본 발명에 따른 저투과성 연료호스용 나노클레이 복합체는, 천연고무, 폴리부타디엔고무, 폴리스티렌부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴고무, 클로로프렌고무, 폴리이소프렌고무, 폴리프렌이소부티렌 공중합체, 에틸렌프로필렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 클로로술포네이트화 폴리에틸렌고무, 아크릴고무, 에틸렌아크릴레이트 공중합체, 에피클로히드린고무, 불소고무 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 배치고무 30 내지 90중량부, 극성의 나노클레이, 비극성의 나노클레이 또는 이들의 혼합물인 나노클레이 2 내지 60중량부, 프로세스오일 2 내지 30중량부를 혼합, 혼련시켜서 이루어진다.
상기에서 극성의 나노클레이 또는 비극성의 나노클레이는 몬모릴로나이트(montmorillonite), 헥토라이트(hectorite), 플루오르헥토라이트(flourohectorite), 사포나이트(saponite), 사우코나이트(sauconite), 버미쿠라이트(vermiculite), 마가디이트(magadiite), 케냐아이트(kenyaite) 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 친수성의 나노클레이를 메틸아민 하드로클로라이드, 프로필아민, 부틸아민, 옥틸아민, 데실아민, 도데실아민, 헥사데실아민, 옥타데실아민, 6-아미노헥사노익산, 12-아미노헥사노익산, 테트라메틸암모늄클로라이드, N-메틸옥타데실아민, 옥타데실트리메틸암모늄 브롬마이드, 도데실트리메틸암모늄브롬마이드, 디메틸벤질옥타데실암모늄브로마이트, t-헥사데실피리듐 브로마이드, 1,6-헥사메틸렌디아민, 1,12-도데칸디아민 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 유기화제로 처리하여 수득된 것이 될 수 있다.
상기에서 극성의 나노클레이 또는 비극성의 나노클레이는 나노클레이를 구성하는 입자의 종횡비가 10 내지 1000 이내인 것이 될 수 있다.
본 발명에 따른 저투과성 연료호스용 나노클레이 복합체를 포함하는 자동차용의 저투과성 연료호스는, 천연고무, 폴리부타디엔고무, 폴리스티렌부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴고무, 클로로프렌고무, 폴리이소프렌고무, 폴리프렌이소부티렌 공중합체, 에틸렌프로필렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 클로로술포네이트화 폴리에틸렌고무, 아크릴고무, 에틸렌아크릴레이트 공중합체, 에피클로히드린고무, 불소고무 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 배치고무 30 내지 90중량부, 극성의 나노클레이, 비극성의 나노클레이 또는 이들의 혼합물인 나노클레이 2 내지 60중량부, 프로세스오일 2 내지 30중량부를 혼합, 혼련시켜서 이루어지는 나노클레이 복합체 2 내지 70중량부, 원료고무로서 아크릴로니트릴부타디엔고무/폴리염화비닐고무(혼합비 = 70중량% : 30중량%)의 혼합고무 30 내지 98중량부, 소련제, 스테아린산, 산화아연, 활성화제, 노화방지제, 카본블랙, 화이트카본 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 배합제 38.5 내지 111중량부를 혼합, 혼련시키고, 상기 원료혼합물 100중량부에 대하여 유황 0.1 내지 1중량부 및 가황촉진제 1.5 내지 9중량부를 더 혼합한 후, 성형 및 가류시켜서 이루어진다.
상기 배합제는 소련제(아로마틱 또는 알리파틱 하이드로카본 레진 단독 혹은 혼합물) 1 내지 5중량부, 스테아린산 1 내지 3중량부, 산화아연 2 내지 10중량부, 활성화제(폴리에틸글리콜) 0.5 내지 3중량부, 노화방지제 2 내지 10중량부, 카본블랙 30 내지 70중량부 및 화이트카본 2 내지 10중량부를 포함하여 이루어지는 것이 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동차용의 저투과성 연료호스의 제조방법은, 연료호스의 제조에 있어서, (1) 천연고무, 폴리부타디엔고무, 폴리스티렌부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴고무, 클로로프렌고무, 폴리이소프렌고무, 폴리프렌이소부티렌 공중합체, 에틸렌프로필렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 클로로술포네이트화 폴리에틸렌고무, 아크릴고무, 에틸렌아크릴레이트 공중합체, 에피클로히드린고무, 불소고무 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 배치고무 30 내지 90중량부, 극성의 나노클레이, 비극성의 나노클레이 또는 이들의 혼합물인 나노클레이 2 내지 60중량부 및 프로세스오일 2 내지 30중량부를 혼합, 혼련시켜서 나노클레이 복합체를 준비하는 1차혼합단계; (2) 상기 1차혼합단계에서 수득되는 나노클레이 복합체 2 내지 70중량부, 원료고무로서 아크릴로니트릴부타디엔고무/폴리염화비닐고무(혼합비 = 70중량% : 30중량%)의 혼합고무 30 내지 98중량부, 및 배합제 중 소련제 1 내지 5중량부를 상온에서 1 내지 10분 동안 혼합, 혼련시킨 후, 상기 배합제 중 소련제를 제외한 나머지 성분들 37.5 내지 106중량부를 첨가하여 혼합, 혼련시킨다. 롤 간격 0.5 내지 5㎜의 냉각롤밀에서 1 내지 20분간 배합시키는 2차혼합단계; (3) 상기 2차혼합단계에서 수득되는 원료혼합물 100중량부에 대하여 유황 0.1 내지 1중량부 및 가황촉진제 1.5 내지 9중량부를 더 혼합한 후, 호스의 형태로 성형하는 성형단계; 및 (4) 상기 성형단계에서 수득되는 성형된 호스를 130 내지 170℃의 온도범위의 증기가마에서 20 내지 60분간 가류시키는 가류단계;들을 포함하여 이루어진다.
상기 성형단계와 가류단계 사이에 30 내지 40℃, 상대습도 50%에서 10 내지 24시간 방치하여 숙성시키는 숙성단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 저투과성 자동차용 연료호스 나노복합체 제조방법을 각 단계별로 구분하여 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 저투과성 연료호스용 나노클레이 복합체는, 천연고무, 폴리부타디엔고무, 폴리스티렌부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴고무, 클로로프렌고무, 폴리이소프렌고무, 폴리프렌이소부티렌 공중합체, 에틸렌프로필렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 클로로술포네이트화 폴리에틸렌고무, 아크릴고무, 에틸렌아크릴레이트 공중합체, 에피클로히드린고무, 불소고무 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 배치고무 30 내지 90중량부, 극성의 나노클레이, 비극성의 나노클레이 또는 이들의 혼합물인 나노클레이 2 내지 60중량부, 프로세스오일 2 내지 30중량부를 혼합, 혼련시켜서 이루어짐을 특징으로 한다.
상기에서 언급된 자동차용 연료호스로 사용될 수 있는 고무 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 천연고무, 합성고무로서 합성고무는 디엔계 중합체 또는 비디엔계 중합체로 단독 혹은 2 종류 이상의 블렌드 고무를 언급할 수 있으며, 예를 들면. 아크릴로니트릴고무, 클로로고무, 에피클로로히드린 고무, 클로로술포네이트 폴리에틸렌 고무, 불소고무들을 들 수 있으나, 본 발명이 이들에 제한되는 것은 아니다. 상기 배치고무의 함량을 포함하여 본 명세서에서의 각 성분들의 함량은 반복 실험을 통하여 최적의 혼합비를 결정한 것으로서, 본 발명이 의도하는 저투과성의 연료호스의 제조에 최적인 배합비로 결정된 것으로서, 그 상한이나 하한의 설정에 별도의 의미가 있는 것은 아니다.
상기에서 극성의 나노클레이 또는 비극성의 나노클레이는 몬모릴로나이트, 헥토라이트, 플루오르헥토라이트, 사포나이트, 사우코나이트, 버미쿠라이트, 마가디이트, 케냐아이트 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 친수성의 나노클레이를 메틸아민 하드로클로라이드, 프로필아민, 부틸아민, 옥틸아민, 데실아민, 도데실아민, 헥사데실아민, 옥타데실아민, 6-아미노헥사노익산, 12-아미노헥사노익산, 테트라메틸암모늄클로라이드, N-메틸옥타데실아민, 옥타데실트리메틸암모늄 브롬마이드, 도데실트리메틸암모늄브롬마이드, 디메틸벤질옥타데실암모늄브로마이트, t-헥사데실피리듐 브로마이드, 1,6-헥사메틸렌디아민, 1,12-도데칸디아민 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 유기화제로 처리하여 수득된 것이 될 수 있다. 이러한 나노클레이들은 당업자에게는 상용적으로 구입하여 사용할 수 있을 정도로 공지된 것으로서, 예를 들면, 미국 사우던 클레이사(Southern Clay) 클로이시트 15A(Cloisite 15A ; 비극성 나노클레이), 클로이시트 30B(Cloisite 30B ; 극성 나노클레이)들을 들 수 있으나, 본 발명이 이들에 제한되는 것은 아니다.
상기에서 극성의 나노클레이 또는 비극성의 나노클레이는 나노클레이를 구성하는 입자의 종횡비가 10 내지 1000 이내인 것이 될 수 있다. 상기 입자의 종횡비가 10 미만이 되는 경우, 고무의 물리적 성질 및 투과성이 향상되지 못하는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 1000을 초과하는 경우, 나노클레이를 고무 컴파운드에 균일하게 분산시키기 어려움이 있을 수 있다.
상기 프로세스오일은 혼합 및 혼련을 돕기 위하여 첨가되는 것으로서, 상용화된 아디페이트계 프로세스오일이 사용될 수 있다.
상기한 성분들을 상기한 배합비로 혼합하고, 혼련시킴에 있어서, 혼합 및 혼련은 상용화된 고무배합기(반바리 믹서, 인터널 믹서(Internal mixer), 2축-롤 밀(Two Roll Mill)에 투입하고, 상온에서, 교반시키는 것에 의해 수행될 수 있으 며, 이러한 혼련은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 용이하게 수행할 수 있을 정도로 이해될 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 저투과성 연료호스용 나노클레이 복합체를 포함하는 자동차용의 저투과성 연료호스는, 천연고무, 폴리부타디엔고무, 폴리스티렌부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴고무, 클로로프렌고무, 폴리이소프렌고무, 폴리프렌이소부티렌 공중합체, 에틸렌프로필렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 클로로술포네이트화 폴리에틸렌고무, 아크릴고무, 에틸렌아크릴레이트 공중합체, 에피클로히드린고무, 불소고무 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 배치고무 30 내지 90중량부, 극성의 나노클레이, 비극성의 나노클레이 또는 이들의 혼합물인 나노클레이 2 내지 60중량부, 프로세스오일 2 내지 30중량부를 혼합, 혼련시켜서 이루어지는 나노클레이 복합체 2 내지 70중량부, 원료고무로서 아크릴로니트릴부타디엔고무/폴리염화비닐고무(혼합비 = 70중량% : 30중량%)의 혼합고무 30 내지 98중량부, 소련제, 스테아린산, 산화아연, 활성화제, 노화방지제, 카본블랙, 화이트카본 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 배합제 38.5 내지 111중량부를 혼합, 혼련시키고, 상기 원료혼합물 100중량부에 대하여 유황 0.1 내지 1중량부 및 가황촉진제 1.5 내지 9중량부를 더 혼합한 후, 성형 및 가류시켜서 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 나노클레이 복합체에 대하여는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 혼합고무는 상기 나노클레이 복합체와 혼합되는 원료고무로서 아크릴로니트릴부타디엔고무/폴리염화비닐고무(혼합비 = 70중량% : 30중량%)의 혼합물이다. 상기 혼합비의 범위를 벗어나는 경우, 오존에 대한 내성이 취약한 문제점이 있을 수 있다.
상기 배합제는 소련제, 스테아린산, 산화아연, 활성화제, 노화방지제, 카본블랙, 화이트카본 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것으로서, 고무 컴파운드 배합을 용이하게 하고, 물리적 성질을 향상시키는 기능을 한다.
상기에서 소련제는 방향족 탄화수소 및 지방족 탄화수소의 혼합물로서, 상기한 원료고무를 배합하기에 적절하도록 점도를 낮추는 기능을 하며, 또한 상기한 다른 혼합성분들을 균일하게 분산시키는 기능을 한다.
상기 배합제는 소련제(아로마틱 또는 알리파틱 하이드로카본 레진 단독 혹은 혼합물) 1 내지 5중량부, 스테아린산 1 내지 3중량부, 산화아연 2 내지 10중량부, 활성화제(폴리에틸글리콜) 0.5 내지 3중량부, 노화방지제 2 내지 10중량부, 카본블랙 30 내지 70중량부 및 화이트카본 2 내지 10중량부를 포함하여 이루어지는 것이 될 수 있다.
상기 노화방지제로는 페닐-α-나프틸아민, N,N'-디페닐-p-페닐렌디아민, N,N'-디-β-나프틸-p-페닐렌디아민, N-페닐-N'-이소필-p-페닐렌디아민, N-(1,3-디메틸-부틸)-N'-페닐-p-페닐렌디아민, 2,5-디-t-아밀하이드로퀴논, 2,5-디-t-부틸하이드로퀴논, 2,2'-메틸렌 비스(4-메틸-6-t-부틸페놀), 4,4'-티오-비스(6-t-부틸-3-메틸페놀),스티네이트 페놀, 니켈디부틸디티오카르바메이트, 니켈-이소피산테이트, 트리(노닐레이트페닐)포스파이트, 2-메르캅토벤조이미다졸, 아연-2-메르캅토벤조이 미다졸, 트리부틸티오우레아, 1,2-비스(디메틸아미노프로필)-2-티오우레아 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 것이 사용될 수 있다.
상기 유황 및 가황촉진제는 후속하는 가류공정에서 상기 호스를 구성하는 고무성분들을 가류시켜 물리적 성질을 변화시켜, 즉 가교화 등을 통하여 기계적 성질을 향상시키고, 내구성 등을 향상시키는 기능을 한다. 특히 상기 가황촉진제는 N-사이클로헥실-2-벤조티아졸술펜아미드(CBS), N-t-부틸-2-벤조티아졸술펜아미드(BBS), N-옥시디에틸렌-2-벤조티아졸 술펜아미드(OBS), N,N-디이소프로필렌-2-벤조티아졸술펜아미드(DPBS) 등과 같은 술펜아미드계 촉진제; 테트라메틸티우람모노설파이드(TMTM), 테트라메틸티우람디설파이드(TMTD), 테트라에틸티우람의설파이드(TETD), 테트라부틸티우람의설파이드(TBTD), 디펜타메틸렌티우람테트라설파이드(DPTT) 등과 같은 티우람계 촉진제 및 4,4-디티오디모포린(DTDM) 등과 같은 황유도체들 중에서 선택된 것이 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동차용의 저투과성 연료호스의 제조방법은, 연료호스의 제조에 있어서, (1) 천연고무, 폴리부타디엔고무, 폴리스티렌부타디엔 고무, 폴리아크릴로니트릴고무, 클로로프렌고무, 폴리이소프렌고무, 폴리프렌이소부티렌 공중합체, 에틸렌프로필렌고무, 에틸렌비닐아세테이트고무, 클로로술포네이트화 폴리에틸렌고무, 아크릴고무, 에틸렌아크릴레이트 공중합체, 에피클로히드린고무, 불소고무 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 배치고무 30 내지 90중량부, 극성의 나노클레이, 비극성의 나노클레이 또는 이들의 혼합물인 나노클레이 2 내지 60중량부, 프로세스오일 2 내지 30중량부를 혼합, 혼련시켜서 나노클레이 복합체를 준비하는 1차혼합단계; (2) 상기 1차혼합단계에서 수득되는 나노클레이 복합체 2 내지 70중량부, 원료고무로서 아크릴로니트릴부타디엔고무/폴리염화비닐고무(혼합비 = 70중량% : 30중량%)의 혼합고무 30 내지 98중량부, 및 배합제 중 소련제 1 내지 5중량부를 상온에서 1 내지 10분 동안 혼합, 혼련시킨 후, 상기 배합제 중 소련제를 제외한 나머지 성분들 37.5 내지 106중량부를 첨가하고, 롤 간격 0.5 내지 5㎜의 냉각롤밀에서 1 내지 20분간 배합시키는 2차혼합단계; (3) 상기 2차혼합단계에서 수득되는 원료혼합물 100중량부에 대하여 유황 0.1 내지 1중량부 및 가황촉진제 1.5 내지 9중량부를 더 혼합한 후, 호스의 형태로 성형하는 성형단계; 및 (4) 상기 성형단계에서 수득되는 성형된 호스를 130 내지 170℃의 온도범위의 증기가마에서 20 내지 60분간 가류시키는 가류단계;들을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 1차혼합단계는 앞서의 나노클레이 복합체에 대한 설명과 동일하다.
상기 2차혼합단계는 앞서의 원료혼합물에 대한 설명과 동일하다. 상기 2차혼합단계에서의 롤 간격 0.5 내지 5㎜의 냉각롤밀에서 1 내지 20분간 배합에 의하여 강한 전단력이 가해지도록 하여 나노클레이의 층간사이로 고무 분자 사슬의 삽입 및 나노클레이의 박리가 용이하게 일어나도록 할 수 있는 것으로 여겨진다.
직선형태로 압출된 연료호스는 적당한 길이로 절단하고, 130 내지 170℃의 증기 가마에서 20 내지 60분간 방치하여 원료고무의 주쇄간 가교가 형성되도록 가류시킨다. 상기 가류온도가 130℃ 미만이 되거나, 가류시간이 20분 미만이 되는 경우, 가교가 불충분하여 수득되는 연료호스의 물성이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 상기 가류온도가 170℃를 초과하거나, 가류시간이 60분을 초과하는 경우, 연료호스의 생산성 저하 와 함께 연료호스의 물성이 오히려 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.
상기 성형단계와 가류단계 사이에 30 내지 40℃, 상대습도 50%에서 10 내지 24시간 방치하여 숙성시키는 숙성단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 숙성온도 및 습도를 만족하지 못하면 연료호스의 균일한 물성을 얻을 수 없는 문제점이 있을 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 자동차용 연료호스 고무 조성물에 극성 및 비극성 나노클레이의 효과를 자세히 설명하고자 한다.
하기 표 1에서와 같이 배합하고, 대한민국 소재 협영기계사에서 제조한 용량 75ℓ 규격의 고무배합기에서 총용량의 70용적%로 배합물을 투입하고, 상온 하에서 40rpm의 교반속도로 혼련시킨 후, 통상의 방법에 따라 관의 형상으로 성형하여 연료호스를 준비하고, 그 물성들을 다음과 같이 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
시약명 |
비교예1 |
실시예1 |
실시예2 |
실시예3 |
NBR-PVC |
100 |
100 |
100 |
100 |
소련제 |
3 |
3 |
3 |
3 |
스테아린산 |
1 |
1 |
1 |
1 |
산화아연 |
5 |
5 |
5 |
5 |
지연제 |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
노방제 |
2.7 |
2.7 |
2.7 |
2.7 |
클로이시트 30B |
- |
5 |
- |
2 |
클로이시트 15A |
- |
- |
5 |
3 |
카본블랙 |
35 |
35 |
35 |
35 |
프로세스오일 |
10 |
10 |
10 |
10 |
촉진 CBS |
1.7 |
1.7 |
1.7 |
1.7 |
촉진 TMTD |
1 |
1 |
1 |
1 |
촉진 DTDM |
1.7 |
1.7 |
1.7 |
1.7 |
황 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
단위 : 중량부 |
시험항목 |
비교예1 |
실시예1 |
실시예2 |
실시예3 |
경 도 |
61 |
62 |
62 |
62 |
인장강도 |
154 |
173 |
163 |
185 |
신장율 |
498 |
472 |
503 |
508 |
50% 모듈러스 |
16 |
16 |
16 |
16 |
100% 모듈러스 |
25 |
27 |
25 |
26 |
200% 모듈러스 |
45 |
47 |
44 |
45 |
비 중 |
1.188 |
1.203 |
1.198 |
1.199 |
실험예
1
연료투과성 평가 결과
상기 비교예1과 실시예3의 배합표를 바탕으로 양산 설비에서 고무/나노클레이 컴파운드를 제조하고 이를 고무압출기로 자동차용 연료호스를 압출한 후 성형을 통해 연료투과성 평가용 연료호스를 제조하였다.
닛플로 상기 호스의 한쪽 끝을 25㎜의 깊이로 봉하고, 호스 내부에 연료유(FUEL C)를 75% 채운 후 닛플로 다른 쪽을 25㎜의 깊이로 봉하였다. 연료유가 봉입된 호스의 무게를 0.01g 단위까지 측정하여 기록하고, 시험 온도 40± 2℃로 유지되는 챔버에서 14일 동안의 측정치 중에서 24시간 동안 가장 많이 줄어든 연료투과량을 측정하였다.
연료투과량(g/㎡/day)을 하기 수학식 1에 의해 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
연료투과량 = 14일 동안 측정치중 24시간 동안 가장 많이 줄어든 무게÷ 호스 단면적÷ 평가일
구 분 |
비교예1 |
실시예3 |
비 고 |
연료투과량 (g/㎡/일) |
268 |
188 |
30% 저하 |