페놀수지 성형재료의 경화특성에 대하여

김병철, 정옥진, 최일곤*, 김상렬

동아대학교 공과대학 화학공학과, 동광화학(주)*

On the curing properties of the phenol resin moulding material

Byoung Chul Kim, Ok Jin Joung, Il Gon Choi*, Sang Yeul Kim

Dept. of Chem. Eng., Dong-A Univ., Dong-Kwang Chemical Co., Ltd.*

서론

페놀수지 성형재료는 주 메트릭스인 페놀수지와 경화제, 충진제, 이형제, 유연제 등으로 구성되어 있다[1-3]. 순수한 페놀수지 합성반응의 조건변화에 따른 연구는 이미 Lewis 등[4-6]에 의하여 구조론적 해명과 분자량의 분포에 따른 경화특성에 대하여 발표 된 바 있고, 순수한 페놀수지에 순수한 경화제의 종류 변화와 일정 조건에서의 경화제의 변화량에 따른 경화 특성에 대해서도 연구 된 바 있다[7-10].

그러나 산업현장에서 이들 연구를 바탕으로 공업적인 제조를 할 때 페놀수지 성형재료는 충진 및 보강제를 사용하여 원래의 페놀수지가 가지는 물성의 취약점인 내충격성, 내열성, 내마모성, 굴곡강도 등을 보강하기 위하여 약 50% 미만의 충진 및 보강제를 사용하고 있으며, 이들 보강제는 주로 합판제조 공정에서 발생되는 목분과 방직공장의 낙모 등을 유기성 보강제로 사용하거나, 건축자재 생산공장에서 발생되는 무기성 분진 또는 원광을 분쇄, 집진하여 무기성 보강제로 사용한다. 이들 충진제들은 가격이 저렴하여 생산가 측면에서 경쟁력 있는 제품을 생산하는 대에도 상당한 매력을 가지나 조성변화와 발생원 및 계절별의 차이에 따른 입도, 수분 등의 변화에 따른 경화에 미치는 영향의 변화 폭이 크고, 특히 목분은 완전히 건조한 것일 지라도 건기와 우기 및 동절기와 하절기의 대기 중의 습도 변화에 따라 내용 수분이 4∼15%의 변화 폭을 가지며, 합판 제조 공정의 집진 설비에서 수집되어 원료원으로 수거되는 단위 포장마다 변화가 많으므로 이를 사용한 페놀수지 성형재료의 최종 경화특성은 충진제의 조건 변화에 기인된다는 추정만 할뿐이었다.

그러므로 본 연구에서는 이상과 같은 원인들에 대한 영향을 주 메트릭스의 변화, 혼용하는 무기성 충진제의 변화와 상관시켜 생산현장에서의 현실성 있는 페놀수지 성형재료의 경화특성을 구명하여 재현성 있고 경쟁력 있는 제품의 생산에 기여 하고자 한다.

실험

1. 페놀수지의 제조

페놀 1000Kg과 포르말린 400Kg 및 수산 10Kg을 교반하면서 100℃ 승온시켜 2시간 동안 반응 후 감압 탈수하여 연화점 94℃, 유리 페놀 함유량 3.7%, 수분 함유량 0.12%, 평균 분자량 850의 페놀수지 980Kg을 5회 제조하여 투입 시료의 일정화를 기하기 위해 충분히 혼합하여 본 연구의 매회 실험마다 각기 일정량씩 계량하여 사용하였다.

2. 목분의 혼합 및 수분 조정

합판제조 공정에서 수집된 평균입도 150mesh, 수분 11% 정도의 목분 3,000Kg을 구입하여 500□의 리본 브렌더에서 혼합하여 일정하게 만들고 이를 등분하여 각각의 수분이 10, 12, 14%가 되도록 건조 또는 가습하여 폴리에틸렌 필림으로 된 용기에 보관하고 매회 실험에 사용하였다.

3. 성형재료의 제조

성형재료는 앞서 제조된 페놀수지 45∼55%, 수지에 대한 농도가 15%인 헥사민 6.75∼8.25%, 수분이 10∼14% 함유된 목분 46.5∼35%, 첨가제 1.75%로서 제조하였다.

4. 경화실험

금형 내에 축소와 확대 부분의 직경이 각각 3.0mm, 4.5mm인 경화용 터널을 만들고 외벽의 온도를 155∼175℃로 설정한 후 PID(±0.5℃)로 자동조절하고, 매 조건에 따라 실험 제조된 성형재료를 금형의 배럴에 투입하여 유압프레스로써 초당 0.3mm의 속도로 피스톤을 압입시켜 경화터널에서 성형재료가 경화되면 피스톤에 가해지는 압력이 순간적으로 급상승하게 되는 점을 리미트 스톱워치로 검출하여 0.5초 단위로 일어들인 시간을 경화에 소요되는 시간으로 상대 평가하여 비교하였다.

결과 및 고찰

1. 목분 중의 수분량과 경화온도의 영향

Fig. 1과 2에서처럼 목분에 함유된 수분량과 경화온도가 증가하면 경화시간이 증가한다. 이는 목분에 함유된 수분이 온도가 증가함에 따라 탈리되고, 탈리된 수분이 페놀수지와 경화 진행 과정품에 혼합되어 용제 역할을 하기 때문이다.

2. 페놀수지의 량에 따른 영향

Fig 3에 나타낸 바와 같이 주 메트릭스인 페놀수지의 함유량이 증가하면 경화시간이 짧아진다. 이는 수지의 함유량이 증가할수록 충진제인 목분량이 감소하므로 인하여 상대적으로 수분이 감소하기 때문이다.

3. 목분량에 따른 영향

Fig. 4에서 나타난 바와 같이 경화온도가 증가할수록 경화시간이 감소하며, 동일한 경화온도에서 목분량이 증가할수록 경화시간이 길어지고 있다. 이는 무기분량이 증가함에 따라 피경화물의 열전달속도가 빠르기 때문에 경화온도에 도달하는 시간이 짧아지기 때문이다.

4. 여러 가지 인자에 대한 경화시간의 상관식

페놀수지 성형재료의 경화특성에 대한 실험에서 페놀수지의 량, 목분량, 목분에 함유된 수분량, 경화 온도 및 무기분량에 따른 경화시간을 다중회귀 분석법에 따라 상관식을 구하면 다음과 같다.

가. 무기분이 포함되지 않을 때

[eqn: theta~=~ 137.0026 TIMES LEFT(P overP_m RIGHT)^0.981 LEFT(W overW_m RIGHT)^1.445 LEFT(M overM_m RIGHT)^0.86802 LEFT(T overT_m RIGHT)^0.3341] (1)

나. 무기분이 포함되었을 때

[eqn: theta~=~ 75.1743 TIMES LEFT(M overM_m RIGHT)^0.24565 LEFT(W overW_m RIGHT)^0..28882 LEFT(T overT_m RIGHT)^-1.0757] (2)

Fig 1.	Curing time vs. moisture in wood flour. (resin 45%, hexamine 6.75%, wood flour 46.5%)	Fig. 2.	Curing time vs. curing temperature. (resin 45%, hexamine 6.75%, wood flour 46.5%)

Fig. 3.	Curing time vs. phenol resin. (curing temp. : 165℃)	Fig. 4.	Curing time vs. curing temperature. (moisture in wood flour : 10%)

Fig. 5.	Comparison of experimental and estimated curing time.(without Talc.)	Fig. 6.	Comparison of experimental and estimated curing time.(with Talc.)

참고문헌

[1] P. Kopf and E. Wagner, J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 11(5), 939

(1973).

[2] K. Kamide and Y. Miyakawa, Makromol. Chem. 179, 359 (1978).

[3] S. Ishida, Y. Tsutsumi, and K. Katsumasa, J. Polym. Sci. Polym. Chem.

Ed. 191609 (1981)

[4] G. Brode, T. Jones, and S. Chow, Chem. Technol. 13, 676 (1983).

[5] M. Benson and L. Jura, Org. Magn. Reson. 22(2), 86 (1984)

[6] Y. Zahs, J. Lo, D. Rancher, and E. Pearce, J. Appl. Polym. Sci. 27, 913

(1982).

[7] B. Mechin, D. Hanton, J. LeGoff, and J. Tannues Eur, Polym. V 20, 333

(1984).

[8] E. Wagmer and R. Greff, J. Polym. Sci. Part A 1(9), 2193 (1971)

[9] A. Rudin, C. Fyfe, and S. Vines, J. Appl. Polym. Sci. 28, 2611 (1983)

[10] E. Tesarova and V. Pacakova, Chromatographia 17(5), 269 (1983)