에폭시 수지의 관능기 조절에 의한 파괴인성연구

김성호, 김민영, 김원호

부산대학교 화학공학과

Study on the fracture toughness of epoxy resin

by controlling functionality

Seungho kim, Minyoung kim, Wonho kim

Dep. of Chemical Engineering, Pusan National University

서론

에폭시수지는 뛰어난 열적, 기계적, 전기적 성질을 가지고 있어, 전기·기계용 재료, 토목·건축 재료, 일용용품 등 다방면으로 사용되고 있다. 그러나 에폭시수지의 응용은 항공기재료처럼 고성능 복합재료나 프린트 배선판, IC 봉지재와 같은 전자재료 등의 첨단기술분야에 확대됨으로서 강인성, 내열성 등이 보다 향상된 고성능의 수지의 개발이 요구되고 있다. 열경화성 수지의 강인화 방법으로 기본적으로 수지나 경화제의 개량 또는 개질제의 첨가에 의한 개량의 2가지 방법이 있다. 수지나 경화제의 개량은 관능기가 조절된 수지나 여러 형태의 경화제를 사용하여  강인성 향상을 도모하는 것이다. 개질제의 첨가에 의한 개량은 유연성을 가진 탄성체나 강인한 열가소성 고분자를 수지계에 첨가해서 경화수지를 강인화하는 방법이다.

본 연구에서는, 강인화 방법으로 수지 자체를 개질하는 열경화성 수지인 에폭시 수지의 관능기를 조절하여 변화된 열적·기계적 물성 변화를 바탕으로 향상된 물성을 추구하고자한다.

실험

(1) 실험재료

Blend formulation에 사용된 에폭시 수지는 DGEBA(diglycidyl ether of bisphenol-A)계 기본 액상 수지인 2관능성 YD-128(국도화학), 다가 알코올로부터 얻어진 지방족 Polyglycidyl ether 3관능성 YH-325(국도화학)와 4관능성으로는 LER-430(LG화학)을 사용하였다. 경화제로는 NMA(methyl cyclopentadiene addut maleic anhydride, 국도화학)을 사용하였고 촉매로는 KH-54(2,4,6 trisdimethyl amino methyl phenol,국도화학)를 사용하였다.

(2) Blending Procedure

에폭시 수지/Hardner의 비는 기본 액상 수지인 YD-128을 기준으로 계산되며 관능기 조절에 따른 계산법은 다음과 같다.

[eqn: rm {Sample ~A ~X(wt%) ~+~~Sample~B~Y(wt%)의~ 혼합당량}]

[eqn: rm {(~X~+~Y~=~100%~기준)}]

[eqn: rm {100 over {혼합당량~(g/eq)}~=~{Sample~A의 양(wt%)X} over {Sample~A의 당량~(g/eq)}+{Sample~B의 양(wt%)Y} over {Sample~B의 당량~(g/eq)}}]

위의 식으로서 관능기가 조절된 에폭시 수지와 경화제의 양을 결정하며, 기존의 관능기를 가진 수지와의 비교 분석과 가공조건 설정을 위해 열분석 장비인 DSC로서 수지의 경화 거동을 관찰하였으며, FT-IR로서 에폭시기의 잔류여부를 관찰하였다.

위식에서 구해진 비율로서 블렌딩을 하였으며 교반봉을 사용하여 200rpm ∼ 300rpm, 2시간 정도 에폭시 수지와 경화제를 먼저 교반하였다. 반응을 고려하여 촉매는 마지막에 투입하였다. 동절기에는 온도의 영향을 고려하여 항온조를 사용하여 점성의 변화를 고려하여 교반하였다.

(3) 시편제조

혼합이 끝난 블렌드를 몰드에 투입하여 80℃에서 1시간동안 degassing, 120℃로 온도를 상승시켜 2시간 경화, 150℃에서 1시간 경화, 후경화공정으로 160℃에서 40min, 100℃에서 10h방치하였다.

(4) Instrument Procedure

경화조건 선정을 위하여 DSC(Differential Scanning Calorimeter, Perkin - Elmer의 Pyris1)를 사용하였으며, 상승속도는 10℃/min이며, 질소분위기하에서 실시하였다.

유리전이온도(Tg)와 tan□를 측정하기 위하여 DMA(dynamic mechanical analysis, Perkin-Elmer의 DMA7)를 사용하였으며, 승온속도는 10℃/min으로 실시하였다. 시편의 크기는 20×0.5×2mm의 크기로 제작하였다.

강인화도의 기준이 되는 수지의 파괴인성(KIc)의 측정을 위하여 ASTM E399에 의해 시편을 제작하여 UTM(universal test machine, Instron 4485)를 사용하여 three point bending mode로 측정하였다.

결과 및 토론

(1) DSC 분석

DGEBA계 기본 액상 수지인 2관능성 YD-128(국도화학)의 등온(130℃, 140℃, 150℃) DSC열분석으로 Kinetics연구를 실시하였으며, Fig1같은 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과와 경화제의 연화점의 온도를 바탕으로 Fig2와 같은 경화 조건을 선정하였고, 완전 경화를 확인하기 위하여 FT-IR로서 Epoxy기(900 ∼1000Cm-1)의 유무를 확인하였다.

(2) DMA 분석

DMA 분석결과 2 또는 3관능성 수지의 유리 전이 온도(Tg)는 136℃ ∼ 141℃로서 비슷한 반면, 4관능성 수지는 212℃의 높은 온도를 나타내었다. 각 수지의 관능기를 조절한 결과 4관능성수지의 함량이 증가됨에 따라 유리전이 온도(Tg)를 향상 시킬수 있었다.

tan□는 유리전이 온도와 상반된 결과로 4관능성 수지의 영향이 많아 질수록 낮은 값을 가졌다. 이 결과로서 수지의 파괴인성을 예측을 할 수 있었다.

(3) UTM(Universal Test Machine)

강인성을 나타내는 파괴인성(KIc)을 측정을 위해 ASTM E399 A3에 의해 시편을 제작하였으며 구하는 식은 다음과 같다.

Pmax/PQ□1.10일 때,  [eqn: K_IC = K_Q = ( {P_Q S} over BW^{3over2}) f( a over W )]      [eqn: f( a over W ) = { 3 ( a over W ) ^{1over2} (1.99 - ( a over W ) (1- a over W ) (2.15-3.39 a over W + 2.7 a^2 over W^2 ))} over { 2(1 + 2 a over W ) (1- a over W )^{3over2} }]

Fig3과 Fig4는 2관능성수지에 3 또는 4관능성수지을 도입한 결과로서 2관능성수지의 함량이 75wt%일 때 높은 값을 나타내었다. 3관능성수지에 4관능성수지를 도입한 결과인 Fig5는 4관능성 수지의 함량에 따라 감소하였다.

참고문헌

1. D. J. Hourston, J. M. Lane and H. X. Zhang, Polymer International(1997)        Vol42. 349 ∼355

2. Achary, P. S. Latha, P. B. and Ramaswamy, R. J. Appl. Poymer. Sci(1990)      Vol41. 151

3. Chen, T. K and H. J. Poymer(1992). Vol23. 1656

4. Clive B. Bucknall and Adrian H. Gilbert, Poymer(1989). Vol31. 213 ∼ 217

5. ASTM D790-81

6. Hourston, D. J. Lane J. M. and MacBeath, N. A. Poymer international          (1997). Vol26. 17

7. Chean C. Su. and Eamor M. Woo. Poymer(1995). Vol36. Number15. 2883 ∼     2994

Fig1. Isothermal Kinetics                   Fig2. Curing process

Fig3. KIC of Blends(YD128 and YH325)          Fig4.KIC of Blends(YD128 and LER430)

Fig5.KIC of Blends(YH325 and LER430)