[논문]수소전기차용 EPDM 고무의 충전재 입자 크기별 고압 수소 환경에서의 거동 연구

김기정; 전형렬; 강영임; 김완진; 염지웅; 최성준; 조성민

doi:10.7316/khnes.2020.31.5.453

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubbers reinforced with various particle size of carbon black were prepared and tested. We followed recently published CSA/ANSI CHMC2 standard "the test methods for evaluating material compatibility in compressed hydrogen applications-polyemr". ...

In this study, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubbers reinforced with various particle size of carbon black were prepared and tested. We followed recently published CSA/ANSI CHMC2 standard "the test methods for evaluating material compatibility in compressed hydrogen applications-polyemr". Measurement of change in hardness, tensile strength and volume were performed after exposure to maximum operating pressure, 87.5 MPa, for 168 hours (1 week). Once EPDM was exposed to high-pressure hydrogen, the samples experience volume increase and degradation of the physical properties. Also, after the dissolved hydrogen was fully eliminated from the specimens, the hardness and the tensile properties were not recovered. The rubber reinforced with smaller sizes of carbon black particles showed less volume expansion and decrease of physical properties. As a result, smaller particle size of carbon black filler led to more resistance to high-pressure hydrogen.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Material composition and base line mechanical properties
그림 Fig. 1. Schematic illustration of hydrogen concentration at carbon black filler
표 Table 2. Change in mass, density and volume of CB filled EPDM rubber after static exposure
$Fig. 2. SEM image of tensile fracture plane before static exposure (a) 80-1, (b) 80-2, (c) 80-3, and after static exposure (d) 80-1, (e) 80-2, (f) 80-3.$ 그림 Fig. 2. SEM image of tensile fracture plane before static exposure (a) 80-1, (b) 80-2, (c) 80-3, and after static exposure (d) 80-1, (e) 80-2, (f) 80-3.
표 Table 3. Change in tensile strength (σ) and standard deviation of CB filled EPDM rubber after static exposure
표 Table 4. Change in hardness (durometer A) and standard deviation of CB filled EPDM rubber after static exposure

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 수소부품에 많이 사용되고 있는 고무 재료인 ethylene-propylene-dien-monomer (EPDM) 고무에 충전된 카본블랙(carbon black, CB) 충전재의 입자 크기별 고압 수소 환경에서의 거동 변화 및 경향을 알아보고자 시험편을 87.5 MPa에서 노출 후 질량 변화, 부피 변화, 경도, 인장강도를 측정하여 분석하였다.

제안 방법

CB 충전재의 입자 크기에 따른 고압 수소 환경에서의 거동변화를 확인하고자 3가지 크기의 CB가 각각 충전된 EPDM 시험편을 제조하여 87.5 MPa 고압 수소에 노출 시험 후 물리적 특성을 평가하였다. 본 실험을 통해서 얻은 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
이때 사용된 압력 챔버는 설계압력 100 MPa의 SUS316L 재질의 실린더 형태이며, 안전을 위해 야외에 설치된 콘크리트 시설물 내에서 시험을 실시하였다. 노출 시험 완료 후, EPDM 시험편 내에 수소가 용해되어 있는 상태에서 물성 변화를 측정하기 위해 감압 후 30분 이내에 질량 변화, 부피 변화, 경도, 인장강도 측정을 하였고, 48시간 이후 시험편에 용해된 수소가 모두 빠져나간 후 물성 변화를 확인하기 위해 동일한 방법에 의해 재측정 하였다.

대상 데이터

CB의 입자 크기별 고압 수소 환경에서 거동변화 평가를 위해 EPDM 고무를 사용하였다. EPDM에 입자 크기가 26-30 nm, 40-48 nm, 61-100 nm인 CB 필러 40 wt.

데이터처리

5 mm 이하인 관계로 36×25 mm의 시험편 4개를 겹쳐서 측정하였다⁹⁾. 그리고 각 시험편별로 수소 노출 전후로 3초간 5회 측정하여 각각의 시험편에 대한 중간값을 구한 후 평균값을 계산하였다.

이론/모형

경도 측정 시험 방법은 ASTM D2240을 따랐다. 경도측정을 위한 고무 시험편은 두께가 6 mm 이상 이어야 하나 시트형 시험편의 두께가 2.
수소 노출 후 시편의 질량․부피 변화 및 수소용해도를 확인하였다. 시험에 사용된 시료의 크기는 약 7×7×2 mm의 육면체이며 아르키메데스법을 이용하여 시료의 공기 중 질량, 물속에서의 질량을 측정해 식 (1)로 밀도 및 부피를 계산하였다.
준비된 시험편의 고압 수소 노출 시험을 위해 CHMC2의 hydrogen static exposure (S.E.) 시험 방법에 따라 연구를 수행하였다. 시료는 MOP인 87.

성능/효과

1) 고무 재료에 충전된 CB는 입자 크기가 감소함에 따라 수소 노출 직후 부피 변화량과 물리적 특성의 변화가 적어진다.
2) 충전된 CB 입자는 수소를 입자 주변으로 집중 시켜 고무를 수소로부터 보호하는 효과가 있다. 따라서 충전재의 입자 크기가 작을수록 표면적이 커져 보호효과가 커진다.
3) CB의 입자가 작을수록 고무 재료의 수소용해도를 낮추기 때문에 고압 수소 감압에 의한 영구적인 물성저하가 적게 일어났다.
충전된 CB의 입자 크기가 작을수록 CB의 표면적이 증가하게 되고 더 많은 수소가 CB 주위에 집중된다. 결과적으로 EPDM 고무에 침투한 수소가 충전된 CB 주변으로 집중되었기 때문에 EPDM 고무에 수소용해도가 낮아지게 되고 그로 인해 시료가 덜 팽창되었다고 추측할 수 있다. 노출 시험 후 24시간이 경과하면 용해된 수소는 대부분 빠져나가 원래의 부피로 회복되었다.
시험 데이터와 SEM 이미지 분석 결과를 종합해 보면 본 실험에서 사용된 시험편에서는 blister가 발생하지 않아 blister fracture는 발생하지 않았으나 고무 재료의 특성상 나노미터 단위의 미세조직 파괴는 일어나 영구적인 물성하락이 나타난 것으로 보인다. EPDM 고무의 수소 노출 후 물성 하락을 줄여 수소 적합성을 높이기 위해서는 작은 입자 크기를 가진 CB를 충전하여 고무조직에 용해되는 수소의 양을 줄이는 것이 중요하다고 본 연구를 통해 유추할 수 있다.
38%씩 감소하여 80-1 시험편이 가장 적은 변화량을 보였다. 즉, CB 입자 크기가 작을수록 고압 수소의 영향을 덜 받는 것을 확인하였다. 부피 변화 측정 결과와 비교해보면 부피 변화량이 작을수록 인장강도 감소량도 작다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소전기차의 장점은 무엇인가?	자동차 업계에서는 기존 내연기관 자동차를 대체하기 위해 많은 연구를 진행하고 있으며, 수소전기차(fuel cell electric vehicle, FCEV)는 기존 전기차에 비해 긴 주행거리와 짧은 충전 시간 등의 이점이 있어 차세대 자동차로 각광받고 있다. 하지만 에너지 밀도를 높이기 위해 70.
	blister fracture라 불리는 내부 파괴는 어떤 문제를 일으키고 어떤 연구가 필요한가?	이러한 균열은 blister fracture라고 불리며 몇몇 문헌에서 보고된 바 있다3-7). 내부 파괴는 씰링 소재의 영구적인 물성저하를 일으키며 고압 수소 기밀 및 안전성에 중요한 영향을 끼치므로 고무소재의 고압 수소 적합성 향상에 대한 연구가 필요한 실정이다.
	수소 에너지의 장점은 무엇인가?	화석연료의 고갈 및 환경문제로 인해 친환경 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그중 수소 에너지는 수소가스를 연료로 하며 연료전지와 같은 에너지 변환 시스템을 이용하여 발전을 하는 에너지로 유해물질이나 온실가스 등을 배출하지 않아 환경문제를 해결할 수 있는 차세대 에너지원이다. 또한, 수소는 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며 운반 시 전기에너지 형태의 운송보다 손실도 적고 보관비용이 전기보다 낮아 수소는 에너지원뿐만 아니라 저장, 수송매체로도 활용이 가능하다1).

참고문헌 (17)

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상세보기
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ASTM International, "ASTM D2240-00, standard test method for rubber property-durometer hardness", ASTM International, 2002. Retrieved from https://www.astm.org/DATABASE.CART/HISTORICAL/D2240-00.htm.
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J. Yamabe and S. Nishimura, "Tensile properties and swelling behavior of sealing rubber materials exposed to high-pressure hydrogen gas", Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, Vol. 6, No. 6, 2012, pp. 466-477, doi: https://doi.org/10.1299/jmmp.6.466.

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