FRP 분말이 혼합된 PP의 물성변화 연구

김진구, 이명천

동국대학교 화학공학과

A Study on the Property Changes of Polypropylene Blended with FRP Powder

Jin Goo Kim, Myung Cheon Lee

Department of Chemical Engineering, Dongguk University

서론

일반적으로 플라스틱은 다른 재료에 비해 상대적으로 우수한 물성을 가지고 있기 때문에 단일재료로서 혹은 복합재료로서 많은 분야에서 사용되어지고 있다. 그러나 플라스틱은 폐기된 후 자연상태에서 썩지 않기 때문에 환경오염의 주범으로 인식되고 있다. 따라서 환경오염의 문제를 해결하고 석유자원을 보전하기 위해 플라스틱 재활용 기술이 대두되고 있고 많은 연구가 이루어지고 있다.

플라스틱을 재활용하는 기술중 가장 일반적인 방법은 열분해에 의한 연소열을 이용하는 방법이다. 이 방법은 단일재료의 플라스틱 뿐만 아니라 플라스틱에 다른 성분이 함유된 복합재료 모두 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 연소시 고온의 발생으로 인한 장치의 손상과 폐가스의 발생 등이 문제점이다. 폐플라스틱의 가장 효율적인 재활용 방법은 수지별로 수거하여 다시 재생하는 것인데 이 경우는 열가소성 수지만 가능하므로 열경화성 수지나 복합재료의 재활용은 새로운 방법이 요구되어진다.

플라스틱 복합재료중 우리 생활 주변에서 범용으로 가장 널리 쓰이고 있는 재료는 열경화성 폴리에스터를 기지수지로하여 유리섬유를 강화한 재료이다(FRP). FRP는 열경화성 수지나 열가소성 수지에 유리섬유나 탄소섬유 등을 강화한 플라스틱으로서 주 용도는 가정용수조, 욕조, 그리고 각종 실내의 장식용 등이며 보트, 소형배 그리고 자동차 범퍼 등에 널리 쓰이고 있다. 이러한 FRP의 경우 높은 내구성과 일단 모양이 만들어지면 녹여서 다른 모양으로 만들 수 없기 때문에 폐기되어 자연 상태에 버려지게 되면 자연분해가 되지 않음은 물론 재활용이 매우 어렵기 때문에 대부분 그대로 방치되어 자연환경을 크게 오염시키고 있다.

따라서 유리섬유 강화플라스틱의 적절한 재활용 방법은 다른 수지에 충진제나, 강화제로 사용하는 것이다. 하지만 FRP의 경우 한가지 이상의 물질이 섞여있는 복합재료이기 때문에 강화제로 사용될 경우 나타나게 되는 강화효과를 정확히 예측하기 힘들며, 예측한다 하더라도 적용시키기가 쉽지 않다.

본 논문에서는 유리섬유강화 플라스틱을 분말로 만든 후 이를 폴리프로필렌에 섞어서 그 강화효과를 여러 가지 물성을 조사함으로서 밝히고자 하며  상용화제를 사용하여 상용화제 첨가에 따른 물성의 변화를 연구하려고 한다.

이론

일반적으로 일반 열가소성 수지에 유리섬유를 강화하게 되면 열변형 온도, 탄성률, 강도 등이 향상되기 때문에 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 FRP를 분말로 만들어 일반 열가소성수지 강화용으로 재활용하려고 하는데 이 경우 유리섬유가 폴리에스터속에 혹은 바깥으로 결합해 있기 때문에 분리시키기 어려울 뿐만 아니라 분리되어 있다 하더라도 물리적으로 유리섬유와 수지를 다시 분리해내기가 쉽지 않다. 따라서 첨가제로 사용할 경우 분말형태가 매우 불규칙하게되며 폴리에스터 만으로 이루어진 조각, 유리섬유 그리고 유리섬유와 폴리에스터 조각이 결합된 세 가지 형태로 이루어지게 될 것이다. 그러므로 이러한 분말들을 열가소성 수지에 첨가제로 섞을 경우 강화 효과는 이론적으로 예상하기 어렵기 때문에 체계적인 실험에 의하여 밝혀져야 할 것이다.

FRP 분말을 강화재로 사용하여 폴리프로필렌에 혼합할 경우 FRP분말 속의 유리섬유와 폴리프로필렌 사이의 결합, 폴리에스터와 폴리프로필렌 사이의 결합력을 증가시키는 것이 중요한데 각 물질 사이의 계면결합을 증가시키기 위하여 본 실험에서는 두가지 종류의 상용화제를 사용하였다. 첫번째 상용화제는 maleic anhydride이며, 두 번째 상용화제는 silane/chlorinated paraffin을 사용하였다.

상용화제가 첨가될 경우 FRP분말과 폴리프로필렌 사이의 계면결합력을 증가시키리라 예상되고, 따라서 인장강도, 탄성률, 충격강도의 변화가 예상된다. Maleic anhydride는 FRP분말중의 폴리에스터와 폴리프로필렌 사이의 결합력을 증가시키는 작용을 하리라 예상된다. 두 번째 상용화제중 silane은  FRP 분말중의 유리섬유와 폴리프로필렌 사이의 결합력을 증가시킬수 있을 것으로 예상되며, chlorinated paraffin은 폴리에스터와 폴리프로필렌 사이의 결합력을 증가시킬 것으로 예상된다.

실험

본 실험에서 사용한 재료는 유리섬유 강화 열경화성 폴리에스터 FRP를 분말로 만들어 혼합제로 사용하였고, 이를 폴리프로필렌에 혼합하였다. 또한 FRP분말과 폴리프로필렌 사이에 혼합효과를 높이기 위하여 상용화제로서 두가지를 사용하여 그 효과를 비교 관찰하였다.

(3-chloropropyl)trimethoxysilane은 chloronated paraffin과 같이 사용하여 폴리프로필렌에 적용시키고 이결과를 maleic anhydride를 사용한 결과와 비교하여 FRP의 강화효과를 연구하였다.

실험방법은 우선 시중제품에 나와 있는 FRP를 수거하여 세척한 후 잘게 부수어 분말형태로 만들어 건조시켰다. 이 분말들을 채(Standard sieve)로 걸러서 세 가지 입자크기(250~300□, 300~600□, 600□이상) 별로 분리하였다. 혼합온도를 180℃로 고정시킨 후 분말을 폴리프로필렌에 0, 5, 10, 15, 20wt%로 각각 섞어 첨가량에 따른 물성변화를 측정하였다. 또한 상용화제 첨가 효과를 알아보기 위해 300~600□□크기의 FRP 분말 10wt%에 상용화제(Compatibilizer)를 0, 5, 10, 15wt% 각각 섞어 상용화제 첨가량에 따른 물성변화를 측정하였다. 물성측정은 인장강도, 탄성률, 충격강도를 측정하였다. 여기서 충격강도는 Charpy impact test (KS M-3056)방법을 사용하였다.

결과 및 토론

FRP 분말의 첨가량이 증가할수록 대체로 인장강도가 감소하였으나, 분말크기가 가장 작은 경우 5-10wt%사이에서 인장강도가 크게 증가하였고 이후 급격히 감소하였다. FRP분말 크기가 클 경우 인장시 입자가 끊어진다거나 수지와 입자사이의 빈 공간이 많아 인장강도가 감소하는 것으로 판단된다. 그러나 FRP  분말의 크기가 아주 적고 그 양이 적절한 경우(5-10wt%)첨가 효과가 좋아 인장강도가 상승한 것으로 생각된다.

FRP 분말 표면과 폴리프로필렌사이에는 친화성이 좋지 않기 때문에 혼합효과가 좋지 않다. 따라서 친화성을 좋게 하는 적절한 상용화제를 선택하여 넣어 주는 것이 중요하다. 이 경우 maleic anhydride를 상용화제로 하여 넣어 준 결과 인장강도는 그 양을 0wt%에서 15wt% 증가시킴에 따라 증가하였고 5wt%에서 그 효과가 가장 좋았다. 이때 FRP 분말의 양은 10wt%로 분말의 크기는 증간크기로 고정시켰다.

탄성률의 경우 입자크기에 큰 관계없이 FRP분말의 양이 증가할수록 그 값이 커지고 있음을 알 수 있었다. 이는 폴리프로필렌보다 탄성률이 큰 FRP분말의 첨가 효과가 있음을 나타내고 있는데 상용화제를 넣었을 경우에 상용화제를 넣지 않은 경우에 비해 탄성률이 증가하였고 5wt%에서 가장 크게 증가하였다.

충격강도 측정 결과 FRP분말 wt%가 증가할수록 충격강도가 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 분말입자가 클수록 충격 강도가 더 감소하였다. 이는 FRP분말이나 FRP분말과 폴리프로필렌수지의 완전치 못한 경계면에서 충격시 크랙이 발생하여 충격강도가 감소하는 것으로 판단된다. 상용화제를 넣은 경우 상용화제 혼합량 5wt%까지는 약간 감소하였으나, 이후 급격히 증가하는 경향을 나타내고 있다. 상용화제양이 증가함에 따라 충격강도가 증가하는 것은 FRP분말과 폴리프로필렌 사이의 경계면 결합을 증가시켰기 때문이라고 생각된다.

결론

폴리프로필렌수지에 분말FRP와 상용화제 첨가에 따른 인장강도, 탄성률, 충격강도를 측정하여 그 결과를 각각 비교 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 인장강도(Tensile strength)의 경우 분말 FRP의 입자크기가 작을 때는 혼합량에 따라 증가후 감소하였고, 입자크기가 클수록 점차로 감소하였다. 상용화제를 넣은 경우 상용화제 5wt%에서 최대로 증가하였고, 10, 15 wt%로 감에 따라 약간 감소하였다.

2. 탄성률(Tensile modulus)의 경우 입자크기에 큰 영향 없이 분말 FRP혼합량에 따라 점차로 증가하였으며, 상용화제를 넣은 경우 상용화제 5wt%에서 최대로 증가하였으며, 이후 다시 감소하였다.

3. 충격강도(Impact strength)의 경우 분말 FRP 혼합량이 10wt%까지는 분말입자가 클수록 충격강도가 더 감소하였으며, 이후 비슷한 값을 가지며 감소하였다. 상용화제를 넣은 경우 상용화제 5wt% 이후 급격히 감소하였다.

참고문헌

[1]  I.M. Chem, T.M. Yeh and C.T. Wu, "Reuse of Waste Fiber Reiinforced Plastics      in Thermoplstic Composite", ATTEC' 91, PP. 2162 - 2169, 1991

[2} M.D. Applebaum, K.E. Van Ness, "Properties of Reinforced Compounded            Post-Consumer Plastics", ANTEC' 91, PP. 2161 - 2162, 1991

[3] D.L. Reinhard, "Recycling Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composite",         ANTEC' 92, PP. 1545 - 1549, 1992