[논문]복합노화를 받는 EPDM 고무의 가속수명예측

한승욱; 곽승범; 최낙삼

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.5.505

[국내논문] 복합노화를 받는 EPDM 고무의 가속수명예측
Accelerated Life Prediction of Ethylene-Propylene Diene Monomer Rubber Subjected to Combined Degradation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.5, 2014년, pp.505 - 511

한승욱 (한양대학교 기계공학과) , 곽승범 (한양대학교 기계공학과) , 최낙삼 (한양대학교 기계공학과)

초록
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내연기관의 냉각기 고무호스에 사용되는 EPDM 고무는 열과 기계적 하중을 받는 동시에 국부적으로 형성된 전기적 스트레스를 받아 복합적인 노화가 발생한다. 본 연구에서는 EPDM 고무의 전기화학적 복합노화 시험을 하고, 아레니우스 관계식을 이용하여 노화온도($60^{\circ}C$, $80^{\circ}C$, $100^{\circ}C$)에 따른 가속수명 예측식을 구하였다. 수명에 영향을 미치는 인장변형률(5%, 10%)을 반영하여 예측식의 기울기($E_a/R$) 및 아레니우스 상수(C)를 고려한 수정된 수명예측 식을 제안하였다. 이를 통해 노화온도와 인장변형률에 영향을 받은 EPDM 고무의 수명을 예측하였고, 수정된 수명예측 시간이 실제 실험결과의 편차 범위 이내에서 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The EPDM(ethylene-propylene diene monomer) rubbers used for manufacturing engine radiator hoses can be degraded by locally generated electrical stress in addition to thermal and mechanical stresses. This study presents an accelerated life prediction of the EPDM rubber under electrochemical stresses using the Arrhenius formula under various aging temperatures($60^{\circ}C$, $80^{\circ}C$, and $100^{\circ}C$). The modified life prediction formula considers the relationship between the gradient($E_a/R$) and the Arrhenius constant(C). The effects of tensile strain(5%, 10%) on the life of these rubbers were investigated. The aging temperature influences EPDM rubber life, and tensile strain was predicted. It was confirmed that the modified life prediction was within the data deviation level of the test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1절의 결과로부터 EPDM 고무의 가속노화에 지배적인 영향을 미치는 것은 노화온도이나, 기계적 인장변형률에 의한 영향도 상당히 나타났다. 따라서 본 연구에서는 EPDM 고무의 수명예측에 온도와 기계적 인장변형률을 함께 고려한 수정된 수명예측 관계식을 만들고자한다.
본 연구에서는 자동차 냉각기 고무호스에 주로 사용되는 EPDM 고무의 고장에 크게 영향을 미치는 전기화학적 노화에 대해 가속수명 관계식을 구하고자 한다. 즉, 본 연구실에서 제작한 기계적 열적 부하를 동시에 가할 수 있는 전기화학적 복합노화 시험기로 노화온도(60℃, 80℃, 100℃)와 기계적 인장변형률(0%, 5%, 10%)에 따른 결과로 부터 아레니우스(Arrhenius) 관계식을 이용해 가속 수명 관계식을 제안하고자한다.

가설 설정

노화온도 60℃, 80℃, 100℃에서 기계적 인장변형률 0%, 5%, 10%의 조건으로 노화시험을 수행하였다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 최대 전류값을 기준으로 50%, 70%, 90% 저하된 시점의 노화시간(t₅₀, t₇₀, t₉₀)을 수명결정 시간으로 가정하여 아레니우스 관계식을 구하였다.

제안 방법

본 연구대상인 EPDM 고무는 자동차 냉각기 고무호스의 소재로 많이 사용된다. EPDM 고무호스 소재의 전기화학적 복합노화에 따른 수명을 평가하기 위해 두께 2mm의 판상고무 형태의 압축 성형한 EPDM 고무 시험편을 제작하였으며, 자동차용 냉각기 호스의 정상적인 사용온도는 통상 75℃ ~ 95℃로 신뢰성평가 인증기준(RS M0004)에서 기준으로 하는 노화 온도 100℃를 포함하여 노화 온도 60℃, 80℃를 추가하였다. 노화온도 60℃, 80℃, 100℃에서 기계적 인장변형률 0%, 5%, 10%의 조건으로 노화시험을 수행하였다.
EPDM 고무호스 소재의 전기화학적 복합노화에 따른 수명을 평가하기 위해 두께 2mm의 판상고무 형태의 압축 성형한 EPDM 고무 시험편을 제작하였으며, 자동차용 냉각기 호스의 정상적인 사용온도는 통상 75℃ ~ 95℃로 신뢰성평가 인증기준(RS M0004)에서 기준으로 하는 노화 온도 100℃를 포함하여 노화 온도 60℃, 80℃를 추가하였다. 노화온도 60℃, 80℃, 100℃에서 기계적 인장변형률 0%, 5%, 10%의 조건으로 노화시험을 수행하였다. Fig.
시험편은 각 조건 당 10개씩 사용하였으나 고무시험편의 특성상 데이터의 편차가 심하게 나타났다. 따라서 10개의 시험편 중에서 최대값과 최소값 데이터와 특이 변형거동을 보이는 데이터를 제외하고 6개의 시험편 결과로부터 평균값을 구하여 노화시간을 선정하였다. 이와 같이 선정된 6개 시험편의 노화시간을 사용수명 시간으로 하여 아레니우스 선도와 관계식을 구하였다.
저자들⁽⁷⁾은 자동차 냉각기용 고무호스를 사용하여 파손모드를 관찰하였는데, 전기화학적인 노화시험에 의해 EPDM 고무의 표피층은 내부보다 더 많은 미소기공이 생성되어 냉각수를 흡수하였으며 내부에서도 부분적으로 많은 망상 미세결함(Defect network)이 형성되었음을 확인하였다. 또한, 고무에 인장응력이 가해질 경우 이들 미세결함에서 크랙이 발생하고 이 크랙이 합체(Coalescence)함으로써 거시적인 파단을 하였다.
본 연구에서 제안한 복합노화 가속수명예측 관계식은 EPDM 고무 시험편을 이용한 실험실 레벨에서의 예측수명이다. 실제 산업현장에서 사용되는 고무부품의 고장 수명과 연관성을 찾기 위해서는 사용시간, 주변 환경 등이 잘 기록된 고무부품을 입수하여 물성의 변화거동을 측정하고 시험편 레벨에서의 결과와 비교분석 함으로써 실제 고무부품의 고장수명을 예측할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 EPDM 고무의 고장에 크게 영향을 미치는 전기화학적 복합노화에 대해 온도시간 관계식인 아레니우스 관계식을 이용하여 수명예측 관계식을 만들었다.
/R) 및 아레니우스 상수(C)의 관계를 확인해본 결과 선형적인 관계가 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 노화온도와 기계적 인장변형률을 고려한 수정된 복합노화 가속수명예측 관계식을 도출하였다. 수정된 복합노화 가속수명예측 식의 예측수명 시간은 실제 노화시험 시간 결과와 편차 범위 내에서 일치함을 확인하였다.
따라서 10개의 시험편 중에서 최대값과 최소값 데이터와 특이 변형거동을 보이는 데이터를 제외하고 6개의 시험편 결과로부터 평균값을 구하여 노화시간을 선정하였다. 이와 같이 선정된 6개 시험편의 노화시간을 사용수명 시간으로 하여 아레니우스 선도와 관계식을 구하였다.
전류값 저하율 –50%, -70%, -90%를 고장수명으로 가정하고, 노화온도 60℃, 80℃, 100℃에서 기계적 인장변형률 0%, 5%, 10%의 조건으로 각각의 수명예측 관계식을 구하였다.
본 연구에서는 자동차 냉각기 고무호스에 주로 사용되는 EPDM 고무의 고장에 크게 영향을 미치는 전기화학적 노화에 대해 가속수명 관계식을 구하고자 한다. 즉, 본 연구실에서 제작한 기계적 열적 부하를 동시에 가할 수 있는 전기화학적 복합노화 시험기로 노화온도(60℃, 80℃, 100℃)와 기계적 인장변형률(0%, 5%, 10%)에 따른 결과로 부터 아레니우스(Arrhenius) 관계식을 이용해 가속 수명 관계식을 제안하고자한다.

대상 데이터

본 연구대상인 EPDM 고무는 자동차 냉각기 고무호스의 소재로 많이 사용된다. EPDM 고무호스 소재의 전기화학적 복합노화에 따른 수명을 평가하기 위해 두께 2mm의 판상고무 형태의 압축 성형한 EPDM 고무 시험편을 제작하였으며, 자동차용 냉각기 호스의 정상적인 사용온도는 통상 75℃ ~ 95℃로 신뢰성평가 인증기준(RS M0004)에서 기준으로 하는 노화 온도 100℃를 포함하여 노화 온도 60℃, 80℃를 추가하였다.

이론/모형

가속시험을 통하여 얻어진 데이터로 고무제품의 수명을 예측하는 방법에는 아레니우스(Arrhenius) 모델과 WLF(Williams Landel Ferry) 모델이 있다.⁽¹⁾

성능/효과

(a), (c))를 기준으로 수명시간을 평가할 경우, 노화온도 60℃, 80℃, 100℃에서 수명예측 관계식으로부터 계산된 예측수명 시간을 실제 노화시험 시간의 결과(Table 1)와 비교하면 오차범위 ±5시간 이내로 잘 맞음을 알 수 있었다.
전류값 저하율 –50%와 –70%를 고장수명으로 볼 경우(Fig. 9(a), (b)) 노화온도가 낮을수록 기계적 인장변형률에 따른 예측수명 시간의 차이가 상당히 커지면서 노화온도 20℃에서는 약 40~50시간의 차이를 보이고 있다. 반면에 전류값 저하율 -90%(Fig.
3.1절의 결과로부터 EPDM 고무의 가속노화에 지배적인 영향을 미치는 것은 노화온도이나, 기계적 인장변형률에 의한 영향도 상당히 나타났다. 따라서 본 연구에서는 EPDM 고무의 수명예측에 온도와 기계적 인장변형률을 함께 고려한 수정된 수명예측 관계식을 만들고자한다.
이를 통해 노화온도와 기계적 인장변형률을 고려한 수정된 복합노화 가속수명예측 관계식을 도출하였다. 수정된 복합노화 가속수명예측 식의 예측수명 시간은 실제 노화시험 시간 결과와 편차 범위 내에서 일치함을 확인하였다. 따라서 수정된 수명예측 관계식을 이용하면 노화온도와 기계적 인장변형률에 영향을 받은 EPDM 고무의 노화수명을 예측할 수 있다.
9에서 실선은 Table 2의 관계식에서 기계적 인장변형률 0%와 10%에 대해 계산된 결과이고 점선은 수정된 수명예측 관계식 (Table 3)에서 기계적 인장변형률 0%, 10%, 20%의 계산 결과를 나타낸 것이다. 실선과 점선의 예측식은 아레니우스식을 함께 사용하였지만, 점선으로 표시된 변형률로 수정된 수명예측 관계식으로 계산된 결과(ℇ=0%, 10%)를 실선으로 표시된 Table 2의 수명예측 관계식으로 계산된 결과와 비교해 보면 조금씩 차이는 나지만 전반적으로 잘 일치하였다. 이 결과에서 나타난 차이는 실제 실험 결과의 편차(Table 1 참조)에 비해 작은 편이므로 계산된 예측수명이 적정함을 알 수 있다.
아레니우스 관계식을 이용한 수명예측 식으로부터 기계적 인장변형률(0%, 5%, 10%)과 기울기(E_a/R) 및 아레니우스 상수(C)의 관계를 확인해본 결과 선형적인 관계가 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 노화온도와 기계적 인장변형률을 고려한 수정된 복합노화 가속수명예측 관계식을 도출하였다.
전류값 저하율 –50%, -70%, -90%를 고장수명으로 가정하고, 노화온도 60℃, 80℃, 100℃에서 기계적 인장변형률 0%, 5%, 10%의 조건으로 각각의 수명예측 관계식을 구하였다. 이를 통해 노화 온도 60℃, 80℃, 100℃에서 계산된 예측수명 시간은 실제 노화시험 시간과 비교했을 때 상당히 일치함을 보였다.

후속연구

본 연구에서 제안한 복합노화 가속수명예측 관계식은 EPDM 고무 시험편을 이용한 실험실 레벨에서의 예측수명이다. 실제 산업현장에서 사용되는 고무부품의 고장 수명과 연관성을 찾기 위해서는 사용시간, 주변 환경 등이 잘 기록된 고무부품을 입수하여 물성의 변화거동을 측정하고 시험편 레벨에서의 결과와 비교분석 함으로써 실제 고무부품의 고장수명을 예측할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아레니우스 모델은 고무제품의 수명을 어떻게 예측하는가?	아레니우스 모델은 여러 온도에서 고무제품의 초기 특성값의 일정변화가 발생하는 시점을 수명으로 판단하여 시간-온도의 Master curve 및 관계식으로 표현된다. 이러한 관계로부터 특정온도에서 예측 수명을 계산할 수 있으며 상온에서의 자연노화(Natural aging)에 의한 수명을 가속시험 결과로 얻어진 데이터를 환산하여 예측할 수 있다.(2)
	고무부품의 수명을 판단하는 방법인 가속시험의 기본 개념은 무엇인가?	고무부품의 수명을 판단하는 방법으로 많이 사용되는 것이 가속시험이다. 가속시험의 기본 개념은 특성저하 인자의 수준을 증가시켜 고무제품의 수명을 감소시키는 것으로 사용온도를 높게하여 고무부품의 노화속도를 빠르게 하거나 오존 농도를 증가시켜 균열이 보다 빠르게 진행되도록 하는 것이다. 이러한 가속시험 방법은 비교적 빠른 시간에 제품의 수명을 판단할 수 있지만 예측 오차가 발생할 수 있다.
	자동차 냉각기용 고무호스를 사용하여 파손모드를 관찰할 때, EPDM 고무 내부에 형성된 망상 미세결함은 어떠한 문제점을 발생시키는가?	저자들(7)은 자동차 냉각기용 고무호스를 사용하여 파손모드를 관찰하였는데, 전기화학적인 노화시험에 의해 EPDM 고무의 표피층은 내부보다 더 많은 미소기 공이 생성되어 냉각수를 흡수하였으며 내부에서도 부분적으로 많은 망상 미세결함(Defect network)이 형성되었음을 확인하였다. 또한, 고무에 인장응력이 가해질 경우 이들 미세결함에서 크랙이 발생하고 이 크랙이 합체(Coalescence)함으로써 거시적인 파단을 하였다.

참고문헌 (8)

Brown, R. P., 1996, "Physical Testing of Rubber," 3rd, Chapman & Hall.
Brown, R. P., 2001, "Practical Guide to the Assessment of the Useful life of Rubbers," Rapra Technology.
Kim, W. D., Kim, W. S., Woo, C. S. and Cho, S. J., 2002, "Prediction of Useful Life by Heat Aging of Motor Fan Isolating Rubber," Elastomer, Vol. 37, No. 2, pp. 107-114.
Woo, C. S. and Choi, S. S., 2005, "Effects of Thermal Aging on Properties and Life-Time Prediction of NBR and EPDM Vulcanizates," Elastomer, Vol. 40, No. 2, pp. 119-127.
Lee, S. H., Park, J. H. and Kim, G. S., 2008, "Prediction of Service Life of Rubber Fender," Journal of the applied reliability, Vol. 8, No. 2, pp. 87-100.
Park, D. K., 2010, "A Study for Life Prediction of the NR Rubber Railpad Based on Degradation Mechanism," Doctorate Thesis, Korea University Graduate school, Seoul.
Kwak, S. B., Choi, N. S. and Shin, S. M., 2013, "Electrochemical Combined-Stress Degradation Test and Failure Mechanisms of EPDM Rubber for Automotive Radiator Hoses," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 1, pp. 1-8.

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Kim, W. D., Nah, C. W., Koh, S. K. and Lee, S. B., 2004, "Development of Integrated Design System for Mechanical Rubber Components," Ministry of Science and Technology.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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