KR0129046B1 - 자체 윤활성을 지닌 내열내마모성이 우수한 고분자 복합재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 성형성, 고감도 및 자체윤활성을 지닌 내열마모성이 우수한 고분자 복합재료를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 자체윤활성을 지닌 내열마모성 고분자 복합재료에 있어서, 성형성이 우수한 열가소성 수지를 모재로 하여, 강화제로서 1 내지 10㎜ 길이의 탄소강화섬유를, 모재중량에 대하여 10 내지 40중량%, 윤활제로 흑연분말을 혼합하여 조성된 혼합물을 분쇄하여, 성형제조되는 자체윤활성을 지닌 내열마모성이 우수한 고분자 복합재료에 관한 것을 요지로 한다.

본 발명은 성형성이 양호하므로, 산업설비 부품으로 폭넓게 사용될 수 있고, 특히 자체윤활성을 갖고 있어, 성형성과 윤활성 및 고강도와 높은 내마모성이 필요한 오일레스 베어링용으로 사용될 수 있는 효과가 있다.

Description

자체 윤활성을 지닌 내열마모성이 우수한 고분자 복합재료

제1도는 윤활제 함량에 따른 발명재의 마모율 변화 그래프

제2도는 (압력×속도)의 값에 따른 발명재와 종래재의 마모율 비교그래프

제3도는 강화제 함량에 따른 발명재의 마모율 변화 그래프

제4도는 (압력×속도)의 값에 따른 발명재와 종래재의 마모율 비교그래프

본 발명은 그리스나 오일을 함유하지 아니하고, 고온이나 화학적 분위기에서 부식 또는 마모가 발생되는 운동부위에서, 베어링용 소재 및 산업설비 부품 소재로 사용되는 고분자 복합재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열가소성 수지로 제조된 자체 윤활성을 지닌 내열 내마모성이 우수한 고분자복합재료에 관한 것이다.

일반적으로, 접동부위에 사용되는 오일레스 베어링 소재로는 윤활제를 함유하고 있는 금속이 주로 이용되고 있는데, 최근에는 자체 윤활성이 있는 폴리테트라플로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, 이하 테프론이라 함)이나 폴리이미드(polyimide)계등 고분자 복합재료가 쓰이고 있고, 또한 열경화성 바인더를 이용한 흑연 성형체로 사용되고 있다. 이러한 자체 윤활성을 지닌 내마모성 소재는 건식 오일레스 베어링 이외에, 일반산업 설비에서도 그 응용되는 폭이 대단히 넓고, 또한, 각종 전자기기제품에서도 내마모성을 요구하는 부품으로 흔히 이용되고 있다.

현재 이러한 기기 부품이나 오일레스 베어링으로 이용되고 있는 고분자 복합재료는 대부분이 고분자 수지 자체이거나, 아니면 고분자 수지에 윤활성을 높이기 위해 흑연 분말을 첨가한 형태로 이용되고 있다. 그런데, 이들 수지는 대개 열경화성이거나 또는 열가소성이라도 고점도의 수지로서, 용제가 없거나, 있어도 고가이고, 또는 독성을 갖고 있어, 제조된 성형품의 경제성이 크지 아니하며 적용성에 한계가 있다. 예를들면, 현재 내열성을 가진 자체 윤활성 내마모성 고분자 복합재료로서 가장 성능이 우수한 폴리이미드계 복합재료도 사출이나 압출등의 성형성이 좋지 않아서 사용폭이 크지 못하고 고가의 재료로 이용되고 있다. 또한, 성형성이 비교적 좋은 열가소성 수지로 내열성 고분자 수지의 점도는 일반 고분자 수지보다 수배에서 수십배 이상 높기 때문에 수지만으로 성형이 쉽지 아니하며, 이를 복합재료로 만들어 성형하는 것은 더더욱 어려워, 현재 이 계통의 복합재료는 프리플렉을 이용한 압축성형 형식으로 제조하여 사용되고 있어, 단순 구조재 이외의 용도로는 활용이 크게 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

즉, 기존의 금속모재 베어링등의 경우, 화학적 분위기에서 부식이 심화되고, 또한 현재 이용되고 있는 폴리이미드계와 같은 내화학성 고분자 수지등의 경우 성형성이 좋지 못하며 경제성이 낮고, 그리고 대부분의 고분자 수지의 경우 낮은 강도를 갖는 등의 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 다양한 성형성, 고강도 및 자체윤활성을 지닌 내열마모성의 우수한 고분자 복합재료를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 자체윤활성을 지닌 고분자 복합재료에 있어서, 1-10㎜ 길이의 탄소강화섬유 : 10-40wt%, 흑연분말 : 20wt 이하, 및 나머지 열가소성 수지로 조성되는 자체윤활성을 지닌 내열마모성이 우수한 고분자 복합재료에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서, 모재로는 성형이 가능한 열가소성 수지가 사용되는데, 바람직한 열가소성 수지로는 폴리아미드이미드(polyamideimide, 이하 PAI라 함), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, 이하 PEEK라 함), 폴리에테르이미드(polyetherimide) 등의 내열성 수지를 들 수 있다. 상기, PEEK 수지는 폴리아미드에테르케톤(polyamideetherketone) 부류의 수지중 하나로, 240℃ 정도의 내열성이 있으며, 다른 결정성 수지와 같이 강화제에 의한 열변형 온도의 상승 효과가 커서, 복합재료의 열변형 온도가 300℃ 정도이며, 내열성 뿐 아니라 내피로성, 내흡습성, 내화학성 등이 우수하다. 상기 PAI 수지는 폴리아미드계 수지로서, 폴리이미드에 비해 내열성이 약간 떨어지는 반면 성형성은 월등히 뛰어나며, 내크리프성은 열가소성 수지중 가장 뛰어난 우수한 기계적 특성을 가지고 있고, 또한 폴리이미드계 수지의 일반적인 특징인 내마모성이 극히 우수하고 유기용제에 대해서 특히 안정한 특징이 있다. 한편, 모재로 사용되는 수지의 종류에 따라 강화제 및 윤활제의 첨가량이 서로 다르다. 그 이유를 PAI 수지 및 PEEK 수지를 모재로 사용하는 경우 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

즉, PAI 수지의 물리적 열 안정성, 즉 우리전이온도는 PEEK 수지보다 높지만, 화학적 열안정성은 PEEK 수지에 비해 다소 떨어지는 경향을 가지고 있어, 조성에 따른 혼합에서 혼합방식에 따라 그 특성의 저하가 발생할 수 있기 때문이며, 또한, 강화제의 함량에 따른 수지의 혼합시 적용하는 토크 변화가 강화제의 함량이 증가함에 따라 필요 토크도 증가하기 때문이다.

통상, 복합재료를 제조하는 주목적은 강화제를 첨가하여 강도 등 기계적 특성을 향상시키기 위한 것이나, 마모에는 반드시 좋은 영향만을 주는 것은 아니다. 즉, 강화효과에 의하여 파단강도(s)는 증가하나 파단 변형율(e)는 오히려 떨어지는데, 일반적으로 강도 증가보다 변형을 감소가 크므로 그곱의 값(se)은 감소하여, 오히려 마모율에는 역효과를 미치게 된다. 예를들면, 탄소섬유 강화제를 30g중량% 함유한 폴리카보네이트(polycarbonate) 복합재료는 1.8배, 폴리프로필렌(polypropylene) 경우는 1.9배, 테프론 경우는 마모율이 3배로 증가한다. 반면에 계면 마모에는 강화제나 첨가제가 좋은 영향을 미치어, 폴리카보네이트는 0.03, 폴리프로필렌은 0.008, 테프론은 0.004배로, 각각 현격히 그 마모속도가 감소한다. 그런데, 체적 변형 마모는 상대적으로 거칠은 면에서 주요 마모기구이고, 계면마모는 매끈한 면에서 주요 마모기구이므로, 베어링과 같이 매끈한 접동면에서 이용되는 재료에서, 강화제와 첨가제에 의한 마모는 계면마모의 영향을 크게 받게 되어, 마모속도는 감소하게 된다. 그러나, 경우에 따라서는 강화제와 같은 첨가제가 상대면을 마모시키는 역효과를 가져오기도 하는데, 즉 활주운동시, 복합재료의 첨가제가 형상에 따라서는 계면에서 파편으로 마멸되는 양을 크게 하여 마모속도를 증가시키기도 한다. 따라서, 본 발명은 계면마모율을 억제하기 위해, 자체 윤활성을 갖도록 열가소성 수지 모재에 대하여 1 내지 10㎜ 길이의 탄소강화 섬유를 10 내지 40중량% 첨가하고, 흑연 분말을 첨가함으로서, 윤활효과를 높인 것을 특징으로 하는 것이다. 본 발명에서 탄소강화섬유의 함유량이 10중량% 이하로 첨가되면, 모재에 대하여 상대적으로 강화제량이 적어 복합재료의 내열강도가 떨어지고, 또한, 탄소강화섬유 자체가 윤활 작용에도 영향을 미치므로, 복합재료의 자체윤활성이 떨어진다. 반면, 강화제가 40중량% 이상 첨가되는 경우, 수지의 양에 비하여 탄소강화 섬유의 부피가 많아 가공할 때 혼합이 어렵게 되어 가공상의 문제가 야기된다. 그리고, 탄소강화 섬유의 길이가 10㎜이상의 것을 사용하는 경우, 역시 가공시 부피가 커져 혼합이 잘 안되고, 가공성과 작업성이 저하되며, 1㎜ 이하의 탄소강화 섬유를 사용할 경우 섬유들간의 결합력이 저하되어 복합재료의 강도가 떨어지게 된다.

상기와 같이, PEEK 수지나 PAI 수지등과 같은 열가소성 내열 수지를 모재로, 길이 1 내지 10㎜의 탄소강화섬유를 모재중량에 대하여 10 내지 40중량% 첨가하여 조성되는 고분자 복합재료만으로도, 고강도의 특성과 다양한 성형에 가능하게 되고, 종래재로서 가장 우수한 내열성과 내마모율을 가지고 있는 폴리아미드계 복합재료와 비교할 경우, 내마모성면에서 동일 수준의 값을 가지나, 보다 자체윤활성이 향상된 내열내마모성 고분자 복합재료를 얻기 위해서는, 상기와 같이 조성되는 고분자 복합재료에 흑연분말을 첨가하면 더욱 내마모성이 높고, 자체 윤활성도 지닐 수 있게 된다. 즉, 흑연분말이 첨가되지 않는 경우, 탄소강화섬유의 첨가량이 증가함에 따라 강도의 증가를 가져오게 되며, 상술한 바와 같이 파단변형율은 오히려 떨어져 변형율이 크게 감소하게 되고, 마모율에는 역효과를 나타내기 때문에 흑연분말을 소량 첨가함으로써 자체 윤활성을 지니게 되므로 내마모성을 크게 개선할 수 있다. 이때, 흑연분말의 입자크기는 한정되지 않으나 평균입자 크기는 30 내지 50㎛가 바람직하다.

또한, 상술한 바와 같이, 열가소성 수지의 종류에 따라 혼합방식에 차이가 있으며, 이 혼합방식에 따라 최종 복합재료의 특성이 변하므로, PEEK 수지와 PAI 수지를 모재로 사용하는 경우, 흑연분말의 첨가량에 차이가 있다. PEEK 수지를 모재로 사용하는 경우에는 흑연분말이 5 내지 20중량% 첨가되는 것이 가장 내마모성이 우수한데, 그 이유는 5중량% 이하로 첨가되는 경우, 종래의 폴리이미드계 복합재료에 비하여 내마모성에 별로 차이가 발생하지 않으며, 20중량% 이상 첨가되는 경우 내마모성은 우수하나, 흑연 분말량의 과다로 상대적으로 PEEK 수지의 양이 줄게되어, 혼합이 어렵고, 강도 자체도 떨어지기 때문이다. 한편, PAI 수지를 모재로 사용하는 경우, 흑연분말이 5중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직한데, 그 이유는 5중량% 이상 첨가시 내마모성은 우수하나, PAI 수지 자체가 물리적 성질 면에서 상당히 매끄러워 PAI 수지와 혼합이 불가능하기 때문이다. 상기와 같이, 열가소성 내열수지에 탄소강화 섬유를 강화제로 하고, 흑연분말을 윤활제로 첨가한 자체윤활성을 지닌 내열마모성이 우수한 고분자 복합재료는, 형상에 의한 마모율의 악영향을 최소화하면서도 강도는 증가시키고, 또한 복합재료 제조에서 최종 사용용도에 따라 조성과 혼합 및 성형공정을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다. 이하, 본 발명의 고분자 복합재료를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

상기한 본 발명의 수지와 강화제 및 윤활제 등은 미리 가열된 혼합기에 동시에 혼입하여, 수지의 용점 부근에서 열용융시켜, 강화제와 윤활제가 수지내에 균일하게 혼합되도록 하는 것이 바람직하며, 이 혼합물을 입상체로 만들어, 금형에 인입하여, 성형하므로써 본 발명의 고분자 복합재료가 제조된다.

상기 혼합물의 입상체 제조시 입자크기는 한정되지 않으나, 성형성을 위해 3 내지 5㎜정도가 바람직하다.

본 발명의 경우, 성형조건은 수지 종류와 조성에 따라 다르지만, 통상, 수지의 융점 근처의 온도에서 5내지 10톤으로 가압하여, 압축 성형할 수 있다. 압축성형 뿐만 아니라, 사출성형을 하게 되는 경우도 사출 성형기에 따라 다르지만, 이때도 온도는 수지의 융점근처에 가깝게 하여 가열한 후 성형한다. 본 발명의 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 성형방법에 있어서, 한정을 두지 않으며 단지 상기한 열가소성 수지, 탄소강화섬유 및 흑연이 상기한 혼합비율로 조성되는 조성물을, 수지의 열용융점 온도 부근에서 성형하는 것이 중요하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다.

(실시예 1)

하기표 1과 같은 물성을 갖는 PEEK 수지를 모재로 하여, 하기표 2와 같은 물성을 갖는 길이 3㎜의 탄소강화 섬유와 편균입자 크기가 50㎛인 흑연분말을, 모재의 중량에 대하여, 하기표 3과 같은 조성으로 하여, 350℃ 정도로 예열된 혼합기에서, 혼합기 브레이드의 회전속도를 60rpm, 혼합시간을 10분 정도로 균일하게 충분히 혼합되도록 한 후, 이 혼합물을 3㎜ 크기의 입상체로 제조하였다. 상기 입상체를 금형에 인입하고, 가압온도 350℃에서 10톤의 압력으로 가압한 후, 정육면체의 시편을 제조하고, 내마모성 시험과 내열 압축 강도 시험을 하여, 그 결과를 제1도, 제2도 및 하기표 3에 나타내었다.

하기표 3에서 종래재는 자체 윤활성이 좋은 내마모재로서, 고특성 오일레스 베어링에 이용되고 있는 순수폴리이미드계 복합재료(이하, PI-0라 한다)와 흑연분말을 40중량% 함유한 보다 윤활성이 높은 폴리이미드계 복합재료(이하, PI-40이라 한다.)이다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

또한, 제1도는 탄소강화 섬유 첨가량이 30중량%인 발명재의 경우, 흑연분말의 첨가량을 변화시켜 마모율을 비교한 그래프이며, 제2도는 제1도와 동일 조건에서, 압력 및 속도를 변화시켰을 때, 종래재와의 마모율을 비교한 그래프이다. 이때, 마모율은 4시간 동안의 마모량을 길이로 환산한 값이며, 또한, 내열압강도치는 1% 오프(off) 방식의 압축항복강도로서, 1㎜/min의 변형속도로 강하시 실험결과치이다.

상기 표3에 나타난 바와 같이, 발명재의 경우 종래재에 비하여 내열압축강도가 100℃ 이하에서 2배 이상의 높은 강도를 나타내는 고강도의 특성을 갖고 있다. 그러나, 200℃ 이상의 고온분위기에서는 종래재에 비하여 성형성이 우수하며, 제1도 및 제2도의 결과에서 나타난 바와 같이 비교재(1-4)의 경우 내마모성이 열악하나 본 발명재(1-3)의 경우 내마모성이 우수함을 알 수 있으며, 따라서, 일반 산업 설비부품으로 사용이 가능하게 된다. 즉, 제1도에서 나타난 바와 같이, 일반 산업 설비부품으로 사용이 가능하게 된다. 즉, 제1도에서 나타난 바와 같이, 흑연분말이 5내지 20중량% 범위에서 종래의 마모율이 가장 낮은 PI-40 폴리이미드 복합재료보다도 약간 높은 내마모성을 갖으며, 이것을 종래재의 경우 흑연분말을 40중량% 첨가해야 하지만, 본 발명재의 경우 불과 5내지 2중량%만 첨가하여도 그 이상의 효과를 나타낼 수 있다는 것을 나타낸다.

(실시예 2)

하기표 4와 같은 물성을 갖는 PAI 수지를 모재로 하여, 실시예 Ⅰ과 같은 탄소강화섬유와 흑연분말을, 모재 중량에 대하여, 하기표 5와 같은 조성으로 하여, 350℃ 정도로 예열된 혼합기에서, 혼합기 브레이드의 회전속도를 5rpm, 혼합시간을 10분 정도로 하고, 실시예Ⅰ과 동일한 방법으로 내마모성 및 내열압축강도를 측정하여, 그 결과를 제3도, 제4도 및 하기표 5에 나타내었다.

[표 4]

[표 5]

제3도는 흑연분말 첨가량이 5중량%인 발명재의 탄소강화 섬유 첨가량을 변화시켜 마모율을 비교한 그래프이며, 제4도는 압력 및 속도를 변화시켰을때, 흑연분말을 첨가하지 않은 경우와 5중량% 첨가한 발명재에 대한 마모율을, 탄소섬유 첨가량 변화에 따라, 종래재와 비교한 그래프를 나타낸다.

상기표 5의 결과에서 나타난 바와 같이, 실시예 Ⅱ의 발명재의 경우의 내열압축 강도는 실시예 Ⅰ의 발명재와 종래재보다 고온에서 약 2 내지 3배 정도의 높은 강도를 유지하고 있다.

또한, 제3도에 나타난 바와 같이, 흑연분말의 첨가량이 5중량%인 경우의 발명재는, 탄소섬유 함량의 변화와 관계없이 우수한 내마모성을 가지며, 제4도에서 나타난 바와 같이, 비교재 및 종래재에 비하여 월등히 우수한 내마모성을 나타내었다.

상기와 같이, 본 발명은 종래재에 비하여 성형성이 양호하므로 산업설비 부품으로 폭넓게 사용될 수 있고, 특히, 자체윤활성을 갖고 있어, 성형성과 윤활성 및 고강도와 높은 내마모성이 필요한 오일레스 베어링용으로 사용될 수 있는 고분자 복합재료를 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 자체 윤활성을 갖는 고분자 복합재료에 있어서, 강화제인 1-10㎜ 길이의 탄소강화섬유 : 10-40wt%, 흑연분말 : 5-20wt%, 및 나머지 모재인 폴리에테르에테르케톤수지로 조성됨을 특징으로 하는 자체윤활성을 지닌 내열마모성이 우수한 고분자 복합재료