강도는압출횟수가증가함에따라감소하였다. 또한나일론66/ 유리섬유복합체압출시편의 G'-G" 곡선의기울기나형태가변하지않는것으로부터압출시편에가교와같은구조변화가크게나타나지않음을알수있었다. Abstract Because the physical properties can be decreased when a Nylon 66/glass fiber composite is injected into a mold over 300, a systematic study of the thermal history in the case of re-use is needed. Nylon 66/glass fiber extrudates as a function of the extrusion number were prepared using a twin screw extruder at 305/290/273/268/265/260. The chemical structure, thermal properties, melt index, crystal structure, Izod impact strength, and rheological properties were measured by Fourier transform infra-red (FT-IR), melt indexer, DSC, TGA, XRD, Izod impact tester, and dynamic rheometer. The FT-IR spectra indicated that the number of extrusions did not affect the chemical structure. The decrease in molecular weight with increasing extrusion number was confirmed by the melt index and the complex viscosity of extrudates. Based on the DSC and TGA results, the thermal history had no effect on the melting temperature, regardless of the number of extrusions, but the degradation temperature decreased up to 20 with increasing extrusion number. The Izod impact strengths of the extrudates were found to decrease with increasing extrusion number. No structural change after extrusion was also confirmed because there was no change in the slope and shape of the G'-G" plot. Key Words : Nylon66/Glass Fiber, Composite, Thermal History, Physical Properties 1. 서론 나일론 / 유리섬유복합체의자동차부품적용은경량화라는부분에서는장점이있지만, 유기화학소재로사 출성형과같은고분자가공시고온의열에노출될때열화에의한물성변화가많이발생하는문제가있다. 또한이들수지가석유화학제품이므로총탄소 ( 이산화탄소 ) 관리측면에서는환경문제로인식될수도있어, 자동차 * Corresponding Author : Youn Cheol Kim(Kongju National Univ.) Tel: +82-41-521-9395 email: younkim@kongju.ac.kr Received February 5, 2014 Revised (1st March 13, 2014, 2nd March 28, 2014) Accepted June 12, 2014 3990
나일론 66/ 유리섬유복합체의압출횟수에따른특성연구 부품용고분자재료의재활용성을높이기위해많은노력들이진행되어왔고, 자동차부품제조업체를중심으로폐소재나스크랩등을사출가공시일정량을재투입하여사용하고있으나물성감소로사용에제한을받고있다. 자동차용부품을가공할때스크랩의발생은필수적이고, 자동차부품업체에서는경영및환경개선의일환으로이들스크랩의재이용에대한관심이증가하고있다. 고분자소재중나일론66 및나일론66/ 유리섬유 (glass fiber, GF) 복합재료의경우상대적으로열과충격에강한특성을가지고있어, 현재플라스틱소재로변경이진행되고있는자동차부품에적용가능하기때문에사용이증가추세에있다 [1-10]. 따라서이들나일론66/ 유리섬유복합체스크랩의재이용가능성에대한학술적연구가필요하며, 이들학술적연구를위해서는나일론 66/ 유리섬유복합체의열이력 (thermal history) 에따른화학적, 분자량, 열적, 기계적및유변학적특성등에대한고찰이요구된다. 나일론66의열이력에대한분해메카니즘과물성변화에대한연구는많이진행되어왔으나 [11-15], 나일론66/ 유리섬유복합체의열이력에따른기계적물성이나유변학적물성변화에대한체계적인연구는미흡한실정이다. 나일론66/ 유리섬유복합체의경우나일론66에 30 wt% 이상의유리섬유를함유하기때문에 300 이상의고온에서사출가공될때나일론 66 과는달리더많은전단력등이가해지게되어열에대한안정성이떨어질것으로예측되고나일론66과는다른열이력을보일수있어, 이에대한체계적인연구가필요한실정이다. 따라서본연구에서는실제자동차부품가공업체에서사용하는사출조건에서나일론66/ 유리섬유복합체를가공할때의가공온도로설정된이축압출기 (twin screw extruder) 를이용하여, 1, 2, 3차압출시료를제조하고, 나일론66/ 유리섬유복합체와의화학구조, 분자량특성, 열적특성, 기계적특성및유변학적특성등을 FT-IR, 1 H-NMR, 용융지수측정기, DSC, TGA, 동적유변측정기 (ARES), Izod 충격시험기등을이용하여비교분석하여, 열이력이나일론66/ 유리섬유복합체의물성에미치는영향을체계적으로연구하고자하였다. 2. 실험 2.1 실험재료및압출조건나일론66/ 유리섬유복합체는상표명 Vydyne R540H 을사용하였으며, TGA 분석과 formic acid에제품을녹인후유리섬유함량을측정한결과 43% 정도로확인되었다. 유리섬유의성상을분석하기위해 SEM-EDS (Tescan Mira3) 분석을수행하여 Fig. 1에나타내었다. SEM 시료면을금박하여 (gold sputter coating) 25kV의가속전압으로관찰하였다. 유리섬유직경은 10.988-13.702um 분포를보였고, EDS의칼슘과알루미늄함량을고려할때 E-glass 를사용한것으로추정된다. 1, 2, 3 차나일론66/ 유리섬유복합체압출시편은 twin screw extruder (Bautech, BA-11, 한국 ) 를이용하여스크류속도 200 rpm, 압출온도조건 305/290/273/268/265/260 에서 L/D = 36의다이 (die) 를이용하여제조하였다. Table 1에압출시편의시료명및열적특성을나타내었다. [Fig. 1] SEM-EDS result for R540H [Table 1] Summaries for formulation and basic properties. Sample No. of extrusion T m( ) 1 H(J/g) 2 T d( ) 3 T c( ) 4 R540H 0 260.7 40.4 396.7 228.7 R540H-cycle1 1 259.9 44.7 386.1 229.5 R540H-cycle2 2 259.7 32.3 383.6 227.7 R540H-cycle3 3 259.9 54.3 377.5 223.9 1 T m : melting temperature, 2 H : heat of fusion, 3 T d : degradation temperature at 5 wt% loss. 4 T c : crystallization temperature 3991
한국산학기술학회논문지제 15 권제 6 호, 2014 2.2 실험방법나일론66/ 유리섬유복합체의압출에따른화학구조변화는 FT-IR (Perkin Elmer spectrum 1000) 을사용하여분석하였고, 용융지수측정기 ( 오션과학, Model : Coad.1001) 를이용하여 275, 2.16 kg 조건에서분자량의상대적크기를나타내는용융지수 (Melt index, MI) 를측정하였다. 용융거동은냉각장치가부착된 TA Instruments 사의 Q20 시차주사열용량분석기 (DSC) 를이용하였고, 승온및냉각속도를 ±10 /min으로 -50-300 의온도범위에서 2차승온곡선을사용하였다. 열중량분석기 (TGA) 는 TA Instruments 사의 TGA Q50을이용하였으며, 승온속도를 10 /min 으로하여상온에서 800 의온도범위에서실험을실시하였고, 모든열분석은질소분위기하에서실시하였다. 압출시료의결정구조변화를알아보기위해 X-선회절분석기 (X-ray diffractometer, XRD) 를이용하였으며, X-선회절분석기는 Rigaku 사의 D/MAX-2500(Cu Kα radiation with λ =0.15406 nm) 장비를, 2θ 범위는 2 40, 스캔속도는 2 /min 이었다. 충격강도는충격시험기 ( 대영 C&T, 한국 ) 를이용하여 2 mm 두께의시편에노치를준다음측정하였다. 유변물성측정기 (Anton Parr MCR 301, 미국 ) 를이용하여복소점도 (complex viscosity), 저장탄성률 (storage modulus, G') 그리고손실탄성률 (loss modulus, G") 등을측정하였다. ARES 실험은직경 25 mm의 parallel plate 를사용하여주파수 0.1~100 Hz, gap size 0.9 mm의조건으로 280 에서수행하였다. Strain 의경우나일론66/ 유리섬유복합체의 strain sweep 결과 30 % 까지선형점탄성거동이유지되어 20 % 로하여측정하였다. 3. 결과및고찰나일론66/ 유리섬유복합체의압출횟수에따른화학구조분석은적외선분광기 (FT-IR) 을이용하여 Fig. 2에나타내었다. 압출횟수에따른 FT-IR 스펙트럼에큰변화가없음을알수있었고, 나일론의주요성분인아민기 (NH) 와카르보닐기 (C=O) 의신축진동피이크가 3400 cm -1 과 1700 cm -1 근처에서나타나고있다. 나일론66 연구결과에의하면 [11-14] 나일론66 의열분해는아미드기에인접한 N-C 또는 β위치의 C-C 결합이절단되어, 아미드결합의 NH가말단 NH 2 형태로바뀌거나, 말단에 2 중결합이생성되거나, 또는추가적인반응을통해이소시아네이트 (-N=C=O, NCO) 와니트릴 (-CN) 기등을생성하는것으로알려져있다. 또한 NCO 등의반응으로가교구조가생성될수있다고예측하였으나, 가교반응이소량으로분광기측정으로확인할수없음을보고하였다. 일반적으로 NCO와니트릴의 FT-IR 피이크는 2000에서 2260 cm -1 근처에서나타난다. Fig. 2의 FT-IR 스펙트럼에서모든압출시편들이 NCO와니트릴의피이크를보이지않는것을확인할수있는데, 이는압출반응에의해분해가일어나도 NCO나니트릴등이생성되지않거나 NCO와니트릴이생성되어도매우소량이기때문으로판단된다. [Fig. 2] FT-IR spectra of R540H extrudates 다음은나일론 66/ 유리섬유복합체의열적특성을분석하기위하여 DSC와 TGA를이용하였고, 그결과를 Fig. 3에나타내었다. Fig. 3 (a) 의 DSC 결과로부터 R540H 와압출시편들의용융거동이큰차이를보이지않음을알수있고, 이는압출시편, 즉스크랩등의사출가공시동일한가공온도에서사출가공이가능함을보여주는것이다. 압출시편의열분해거동을고찰하기위해 TGA를측정하고, 그결과를 Fig. 3(b) 에나타내었다. 압출시편들의열분해온도가 R540H 의 396.7 과비교할때압출횟수에따라 10-20 정도의감소를보이고있는데, 이는압출횟수가증가함에따라분자량이점차감소하면서나타나는현상으로유추할수있고, Table 2 의실제용융지수측정결과와도일치하고있다. 압출횟수가증가할수록압출시편의용융지수가지속적으로증가하였다. 3992
나일론 66/ 유리섬유복합체의압출횟수에따른특성연구 (a) (b) [Fig. 3] DSC (a) and TGA (b) thermograms of Nylon66/GF extrudates R540H 의압출횟수에따른압출시료의결정구조변화여부에대한확인을위해 XRD 분석결과를 Fig. 4에나타내었다. 기존의나일론66 에대한 XRD 연구에서 [16,17], 20.1 부근의피이크는 (100) plane 으로 inter-chain 수소결합에의한것이고, 23.8 부근의피이크는 (010) plane으로 inter-sheet의배열에의한것으로해석하고있다. R540H 와압출시편모두두피이크에서의변화가거의없는데, 이는용융압출에의한결정구조변화가나타나지않음을의미한다. 나일론66 및복합체의응용시주요요구물성중하나인충격특성을고찰하기위해 Izod 충격시험을실시하여 Table 2에정리하였다. R540H 의충격강도인 17.0 kg f*cm/cm와비교할때압출시편의충격강도는압출횟수에따라점차감소하는것을알수있고, 특히압출횟수가 2회이상의시료에서는감소폭이크게나타남을알수있다. 이결과는 R540H 의경우 2번이상의열이력을받을경우실제제품의요구물성에영향을줄수있는수준으로파악된다. 나일론66 수지와나일론66/ 유리섬유복합체의열이력에따른물성변화를비교하기위해기존의연구결과 [18] 를이용하여 Table 2에비교하여나타내었다. 나일론 66은 Rhodia Engineering Plastics SA의 Technyl A 402 H1을이용하였다. 나일론66 수지인 420H1 의경우압출횟수에따라충격강도변화가거의없는반면, 나일론 66/ 유리섬유복합체인 R540H 의경우압출횟수에따라충격강도와 MI가일정크기이상으로감소하는것을알수있다. [Table 2] Impact strength and melt index of the extrudates Sample Izod impact test MI (g/10min) (Kgf*cm/cm) R540H 402H1 R540H 402H1 cycle0 17.0 15.2 3.1 8.2 cycle1 14.2 16.5 5.9 8.4 cycle2 12.2 15.8 8.4 9.8 cycle3 12.1 15.8 11.5 11.0 [Fig. 4] XRD patterns of R540H and extrudates. R540H 의충격특성이압출횟수에따라감소하는것은나일론66의분자량감소와더불어압출횟수에따라유리섬유의길이가짧아져나타나는현상으로유츄할수있다. 따라서나일론66/ 유리섬유복합체의재압출품이용시최종용도의요구물성에대한고려가필수적이라할 3993
한국산학기술학회논문지제 15 권제 6 호, 2014 수있다. Fig. 5는 R540H 와압출시편의주파수 (frequency) 에따른복소점도 (complex viscosity) 를나타낸것이다. 압출시편에대한 G'-G" 곡선의형태나기울기가거의변화가없음을알수있는데, 이는열이력에의한분자구조가변화하는반응이없거나있어도소량으로존재하여복합체의 G'-G" 곡선형태변화에영향을미치지못하기때문으로해석할수있다. [Fig. 5] Complex viscosities of R540H and extrudates 낮은주파수 ( 전단 ) 영역에서복소점도를살펴보면, 압출시편들이나일론66보다상대적으로낮게나타나는데, 이는분해반응에의한분자량감소에의한것으로설명할수있고이는 Table 2의용융지수값에의해확인되었다. 일반적으로전단속도가낮은영역에서의용융점도는고분자의분자량과분자구조등에크게의존하는것으로알려져있다 [19,20]. 선형고분자의분자량이증가할수록 lower Newtonian region 에서의복소점도가증가하게되는데, 이는일반적으로전단응력이낮은, 즉전단속도 ( 또는주파수 ) 가낮은부분에서는분자량이큰고분자사슬이반응하기때문이다. Fig. 5에서압출횟수가 2회이상시편의낮은전단영역에서의복소점도가감소하는것을볼수있는데, 이는분자량감소에대한간접적증거로해석할수있다. Fig. 6은저장탄성률 (storage modulus, G') 과손실탄성률 (loss modulus, G") 에대한결과를나타낸것이다. 일반적으로고분자의분자구조가바뀌면 G'-G" 곡선의형태나기울기가변화하는것으로알려져있다. 나일론 66의열분해메카니즘연구에서 NCO 등에의한가교반응으로불용성겔형성을예측하고있는데 [11,12], 나일론 66/ 유리섬유복합체가열이력을받아가교반응이일어나게되면 G'-G" 곡선의기울기감소하거나 G'-G" 곡선이형태가변화할것이다. Fig. 6에서 R540H 와비교할때 [Fig. 6] G'-G" plot of R540H and extrudates 4. 결론나일론함량이 43 wt% 인나일론66/ 유리섬유복합체를이축압출기를이용하여압출횟수에따라제조하였고, 화학구조변화, 열적특성, 기계적물성, 용융지수, 결정구조및유변학적특성을분석하였다. 3회의압출횟수내에서화학구조변화가나타나는정도의분해반응이나가교반응등이적외선분광스펙트럼으로확인되지않았다. 용융온도에있어서는큰차이를보이지않았으나분해온도의경우 R540H 의 396.7 과비교할때압출횟수에따라 10-20 정도의감소를보이고있는데, 이는분자량의감소에의한것으로용융지수의증가로확인되었다. 압출시편의충격강도가압출횟수에따라감소함을보여주었고, 2회이상의압출시료의경우실제요구물성에영향을줄수있는수준으로파악되었다. 압출시편의 G'-G" 곡선의기울기나형태가변하지않는것으로부터압출시편에가교와같은구조변화가크게나타나지않음을알수있었다. 충격강도의감소는분자량의감소와더불어유리섬유의길이가짧아져나타나는현상으로유추할수있고, 이에대한추가확인이필요하다. 3994
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한국산학기술학회논문지제 15 권제 6 호, 2014 이봄이 (Bom Yi Lee) [ 준회원 ] 2013 년 2 월 : 공주대학교신소재공학부고분자공학전공 ( 공학사 ) < 관심분야 > 고분자구조및물성, 고분자가공, 폴리올레핀 김연철 (Youn Cheol Kim) [ 정회원 ] 1994 년 2 월 : 한국과학기술원화학공학과 ( 공학박사 ) 1994 년 2 월 ~ 1996 년 12 월 : 삼성종합화학연구소선임연구원 1997 년 7 월 ~ 1998 년 9 월 : 일리노이대학교재료공학과박사후연수 1999 년 8 월 ~ 현재 : 공주대학교고분자공학전공교수 < 관심분야 > 고분자구조및물성, 고분자가공, 폴리올레핀 3996