Talc로 충진된 Polypropylene의 기계적 물성:

coupling agent효과

김주성, 김덕준

성균관 대학교 화학공학과

Mechenical Properties of Talc Filled Polypropylene:

Coupling Agent Effect

Ju-Sung Kim, Dukjoon Kim

Department of Chemical Engineering, Sung Kyun Kwan University

서론

일반적으로 Filler는 다양한 조성과 형상이 있으며, 개개의 시장 규모는 적지만 자동차 부품, 전기, 전자부품, 포장 등 폭넓은 분야에서 그 용도는 점점 증가되고 있다 그중에서도 Talc는 여타의 Filler와 동일하게 플라스틱, 페인트, 고무, 제지, 화장품산업 등에서 다양하게 사용되고 있으나, talc의 미분체 제품은 표면특성이 소수성이므로 플라스틱 및 페인트 Resin에 충전제 및 물성 개량제로 사용하는 경우에는 분체의 혼화성 뿐만아니라 PP, PE 등 Polymer 물성에 미치는 영향을 정확히 평가하는 기술이 요구된다. 따라서, 본 연구는 Talc filler를 이용하여 PP복합재료를 제조하는 경우 Coupling Agent를 사용했을 때 제품의 물성에 미치는 영향에 대하여 검토하고자 한다.

이론

무기 filler를 섞은 유기 고분자 화합물은 계면에서의 분자간 인력의 크기와 무기filler의 분산상태가 물성을 결정하는 중요한 요인이다. 하지만 큰 입자나 응집효과의 나쁜영향 때문에, 매트릭스와 filler사이의 접하는 계면크기 변화는 한계가 있다. 반면에 적당한 type의 coupling agent가 선택하여 표면처리를 하면interaction의 강도 뿐만아니라 interaction의 메카니즘 또한 변화시킬 수 있다. 표면처리는 아래와 같이 분류될 수 있다.

1)non-reactive surface treatment 2)reactive surface treatment 3)formation of a polymer interlayer on the filler surface treatment 4)development of an elastomer interlayer an the filler particle surface treatment

이러한 방법 중 가장 오래되고 자주 사용하는 방법은  유기화합물로 표면을 처리하는 방법이다. 일반적으로 극성 그룹과 긴 지방족 사슬을 가지는 양쪽성 계면활성제를 사용하는 간단하면서도 매우 효과적인 방법으로 알려져 있으며 본 연구에서는 stearic acid와 이와 유사한 구조를 가진 oleic acid를 대상으로 그 효과를 살펴보고자 한다.

실험

1.표면처리 및 시편제조

본 실험에서 사용한 PP는 pellet 형태인  호남석유화학에서 생산 시판중인 JI-360 PP수지를 사용하였으며  powder 형태인 filler는 talc(활석분체)를 사용하였으며 coupling agent로서 stearic acid와 oleic acid를 사용 하였으며 처리시 용매제로 methanol를 이용  hot plate에서 70℃로 15분간 희석시킨 후 dry oven에서 24시간동안 건조시켜 표면처리 하였다.

그 후 melt blend를 위하여 twin screw 형태의 compounder(plasticoder PL2000, Brabender corp, Germany)를 이용 190-210℃의 온도 범위에서 Blend하였다. 물성측정을 위한 시험편용 사출성형기(injection molding machine, FANUC model 100B, Milacron Corp, USA)를 이용하여 220-230℃의 온도에서 사출하였다.

2. 물성측정 및 몰폴로지

입도분석

입도분석기(MALVEN U.K)를 이용 Talc의 입도분포를 측정하였다.

인장강도 및 굴곡강도

만능 재료 시험기(universal testing machine SFM-20, unitedcalibration, USA)를  사용하여 crosshead속도 10mm/min로 측정하였으며, 각 조성별로 5개씩의 시험편에 대하여 측정하고 그 평균값을 구하였다.

충격강도

충격시험기(U.S.S. impact tester, Yasuda Seiki Seisakusho LTD, Japan)을 사용하여 측정 그 평균값을 구하였다.

SEM 측정

충격강도 측정 후 시험편의 파단면을 주사전자 현미경(scanning microscope XL-30 Philips, Netherland)을 사용하여 관찰하였으며 배율은 1000배로 하였다. 시험편의 파단면은 Ion Coater(Eiko IB-3, Japen)를 이용하여 금으로 코팅 하였다.

결과 및 고찰

입도분석

입도분석결과는 Fig.1에 나타내었다. 평균입자 크기는 8.26□이며 정상분포인 것으로 보아 matrix에 미치는 talc 입자분포 영향은 작은 것으로 보였다.

인장강도

coupling agent의 종류, 농도별로 측정한 시험결과는 Fig.2에 나타내었다. Fig.2에서 비처리 때보다 coupling agent 로 처리했을 때의 강도가 증가함을 알 수 있고  3%일 때 oleic acid로 처리했을 때가 stearic acid보다 높은 값으로 최대값을 보이며 6%일때에는 stearic acid로 처리한 값이 더 높으며 감소하는 현상을 보였다.

굴곡강도

Fig..3에 coupling agent의 종류 및 농도별 시험편에 대한 굴곡 강도를 측정한 결과를 나타내었다. 굴곡강도 역시 인장강도에서와 같이 처리하지 않았을 때보다 coupling agent로 처리 했을 때가 강도가 높으며 농도에 관계없이 oleic acid로 처리시 좀더 높음을 알 수 있었다.

충격강도

충격강도 결과는 Fig.4에 나타내었다. 충격강도에서는 굴곡강도나 인장강도에서와는 달리 coupling agent로 처리했을 때가 더 감소함을 알 수 있으며 농도가 증가할수록 다시 증가함을 알 수 있었다.

몰폴로지

PP와 talc만 블랜딩했을 때 매트릭스사이에 공간이 많은 반면 coupling agent로 처리한 매트릭스는 talc입자를 감싸고 사이공간을 채워진 모양을 보인다. 이 현상에서 충격강도가 coupling agent로 처리시 줄어드는 경향을 보이는데 충격시 흡수할 수 있는 매트릭스 사이의 공간이 줄어들었기 때문으로 추측된다.

반면 굴곡 강도와 인장 강도에서는 공간이 줄어들므로서 talc와 매트릭스 둘 사이의 계면의 접착이 증대되므로 인해 물성이 향상된 것으로 간주된다.

참고문헌

[1] J. Karger-Kocsis, Polypropylene Structure, Blend and Composites               Composite 3.1995

[2]  R. G. Raj and B. V. Kokta, J. Appl. Polym. Sci, 38 1987 (1989)

[3]  M. Fujiyyama and T. Wakino, J. Appl. Polym. Sci, 42 9 (1991)

[4]  W-Y Ching and W-D Ang J. Appl. Polym. Sci, 35, 807 (1988).

[5]  T. Kowalewski and Galeski,  J. Appl. Polym. Sci, 32, 2919 (1980).

[6]  B. E. Tiganis, R. A. Shanks, and Yu Long,  ANTEC '96 1744

[7]  K. Mai, H. Zeng J. Polym. Sci 71 1537             (1999)

[8]  P. Bajaj, N. K. Jha and R. K. Jha  Polym. Eng. sci,  29. 8 (1989)

Figure 1. Averge Size and Distribution of Particles on Talc

Figure 3. Coupling Agent effect on  Flexural Strength of Talc-filled PP

Figure 2. Coupling Agent effect on the Tensile Strength of Talc-filled PP

Figure 4. Coupling Agent effect on  Impact Strength of Talc-filled PP

Figure 5 Microphothograph of Talc-filled PP

Figure 6.  Coupling Agent(Oleic Acid) effect on the Microphothograph of Talc filled pp