CTBN(Carboxyl Terminated Butadiene

Applied Chemis따，

Vol. 13, No.l, April 200.:), 9-12

CTBN(Carboxyl Terminated Butadiene Acrylonitrile)으로 강인화된

Epoxy/Clay 나노복합재료의 방사선 조사에 따른 기계척 특성

1.

서론

갚간염

•

이경용 • 황인라 • 임돈순 한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소

Epoxy

수지는 내열성， 내부식성， 접착력， 전기 절연성， 내방사선성 퉁의 물성이 우수하므 로 접착제， 코탱제， 전기전자재료， 섬유 강화 복합재료， 초전도 선재의 피복， 방사성 물질의 수송 및 저장 용기의 차폐재료， 우주 방사선용 부품소재 둥 그 용도 및 웅용분야가 다양하 다. 또한， Epoxy의 예비중합체 및 경화제의 종류가 다양하여 여러 가지 물성올 발현할 수 있으며， 기계적 몰성， 내약품성이 우수하고 경화 반웅시 불과 같은 부산물이 생성되지 않고 성형시 수축변형이 적은 장정 때문에 고분자 복합재료의 매트릭스로서 중요하게 사용되어 왔다 [1, 2]. 그러나 이러한 특성틀은 높은 수준의 가교구조를 가짐으로 인해 취성 파괴거 동을 가지게 된다. 이러한 문제점올 해결하기 위해

Epoxy

수지의 강인화를 위한 수많은 연 구가 이루어졌으며， 반웅형 액상 탄성체를 사용하는 방법이 가장 효과적인 방법으로 제시가 되었다. 액상 고무와 같은 이종 성분의 첨가를 통해 다른 주요 특성의 감소 효과 없이 강인 성율 향상 시킬 수 있는 것으로 알려졌다.

Epoxy

수지의 고무 개질율 위해 반웅형

Butadiene-acrylonitrile

고무，

Polysiloxanes

,

Fluoroelastomers

,

Acrylate e lastomer

퉁 의 고무를 사용한

Epoxy

수지의 강인화 연구가 주로 진행되어 왔다. 현재까지

Epoxy

수지 의 고무 개질올 위해 사용되는 것들 중에 가장 폭넓게 사용되는 것이

Butadiene-acrylonitrile

고무이다. 이 고무는 상대적으로 낮은 분차량의 부타디엔 주쇄와 분자 말단에 위치하는 반옹기인 아크릴로니트릴기로 구성되어 있다

[3-5 l.

고무로 개질된 열경화성 수지의 탄성체와 매트릭스간의 우수한 접착력은 최종 경화제의 특성이 가장 핵심적인 역할올 하는 것으로 알려져 있다. 이것은 고무 성분이 수지와 반웅함 으로써 가능하다. 따라서 사용되는 고무 개질제의 형태는 매트릭스와 반용할 수 있는 적절 한 말단 관능기의 선택이 중요하다.

Epoxy

수지의 경우 페놀， 수산기(Hyclroxy) ， 메르캅탄

(Mercaptan)

, 아민 그리고 카르복시기 퉁의 여러 가지 관능기가 연구되고 있는데， 이중 카 르복시 관능기률 갖고 있는 탄성체인

Cörboxyl-terminöted butödiene-acrylonitrile

(CTBN)은 가장 큰 강인화 효과를 부여 한다. CTBN 과 같은

Butad iene-öc ry loni tri le

고무 의 챔가로 강인성을 높인 Epoxy 의 경우 강인성의 향상과 함께 수반되는 기계적 불성의 저 하가 현재까지 다양한 분야로의 활용 범위롤 좁히고 있는 실정이다. 이률 위해 고무로 강화

된

Epoxy

고분자에 보강제로서 Nano-clay를 도입시켜 기폰 물성의 저하 없이 강인성의

향상올 도모하는 연구는 매우 흉미로율 것으로 기대되지만 현재까지 많은 연구가 진행되지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 CTBN의 함량에 따른 물성변화의 조사를 통해 적온 함량의 Clay를 사용하고도 강인성과 인장강도를 향상시킬 수 있는

Epoxy/Clay

나노 복합체를 제조한 후， 방사선 환경에서 샘플틀의 기계적 특성을 평가하기 위해 감마선올 사 용하여 가속열화를 실시하였다.

9

10

김기엽·이경용·황인라·임돈순

2.

실험

2.

1. 재료

본 논문에서는

Diglycidyl ether of bisphenol A

CDGEBA) 계의 이관능성

Epoxy

수지인 국도화학의

YD -128 (Epoxy eqlliv

,t!

ent weight (E.E .W) 184-1 90g/eq

, 점 도(;1 t

25

⁰

C)

11500-13 500cps

, 비중

=

1. 17) 올 사용하였고， 경화제는 국도 화학의 아민계의

D- 230(

Jeffamine) 올 사용하였다. CTBN 은

B. F.

Goodrich 의

Hycar 1300x8

grade 롤 사용하였다.

Clay는 충상 무기물인

:\1ontmorillonite

(MMT)로써 유기화 처리된 SouthernClay 의 Cloisite15A를 사용하였다.

Fig.

1 은 샘플들의 화학구조와 Epoxy 와 CTBN의 에스테르화 반웅 메 커 니 즘올 나타낸 것 이 다. 실험 은 200wt%의 Epoxy에 3wt% 의 Clay를 챔 가하여 5시 간동안 혼합한 후， 소니케이터를 사용하여 20분동안 초음파 분산올 실시하였다.

Epoxy/C lay

분산액에 7wt% 와 15wt% 의 CTBN 올 각각 첨가하여 2시간동안 혼합하였다.

그리고 135wt%의 경화제를 첨가하여 혼합한 후， 진공오븐에 넣어 기포를 제거하였다. 마지 막으로 완료된 혼합액은 자체 제작한 시트와 덤벨 타입의 실리콘 몰드에 주입하였다. 경화 시간과 온도는 1 차는 130 "C에서 3시간이었고 2 차는

120

"c에서 12시간이었다. 제조된 샘플 은 실온에서

500kGy

,

1000kGy

, 1500kGy 의 감마선을 8kGy/hr의 선량율로 조사하였다.

，'H석 바 Hr- 햄:꽉강 ~ i 'Hκ사꾀펴펴 3;3펴파 :r펴폐「피仁 2 μ-l디<' 11

(，-(융)-녁 i -{강 )-(~t 낸넨 ι안”반에 에페←까타에메매‘ U 이깨매 .- '꺼끼11…!μ，l' 이11μ 식식 - ，까11

(a) Epoxy

CH] CH

,

CH

센N-상-C서o-4세0-쩌I 6 H 뻐

n=26

HO -써C벼-CH=CH-C써C렉H써삼- OH

(b)

CTBN

。 。

” ^。R

⁺

^{C야쓰CH - CH2-~}

。

~-O-CH]-Ç11 H-C~--O~

。H

(c) 경화제 (d)

Epoxy

2!- CTBN의 반용 에커니증

Fig.

1

Chemical structure of samples

2.2 FTIR

측갱

샘플들의 혼합 후 분자구조 변화롤 확인하기 위해

FOllrier transform infrared spectrosco py

(FTIR)을 사용하였다. 샘플제조는

KBr

정제법으로 고체샘플 1mg 과，

KBr

분 말 150mg올 평취하여 막자사발에 우선 샘플올 넣고， KBr올 소량씩 넣어가면서 전체를 균 일하게 분쇄한 후 성형기에 넣어 원형의 샘플올 제조하였다_ KBr은 적외선 영역에서는 투 명하므로， 미량의 수분 존재로 약간의 OH 홉수를 나타내기 때문에 보상이 펼요하다.

2.3

인장강도 측청

샘플틀의 인장강도는 인장시험기(7wick

Roel

l. ^:\1

oclel

7010)올 사용하여 실온에서 측정 하였으며，

A STM 0

G38-03에 의거하여 lOmm/min 의 속도로 파단할 때까지 인장시 켜 파 단시 인장강도를 구하였다. 실험은 샘플 5 개씩올 측정하여 그 평균치를 구하였다.

3.

^{결과 및 고찰}

3.1 FTIR

측갱

웅용화학， 제

13

권 제 l 호，2m)

CTBN(C페boxyl

Terminated

Bu때ene Aσylonitrilel으로 강인화된 뼈，xy/Clay 나노복합재료의 방사선 조사에 따른 기계적 특성

II

샘플들의 혼합 후 분자구조 변화를 확인하기 위해

FTIR

스빽트럽을

Fig.

2에 나타내었 다.

Epoxy

수지의 경우

3500c m -1 부근에서 -OH band stretching올， 3055cm-

¹

부근에서 Sp2의 C-H band

stretching올，

2950cm-

¹,

2902c m-

¹

’ 2873cm -1 부끈에서 SP:’의 C-H band stretching을 확인 할 수 있다. 그리고 1608-145Gcm-

¹에서

aromatic C=C band stretching올，

1290cm-¹

부근에서 C-O band

stretching을，

900cm-

¹

부근에서 Epoxide 기의

존재를 확인 할 수 있다. Epoxy와

CTBN

혼합 후의 경우는 Epoxy에서 볼 수 있는

900cm-

¹

부근에서의 Epoxide 기와

1608-1456cm-¹

에서 aro matic C=C band stretching올 확인 할 수 있으며， CTBN에서 나타나는 2237cm-

¹

부근에서의 -C N bonding과 1723c m-

¹

부근에서의

C=O

bonding의

band

stretching을 함께 확인 할 수 있다

[6].

150

- - Þ :pOl)"

뻐”… 씨

-

- - -

LUjiνL」

30

o

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

”‘ venua띠)~n(cm.l)

Fig. 2

FTIR

spectra of the intact sa mples.

3.2

인장강도 측갱

Fig.

3은 샘플들의 인장강도를 나타낸 것이다. 조사선량이 증가함에 따라 열화가 진행된

모든 샘플들의 인장강도는 급격히 감소하고 있다. Epoxy-Clay 는 다른 샘플들보다 낮은 인 장강도를 나타내고 있다. 이것은 Clay 의 챔가가 Epoxy의 탄성툴올 중가시켜 인장강도를 감 소시킨 것으로 보인다. CTB" 올

7wt%

챔가한 Epoxy-Clay-CTBN7 은 Epoxy 보다 낮온 인 장강도를 나타내지만 Epoxy-Clay 보다는 높은 인장강도를 나타내고 있다. 그러나 CTBN 올

15wt%

챔가한

Epoxy-Clay-CTBN 15

경우 Epoxy보다 건전상태에서는 약 1. 1 배，

500kGy

에서는 약 1. 5 배， 1000kGy 에서는 약 1. 9 배， 1500kGy에서는 약 1. 2 배 높은 인장강도를 나 타내고 있다. 이것은 CTBN 에 의한 Epoxy의 강인화 효과와 합께 Clay'의 도입에 따라 인장 강도가 향상되었음올 의미한다 [7

J.

(.) 60

50

찌 뻐

m

(￡흔

Iiatg

•@

으-“--←

，。

InlK1

... ‘

G

,

^{1000 kG) 1}

’

^OOtlG1

(b) 때

m

m

;ι흐)

tace

‘M

Sat·

•

，。

’”’‘

Applied Chemislry

,

Vo

l.

1 3

,

No. 1

, :;nYJ

12

김기엽·이경용·황인라·임돈순

(c) 50 (d) 60

，。

%

10

InlKf

‘。

찌 찌 (·ι호) ￡·acι‘--’

·=”

‘•

c

…”

m m

(mιE--:acι@‘; ￡acι←

Inl

.c’

⁵⁰⁰

‘

^G

,

¹⁰⁰⁰

^‘

^G

,

Fig. 3 Tensile strength at bl'eak of samples‘ (a)Epoxy, (b)Epoxy-Clay, (c)Epoxy-Ciay-CTBN7, (d)Epoxy-Clay-CTBN 15

4.

결론

본 논문에서는 Epoxy 의 강인성과 인장강도를 향상시키기 위해 CTB~올 첨가한

Epoxy/Clay 나노 복합체를 제조하여 FTIR파 인장강도 실험올 진행하였다. FTIR 실험결과，

Epoxy에서 볼 수 있는 Epoxicle 기와 aromatic C=C bancl stretching올 확인 할 수 있었으 며， CTBN에서 나타나는 -C~ boncling 과 C=o bonding 의 b

,

^mcl stretching 올 함께 확인 할 수 있었다. 인장강도 실험결과， 샘플들은 조사선량의 중가와 함께 열화가 진행되어 인장강 도가 급격히 감소하였고， Epoxy-Clay-CTB !\， 15 는 Epoxy 보다 높은 인장강도를 나타내었 다. 이것은 CTBN에 의한 Epoxy 의 강인화 효과와 함께 Clay 의 도입에 따라 인장강도가 향 상됨을 의미하였다.

감사의 글

본 연구는 과학기술부의 원자력연구개발사업지원을 받았기에 이에 감사드립니다‘

참고운헌

[ 1) 조수형， “에폭시 수지계 충성자 차뼈재 제조 및 륙성 한국재료학회 논문지， Vo 1. 8, No.5, pp.457-463, 1998.

[2] 융홍수외， “아미노포스파젠 유도체에 의한 에폭시 수지의 경화와 열적성질" Jounal of the Koean Society of Dyers and Finishers. Vol.ll. No.6, pp. 7 -17, 1999

(3) R. Thomas, S. Durix, C. Sinturel. T. Omonov. S. Goossens, G. Groeninckx. r. \101den8ers and S. Thomas, “ Cure kinetics, morphology and miscibility of modified DGEBA-based epoxy resin - Effects of a liquid rubber inclusion", rolymer, Vo 1. 48, No.6, pp.1695-17 1O. 2007

[4) S. C. Kunz, J. A. Sayre and R. A. Assink, 내~orphology and toughness characterization of epoxy resins modified with amine ilnd cilrboxyl terminilted rubbers", rolymer. Vo1. 23, pp.1897-1906, 1982

[5] N. C. raul, D. H. Richards ;Jnd D. Thompson, "An aiiphiltic ilmine cured rubber modified epoxide adhesive: 1. rreparation and preliminary evaluation using a mom lemperature cure", rolymer, Vo1.l8, pp.945-950. 1977

(6) G. Tripathi, D. Srivastavil, "Effect of carboxyl-terminated poly(butadiene-co-acrylonitrile) (CTBN) concentration on thermal

,

lnd mechanical pmperties of binary blends of diglycidyl ether of bisphenol-A <DGEBA) epoxy resin". Materials Science and Engineering A Vo 1. 443. No.I-2, pp.262-269, 2007.

(7) S. Balakrishnan, P. R. Start, D. Raghavan, S. D. Hudson, "The influence of clay and elastomer concentration on the morphology and fracture energy of pl-eformed acrylic rubber dispersed clay filled epoxy nanocomposites", rolymer, Vo 1. 46, No.25. pp.11255-11262, 2005.

웅용화학， 제 13 권 제 1 호， 2009