야간 가시성능이 우수한 고무 배합물의 제조

정상준, 조규진, 한민현↕, 문일식*

순천대학교 공과대학 화학공학과, 금호타이어 *

Preparation of Rubber Compound with High Visible Efficiency at Night

Sangjoon Chung, Gyoujin Cho, MinHyeon Han↕, Il-Shik Moon*

Department of Chemical Engineering Sunchon National University, Sunchon,

Kumho Tire Co. Ltd., Kwangju↕,

서론

도로나 일반적인 공사장. 기타 여러 장소에서 도로 안내 및 통행 유도 또는 제한, 안전 사고 방지 등의 목적으로 주·야간에 사람의 눈에 잘 띄는 안전 시설물을 설치하고 있다. 기존 안전 시설물은 장기간 사용으로 형광부분의 탈색과 훼손으로 가시성능이 떨어지고, 외부 충격으로 파손이나 온도, 자외선 등에 의한 노화로 그 본래의 기능을 상실하게 된다.

이러한 안전 시설물의 단점을 보완, 대체하기 위하여 탄력성, 충격 완화 특성과 가공의 용이성으로 일상생활에 있어 널리 사용되고 있는 고무를 이용하여 효율성과 경제성을 가진 기능성 소재를 개발하려는 연구로 그 가능성을 확인한 바 있었으나[1,2], 이 연구의 결과 고무의 기계적 물성이 낮고 가시성능이 저조할 뿐만 아니라 실용화하는 데는 문제가 있다. 한편 열경화성 고무에 비하여 가공성이 좋아 플라스틱과 동일하게 성형 가공이 가능하여 다양한 물성을 얻을 수 있고 내구성이 뛰어나며, 성형이 된 다음 열에 의해 용융되어질 수 있어 재활용 면에서 이점이 있는 열가소성 고무(thermoplastic rubber)[3]를 이용한 다양한 용도로의 연구가 활발히 이루어지고 있다.

본 연구자들은 이미 옥외에서 야간에 가시성능을 갖는 고무 배합물을 얻기 위해서 비교적 외부 환경에 안정하고, 화학적으로 개질이 용이할 뿐 아니라 내노화성, 내오존성 등이 뛰어나며 경제성도 우수한 EPDM (ethylene propylene diene terpolymer)[4,5]을 주원료로 하고 형광물질을 배합하여 배합물이 가지는 가시성능 및 물성에 대한 연구 결과를 발표한 바 있다[6]. 그 결과 일반적인 물성의 큰 변화 없이 야간에 사용 가능한 고무 배합물은 얻었지만 그 고무 배합물들이 갖는 가시성능이 미비하였다.

따라서 본 연구에서는 노화 전후에 따른 물성 변화가 거의 없으며 가시성능이 향상된 고무 배합믈을 제조하고자 이전의 연구 결과를 바탕으로 하여 형광 안료 및 기능성 소재를 적절히 배합하여 열악한 환경이나 충격에서 내구성과 가시성능이 우수한 고기능성 고무 소재를 제조하였다. 제조된 기능성 고무의 물성을 평가하기 위하여 인장 강도와 신장율, 내노화성, 야간에서의 가시거리 등을 조사하였다.

실험

재료

본 연구에서 사용한 원료 고무인 EPDM은 (주)금호polychem의 KEP350을 사용하였고, SEBS (styrene ethylene butylene styrene triblock copolymer)는 Shell사의 제품으로 grade-1652를 사용하였으며, 안료는 무한칼라랜트의 무기계 형광안료인 RPO Yellow FP-3000과 축광안료인 PANAX Green FB를, 우신켐텍(주)의 유기계 형광안료인 Sumiplast Yellow FL7G를 사용하였다. 그리고 glass bead는 정북산업의 도로 도색용을 250∼850□ 크기로 정제하여 사용하였다.

EPDM을 사용한 배합물의 제조

EPDM 배합물의 조성비는 EPDM 100에 대하여 형광안료를 각각 10, 30으로 축광안료를 50으로 조절하였으며, glass bead의 함량이 배합물에 대하여 1.5wt%가 되도록 하고 첨가 시기를 달리 하여 배합하였다. 일차 master batch는 Kneader(model D3-75)을 이용하여 EPDM을 먼저 투입하여 가소성을 갖도록 한 다음 첨가제 및 형광안료, glass bead를 투입하였다. final 배합은 two-roll mill에서 master batch를 mill상에 열입시킨 후 가교제와 축진제를 10분간 분산이 고르게 되도록 혼합하였다. 이 때 front roll과 rear roll의 회전 비는 1:1.2로, 온도는 50±5℃로 균일하게 유지시켰다.

혼합된 EPDM 배합물의 물성 시험을 위해 각 조성의 가황 곡선으로부터 얻어진 최적 가황 시간 동안 전기 가열식 유압프레스를 사용하여 160℃, 130kg/□으로 눌러 7분 동안 가황시켜 두께 2mm 정도의 sheet 형태로 시편을 제조하였다.

SEBS를 사용한 배합물의 제조

스티렌계 열가소성 고무인 SEBS에 첨가 안료의 양과 종류를 일정한 비율로 하여 Kansai roll을 이용하여 150℃에서 약 10분 동안 혼합하였다. 배합물의 물성 측정을 위한 시편은 유압 프레스를 이용하여, 약 5분 동안 2kg/□로 예열한 후, 900kg/□, 109℃로 10분간 압축 성형시켜 제조하였다.

가시거리 측정

가시거리는 월광이 없는 밤에 크기 15×15cm의 시편을 일정한 거리에 두고 자동차 전조등을 비추어 육안으로 확인이 되는 상대거리를 10회 측정하였다. 또한 274nm의 파장세기를 가지는 UV조사기(Raynet, RPO-208)을 이용하여 46℃에서 168시간 동안 자외선에 노출시킨 다음 가시거리를 다시 측정하였다.

물성 측정

인장강도 및 신장율은 인장시험기(Instron사, Model 6021)에서 cross-head spead를  500mm/min으로 하여 ASTM D419에 따라 측정하였고, 경도는 Shore A 경도시험기를 이용하여 ASTM D2240 방법으로 측정하였다. 또 노화에 의한 물성 변화를 알아보기 위해 시편을 105℃로 24시간 동안 오븐에 방치하여 노화시험을 거친 후 물성을 측정하였다.

결과 및 고찰

EPDM과 SEBS 배합물의 가시거리

Fig. 1은 EPDM과 SEBS 배합물들의 자외선 조사 전의 가시거리를 나타낸 것이다. SEBS 배합물의 가시거리에 비해 EPDM 배합물의 가시거리가 뛰어나다는 것을 알 수 있다. SEBS 배합물은 EPDM 배합물과 달리 다른 첨가제의 혼합없이 형광안료만을 첨가하여 형광색을 띠게 하여, 야간에 빛을 비추었을 때 빛이 투과하여 반사되는 빛의 감소에 의해 가시거리가 떨어진 것으로 판단된다. 또한 EPDM 배합물의 경우 glass bead의 첨가시기에 따라 가시거리에 차이가 보였다. 여기서 형광안료 양을 30으로 하고 glass bead를 최적 가황 시간의 80%에 배합물 표면에 분산시켜 재 가황시킨 S-4의 가시거리가 최대에 이르는데, 이는 형광안료 양이 증가하고 고무 표면에 돌출되어 존재하는 glass bead의 양이 가장 많아 빛 반사력이 증가되었기 때문으로 사려된다.

자외선 조사 후 EPDM 배합물들은 표면의 색상이 노랗게 되는 황변 현상이 발생했으나 glass bead는 아무런 영향을 받지 않아 탈색된 시편의 색과 대비되어 가시거리는 오히려 소폭의 증가를 보였다.

EPDM과 SEBS 배합물의 기계적 물성

EPDM과 SEBS 배합물의 물성 특성을 알아보기 위하여 노화 전후의 각 시편에 대한 응력-변형 실험 결과를 Fig. 3에 나타내었다. EPDM과 SEBS 배합물의 응력-변형 거동은 200% 변형까지 비슷한 값을 보이지만 이상에서는 SEBS의 값이 EPDM보다 훨씬 큰 값을 나타내고 있다. 그러나 노화 전후에 대한 변화 폭은 SEBS의 경우 50%이상을 나타내지만 EPDM은 인장 특성은 낮지만 노화에 의한 변화는 거의 보이지 않고 있다. 이는 EPDM 배합물의 경우 각종 첨가제 및 노화 방지제 역할을 하는 파라핀계 왁스의 사용으로 배합물 표면에 막을 형성하여 외부 노화 인자로부터 고무의 노화 진행을 막아 주는 반면, SEBS 배합물은 이러한 첨가제의 사용이 전혀 없어 고무 표면의 직접적인 노화가 이뤄진 것으로 판단된다. 각 배합물에 대한 물성을 Table 1에 종합하였다. EPDM 배합물의 값은 SEBS 배합물에 비해 상대적으로 적으나 그 값의 변화가 매우 적으며 외관상태도 거의 변화가 없는 것으로 미루어 내노화성에는 큰 문제가 없는 것으로 보인 반면, SEBS의 기계적 물성은 EPDM보다 월등히 뛰어나지만 노화 전후의 심한 변화를 보이고 있다.

결론

빛이 없는 야간에서 가시성능을 갖도록 EPDM과 SEBS를 사용한 여러 조성의 배합물을 제조하여 그 특성을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. EPDM 배합물에서 무기계 형광안료와 glass bead의 첨가량을 증가시킬수록 가시거리는 증가하였고, glass bead를 사용하지 않거나 glass bead가 고무 속으로 충전되어 버린 경우보다 약 80%의 가황이 이루어진 후 배합물 표면에 glass bead를 분산시킨 배합물에서 최대 가시거리를 얻었다.

2. 자외선 노출에 의한 EPDM 배합물의 가시거리 변화는 거의 없었다.

3. SEBS 배합물의 가시거리는 EPDM 배합물에 비해 상당히 떨어졌고, 기계적 물성은 EPDM 배합물보다 우수하였지만 노화에 의한 물성 변화가 오히려 컸다.

감사

본 연구는 중소기업청 지정 순천대학교 산·학·연 공동기술개발센터의 2000년도 지원에 의해 연구되었으며 이에 감사 드립니다.

참고문헌

1. E K. Easterbrook and R. D. Allen, "Ethylene-Propylene Rubber", in "Rubber Technology", ed. M. Morton, 375, Van Nostrand Reinhold Co., New York (1987).

2. 김수근, □형광고무조성물 및 이를 이용한 안전설비□, 특허출원, 96-27711.

3. M. Studebaker, "Reinforcement of Elastomers", ed. G. Kraus, 342, Interscience Publishers, New York (1965).

4. Kumho Poly Chem. Co. Ltd., "EPM/EPDM Technical Information" (1997).

5. J. A. Brydson, "Rubber Materials and Their Compounds", Ch. 8. Elseveier Applied Science, London and New York (1988).

6. 문일식, 김경진, □야간에 가시성능을 갖는 안전시설물용 고무조성물□, 특허출원, 01-04132.

Fig. 1. Visible range of EPDM and SEBS    Fig. 2. Visible range of EPDM compounds

compounds before ultraviolet radiation.        after ultraviolet radiation.

(a) Before oven aging                       (b) After oven aging

Figure 3. Stress-strain behaviors of EPDM and SEBS compounds.

Table 1. Physical properties of EPDM and SEBS compounds before and after oven aging

Item (fresh/aged)	S-1	S-3	S-6	S-7	S-8
Hardness (shore-A)	57/59	57/58	80/79	79/79	80/79
Tensile Strength (kg/□)	45/47	33/31	279/127	362/275	351/185
Elongation at break (%)	253/206	216/175	501/488	493/575	491/557
M50 (kg/□) (at 50% elongation)	13/14	11/13	27/28	23/23	25/28
M100 (kg/□)	21/26	18/20	32/32	26/25	28/29
M200 (kg/□)	38/47	32/35	47/44	36/32	39/37
M300 (kg/□)	-/-	-/-	-/-	62/49	67/54