KR100813129B1

KR100813129B1 - 블로우 아웃을 방지하는 궤도 몸체고무 조성물 및 이를사용한 궤도 몸체고무의 제조 방법

Info

Publication number: KR100813129B1
Application number: KR1020070071024A
Authority: KR
Inventors: 김종수; 이윤복; 최교준; 박동창; 조이석
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2008-03-17

Abstract

본 발명은 전차 등의 궤도 차량에 사용되는 궤도 몸체고무 조성물 및 이를 사용하여 궤도 몸체고무를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 궤도 몸체고무 조성물로 제조된 궤도 몸체고무는 내열성 및 내구성이 우수하며, 블로우 아웃 현상을 방지할 수 있어, 궤도 차량의 고속주행을 가능하게 하고, 궤도 조립체의 내구수명을 연장시키는 우수한 효과가 있다.

궤도 차량, 몸체고무, 블로우 아웃

Description

블로우 아웃을 방지하는 궤도 몸체고무 조성물 및 이를 사용한 궤도 몸체고무의 제조 방법{A COMPOSITION FOR TRACK SHOE BODIES WITH IMPROVED BLOW OUT RESISTANCE AND A METHOD OF MANUFACTURING TRACK SHOE BODIES USING THE COMPOSITION}

본 발명은 전차 등의 궤도 차량에 사용되는 궤도 몸체고무 조성물 및 이를 사용하여 궤도 몸체고무를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전차 등 고속으로 주행하는 궤도 차량에 사용되는 궤도는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 다수의 금속재질 궤도 몸체(12)를 연결하여 구성되며, 궤도몸체의 상부에는 궤도 몸체고무(11)가 사출성형 또는 압축성형 공정으로 접착된다. 이때 궤도 몸체고무(11)는 그 상부의 로드휠에 의해 전해지는 차량의 하중을 지면으로 전달하게 되며, 궤도 몸체(12)로부터 전해지는 지면의 충격하중을 일부분 흡수하는 역할도 수행한다.

한편, 최근 궤도 차량 동력장치 및 현수장치 기술의 발전으로 인해 궤도차량의 주행속도가 점차 상승하여, 궤도 몸체고무에 가해지는 하중의 크기와 주파수가 점차 증대되고 있는 추세이며, 이와 같이 점증하는 반복하중으로 인해, 도 4에 도 시된 바와 같이, 궤도 몸체고무(31) 내부에 기포가 형성되고, 기포가 팽창(32)하여, 궤도 몸체고무(31)가 파손되는 블로우 아웃 현상의 발생빈도도 높아지고 있는 실정이다.

궤도 몸체고무에 반복압축하중이 가해지면 고무의 점탄성 특성으로 인해 고무에서 발열이 일어나고, 이와 같은 발열은 궤도 몸체고무 내부에서는 방열이 원활하지 않으므로 고무의 심부 온도가 250℃ 이상으로 크게 상승하게 되고, 이로 인해 고무재료 내부에서 휘발성기체 또는 고무분자의 분해로 인한 기포(32)가 발생한다. 이때 궤도 몸체고무의 외부는 공기 중으로 방열하여 온도가 낮아져 인장강도를 보유하고 있게 되므로, 내부에서 발생한 기체는 밀폐되게 되어 마치 풍선처럼 궤도 몸체고무(31)가 부풀어 오르는 블로우 아웃 현상이 발생한다. 블로우 아웃이 심한 경우에는 궤도 몸체고무가 마치 풍선이 터지는 것과 같이 파손되어, 더 이상의 기능을 수행할 수 없게 된다. 따라서, 궤도 차량의 고속주행이 가능하게 하고, 궤도 조립체의 내구수명을 연장하기 위해서는 궤도 몸체고무의 블로우 아웃 방지 설계가 반드시 수행되어야 한다.

기존 궤도 몸체고무에 사용되었던 고무재질로는, 주로 천연고무(NR, natural rubber)를 기본으로 하여 합성고무인 스티렌-부타디엔 고무(SBR, styrene-butadiene rubber) 및 부타디엔 고무(polybutadiene rubber)를 20중량% 이하로 혼합하여 사용하여 왔으며, 몸체 고무의 내구성과 블로우 아웃 특성을 개선하기 위하여 인장강도와 내마모성이 큰 미립자 카본블랙(N220, N110)을 주로 사용하여 왔으나, 블로우 아웃 방지를 위한 몸체고무 재질에 있어서의 개선의 경향성은 발견되지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 블로우 아웃을 방지하는 전차 등 궤도 차량의 궤도 몸체고무 조성물을 제공하며, 상기 조성물을 사용하여 궤도 몸체고무를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 궤도 몸체고무 조성물은 천연고무 10~30중량% 및 합성고무 70~90중량%로 이루어지는 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙 N330 10~40중량% 및 카본블랙 N550 60~90중량%로 이루어지는 카본블랙 40~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 원료고무 중 합성고무는 내열 특성과 내마모 특성이 우수한 것이라면 그 종류에 있어서 특별히 제한되지는 않지만, 스티렌-부타디엔 고무 및/또는 폴리부타디엔 고무를 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 합성고무는 천연고무보다 내열특성 면에서는 우수하지만, 천킹(chunking), 칩핑(chipping)과 같은 궤도 몸체고무의 파괴모드에서는 불리한 것으로 알려져 있으므로, 상기와 같은 천연고무와 합성고무의 조성비로 사용하는 경우에 내열 특성과 내마모 특성을 동시에 만족시켜 궤도 몸체고무의 블로우 아웃 현상을 방지할 수 있다.

상기 카본블랙은 고무의 강화제로 사용되며, 일반적으로 고무에 사용되는 카 본블랙의 종류, 명칭, 입자 크기 및 용도 등은 다음 표 1과 같다.

카본블랙 명칭 (ASTM D1765 No.)	입자직경 (nm)	특성
SAF(N110)	22	강화효과 큼 높은 인장 강도 및 내마모 특성
ISAF(220)	28	강화효과 큼 높은 인장 강도 및 내마모 특성
HAF(N330)	32	우수한 내마모 특성 성형성 좋음
FEF(N550)	47	중간 정도의 강화 효과 신속하고 부드러운 캘린더링 및 압출성형 공정 가능
GPF(N660)	70	중간 정도의 강화 효과 성형성이 좋아 높은 부피분율 가능
MT(M990)	300	약한 강화 효과 높은 부피분율 가능

몸체고무 내부에서 카본블랙은 발열체 역할을 수행하는 동시에 카본블랙은 고무와 비교하여 상대적으로 매우 높은 열전도율을 가지므로, 고무시편의 열 발산을 도와 고무의 온도상승을 감소시키는 역할을 수행한다. 이러한 카본블랙의 특성은 각 카본블랙의 순체적 대 표면적 비와 열전도 특성 등에 따라 달라진다. 이와 같이 카본블랙은 고무의 발열 및 내열 특성에 있어 상반적인 역할을 하므로, 고무의 내열특성을 개선하기에 적합한 카본블랙을 선정하는 것이 특히 중요하다.

또한, 고무의 강성(storage modulus)은 카본블랙의 함량, 구조, 입자경 및 분산정도에 영향을 받는다. 특히, 본 발명의 대상인 몸체고무와 같이 하중 제어를 받는 시편의 경우에는, 카본블랙의 함량이 높을수록 고무시편의 강성이 증대되고, 변형량이 감소하여 열발생이 감소하게 된다.

상기 카본블랙 중 N330과 N550은, 기존에 사용하던 N110, N220 등의 카본블랙보다 입자 크기가 크고, 발열특성이 보다 우수하며, 원료고무 대비 높은 중량부로 카본블랙 혼입이 가능하여 모듈러스를 높일 수 있으므로, 주행 중 궤도 몸체고무의 온도를 낮게 유지함으로써, 반복하중이 가해지는 궤도몸체에서는 보다 우수한 내구수명을 나타내는 특성이 있다.

상기 카본블랙의 함량은 원료고무 100중량부에 대하여 40~100중량부로 사용되는데, 상기 범위로 사용되는 경우 본 발명에서 목적하는 블로우 아웃 방지 효과를 얻을 수 있다.

카본블랙 중 N330과 N550의 함량비에 있어서, N550의 함량을 증가시킬수록 블로우 아웃 시간은 증가하지만, 내마모성 및 내천킹성에 문제가 생기므로, N330과 N550을 상기와 같은 범위로 사용하는 경우 이러한 특성을 동시에 만족시킬 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 궤도 몸체고무의 제조 방법은 상기 설명된 궤도 몸체고무 조성물을 사용하여 고무를 성형한 후, 12~36시간 동안 후가류 처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 조성물로부터 고무를 성형시키는 방법은 궤도 몸체고무를 제조하는데 있어서 통상적으로 사용되는 사출성형 및 압출성형을 이용할 수 있으며, 후가류 처리는 상기 시간 동안 통상적으로 사용되는 방법으로 수행되는데, 처리 시간이 12시간 미만인 경우에는 블로우 아웃 효과가 미미하며, 처리 시간이 36시간을 초과하는 경우에는 블로우 아웃 효과가 오히려 약화되는 문제점이 나타나므로 바람직하지 않다.

상기와 같은 본 발명의 궤도 몸체고무 조성물로 제조된 궤도 몸체고무는 내열성 및 내마모성이 우수하며, 블로우 아웃 현상을 방지하여, 궤도 차량의 고속주행을 가능하게 하고, 궤도 조립체의 내구수명을 연장시키는 우수한 효과가 있다.

[ 실시예 ]

실험예 1. 원료고무의 배합비율에 따른 200% 모듈러스 측정

다음 표 2의 함량으로 된 원료고무 100중량부에 N550 카본블랙 40중량부를 배합한 시편을 제조하여, ASTM 규격에 따라 190℃에서 200% 모듈러스를 측정하고, 그 결과를 나타내었다.

시편	원료고무(중량%)		모듈러스 (kgf/cm²)
시편	NR	SBR	모듈러스 (kgf/cm²)
SBR30	70	30	70
SBR70	30	70	54

상기 표 2에 나타난 바와 같이, SBR30에 비하여 SBR70이 190℃에서 200% 모듈러스 값이 매우 우수함을 알 수 있다.

실험예 2. 카본블랙 함량 및 종류에 따른 블로우 아웃 특성 변화

카본블랙의 함량 및 종류에 따른 블로우 아웃 시간을 측정하기 위하여, 원료고무 SBR70 100중량부에 다음 표 3의 함량 및 종류에 따른 카본블랙을 혼합하여 시편(ASTM D623에 따라 직경 17.8±0.1 mm, 높이 25±0.15 mm)을 제조하고, 가정용 전자레인지(모델명: 삼성 RE-MC20T, 발진주파수 2.45GHz)를 이용하여 블로우 아웃 시험을 수행하여, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 블로우 아웃 시험은 시편을 오븐에 넣은 후 블로우 아웃이 발생하면 즉시 시편을 꺼내 온도를 측정하는 방법으로 진행하였다. 이때 5분이 경과해도 블로우 아웃이 발생하지 않는 시편의 경우에는, 블로우 아웃이 발생하지 않는 것으로 간주하였다.

		카본블랙 종류
		N220	N550	N990
카본블랙 함량	40중량부	35초	4분 45초	5분 이상
	60중량부	32초	4분 10초	5분 이상
	80중량부	30초	3분 35초	5분 이상

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 카본블랙의 함량이 40중량부 이상인 경우에는 카본블랙의 종류와 관계 없이 블로우 아웃 시간에는 큰 변화가 없는 것이 관찰되었다. 반면에, 입자경이 증대될수록 블로우 아웃이 증대되는 것을 볼 수 있었다. 그런데, N550과 N990를 사용한 시편에서 블로우 아웃 시간에 큰 차이가 없으므로, N990에 비해 상대적으로 기계적 물성이 우수한 N550을 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

실험예 3. 후가류 시간에 따른 블로우 아웃 시간 변화

원료고무 SBR70 또는 SBR30 100중량부에 카본블랙 N550를 40중량부 사용한 시편을 제조하고, 0~72시간 동안 후가류 처리하고, 상기 2와 같은 방법으로 블로우 아웃 시간을 측정하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 후가류 처리는 금속궤도몸체에 몸체고무를 성형한 후에, 이를 70~80℃의 온도로 유지되는 오븐 안에 넣는 방법을 사용하였다.

도 5에 나타난 바와 같이, 후가류 시간이 일정시간까지 증대될수록 블로우 아웃 시간도 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 장시간 후가류 시에는 오히려 악영향을 미침을 관찰하였다.

실시예

1. 몸체고무의 제조 및 기본 물성 측정

다음 표 4에 기재된 조성의 몸체고무를 압출성형방법으로 제조하였다. ASTM 규격에 따라 제조된 몸체고무의 상온에서의 기본 물성을 측정하고, 그 결과를 나타내었다.

구분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
원료고무 (100중량부)		SBR (90중량%) NR (10중량%)	SBR (70중량%) NR (30중량%)	SBR (70중량%) NR (30중량%)	SBR (10중량%) NR (90중량%)	SBR (20중량%) NR (80중량%)
카본 블랙	혼합비율	N330 (10중량%) N550 (90중량%)	N330 (40중량%) N550 (60중량%)	N330 (10중량%) N550 (90중량%)	N220 (100중량%)	N220 (50중량%) N330 (50중량%)
카본 블랙	중량부	80	80	80	65	67
물성	경도(HS)	75	76	75	73	73
물성	200% 모듈러스 (kgf/cm²)	150	142	139	95	105

2. 실험실 발열 시험

상기 실시예 1의 몸체고무 재질이 적용된 궤도와 비교예 1의 몸체고무 재질이 적용된 궤도의 실험실 발열 시험을 수행하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 분위기 온도를 80℃로 유지한 오븐 내부에 궤도를 넣은 후 반복압축하중을 가하였다. 시험기와 제품 내부 온도를 열전대로 측정하였다. 반복하중조건은 4,000±3,000Kgf, 30Hz였으며, 몸체고무에 블로우 아웃 발생시까지, 또는 몸체고무 중앙부 온도가 최고지점 도달 후 하강시까지 시험을 진행하였다. 도 6에 나타난 바와 같이, 비교예 1에 의한 몸체고무는 54,000회 후 블로우 아웃이 발생하고 심부 온도가 312℃까지 상승하였으나, 실시예 1에 의한 몸체고무는 110,000회 후에도 블로우 아웃이 발생하지 않고, 몸체고무 내부 최대 온도도 278℃에 그쳐 기존의 비교예 1에 비해 월등히 우수한 특성을 나타내었다.

3. 실차 시험

상기 실시예 1의 몸체고무 재질이 적용된 궤도와 비교예 1의 몸체고무 재질이 적용된 궤도의 실차 시험을 수행하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의한 몸체고무는 비교예 1에 의한 몸체고무보다 장거리를 주행한 상태에서도 매우 양호한 표면 상태를 나타내었다.

도 1은 전차 등의 궤도 차량에 사용되는 종래의 궤도 몸체의 사시도이다.

<부호의 설명>

11---궤도 몸체고무

12---금속재질의 궤도 몸체

13---차량의 진행방향

A-A---절단면

도 2는 전차 등의 궤도 차량에 사용되는 종래의 궤도 몸체의 단면도(도 1의 A-A)이다.

도 3은 궤도 차량의 주행 후에 종래의 궤도 몸체고무의 표면온도를 열상카메라로 촬영한 사진이다.

<부호의 설명>

A--- 외측 궤도 몸체고무 상부

B--- 외측 궤도 몸체고무 측면부

C--- 내측 궤도 몸체고무 상부

도 4는 종래의 궤도 몸체고무에서 발생하는 블로우 아웃(blow out) 현상을 설명하는 모식도이다.

<부호의 설명>

31---종래의 궤도 몸체고무

32---기포의 발생으로 궤도 몸체가 파손되는 블로우 아웃 현상

도 5는 후가류(post-cure)가 블로우 아웃 시간에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.

도 6은 실험실 발열 실험 후 종래의 궤도 몸체고무 및 본 발명에 의한 궤도 몸체고무의 상태를 비교한 사진이다.

도 7은 실차 시험 후 종래의 궤도 몸체고무 및 본 발명에 의한 궤도 몸체고무의 상태를 비교한 사진이다.

Claims

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천연고무 10~30중량% 및 합성고무 70~90중량%로 이루어지는 원료고무 100중량부에 대하여 카본블랙 N330 10~40중량% 및 카본블랙 N550 60~90중량%로 이루어지는 카본블랙 40~100중량부를 포함하는 조성물을 사용하여 고무를 성형한 후, 12~36시간 동안 후가류 처리하는 것을 특징으로 하는 전차용 궤도 몸체고무의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 합성고무는 스티렌-부타디엔 고무 및 폴리부타디엔 고무로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 전차용 궤도 몸체고무의 제조 방법.