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간헐 압축응력 완화와 시간-온도 중첩 원리를 이용한 FKM 오링의 수명 예측 연구
Life-time Prediction of a FKM O-ring using Intermittent Compression Stress Relaxation (CSR) and Time-temperature Superposition (TTS) Principle 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.45 no.4, 2010년, pp.263 - 271  

이진혁 (부산대학교 고분자공학과) ,  배종우 (한국신발피혁연구소 산업소재융합기술센터 고무연구팀) ,  김정수 (한국신발피혁연구소 산업소재융합기술센터 고무연구팀) ,  황태준 (한국신발피혁연구소 산업소재융합기술센터 고무연구팀) ,  박성두 (삼정산업) ,  박성한 (국방과학연구) ,  여태민 (삼성테크윈) ,  김원호 (부산대학교 화학공학과) ,  조남주 (부산대학교 고분자공학과)

초록
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간헐 CSR 측정법을 이용하여 FKM 오링의 노화 거동과 수명 예측에 관하여 연구하였다. Intermittent CSR 지그는 오링의 실제 사용환경을 고려하여 설계 제작하였다. 각 측정 조건에 따른 마찰 영향, 열 손실 영향 및 Mullins 효과에 의한 간헐 CSR의 응력 거동 변화를 관찰하였다. 오링의 노화 거동은 $60{\sim}160^{\circ}C$에서의 가속 노화 연구를 통하여 관찰하였다. 고온 영역($100{\sim}160^{\circ}C$)에서 오링은 선형 노화 거동을 나타내었으며, 아레니우스 관계를 만족시켰다. 이때의 활성화 에너지는 60.2 kJ/mol로 나타났다. 아레니우스 도식으로 부터, 오링의 예측 수명은 고장 조건 50%와 40%에 대하여 각각 43.3 년과 69.6 년으로 나타났다. 시간-온도 중첩 원리를 이용하여 $60^{\circ}C$에서의 노화 거동을 관찰하였으며, 실험 시간을 절약 할 수 있었다. $60{\sim}100^{\circ}C$의 저온 영역에서의 활성화 에너지는 48.3 kJ/mol로 감소하였다. WLF(William-Landel-Ferry) 도식을 통하여 FKM 오링은 $100^{\circ}C$ 이하에서 비선형 노화 거동을 나타내는 것을 확인하였다. 시간-온도 중첩 원리로부터, FKM 오링의 수명은 고장 조건 50%와 40%에 대하여 각각 19.1년과 25.2년으로 나타났다. 시간-온도 중첩 원리를 이용하여 예측한 오링의 수명이 아레니우스 관계에 의한 수명 보다 보수적인 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Intermittent CSR testing was used to investigate the degradation of an FKM O-ring, also the prediction of its life-time. An intermittent CSR jig was designed taking into consideration the O-ring's environment under use. The testing allowed observation of the effects of friction, heat loss, and stres...

주제어

#FKM O-ring   #intermittent compression stress relaxation(CSR)   #life-time prediction   #Arrhenius plot   #time-temperature superposition(TTS)  

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
보다 정확한 고무의 노화 거동과 수명 예측 기법에 대한 대표적인 연구는 무엇이 있는가? Celina와 그의 동료 들의 리뷰에 의하면 보다 정확한 수명 예측을 위하여 modulus profiling, oxygen permeability, NMR, TGA, DTA 등의 다양한 기법을 이용하여 고무의 노화 거동 연구가 진행되어져 왔음을 알 수 있다. 4 대표적인 사례로 Gillen과 그의 동료들은 modulus profiling, oxygen permeability와 oxygen consumption rate 분석 등을 통하여 온도에 따른 활성화 에너지의 변화와 고무의 비선형 노화 거동을 분석하고 보다 정확한 수명을 예측한 연구를 보고한 바 있다. 2,3,5-7 고무의 노화 거동 분석에 관한 연구를 통하여, 고무는 저온에서 활성화 에너지 값이 작기 때문에 고온 실험 데이터를 기반으로 한 아레니우스 관계를 이용하여 예측한 수명보다 짧은 수명을 갖는 것으로 보고 되고 있다.
고무의 수명 예측 방법 중 대표적인 것은 무엇인가? 지난 수십 년간 고무의 수명 예측에 관한 연구는 고무 산업에 있어서 가장 중요하고 흥미로운 과제 중 하나였다. 고무의 수명 예측 방법으로는 대표적으로 아레니우스 관계를 이용한 방법이 있다. 아레니우스 관계는 노화 반응(k(T))이 exp(-Ea/RT)에 비례한다는 가정에 전제한 관계식으로 다음의 식(1)과 같다.
고무의 수명을 예측하는 아레니우스 관계를 이용한 방법의 전제 가정은 무엇인가? 고무의 수명 예측 방법으로는 대표적으로 아레니우스 관계를 이용한 방법이 있다. 아레니우스 관계는 노화 반응(k(T))이 exp(-Ea/RT)에 비례한다는 가정에 전제한 관계식으로 다음의 식(1)과 같다. 식 (1)에 알 수 있듯이 반응 속도(k(T))와 온도(1/T)의 ln plot은 기울기 -Ea/R의 선형 관계를 나타내며, 특정 온도(ambient temperature) 로의 외삽을 통하여 수명을 예측할 수 있다.
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참고문헌 (13)

  1. ISO 11346, "Rubber, vulcanized or thermoplastic - Estimation of life-time and maximum temperature of use" (2004). 

  2. K. T. Gillen, R. Bernstein, and M. Celina, "Non-Arrhenius behavior for oxidative degradation of chlorosulfonated polyethylene materials", Polym. Degrad. Stab., 87, 335 (2005). 

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  3. K. T. Gillen, M. Celina, and R. Bernstein, "Validation of improved methods for predicting long-term elastomeric seal lifetimes from compression stress-relaxation", Polym. Degrad. Stab., 82, 25 (2003). 

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  4. M. Celina, K. T. Gillen, and R. A. Assink, "Accelerated aging and lifetime prediction : Review of non-Arrhenius behavior due to two competing processes", Polym. Degrad. Stab., 90, 395 (2005). 

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  5. J. Wise, K. T. Gillen, and R. L. Clough, "An ultrasensitive technique for testing the Arrhenius extrapolation assumption for thermally aged elastomers", Polym. Degrad. Stab., 49, 403 (1995). 

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  6. K. T. Gillen and M. Celina, "The wear-out approach for predicting the remaining lifetime of materials", Polym. Degrad. Stab., 71, 15 (2001). 

  7. R. Bernstein and K. T. Gillen, "Predicting the lifetime of fluorosilicone O-rings", Polym. Degrad. Stab., 94, 2107 (2009). 

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  8. ISO 3384, "Rubber, vulcanized or thermoplastic - Determination of stress relaxation in compression at ambient and elevated temperatures" (2005). 

  9. R. P. Brown and F. N. B. Bennett, "Compression Stress Relaxation", Polym. Test., 2, 125 (1981). 

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  10. P. Tuckner, "Compression, Compression stress relaxation test comparisons and development", SAE Technical report 2000-01- 0752 (2001). 

  11. P. Tuckner, "Compression stress relaxation testing - comparisons, methods, and correlations", SAE Technical report 2001-01-0742 (2001). 

  12. S. Ronan, T. Alshuth, S. Jerrams, and N. Murphy, "Long-term stress relaxation prediction for elastomers using the time-temperature superposition method", Mater. Des., 28, 1513 (2007). 

    상세보기 crossref

  13. R. W. Ogden and D. G. Roxburgh, "A pseudo-elastic model for the Mullins effect in filled rubber", Proceedings of the Royal Society of London, Series A, 455, 5861 (1999). 

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