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문제 정의
- 본 연구에서는 카본블랙(carbon black, C/B)으로 보강된 NR (natural rubber) 배합고무를 대상으로 다양한 조건에서 마모거 동을 조사하였다. 실험에서 사용된 NR 은 특히 비교적 내마모성, 내인열성, 내피로성 등, 기계적 물성이 우수하며1, 이런 성질 때문에 대형차용 타이어, 승용타이어의 카카스, 베어링 등에 많이 사용되고 있다.
제안 방법
- 가교된 실험시편을 오븐 (model OF-22GW, JEIOTECH)을이용하여 100℃ 조건 하에서 열노화시간을 달리하여 노화시 켰다. 24, 48, 96, 192, 384, 768 시간동안 노화시간을 변화시켜 인장강도, 경도, 마모 실험을 실시하였다. 열화된 시편을 24 시간 동안 상온에 방치한 후 실험을 진행하였다.
- 9-11 본 연구에서는 자체 설계 제작한 칼날형 마모시험기를 이용하여 carbon black 이 충전된 NR 배합고무의 마모·마찰 특성을 평가하였다.
- 가교된 실험시편을 오븐 (model OF-22GW, JEIOTECH)을이용하여 100℃ 조건 하에서 열노화시간을 달리하여 노화시 켰다. 24, 48, 96, 192, 384, 768 시간동안 노화시간을 변화시켜 인장강도, 경도, 마모 실험을 실시하였다.
- 가교시간은 Oscillatory Disk Rheometer(Benz, Model #674)를 이용하여 가교온도, 즉 145℃에서 얻은 가교 그래프로부터 결정하였으며, Cure Press(Dake, model #44-251)를 이용하여 가교하였다. 본 실험에서는 시편의 적정 가교 시간이 t90이지만 시편의 두께를 참조하여 t100, 즉 22분 동안 가교하였다.
- 본 실험에서는 시편의 적정 가교 시간이 t90이지만 시편의 두께를 참조하여 t100, 즉 22분 동안 가교하였다. 가교시편은 마모, 인장, 경도 측정의 목적에 따라 각각 다른 형태로 제작하였다.
- 인장실험은 crosshead speed 100mm/min, 25℃의 조건에서 실시하였다. 경도를 측정하기 위해 금속 몰드를 이용하여 실험 시편을 제작하였다. 열노화 시간을 달리하여 노화시킨 실험시편을 IRHD 경도계(Bareiss, Germany)를 이용하여 경도를 실온에서 측정하였다.
- 비교적 짧은 시간 내에 마모 손실량과 속도를 얻기 위해서는 가혹한 마모조건이 필요하다. 고무시편의 회전속도가 마모 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해 하중 3kg, 온도 50℃의 조건에서 고무시편 회전속도를 5, 10, 20, 35rpm으로 달리하여 최대 4000회전까지 마모 실험을 실행하여 마찰일과 마모속도를 측정하였다.
- 실험에서 사용된 마모시험기의 개략도와 실제 접촉모습을 Figure 1와 Figure 2에 나타내었다. 고정된 금속 칼날에 의해 접촉하고 있는 고무시편의 회전으로 마모될 수 있도록 설계되었으며, 마모특성에 영향을 미치는 요소인 수직 하중, 시편 회전속도, 마찰력, 분위기 온도 등의 시험조건들을 변경할 수 있도록 하였다.
- 고무재료는 마모 칼날의 예리함(sharpness)에 따라 마모거동이 크게 영향을 받는다. 그 영향을 최소화하기 위해 예비마모를 실시하였다. 예비마모는 새 칼날을 이용하여 시편의 회전속도 10rpm, 온도 25℃, 하중 2kg 의 조건에서 실시하였다.
- 고무재료의 가혹한 환경중의 하나가 온도라 할 수 있다. 그영향을 평가하기 위해 예비마모를 실시한 후, 3kg 하중, 20rev/min 의 회전속도에서 분위기온도를 25, 50, 75, 100℃로 설정하여 마모 속도를 측정하였다. 실험결과를 Figure 7 에 나타내었다.
- 기존의 간헐적인 손실무게 측정 대신 칼날형 마모시험기를 이용한 연속적인 마모이동 거리 측정으로 배합고무의 마모속 도를 결정할 수 있었다. 시편의 회전속도 증가에 따라 마모속 도가 현저히 증가하였고, 실험 온도가 증가할수록 마모속도가 감소되는 경향을 관찰하였다.
- W Brabender Instruments, PM-300, model #138-B)을 이용하여 50℃에서 5분간 밀링하였다. 다음으로 Internal Mixer(Namyang Co. Inc, Korea)에 투입하여 30초 동안 기계적으로 분해시킨 후 TBBS, Stearic acid, Zinc oxide, Carbon black을 투입하여 5분 동안 배합하였으며, RD, 6PPD, Sulfur를 투입하여 총 8분 동안 배합하였다. Rotor 속도는 40rpm, 온도는 120℃로 유지하였다.
- 분위기 온도는 배합고무의 마모거동에 지대한 영향을 미치는 요소 중 하나이다. 마모거동에 대한 분위기 온도의 영향을 평가하기 위해 온도를 25, 50, 75, 100℃ 로 설정하여 마모실험을 실행하였다. 하중 3kg 과 20rpm 회전속도 조건에서 분위기 온도를 달리하여 최대 4000 회전까지 마모 실험을 실행하였고 온도 변화가 마모속도에 미치는 영향을 조사하였다.
- 기존의 마모무게 측정 방법에서는 구간을 설정하여 간헐적 으로 손실된 고무량을 측정하는 불편을 수반한다. 반면에 칼날형 마모시험기는 포텐시오미터를 장착하여 시편의 마모에 따라 장착된 칼날의 이동거리를 측정함으로써 연속적인 마모 속도 측정이 가능하도록 설계되었다.
- 가교시간은 Oscillatory Disk Rheometer(Benz, Model #674)를 이용하여 가교온도, 즉 145℃에서 얻은 가교 그래프로부터 결정하였으며, Cure Press(Dake, model #44-251)를 이용하여 가교하였다. 본 실험에서는 시편의 적정 가교 시간이 t90이지만 시편의 두께를 참조하여 t100, 즉 22분 동안 가교하였다. 가교시편은 마모, 인장, 경도 측정의 목적에 따라 각각 다른 형태로 제작하였다.
- 본 실험에서는 인열에너지 이론을 기초로 Gent와 Nah에 의해 설계된 칼날형 마모시험기를 근간으로 새로운 칼날형 마모시험기를 제작하였다. 실험에서 사용된 마모시험기의 개략도와 실제 접촉모습을 Figure 1와 Figure 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 카본블랙이 충전된 NR배합고무의 마모·마찰 특성을 칼날형 마모시험기를 이용하여 조사하였으며 그결과는 다음과 같았다.
- 열노화 시간을 달리하여 노화시킨 실험시편을 IRHD 경도계(Bareiss, Germany)를 이용하여 경도를 실온에서 측정하였다. 시편의 경도는 IRHD 경도계를 이용하여 3 번 측정한 후 평균하였다. 열노화 시간을 달리하여 노화 시킨 마모 시편의 마모속도를 측정하였다.
- 예비마모를 실시한 후, 분위기 온도 50℃, 3kg 하중에서 시편의 회전속도를 5, 10, 20, 35 rev/min 으로 설정하여 마모속도를 측정하였다. 실험의 재현성 평가를 위하여 동일 실험을 5 회반복하여 마모속도를 결정하였다. 고무시편의 회전속도에 따른 마모속도 변화를 Figure 6 에 나타내었다.
- 실험 칼날에 가해지는 수직하중이 증가하면 칼날과 실험시편 사이에서 발생하는 마찰일이 증가된다. 여기서는 수직하중을 변화시켜 마모거동을 평가하였다. 온도는 25℃로 유지하였으며, 회전속도 10rpm 하에서 시편에 가해지는 수직하중을 1, 2, 3, 4, 5, 6kg으로 변화시켜 최대 4000회전까지 마모 실험을 진행하였다.
- 시편의 경도는 IRHD 경도계를 이용하여 3 번 측정한 후 평균하였다. 열노화 시간을 달리하여 노화 시킨 마모 시편의 마모속도를 측정하였다. 실험은 상온에서 회전속도 10rpm, 하중 3kg 조건 하에서 실시하였다.
- 경도를 측정하기 위해 금속 몰드를 이용하여 실험 시편을 제작하였다. 열노화 시간을 달리하여 노화시킨 실험시편을 IRHD 경도계(Bareiss, Germany)를 이용하여 경도를 실온에서 측정하였다. 시편의 경도는 IRHD 경도계를 이용하여 3 번 측정한 후 평균하였다.
- 인장특성 실험을 위해 2mm 두께의 금형으로 판재 형태의 시편을 제작하였고, 시편절단기(Toyoseiki, Japan)를 이용하여 덤벨모양 시편을 준비하였다. 열노화시간을 달리하여 노화시킨 실험시편은 만능인장실험기(Universal Tensile Tester, Shimadzu Autograph AGS-500D, Japan)를 이용하여 인장강도와 신율을 측정하였다. 인장실험은 crosshead speed 100mm/min, 25℃의 조건에서 실시하였다.
- 고온에 노출되어 있는 고무제품의 경우 열에 의한 노화현상 으로 물성들이 약화된다. 열에 노출되는 시간을 달리하여 열화에 따른 물성변화를 측정하여 마모현상과의 관계를 정리하 였다. 노화시간을 달리하여 측정된 신율과 인장강도 값을 Figure 11에 나타내었다.
- 24, 48, 96, 192, 384, 768 시간동안 노화시간을 변화시켜 인장강도, 경도, 마모 실험을 실시하였다. 열화된 시편을 24 시간 동안 상온에 방치한 후 실험을 진행하였다. 인장특성 실험을 위해 2mm 두께의 금형으로 판재 형태의 시편을 제작하였고, 시편절단기(Toyoseiki, Japan)를 이용하여 덤벨모양 시편을 준비하였다.
- 칼날형 마모시험기를 이용하여 가혹한 마모조건 중 시편의 회전속도에 변화를 주어 그에 따른 마모거동을 연구하였다. 예비마모를 실시한 후, 분위기 온도 50℃, 3kg 하중에서 시편의 회전속도를 5, 10, 20, 35 rev/min 으로 설정하여 마모속도를 측정하였다. 실험의 재현성 평가를 위하여 동일 실험을 5 회반복하여 마모속도를 결정하였다.
- 마모 초기에는 높은 마모속도를 보였으나 실험이 진행될수록 마모속도는 점진적으로 감소하여 일정 패턴이 형성되는 2000 회전 이상의 회전 수에서는 마모속도의 변화 폭이 크지 않음을 알 수 있었다. 예비마모를 통해 마모속도가 평형상태에 도달하는 지점, 즉 분위기 온도 25℃, 하중 2kg, 회전속도 10rpm, 회전 수 2000rev 의 예비마모 조건을 설정하였다. 예비마모가 끝난 칼날의 여러 형태를 Reflected Light Microscope(Carl Ziess, DE/AXIOLAB-A)를 이용하여 10×/0.
- 여기서는 수직하중을 변화시켜 마모거동을 평가하였다. 온도는 25℃로 유지하였으며, 회전속도 10rpm 하에서 시편에 가해지는 수직하중을 1, 2, 3, 4, 5, 6kg으로 변화시켜 최대 4000회전까지 마모 실험을 진행하였다.
- 이 마모형태는 마모조건에 따라 다르게 나타나는데 Reflected Light Microscope(Carl Ziess, DE/AXIOLAB-A, 10×/0.2)을 이용 하여 관찰하였다.
- 열노화시간을 달리하여 노화시킨 실험시편은 만능인장실험기(Universal Tensile Tester, Shimadzu Autograph AGS-500D, Japan)를 이용하여 인장강도와 신율을 측정하였다. 인장실험은 crosshead speed 100mm/min, 25℃의 조건에서 실시하였다. 경도를 측정하기 위해 금속 몰드를 이용하여 실험 시편을 제작하였다.
- 칼날형 마모시험기를 이용하여 가혹한 마모조건 중 시편의 회전속도에 변화를 주어 그에 따른 마모거동을 연구하였다. 예비마모를 실시한 후, 분위기 온도 50℃, 3kg 하중에서 시편의 회전속도를 5, 10, 20, 35 rev/min 으로 설정하여 마모속도를 측정하였다.
- 마모거동에 대한 분위기 온도의 영향을 평가하기 위해 온도를 25, 50, 75, 100℃ 로 설정하여 마모실험을 실행하였다. 하중 3kg 과 20rpm 회전속도 조건에서 분위기 온도를 달리하여 최대 4000 회전까지 마모 실험을 실행하였고 온도 변화가 마모속도에 미치는 영향을 조사하였다.
대상 데이터
- 열화된 시편을 24 시간 동안 상온에 방치한 후 실험을 진행하였다. 인장특성 실험을 위해 2mm 두께의 금형으로 판재 형태의 시편을 제작하였고, 시편절단기(Toyoseiki, Japan)를 이용하여 덤벨모양 시편을 준비하였다. 열노화시간을 달리하여 노화시킨 실험시편은 만능인장실험기(Universal Tensile Tester, Shimadzu Autograph AGS-500D, Japan)를 이용하여 인장강도와 신율을 측정하였다.
성능/효과
- 온도가 상승함에 따라 마모속도가 급격히 감소하는 것을 볼 수 있었다. 높은 온도에서 시편의 열화로 경도가 증가하였고, 결과적으로 마모칼날과 고무시편 사이의 마찰력 감소로 인해 마모속도가 떨어 지는 경향을 나타낸 것으로 보인다.
- 02 임을 확인하였다. 따라서 기존의 무게측정 실험 방법 대신 칼날의 이동거리 측정만으로 연속적인 마모속도의 결정이 가능하 다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 마찰일이 증가함에 따라 마모속도가 선형적으로 증가하였으며 이를 식(5)과 같이 표현할 수 있었다. 따라서 마모속도와 마찰일은 Power-Law 관계를 가짐을 확인할 수 있었다.
- 시편의 회전 수 증가에 따른 NR 배합고무의 마모속도 변화를 Figure 3 에 나타내었다. 마모 초기에는 높은 마모속도를 보였으나 실험이 진행될수록 마모속도는 점진적으로 감소하여 일정 패턴이 형성되는 2000 회전 이상의 회전 수에서는 마모속도의 변화 폭이 크지 않음을 알 수 있었다. 예비마모를 통해 마모속도가 평형상태에 도달하는 지점, 즉 분위기 온도 25℃, 하중 2kg, 회전속도 10rpm, 회전 수 2000rev 의 예비마모 조건을 설정하였다.
- 수직하중을 변화 시켰을 때 역시 마모패턴의 변화가 두드러졌으며 이는 칼날형 마모시험에서 수직하중이 마모패턴 형성에 큰 비중을 차지한 다는 것을 알 수 있었다. 마모시편 표면에 하중이 증가할수록 ridge space 가 넓어졌으며, 실험온도가 높을수록 그 간격이 조밀해졌다. 마모표면의 ridge space 는 마모속도와 밀접한 관계가 있었으며 그 간격이 커질수록 마모속도는 증가하였다.
- 이를 통해 마모속도와 마찰일간의 Power-Law 관계를 확인할수 있었다. 마모실험에서 얻어진 마모패턴은 특히 수직하중이 증가할수록, 낮은 온도일수록 spaced ridge 간격이 현저히 커졌 으며 마모속도 또한 증가하였다.
- 마모시편 표면에 하중이 증가할수록 ridge space 가 넓어졌으며, 실험온도가 높을수록 그 간격이 조밀해졌다. 마모표면의 ridge space 는 마모속도와 밀접한 관계가 있었으며 그 간격이 커질수록 마모속도는 증가하였다.
- 고무시편의 회전속도에 따른 마모속도 변화를 Figure 6 에 나타내었다. 배합고무의 마모 속도는 시편의 회전속도에 의해서 절대적 영향을 받으며 회전 속도의 증가에 따라 마모속도는 비교적 선형적으로 증가하였다. 여기서 마모는 예리한 칼날에 의한 물리적 절단뿐만 아니라 칼날과 고무시편 접촉계면에서의 마찰열에 기인한 것으로 판단된다.
- 하지만 온도변화를 주었을 경우 낮은 온도와 높은 온도 에서 마모패턴의 차이를 확인할 수 있었다. 수직하중을 변화 시켰을 때 역시 마모패턴의 변화가 두드러졌으며 이는 칼날형 마모시험에서 수직하중이 마모패턴 형성에 큰 비중을 차지한 다는 것을 알 수 있었다. 마모시편 표면에 하중이 증가할수록 ridge space 가 넓어졌으며, 실험온도가 높을수록 그 간격이 조밀해졌다.
- 기존의 간헐적인 손실무게 측정 대신 칼날형 마모시험기를 이용한 연속적인 마모이동 거리 측정으로 배합고무의 마모속 도를 결정할 수 있었다. 시편의 회전속도 증가에 따라 마모속 도가 현저히 증가하였고, 실험 온도가 증가할수록 마모속도가 감소되는 경향을 관찰하였다. 특히 고온에서 장시간 노화시킨 배합고무는 경도가 크게 증가하였으며 그 결과 마모속도 또한 현저하게 감소하였다.
- 칼날형 마모시험기의 칼날에 주어지는 수직 하중의 크기는 칼날과 배합고무 시편 사이의 마찰일을 변화시킬 수 있다. 실험결과, 수직 하중이 증가할수록 칼날의 이동거리가 증가하였다. 이 이동거리를 마모속도로 변환하여 Figure 8에 나타내었다.
- 특히 고온에서 장시간 노화시킨 배합고무는 경도가 크게 증가하였으며 그 결과 마모속도 또한 현저하게 감소하였다. 칼날에 적용되는 수직하중이 증가할수록 마찰일이 증가하였고 따라서 마모속도 또한 증가하였다. 이를 통해 마모속도와 마찰일간의 Power-Law 관계를 확인할수 있었다.
- 시편의 회전속도 증가에 따라 마모속 도가 현저히 증가하였고, 실험 온도가 증가할수록 마모속도가 감소되는 경향을 관찰하였다. 특히 고온에서 장시간 노화시킨 배합고무는 경도가 크게 증가하였으며 그 결과 마모속도 또한 현저하게 감소하였다. 칼날에 적용되는 수직하중이 증가할수록 마찰일이 증가하였고 따라서 마모속도 또한 증가하였다.
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