In this study, the effects of heat treatment on the physical properties of polypropylene (PP) composites with bamboo fiber (BF) treated by silane coupling agent were investigated. The silane coupling agent was (3-mercaptopropyl) trimethoxysilane (MRPS). Heat treatment (curing step) at 25, 80, 110, 130, 150, and 170 ℃ was applied to induce chemical bonding between the hydroxyl group (-OH) present on the surface of BF and the hydroxyl group (-OH) of the hydrolyzed silane. The chemical structures of BF were analyzed by FTIR and XPS. The thermal stability, tensile and flexural strength were improved after applying heat treatment, and the optimum results were obtained when the heat treatment temperature was the range of 110-130 ℃.

본 연구에서는 실란 커플링제로 처리된 대나무 섬유(bamboo fiber, BF)를 포함하는 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 복합체의 물성에 미치는 열처리 영향을 고찰하였다. 실란 커플링제로는 (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane (MRPS)이 이용되었으며, 실란 처리 후 BF의 표면에 존재하는 수산기와 가수분해된 실란의 수산기 사이의 화학적 결합을 유도하기 위해 25, 80, 110, 130, 150, 170 ℃에서 열처리(curing step)를 진행하였다. 실란처리 후 BF의 화학구조 변화는 FTIR과 XPS를 이용하여 분석하였으며, 열처리된 PP/BF 복합체의 경우 열안정성 및 인장, 굴곡 강도등이 개선되었으며, 특히 열처리 온도가 110-130 ℃일 때 개선 정도가 우수하였다.

Keywords: polypropylene, bamboo fiber, silane coupling agent, heat treatment, curing step

천연섬유 복합체(natural fiber composite, NFC)는 고분자 매트릭스에 천연섬유(natural fiber, NF)로 강화된 복합체로, 여러 장점으로 인하여 현재 자동차 내·외장재 및 건축 내·외장재 등 산업용 부품소재로의 적용이 확대되는 추세에 있다.¹ 특히, 자동차 산업에서는 플라스틱 복합소재 응용 시 유리섬유 또는 탄소섬유보다는 성형성 및 경량화 측면에서 천연섬유가 유리하기 때문에 천연섬유 복합체에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 폴리프로필렌(polypropylene, PP)은 자동차 부품소재에 적용되는 대표적인 수지 중 하나로 비중이 낮고, 성형성, 내화학성, 치수안정성 등이 우수하며, 낮은 밀도 등의 특징을 가지지만 긴 지방족의 매우 간단한 화학구조를 가져 인장 및 굴곡강도 등이 상대적으로 낮아 응용에 한계가 있다. 굴곡강도 등을 개선할 목적으로 섬유 강화 PP가 사용되고 있으며, 친환경적이며 경량화가 가능한 PP/NF 복합체가 주목받고 있다.^2-4
천연섬유 중 대나무 섬유(bamboo fiber, BF)는 아시아 전지역을 거쳐 대량으로 분포되어 있고, 다른 천연섬유들에 비해 성장속도가 6-8개월로 매우 빠르기 때문에 원료수급에 용이하다. 또한 나무의 성장 방향으로부터 넓은 구조의 라멜라층(microfibril: 2-20°)과 좁은 구조의 라멜라 층(microfibril: 85-90°)이 교대로 나타나 우수한 기계적 성질을 나타내기 때문에 낚싯대, 가정용품 및 생활용품, 건축자재 등으로 사용되어 왔다.
PP에 BF가 복합화될 때 BF는 다량의 셀룰로오스, 리그닌등을 함유하고 있는 친수성 재료이고 PP는 탄화수소 계열의 소수성 재료이기 때문에 상용성의 문제로 물성 저하를 가져오게 된다.^2,5 PP와 천연섬유 사이의 상용성 개선을 위해 PP에 무수 말레인산(maleic anhydride, MAH)이 도입된 PP-g-MAH 적용이나^6,7 알카리, 실란, 아세틸, 벤조일 등의 화학적 처리로 천연 섬유의 표면을 개질시켜 고분자 매트릭스와 천연섬유의 상용성을 개선하는 연구 등이 진행되어 왔다.^8-10
이들 중에서도 상업적으로 많이 이용되고 있는 실란 커플링제(silane coupling agent, 일반식: R−Si−(OR')₃)의 구조를 살펴보면 한쪽 말단의 세 작용기는 알콕시(alkoxy group)로 존재하여 가수분해 후 수산기(-OH)가 풍부한 천연섬유 표면과의 반응이 가능하고, 또 다른 말단(R)에는 다양한 종류의 작용기로 구성되어 매트릭스 고분자의 특성에 맞도록 조정이 가능하여 천연섬유와 고분자 매트릭스의 상용성 개선을 유도할 수 있다.11,12 Gironès와¹¹ Nachtigall 등은¹³ 실란 커플링제를 이용하여 소나무 섬유와 목분의 표면을 개질함으로써, 고분자 매트릭스와 천연섬유 사이의 상용성이 증대함을 확인하였고, Valadez-Gonzalez 등은¹⁴ 용설란 섬유에 알카리 전처리를 하고 실란처리를 적용하였을 때 상용성이 추가로 증대하였음을 확인하였다. 또한 본 연구실의 PP/BF 복합체 관련 기존 연구결과에서는 PP-g-MAH 보다는 알카리와 실란 커플링제를 동시에 처리하는 경우에 냄새(리그닌 분해 등에 의한), 물성 등의 측면에서 유리한 것이 확인되었고, 실란 커플링제 중에서도 Figure 1에 나타낸 MRPS가 가장 효율적인 것으로 관찰되었다.¹⁵
천연섬유에 대한 실란 커플링제 처리 시 반응 메커니즘은알콕시기의 가수분해, 자가 축합, 흡착, 그라프트 반응 등 4 단계로 구분되며, 고분자와 천연섬유의 상용성 증대를 위해서는 자가 축합 반응을 억제하는 것이 유리하다.¹⁶ Abdelmouleh등은¹⁷ 실란 처리를 통한 셀룰로오스의 표면 개질 후, 후속 열처리(curing step)를 통하여 셀룰로오스 표면에 존재하는 수산기(-OH)와 가수분해된 실란의 수산기(-OH) 사이의 축합을 촉진하여 실란과 실란 사이의 자가 축합 반응을 상대적으로 감소시켜 상용성이 증가하는 것을 확인하였다.
천연섬유의 실란 처리에 대한 연구는 앞에서 언급한 바와 같이 다수 진행되었으나, 기계적 물성과 비중 측면에서 양호한 특성을 가져 자동차 부품소재로의 적용을 위한 연구가 확대되고 있고 대나무 섬유에 대해서 실란 커플링제 처리에 대한 연구결과는 일부 존재하지만 열처리 단계가 도입된 연구결과는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실란 커플링제로 처리된 BF를 함유하는 PP 복합체의 인장강도, 굴곡강도 및 열적 안정성 등에 미치는 열처리(curing step) 효과를 고찰하고자 하였다. 실란 커플링제는 MRPS를 사용하였고, BF는 알카리 처리 전후 두 종류가 사용되었다.