(A) Study of High Strength Polyvinylchloride(PVC) Resin/Steel Dust Composite

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fine particulates and stacks generated from the steel industry have been discarded in the way of coastal landfill costing a great deal of money. It is considered to be important to recycle or develop the other way to use them in terms of preventing pollution.

This study aims to develop high-strength PVC composite by recycling waste steel dust that is added to PVC resin.
PVC resin/steel dust composites were prepared by melt-mixing method in this study. The change of physico-mechanic properties were investigated in relation to variation of steel dust content. The results are listed below.

First, the tensile strength of PVC resin and steel dust composite increased while its impact strength significantly decreased when MBS content is eliminated from the composite samples. The highest tensile strength was measured in case of PVC3 with 10.18 phr of the content of steel dust component.

Second, the elongation at break point decreased as the content of steel dust increased, though the decreasing rate varies among five samples. On the contrary the impact strength of composites gradually gets improved as the content of steel dust increased.

Third, for the thermal properties, DSC curves showed that the glass transition temperature strongly shifted when the steel dust content was 10.18 phr (PVC3). This suggested that the PVC resin and steel dust particles were ultimately intercalated onto PVC phase and that there is a positive interaction between two initial phases.

Forth, TGA curves suggested that the presence of PVC and steel dust contents contributed to the thermal stability and expended the processing temperature range of the polymer blend materials, like PVC, which has low thermal resistance.

Fifth, XRD patterns and XPS spectra proved that there was a meaningful interaction between filling PVC resin and steel dust particles and polymer matrix phase.

Finally, based on the observation of SEM micrographs, PVC resin/steel dust composite exhibited well-distributed pattern of fillers with 10.18 phr of steel dust content.

Research results of the study, PVC resin/steel dust composite could be applied to the pipe, sash and flooring, etc of industry fields where heat resistance is required.

국문 초록 (Abstract)

제철산업에서 발생되는 분진 등은 막대한 돈을 들여 해안 등에 매립하는 등의 방법으로 폐기처분하고 있다. 이러한 제철분진을 재활용하거나 사용용도를 개발하는 것은 공해방지 차원에서 아주 중요하게 여겨지고 있다.

본 연구는 이러한 폐기물인 제철분진을 PVC 수지에 첨가함으로써 폐기물 재활용을 통한 고강도 PVC 복합수지를 개발하는 데 그 목적이 있다.

본 연구에서는, PVC수지/제철분진 복합수지는 용융혼합방법으로 제조하였다. 제철분진의 함량 변화에 따른 복합수지의 물리적-기계적 물성 및 특성변화를 조사하였다.
PVC 수지/제철분진 복합수지에서 MBS를 제거 시 복합수지의 충격강도는 현저히 감소하였지만, 인장강도는 증가하였다. 가장 높은 인장강도는 제철분진 함량이 10.18phr 인 PVC3인 경우로 측정되었다.
두 번째, 제철분진 함량이 증가할수록 파단점에서의 신장률을 감소하였다. 그러나, 그 감소비율은 5개 샘플이 동일하지 않았다. 그와는 반대로, 복합수지의 충격 강도는 철강 분진 함량이 증가할수록 향상되었다.
세 번째, 열적 특성에서는, DSC 분석결과는 제철분진 함량이 10.18phr(PVC3)인 경우 유리전이온도가 강하게 이동됨을 알 수 있었다. 이것은 제철분진 입자가 최종적으로 PVC 매트릭스에 혼입되고, 이것이 두 상(phase) 간의 우수한 상호작용을 보이는 것을 의미한다.
네 번째, TGA 분석결과는 제철분진 함량이 증가할수록, 열적 안정성은 증가하였으며, 내열성이 낮은 PVC와 같은 고분자의 가공온도범위를 올릴 수 있는 계기가 됨을 의미하는 것이다.
다섯 번째, XRD 와 XPS 분석결과는 충진된 폐 석고와 제철분진 입자와 고분자 매트릭스 상간의 상호작용이 있음을 보여주었다,
마지막으로, SEM을 통한 분석결과는, 복합수지는 제철분진 함량이 10.18phr 인 경우 필러의 분산이 가장 잘 이루어 졌음을 알 수 있었다.
본 연구결과, PVC/제철분진 복합수지는 파이프, 새시, 바닥재 등 내열성이 요구되는 여러 산업분야에 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. Steel Dust (Converter Dust) 1
• 1.2. Polymer Composite and Filler Systems 2
• 1.3. Particle Size and Shape 6
• 1.4. Dispersibility 8
• 1.5. Characterization of Gypsum and Steel dus 11t
• 1.6. Background of the Study 23
• 1.7. The Aim of the Study 33
• 2. Experimental 34
• 2.1. Material 34
• 2.2. Preparation of PVC/ Gypsum and Steel dust Composites 34
• 2.3. Testing of the Mechanical Properties 37
• 2.4. Testing of the Thermal Properties 37
• 2.5. Scanning Electron Microscopy 38
• 2.6. X-Ray Diffraction (XRD) 38
• 2.7. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 39
• 3. Result and Discussion 40
• 3.1. Physico-Mechanical Properties 40
• 3.2. DSC Curves of PVC/ Gypsum and Steel dust Composites 46
• 3.3. Transition Temperature and TGA curves of PVC resin/Steel dust Composites 53
• 3.4. X-ray Diffraction (XRD) Spectra Studies 59
• 3.5. XPS spectra of PVC resin and Steel dust Composites 64
• 3.6. Morphology of PVC resin and Steel dust Composites 71
• 4. Conclusion 79
• 5. References 81
• Korean Abstract 94
• 감사의 글 97