[논문]간헐 압축응력완화 시험법과 시간-온도 중첩 이론을 이용한 NBR 오링의 노화 거동 분석 연구

이진혁; 배종우; 최명찬; 윤유미; 김원호; 박성한; 조남주

doi:10.6108/kspe.2019.23.1.046

간헐 압축응력완화 시험법과 시간-온도 중첩 이론을 이용한 NBR 오링의 노화 거동 분석 연구
Study on the Degradaion Behavior of Acrylonitrile Rubber(NBR) O-ring by Intermittent CSR and Time-Temperature Superposition Principle 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.23 no.1, 2019년, pp.46 - 51

이진혁 (Rubber Research Division, Korea Institute of Footwear & Leather Technology) , 배종우 (Rubber Research Division, Korea Institute of Footwear & Leather Technology) , 최명찬 (Rubber Research Division, Korea Institute of Footwear & Leather Technology) , 윤유미 (Rubber Research Division, Korea Institute of Footwear & Leather Technology) , 김원호 (Department of Polymer Science and Chemical Engineering, Pusan National University) , 박성한 (Agency for Defense Development) , 조남주 (Department of Polymer Engineering, Pusan National University)

초록
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Intermittent CSR 측정법을 이용하여 NBR 오링의 노화 거동과 수명 예측에 관하여 연구하였다. Intermittent CSR jig는 오링의 실제 사용 환경을 고려하여 설계 제작하였다. 오링의 노화 거동은 $40{\sim}120^{\circ}C$에서의 가속 노화 연구를 통하여 관찰하였다. 오링은 $80^{\circ}C$ 이하에서 비선형 노화 거동을 나타내었다. 오링의 수명은 고장 조건 20%에 대하여 Arrhenius plot으로부터 32.5년, WLF plot으로 부터 22.6년으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Intermittent CSR testing was used to investigate the degradation of a NBR O-ring, and also the prediction of its life-time. An intermittent CSR jig was designed taking into consideration the O-ring's environment under use. Degradation of O-rings by thermal aging was observed between $40^{\circ}C$ and $120^{\circ}C$. O-rings showed non-linear degradation behavior under $80^{\circ}C$. At 20% of failure condition, predicted life-times were 32.5 years by Arrhenius plot and 22.6 years by WLF plot.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 저온과 고온에서의 활성화 에너지는 다른 값을 나타내는 것으로 보고된 바 있다. 많은 과학자들이 다양한 기법을 이용하여 보다 정확한 고무의 노화 거동과 수명 예측 기법에 관하여 연구하였다. 대표적인 사례로 K.
것으로 보고한 바 있다[8]. 본 연구에서는 compression stress relaxation 관찰을 통하여 활성화 에너지의 변화를 확인할 수 있었다.

가설 설정

측정하였다. 1) 오링을 설계 제작한 jig에 체결한다. 2) 오링이 체결된 jig를 가속 노화를 위하여 40~120 ℃ 의 convection oven에 보관한다.
왔다. Arrhenius relationshipe 사용온도에서의 노화 반응과 열 가속 노화 실험 온도에서의 노화 반응이 동일하며, 활성화 에너지가 온도에 영향을 받지 않는다는 가정을 전재로한다. 그러나 저온과 고온에서의 활성화 에너지는 다른 값을 나타내는 것으로 보고된 바 있다.

제안 방법

53 mm인 오링을 사용하였다. Intermittent CSR jig 는 오링의 사용 환경을 고려하여 설계 제작하였다. 오링의 수명은 Arrhenius plot 과 WLF plot을 이용하여 예측하였다.
53 mm인 오링을 사용하였다. Intermittent CSR jig 는 오링의 사용 환경을 고려하여 설계 제작하였다. 오링의 수명은 Arrhenius plot 과 WLF plot을 이용하여 예측하였다.
1 에 나타낸 바와 같이, upper jig plate의 일부분을 무게 감소와 metal plate의 중앙 위치 확인을 위하여 제거하였다. Upper jig plate의 바닥에 shim 역할을 하는 5.0mm 길이의 돌출부를 설계하였다. 오링 을 jig에 체 결하면, 오링은 2.
0 mm로 설계하였다. Upper jig plate의 중앙 홀을 indenter 의 직경보다 크게 설계함으로써, Intermittent CSR 측정에서 오링의 기밀력은 Instron(U.S.A) 사의 UTM(3345(Q3776) model) 을이 용하여 측정하였다. Indenter는 cylinder 형태이며, 크기는 2.
오링의 수명은 Arrhenius plot 과 WLF plot을 이용하여 예측하였다. 또한 시간-온도 중첩 이론을 활용하여 상온(23 ℃)에서의 노화 거동을 관찰하였다.
설계 제작한 jig 를 이용하여 상온에서 intermittent CSR 측정을 통하여 오링의 기밀력을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
Intermittent CSR jig 는 오링의 사용 환경을 고려하여 설계 제작하였다. 오링의 수명은 Arrhenius plot 과 WLF plot을 이용하여 예측하였다. 또한 시간-온도 중첩 이론을 활용하여 상온(23 ℃)에서의 노화 거동을 관찰하였다.
58mm(내 경 x너 비 x깊이)이다. 홈부의 평행도는 dial gauge를 이용하여 측정하였다. Dial gauge의 측정에 의한 홈부의 깊이 편차는 0.

대상 데이터

A-Sung Tester(South Korea)의 AS-F0-05 모델의 convection oven을 가속 노화 시험에 사용하였다. 각 온도별 convection oven의 실제 온도와 gauge 온도를 비교한 결과, 온도 오차는 ±1 C 이내로 나타났다.
사용한 오링은 내경이 91.73 mm, 선경이 3.53 mm인 오링을 사용하였다. Intermittent CSR jig 는 오링의 사용 환경을 고려하여 설계 제작하였다.
선경 3.53 mm, 내경 91.73 mm인 NBR 오링을 시편으로 사용하였다. Intermittent CSR jig는 오링의 사용 환경을 고려하여 설계 제작하였다.
오링은 삼정산업사에서 생산.판매되고 있는내경과 선경 이 각각 91.73 mm, 3.53 mm인 NBR 오링을 사용하였다.

데이터처리

기준 온도(Tref)로 40 C를 선정하였으며, shift factor, aT는 실험 결과의 시간-온도 중첩 결과로부터 계산하였다. 오링이 40 C에서 Ft/Fi=20% 의 고장 조건에 도달하는 시간은 61, 684.

이론/모형

본 연구에서는 NBR O-ring의 노화 거동을 intermittent CSR 측정법을 이용하여 관찰 하였다. 사용한 오링은 내경이 91.
본 연구에서는 오링의 노화 거동을 intermittent CSR 측정법을 이용하여 관찰하였다. 선경 3.
Bottom jig plate의 크기는 180mmx30mm (diameter x thickness) 로 설계하였다. 오링 장착을 위한 bottom jig plate의 홈부는 KS B 2799 (O-rings housings design criteria; Korea Standard) 규격을 기준으로 설계하였으며, 이때 기밀력 측정을 위한 추가 압축을 고려하여 0.1 mm 의 여유 공간을 설계하였다. 홈부의 크기는 각각 92.

성능/효과

4) 측정이 끝나면 jig 를 convection oven에 보관하고 열 가속 노화 실험을 계속 진행한다. Convection oven에서 jig를 꺼내는 순간부터 jig와 NBR 오링은 공냉에 의한 수축 거동을 나타내며, 수축이 과도하게 이루어질 경우에는 1) 오링의 수축에 의한 strain state 변화, 2) 수축 혹은 팽창 시 에 jig surface와 오링 사이의 마찰 발생으로 인하여 기밀력 측정에 오차가 발생할 수 있다. 따라서 일정 시간 간격으로 이루어지는 intermittent CSR 측정은 최대한 열 손실이 적어야 하며, 본 연구에서는 convection oven을 UTM 옆에 설치하여 열 손실에 의한 기밀력 측정 오차 발생을 최소화하였다.
홈부의 평행도는 dial gauge를 이용하여 측정하였다. Dial gauge의 측정에 의한 홈부의 깊이 편차는 0.01 mm 로 나타났으며, bottom jig plate의 평행도가 intermittent CSR 측정에 적합한 것을 확인하였다. UTM 의 indenter와 접촉하는 metal plate의 크기는 오링의 내경 (91.
5시간으로 나타났다. Fig. 3와 비교하였을 때, TTS principle을 이용하여 실험 시간을 약 55, 468시간 절약 할 수 있었다. Fig.
각 온도별 convection oven의 실제 온도와 gauge 온도를 비교한 결과, 온도 오차는 ±1 C 이내로 나타났다.
Convection oven에서 jig를 꺼내는 순간부터 jig와 NBR 오링은 공냉에 의한 수축 거동을 나타내며, 수축이 과도하게 이루어질 경우에는 1) 오링의 수축에 의한 strain state 변화, 2) 수축 혹은 팽창 시 에 jig surface와 오링 사이의 마찰 발생으로 인하여 기밀력 측정에 오차가 발생할 수 있다. 따라서 일정 시간 간격으로 이루어지는 intermittent CSR 측정은 최대한 열 손실이 적어야 하며, 본 연구에서는 convection oven을 UTM 옆에 설치하여 열 손실에 의한 기밀력 측정 오차 발생을 최소화하였다.
6 년으로 나타났다. 저온 영역에서의 노화 거동을 관찰하는데 많은 시간이 요구됨에도 불구하고, TTS principle을 이용하여 실험 시간을 획기적으로 절감하였다. 80~120 C에서의 활성화 에너지는 59.

참고문헌 (8)

ISO 11346, "Rubber, vulcanized or thermopl astic - Estimation of life-time and maximum temperature of use", 2004.
K.T. Gillen, "Non-Arrhenius behavior for oxidative degradation of chlorosulfuonated polyethylene materials", Polymer Degradation and Stability, Vol. 87, pp. 335-346, 2005.

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K.T. Gillen, "Validation of improved methods for predicting long-term elastomeric seal lifetimes from compression stress-relaxation", Polymer Degradation and Stability, Vol. 82, pp. 25-35, 2003.

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P. Tuckner, "Compression, Compression stress relaxation test comparisons and development", SAE Technical report 2000-01-0752, 2001.
P. Tuckner, "Compression stress relaxation testing - comparisons, methods, and correlations", SAE Technical report 2001-01-0742, 2001.
S. Ronan, T. Alshuth, S. Jerrams and N. Murphy, "Long-term stress relaxation prediction for elastomers using the time-temperature superposition method", Materials & Design, Vol. 28, pp. 1513-1523, 2007.

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R. W. Ogden and D. G. Roxburgh, "A pseudo-elastic model for the Mullins effect in filled rubber", Proceedings: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 455, pp. 2861-2877, 1999.

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M. Celina, K.T. Gillen, and R.A. Assink, "Accelerated aging and lifetime prediction : Review of non-Arrhenius behavior due to two competing processes", Polymer Degradation and Stability, Vol. 90, Issue. 3, pp. 395-404, 2005.

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