High-performance Magneto-rheological Elastomers (MRE) based on Ethylene/Acrylic Elastomer (AEM)/CIP composite = Ethylene/Acrylic Elastomer (AEM)/CIP 복합체를 기반으로 한 고성능 자기유변탄성체

국문 초록 (Abstract)

자기유변탄성체(MRE)는 마이크로 크기의 자기 응답 입자와 탄성체, 첨가제로 이루어진 스마트 재료이다. MRE의 기계적, 유변학적, 동적 물성은 외부 자기장에 의해 변화한다. 그렇기에 MRE는 많은 과학자들이 자기유변물질에 관심을 가지게 했고, 폭 넓은 활용성을 얻었다. 하지만 실제 현장에서 사용하기에 MRE의 기계적, 동적 물성은 너무 낮고, 그 원인은 무기물인 자기 응답 입자와 유기물인 탄성체 간의 낮은 계면 결합력 때문이다. Ethylene/acrylic 탄성체인 AEM은 포화 구조를 가진 고무 재료로, 저온특성과 압축저항이 우수할 뿐만 아니라 내열성, 내유성, 노화 저항성 역시 우수하여 자동차 산업에서 씰, 가스켓, 방진 소재에 사용된다. 또한 낮은 무니 점도에 의해 가공이 용이하다.
이번 연구에서는 서로 다른 보강재로 충전된 AEM의 물성을 비교하였다. 또한 이방성 MRE의 제조 및 carbonyl iron particles(CIP)과 탄성체 간 계면 결합력 강화 기술에 대해 연구하였다. 연구 결과, 기계적 물성과 자기유도 물성이 확실히 개선됨을 확인하였고, 이러한 고성능의 MRE는 실제 현장에 적용시킬 수 있다. 연구 내용은 아래 목록에 나열하였다.
1. 서로 다른 종류의 보강재로 충전된 AEM 물성의 비교
서로 다른 보강재(carbon black and fumed silica)로 충전된 AEM의 물성을 비교한 결과, carbon black과 달리 silica가 가교 속도에 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 또한 carbon black은 AEM 내에서 좋은 분산성을 보이며 높은 인장강도, 낮은 영구 압축률과 payne effect를 나타내었다. 따라서 AEM의 보강재로 carbon black이 더 적합하다고 판단하였다.

2. 서로 다른 제조 방법에 따른 AEM 기반 MRE의 미세 구조 및 동적 기계적 물성
자기유변탄성체(MRE)는 자기 응답 입자의 배열에 따라 등방성(i-MRE)와 이방성(a-MRE)으로 분류되며 이방성 MRE는 CIP가 사슬형태의 구조를 형성한다. 이방성 MRE-1은 자기장의 적용과 탄성체의 가교를 동시에 진행하는 one-step 공정으로 제조된 반면, 이방성 MRE-2는 자기장을 가하여 CIP의 배향을 유도한 뒤 가교를 시키는 two-step 공정으로 제조했다. 그 결과 MRE-1에서는 CIP의 사슬 형태의 배향이 확실히 생성된 반면, MRE-2에서는 그러지 않았다. 이방성 MRE-1의 인장강도가 가장 낮은 이유는 고무 분자사슬과 CIP간의 계면 결합력이 존재하지 않기 때문이며 등방성 MRE에서 인장강도가 가장 높았다. MRE의 저장 모듈러스(G’)와 MR 효과는 CIP 배향에 따른 효과이며, 제조 방법이 미세구조와 자기 유도 물성에 끼치는 영향에 대해 설명하였다.

3. AEM 기반 MRE와 금속 산화물의 적용
AEM 기반 MRE의 고성능화를 위해 ZnO에 주목했다. ZnO는 AEM 기반 MRE에 두가지 기능을 나타내는데 그중 한 기능은 AEM 내에 금속 리간드 구조를 생성함으로써 기계적 물성을 향상시키고, AEM 내 에너지 손실을 보인다. 또 다른 기능은 카르보닐기와 아민기 사이의 촉매작용이다. 이렇듯 ZnO는 기계적 물성의 강화 뿐 아니라 CIP와 탄성체 사이의 계면 결합력을 향상 시켜 자기유도 물성을 강화한다. 또다른 금속 산화물인 MgO 역시 시도한 결과 매트릭스 내에 금속 리간드 구조 형성을 나타내었지만 촉매 작용은 보이지 않았다.

4. AEM 기반 MRE에서 탄산칼슘의 계면 상용화제로의 역할
CIP의 표면은 양전위를 나타내는 반면, 탄산칼슘은 음전위를 나타낸다. 또한 탄산칼슘은 AEM 분자사슬과 같이 카르보닐기를 가지고 있다. 따라서 탄산칼슘은 AEM 기반 MRE의 상용화제의 기능을 할 수 있다. 연구 결과 탄산칼슘이 CIP 표면에 흡착된 것을 확인하였고, 탄산칼슘이 충전됐을 때 응력 전이에 의해 자기유도 물성의 향상을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction ····································· 1
• 1.1 Magneto-rheological elastomer (MRE) ··········· 4
• 1.1.1 Preparation and progress of MRE ··············· 4
• 1.1.2 Measurement of MRE properties ·················· 7
• 1.2 Application ·········································· 11
• 1.2.1 Vibration control ·································· 12
• 1.2.2 Others ·············································· 12
• 1.3 Ethylene/Acrylic Elastomer (AEM) ·············· 13
• 1.4 Questions about MRE ······························ 13
• 1.5 Aim and research contents in this work ········ 15
• 2. Experimental ······································· 17
• 2.1 Materials and reagent ····························· 17
• 2.2 Preparation and characterization ················· 18
• 2.2.1 Effect of filler on the properties of AEM ········ 18
• 2.2.2 Effect of manufacturing methods on the micro- structure and dynamic mechanical properties of MRE ······················································· 22
• 2.2.3 Application of metal oxide in MRE ··············· 26
• 2.2.4 CaCO3 acts as an interfacial compatibilizer in the MRE based on AEM································· 30
• 3. Results and discussion ······················· 32
• 3.1 Effect of filler on the properties of AEM ······ 32
• 3.1.1 Vulcanization ········································· 32
• 3.1.2 Mechanical properties and crosslink density ····· 34
• 3.1.3 Compression set ····································· 36
• 3.1.4 Dynamic properties ·································· 38
• 3.2 Effect of manufacturing methods on the microstructure and dynamic mechanical properties of MRE ·· 40
• 3.2.1 Vulcanization ········································· 42
• 3.2.2 Morphology ··········································· 43
• 3.2.3 Mechanical properties ······························· 45
• 3.2.4 Dynamic properties ·································· 47
• 3.2.5 Mechanism of different manufacturing methods · 50
• 3.3 Application of metal oxide in MRE ·············· 53
• 3.3.1 ZnO induced metal-ligand complex in the AEM ························································· 55
• 3.3.2 ZnO catalysis in the MRE ························· 63
• 3.3.3 Application of magnesium oxide in the MRE ···· 72
• 3.4 Calcium carbonate acts as an interfacial compatibilizer in the MRE Based on AEM ···· 81
• 3.4.1 Mechanism ··········································· 83
• 3.4.2 Magnetic properties of MRE ······················· 85
• 3.4.3 Morphology ··········································· 86
• 3.4.4 EDS ··················································· 87
• 3.4.5 Mechanical properties ······························· 90
• 3.4.6 Dynamic properties ·································· 92
• 4. Conclusion ····································· 96
• 5. References ····································· 99
• 국문초록 ········································· 108