폴리프로필렌/셀룰로오스 복합재료의 제조 및 물성 :Preparation and physical properties of polypropylene/cellulose composites

장송이

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장송이 (충북대학교, 충북대학교 대학원)

지도교수: 김대수

발행연도: 2015

저작권: 충북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

폴리프로필렌/셀룰로오스 복합재료의 제조 및 물성

장송이 環境都市化工學部 2015.01 학위논문

폴리프로필렌/셀룰로오스 복합재의 제조 및 물성

장송이 , 김대수 폴리머 2015.01 학술저널

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셀룰로오스는 그린 고분자 복합체의 보강재로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 셀룰로오스의 친수성 때문에 소수성을 가진 매트릭스에서 계면 결합력과 분산이 약하다. 그래서 본 연구에서는 폴리프로필렌 매트릭스 에서 셀룰로오스 파우더를 잘 분산시키고 계면 결합력을 향상시키기 위해 두 가지 방법을 적용하였다.
첫 번째 방법은 상용화제인 말레산 무수물로 개질된 폴리프로필렌 (MAPP)를 첨가하는 것이다. MAPP를 첨가한 폴리프로필렌/셀룰로오스 복합체는 용융혼합 및 압축성향에 의해 제조하였다. 폴리프로필렌/셀룰로오스 복합체의 기계적 특성을 알아보기 위해 만능재료시험기와 아이조드 충격시험기를 사용하였고 열적 특성을 조사하기 위해 TGA와 DSC를 사용하였다. 전자현미경(SEM)을 이용하여 복합체의 파단면을 관찰한 결과 MAPP가 폴리프로필렌/셀룰로오스의 계면결합을 향상시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 인장강도와 인장탄성률은 셀룰로오스 함량 대비 MAPP의 함량이 3 wt.% 일 때 최고치를 나타냈다. 셀룰로오스의 함량이 증가할수록 복합재의 충격강도는 감소하는 반면 인장강도와 인장탄성률은 증가하였다. 게다가 수분흡수성과 두께팽창률 역시 증가하였다.
두번째 방법은 콩기름을 이용하여 셀룰로오스 파우더 표면을 소수화시키는 것이다. 콩기름/에탄올 용액에 셀룰로오스 파우더를 섞은 뒤 용액을 일부 말리고 나서 110 ℃ 오븐에서 반응을 시킨다. FTIR과 습윤성 테스트를 통해 셀룰로오스 파우더의 소수성을 확인하였다. 셀룰로오스와 소수화 처리한 셀룰로오스의 흡습성을 TGA로 측정하였다. 셀룰로오스에 붙은 콩기름의 함량이 증가할수록 셀룰로오스 파우더와 소수화 된 셀룰로오스의 흡습성이 감소하였다. 폴리프로필렌/소수화 된 셀룰로오스의 기계적 특성은 만능재료시험기와 아이조드 충격시험기로 측정하였다. 셀룰로오스에 붙은 콩기름의 함량이 증가할수록 충격강도와 파단신율은 증가하였다. 셀룰로오스에 29.6 wt.%의 콩기름 함량이 붙었을 때 폴리프로필렌/소수화 된 셀룰로오스 복합체의 인장 강도와 인장 탄성률이 최고치를 나타내었다. 게다가 폴리프로필렌/소수화 된 셀룰로오스 복합체의 파단면이 폴리프로필렌/셀룰로오스 복합체의 파단면보다 더 깨끗한 것을 전자현미경(SEM)으로 확인하였다.

Cellulose has attracted lots of interests as potential reinforcements in green polymer composites. However, due to hydrophilicity of cellulose, interfacial bonding and dispersibility of cellulose in a hydrophobic polymer matrix is poor. Therefore, in this study, two methods were applied respectively to improve interfacial bonding and dispersibility of cellulose powder in a polypropylene (PP) matrix.
The first method was adding a compatibilizer, maleic anhydride-grafted polypropylene (MAPP). PP/cellulose composites with MAPP were prepared by melt-blending followed by compression molding. Mechanical properties of the PP/cellulose composites were investigated by UTM and izod impact tester. Thermal properties of the PP/cellulose composites were investigated by TGA and DSC. SEM images for the fracture surfaces of the composites showed that the MAPP was effective in improving PP/cellulose interfacial bonding. Tensile strength and modulus of the composite were maxima when MAPP content, based on cellulose content, was 3 wt.%. With increasing cellulose content, impact strength of the composites decreased but tensile strength and modulus increased. Furthermore, the water absorption and thickness swelling of the composites increased.
The second method was modification of cellulose powder by using soybean oil for surface hydrophobization. After dispersing cellulose powder in a soybean oil/ethanol solution, the solution was partly dried and then reacted in an oven at over 110 ℃. FTIR spectroscopy and wettability test were used to confirm the hydrophobization of cellulose powder. Hygroscopicity of original and hydrophobized cellulose (H-cellulose) powder was measured by TGA. With increasing attached soybean oil content in H-cellulose, hygroscopicity of H-cellulose decreased. Mechanical properties of PP/H-cellulose composites were investigated by UTM and izod impact tester. Impact strength and elongation at break of the PP/H-cellulose composite increased with increasing attached soybean oil content in H-cellulose. The PP/H-cellulose (80/20) composite with H-cellulose of 29.6 wt.% soybean oil composition showed a maximum tensile strength and modulus. It was confirmed by SEM image analysis of the fracture surfaces that the PP/H-cellulose composite had stronger interfacial bonding between the PP matrix and cellulose powder compared to the PP/cellulose composite.

#polypropylene #cellulose #composite #coupling agent #hydrophobization

I. INTRODUCTION 1
1.1. PP/cellulose composite 1
1.2. Hydrophobized cellulose powder 3
1.3. Objectives 7
II. EXPERIMENTAL 8
2.1. Materials 8
2.1.1. Polypropylene(PP) 8
2.1.2. Cellulose powder 8
2.1.3. Coupling agent 9
2.1.4. Lubricant 9
2.1.5. Soybean oil 9
2.1.6. Others 10
2.2. Preparation of PP/cellulose composites 12
2.3. Hydrophobization of cellulose powder 14
2.4. Preparation of PP/Hydrophobized-cellulose composties 16
2.5. Instruments 17
2.5.1. HAAKE PolyDrive Mixer 17
2.5.2. Carver hydraulic hot press 17
2.5.3. Universal testing machine (UTM) 18
2.5.4. Izod impact tester 18
2.5.5. Thermo-gravimetric analysis 19
2.5.6. Differential scanning calorimeter 19
2.5.7. Water absorption and Thickness swelling measurements 20
2.5.8. Scanning electron microscope 21
2.5.9. Wettabillity test 21
2.5.10. Fourier transform infrared spectroscopy 22
III. RESULTS AND DISCUSSION 23
3.1. PP/cellulose composites with MAPP 23
3.1.1. Mechanical properties of the PP/cellulose composites 23
3.1.1.1. Effects of coupling agent content 23
3.1.1.2. Effects of cellulose powder content 27
3.1.2. Thermal properties of the PP/cellulose composites 30
3.1.3. Water absorption and Thickness swelling of the PP/cellulose composites 35
3.1.4. Morphology of the PP/cellulose composites 35
3.2. PP/H-cellulose composites 40
3.2.1. Surface hydrophobization of cellulose powder 40
3.2.2. Mechanical properties of the PP/H-cellulose composites 47
3.2.3. Water absorption and Thickness swelling of the PP/H-cellulose composites 50
3.2.4. Morphology of the PP/H- cellulose composites 53
3.2.5. Mechanical properties of the PP/cellulose composite with coupling agent and the PP/H-cellulose composite 55
IV. CONCLUSIONS 58
KOREAN SUMMARY 60
REFERENCES 63
ACKNOWLEDGMENT 69

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