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문제 정의
- 그러나 BR로 제조된 밑창은 BR의 낮은 마찰계수로 인하여 스포츠화의 접지력이 낮아 잘 미끄러지거나 보(주)행 안정성 등에 문제점이 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 스포츠화의 밑창 재료로 요구되는 마찰계수와 내마모성이 모두 우수한 특성을 지니는 재료를 개발하기 위한 기초연구를 수행하고자 한다. 즉 우수한 마찰 계수를 지니지만 내마모성이 매우 낮은 CIIR이나 내마모성은 우수하지만 마찰계수가 낮은 BR의 단점을 개선하기위하여 CIIR/BR 고무 블렌드물을 제조하고 각 고무의 혼합비율에 따른 블렌드 고무의 마찰계수와 내마모특성 및 물리적 특성 변화에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 1차 혼련 공정은 500 ㎖ 용량의 밀폐형 혼련기로 30 rpm의 속도에서 혼련하였으며, 초기온도 및 최종온도는 각각 60 ℃, 80 ℃로 유지하였다. 2분간 전단력에 의해 고무에 대한 소련을 수행하고 이어서 충전제와 고무 배합약품을 각각 3분 및 6분에 투입하여 1차 혼련하였다. 1차 혼련물에 가교제, 가교촉진제, 활성제 등을 투입하고 직경 15 cm인 개방롤을 사용하여 40 ℃에서 5분간 균일하게 혼련하여 2차 혼련물을 제조한 후 24시간 방치하여 숙성시켰다.
- 윤활제로는 KPX Chemical의 PEG 4000과 미창석유공업의 W-1500를 사용하였으며, 산화방지제는 Sumitomo Chemical의 BHT를, 충전제로는 Rhodia사의 Zeosil175G를 사용하였다. CIIR/BR 블렌드물 제조를 위한 기본 배합을 Table 1에 나타내었으며, Table 1의 배합에서 BR 대신 SBR 및 NBR을 각각 사용하여 CIIR/SBR 및 CIIR/NBR 블렌드물을 제조하였다.
- 기계적 특성을 측정하기 위해 만능인장시험기(Instron사의 Model 4466)을 사용하여 500 ± 25 mm/min 인장속도로 5회 인장시험을 하여 평균값을 구하였다.
- 즉 우수한 마찰 계수를 지니지만 내마모성이 매우 낮은 CIIR이나 내마모성은 우수하지만 마찰계수가 낮은 BR의 단점을 개선하기위하여 CIIR/BR 고무 블렌드물을 제조하고 각 고무의 혼합비율에 따른 블렌드 고무의 마찰계수와 내마모특성 및 물리적 특성 변화에 대한 연구를 수행하였다. 또한 마찰계수 및 내마모성이 CIIR과 BR의 중간적인 특성들을 지니는 용액중합 스티렌부타디엔고무(styrene-butadiene rubber, SBR) 및 카르복실화 니트릴고무(acrylonitrile-butadiene rubber, NBR)을 사용하여 BR과 비교 고찰하였다.
- 마모 시험은 NBS식에 의하여 두께 6.3 mm, 한 변의 길이가 25.4 mm인 정사각형 시편을 걸개에 걸어 연마지가 부착된 드럼위에 위치시키고 45 ± 5 rpm의 속도로 회전켜 마모가 2.54 mm될 때의 마모용 기준물 회전수와 시험편의 회전수의 비로내마모율을 구하였다.
- 1차 혼련물에 가교제, 가교촉진제, 활성제 등을 투입하고 직경 15 cm인 개방롤을 사용하여 40 ℃에서 5분간 균일하게 혼련하여 2차 혼련물을 제조한 후 24시간 방치하여 숙성시켰다. 숙성된 2차 혼련물을 Rheometer(Monsanto ODR 2000)를 이용하여 ASTM D 208416 규격에 준하여 155℃에서 최적 가황시간을 측정하였으며, 이를 기준으로 가압 프레스로 155 ℃에서 소정시간 압축성형하여 고무가황물을 제조하였다. 레오메터로 155 ℃에서 측정한 각 고무의 시간에 따른 토크를 Figure 1에 나타내었다.
- 시료의 마찰계수는 표준상태에서 시편을 55 mm x 100 mm 의 크기로 절단하여 수평상태의 측정기면에 시편을 올린 다음, 시편이 미끄러지기 직전의 tanθ 값을 취하였다.
- 시편의 반발탄성은 DIN 53512에 준하여 측정하였고 시편의 규격은 지름 29 mm, 두께 12.5 mm ± 0.5 mm의 실린더 형태로 지침 눈금이 0 위치에서 철봉 지침 100자리 위치로 이동 후 4회 낙하하여 5회부터 읽고 3회 측정한 평균치를 나타내었다.
- 영구압축줄음율은 시편의 두께 12.7 mm ± 0.13 mm, 지름 29mm의 직원주형으로 만들고 압축비율은 25%, 시험조건은 70℃ 에서 22시간 공기순환오븐에 방치한 후 시편을 빨리 압축 장치에서 꺼내 실온에서 30분간 방치하여 최종 두께를 측정하여 계산식에 의해 구하였다.
- 우수한 마찰계수를 지니지만 내마모성이 낮은 CIIR에 우수한 내마모 특성을 지니지만 마찰계수가 낮은 BR과 중간적인 특성들을 지니는 SBR 및 NBR을 혼합하여 각 고무조성에서 블렌드 고무의 마찰계수와 내마모특성 및 물리적 특성을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 본 연구에서는 스포츠화의 밑창 재료로 요구되는 마찰계수와 내마모성이 모두 우수한 특성을 지니는 재료를 개발하기 위한 기초연구를 수행하고자 한다. 즉 우수한 마찰 계수를 지니지만 내마모성이 매우 낮은 CIIR이나 내마모성은 우수하지만 마찰계수가 낮은 BR의 단점을 개선하기위하여 CIIR/BR 고무 블렌드물을 제조하고 각 고무의 혼합비율에 따른 블렌드 고무의 마찰계수와 내마모특성 및 물리적 특성 변화에 대한 연구를 수행하였다. 또한 마찰계수 및 내마모성이 CIIR과 BR의 중간적인 특성들을 지니는 용액중합 스티렌부타디엔고무(styrene-butadiene rubber, SBR) 및 카르복실화 니트릴고무(acrylonitrile-butadiene rubber, NBR)을 사용하여 BR과 비교 고찰하였다.
대상 데이터
- CIIR, BR, SBR, NBR 및 블렌드물은 스코치를 방지하기 위해서 1차 혼련 및 2차 혼련하여 시편을 제조하였다. 1차 혼련 공정은 500 ㎖ 용량의 밀폐형 혼련기로 30 rpm의 속도에서 혼련하였으며, 초기온도 및 최종온도는 각각 60 ℃, 80 ℃로 유지하였다.
- CIIR은 엑손모빌사의 1066을, BR 및 SBR은 금호석유화학㈜의 KOSYN 01 및 5270을 사용하였다. NBR은 제온사의 NIPOL N1072을 사용하였다.
- CIIR은 엑손모빌사의 1066을, BR 및 SBR은 금호석유화학㈜의 KOSYN 01 및 5270을 사용하였다. NBR은 제온사의 NIPOL N1072을 사용하였다. 가교제 및 가교촉진제로는 한일 화학공업㈜의 공업용 황과 ZnO, Dibenzothiazyl disulfide (DM) 등을 사용하였다.
- NBR은 제온사의 NIPOL N1072을 사용하였다. 가교제 및 가교촉진제로는 한일 화학공업㈜의 공업용 황과 ZnO, Dibenzothiazyl disulfide (DM) 등을 사용하였다. 윤활제로는 KPX Chemical의 PEG 4000과 미창석유공업의 W-1500를 사용하였으며, 산화방지제는 Sumitomo Chemical의 BHT를, 충전제로는 Rhodia사의 Zeosil175G를 사용하였다.
- 기계적 특성을 측정하기 위해 만능인장시험기(Instron사의 Model 4466)을 사용하여 500 ± 25 mm/min 인장속도로 5회 인장시험을 하여 평균값을 구하였다. 시편은 KSM 6518에 따라 아령형 3호로 절단하여 물성 측정용 시편을 제작하였다. 시편의 반발탄성은 DIN 53512에 준하여 측정하였고 시편의 규격은 지름 29 mm, 두께 12.
- 가교제 및 가교촉진제로는 한일 화학공업㈜의 공업용 황과 ZnO, Dibenzothiazyl disulfide (DM) 등을 사용하였다. 윤활제로는 KPX Chemical의 PEG 4000과 미창석유공업의 W-1500를 사용하였으며, 산화방지제는 Sumitomo Chemical의 BHT를, 충전제로는 Rhodia사의 Zeosil175G를 사용하였다. CIIR/BR 블렌드물 제조를 위한 기본 배합을 Table 1에 나타내었으며, Table 1의 배합에서 BR 대신 SBR 및 NBR을 각각 사용하여 CIIR/SBR 및 CIIR/NBR 블렌드물을 제조하였다.
데이터처리
- 경도는 ASKER사의 Shore Durometer Type A(고무), Type C(발포체)를 사용하여 각각 5회 측정하여 평균값을 취하였다. 기계적 특성을 측정하기 위해 만능인장시험기(Instron사의 Model 4466)을 사용하여 500 ± 25 mm/min 인장속도로 5회 인장시험을 하여 평균값을 구하였다.
성능/효과
- 1) CIIR/SBR, CIIR/NBR 및 CIIR/BR 블렌드계의 인장강도는 각각 고무들의 인장강도 보다 낮은 값을 나타내었다.
- 2) 영구압축줄음율 측정실험에서 블렌드비율 25%에서 가장 높은 값을 나타내어 변형에 대한 저항 특성이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- 3) SBR, NBR, BR이 CIIR에 혼합됨에 따라 블렌드물의 마찰계수는 산술평균적으로 저하하는 경향을 나타내었다.
- 4) BR에 마찰력 향상을 위하여 CIIR을 블렌딩하는 경우 마찰계수 증가에 의한 접지력 향상보다는 내마모 성능 저하에 의한 마이너스효과가 더욱 큰 것으로 나타났다.
- CIIR, SBR, NBR, BR 및 블렌드 고무의 블렌딩 비율에 따른 비중을 Figure 2에 나타내었다. CIIR, SBR, BR 및 블렌드물은 1.06 ~ 1.08 정도의 비중을 나타내었으며, NBR의 경우 1.15정도로 가장 높은 비중을 나타내었다. CIIR/NBR 블렌드계의 비중은 CIIR과 NBR 비중의 산술 평균값을 갖는 것으로 나타났다.
- 15정도로 가장 높은 비중을 나타내었다. CIIR/NBR 블렌드계의 비중은 CIIR과 NBR 비중의 산술 평균값을 갖는 것으로 나타났다.
- CIIR, SBR, NBR, BR 및 블렌드물에서 고무 조성이 영구압축줄음율에 미치는 영향을 Figure 5에 나타내었다. CIIR의 경우 영구압축줄음율이 약 27% 정도로 나타났으며, BR의 경우 CIIR보다 조금 낮은 24%, NBR의 경우 CIIR보다 조금 높은 30%로 세 가지 고무의 종류에 따른 차이는 미미한 것으로 났다. 그러나 SBR의 경우에는 매우 낮은 8% 정도로 압축 변형에 대한 저항성이 세 가지 고무에 비하여 가장 우수한 것으로 나타났다.
- BR 의 경우 마찰특성은 매우 낮으나 내마모성이 매우 우수한 재료로 알려져 있다. SBR, NBR, BR이 마찰계수가 높은 CIIR에 블렌딩됨에 따라 블렌드물의 마찰계수는 산술평균적으로 저하하는 경향을 나타내었다.
- 75로 다른 고무에 비하여 월등히 높은 마찰계수를 나타내었다. SBR과 NBR의 마찰계수는 각각 2.54 및 2.4로 CIIR에 비하여 낮은 값을 나타내었으며, BR의 경우에는 CIIR에 비하여 현저히 낮은 1.35를 나타내었다. BR 의 경우 마찰특성은 매우 낮으나 내마모성이 매우 우수한 재료로 알려져 있다.
- CIIR의 경우 영구압축줄음율이 약 27% 정도로 나타났으며, BR의 경우 CIIR보다 조금 낮은 24%, NBR의 경우 CIIR보다 조금 높은 30%로 세 가지 고무의 종류에 따른 차이는 미미한 것으로 났다. 그러나 SBR의 경우에는 매우 낮은 8% 정도로 압축 변형에 대한 저항성이 세 가지 고무에 비하여 가장 우수한 것으로 나타났다. 블렌드물들의 영구압축줄음율은 SBR, NBR, BR 모두 혼합비율 25%에서 가장 높은 값을 나타내어 변형에 대한 저항 특성이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- NBR의 경우 가장 높은 인장강도를 나타내었으며, SBR과 BR은 CIIR보다 조금 낮은 값을 나타내었다. 블렌드물들은 전반적으로 각 고무의 산술 평균값 보다 낮은 인장강도값을 나타내었으며, NBR 블렌물의 경우 블렌딩에 따른 인장강도의 저하가 가장 큰 것으로 나타났다. 일반적으로 고분자 블렌드물의 경우에는 상용성이 낮은 경우에는 물리적 특성이 블렌드물의 조성에 따른 산술평균값보다 낮은 값을 나타내는 것으로 알려져 있으며, BR/CR 블렌드계에서도 상용성이 낮은 것으로 보고된 바 있다.
- 그러나 SBR의 경우에는 매우 낮은 8% 정도로 압축 변형에 대한 저항성이 세 가지 고무에 비하여 가장 우수한 것으로 나타났다. 블렌드물들의 영구압축줄음율은 SBR, NBR, BR 모두 혼합비율 25%에서 가장 높은 값을 나타내어 변형에 대한 저항 특성이 가장 낮은 것으로 나타났다. 이러한 현상은 Figure 4의 인장강도의 특성에서와 동일한 현상으로 블렌딩에따른 재료의 특성 저하 현상에 기인하는 것으로 이해된다.
- 순수고무로는 CIIR가 46으로 가장 낮은 경도를 나타내었으며, CIIR < BR < SBR < NBR 순으로 높은 경도를 나타내었다.
- 이러한 현상은 CIIR이 BR이나 NBR에 블렌딩되면서 결정성 고무인 BR의 응집력이 다소 저하되었기 때문에 내마모성이 낮아진 것으로 추정된다. 이러한 실험 결과로부터 BR에 마찰력 향상을 위하여 CIIR을 블렌딩하는 경우 마찰계수 증가에 의한 접지력 향상이라는 플러스효과 보다는 내마모 성능 저하에 의한 마이너스효과가 더욱 큰 것으로 나타났다. 따라서 CIIR의 우수한 마찰특성과 BR의 우수한 내마모성을 일정 이상 유지하는 새로운 재료를 개발하기 위하여서는 일반적인 블렌딩 방법보다는 다른 방법으로 제조할 필요가 있는 것으로 예상된다.
- NBR의 경우 BR과 CIIR의 중간 값을 나타내었다. 특이한 현상은 BR의 내마모 특성은 매우 우수하지만 BR에 CIIR이 25 %만 블렌딩 되어도 내마모성이 125로 BR의 내마모 특성을 대부분 상실하는 것으로 나타났으며, 이러한 현상은 NBR의 경우에서도 유사한 경향을 나타내었다. 이러한 현상은 CIIR이 BR이나 NBR에 블렌딩되면서 결정성 고무인 BR의 응집력이 다소 저하되었기 때문에 내마모성이 낮아진 것으로 추정된다.
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