Talc로 충진된 Polypropylene의 기계적 물성:

커플링제 효과

김주성, 최미애*, 박태욱*, 김덕준↕

성균관대학교 화학공학과

*기술표준원 유기화학과

Mechanical Properties of Talc Filled Polypropylene:

Coupling Agent Effect

Ju-Sung Kim, Mi Ae Choi*, Tae Wook Park*, and Dukjoon Kim↕

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

*Department of Chemistry, Agency for Technology & Standards

서론

고분자 매트릭스에 여러 형태의 무기 충전제를 충전시킴으로써 새로운 기능성을 부여하는 기술은 오랫동안 관심을 끌어 왔다. 이렇게 제조된 고분자 복합재료는 수년동안 넓은 영역에서 다양하게 응용되어 왔으며, 현재에 이르러서도 그 사용량은 계속해서 증가하고 있는 추세이다. 그 중에서도 talc는 여타의 충전제와 마찬가지로 플라스틱, 페인트, 고무, 제지, 화장품산업 등에서 다양하게 사용되고 있다. 하지만 talc와 같은 미분체 제품이 플라스틱 및 페인트 수지에 충전제 및 물성 개량제로 사용되는 경우에는 분체의 혼화성 뿐만 아니라 PP, 폴리에틸렌(PE) 등 매트릭스고분자 물성에 미치는 영향을 정확히 평가할 필요가 있다. 고분자복합재료의 성질은 매트릭스와 충전제 두 성분의 자체성질 뿐 아니라 계면에서의 상호작용에도 크게 영향을 받는다. 즉 매트릭스와 충전제 계면에서의 상호작용이 없으면 대부분의 충전제는 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 못하여 증량제(extender)의 효과밖에 나타내지 않게 된다. talc의 미분체 제품은 표면특성이 소수성이므로 플라스틱 및 페인트 Resin에 충전제 및 물성개량제로 사용하는 경우 무기물로 충전된 고분자복합재료의 강도저하를 막기 위해서는 계면의 접착력을 강하게 할 필요가 있는데 그 방법으로서 커플링제를 이용한 표면처리를 고려해 볼 수 있으며, 이 경우 사용될 수 있는 표면처리제(커플링제)는 반응성 처리제와 비반응성 처리제로 나눌 수 있다. 반응성 처리제는 고분자 매트릭스와 충전제 사이의 화학적 반응을 유도하여 두 성분사이의 결합력을 향상시키는 역할을 하는 물질이며,  비반응성 처리제는 고분자 매트릭스와 충전제 사이의 화학적 반응보다는 물리적 인력에 의해 두 성분 사이의 결합력을 향상시키는 역할을 하는 물질로서 일반적으로 극성그룹를 보유하고 있는 긴 지방족 사슬의 양쪽성 계면활성제가 이에 해당된다.  비반응성 처리제는 주로 충전제의 표면을 먼저 처리한 후 고분자물질과 블렌딩함으로써 그 효과를 기대하고 있는데 이러한 용도로 오랫동안 자주 사용되어 온 간단하며 효과적인 유기화합물로서 stearic acid를 들 수 있다. 본 연구에서는 탄소의 갯수와 작용기가 stearic acid와 같은 유사한 화학적 구조를 가지고 있으며, 이중결합 구조를 가지고 있는 oleic acid를 커플링제로 사용해서 talc를 표면처리한 후 제조된  talc가 충전된 PP의 기계적 물성을 파악함으로써 제품의 물성에 미치는 효과를 처리하지 않은 고분자복합재료와 비교하여 보았다

실험

1.표면처리 및 시편제조

본 실험에서 사용한 PP는 pellet 형태인  호남석유화학에서 생산 시판중인 JI-360 PP수지를 사용하였으며, filler로서 powder 형태의 talc(활석분체)를 사용하였다. 그리고 coupling agent로서는 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

인장강도 및 굴곡강도. 커플링제 농도별로 제조된 PP시편에 대한 인장강도와 굴곡강도를 KS M 3006의 시험방법에 따라 크기는 1호형시험편으로 항온(20℃) 항습(습도20%)분위기에서 만능 재료시험기(universal testing machine SFM-20, United Calibration, USA)를 사용하여 crosshead 속도 10mm/min로 측정하였으며, 각 조성별로 5개씩의 시편에 대하여 측정하고 평균값을 구하였다.

충격강도. 커플링제 농도별로 제조된 PP시편에 대한 충격강도를 아이조드 충격시험방법(KS M3055)에 따라 크기는 2호형시험편으로 충격시험기 (U.S.S. Impact Tester, Yasuda Seiki Seisakusho LTD, Japan)을 사용하여 20℃의 온도에서 측정하였으며, 각 조성별로 5개씩의 시험편에 대하여 측정하고 그 평균값을 구하였다.

SEM 측정. 커플링제 농도별로 제조한 PP시험편의 형태학적 특성을 관찰하기 위하여 충격강도 측정 후 시험편의 파단면을 주사전자 현미경 (scanning electron microscope, SEM, XL-30 Philips, Netherland)을 사용하여 관찰하였으며 배율은 1000배로 하였다. 시편의 파단면은 Ion Coater (Eiko IB-3, Japan)를 이용하여 금으로 코팅하였다.

열적 특성. 커플링제 농도별로 제조한 PP시험편의 열적 특성을 살펴보기 위하여 농도별로 각각 5 mg의 시편을 취하여 TGA (Thermogravimetric analyzer, Perkin Elmer, USA)와 DSC (Differential scanning calorimetery, Perkin Elmer, USA)를 이용하였다. 열적거동은 질소분위기하에서 분당 10℃의 승온 속도로 측정하였다.

결과 및 고찰

인장강도 및 굴곡강도.

커플링제의 종류와 농도에 따라 표면처리되어진 talc-충전 PP의 인장강도와 굴곡강도를 Figure 1와 Figure 2에 나타내었다. 인장강도와 굴곡강도 모두 동일하게 5 wt% 농도이하의 커플링제로 talc를 처리했을때의 강도가 커플링제로 처리하지 않았을 때의 경우보다 전체적으로 증가함을 알 수 있었다. Talc대비  5 wt%이하의 농도에서 커플링제로 처리하였을 경우 stearic acid보다 oleic acid로 처리했을 때가 높은 강도를 나타내고 있으며 oleic acid의 경우 3 wt% 농도로 처리시 인장강도와 굴곡강도가 최대값을 나타내었다. 이는 3 wt% 까지는 oleic acid와 stearic acid 동일하게 계면접착력을 증가시키는 커플링제로서 역할을 하지만 oleic acid는 특히 상온에서 액상으로 존재하기 때문에 그 이상에서는 양이 많아짐에 따라 커플링제로서의 역활보다 가소제로서의 역활만 하여 오히려 액상으로의 존재가 강도를 저하시키기 때문으로 생각된다. 반면 stearic acid는 상온에서 고체상태로 존재하며 이러한 이유로 3 wt%이상의 농도에서도 인장 및 굴곡강도변화에는 oleic acid에 비해 크게 나쁜 영향을 주지 않았다.

충격강도.

아이조드충격강도 결과를 Figure 3에 나타내었다. 5개의 아이조드 충격강도 오차범위는 2.0%였으며 평균값을 취하여 충격강도를 결정하였다. talc 대비 3 wt%에서 최대값을 나타내고 있으나, 인장·굴곡강도와는 반대로 oleic acid으로 처리했을때의 강도보다 stearic acid로 처리했을때의 강도가 더 높은 값을 나타내었으며, 이는 다음부분에 나오는 모폴로지부분에서 언급 될 것이다.

몰폴로지.

3 wt% 커플링제로 처리한 그림을 보면 커플링제로 처리하지 않았을 때보다 계면의 접착면이 고르며 매트릭스와 talc간의 공극 또한 talc로 채워져 있음을 알 수 있었다. 이러한 모폴로지의 변화로부터 커플링제로 talc의 표면을 처리한 경우 처리하지 않았을 때보다 PP복합재료의 인장·굴곡강도가 높은 이유를 유추할 수 있으며 stearic acid로 처리했을 때보다 oleic acid로 처리한 경우 더욱 고른 접착면을 보이고 있는데 이러한 결과 또한 oleic acid로 처리한 시편의 인장·굴곡강도가 stearic acid로 처리했을 때의 강도 보다 높은 이유라 생각된다.  6 wt%의 oleic acid로 처리했을 때에는 oleic acid의 양이 많아짐으로 인해 talc들이 oleic acid와 좀 더 응집한 모습을 보이고 있다. 이는 앞의 인장, 굴곡강도의 결과에서 언급한 것처럼 액상으로 존재하는 oleic acid 특성상 양이 많아지면 커플링제 역할보다는 가소제로서의 역할을 하고 있음을 확인해 주고 있으며, 결국 인장강도와 굴곡강도가 떨어뜨리는 주요 이유가 되고 있다. 그러나 앞의 충격강도에서 언급했듯이 3 wt% 농도의 커플링제로 처리했을 때 오히려 oleic acid로 처리했을때가 stearic acid로 처리했을때보다 낮은값을 나타내었는데 커플링제로 처리하기 이전에 존재하는 충격을 흡수할 수 있는 talc와 매트릭스 사이의 공극을 oleic acid으로 처리됨으로 인해 talc와 매트릭스 사이의 충격을 흡수할 공극이 줄어들었기 때문으로 유추된다.

열적 성질.

TGA로 분석한 결과 커플링제의 종류와 도입여부에 관계없이 400 ℃ 부근까지 열적 안정성을 보이고 있으며, DSC로 분석한 결과 162 ℃ 부근에서 용융점이 관찰되었으며 충전제의 종류와 양의 변화가 용용전이온도에 미치는 영향은 매우 적음을 알 수 있었다.

참고문헌

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Figure 1. Coupling agent effect on the tensile strength of PP filled with talc.

Figure 2. Coupling agent effect on the flexural strength of PP filled with talc.

Figure 3. Coupling agent effect on the impact strength of PP filled with talc.