요소수지 성형재료의 건조특성과 경화 유동도

정 옥 진·최 일 곤*·김 상 렬

동아대학교 공과대학 화학공학과

동광화학(주)*

The drying properties and the cure fluidity of

the urea resin moulding material

Ok Jin Joung·Il Gon Choi*·Sang Yeul Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

Dong Kang Chemical Co., Ltd.*

서론

요소수지 성형재료는 메트릭스인 요소수지, 경화제, 충진보강제, 이형제 및 유연재료로 구성되어 있으며[1∼3] 대부분의 합성수지 중의 고분자가 가지는 특유의 물성은 제조과정에서의 단량체의 비율과 반응조건에 의해 지배적인 요인으로 작용한다.

여러 가지 파라미터에 따른 요소수지 합성반응의 연구는 이미 Sato등[4∼5]에 의하여 구조론적 해명과 분자량 분포에 따른 유동 특성으로 보고 된 바 있으며, 또한 요소수지의 경화특성도 경화제의 종류와 양에 따라 발표된 바 있다[6∼7].

이들 연구를 바탕으로 산업현장에서 요소수지 성형재료를 제조할 때 원래의 요소수지가 가지는 취약점인 내충격성, 내열성, 내마모성, 굴곡강도 등을 보강하기 위하여 약 40% 미만의 셀룰로오즈 펄프를 충진 및 보강제로서 사용되고 있으며[8∼10] 이들 보강제는 요소수지의 시럽과 균질 혼합되어 건조과정에서 단순한 의미의 건조뿐만 아니라 당류의 중합구조를 가지는 셀룰로오즈 펄프의 말단 관능기인 메틸라디칼과의 탈수축합 반응이 함께 이루어져 최종 제품인 성형재료가 금형 내에서 열과 압력을 받아 금형 내에 잘 충진 될 수 있는 반용융상태(semi-molten state)가 되도록 축합된다.

지금까지 산업현장에서 동절기와 하절기의 계절별 차이 및 건우일에 건조된 성형재료에 잔류하는 자유수분 및 축합수분이 품질관리 기법에 따라 동일하게 건조하여도 최종제품에서 나타나는 경화유동특성의 변화가 심하여 재현성 있는 우수한 상품을 제조하는데 많은 어려움이 있어 본 연구에서는 아미노수지형 성형재료의 제조과정 중 가장 지배적인 과정인 건조과정에 산업현장에서 이론만 도입하였을 때 실질적인 결과에 도움을 주지 못하는 점을 감안하고 건조온도, 배기가스의 재 순환량, 건조시간 및 금형온도 등에 따른 요소수지 성형재료의 수분 함량과 경화 유동도를 조사하여 축합 및 경화특성에 미치는 물질전달 효과를 구명하여 요소수지 성형재료의 재현성 있고 경쟁력 있는 우수한 제품의 생산에 기여하고자 한다.

실험

1. 건조와 경화 유동도 실험

스크루 콤프레샤로서 공기를 연속 압축하여 저장한 후 제어밸브로 공기량을 조절하고, 건조 층을 통과한 배기가스를 송풍기로서 0∼50% 범위에서 각각 10%차로 재 순환시켜 새로운 공기와 혼합한 후 열교환기로 건조 온도를 70∼90℃로 유지하면서 배기의 순환율이 0% 일 때 수은 마노메타로 눈금의 유량이 건조층 통과 속도를 1□/sec로 고정하고, 오리피스의 차압 마노메터로 배기의 순환량에 맞게 감소시킨 다음 수은 마노메타로 순환량 0%일 때의 눈금과 동일하게 되도록 조절하고 건조온도가 안정화된 후 30분 뒤에 습윤 조제품 10Kg을 실온까지 녹여 고정 층을 만들어 매 10분마다의 중량 감소를 기록(최소 단위 1g)시켜 건조량을 초기 수분과 완전 건조 중량을 검증한 건조감량법으로 측정하였다.

금형 내의 축소와 확대 부분의 직경을 각각 3.0 및 4.5mm인 경화용 터널을 만들고 외벽의 온도를 130∼180℃로 설정한 후 PID(±0.5℃)로 온도를 자동 조절하면서 건조실험을 행한 요소수지 성형재료를 분쇄하여 50g의 시료를 채취한 후 직경 20□로 압착하여 정제화 하고, 150∼170℃의 금형은 경화재료를 쉽게 분리할 수 있는 분리형 배럴로 제작하였다. 시료를 금형의 배럴에 투입하여 20초 후에 유압프레스로 50Kg/cm2의 압력으로 피스톤을 압입시켜 경화터널에서 성형재료가 유동이 정지된 후 경화되어 고체화되면 피스톤에 가해지는 압력이 순간적으로 급상승하게 되는 점을 리미트 스톱워치로 검출하여 압입한 후 배럴에 남아 있는 중량과 최초 투입량을 식 (1)에 따라 유동도를 구하였다.

[eqn: PSI ~=~ {LEFT( w_0 ``-``w_r RIGHT)} over w_0 ``TIMES`` 10] (1)

결과 및 고찰

1. 건조온도와 건조시간의 변화에 따른 수분 함량

Figure 2는 습윤 조제품의 건조과정 중 건조온도와 건조시간에 따른 요소수지 성형재료의 수분 함량을 나타내었다.

Figure 2에서처럼 건조온도가 증가하면 수분 함량이 감소하였다. 특히 초기에는 건조온도가 증가하면 수분 함량이 급격히 감소하나 종말 시간에는 도리어 미소한 증가를 나타내었다. 이는 건조온도가 높아지면 6∼7□의 입도를 갖는 요소수지 표면의 기공상태가 조밀해지고 또한 건조시간이 짧은 초기에는 그 요소수지 성형재료의 표면으로 단순한 모세관 현상으로 인해 수분의 균질화가 용이하기 때문에 수분 함량이 급격히 감소하나 건조시간이 긴 경우에는 표면의 밀도가 증가하여 내부의 수분이 표면으로의 확산이 어렵기 때문이다.

2. 건조속도에 미치는 배기가스의 재 순환율

Figure 3에서처럼 건조시간에 따른 재 순환률에 대한 수분 함량을 나타내었다.

재 순환률이 증가하면 건조속도가 감소하여 수분 함량이 증가한다. 이는 재 순환 배기가스 중의 수증기 량의 증가에 연유된다.

또한 건조시간이 증가할수록 건조속도가 빠르며 건조시간 80분 이후에는 최대 건조속도로서 수분 감량이 가장 큰 상태로 유지된다.

3. 경화 유동도에 미치는 금형온도

건조된 실험품인 요소수지 성형재료가 열과 압력을 받으면 금형 내에 충진이 용이한 반죽화된 반용융상태가 되어 경화된다.

Figure 4는 금형온도에 따라 배기가스의 재 순환량의 변화에 따른 경화 유동도를 나타내었다.

Figure 4에서처럼 금형온도와 배기가스의 재 순환량이 증가할수록 경화 유동도가 감소하였다. 이는 요소수지 성형재료가 열경화성 수지이므로 금형온도가 증가할수록 경화가 빠르게 이루어지는데 연유된다. 건조 온도와 배기가스의 재 순환량이 증가할수록 경화 유동도가 감소하는 것은 건조온도가 증가할수록 시료의 초기 수분 감량이 빠르고, 표면의 밀도가 증가하여 입도 내부의 수분이 확산의 방해에 연유된다. 배기가스의 재 순환량이 증가하면 배기가스 중의 증기압이 커져 시료 중의 수분 감량이 작아지며 따라서 높읕 온도에서 체류시간이 길어져 요소수지 자체의 중합만이 진행되므로 경화 유동도의 감소가 더욱 촉진된다.

4. 수분 함량과 경화 유동도의 상관식

요소수지 성형재료의 건조와 경화 유동도 실험에서 건조온도, 건조시간, 배기가스의 재 순환량 및 금형온도에 따른 수분 함량과 경화 유동도를 다중회귀분석법에 따라 상관식을 구하면 각각 식(2), 식(3)과 같다.

[eqn: varphi ~=~ 7.1840``LEFT(T_D over T_{D~m} RIGHT)^-0.7357 LEFT( {gamma} over{gamma_m}} RIGHT)^0.044762 LEFT( {theta} over{theta_m} RIGHT)^-0.74528] (2)

[eqn: PSI over theta ~=~ 1.0002TIMES10^-2 ``LEFT(T_D over T_{D~m} RIGHT)^-4.0541 LEFT( T_M over T_{M~m} RIGHT)^-0.7531 LEFT( {gamma} over{gamma_m}} RIGHT)^-0.77683] (3)

참고 문헌

[1] V. A. Shenai and J. M. Manjeshwar, J. Appl. Polym. Sci. 18, 1407 (1974).

[2] Amino Resins, SRI International, Menlo Park, Calif., 1976., 1963), W. N.

Oldham, N. A. Grantio, and B. Kerfoot (to American Cyanamid Co.).

[3] J. Agranoff, ed., Modern Plastics Encyclopedia 1983-1984, McGraw-Hill,

Inc., New York, 1983.

[4] K. Sato and T. Naito, Polym. J. 5, 144 (1973).

[5] K. Sato and Y. Abe, J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 13, 263 (1975).

[6] U. S. Pat. 3, 661, 819 (May. 9, 1972), J. M. Koral and M. Petschel, Jr. (to

American Cyanamid Co.).

[7] U. S. Pat. 3, 803, 095 (Apr. 9, 1974), L. J. Calbo and J. N. Koral (to

American Cyanamid Co.).

[8] W. J .Blank and W. L. Hensley, J. Paint Technol. 46, 46 (1974).

[9] J. Rybicky and S. M. Kamanis, J. Appl. Ploym. Sci. 24, 1523 (1979).

[10] D. W. Zunker, Proceedings of the TAPPI Papermakers Conference,

Atlanta, Ga., 1982 and Portland, Ore., 1983, Tappi, New York.

Figure 1	□ vs. □.	Figure 2	□ vs. TD.

Figure 3	□ vs. □.	Figure 4	□ vs. TM.

Figure 5	Comparison of experimental and estimated moisture content.	Figure 6	Comparison of experimental and estimated fluidity.