자동차 엔진 개스킷용으로 사용되는 아크릴 고무(ACM)의 압축크립 거동을 TMA 열분석기를 이용하여 연구하였다. 160, 180, 200, 및 $220^{\circ}C$의 서로 다른 온도에서 1N의 일정한 힘을 가하고 등온시험을 행한 결과, 시간에 따른 압축크립거동을 얻었고, 이로부터 시간-온도 중첩원리를 이용하여 기준온도 $160^{\circ}C$에서의 이동인자 $a_T$를 실험적으로 결정하고, 고온 데이터의 기준온도로의 평행 이동에 의하여 마스터 곡선을 얻을 수 있었다. 또한 WLF(Williams-Landel-Ferry) plot을 통하여 계산된 $C_1$과 $C_2$는 각각 -1.107 및 11.571로 계산되었으며, WLF식을 이용하는 $120^{\circ}C$에서의 ACM 고무재료의 수명은 약 24,000시간으로 예측되었다.
자동차 엔진 개스킷용으로 사용되는 아크릴 고무(ACM)의 압축크립 거동을 TMA 열분석기를 이용하여 연구하였다. 160, 180, 200, 및 $220^{\circ}C$의 서로 다른 온도에서 1N의 일정한 힘을 가하고 등온시험을 행한 결과, 시간에 따른 압축크립거동을 얻었고, 이로부터 시간-온도 중첩원리를 이용하여 기준온도 $160^{\circ}C$에서의 이동인자 $a_T$를 실험적으로 결정하고, 고온 데이터의 기준온도로의 평행 이동에 의하여 마스터 곡선을 얻을 수 있었다. 또한 WLF(Williams-Landel-Ferry) plot을 통하여 계산된 $C_1$과 $C_2$는 각각 -1.107 및 11.571로 계산되었으며, WLF식을 이용하는 $120^{\circ}C$에서의 ACM 고무재료의 수명은 약 24,000시간으로 예측되었다.
A study on compressive creep behavior of ACM rubber for automotive engine gasket was performed using TMA thermal analysis. From the results of isothermal measurements with constant load of 1 N at several different temperatures of 160, 180, 200, and $220^{\circ}C$, compressive creep data a...
A study on compressive creep behavior of ACM rubber for automotive engine gasket was performed using TMA thermal analysis. From the results of isothermal measurements with constant load of 1 N at several different temperatures of 160, 180, 200, and $220^{\circ}C$, compressive creep data at the given temperatures were obtained, and therefrom, shift factor ($a_T$) and master curve at reference temperature of $160^{\circ}C$ were obtained using time-temperature superposition principle (TTSP). $C_1$ and $C_2$ of WLF (Williams-Landel-Ferry) equation were calculated through the WLF plot as -1.107 and 11.571, respectively. From this, life time of ACM rubber at $120^{\circ}C$ was predicted as about 24,000 hrs.
A study on compressive creep behavior of ACM rubber for automotive engine gasket was performed using TMA thermal analysis. From the results of isothermal measurements with constant load of 1 N at several different temperatures of 160, 180, 200, and $220^{\circ}C$, compressive creep data at the given temperatures were obtained, and therefrom, shift factor ($a_T$) and master curve at reference temperature of $160^{\circ}C$ were obtained using time-temperature superposition principle (TTSP). $C_1$ and $C_2$ of WLF (Williams-Landel-Ferry) equation were calculated through the WLF plot as -1.107 and 11.571, respectively. From this, life time of ACM rubber at $120^{\circ}C$ was predicted as about 24,000 hrs.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
한편 본 연구에서 사용된 TMA실험의 경우에서는 샘플에 가할 수 최대한의 힘이 1N 밖에 되지 않으므로 일반적인 고무재료의 시험법인 CS측정은 불가능하다. 따라서 여기에서는 측정된 압축크립 데이터에 대하여 시간-온도 중첩원리에 의하여 기준온도 160℃에 대한 이동인자를 구하여 마스터곡선을 구하고, WLF식을 이용하여 재료의 수명을 예측해보고자 하였다.
160, 180, 200, 및 220℃의 서로 다른 온도에서 1 N의 일정한 힘을 가하여 등온 압축크립 시험을 행하고, 이로부터 시간-온도 중첩원리를 이용하여 이동인자 aT 및 기준온도 160℃에서의 마스터 곡선을 얻었다. 또한 WLF plot으로부터 WLF식의 상수 C1과 C2를 구하고 사용온도에서의 120℃에서의 고무수명을 예측하고자 하였다. 연구를 통하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 최근 들어서 압축영구줄음율과 내열성이 우수하여 자동차용의 개스킷 재료로서 주목받고 있는 ACM고무에 대하여 TMA를 이용한 고온에서의 촉진노화 압축크립시험을 통하여 샘플의 물리적인 변화를 살펴보고 이로부터 TTSP를 이용하여 도출되는 마스터 곡선을 작성하고 WLF식을 이용하여 샘플의 장기 노화특성을 예측하고자 하였다.
제안 방법
자동차 엔진 개스킷용으로 사용되는 고무의 압축크립 거동을 TMA 열분석기를 이용하여 연구하였다. 160, 180, 200, 및 220℃의 서로 다른 온도에서 1 N의 일정한 힘을 가하여 등온 압축크립 시험을 행하고, 이로부터 시간-온도 중첩원리를 이용하여 이동인자 aT 및 기준온도 160℃에서의 마스터 곡선을 얻었다. 또한 WLF plot으로부터 WLF식의 상수 C1과 C2를 구하고 사용온도에서의 120℃에서의 고무수명을 예측하고자 하였다.
고온 촉진 실험을 위하여 160, 180, 200, 및 220℃의 각각의 온도에 대하여 Shimadzu TMA-50 열분석기를 사용하여 시험하였다. 먼저 상온에서 시료를 장착한 후에 1N의 일정하중을 인가함과 동시에 미리 정해진 온도로 최대한 빨리(300 ℃/min) 승온시키고 그 온도의 등온에서 시간에 따른 압축변형을 측정하도록 하였다.
고온 촉진 실험을 위하여 160, 180, 200, 및 220℃의 각각의 온도에 대하여 Shimadzu TMA-50 열분석기를 사용하여 시험하였다. 먼저 상온에서 시료를 장착한 후에 1N의 일정하중을 인가함과 동시에 미리 정해진 온도로 최대한 빨리(300 ℃/min) 승온시키고 그 온도의 등온에서 시간에 따른 압축변형을 측정하도록 하였다. 초기 응력 및 온도상승에 의해 샘플은 일정한 시간 이후부터 안정적인 압축크립을 보이게 되며 실질적인 치수 변화의 데이터는 이 안정화 시간 이후의 것을 normalize하여 사용하였다.
자동차 엔진 개스킷용으로 사용되는 고무의 압축크립 거동을 TMA 열분석기를 이용하여 연구하였다. 160, 180, 200, 및 220℃의 서로 다른 온도에서 1 N의 일정한 힘을 가하여 등온 압축크립 시험을 행하고, 이로부터 시간-온도 중첩원리를 이용하여 이동인자 aT 및 기준온도 160℃에서의 마스터 곡선을 얻었다.
먼저 상온에서 시료를 장착한 후에 1N의 일정하중을 인가함과 동시에 미리 정해진 온도로 최대한 빨리(300 ℃/min) 승온시키고 그 온도의 등온에서 시간에 따른 압축변형을 측정하도록 하였다. 초기 응력 및 온도상승에 의해 샘플은 일정한 시간 이후부터 안정적인 압축크립을 보이게 되며 실질적인 치수 변화의 데이터는 이 안정화 시간 이후의 것을 normalize하여 사용하였다.
대상 데이터
6 샘플 재료의 FMB (final master batch) 샘플은 한국씰텍(주)에서 공급받은 그대로 사용하였다. TMA 열분석 실험을 위하여 샘플을 직경 4.
6 샘플 재료의 FMB (final master batch) 샘플은 한국씰텍(주)에서 공급받은 그대로 사용하였다. TMA 열분석 실험을 위하여 샘플을 직경 4.5mm, 높이 5mm의 원기둥형 시료로 제작하였다.
또한 각 온도에서의 압축크립이 안정적으로 시작되는 초기 변형의 시작점이 온도에 따라 모두 상이하므로 다음과 같이 420초가 지난 후의 회복길이로 표준화 (normalized creep strain, εn(t))된 압축크립 데이터를 해석에 사용하였다.
실험에 사용된 ACM고무의 원료는 Tohpe사의 XF5160를 베이스 수지로 사용하였으며 충전제와 가소제, 및 산화방지제등의 formulation은 본 연구자들에 의해 발표된 논문에서의 배합과 동일하게 하였다.6 샘플 재료의 FMB (final master batch) 샘플은 한국씰텍(주)에서 공급받은 그대로 사용하였다.
성능/효과
1) 실험 초기에 1 N의 힘에 의하여 압축된 샘플은 온도가 실온에서 정해진 온도로 상승함에 따라 탄성회복에 의한 본래 길이로의 직선적인 회복 경향을 보여 주었으며, 약 420초 이후부터는 안정화된 등온 압축크립 현상이 진행됨을 나타내었다.
2) 각 실험 온도에서의 시간에 따른 압축크립 결과는 160과 180℃의 온도에서는 시간에 따른 변화폭이 적으나 180℃ 이상의 온도에서는 지배적인 화학적인 노화에 의한 매우 급격한 크립 변화를 보여 주었다.
3) 시간-온도 중첩원리에 의하여 160℃의 기준온도로의 이동인자 aT값을 구하고 WLF plot 에 의한 C1과 C2는 각각 –1.107과 11.571로 계산되었다.
4) WLF식을 이용한 ACM고무의 120℃에서의 내구수명은 약 24,000시간으로 예측되었으며 Arrhenius식을 이용하는 경우보다 약 1.5배 정도의 큰 값을 나타내었다. 이러한 결과로부터 고온노화시험의 경우에는 물리적 및 화학적 노화기구를 고려하는 시험온도의 범위를 매우 신중하게 결정해야함을 알 수 있었다.
이러한 현상으로 보아 180℃ 이상의 온도에서는 고온으로 인한 샘플의 화학적인 노화에 의한 크립이 지배적인 것으로 유추된다. 이러한 결과는 촉진노화실험을 이용하여 시간-온도 중첩원리(Time- Temperature-Superposition-Principle, TTSP)에 의하여 재료의 수명을 예측하고자 할 때에 심각한 오차를 유발할 수 있음을 나타내고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고온노화촉진시험법은 어떠한 장점을 가지는가?
그럼에도 불구하고 고온노화촉진시험법은 비교적 빠른 시간에 재료의 수명 예측이 가능하다는 점과 고무제품의 요구품질을 간단히 판단할 수 있기 때문에 현재에도 일반적으로 많이 사용되고 있으며, 이를 이용하여 고무재료의 수명을 예측하고자 하는 많은 연구가 진행되었다.3-7 한편 이러한 고무재료의 수명예측은 앞에서 기술한 바와 같이 기계적인 물성이 주어진 온도에서 시간에 따라 취약해짐으로서 수명 한계점에 이르게 되며, 이를 각 온도에서 시험한 데이터를 얻기 위해서는 많은 시간적인 노력이 필요하게 되며, 현재까지도 TMA와 같은 기기분석적인 방법을 이용하는 노화수명 예측 기법은 크게 연구되어있지 않은 실정이다.
고무재료의 수명예측의 한계점은 무엇인가?
그럼에도 불구하고 고온노화촉진시험법은 비교적 빠른 시간에 재료의 수명 예측이 가능하다는 점과 고무제품의 요구품질을 간단히 판단할 수 있기 때문에 현재에도 일반적으로 많이 사용되고 있으며, 이를 이용하여 고무재료의 수명을 예측하고자 하는 많은 연구가 진행되었다.3-7 한편 이러한 고무재료의 수명예측은 앞에서 기술한 바와 같이 기계적인 물성이 주어진 온도에서 시간에 따라 취약해짐으로서 수명 한계점에 이르게 되며, 이를 각 온도에서 시험한 데이터를 얻기 위해서는 많은 시간적인 노력이 필요하게 되며, 현재까지도 TMA와 같은 기기분석적인 방법을 이용하는 노화수명 예측 기법은 크게 연구되어있지 않은 실정이다. Patel 등은 상온경화형 실리콘고무에 대하여 등온 TMA를 이용하여 고온노화시험을 행하고 이로부터 시간-온도 중첩원리(Time-Temperature-Superposition-Principle, TTSP)에 의하여 실험적으로 결정된 이동인자에 따라 마스터곡선을 얻을 수 있으며 그로부터 기준온도에서의 수명을 예측할 수 있음을 보고하였다.
열에 의한 고분자재료의 노화는 고분자의 가역성에 어떠한 영향을 미치는가?
한편, 열에 의한 고분자재료의 노화는 필연적으로 물성의 저하를 가져오게 되며 이는 제품의 수명에 직접적인 영향을 미치게 된다. 일반적인 고분자제품의 경우, 사용온도에 따른 요구물성 간에는 가역적인 관계가 성립되지만 노화가 일어나는 경우에는 이러한 가역 관계는 성립되지 않는다. 노화반응은 0차 반응을 제외하고는 비선형적으로 변화하게 되므로 사용온도에서의 노화에 따른 제품수명을 예측하고자 할 때에는 제품의 수명을 대표하는 인장강도, 신율 등의 물리적인 성질이 사용온도와 시간에 따른 노화진행정도(전환율)의 복합적인 함수이며 비선형적이라는 사실을 인지하고 있어야 한다.
참고문헌 (10)
I. S. Huh, "Engine Gasket Materials and Property Evaluation", Rubber Technology(Korea), 1, 78 (2000).
TOA Acron, AR-501, 501L, AR540, AR540L Heat and Oil Resistance Polyacrylate Elastomer Bulletin.
D. J. Toop, "Theory of Life Testing and Use of Thermogravimetric Analysis to Predict the Thermal Life of Wire Enamels", IEEE Trans. Elec. Insul., E1-6, 2 (1971).
W. D. Kim, W. S. Kim, C. S. Woo, and S. J. Cho, "Prediction of Useful Life by Heat Ageing of Motor Fan Isolating Rubber", Elastomer(Korea), 37, 107 (2002).
J. Wise, K. T. Gillen and R. L. Clough, "An ultra sensitive technique for testing the Arrhenius extrapolation assumption for thermally aged elastomers", Polym. Degrd. Stab., 49, 403 (1995).
H. S. Lee, J. H. Do, W. Ahn, and C. Kim. " A Study on Physical Properties and Life Time Prediction of ACM rubber for Automotive Engine Gasket", Elast. Compos., 47(3), 254 (2012).
W. S. Ahn and K. H. Park. "A Study on Thermal Life-Time Expectation of NR Rubber Material using Isothermal TGA and TMA", Elast. Compos., 44(3), 269 (2009).
M. Patel, P. R. Morrell, and J. J. Murphy, "Continuous and intermittent stress relaxation studies on foamed polysiloxane rubber", Polym. Degrad. Stab., 87, 201 (2005).
M. Patel, M. Soames, A. R. Skinner, and T. S. Stephens, "Stress relaxation and thermogravimetric studies on room temperature vulcanized polysiloxane rubbers", Polym. Degrad. Stab., 83, 111 (2004).
C. Briody, B. Duignan, S. Jerrams, and S. Ronan, "Prediction of compressive creep behaviour in flexible polyurethane foam over long time scales and at elevated temperatures", Polymer Testing, 31, 1019 (2012).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.