KR101144112B1 - 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 소재의 내충격 물성 예측 방법 - Google Patents

아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 소재의 내충격 물성 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 물성, 광택도, 착색성을 가지며, 자동차, 전기전자, 및 일반 잡화에 이르기까지 광범위하게 이용되는 ABS 소재의 내충격 물성을 예측하는 모델식에 관한 것으로 정확도와 재현성이 높다. 이 같은 예측 기술을 활용하여 특히 자동차 부품의 재료규격 준수확인, 품질문제 대응, 불량예방 및 벤치마킹에 활용할 수 있다.

Description

아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 소재의 내충격 물성 예측 방법 {Prediction Method of Acrylonitrile Butadiene Styrene Materials for Impact Resistance}
본 발명은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS) 소재의 내충격 물성을 예측하는 분석 방법에 관한 것이다.
ABS 소재는 스티렌 아크릴로니트릴 중합체(Styrene Acrylonitrile Copolymer, SAN)와 고무상(일반적으로 SAN-grafted-butadiene)으로 구성되며, 함유되어 있는 고무상에 따라 물성이 좌우된다. 이러한 ABS는 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112010046819801-pat00001
일반적으로 고무함량이 많을수록 충격을 흡수할 수 있는 성질이 증가하며, 고무상과 매트릭스 SAN과의 계면장력 값에 따라서도 내충격 물성이 좌우된다. 실제로는 부품별로 요구되는 특성과 물성에 따라 함유 고무량 및 점도를 적절하게 조절하게 된다. 하지만, 파손 등의 품질문제 발생 시, 부품상태에서는 시편제조가 불가하여 내충격 물성 정도를 예측할 수 있는 방법이 없으며 실질적인 내충격 모델식 개발이 산업계에서는 꾸준히 요구가 되어왔다.
이에 본 발명자는 ABS 소재의 내충격 물성이 고무상의 함량, 표면장력 및 점도와 밀접한 관련을 가지고 있음을 발견하여, 본 발명을 완성하게 되었다. 즉 본 발명은 이러한 ABS 소재의 분석을 통해 내충격 물성을 예측할 수 있는 간단하고 높은 신뢰도를 갖는 시험방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 열심히 연구한 결과, ABS 소재의 점도, 표면장력 및 고무상 크기가 내충격 물성과 연관되어 있음을 실험적으로 확인하여 ABS 소재의 점도, 표면장력 및 고무상 크기를 측정하여 그 측정값 측정부터 내충격 물성을 예측하는 방법을 개발하게 되었다.
더욱 구체적으로 본 발명은 표준 ABS 시편의 내충격 물성, 점도, 계면장력 및 고무상 크기를 측정하여 내충격 물성과 점도, 계면장력 및 고무상 크기와의 상관관계를 파악하는 단계; 예측대상이 되는 ABS 소재의 점도, 계면장력 및 고무상 크기를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 점도, 계면장력 및 고무상의 크기를 표준 ABS 시편에서 찾아낸 상관관계에 대입하여 내충격 물성을 예측하는 단계를 포함하는 ABS 소재의 내충격 물성 예측 방법에 관한 것이다.
ABS 소재에서 고무 상인 부타디엔의 함량이 증가할수록 내충격성은 향상되지만, 고무함량이 과다 시 반전(reversion)이 발생하여 오히려 물성이 저하된다. 또한, 고무상과 매트릭스 간의 상용성의 척도인 계면장력 값이 작을수록 더욱 친화력이 생기는 것으로 판단할 수 있으며, 이러한 계면장력 값은 두 상의 분리가 어려울 경우 표면장력 값으로 간접적으로 대변할 수 있다. 계면장력 값은 상용성을 결정하는 아주 중요한 인자이며, 간접적인 표면장력 측정에서도 고무 함량에 따라 표면 특성이 달라질 것으로 예상된다. 이러한 인자들의 전체 거동은 점도값으로 나타나는데, 점도 중 용융 점도(melt viscosity)값으로 측정되며, melt viscosity는 탄성율(storage modulus, G')과 점성율(loss modulus, G")의 합의 형태인
Figure 112010046819801-pat00002
로 산출이 가능하다. 즉, 점도값은 탄성정도인 내충격성을 대변하는 값으로 표현할 수 있다.
본 발명은 우수한 물성, 광택도, 착색성을 가지며, 자동차, 전기전자, 및 일반 잡화에 이르기까지 광범위하게 이용되는 ABS 소재의 내충격성을 예측하는 모델식에 관한 것으로 정확도와 재현성이 높다. 이 같은 예측 기술을 활용하여 특히 자동차 부품의 재료규격 준수확인, 품질문제 대응, 불량예방 및 벤치마킹에 활용할 수 있다.
도 1은 실시예에서 측정한 표준 ABS 시편의 내충격 물성과 점도의 상관관계 그래프이다.
도 2는 실시예에서 측정한 표준 ABS 시편의 내충격 물성과 고무상 크기의 상관관계 그래프이다.
도 3은 실시예에서 측정한 표준 ABS 시편의 내충격 물성과 표면장력과의 상관관계 그래프이다.
이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.
본 발명은 표준 ABS 시편의 내충격 물성, 점도, 계면장력 및 고무상 크기를 측정하여 내충격 물성과 점도, 계면장력 및 고무상 크기와의 상관관계를 파악하는 단계; 예측대상이 되는 ABS 소재의 점도, 계면장력 및 고무상 크기를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 점도, 계면장력 및 고무상의 크기를 표준 ABS 시편에서 찾아낸 상관관계에 대입하여 내충격 물성을 예측하는 단계를 포함하는 ABS 소재의 내충격 물성 예측 방법에 관한 것이다.
ABS 소재에서 고무상인 부타디엔의 함량이 증가할수록 내충격성은 향상되지만, 고무함량이 과다 시 반전(reversion)이 발생하여 오히려 물성이 저하된다. 또한, 고무상과 매트릭스 간의 상용성의 척도인 계면장력 값이 작을수록 더욱 친화력이 생기는 것으로 판단할 수 있으며, 이러한 계면장력 값은 두 상의 분리가 어려울 경우 표면장력 값으로 간접적으로 대변할 수 있다. 계면장력 값은 상용성을 결정하는 아주 중요한 인자이며, 간접적인 표면장력 측정에서도 고무 함량에 따라 표면 특성이 달라질 것으로 예상된다. 이러한 인자들의 전체 거동은 점도 값으로 나타나는데, 점도 중 용융 점도(melt viscosity)값으로 측정되며, melt viscosity는 탄성율(storage modulus, G')과 점성율(loss modulus, G")의 합의 형태인
Figure 112010046819801-pat00003
로 산출이 가능하다. 즉, 점도값은 탄성정도인 내충격성을 대변하는 값으로 표현할 수 있다.
본 발명에서 ABS 내에 분산되어 있는 고무상의 크기를 구하는 방법은 특별히 한정되지 아니하나, TEM(투과전자현미경)을 이용하는 방법으로 고무상의 크기를 측정할 수 있다. TEM을 이용 시는 고무상인 butadiene을 OsO4를 이용하여 함유하고 있는 이중결합과 결합을 시키는 염색(staining)과정을 거쳐, TEM으로 측정하여, 함유량에 따른 고무상의 크기를 측정한다. 이때, 측정된 고무상은 검은색으로 나타나게 되며, 염색이 안 되는 매트릭스는 투명한 부분으로 나타나게 되어, 이미지분석 프로그램을 통하여, 고무상의 평균크기를 측정할 수 있다.
표면장력을 구하는 방법 역시 특별히 한정되지 아니하나, 접촉각 측정기를 통하여, 두 가지 용매를 이용하여 측정할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 극성인 물과 비극성인 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol)의 용매를 이용하여 측정 후 조화 평균식(Harmonic Mean Equation)을 사용하여 표면장력을 산출할 수 있다. 이때 대상 표면의 거칠기(roughness)가 일정하도록 필름형태로 제작하여 측정하는 것이 정확한 결과를 산출할 수 있어 바람직하다. 두 상의 분리가 가능할 경우는 각 상의 표면장력 값으로부터 계면장력을 계산하는 것도 가능하다.
또한, 용융점도를 구하는 방법 역시 특별히 한정되지 아니하나, 회전형 유변물성 측정기를 사용하여, 프리퀀시 스윕(Frequency Sweep) 시험을 측정함으로써 구할 수 있다.
본 발명에서 구체적으로는 상기 ABS 재료의 내충격 물성 예측 이전에 표준으로 정해진 ABS 소재에 대해서 내충격 물성, 점도, 표면장력 및 고무상 크기 값을 측정하고 이를 기준으로 예측 대상이 되는 ABS 재료의 점도, 표면 장력 및 고무상 크기 값을 측정하여 비교함으로써, 내충격 물성을 예측할 수 있다.
또한 본 발명에서, ABS 재료의 점도, 표면 장력 및 고무상 크기 값을 측정하여 하기 수학식 1에 대입함으로써 내충격 물성을 예측할 수 있다.
Figure 112010046819801-pat00004
상기 수학식 1에서 η는 점도, d는 고무상 크기, γ는 표면장력으로 모든 ABS소재 Grade에 확대적용이 가능하다. 상기 수학식 1을 이용할 시 점도, 고무상 크기, 표면장력의 분석결과를 통해, 물성예측이 가능하여 신소재 개발이나 벤치마킹 시에 널리 이용될 수 있다.
본 발명에서 상기 내충격 물성 예측 방법은 ABS 재료 중 부타디엔의 함량이 20 ~ 40 중량%인 것이 신뢰도가 높기 때문에 바람직하다.
이하, 실시 예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
실시예 : 고무함량이 20, 30, 40 중량% 인 시편 3종에 대한 기계적 물성측정
내충격 특성을 좌우하는 가장 큰 요소인 고무(butadiene)함량을 100중량% 기준으로 20%, 30%, 40%를 이축압출기를 이용하여 배합하였다. 배합된 펠렛을 핫 프레스 (Hot Press)를 이용하여, ASTM 물성평가 규격에 따른 시편을 제조하였다. 제조된 시편은 Izod impact tester를 이용하여 평가하였다. 또한, 제작한 시편을 TEM(투과형 전자현미경)을 이용하여 고무상의 크기를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
물성평가와 고무상의 크기 측정 후 표면장력을 측정하였다. 물과 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 두 가지 용매를 이용한 조화 평균식 (Harmonic mean equation)을 사용하여, 표면장력을 측정하였다. 시편은 핫 프레스(Hot Press)를 통한 얇은 필름으로 제작하여, 접촉각을 측정하며, 그 결과를 일반적인 조화평균식에 대입하여 표면장력을 계산하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
고분자의 점도를 측정하기 위하여, 회전형 유변물성 분석기(Rotational Rheometer)를 이용하여 측정하였다. 온도는 약 200℃에서 측정하였으며, 주파수 범위는 약 100 rad/s의 조건에서 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Izod 충격강도
(Kgf*cm/cm)		 점도
(Pa*s)		 표면장력 고무상 크기 (nm)
ABS-20 35.9 58.2 31.5 58.2
ABS-30 88.6 70.3 30.7 70.3
ABS-40 202.2 88.1 30.1 88.1
상기 표 1에서도 나타나듯이, 충격강도는 점도와 고무상의 크기, 그리고 표면장력의 값과 연관이 있음을 확인하였다. 상관관계식에 근거하여, 물성예측 모델식을 개발하기 위한, 각각의 관계식을 log-log plot을 구하였으며, 이는 도 1 ~ 3에 나타내었다. 즉, 점도가 증가할수록, 고무상의 크기가 커질수록 그리고 표면장력 감소할수록 충격강도는 증가하는 경향을 보였다. 이러한 관계식은 하기 수학식 1과 같이 산출된다.
[수학식 1]
Figure 112010046819801-pat00005
단, 상기 수학식 1에서 η는 점도, d는 고무상 크기, γ는 표면장력이다. 상기 상관관계는 모든 ABS소재 Grade에 확대적용이 가능하다. 상기 수학식 1을 이용할 시 점도, 고무상 크기, 표면장력의 분석결과를 통해, 물성예측이 가능하여 신소재개발이나 벤치마킹 시에 널리 이용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 표준 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS) 시편의 내충격 물성, 점도, 계면장력 및 고무상 크기를 측정하여 내충격 물성과 점도, 계면장력 및 고무상 크기와의 상관관계를 파악하는 단계;
    예측대상이 되는 ABS 소재의 점도, 계면장력 및 고무상 크기를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 점도, 계면장력 및 고무상의 크기를 표준 ABS 시편에서 찾아낸 상관관계에 대입하여 내충격 물성을 예측하는 단계
    를 포함하는 ABS 소재의 내충격 물성 예측 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 계면장력은 표면장력인 것을 특징으로 하는 ABS 소재의 내충격 물성 예측 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 점도는 용융 점도(melt viscosity)인 것을 특징으로 하는 ABS 소재의 내충격 물성 예측 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 상관관계는 하기 수학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 ABS 소재의 내충격 물성 예측 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112010046819801-pat00006


    상기 수학식 1에서, η는 점도, d는 고무상 크기, γ는 표면장력이다.
  5. 제1항에 있어서, 상기 ABS 소재는 부타디엔 함량이 20 ~ 40 중량%인 것을 특징으로 하는 ABS 소재의 내충격 물성 예측 방법.
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