서
론
분자량이 높은 폴리올레핀은 저렴한 가격에 비하여 기계적, 광학적 및 화학적 성질이 우수하며 성형이 용이 하기 때문에 다양한 용도로 사용되고 있다. 그 중 고밀 도폴리에틸렌 (high density polyethylene, HDPE)은 가장 대표적인 범용 고분자로서 여러 산업 분야의 기초 소재 로 사용되고 있다. HDPE는 필름가공, 중공성형, 사출성 형, 파이프 가공 등에 적용되고 있으며 얻어진 성형체의 물성 증가를 위한 다양한 연구가 수행되어 왔다 (주 등 2003). 또한 금속 소재, 세라믹 소재 등을 분산시킴으로 써 기계적 특성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다 (Lee et al. 2005, 2007). 이러한 보강 소재 중에서 Al2O3 은 가격이 저렴하고, 가벼우면서도 우수한 기계적 특성 을 나타낼 수 있기 때문에 산업적 활용 가능성이 매우 높은 재료로 기대된다. Al2O3는 γ-, η-, δ-, θ-, κ-, χ- 그리 고 가장 안정한 구조인 α-Al2O3등과 같은 다양한 결정 구조를 지닐 수 있다. 그 중α-Al2O3는 강한 화학결합으 로 되어있기 때문에 화학적, 물리적으로도 매우 높은 안 ─ ─ 131 ──
전자선 가교에 의한
HDPE/
α-Al
2O3복합재료의 기계적 특성 평가
정승태∙신범식∙김현빈∙김태욱∙전준표∙강필현*
한국원자력연구원 방사선공업환경연구부
Effects of Electron Beam Irradiation on
Mechanical Properties of HDPE/
α-Al
2O3Composites
Seung Tae Jung, Bum Sik Shin, Hyun Bin Kim, Tae Uk Kim, Joon Pyo Jeun and Phil Hyun Kang*
Radiation Research Dvision for Industry and Environment, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup 580-185, Korea
Abstract-- In this study, we fabricated the HDPE and αα-Al2O3composites with PE-g-MA as a
function of the αα-Al2O3nanopowder weight ratios. The electron beam irradiations on HDPE/
αα-Al2O3composites were carried out over a range of absorbed doses from 20 to 200 kGy to make
three-dimensional network structures. The mechanical properties were characterized using UTM for confirming the changes of the flexural strength and tensile strength. It was observed that the mechanical properties of HDPE were enhanced by the addition of αα-Al2O3. However, the strength
of the 5 wt% αα-Al2O3added composites decreased due to the nano-powder aggregation. The
mechanical properties of composites were increased as increasing the electron beam irradiation up to 150 kGy. We believed that the electron beam irradiated HDPE/αα-Al2O3composites can be a
good candidate for a variety of industrial applications.
Key words : HDPE, αα-Al2O3, Electron beam, Mechanical property
* Corresponding author: Phil Hyun Kang, Tel. +82-63-570-3061, Fax. +82-63-570-3068, E-mail. [email protected]
정성을 가지고 있으며 특유의 뛰어난 물성으로 인해 절 연체, 보강제 등으로 많이 사용되고 있다(Seo et al. 2010). Al2O3첨가 복합재료의 물리적, 기계적 특성은 그 재료 의 크기와 형태 등 미세구조에 따라 크게 변하는 것으 로 알려져 있는데 최근 나노크기의α-Al2O3는 보강제로 서 효과적이라는 것이 발표되었다 (Lee et al. 2002). 고분자 재료의 기계적 특성을 향상 시킬 수 있는 또 다른 방법으로는 감마선, 전자선과 같은 방사선을 이용 하는 방법이 있다. 전자선 조사를 통하여 고분자 물질을 가공할 경우 다른 물리적, 화학적 가공에 비해 휘발성이 높은 용매와 유해한 촉매 등의 첨가제 사용을 최소화할 수 있으며 친환경적이고 고체 상태나 저온, 상온 상태에 서도 화학반응을 일으킬 수 있는 장점이 있어 상업적으 로 매우 효과적인 가공 방법으로 널리 알려져 있다 (Im et al. 2010). 또한, 짧은 시간에 반응이 진행되어 공정 시 간을 단축할 수 있으며 공정의 단순화 및 자동화가 용 이한 장점을 갖는다 (Sohn et al. 2008). 방사선을 통하여 물성을 향상시킬 수 있는 고분자 물질 중에서도 PE는 전자선 조사에 의해 고분자 사슬 내에 라디칼을 생성이 용이하고 라디칼들간의 가교 결합으로 기계적 특성을 향상시킬 수 있다 (Shin et al. 2011). 본 연구에서는 HDPE에 α-Al2O3를 첨가∙분산시켜 복합재료를 제조한 후 전자선 조사에 의한 기계적 특성 변화에 대한 연구를 수행하였다.
실 험 방 법
1. 재료 HDPE (밀도 0.963 g cm-3, 연화점 125�C)는 (주)호남석 유화학에서 제조된 pellet 형태의 5200B를 사용하였다. 첨가된α-Al2O3(순도 99.9%, 평균입경 100 nm 미만, 비표 면적 25 m2g-1)는 nano powder 형태로써 (주)CNVISION의 제품을 선택하였고, α-Al2O3의 효과적인 분산을 위하
여 분산제로 powder 형태의 polyethylene-graft-maleic Anhydride (PE-g-MA, m.p 105~107�C, Aldrich, USA)를 사용하였다. PE-g-MA의 수분을 제거하기 위하여 진공
오븐에서 60�C로 4시간 건조 후 사용하였다.
2. 복합재료의 제조
HDPE와 α-Al2O3, PE-g-MA를 mixer (Brabender, USA)
를 사용하여 170�C에서 15 rpm의 속도로 10분간 혼합하
였다. α-Al2O3는 각각 1, 2, 5 wt%를 첨가하였고, α-Al2O3 첨가에 따른 영향 분석을 위하여 PE-g-MA는 3 wt%로 고정하였다. 상기 복합재료는 hot press를 이용하여 플레 이트 형태로 (150 mm×150 mm×2 mm)제조하였다. 제작 된 복합재료는 전자선 가속기를 사용하여 질소 분위기 에서 1.14 MeV, 7.46 mA의 조건에서 전자선 조사를 수 행하였으며, 이때 흡수선량은 각각의 시료에 대하여 20, 50, 100, 150, 200 kGy가 되도록 하였다. 3. 복합재료의 물성 평가 복합재료의 가교도를 알아보기 위해 ASTM D2765-01 에 따라 겔화율을 측정하였다. 속슬렛 (soxhlet) 장비를 사용하여 용매인 xylene에서 약 140�C로 24시간 추출하 였으며, 추출 후 진공 오븐에서 80�C로 12시간 동안 건
조하였다. 또한 FE-SEM (sirion 200, Netherland) 장비를
사용하여α-Al2O3나노입자의 분산 정도를 확인하였다.
복합재료의 인장 강도 평가에는 ASTM D638-08에 따 라 시편을 제조하여 만능재료시험기 (universal testing machine (UTM), Instron 5569, USA)를 사용하여 평가하 였다. 평가는 상온에서 cross head speed를 50 mm min-1 로 진행하였다. 굴곡 강도는 ASTM D7264-07에 따라 시 편을 제조하였고 앞서의 만능재료시험기를 사용하여 3 점 굽힘강도를 측정하였다. 표점 거리는 60 mm였으며 cross head speed는 5 mm min-1으로 분석을 진행하였다.
결과 및 논의
1. 가교 및 분산도 평가
전자선 흡수선량에 대한 복합재료의 가교거동을 확인 하기 위해서 속슬렛 추출기를 사용하여 겔화율을 측정 하였다. Fig. 1은 각각의 HDPE/α-Al2O3복합재료의 전자 선 흡수선량에 따른 겔화율을 나타낸 그래프이다. Fig. 1 의 그래프를 확인하여 보면 α-Al2O31, 2, 5 wt% 첨가 복 합재료의 겔화율이 흡수선량이 증가함에 따라 비슷하게 증가하는 것을 알 수 있다. 복합재료 사이의 가교거동이 큰 차이가 없는 것은α-Al2O3가 가교에 큰 영향을 미치 지 않고, HDPE에서 가교 반응이 일어나기 때문인 것으
로 판단된다. 또한, α-Al2O3의 질량을 제외하고 HDPE의
질량만 본다면 같은 겔화율이라는 것을 알 수 있다. 복합재료의 표면을 SEM을 이용하여 확인하였고 그
결과를 Fig. 2에 나타내었다. α-Al2O3첨가량이 증가함에
따라 복합재료의 표면에 pore가 증가하였으며 이는 hot pressing을 통한 시료의 제작 과정 중 몰드와 시료의 계
면에 존재하던 α-Al2O3입자의 박리에 의한 것으로 사
포를 가질 수 있는 것으로 판단되나, 5 wt% 첨가한 복합 체의 경우에 있어서α-Al2O3입자들이 서로 응집되어 있 는 것이 확인되었다. 이는 미세한 α-Al2O3입자가 일정 량 이상으로 첨가할 경우 비표면적이 넓은 α-Al2O3분자 간의 인력에 인하여 응집이 발생한 것으로 판단된다. 이 러한 입자의 응집은 복합재료에 있어서 외부의 스트레 스가 인가되었을 때 스트레스가 국부적으로 집중됨으로 서 복합재료의 기계적 물성을 저하시키는 원인이 될 수 있다 (Tikku et al. 1995; Salehi et al. 2004).
2. 기계적 특성 평가 HDPE/α-Al2O3복합재료의 기계적 특성 평가를 위하 여 인장 및 굴곡 특성 평가를 수행하였다. 우선α-Al2O3 첨가량과 전자선 흡수선량에 따른 복합재료의 인장강도 를 Fig. 3에 나타내었다. α-Al2O3의 첨가에 의하여 2 wt%까지는 인장강도 값이 증가하는 것으로 나타났으며, 5 wt%가 첨가된 복합재료의 경우 2 wt%보다 낮게 나타 났다. 또한, 흡수선량이 증가함에 따라 인장강도와 탄성 률이 증가함을 알 수 있다. 1 wt% 첨가 HDPE/α-Al2O3 복합재료는 200 kGy에서, 2 wt% 첨가 복합재료는 150 kGy에서 최대의 인장강도를 나타내었으며 Table 1에 나 타난 바와 같이 탄성률도 비슷한 경향을 나타내었다. 이것은 전자선 흡수선량이 150~200 kGy까지는 분해 50 100 150 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Gel contents (%)
E-beam dose (kGy)
α-Al2O3 1 wt%
α-Al2O3 2 wt%
α-Al2O3 5 wt%
Fig. 1. Gel content curves of HDPE/α-Al2O3composites as a
func-tion of the electron beam irradiafunc-tion.
Fig. 2. FE-SEM images of 150 kGy electron beam irradiated HDPE/α-Al2O3composites : (a) HDPE; (b) α-Al2O31 wt% added composites;
(c) α-Al2O32 wt% added composites; (d) α-Al2O35 wt% added composites, respectively.
(a)
(b)
반응보다 가교 반응이 우세하게 작용하고 그 이상의 흡 수선량에서는 가교 반응이 거의 완료되어 분해 반응이 지배적으로 작용하기 때문으로 알려져 있다. 실제로 전 자선 가교 시 가교 반응과 분해 반응은 수 초 내로 빠르 게 진행되며 두 개의 반응이 동시에 진행된다. 또한, 물 질마다 다르지만, 어느 흡수선량을 기준으로 가교 반응 이 포화되어 일정하게 진행되면 분해 반응이 우세하게 작용된다고 알려져 있다 (Gheysari et al. 2001; Larin et al.
2006). 겔화율 측정 결과에서도 150~200 kGy에서 가교 반응이 포화된 것으로 보아 150~200 kGy 흡수선량까지 가교 반응이 증가하는 것으로 판단되며, 그 이상에서는 분해 반응이 우세하여 물성이 감소하거나 비슷한 경향 을 보이는 것으로 사료된다. 복합재료의 인장 강도와 더불어 굴곡 강도에 의한 기 계적 물성을 조사하였다. α-Al2O3의 첨가량과 전자선 흡 수선량에 따른 HDPE의 굴곡강도를 Fig. 4와 Table 2에 나타내었다. α-Al2O3함량의 증가에 따라 굴곡 강도의 증
가가 확인되었고, α-Al2O3첨가가 2 wt%까지는 증가하지 만 5 wt%가 첨가된 시료는 특성이 저하되는 것으로 나 타났다. 이것은 분산도 평가에서 보였듯이 α-Al2O3입자 의 응집 현상 때문으로 사료된다(Tikku et al. 1995; Salehi et al. 2004). 또한, Table 2에 나온 바와 같이 탄성율도 흡수선량이 증가함에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 굴곡 강도에 있어서 인장 강도에서와 마찬가지로 전자선 흡수선량 150~200 kGy에서 가장 높은 값이 나타남이 확인되었다. 가장 최적화된 기계적 특성을 나타내는 2 wt% α-Al2O3 첨가된 시료는 전자선 조사 150 kGy에 의하여 인장 강 도는 17%, 굴곡 강도는 40% 가량 증가함을 확인하였다. α-Al2O31 wt% 첨가 시료의 경우 흡수선량이 증가할수 록 인장, 굴곡 강도가 증가하였는데, 200 kGy 이상에서의 결과는 확인하지 못하였으나 이전의 실험 결과들로 유 추해 볼 때 지속적인 증가 현상은 보이지 않을 것으로 판단된다 (Adem et al. 1998; Salehi et al. 2004).
Table 1. Electron beam irradiation effects on the tensile stress and Young’s modulus of the HDPE/α-Al2O3composites with various α-Al2O3concentrations
α-Al2O31 wt% α-Al2O32 wt% α-Al2O35 wt% Dose Tensile Young’s Tensile Young’s Tensile Young’s (kGy) stress modulus stress modulus stress modulus (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) 0 24.1 1328.7 24.9 1370.8 24.8 1373.5 20 25.4 1384.4 26.9 1478.8 26.4 1411.7 50 26.4 1384.8 27.2 1516.4 27.2 1497.0 100 26.8 1264.0 27.1 1458.9 27.0 1501.7 150 27.3 1288.3 29.3 1635.4 27.3 1529.0 200 28.5 1566.4 27.7 1552.5 27.2 1377.4
Table 2. Electron beam irradiation effects on the flexure stress and modulus of the HDPE/α-Al2O3composites with various α-Al2O3concentrations
α-Al2O31 wt% α-Al2O32 wt% α-Al2O35 wt% Dose Flexure
Modulus Flexure Modulus Flexure Modulus (kGy) stress (MPa) stress (MPa) stress (MPa)
(MPa) (MPa) (MPa)
0 28.9 511.2 29.2 503.5 30.2 512.7 20 29.9 509.2 33.6 673.9 32.8 597.0 50 32.5 530.4 36.5 706.2 35.4 604.2 100 33.6 554.6 37.5 703.9 36.8 623.0 150 35.2 588.1 42.1 828.5 37.6 733.1 200 38.2 623.5 41.0 809.1 36.2 633.9 0 50 100 150 200 20 22 24 26 28 30
Tensile strength (MPa)
E-beam dose (kGy)
α-Al2O3 1 wt%
α-Al2O3 2 wt%
α-Al2O3 5 wt%
Fig. 3. Tensile strength curves of HDPE/α-Al2O3composites as a function of the electron beam irradiation.
0 50 100 150 200
20 30 40
Flexural strength (MPa)
E-beam dose (kGy)
α-Al2O3 1 wt%
α-Al2O3 2 wt%
α-Al2O3 5 wt%
Fig. 4. Flexure strength curves of HDPE/α-Al2O3composites as a function of the electron beam irradiation.
결
론
본 연구에서는 HDPE/α-Al2O3복합재료의 전자선 가교 와 그에 대한 여러 조건에 따른 기계적 특성을 분석하 였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 1. 전자선 흡수선량이 증가함에 따라 HDPE/α-Al2O3복 합재료의 가교 거동이 유사하다는 것을 확인하였다. 이는 가교 반응이 HDPE에서 일어나기 때문인 것으 로 판단된다.2. HDPE/α-Al2O3복합재료는 α-Al2O3의 첨가와 전자선
흡수선량이 증가함에 따라 기계적 강도가 증가하는 것이 확인되었으며, 150~200 kGy의 흡수선량에서 최 대의 인장, 굴곡 강도와 탄성률을 나타내었다. 이는 150~200 kGy 이상의 흡수선량에서는 가교 반응의 포 화상태로 인해 분해 반응이 지배적으로 작용하여 기 계적 물성에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 3. α-Al2O3를 2 wt% 첨가한 복합재료의 기계적 특성이 5 wt% 첨가 복합재료보다 우수함을 확인하였다. 이는 5 wt% 첨가 복합재료의 경우 α-Al2O3분말의 응집이 발 생하여 보강제로서의 역할을 수행하지 못하고 기계적 특성이 저하되는 결과를 초래하는 것으로 사료된다.
사
사
본 연구는 원자력 기술개발 사업의 고유강점기술육성 분야의 방사선 융합 유기 신재료 기술 개발 사업의 과 제 연구비 지원을 통하여 수행되었기에 이에 감사 드립 니다.참 고 문 헌
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Manuscript Received: May 23, 2011 Revision Accepted: May 24, 2011
