tensile, dynamic mechanical, and abrasion properties of...

213

한국섬유공학회지, Vol. 53, No. 3, 213-219http://dx.doi.org/10.12772/TSE.2016.53.213

ISSN 1225-1089 (Print)

ISSN 2288-6419 (Online)

전자빔에 의해 경화된 유리섬유/Diepoxidized Polycardanol 복합재료의 인장, 동역학 및 마모 특성

천진실 · 조동환†

금오공과대학교 고분자공학과

Tensile, Dynamic Mechanical, and Abrasion Properties of Glass Fiber Reinforced Diepoxidized Polycardanol Composites Cured by Electron Beam

Jinsil Cheon and Donghwan Cho†

Department of Polymer Science and Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi 39177, Korea

1. 서 론

에폭시 수지와 같은 열경화성 수지에 생분해성을 부여하기 위해 콩기름, 피마자유, 녹말과 같은 천연 유기재료를 첨가하는 연구가 관심을 받고 있다[1]. Figure 1에서 보여주는바와 같이, CNSL이라고 일컫는 cashew nut shell liquid는캐슈나무의 캐슈넛 껍질에서 추출되는 노란색의 액체로 캐슈넛 중량의 약 1/3을 차지하고 있다[2]. 열에 의해 경화가가능한 폴리카다놀(polycardanol) 및 diepoxidized cardanol(DEC) 수지는 CNSL을 이용한 일련의 효소중합을 통해 제조될 수 있다[3,4]. Zhou 등이 보고한 polycardanol에 대한연구결과에 의하면, 경화반응은 불포화 폴리에스터 수지의열경화 메커니즘과 유사하며, 경화온도에 대한 경화도 변

화는 전형적인 열경화성 수지와 유사하게 S 형태의 곡선을나타내었다[5]. CNSL은 하이드록실기(-OH)와 카르복실기(-COOH) 및 지방족 불포화탄소 같은 관능기를 함유하고있기 때문에 에폭시 수지를 포함한 관능기를 함유한 물질과 화학반응이 일어날 수 있다[6]. Figure 2에서 보여주는바와 같이, DEC는 카다놀(cardanol) 분자사슬의 불포화 이중결합이 에폭시그룹으로 치환된 형태로 사슬말단과 알킬사슬 내부에 두 개의 에폭시기를 가지고 있으므로 에폭시수지의 경화반응과 같은 양상으로 경화가 이루어지며 에폭시 수지가 갖는 특성도 나타내고 있다[6,7]. CNSL을 원료로하여 제조된 폴리카다놀 및 DEC와 같은 친환경 수지들은대부분 코팅, 접착제, 고무화합물 첨가제 또는 친환경 복합재료용 매트릭스 수지로 이용되고 있다[8−14].

†Corresponding Author: Donghwan ChoE-mail: [email protected]

Received May 18, 2016Revised June 14, 2016Accepted June 14, 2016

ⓒ2016 The Korean Fiber Society

Abstract: In the present study, the effect of electron beam irradiation on the tensile,dynamic mechanical, and abrasion properties of glass-fiber-reinforced diepoxidized poly-cardanol (DEPC) composites was explored. Triarylsulfonium hexafluoroantimonate, an anti-monate-type photoinitiator (2 wt%) was added to diepoxidized cardanol (DEC) prior tocomposite curing by electron beam. The glass fabrics pre-impregnated with DEPC wereconsolidated by direct irradiation of electron beam at 400, 500, and 600 kGy at ambienttemperature and pressure. The composite properties strongly depend on the applied elec-tron beam intensity. The result indicates that electron beam curing of glass fiber/DEPCcomposites at 600 kGy resulted in the highest tensile modulus, tensile strength, dynamicstorage modulus, abrasion resistance, and lowest damping among the applied electronbeam absorption doses.

Keywords: diepoxidized polycardanol, glass fiber, composites, electron beam curing, mechani-cal properties, abrasion

214 ▐ 천진실 · 조동환 Textile Science and Engineering, 2016, 53, 213-219

에폭시 수지는 일반적으로 열경화반응에 비교적 긴 시간이 소요되며, 열에너지를 필요로 한다[15]. 전자빔을 이용한 에폭시 수지의 경화는 실온에서의 이루어지고 건식방법이므로 환경이나 작업성 측면에서 안전하고, 공정속도가 매우 빠르고 공정이 단순하다는 장점을 가지고 있다[15−17].따라서 전자빔 기술은 고분자수지의 경화 및 개질, 수처리,고무 가교, 섬유개질 등에 다양하게 이용되고 있다[18−21].전자빔에 의해 경화되는 대표적인 수지로는 아크릴레이트,메타아크릴레이트, 말레이미드와 같이 비닐계 단량체를 가지고 있는 수지가 있다. 이들은 전자빔에 의해 형성된 자유라디칼(free radical) 반응에 의해 경화가 진행되는 반면,에폭시 수지는 양이온 개시제가 존재하는 환경에서만 경화반응이 진행되는 것으로 알려져 있다[22]. 일반적으로 다량의 경화제를 필요로 하는 에폭시 수지의 열경화와 달리, 에폭시 수지의 전자빔 경화는 소량의 개시제를 사용하므로경화공정 과정에서 발생하는 유해가스의 양을 최소화할 수있다. 따라서 전자빔 기술을 이용한 에폭시 수지의 경화에대한 연구는 많이 보고되고 있다[23−26].

Cheon 등의 연구[3]에 의하면, 에폭시기를 가지고 있는DEC는 전자빔에 의한 에폭시 수지의 경화와 유사하게, 양이온 광개시제의 존재 하에서 전자빔에 의해 경화될 수 있으며, 경화거동은 광개시제의 종류(antimonate-type, phosphate-type)와 농도는 물론 전자빔 흡수선량(electron beam absorptiondose)에 의존한다는 사실을 규명하였다. 0−800 kGy 영역에

서 다양한 전자빔 흡수선량을 사용하여 경화상태를 살펴본결과, 700 kGy 이상의 전자빔 세기는 DEC의 사슬절단(chainscission)과 경화물의 손상을 야기하고 색상도 까맣게 변화시킨다고 보고하였다. 또한 Cheon 등이 전자빔에 의해 경화된 diepoxidized polycardanol(DEPC)의 유리전이온도, 열팽창, 동역학 특성 및 수분흡수성에 미치는 광개시제 종류,농도 그리고 전자빔 세기의 영향을 연구한 결과, 2 wt%의antimonate-type 개시제를 사용하였을 때, 600 kGy에서 경화된 DEPC은 최적 물성을 나타내었다고 보고하였다[4].유리섬유는 섬유강화 플라스틱(FRP)의 보강재로서 2차세계대전 전·후부터 현재까지 각종 고분자수지와 가장 널리 사용되어 온 보강섬유이다[27−29]. 그동안 유리섬유는불포화 폴리에스터 수지와 짝을 이루어 FRP 분야에 가장널리 사용하여 왔으며, 에폭시 수지가 지닌 여러 가지 우수한 특성 때문에 불포화 폴리에스터가 갖는 부족한 성질을 보완하기 위하여 에폭시 수지와도 함께 종종 사용되어왔다. 그러므로 친환경 DEC 수지는 불포화 폴리에스터 수지의 열경화반응 양상을 띠고 있고, 분자사슬에 방향족 그룹과 에폭시 반응 moiety를 갖고 있어 두 수지의 상호 성질을 보완할 수 있을 것으로 여겨진다. 아울러 경화된 DEPC는 취성(brittleness)을 보이므로 유리섬유로 보강된다면 기계적 특성 등이 향상될 것으로 기대된다. 따라서 본 연구의 목적은 친환경 수지를 기반으로 하는유리섬유강화 복합재료를 전자빔 경화 기술을 이용하여 제조하고, 그들의 특성에 미치는 전자빔 흡수선량의 영향을조사하는 것이다. 이를 위하여 앞서 보고[3,4]된 연구결과를 적용하여, antimonate-type의 양이온 개시제가 약 2 wt%함유된 DEC를 매트릭스 수지로 사용하고 직물형태의 유리섬유를 보강재로 사용하였다. 경화되지 않은 여러 장(ply)의 유리섬유/DEC를 적층한 후 400−600 kGy 범위의 전자빔을 적충물에 직접 조사(irradiation)하여 경화시키는 방식으로 새로운 조성의 복합재료를 제조하였다. 전자빔 흡수선량을 달리하여 경화된 유리섬유/DEPC 복합재료의 인장,동역학 및 마모 특성을 비교 분석하고 고찰하였다.

2. 실 험

2.1. 재 료본 연구에서는 분자사슬에 두 개의 에폭시기를 포함하고있는 DEC를 복합재료의 매트릭스 수지로 사용하였다. DEC는 효소중합을 통해 제조된 것을 한국화학연구원으로부터공급 받아 별도의 정제과정을 거치지 않고 사용하였다. DEC는 연한 갈색의 액체로 밀도는 0.96 g/ml, 점도는 130−150cP, 분자량은 450 mol/g이다. epoxy equivalent weight(g/eq)는 225이다. DEC를 전자빔으로 경화시키기 위해 antimonium계 광개시제 triarylsulfonium hexafluoroantimonate(THA)를

Figure 1. Extraction procedure of the cashew nut shell liquid fromcashew tree.

Figure 2. Chemical structure of DEC.

전자빔에 의해 경화된 유리섬유/Diepoxidized Polycardanol 복합재료의 인장, 동역학 및 마모 특성 ▐ 215

Sigma Aldrich Co., Ltd.(USA)에서 구입하여 별도의 정제과정을 거치지 않고 사용하였다. 광개시제는 용매 propylenecarbonate에 50 wt%가 용해된 상태로 이용하였다. 보강섬유로는 실란결합제로 사이징된 평직(plain weave) 형태의E-유리섬유(㈜한국화이바, 대한민국)를 사용하였다.

2.2. DEC/THA 혼합용액의 제조 DEC에 양이온 개시제인 THA를 각각 2 wt%의 농도로혼합하였다. THA가 포함된 DEC 용액을 자석교반기를 이용하여 70 oC, 250 rpm에서 약 20분간 교반하였으며, 교반과정에서 발생한 기포를 제거하기 위해 70 oC로 예열된 진공오븐을 이용하여 약 20분간 진공을 걸어주었다. 제조된DEC/THA 혼합용액은 갈색의 광구병에 넣어 유리직물의함침에 사용되기 전까지 냉장고에 보관하였다.

2.3. 전자빔 경화에 의한 유리섬유/DEPC 복합재료의 제조

Cheon 등에 의해 보고[3,4]된 연구결과에 의하면, DEC에antimonate-type의 광경화제 2 wt%를 사용하여 전자빔으로경화한 경우 DEC로 부터 DEPC로 변환되고, 이때 DEPC의 경화효율 및 특성이 가장 우수하였다. 따라서 THA 2 wt%가 함유된 DEC를 전자빔 경화에 의한 유리섬유/DEPC 복합재료를 제조하기 위한 매트릭스 프리커서로 이용하였다.일정한 두께와 크기의 복합재료를 제조하기 위하여 먼저유리직물을 가로 500 mm, 세로 500 mm 크기로 절단하고광개시제가 포함된 액상의 DEC를 유리직물에 균일하게 적셨다. 이때 유리직물과 DEC의 함량비는 최종 얻어지는 복합재료의 섬유/수지 중량비(7/3)를 고려하여 준비하였다.Figure 3에 묘사된 바와 같이, 총 6장의 유리직물/DEC를 가지런히 적층하였다. 이때 전자빔 경화과정 중 DEC가 손실되는 것을 방지하고 복합재료 표면을 균일하게 해주기 위해서 적층 ply의 맨 아래층과 위층에 각각 한 장씩의 폴리이미드 필름을 위치하였다. Figure 4에 묘사된 방식으로 전자빔조사에 의한 복합재료 경화공정을 상온, 상압에서 수행하였다.전자빔 경화공정은 ㈜이비테크(대한민국)의 전자가속기

(ELV-8 Type)를 이용하여 수행하였다. 전자가속 에너지(acceleration energy)는 2.5 MeV, 빔전류(beam current)는9.3 mA, 컨베이어의 이동속도는 10 m/min으로 초 당 전자

빔 흡수선량은 33.3 kGy/s였다. 복합재료의 경화를 위해 사용된 전자빔 흡수선량은 각각 400, 500, 600 kGy였다. 최종적으로 제조된 유리섬유/DEPC 복합재료의 크기는 가로500 mm, 세로 500 mm, 두께는 약 1.2−1.4 mm이었으며,최종적으로 얻어진 복합재료를 구성하고 있는 섬유와 매트릭스 함량비는 중량기준으로 7:3이었다.

2.4. 특성분석

전자빔 경화공정을 통해 제조된 유리섬유/DEPC 복합재료의 인장특성은 DIN 534-55에 의거하여 Shimadzu JP사의 만능시험기(Universal Test Machine, AG-50kNX, Japan)를 사용하여 측정하였다. 시편은 저속 다이아몬드톱(Metsaw-TA RB 205, R&B Inc., Korea)을 이용하여 150 mm×15 mm×1.2 mm 크기의 직육면체 bar 형태로 절단하였으며, 그립(grip)간의 거리는 120 mm, gage length는 100 mm, crossheadspeed는 5 mm/min, 그리고 load cell은 50 kN이었다. 각 복합재료 당 10개의 시편을 측정하여 평균값으로 부터 인장강도와 인장탄성률 그리고 파단신율을 구하였다.유리섬유/DEPC 복합재료의 동역학 특성과 유리전이온도를 조사하기 위해 동역학적 열분석기(dynamic mechanicalanalyzer: DMA Q800, TA Instruments, USA)를 사용하여액체질소 분위기 하의 -50−120 oC 범위에서 측정하였다.DMA 측정은 dual cantilever mode를 이용하였으며, 시편크기는 길이 60 mm, 너비 13 mm, 두께 1.2 mm였다. 진동수는 1 Hz, 진폭은 10 μm, 승온속도는 2 oC/min이었다.

Figure 3. Schematic of lamination of glass fabrics impregnated withDEC prior to electron beam curing process.

Figure 4. Schematic of electron beam processing for curing glassfiber/DEPC composites used in this study.


유리직물/DEPC 복합재료의 마모저항성을 조사하기 위해 마모시험기(Taber-type abrasion tester, Qmesys, QM600T,대한민국)를 사용하였다. 마모시험은 ISO 2231 규정에 의거하여, H-10 마모륜(abrasion wheel)을 사용하여 20 oC, 상대습도 50%의 조건에서 수행하였다. 시편 크기는 가로85 mm, 세로 85 mm, 두께 1.2 mm이었다. 마모시험 동안각 복합재료에 1000 gf의 하중을 지속적으로 가하였으며,회전속도 50 rpm에서 1000회까지 동일한 조건에서 측정하였다. 시험 중 100회가 경과될 때마다 일시적으로 마모륜의 회전을 멈추고 마모에 의한 시편의 중량변화를 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

Figure 5는 세 종류의 전자빔 흡수선량에서 경화된 유리섬유/DEPC 복합재료에 대한 인장시험을 통해 얻어진 stress-strain 곡선을 보여준다. 앞서 보고된 연구결과[3,4]에 의하면, 복합재료 제조 시 가해진 전자빔 흡수선량이 400 kGy에서 600 kGy로 증가함에 따라 유리섬유로 보강된 DEPC의경화도가 상승된다. 이때 전자빔에 의한 DEPC 경화로 견고한 3차원 망상구조가 형성되면서 고분자사슬 간 결합력이커져 DEPC 매트릭스는 외부로부터 가해지는 인장하중을유리섬유로 보다 효과적으로 전달할 수 있는 구조가 된다.전자빔 흡수선량이 증가함에 따라 S-S 곡선의 초기 기울기

가 크게 향상되는 경향을 보인다. 또한 초기 약 0.01의 변형이 발생한 후 전자빔 흡수선량에 따라 응력과 신율이 함께

향상되었다. 600 kGy의 전자빔 흡수선량에 노출된 복합재료에서 응력과 S-S 곡선의 기울기가 가장 높았으며, 신율은가장 낮았다. 결과로부터 600 kGy의 전자빔 경화 조건에서DEPC의 경화구조가 가장 잘 형성된 것으로 여겨진다.

Table 1은 복합재료의 인장특성 결과를 비교한 것이다. 전자빔 경화 복합재료의 인장탄성률과 인장강도는 전자빔 흡수선량이 증가함에 따라 점차적으로 증가하였다. 인장탄성률은 400 kGy에서 600 kGy로 전자빔 세기가 증가함에 따라 각각 7181 MPa에서 8290 MPa로 약 15% 증가하였고,인장강도는 290 MPa에서 321 MPa로 약 11% 증가하였다.인장탄성률과 인장강도의 증가는 전자빔 흡수선량이 증가함에 따라 경화된 DEPC 매트릭스 내 분자들의 3차원 가교구조가 더 잘 형성되어 외부에서 가해지는 인장하중을매트릭스가 주변의 유리섬유들에게 더 효과적으로 전달해주는 역할을 하였기 때문인 것으로 해석된다. 에폭시기를가지고 있는 수지가 전자빔에 의한 경화조건에 노출될 경우 분자사슬에 있는 에폭시 그룹간의 결합으로 3차원 망상구조가 이루어지기 때문에 더욱 높은 가교밀도를 가지는

Figure 5. Tensile stress-strain curves of glass fiber/DEPC compositescured by electron beam.

Table 1. Effect of electron beam absorption dose on the Tg and thestorage modulus of glass fiber/DEPC composites obtained at differenttemperatures

SpecimenTensile modulus

(MPa)Tensile strength

(MPa)Elongation at

break (%)400 kGy 7181 (±161) 290 (±9.06) 9.48 (±0.45)500 kGy 7744 (±133) 297 (±2.10) 8.65 (±0.21)600 kGy 8290 (±86) 321 (±3.77) 8.56 (±0.09)

Figure 6. (A) Storage modulus and (B) tan δ curves of glass fiber/DEPC composites cured by electron beam.


것으로 알려져 있다[30,31]. 파단신율은 전자빔 세기가 증가함에 따라 감소하였다. 플라스틱의 신율은 시편의 변형에 근본적인 원인을 제공해주는 분자의 움직임 또는 분자사슬의 유연성에 크게 의존한다. DEC에 가해진 전자빔 흡수선량이 높아지면서 경화된 DEPC 분자가 가교구조를 형성하면서 분자사슬의 움직임은 더욱 제한을 받고, 결과적으로 복합재료의 변형률은 감소한다.

Figure 6은 전자빔 경화에 의해 제조된 유리섬유/DEPC복합재료의 온도상승에 따른 저장탄성률과 tan δ 값의 변화를 보여주는 결과이다. Figure 6(A)는 복합재료 경화를 위해 가해진 전자빔 흡수선량이 증가함에 따라 복합재료의저장탄성률이 증가하였음을 보여준다. 이는 전자빔 흡수선량이 증가함에 따라 DEPC의 가교구조가 더욱 치밀하게 형성되고 유리섬유를 둘러싸고 있는 DEPC 분자들의 움직임을 제한하고 복합재료의 stiffness를 증가시켜 저장탄성률이증가된 것으로 해석된다. 이는 앞서 언급한 전자빔 세기에따른 인장탄성률의 향상과 일치하는 결과이다. Figure 6(B)에 보여 주는 바와 같이, 복합재료의 tan δ 피크 값은 전자빔 흡수선량이 증가함에 따라 감소하였다. 이는 전자빔 세기가 증가할수록 DEPC의 경화가 잘 이루어지고, 결과적으로 복합재료의 damping 성질도 저하된다는 것을 의미한다. 이는 복합재료를 구성하고 있는 유리섬유와 함께 높은전자빔 세기에서 경화된 DEPC의 보강효과에 의한 차이라고 해석될 수 있다. 또한, 전자빔 세기의 증가에 따라 tanδ 피크온도가 증가하였다. 이 피크온도는 유리섬유/DEPC복합재료의 유리전이온도를 가리킨다. 따라서 경화 시 사용된 전자빔 흡수선량의 증가는 유리전이온도의 상승을 초래한다고 할 수 있다.

Table 2는 전자빔 흡수선량에 따른 복합재료의 유리전이온도(Tg)와 –40 oC와 Tg 지점에서의 저장탄성률 값을 비교한 것이다. -40 oC에서 저장탄성률을 비교한 이유는 복합재료의 저장탄성률이 거의 최대값을 보이는 온도에서 전자빔세기의 영향을 알아보기 위함이다. 또한 Tg 지점에서 저장탄성률을 비교한 이유는 Tg 전과 후에서 저장탄성률의 변화가 가장 두드러지게 발생하며 이 지점에서의 거동이 전자빔 세기에 의존한다고 판단하였기 때문이다. 유리전이온도는 400 kGy에서 약 41 oC를 나타내었고, 600 kGy에서49 oC로 8 oC가 증가하였다. 저장탄성률은 온도상승에 따라

크게 감소하였다. 400 kGy에서 경화된 복합재료의 저장탄성률은 -40 oC에서 12219 MPa이며, 유리전이온도 지점에서3780 MPa을 나타내었다. 500 kGy에서 경화된 복합재료는-40 oC에서 12339 MPa의 저장탄성률을 가지며, 유리전이온도에서 4285 MPa로 감소하였다. 600 kGy의 경우에는 -40 oC에서 14041 MPa의 저장탄성률이 유리전이온도에서 4857 MPa로 크게 감소하였다. 따라서 인장특성과 DMA 결과로 부터 전자빔 세기의 적정 조건이 유리섬유/DEPC 복합재료의탄성률은 물론 강도 그리고 유리전이온도 향상에 기여하는것으로 밝혀졌다. 전자빔 흡수선량에 따른 DEC의 경화반응 메커니즘, 화학구조와 열적 특성의 변화는 앞서 자세히보고하였다[4,31,32].

Figure 7은 유리섬유/DEPC 복합재료에 대해 일정하게 주어진 하중 하에서 마모륜의 회전수 증가에 따른 복합재료시편의 무게변화를 통해 마모저항성을 측정한 결과이다. 경화된 복합재료의 내마모성은 복합재료를 구성하고 있는 보강섬유와 이를 둘러싸고 있는 매트릭스에 의존한다. 유리섬유/DEPC 복합재료의 표면은 유리섬유보다는 주로 경화된 DEPC로 이루어져 있다. 따라서 마모시험 시 섬유보다는 먼저 DEPC가 마모하중에 영향을 받고, 일부 표면에서마모가 진행된 후 유리섬유가 마모에 영향을 받을 것으로여겨진다. 이는 전자빔에 의한 DEPC의 경화상태가 복합재료의 마모저항성에 중요한 영향을 준다는 것을 의미한다.결과에서 보여주는 바와 같이, 50 rpm에서 마모시험 후잔여중량은 약 200회 이전의 초기 마모단계에서 잔여중량vs. 회전수 곡선의 기울기가 200회 이후와 비교할 때 상대적으로 크지 않았다. 이는 복합재료 표면에 존재하는 DEPC층에 의한 마모가 더 지배적으로 발생하였다고 판단된다.전자빔 세기가 더 높을수록 복합재료의 초기 마모단계에서중량감소가 적게 발생하였다. 그 이유는 전자빔 세기가 높

Table 2. Effect of electron beam absorption dose on the Tg and thestorage modulus of glass fiber/DEPC composites obtained in differenttemperatures

Specimen Tg (oC)

Storage modulus (MPa)at -40 oC at Tg

400 kGy 40.6 12219 3780500 kGy 42.6 12339 4285600 kGy 49.0 14041 4857

Figure 7. Variations in residual weight as function of abrasion wheelrevolution during abrasion test of glass fiber/DEPC compositescured by electron beam.


은 조건에서 경화된 복합재료 내 DEPC 매트릭스의 가교구조가 더욱 치밀해지고 stiff 해지면서 마모에 대한 저항성이 더욱 높아졌기 때문이다. 200회 이상의 revolution에서복합재료의 잔여중량은 마모륜의 회전수가 증가함에 따라거의 선형적으로 감소하였다. 전자빔 흡수선량이 상대적으로 낮은 400 kGy의 경우, 1000회 회전조건에서 마모시험후 복합재료에서 발생한 중량감소는 약 14.6%이었으며,500 kGy 경우에는 약 11.8% 그리고 600 kGy 경우에는 약9.6%로 점점 중량감소가 적게 발생하였다. 이 영역에서는표면의 DEPC 층이 마모로 인해 먼저 손실되고, 이어서 유리섬유들을 감싸고 있는 DEPC 매트릭스 뿐만 아니라 유리섬유의 마모에 의한 중량감소가 함께 일어난다. 유리섬유는 마모가 잘 일어나는 성질을 지니고 있으며, 경화된DEC에 비해 강성이 높기 때문에 마모환경에서 중량감소가빠르게 일어났다고 본다. 또한 유리섬유의 밀도도 DEPC에비해 높기 때문에 유리섬유의 마모로 인한 복합재료의 중량감소는 상대적으로 크게 나타난다. 약 200회 이상의 마모단계에서도 전자빔 경화에 의한 영향은 유사하게 나타났다. 본 결과는 복합재료의 내마모성은 유리섬유 사이사이에 함침된 DEPC의 경화 정도에 의존한다는 사실을 명확하게 보여주고 있다.

4. 결 론

유리섬유와 전자빔으로 경화된 DEPC 매트릭스로 구성된 복합재료의 인장탄성률, 인장강도 및 내마모성은 복합재료에 직접 가해진 전자빔 흡수선량이 증가함에 따라 증가하였고, 파단신율은 감소하였다. 유리섬유/DEPC 복합재료의 저장탄성률과 tan δ의 변화도 인장특성에 보여준 결과와 일치하게 경화에 사용된 전자빔 흡수선량에 의존하였다. 본 연구에서 전자빔 경화에 사용한 400−600 kGy 영역에서 전자빔 세기가 증가함에 따라 복합재료의 유리전이온도도 증가하였다. 전자빔 세기가 높은 조건에서 경화된 복합재료에서 기계적 특성과 내마모성이 우수하게 나타난 것은 DEPC 분자사슬간의 가교구조가 더욱 치밀하게 형성되고, 매트릭스가 더 stiff 해졌기 때문이다. 결론적으로 유리섬유/DEPC 복합재료의 물성은 유리섬유 사이사이에 함침된DEPC의 경화 정도에 크게 의존하였다.

감사의 글: 본 연구는 한국연구재단의 원자력연구기반확충사업(No. NRF-2012M2B2A4029555)의 지원을 받아 수행된 연구임.

References

1. C. S. Lee, S. W. Park, and S. I. Kwon, “An Experimental Study

on the Atomization and Combustion Characteristics ofBiodiesel-blended Fuels”, Energy & Fuels, 2005, 19, 2201−2208.

2. S. Y. Park, Y. H. Kim, and B. K. Song, “Polymer Synthesis byEnzyme Catalysis”, Polym. Sci. Technol., 2005, 16, 342−353.

3. J. Cheon, D. Cho, B. K. Song, J. Park, B. Kim, and B. C. Lee,“Thermogravimetric and Fourier-transform Infrared Analyseson the Cure Behavior of Polycardanol Containing EpoxyGroups Cured by Electron Beam”, J. Appl. Polym. Sci., 2015,132, 41599.

4. J. Cheon and D. Cho, “Effects of Electron Beam AbsorptionDose on the Glass Transition, Thermal Expansion, DynamicMechanical Property and Water Uptake of PolycardanolContaining Epoxy Groups Cured by Electron Beam”, J. Appl.Polym. Sci., 2015, 132, 42570

5. Q. Zhou, D. Cho, B. K. Song, and H. J. Kim, “Curing Behaviorof Polycardanol by MEKP and Cobalt Naphthenate UsingDifferential Scanning Calorimetry”, J. Therm. Anal. Calori.,2010, 99, 277−294.

6. C. Nah, J. H. Go, J. H. Byun, and B. S. Hwang, “Curing ofEpoxy Resin with Natural Cashew Nut Shell Liquids”, KoreanSoc. Compos. Mater., 2008, 21, 16−21.

7. V. Pansare and A. Kulkarni, “Azo Dyes from Cashew Nut ShellLiquid Derivatives”, J. Indian Chem. Soc., 1964, 41, 251–255.

8. S. H. Aziz and M. P. Ansell, “The Effect of Alkalization andFibre Alignment on the Mechanical and Thermal Propertiesof Kenaf and Hemp Bast Fibre Composites: Part 2–CashewNut Shell Liquid Matrix”, Compos. Sci. Technol., 2004, 64,1231−1238.

9. Y. H. Kim, K. Won, J. M. Kwon, H. S. Jeong, S. Y. Park, and E.S. An, “Synthesis of Polycardanol from A Renewable ResourceUsing a Fungal Peroxidase from Coprinus Cinereus”, J. Mol.Cataly B: Enzym., 2005, 34, 33−38.

10. K. Won, Y. H. Kim, E. S. An, Y. S. Lee, and B. K. Song,“Horseradish Peroxidase-catalyzed Polymerization of Cardanolin the Presence of Redox Mediators”, Biomacromolecules, 2004,5, 1−4.

11. A. Govindan, “Cashew Nut Shell Liquid (CNSL): A LargeResource Base for Chemical Industry”, Chem. Eng. World,1997, 32, 79−80.

12. M. Lubi and E. T. Thachil, “Cashew Nut Shell Liquid (CNSL)-A Versatile Monomer for Polymer Synthesis”, Des. Monom.Polym., 2000, 3, 123−153.

13. Q. Zhou, D. Cho, W. H. Park, B. K. Song, and H.-J. Kim, “FT-IR Studies on the Curing Behavior of Polycardanol fromNaturally Renewable Resources”, J. Appl. Polym. Sci., 2011,122, 2774−2778.

14. Q. Zhou, D. Cho, B. K. Song, and H.-J. Kim, “Novel Jute/Polycardanol Biocomposites: Effect of Fiber Surface Treatmenton Their Properties”, Compos. Interf., 2009, 16, 781−795.

15. D. A. Nishitsuji, G. Mariucci, M. C. Evora, and L. G. A. Silva,“Caticonic Concentration Effects on Electron Beam Cured ofCarbon-Epoxy Composites”, Radiat. Phys. Chem., 2010, 79,


306−309.16. S. Alessi, C. Dispenza, P. G. Fuochi, U. Corda, M. Lavalle, and

G. Spadaro, “E-beam Curing of Epoxy-based Blends in Orderto Produce High-Performance Composites”, Radiat. Phys.Chem., 2007, 76, 1308−1311.

17. G. Sui, Z. G. Zhang, C. Q. Chen, and W. H. Zhong, “Analyseson Curing Process of Electron Beam Radiation in EpoxyResins”, Mater. Chem. Phys., 2002, 78, 349−357.

18. M. Zenkiewicz, “Effect of Electron Beam Irradiation on SomeMechanical Properties of Polymer Films”, Radiat. Phys. Chem.,2004, 69, 373−378.

19. Y. J. Jang, “Studies on the Effect of Electron Beam Irradiationon the Properties of Poly(lactic acid), the Blends, and theBiocomposites”, Master Thesis, Kumoh National Institute ofTechnology, Gumi, Korea, 2012.

20. D. Cho, Y. J. Jang, and J.-H. Choi, “Thermal Properties ofPoly(lactic acid) Films Containing A Multi-functional MonomerCross-linked by Electron Beam Irradiation”, J. Biobased Mater.Bioener., 2014, 8, 130−136.

21. B. K. Kim, D. Cho, O. H. Kwon, W. H. Park, and J.-H. Lee,“Effects of Electron Beam Irradiation on the Gel Fraction,Thermal and Mechanical Properties of Poly(butylene succinate)Crosslinked by Multi-functional Monomer”, Mater. Design,2015, 87, 428−435.

22. S. J. Park, M. K. Seo, J. R. Lee, and D. R. Lee, “Studies on EpoxyResin Cured by Cationic Latent Thermal Catalysts: the Effectof the Catalysts on the Thermal, Rheological, and MechanicalProperties”, J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 2001, 39, 187−195.

23. J. V. Crivello, T. C. Walton, and R. Malik, ‘Fabrication of EpoxyMatrix Composites by Electron Beam Induced CationicPolymerization”, Chem. Mater., 1997, 9, 1273−1284.

24. D. A. Nishitsuji, G. Marinucci, M. C. Evora, and L. G. A. Silva,“Study of Electron Beam Curing Process Using Epoxy ResinSystem”, Nuclear Instru. Meth, Phys. Res. B, 2007, 265, 135−138.

25. J. V. Crivello, “Advanced Curing Technologies Using Photo-and Electron Beam Induced Cationic Polymerization”, Radiat.Phys. Chem., 2002, 64, 21−27.

26. C. E. Corcione, G. Malucelli, M. Frigione, and A. Maffezzoli,“UV-curable Epoxy Systems Containing HyperbrancedPolymers: Kinetics Investigation by Photo-DSC and Real-timeFT-IR Experiments”, Polym. Testing, 2009, 28, 157−164.

27. D. Cho, J. M. Seo, H. S. Lee, C. W. Cho, S. O. Han, and W. H.Park, “Property Improvement of Natural Fiber-reinforcedGreen Composites by Water Treatment”, Adv. Compos. Mater.,2007, 16, 299−314.

28. A. K. Mohanty, M. Misra, and G. Hinrichsen, “BiodegradablePolymers and Biocomposites: An Overview”, Macromol. Mater.Eng., 2000, 276, 1−24.

29. A. B. Strong, “Fundamentals of Composites ManufacturingMaterials, Methodsm, and Applications”, Second Ed., Societyof Manufacturing Engineers, Michigan, pp.27−31, 2008.

30. D. A. Nishisuji, G. Marinucci, M. C. Evora, and L. G. A. Silva,“Study of Electron Beam Curing Process Using Epoxy ResinSystem”, Nuclear Instru. Meth. Phys. Res. B, 2007, 265, 135−138.

31. L. Fengmei, B. Jianwen, C. Xiangbao, B. Huaying, and W.Huiliang, “Factors Influencing EB Curing of Epoxy Matrix”,Radiat. Phys. Chem., 2002, 63, 557−561.

32. T. Endo, F. Sanda, and T. Toneri, “Cationic Polymerization ofEpoxide by Fluorenylphosphonium Salts as Thermally LatentInitiators. Substituent Effect on the Initiator Activity”,Macromolecules, 2001, 34, 1518−1521.

tensile, dynamic mechanical, and abrasion properties of...

Documents