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충격강도 특성을 측정하기 위하여 시편을 80±2mm(길이)x10.0±0.2mm(너비)x4.0±0.2mm(두께)로 제작하고 Izod Impact Test(Oriental Co.)를 사용하여 측정하였다. 충격강도 계산은 식 (1)을 이용하였다(KSM ISO 180, 2012).

여기서,

E : 충격에너지(kg_f·cm)
a : 시편의 두께(cm)
b : 시편의 너비(cm)

굴곡강도 특성을 측정하기 위하여 80±2mm(길이)x10.0±0.2mm(너비)x4.0±0.2mm(두께)로 제작하고 만능테스트기(Shimadzu corporation, UH-F100A)를 사용하여 측정하였다. 충격강도 계산은 식 (2)를 이용하였다(KSM ISO 170, 2012).

여기서,

P : 가해진 힘(kg_f), L : 시편 길이(cm)
b : 시편 너비(cm), d : 시편 두께(cm)

표면경도 특성은 시편을 50±2mm(가로) × 50±0.2mm(세로) × 5.0±0.2mm(두께)로 제작하여 Durometer(TECLOCK Co.)를 사용하여 측정하였다(ASTM D2240, 2005).

본 연구에서 사용한 대기 중에서 안정적으로 poly-DCPD형 복합에폭시수지를 제조하기 위하여, DCPD를 대기 중에서 안정화 시킨 poly-DCPD형 에폭시수지(KDCP-130, powder type, KUKDO Chem.)와 경화제는 폴리아미드 경화제(G-5022, G-0930, KUKDO Chem.)를 사용하였다.

에폭시-충전재 가교반응에서 고분자 재료에 합성실리카, 생석회, 카본블랙 등의 무기물 충전재를 첨가하면 충전재가 고분자사슬과 약한 공유결합을 형성하여 가교역할로 인한 인장강도 및 연신율 등의 기계적 특성 값을 증가시킨다(Harry R. Allcock, 2004).

또한 합성실리카를 폴리우레탄수지에 첨가하면 실리카와 폴리올의 하이드록실기(-OH)가 결합하여 실리카/폴리올을 형성하고, 경화제로 Isocyanate를 첨가하면 실리카와 폴리우레탄 가교결합을 형성한다(Y. K. Yang et. al., 2006)

본 연구에서는 무기물 충전재로 합성실리카(0.014㎛, 0.007㎛, 순도 98%, Aldrich), 제1산화구리(1㎛, 순도 99.99%, Aldrich), 제2산화구리(5㎛, 순도 97%, Aldrich) 및 생석회(1~5㎛, 순도 99.7%, Aldrich) 4종류를 사용하였다. 이들 충전재에 대한 화학구조 및 물리적 특성 값을 <Table 1>에서 보여주고 있다.

Poly-DCPD형 복합에폭시수지를 제조하기 위한 실험을 위해 [Fig. 1]과와 같은 장치를 구성하여 진행하였다.

[Fig. 1] 
A picture of experiment device

(1. Control Box 2. Air Compressor 3. Solution Storage A 4. Solution Storage B 5. Mixer 6. Mold).

[Fig. 1]에서와 같이 제시된 실험 장치는 500ml 저장고(A, B 용액 저장) 2개와 500ml 혼합기 1개, 혼합된 A, B 용액을 몰드에 주입시키기 위한 에어 컴프레서(Air Compressor)로 구성되어 있다.

먼저 500ml beaker(SUS 304)에 DCPD가 함유된 에폭시수지를 넣고, 온도를 80~90℃를 유지하면서 완전히 용해시켜 A 용액을 만들고, 이어서 500ml 비이커(beaker)(SUS 304)에 경화제(폴리아미드수지)와 무기물 충전재를 넣고 80~90℃에서 60~100rpm으로 1시간 정도 충분히 분산시켜 B 용액을 만든다.

이후 반응 액체 A와 B를 각각의 저장고에 투입하고, 밸브를 열어 혼합기로 주입한다. 혼합기(사출성형기, 80~100rpm)에서는 A, B 용액의 투입과 동시에, 미리 50℃로 예열되어 있는 몰드로 주입하여 동일 온도에서 1시간 정도 경화시켰다.

무기물 충전재인 실리카는 천연에서 산출되는 것은 결정성을 지니고 있지만, 인공적으로 합성한 실리카는 무정형의 형태를 가지고 있다. 여러 분야의 산업현장에서도 최종제품의 고부가가치화 및 특수한 목적의 용도로 사용되는 대부분의 실리카는 인공적으로 합성한 무정형 실리카를 가장 많이 사용하고 있다.

따라서 본 연구에서도 가장 많이 사용되는 합성 실리카(무정형 형태, 0.014㎛)를 충전재로 사용하여 poly-DCPD형 복합에폭시수지를 제조하고, 그에 대한 기계적 특성 값을 측정하였다.

DCPD함유 에폭시수지 300gr, 경화제 G-0930과 G-5022를 각각 90gr으로 고정하고, 여기에 각각 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 및 1.0wt%¹⁾의 비율로 실리카를 첨가하고, 실리카 함량에 따른 표면경도, 충격강도 및 굴곡강도를 측정하여 그 결과를 [Fig. 2, 3]에 나타내었다.

[Fig. 2] 
The effect of silica concentration on the impact strength, flexural strength of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

[Fig. 3] 
The effect of silica concentration on the surface hardness of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

[Fig. 2]에서도 알 수 있듯이 0.6wt% 함량을 첨가하였을 때, 첨가 전에 비해 충격강도는 34kg_f·cm/cm²에서 36.5kg_f·cm/cm²로, 굴곡강도는 652kg_f/cm²에서 690kg_f/cm²로 증가 하였다. 즉 합성실리카의 함량이 증가할수록 poly-DCPD형 복합에폭시수지의 충격강도, 굴곡강도는 증가하였다. 그러나 0.6wt% 함량 이상으로 첨가한 경우는 다소 감소하는 결과를 나타내었다.

첨가된 합성실리카가 DCPD를 함유한 에폭시수지의 사슬과 약한 공유결합을 형성시키고 가교역할을 하여 그물형태의 구조를 만들어 충격강도, 굴곡강도 및 표면경도 등의 기계적 특성 값을 증가 시킨 것으로 판단된다.

그러나 첨가량이 증가하면 DCPD를 함유한 에폭시수지의 사슬과 공유결합을 형성하지 못하고, 잔존하는 합성실리카 입자들이 그물구조사이에 불균일하게 분산되어 DCPD를 함유한 에폭시수지의 사슬에 있어 격자간격을 증가시켜서 오히려 기계적 특성 값을 떨어뜨리는 원인으로 작용한 것으로 예상된다.

[Fig. 3]에서의 표면경도는 84에서 80으로 오히려 감소하였으며, 충전재의 첨가량에 관계없이 일정한 값을 나타내고 있다.

DCPD를 함유한 에폭시수지 300gr, 경화제 G-0930과 G-5022를 각각 90gr, 합성실리카 충전 양을 0.6wt%로 고정하고, 합성실리카의 입자크기를 0.014㎛와 0.007㎛로 변화시켜 poly-DCPD형 복합에폭시수지의 충격강도, 굴곡강도 및 표면경도에 미치는 결과를 [Fig. 4~5]에 나타내고 있다.

[Fig. 4] 
The effect of silica particle size on the impact strength, flexural strength of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

[Fig. 5] 
The effect of silica particle size on the surface hardness of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

먼저, [Fig. 4]를 보면 충격강도, 굴곡강도 모두 합성실리카의 입자크기가 적을수록 높은 결과를 나타내고 있다. [Fig. 5]에서의 표면경도는 입자크기에 관계없이 일정한 결과를 나타내고 있다. 이러한 실험결과는 첨가된 충전재의 입자크기가 적을수록 비표면적이 증가하여 DCPD를 함유한 에폭시수지의 사슬과 충전재 사이의 공유결합이 잘 형성되었고, DCPD를 함유한 에폭시수지의 사슬 격자간격을 감소시켜 오히려 기계적 특성 값을 증가 시킨 것으로 판단된다.

다양한 무기물 충전재가 충격강도, 굴곡강도 및 표면경도에 미치는 영향을 조사하기 위하여, KDCP-130 300gr, 경화제 G-0930과 G-5022를 각각 90gr으로 고정하고, 무기물 충전제로는 SiO₂, Cu₂O, CuO 및 CaO를 각각 0.6wt%로 첨가하여 제조한 poly-DCPD형 복합에폭시수지의 충격강도, 굴곡강도 및 표면경도의 측정 결과를 Fig. 6~7에 나타내었다.

[Fig. 6] 
The effect of inorganic filler types on the impact strength, flexural strength of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

[Fig. 7] 
The effect of inorganic filler types on the surface hardness of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

[Fig. 6]을 보면 충격강도는 Cu₂O을 첨가한 경우 37.5kg_f·cm/cm²로 가장 높았고, CaO는 30.0kg_f·cm/cm²로 가장 낮게 나타났다. SiO₂와 CuO의 경우는 각각 36.5kg_f·cm/cm²와37.0kg_f·cm/cm²로 비슷하게 나타났다. 굴곡강도는 충격강도와 동일하게 Cu₂O가 727.5kg_f/cm²로 가장 높았고, CaO가 562.5kg_f/cm²로 가장 낮게 나타내고 있다.

[Fig. 7]을 보면 표면경도의 경우는 Cu₂O 및 CuO가 84로 가장 높았고, SiO₂와 CaO는 80으로 동일한 값을 나타내었다.

충전재의 입자크기와 입자형태가 poly-DCPD형 복합에폭시수지의 기계적 특성 값에 미치는 영향을 확인 하였다.

KDCP-130 300gr, 경화제 G-0930과 G-5022를 각각 90gr, 충전재로 Cu₂O 0.6wt% 첨가하여 제조한 poly-DCPD형 복합에폭시수지의 경화온도를 50, 60, 70, 80 및 90℃로 변화시키면서 1시간 동안 경화를 진행시킨 후, 충격강도, 굴곡강도 및 표면경도를 측정한 결과를 [Fig. 8~ 9]에서 나타내고 있다.

[Fig. 8] 
The effect of curing temperature on the impact strength, flexural strength of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

[Fig. 9] 
The effect of curing temperature on the surface hardness of poly-DCPD type a composite epoxy resin.

[Fig. 8]을 보면 충격강도는 최소 36.8kgf· cm/cm²에서 최대 37.5kg_f·cm/cm²로 거의 변화가 없었으며, 굴곡강도의 경우도 726.8kg_f/cm² ~ 727.6kg_f/cm²로 일정한 값을 나타내고 있다.

표면경도 또한 84로 역시 [Fig. 9]에서처럼 동일한 결과를 나타내었다. poly-DCPD형 복합에폭시수지 제조 시, 경화온도는 복합재료의 기계적 특성 값에 영향을 미치지 못하였다.