KR101199842B1 - 고감쇠 고무 조성물 - Google Patents

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KR101199842B1 KR1020120060584A KR20120060584A KR101199842B1 KR 101199842 B1 KR101199842 B1 KR 101199842B1 KR 1020120060584 A KR1020120060584 A KR 1020120060584A KR 20120060584 A KR20120060584 A KR 20120060584A KR 101199842 B1 KR101199842 B1 KR 101199842B1
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Abstract

본 발명은 고감쇠 고무 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 고감쇠 고무 조성물은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 원료고무 100 중량부와, 원료고무 100 중량부 대비 50 ~ 60 중량부의 백염화와, 원료고무 100 중량부 대비 30 ~ 40 중량부의 카본블랙과, 상기 원료고무 100 중량부 대비 3.5 ~ 4.5 중량부의 연화제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 6.5 ~ 7.5 중량부의 활성제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 4 ~ 5 중량부의 노화방지제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.0 ~ 1.4 중량부의 가황촉진제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.5 ~ 2.5 중량부의 가황제를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 감쇠능을 높이기 위해 백염화를 사용함으로써 다량 배합에도 불구하고 비교적 안정된 파괴강도와 높은 파탄신장 및 인열강도를 갖게 되며, 실용온도 영역부분에서 히스데리시스 로스의 특성을 얻을 수 있고, 더불어 내 세트성을 높이고, 원가 절감이 가능한 고무 조성물이 제공된다.

Description

고감쇠 고무 조성물{High damping rubber composition}
본 발명은 교량 및 건축물의 방진 고무로 사용할 수 있는 고감쇠 고무 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 감쇠 능력(damping capacity)을 증가시켜 응답을 감소시킬 수 있는 물질인 점탄성 소재로 활용될 수 있는, 고감쇠 고무 조성물에 관한 것이다.
오늘날 구조공학이 발전하고 건축 및 토목 분야에서 고강도의 재료가 사용됨에 따라 구조물이 대형화, 경량화되고 있으며, 특히 건축 분야에서 구조 강성과 감쇠비가 매우 낮은 초고층 건물 및 교량이 날로 증가하고 있다.
이러한 추세에 따라, 지진하중과 같은 극심한 상황에서 구조물이 견딜 수 있도록 하는 진동 제어 기술과, 바람에 의한 하중 및 건물 내외의 진동원에 대한 건물의 진동가속도를 제어하기 위한 진동제어기술(vibration control)도 개발되고 있다.
그러나, 지진에 대한 대책과 관련하여 대분분의 국내 건축물들은 구조물의 구조적 설계를 통해 건물의 강성을 보완하는 방법에 보다 주력하여 건축되고 있을 분, 건물의 강성을 보완하기 위한 내진 설계 기술 측면에서의 접근은 원할히 이루어지지 않고 있었다.
이에 현재 방진, 제진 및 충격을 흡수할 수 있는 내진 장치가 지속적으로 개발되고 있다. 현재 개발된 내진 장치 중 방진고무를 사용한 내진 장치는 금속에 비해 재료 자체의 손실계수가 크기 때문에 방진 영역에서의 진동 절연효과가 떨어지기는 하나 과도한 진동 응답이 억제되는 장점이 있다.
이러한 효과로 인해 구조물에 점탄성 고무 댐퍼를 설치하여 여진이 빠른 속도로 멈추게 하려는 기술이 안출되오고 있다.
고감쇠 고무 조성물과 관련된 기술로, "감쇠능이 큰 고무 조성물"(한국 등록특허공보 제10-0181329호, 특허문헌 1)에는 감쇠능을 향상시키기 위하여 다량의 카본블랙이 사용되는 기술이 공개되어 있다.
또, "고감쇠 고무 조성물 및 이를 이용한 탄성받침"(한국 등록특허공보 제10-0971188호, 특허문헌 2)에는 카본블랙 외에 탄산칼슘을 사용한 기술이 공개되어 있다.
이처럼 종래의 기술에는 카본블랙이나 탄산칼슘을 사용하여 감쇠능을 향상시키려 하고 있다.
그러나, 이처럼 카본블랙을 다량 배합하여 사용할 경우 파탄신장 및 인열강도가 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
이를 보안하기 위해 연화제를 다량 사용할 경우 파탄신장은 상승하지만 파괴강도와 내 세트성이 현저히 약화되며, 제품면에서 스틸 판과 고무의 접착력이 약화되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 유리전이도(Tg)가 높은 고무를 사용할 수 있으나, 이 경우 가류 후에 실온 온도 영역 이하의 온도에서 탄성이 높아져 파탄신장의 저하를 초래하는 문제점이 있다.
KR 10-0181329 (1998.12.07) KR 10-0971188 (2010.07.13)
본 발명의 고감쇠 고무 조성물은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 감쇠능을 높이기 위해 백염화를 사용함으로써 다량 배합에도 불구하고 비교적 안정된 파괴강도와 높은 파탄신장 및 인열강도를 갖게 되며, 실용온도 영역부분에서 히스데리시스 로스의 특성을 얻을 수 있게 하려는 것이다.
더불어 내 세트성을 높이고, 원가 절감이 가능한 고무 조성물을 제공하려는 것이다.
본 발명의 고감쇠 고무 조성물은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 원료고무 100 중량부와, 원료고무 100 중량부 대비 50 ~ 60 중량부의 백염화와, 원료고무 100 중량부 대비 30 ~ 40 중량부의 카본블랙과, 상기 원료고무 100 중량부 대비 3.5 ~ 4.5 중량부의 연화제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 6.5 ~ 7.5 중량부의 활성제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 4 ~ 5 중량부의 노화방지제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.0 ~ 1.4 중량부의 가황촉진제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.5 ~ 2.5 중량부의 가황제를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 카본블랙은 35 중량부, 연화제는 4 중량부, 활성제는 7 중량부, 노화방지제는 4.5 중량부, 가황촉진제는 1.2중량부, 가황제는 2 중량부인 것을 특징으로 한다.
더 나아가 상기 원료고무는 천연고무와 부틸고무가 4 : 1의 중량비로 혼합되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 감쇠능을 높이기 위해 백염화를 사용함으로써 다량 배합에도 불구하고 비교적 안정된 파괴강도와 높은 파탄신장 및 인열강도를 갖게 되며, 실용온도 영역부분에서 히스데리시스 로스의 특성을 얻을 수 있게 된다.
더불어 내 세트성을 높이고, 원가 절감이 가능한 고무 조성물이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 고감쇠 고무 조성물을 이용하여 제조한 시편의 연직강성 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 고감쇠 고무 조성물을 이용하여 제조한 시편의 등가강성 및 등가감쇠정수 값을 나타낸 그래프.
이하 본 발명의 고감쇠 고무 조성물에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 고감쇠 고무 조성물은, 원료고무 100 중량부와, 원료고무 100 중량부 대비 50 ~ 60 중량부의 백염화와, 원료고무 100 중량부 대비 30 ~ 40 중량부의 카본블랙과, 상기 원료고무 100 중량부 대비 3.5 ~ 4.5 중량부의 연화제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 6.5 ~ 7.5 중량부의 활성제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 4 ~ 5 중량부의 노화방지제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.0 ~ 1.4 중량부의 가황촉진제와, 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.5 ~ 2.5 중량부의 가황제를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 카본블랙은 35 중량부, 연화제는 4 중량부, 활성제는 7 중량부, 노화방지제는 4.5 중량부, 가황촉진제는 1.2중량부, 가황제는 2 중량부로 한정됨이 바람직하다.
가장 바람직한 예로는 상기 한정된 범위에서 원료고무는 천연고무와 부틸고무가 4 : 1의 중량비로 혼합되어 있는 것이 좋다.
본 발명에서 사용되는 주요 원료인 백염화(白艶華)는 활성화 탄산칼슘 또는 표면처리 탄산칼슘이라고도 한다.
활성화 탄산칼슘에는 동호칼슘(주) 에서 제조한 옥염화(상품명: 카보닉산, 칼슘염, 칼슘모노카보네이트, 침전칼슘카보네이트, 카보닉산칼슘염, 칼슘카보네이트), Shiraishi Kogyo Kaisha, Ltd. 에서 제조한 HAKUENKA CC, HAKUENKA DD, HAKUENKA U, HAKUENKA A, HAKUENKA AA, HAKUENKA O, HAKUENKA CCR, 카르모스, 실버, Sachtleben 에서 제조한 Blanc Fixe(유산바륨) 등이 있다.
본 발명에서는 이러한 여러 활성화 탄산칼슘 중 백염화(白艶華)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 백염화의 구체적인 특성은 하기 표 1과 같다.
비(比)표면적 51.0㎡/g
평균 입자경 0.03㎛
비중 2.56 gr/㎤
pH 8.4
이러한 백염화는 상기와 같은 특성에 의해 인열저항 및 굴곡균열성이 양호하고 신장율이 큰 장점을 갖는다.
아울러, 본 발명에서는 탄산칼슘 및 여러 활성화 탄산칼슘 등을 이용하여 고무 조성물을 제조해본 바, 상기와 같이 백염화를 이용하여 상기 비율로 각종 첨가제를 사용했을 때 다량 배합에도 불구하고 비교적 안정된 파괴강도와 높은 파탄신장 및 인열강도를 갖게 되며, 실용온도 영역부분에서 히스데리시스 로스의 특성을 얻을 수 있으며, 더불어 내 세트성을 높이고, 원가 절감이 가능한 고무 조성물이 제조됨을 알게 되었다.
본 발명의 구성요소인 카본블랙은 원료고무 100 중량부 대비 30 ~ 40 중량부의 범위로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직하기로는 35 중량부로 구성됨이 좋다.
이러한 카본블랙을 상기 중량부 미만일 경우 인장강도나 전단계수 등 기계적 물성이 충분치 않아 바람직하지 않고, 상기 중량부 초과할 경우에는 고무 제조 과정상의 가공성이 저하되어 바람직하지 않을 뿐만 아니라 오히려 역가황에 의해 기계적 물성이 열화될 수도 있다.
이러한 카본블랙은 구조물의 진동 방지에 적용할 수 있는 고무조성물에 적합하게 사용될 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으나, 가장 바람직하기로는 HAF(High Abrasion Furnace)가 사용됨이 바람직하다.
한편, 연화제는 상기 원료고무 100 중량부 대비 3.5 ~ 4.5 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 4 중량부가 사용됨이 좋다.
연화제는 물질의 증발을 늦추고 고무 조성물에 이형성 및 윤활성을 부여하여 제품의 가공 안정성을 높이기 위한 것으로, 연화제에는 여러 종류가 있으나, 본 발명에서 가장 바람직한 구성으로는 미네랄 오일(N-2)와 FL이 1 : 1의 중량비를 이루어 구성됨이 바람직하다.
활성제는 상기 원료고무 100 중량부 대비 6.5 ~ 7.5 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 7 중량부로 구성됨이 바람직하다.
활성제는 고무의 동적특성(dynamic characteristics)과 가공성이 우수해지도록 하고, 내열성 또한 개선될 수 있도록 하는 역할을 한다.
이러한 활성제를 상기 중량부 미만으로 과소 배합할 경우 가황속도의 활성화가 약해지고, 과잉배합할 경우에는 가황 속도 활성화가 커져서 스코치가 발생되어 고무의 성질이 약해지는 문제가 발생할 수 있다.
활성제는 공지의 다양한 제품을 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 산화아연(zinc oxide)과 스테아린산(Stearic acid)이 6 : 1의 중량비율이 되도록 하여 사용하는 것이 가장 바람직하다.
노화방지제는 상기 원료고무 100 중량부 대비 4 ~ 5 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 4.5 중량부가 좋다.
노화방지제는 고무의 내열성, 내굴곡성, 내산화성을 향상시키는 역할을 하는데, 예를 들어 N-페닐-N'-이소프로필-p-페닐렌디아민(N-phenyl-N'-isopropyl-p-phenylenediamine), 아세톤(acetone), p-아미노디페닐아민(paminodiphenylamine), 스티렌네이티드 페놀(styrenated phenol), 스티렌(styrene), 페놀(phenol), 2-머캅토벤즈이미다졸(2-mercaptobenzimidazole) 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 혼합한 것을 사용할 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 N-페닐-N'-이소프로필-p-페닐렌디아민(N-phenyl-N'-isopropyl-p-phenylenediamine)와 에스피-엔(SP-N: A blend of KUMANOX-SP and an inert carrier)가 2 : 1의 중량비율이 되도록 하여 사용하는 것이 가장 바람직하다.
가황촉진제는 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.0 ~ 1.4 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 1.2 중량부가 좋다.
상기 중량부에 미만되게 과소배할 경우 유효 가황계가 형성되지 않아 다황 결합을 이룰 수 없고, 상기 중량부를 초과하여 과다배합할 경우 스코치(scorch)에 의한 공정 불량이 발생할 수 있다.
이러한 가황촉진제는 가황제의 가교 속도를 향상시키는 역할을 하며, 디페닐구아니딘(diphenylguanidine), 벤조티아질 디설파이드(benzothiazyl disulfide), N-사이클로헥실 벤조티아졸-2-술펜아미드(N-cyclohexyl-benzothiazole-2-sulfenamide), 에틸렌 티오우레아(ethylene thiourea), 테트라메틸티우람 디설파이드(tetramethyl thiuram disulfide) 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 혼합한 것을 사용할 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 N-사이클로헥실 벤조티아졸-2-술펜아미드(N-cyclohexyl-benzothiazole-2-sulfenamide)이 가장 바람직하며, 선택적으로 디페닐구아니딘(diphenylguanidine)이 더 첨가되어 구성될 수도 있다.
가황제는 상기 원료고무 100 중량부 대비 1.5 ~ 2.5 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로 2 중량부가 좋다.
가황제가 상기 중량부보다 과소배합될 경우 내구력이 저하될 수 있으며, 과잉 배합될 경우에는 내열 내구력이 저하될 수 있다.
가황제는 황(Sulfur, S-80)이 사용됨이 바람직하다.
한편, 원료고무는 천연고무와 합성고무를 혼합하여 사용함이 바람직하며, 이때, 합성고무로는 부틸고무를 사용함이 바람직하다.
아울러, 천연고무와 부틸고무의 비는 4 : 1의 중량비로 구성됨이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의하여 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다 할 것이다.
< 실시예> 실시예 1 내지 2의 시편 제조
표 2와 같이 조성비율을 달리하여 실시예 1 내지 2의 시험용 고무 시편을 도 1 내지 5의 장치를 이용하여 제작하였다.
시편의 제작 공정은 다음과 같다.
1단계 : 원료 마스켓(오픈롤)
2단계 : 혼합(밀폐식 혼합기)
3단계 : 혼련작업(오픈롤)
4단계 : 혼련작업(오픈롤)
5단계 : 카렌더 시트 작업
1단계, 3단계 및 4단계에서는 공냉 후 24시간 이상의 숙성 과정을 거쳤으며, 3단계에서는 고무 시트 작업을 수행하였고, 4단계에서는 가황촉진제를 투입하였다.
각 단계별 시간과 온도 조건은, 1단계에서의 롤온도와 믹싱시간은 33 ~ 38℃의 온도 에서 5 ~ 7분을 유지하였고, 2단계에서는 83 ~ 89℃에서 11 ~ 13분을, 3단계에서는 39 ~ 42℃에서 5 ~ 8분을, 4단계에서는 33 ~ 37℃에서 5 ~ 7분을, 5단계에서는 69 ~ 73℃로 하였다.
재 료 명 실시예 1 실시예2 업체명 상품명 비고
천연고무 800 800 Panstar ADS 천연고무
합성고무 200 200 LANXESS Chlorobutyl 1240 부틸고무
백염화 500 600 shiraishi Kogyo Kaisha. LTD HAKUENKA O
카본블랙 350 350 orion Engineered Carbons Co. LTD HAF
연화제 20 20 극동정유㈜ N-2 N-2
연화제 20 20 KETTLITZ KETTLITZ-Dispergator FL FL
활성제 60 60 Rhein chemie Rhenogram Zno-80 ZnO-80
활성제 10 10 Socimas St/acid
노화방지제 30 30 KUMHO PETROCHEMICAL KUMANOX 3C 3C
노화방지제 15 15 KUMHO PETROCHEMICAL KUMANOX SP-N SP-N
가황촉진제 12 12 Northeast Auxiliary chemical industry Co. LTD CBS granular CZ
가황제 20 20 Rhein chemie Rhenogram S-80 S-80
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 2의 시편의 기계적 물성을 측정하여 아래 표 3에 나타냈다.
실험항목 실시예1 실시예2 실험 방법
인장강도(N/㎟) 201 188 인장강도, 신장율, 인열강도는 KS M 6518에 준하여, 정적전단 탄성율은 KS M 6785에 준하여 세종하이테크 인장, 신율시험기로 측정
경도 KS M 6518에 준하여 TECLOCK 사의 스프링A Type 경도기로 측정
신 장 율(%) 604 626
인열강도(㎏/㎝) 56 66
정적전단 탄성율(Mpa) 7.2 7.5
경 도(A Type) 58 58
상기 실험예에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 실시예의 고무시편은 비교적 안정된 파괴강도와 높은 파탄신장 및 인열을 가지게 되며, 실용온도 영역 부분에서도 히스데리스스 로스의 특성을 얻는 것을 알 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 시편의 연직강성, 등가강성 및 등가감쇠정수 값을 그래프로 나타낸 것이다.
그래프를 보면 알 수 있듯이 본 발명에 따른 고감쇠 고무 조성물은 고 감쇠성을 가지면서 상기와 같이 우수한 물성을 얻게 되는 바, 교량 및 건축물에 적용할 때 감쇠능력을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.

Claims (3)

  1. 고무 조성물에 있어서,
    천연고무와 부틸고무가 4 : 1의 중량비로 혼합되어 구성된 원료고무 100 중량부와,
    원료고무 100 중량부 대비 50 ~ 60 중량부를 이루며, 비표면적 51.0㎡/g, 평균 입자경 0.03㎛, 비중 2.56 gr/㎤, pH 8.4인 백염화와,
    원료고무 100 중량부 대비 35 중량부를 이루고, HAF(High Abrasion Furnace)로 이루어진 카본블랙과,
    상기 원료고무 100 중량부 대비 4 중량부를 이루고, 미네랄 오일(N-2)와 FL이 1 : 1의 중량비를 이루어 구성된 연화제와,
    상기 원료고무 100 중량부 대비 7 중량부를 이루고, 산화아연(zinc oxide)과 스테아린산(Stearic acid)이 6 : 1의 중량비를 이루어 구성된 활성제와,
    상기 원료고무 100 중량부 대비 4.5 중량부를 이루고, N-페닐-N'-이소프로필-p-페닐렌디아민(N-phenyl-N'-isopropyl-p-phenylenediamine)와 에스피-엔(SP-N: A blend of KUMANOX-SP and an inert carrier)가 2 : 1의 중량비를 이루어 구성된 노화방지제와,
    상기 원료고무 100 중량부 대비 1.2 중량부를 이루고, N-사이클로헥실 벤조티아졸-2-술펜아미드(N-cyclohexyl-benzothiazole-2-sulfenamide)로 이루어진 가황촉진제와,
    상기 원료고무 100 중량부 대비 2 중량부를 이루고, 황으로 이루어진 가황제를 포함하여 구성된,
    고감쇠 고무 조성물.
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