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문제 정의
- 본 연구에서는 차량용 방진고무의 내한성 향상을 위한 고무컴파운드의 개발을 위하여 기존의 NR 컴파운드에 유리전이온도가 매우 낮은 BR (Butadiene Rubber)을 첨가하는 방법과 오일 함량을 높여 고무 분자 사슬의 운동을 원활히 하여 NR 컴파운드의 유리전이온도를 떨어뜨리는 방법을 이용하였다. 이때 저온환경에서 인장시험을 이용하여각 컴파운드의, 거동 변화를 살펴보았으며, DMA를 통하여 얻은 Tg 결과와 비교하였다.
제안 방법
- 또한 가황활성제로는 ZnO, 스테아린산을 사용하였고, 가황제로는 황을 사용하였다. 고무 조성비에 의한 영향을 조사하기 위해 NR과 BR의 함량비는 NR/BR= 100/0, 80/20, 60/40, 50/50, 40/60, 20/80, 0/100 phr로 하였다. 오일에 의한 영향을 조사하기 위해 NR 배합물에 오일 함량을 0,8, 16, 24, 32, 40 phr로 달리하였다.
- 본 연구에서 사용된 고무컴파운드의 조성비를 Table 1에 정리하였다. 고무컴파운드의 물성 측정을 위하여 가황프레스를 이용하여 압축성형으로 각 고무 컴파운드의 시편을 제조하였다.
- 내한성이 향상된 방진고무를 제작하기 위해서 기존의 NR 배합에 유리전이 온도가 상대적으로 낮은 BR을 섞거나 오일 함량을 늘리는 방법을 이용하여 고무컴 파운드를 제작하였으며, 저온 환경에서 기계적 물성시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 고무 조성비에 의한 영향을 조사하기 위해 NR과 BR의 함량비는 NR/BR= 100/0, 80/20, 60/40, 50/50, 40/60, 20/80, 0/100 phr로 하였다. 오일에 의한 영향을 조사하기 위해 NR 배합물에 오일 함량을 0,8, 16, 24, 32, 40 phr로 달리하였다. 본 연구에서 사용된 고무컴파운드의 조성비를 Table 1에 정리하였다.
- 이때 저온환경에서 인장시험을 이용하여각 컴파운드의, 거동 변화를 살펴보았으며, DMA를 통하여 얻은 Tg 결과와 비교하였다.
대상 데이터
- 보강제로는 N762 카본블랙을 사용하였고, 공정조제로는 파라핀계 오일(P#l) 을 사용하였다. 또한 가황활성제로는 ZnO, 스테아린산을 사용하였고, 가황제로는 황을 사용하였다. 고무 조성비에 의한 영향을 조사하기 위해 NR과 BR의 함량비는 NR/BR= 100/0, 80/20, 60/40, 50/50, 40/60, 20/80, 0/100 phr로 하였다.
- 선택하였다. 보강제로는 N762 카본블랙을 사용하였고, 공정조제로는 파라핀계 오일(P#l) 을 사용하였다. 또한 가황활성제로는 ZnO, 스테아린산을 사용하였고, 가황제로는 황을 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 고무재료는 천연고무(SMR- 20, Standard Malaysian Rubber) 와 BR01 (Butadiene Rubber)를 선택하였다. 보강제로는 N762 카본블랙을 사용하였고, 공정조제로는 파라핀계 오일(P#l) 을 사용하였다.
이론/모형
- 고무 컴파운드의 동적 점탄성 특성은 두께 2 mm, 폭 10 mm, 표점거리 20 mm인 고무시편에 대해 GABO 동적시험기 (GABO 500N, Germany)를 이용하여 -120-80℃ 온도범위에서 주파수 10 Hz, 정적 변형률 5%, 동적 변형률 0.5% 조건으로 저장 탄성계수 및 손실계수를 측정하였고, 그 절차는 ASTM D2231 을 따랐다.9
- 위에서 언급된 12 종류의 고무 컴파운드를 International Rubber Hardness Degree (IRHD) 시험기 (Hidebrand, Germany)를 이용하여 IRHD를 측정하였고, 인장거동은 약 2 mm 두께의 아령형 고무 시편에 대해 Universal Testing Machine(UTM) (Testo- metric, UK)을 이용하여 500 mm/min의 crosshead 속도로 상온 및 -70, -60, -50, -40, -20, 0 ℃ 에서 실시하였고, 절차는 ASTM D412를 따랐다. 저온 인장시험에서 시편의 표점거리는 20 mm 이며 챔버 및 시험기의 crosshead 변위 한계까지 인장 시켰다.
성능/효과
- 5(a)에서 보는 바와 같이 전반적으로 모든 컴파운드가 -40℃ 까지 비교적 강성의 증가 폭이 작았으나, 그 이하의 온도에서는 강성의 증가 폭이 매우 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 그러나 300% 모듈러스를 제외하고는 BR 함량비가 증가할수록 모듈러스의 급격한 증가가 발생하는 온도는 점차적으로 낮아졌다.
- 순수한 BRe -60~-70℃ 에서 모듈러스가 급격히 증가하였으며 순수한 NR과 같은 취화특성은 보이지 않았다. Figure 5(b)에서 순수한 NR 컴파운드에 오일 함량이 증가할수록 모듈러스가 급격히 증가하는 온도는 점차적으로 낮아지는 것을 볼 수 있었다.
- 1)The blend ratio of NR to BR was varied.
- 1. BR 함량 증가에 따라 전반적으로 경도 및 모듈러스는 증가하였으나 인장강도 및 신율은 거의 선형적으로 감소하였다. 또한 오일 함량이 많을수록 경도 모듈러스 및 인장강도는 감소하였으나 신.
- 2. NR/BR 블렌드 컴파운드는 NR과 BR 고무의 유리 전이온도인 -50℃와 -90℃에서 저장 탄성 계수의 급격한 전이와 최대 손실계수를 나타내어 블렌드의 비상용성을 보였다.
- 이는 NR/BR 블렌드 컴파운드에 대해서 DSC를 통해서 얻은 유리전이온도 값과 비슷한 경향을 확인할 수 있었다.3 또한, tan 5 결과로부터 가교밀도가 높은 컴파운드일수록 상대적으로 낮은 damping property 의 변화를 확인할 수 있었다. BR 함량이 증가함에 따라 가교밀도가 증가하므로 50/50 블렌드에서는 중간 정도의 damping property를 보였다.
- Figure 1(a)에서 NR/BR 함량비에 따른 모듈러스의 차이는 크지 않아 많이 겹쳐 있는 모습을 볼 수 있다. BR 함량이 클수록 모듈러스는 조금씩 증가하였으며, 100% 변형률에서 순수한 BRe 1.46MPa로 NR의 LlOMPa 보다 약 25% 가량 높게 나타났다. 이는 vinyl 기의 존재로 인해 가교 컴파운드의 가교밀도가 증가하는데 vinyl 함량이 높은 BR을 사용한 컴파운드가 다소 높은 가교 밀도를 나타내기 때문으로 판단된다.
- 결과적으로 저온 환경에서 가장 우수한 인장 특성을 보인 것은 가교밀도가 가장 높은 순수한 BR 컴파운드이었으며, BR 및 오일 함량이 많을수록 저온에서 인장특성이 우수한 것으로 나타났다. 그러나 순수한 BR 컴파운드는 상온에서의 신율 및 인장강도가 상대적으로 다른 컴파운드에 비해 낮고, 오일 함량이 많을 수록 상온에서 다른 컴파운드에 비해 강성이 많이 떨어져 실제 부품의 정적지지 하중에 문제점이 있을 것으로 보인다.
- 이는 NR에 비해 BR이 가교밀도가 높아 경도가 높기 때문으로 보인다. 또한 NR에 오일 함량을 증가시킬수록 경도는 낮게 나왔으며 오일 함량에 따른 경도변화는 상대적으로 매우 크게 나타났다.
- 오일함량이 8 phr인 순수한 NR 컴파운드는 -50℃ 이하에서부터 초기 인장강성이 급격히 증가하여 -70℃에서는 취화되었으나 순수한 BR 컴파운드는 -70℃에서도 파단없이 300% 이상 신장되었다. 모든 컴파운드에서 저온 환경일수록 강성이 증가되는 것을 볼 수가 있으며, 변형율이 큰 영역에서 그 차이는 두드러지게 나타났다. 그러나, 순수한 NR 컴파운드를 제외하면 초기 100% 이하의 변형률 구간에서는 -40℃ 까지의 응력-변형률 곡선이 상온에서의 시험 결과와 비슷한 수준을 보였다.
- 실험에서 수행한 전 온도범위에서 BR이 NR 컴파운드보다 높은 저장탄성계수를 나타내고 있어 인장 특성 결과에서의 높은 모듈러스와 일치하고 있다. Figure 6(b)에서 보는 바와 같이 오일 함량변화에 따른 저장탄성계수의 전이 온도는 거의 동일하게 -50℃ 에서 나타났으며, 오일 함량이 높을 수록저장 탄성계수는 낮게 나타났다.
후속연구
- 3. BR 및 오일의 함량에 따른 유리전이온도의 변화를 연구하여 기계적 물성의 하락이 크지 않은 범위 안에서 선정하면 기존의 방진고무보다 내한성을 향상시킬 수 있으리라 사료된다.
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