KR100840541B1

KR100840541B1 - 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물

Info

Publication number: KR100840541B1
Application number: KR1020020062083A
Authority: KR
Inventors: 장종대; 류현중
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2008-06-23
Also published as: KR20040033162A

Abstract

본 발명은 나노미터 크기의 보강재를 사용하여 우수한 기계적 특성을 가지는 고무바닥재 조성물에 관한 것으로, NBR 고무 100 중량부, 유기화된 몬모릴로나이트(Org-MMT) 1 ~ 20 중량부, 가황제 1 ~ 3 중량부, 가교촉진제 1 ~ 3 중량부, 산화방지제 1 ~ 2 중량부 및 가교활성화제 3 ~ 5 중량부로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물에 의하면 나노미터 크기의 보강제를 유기화 처리함으로써 기계적 강도가 우수하고 동적조건에서 히스테리시스와 내열특성이 우수한 효과가 있다.

인열시험, 만능시험기, 몬모릴로나이트, 히스테리시스

Description

나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물{Rubber floor material composition filled up a nano-ceramic}

도 1은 클레이 나노복합체의 형태와 종류를 나타낸 구성도이다.

도 2는 Org-MMT, Na-MMT, NBR/Org-MMT 복합체의 XRD 피크를 나타낸 그래프이다.

도 3은 각 시편에 대하여 만능시험기(UTM)로 인장시험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 각 시편에 대하여 만능시험기(UTM)로 인열시험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 각 시편에 대하여 만능시험기(UTM)로 히스테리시스 값을 측정한 그래프이다.

도 6은 NBR-MMT 분산 모폴로지를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 그림이다.

도 6a는 NBR-OrgMMT 분산 모폴로지를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 그림이다.

도 7은 각 시편에 대하여 가스투과정도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고무바닥재 조성물의 가스투과 경로를 나타낸 구성도이다.

본 발명은 고무바닥재 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노미터 크기의 보강재를 사용하여 우수한 기계적 특성을 가지는 고무바닥재 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 고무는 가교 구조를 통한 3차원의 망상구조를 형성하여 열경화성을 나타내기 때문에 열에 쉽게 변형되지 않고, 특유의 탄성으로 인하여 이를 바닥재에 적용시 충격흡수, 미끄럼 방지기능, 차음 및 흡음특성이 우수하다. 그러나, 고무조성물의 경우 그 자체로는 실제적인 적용이 불가능하기 때문에 충전재(filler)를 사용하여 기계적 물성을 향상시킨다.

종래에 주로 사용된 보강재인 카본블랙의 경우 기계적 강도와 마모, 마찰특성은 향상되나 제품에 착색이 불가능하고 공정환경 저하 등의 문제점이 있었다. 실리카를 보강재로 사용할 경우에는 분산이 어렵고 가교제 및 가교촉진제를 흡수하여 가교를 지연시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기계적 강도가 우수하고 동적조건에서 히스테리시스와 내열 특성이 우수하며 바닥하부에서 생성되는 유해가스나 습기가 차단되는 고무바닥재 조성물을 제 공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 NBR 고무 100 중량부, 두께 1 ~ 10 nm, 길이 10 ~ 100 nm의 유기화된 몬모릴로나이트(Org-MMT) 1 ~ 20 중량부, 가황제 1 ~ 3 중량부, 가교촉진제 1 ~ 3 중량부, 산화방지제 1 ~ 2 중량부 및 가교활성화제 3 ~ 5 중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물에 의하여 달성된다.

본 발명에서는 나노미터 수준의 판상구조를 가지는 점토광물의 일종인 몬모릴로나이트(Montmorillonite; MMT)를 충전재로 사용함으로써 고무바닥재의 기계적 강도 및 열적 특성을 향상시키고자 한다.

또한, 본 발명에서는 판상 구조를 가지는 구조적인 특성으로 인하여 바닥하부에서 생성되는 유해가스나 습기를 차단시키기 때문에 쾌적한 실내 환경을 만들 수 있다. 그리고 충전재 입자의 크기가 나노미터 수준이기 때문에 소량 사용으로도 보강효과를 얻을 수 있고 자연광물의 사용으로 인한 환경친화적인 장점도 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부한 도면들과 연관되어지는 이하의 발명의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물의 구성에 대하여 설명하기로 한다.

본 고무바닥재 조성물은 NBR 고무 100 중량부, 유기화된 몬모릴로나이트(Org-MMT) 1 ~ 20 중량부, 가황제 1 ~ 3 중량부, 가교촉진제 1 ~ 3 중량부, 산화방지제 1 ~ 2 중량부 및 가교활성화제 3 ~ 5 중량부로 구성된다.

보편적인 몬모릴로나이트(MMT)는 클레이 광물의 일종으로 SiO₄ 기본구조를 가지는 실리케이트 물질로, 두께는 수nm, 길이는 수십nm 정도의 판상형태를 취한다. 판상구조 사이에 이온교환능을 가지고 있으며 친수성의 특성 때문에 소수성 고분자 내에 분산이 어려워 보강재로 사용시 처리가 필요하다.

처리 방법으로는 판상 사이에 존재하는 이온교환능(Na⁺)을 유기화염(Organic Salt)으로 이온교환 반응을 시키면 판상 사이에 유기화 사슬이 매달려 층과 층 사이의 간격을 벌려주게 되고, 그 사이로 고분자 사슬이 침투하여 분산성이 향상된다.

나노복합체의 종류는 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 도 1은 클레이 나노복합체의 형태와 종류를 나타낸 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 충전재가 고분자 내에 분산이 안되고 뭉쳐 있는 상태(micro composite), 층과 층 사이에 단순히 삽입되어 있는 상태(intercalate) 및 가장 이상적인 경우로서 완전히 층과 층이 박리된 상태(expoliate)로 나눌 수 있다.

본 발명은 종래의 PVC 바닥재를 대체할 고무바닥재로서 기존의 바닥재 보강제를 대신하여 나노 수준의 무기보강제를 사용하여 기계적 물성향상과 더불어 뛰어난 열적 특성을 가지는 고기능성 고무조성물에 관한 것이다.

이하 상기와 같은 구성을 가지는 고무바닥재 조성물의 실시예에 관하여 설명 하기로 한다.

먼저, NBR 고무 100 중량부에 가황제 1 ~ 3 중량부, 가교촉진제 1 ~ 3 중량부, 산화방지제 1 ~ 2 중량부, 가교활성화제 3 ~ 5 중량부 및 충전제 1 ~ 20 중량부를 넣고 반바리 믹서에서 100℃, 60rpm(rotor speed), 10min(run time) 조건으로 혼합하였다. 상기 충전제로서는 실시예로서 Org-MMT를 사용하였고, 비교예로서 MMT, 실리카, 카본블랙 등을 각각 사용하여 비교하였으며, 실리카를 사용한 경우에는 촉진제와 가교제를 흡수하여 가교가 지연되기 때문에 이를 방지하기 위하여 가교지연방지제 1 ~ 3 중량부를 추가하였다. 상기 가교지연방지제로서는 디페닐 구아니딘(diphenyl guanidine)을 사용하였다. 표 1에서는 각 샘플의 배합비율을 나타내었다.

배합성분		실시예	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4
NBR		100	100	100	100	100
가황제		1 ~ 3	1 ~ 3	1 ~ 3	1 ~ 3	1 ~ 3
가교촉진제(NS)		1 ~ 3	1 ~ 3	1 ~ 3	1 ~ 3	1 ~ 3
가교활성화제(ZnO)		3 ~ 5	3 ~ 5	3 ~ 5	3 ~ 5	3 ~ 5
산화방지제(RD)		1 ~ 2	1 ~ 2	1 ~ 2	1 ~ 2	1 ~ 2
가교지연방지제(DPG)				1 ~ 3
충전제	Org-MMT	1 ~ 20
	MMT		1 ~ 20
	실리카			1 ~ 20
	카본블랙				1 ~ 20

* NS : N-t-butyl-2-benzothiazole sulfenamide

* DPG : diphenyl guanidine

상기와 같이 제조된 샘플은 이중롤 밀(two-roll mill)을 사용하여 50℃에서 8rpm으로 10분간 밀링하였으며 프레스를 사용하여 160℃에서 시트를 제작하였다. 사용되는 MMT의 분산성을 증가시키기 위해서 층간에 존재하는 양이온(Na⁺)과 유기화염(dimethyl distearyl ammonium bromide)을 이온교환 반응을 통하여 Organo-MMT를 제조하였으며 이온교환 반응식은 반응식 1에 나타난 바와 같다. 유기화염을 에탄올에 분산시킨 후 MMT를 증류수에 잘 분산시키고 70℃에서 같이 넣고 강하게 교반시켰다.

Na-MMT + Org-Br → Org-MMT + NaBr

처리된 Org-MMT의 경우 층간 간격은 엑스레이 회절분석기(XRD)를 사용하여 확인하였다. 배합 후 제조된 고무시트는 인장물성, 인열특성, 히스테리시스, 투과전자현미경(TEM), 가스투과실험(GTP) 등의 방법을 사용하여 분석하였다.

도 2는 Org-MMT, Na-MMT, NBR/Org-MMT 복합체의 XRD 피크를 나타낸 그래프이다. 유기화 처리된 MMT의 층간 간격을 측정하기 위하여 XRD를 사용하여, 측정각도 1 ~ 10도, 주사전압 40kV, 주사전류 40mA, 분당 2도의 속도로 측정하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, Na-MMT 분말의 경우 7.15도에서, Organo-MMT 분말의 경우 2.7도에서 피크가 관찰되었으며 층간 간격이 약 3배 정도 벌어졌음을 확인하였다. NBR/Org-MMT의 경우에는 피크가 2.3도 부근에서 나왔고 강도(Intensity)가 현저히 낮아졌다. 이는 Org-MMT의 층간이 NBR 내에서 약간 벌어졌음을 나타내며, Intensity의 감소는 일부 층간이 박리(Expoliated)되었음을 나타낸다.

도 3은 각 시편에 대하여 만능시험기(UTM)로 인장시험한 결과를 나타낸 그래 프이다. 본 시험에서는 순수한 몬모릴로나이트(Pure-MMT), Org-MMT, 카본블랙, 실리카를 각각 동일 함량으로 배합한 고무조성물 시트에 대하여 UTM(universal testing machine : 만능시험기)을 사용하여 인장시험하였다. 도 3에 나타난 바와 같이, Org-MMT의 경우가 다른 보강재에 비하여 가장 높은 인장 모듈러스(modulus), 강도(strength)를 나타내었다.

도 4는 각 시편에 대하여 만능시험기(UTM)로 인열시험한 결과를 나타낸 그래프이다. 본 시험에서는 순수한 몬모릴로나이트(Pure-MMT), Org-MMT, 카본블랙, 실리카를 각각 동일 함량으로 배합한 고무조성물 시트에 대하여 UTM(universal testing machine : 만능시험기)을 사용하여 인열시험(trouser test)하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, 카본블랙(CB)의 경우 가장 높은 인열강도를 나타내었다. 일반적으로 모듈러스(modulus)가 높은 경우 인열강도가 다소 떨어지는 경향을 나타내지만, Org-MMT의 경우에는 상당히 높은 인열강도 값이 나타남을 알 수 있다.

도 5는 각 시편에 대하여 만능시험기(UTM)로 히스테리시스 값을 측정한 그래프이다. 본 시험에서는 100% 신율까지 각 샘플을 인장한 후 응력을 제거하여 복원되는 히스테리시스 특성을 측정하였다. 본 시험에서도 각 시편에 대하여 UTM을 사용하여 히스테리시스 곡선을 측정하였다. 부분 히스테리시스(fractional hysteresis) 값은 Org-MMT의 경우가 다른 보강재에 비해 가장 높은 값을 나타내었다.

도 6과 도 6a는 NBR-MMT 및 NBR-OrgMMT의 분산 모폴로지를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 그림이다. 본 시험에서는 MMT와 Org-MMT의 분산성 을 확인하기 위하여 TEM을 사용하여 모폴로지를 확인하였다. 각 시편에 대하여 70nm 정도까지 마이크로터밍하여 TEM으로 관찰하였다. 도 6, 도 6a에 나타난 바와 같이, MMT의 경우 분산성이 떨어져 나노미터 수준까지 분산이 되지 못했으나, 유기화 처리된 MMT의 경우 전체적으로 고르게 분산되어 있음을 알 수 있다.

도 7은 각 시편에 대하여 가스투과정도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 본 시험에서는 동일함량에서 각 보강재간 가스투과성을 비교하기 위하여 제조된 고무샘플로 가스투과 테스트(gas permeability test; GPT)를 사용하여 가스투과계수를 특정하였다. 도 7에 나타난 바와 같이, Org-MMT의 경우 가장 낮은 투과계수를 나타내었음을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고무바닥재 조성물의 가스투과 경로를 나타낸 구성도이다. 도 8에 나타난 바와 같이, Org-MMT의 경우 가스투과계수가 낮은 것은 판상 형태의 나노입자가 고무 내에 고루 분산됨에 따라 가스투과경로가 길어지기 때문임을 알 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물에 의하면 나노미터 크기의 보강제를 유기화 처리함으로써 기계적 물성과 내열특성을 향상시켰다. 즉, 기계적 강도가 우수하고 동적조건에서 히스테리시스와 내열특성이 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 고무바닥재 조성물은 바닥 하부에서 생성되는 유해가스나 습기가 실내로 침투되지 못하도록 차단되는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 용도에 따라 다양한 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.

Claims

NBR 고무 100 중량부, 유기화된 몬모릴로나이트(Org-MMT) 1 ~ 20 중량부, 가황제 1 ~ 3 중량부, 가교촉진제 1 ~ 3 중량부, 산화방지제 1 ~ 2 중량부 및 가교활성화제 3 ~ 5 중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 Org-MMT는 양이온(Na-MMT)과 유기화염(Org-Br)의 이온교환반응을 통하여 제조되는 것을 특징으로 하는 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Org-MMT는 두께 1 ~ 10 nm, 길이 10 ~ 100 nm의 판상구조인 것을 특징으로 하는 나노세라믹을 이용한 고무바닥재 조성물.