KR101632263B1

KR101632263B1 - 접촉형 점착재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101632263B1
Application number: KR1020150190020A
Authority: KR
Inventors: 최경후; 조홍식; 전창성; 박춘수; 안병민; 오민철
Original assignee: 한국철도기술연구원; 아주대학교산학협력단
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2016-06-21

Abstract

본 발명은 특히 고속으로 주행하는 고속열차의 차륜 및 레일 간의 마찰 특성을 향상시키기 위한 접촉형 점착재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 금속분말 35~50wt%, 세라믹 분말 35~50wt% 및 상기 금속 분말과 세라믹 분말의 접합 특성을 향상시키기 위한 고분자 바인더 10~20wt%를 포함하는 접촉형 점착재를 제공한다.

Description

접촉형 점착재 및 이의 제조방법 {Contact-type adhesive and manufacturing method thereof}

본 발명은 접촉형 점착재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히 고속으로 주행하는 고속열차의 차륜 및 레일 간의 마찰 특성을 향상시키기 위한 접촉형 점착재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

열차는 차륜 및 레일 사이의 마찰을 원동력으로 하여 주행을 하게 된다. 일반적으로, 점착재 또는 마찰재는 상대면과의 접촉 메커니즘에 기인된 마찰에 의해 운동 에너지를 열 에너지로 전환시키며, 이 때 발생된 열에너지는 주로 상대면에 흡수된 후 대기중으로 발산됨으로써 움직이는 동체를 감속 또는 제어시키는 작용을 한다. 마찰재는 꾸준히 개발, 발전되어오고 있으며, 다양한 종류의 마찰재가 산업기계, 철도차륜, 항공기 등에 널리 사용되고 있다.

따라서, 열차의 주행 속도 향상을 도모하기 위해서는 차륜과 레일 사이에 충분한 마찰력이 작용해야 하며, 고속으로 주행할 때에도 안정성을 유지하고 제동안정성을 확보하기 위해서는 차륜과 레일 간의 접촉력이 높아야 한다. 접촉력이 낮을 때에는 감속 또는 가속시에 미끄러짐이 발생하여 가속 및 제동을 효과적으로 할 수 없고, 이는 안전사고로 이어질 수 있는 중요한 문제이다. 이에 따라, 마찰특성이 높은 점착재의 개발이 필요하게 되었다.

종래에는, 고속열차의 마찰특성을 향상시키기 위해 이산화규소 등의 세라믹을 레일에 분사하는 방식을 사용하였다.

하지만, 이는 마찰계수의 증가량이 크지 않고, 물이나 윤활유 등으로 오염된 습식 상태의 조건 하에서는 점착재 주변에 유막이 형성되고 유체의 흐름으로 인해 마찰특성 및 접촉력이 떨어진다는 문제점이 있다. 이에 따라, 열차의 제동안정성이 떨어지고 안전 문제가 발생할 위험성이 높아지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 특히 고속으로 주행하는 고속열차의 차륜 및 레일 간의 마찰 특성을 향상시키기 위한 접촉형 점착재 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 금속분말 35~50wt%, 세라믹 분말 35~50wt% 및 상기 금속 분말과 세라믹 분말의 접합 특성을 향상시키기 위한 고분자 바인더 10~20wt%를 포함하되, 상기 고분자 바인더는 폴리 옥시벤질 메틸렌글리콜 엔하이드라이드(poly oxybenzyl methylenglycol anhydride) 및 셀룰로오스(cellulose)를 포함하는 목질 충진재(wooden filler)를 포함하는 접촉형 점착재를 제공한다.

상기 금속분말은 동(Cu) 분말, 마그네슘(Mg) 분말 및 알루미늄(Al) 분말 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 금속분말은 동(Cu) 분말 2~3 중량부, 마그네슘(Mg) 분말 0초과~0.4 중량부 이하 및 알루미늄(Al) 분말 36.6~38 중량부를 포함할 수 있다.

상기 금속분말은 평균 입자 크기가 40~50㎛인 동(Cu) 분말, 평균 입자 크기가 40~50㎛인 마그네슘(Mg) 분말 및 평균 입자 크기가 90~110㎛인 알루미늄(Al) 분말을 포함할 수 있다.

상기 세라믹 분말의 평균 입자 크기는 10~40㎛이다.

삭제

또한, 금속분말 35~50wt%, 세라믹 분말 35~50wt% 및 상기 금속 분말과 세라믹 분말의 접합 특성을 향상시키기 위한 고분자 바인더 10~20wt%를 혼합하여 점착재용 조성물을 준비하는 단계 및 상기 점착재용 조성물을 성형 소결하는 단계를 포함하되, 상기 고분자 바인더는 폴리 옥시벤질 메틸렌글리콜 엔하이드라이드(poly oxybenzyl methylenglycol anhydride) 및 셀룰로오스(cellulose)를 포함하는 목질 충진재(wooden filler)를 포함하는 접촉형 점착재의 제조방법을 제공한다.

상기 점착재용 조성물을 성형 소결하는 단계는, 140~160℃의 온도 및 150~250bar의 압력을 동시에 가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 분말의 평균 입자 크기는 10~40㎛이다.

삭제

본 발명의 접촉형 점착재 및 이의 제조방법에 따르면, 금속분말 35~50wt%, 세라믹 분말 35~50wt% 및 고분자 바인더 10~20wt%를 혼합함으로써, 차륜과 레일 사이에 높은 마찰계수를 제공하며, 점착재의 강도와 마찰특성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 셀룰로오스(cellulose)를 포함하는 목질 충전재를 포함함으로써, 점착재의 인성을 증가시킬 수 있으며, 불규칙한 방향으로 존재하는 섬유질로 인해 불필요한 재료의 방향성을 상쇄시킬 수 있다.

또한, 온도와 압력을 동시에 가하여 이루어지는 성형 소결 방법을 사용함으로써, 치밀화가 원활하게 이루어지므로 높은 밀도와 적은 기공을 형성하여 높은 기계적 물성을 보유할 수 있고, 복합재료의 소결이나 확산에 의한 접합이 용이하다.

또한, 건식 상태 뿐만 아니라 습식 상태에서도 점착재의 마찰특성이 떨어지지 않고 효과적으로 유지될 수 있다.

도 1은 세라믹 분말의 크기에 따른 마찰계수를 나타낸 그래프이다.
도 2는 표 1의 조성으로 제조한 혼합 분말의 마찰계수를 나타낸 그래프이다.
도 3은 hot press 성형압력에 따른 점착재의 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 점착재를 도포하기 전 dry 조건에서 차륜과 레일 간의 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 4b는 표 5의 시편 1번 조성의 점착재를 도포하였을 때 dry 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 4c는 표 5의 시편 2번 조성의 점착재를 도포하였을 때 dry 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 4d는 표 5의 시편 3번 조성의 점착재를 도포하였을 때 dry 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 4e는 표 5의 시편 4번 조성의 점착재를 도포하였을 때 dry 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 5a는 점착재를 도포하기 전 wet 조건에서 차륜과 레일 간의 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 5b는 표 5의 시편 1번 조성의 점착재를 도포하였을 때 wet 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 5c는 표 5의 시편 2번 조성의 점착재를 도포하였을 때 wet 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 5d는 표 5의 시편 3번 조성의 점착재를 도포하였을 때 wet 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.
도 5e는 표 5의 시편 4번 조성의 점착재를 도포하였을 때 wet 조건에서 점착계수를 측정한 그래프이다.

우선, 본 발명의 접촉형 점착재에 관하여 설명하도록 한다. 본 발명에 따른 접촉형 점착재는 금속분말 35~50wt%, 세라믹 분말 35~50wt% 및 상기 금속 분말과 세라믹 분말의 접합 특성을 향상시키기 위한 고분자 바인더 10~20wt%를 포함한다.

본 발명의 점착재는 휠에 접촉하여 분쇄가 일어나게 되고, 분쇄된 분말들이 차륜과 레일 사이에서 높은 양의 마찰계수를 제공하여 휠이 레일에서 미끄러지는 문제를 방지해주며, 이에 따라 열차의 속도를 향상시키게 된다.

구체적으로, 금속분말은 동(Cu) 분말, 마그네슘(Mg) 분말 및 알루미늄(Al) 분말 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 금속분말은 동(Cu) 분말 2~3 중량부, 마그네슘(Mg) 분말 0초과~0.4 중량부 이하 및 알루미늄(Al) 분말 36.6~38 중량부를 포함할 수 있다.

알루미늄 분말에 동 분말을 첨가함으로써 CuAl2상(θ상)의 형성을 도모할 수 있다. CuAl2상은 α-Al상에 비하여 약 비커스 경도값(HV) 980정도의 높은 경도를 갖으며, α-Al상 주변에 고루 분포되어 점착재의 강도와 마찰특성을 향상시킬 수 있다. 하지만, 과량의 동 분말이 첨가될 시 소결과정에서 미고용된 동 분말들이 분말입계에 잔류하게 되며, 다량의 액상에 의해 소결체의 형상이 변할 수 있다. 따라서, 알루미늄(Al) 분말 36.6~38 중량부에 동(Cu) 분말 2~3 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.

마그네슘 분말은 알루미늄 분말 주변에 형성된 산화막과 반응하여 MgO를 생성시킨다. 이로 인해, 산화막을 환원시킴으로써 소결과정 중 알루미늄의 확산을 촉진시켜 소결 특성을 향상시키게 된다. 하지만, 1중량부 이상의 마그네슘 분말이 첨가되면, 낮은 증발압 및 용융점으로 인해 소결과정 중 액상 및 기화가 발생하여 치수 뒤틀림이 심해지고, 시편의 내, 외부에 다량의 기공을 형성함으로써 소결특성이 떨어질 수 있다. 따라서, 0초과~0.4 중량부 이하의 마그네슘 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속분말은 평균 입자 크기가 40~50㎛인 동(Cu) 분말, 평균 입자 크기가 40~50㎛인 마그네슘(Mg) 분말 및 평균 입자 크기가 90~110㎛인 알루미늄(Al) 분말을 포함할 수 있다.

알루미늄 분말은 금속 분말 중 가장 많은 중량으로 첨가되는 것으로, 복합 벌크 점착재의 제조 시 성형성을 확보하기 위해 평균 입자의 크기가 90~110㎛인 것이 바람직하다. 또한, 동 분말과 마그네슘 분말은 소결 과정 중 빠르게 액상을 형성하고 천이되어 기지상에 고용되어야 하므로, 반응성을 향상시키기 위해 평균 입자의 크기가 40~50㎛인 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹 분말의 평균 입자 크기는 10~40㎛인 것이 바람직하다. 높은 마찰계수를 가지기 위해서는 일반적으로 세라믹 분말이 많이 사용되는데, 높은 경도를 갖는 세라믹 분말이 차륜 및 레일 사이에서 접촉되면서 불순물로 작용하여 차륜과 레일 간의 마찰특성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 세라믹 분말의 입자 크기가 10㎛ 미만으로 작아지면, 도 1에 나타난 것과 같이 마찰 계수가 낮아져서 고속주행 시 미끄러짐이 발생할 수 있으며, 반대로 입자 크기가 40㎛를 초과한 조대한 세라믹 분말을 사용할 시에는 소결이 잘 일어나지 않을 수 있다.

상기 세라믹 분말과 금속 분말의 접합 특성을 향상시키기 위해 소량의 고분자 바인더가 첨가된다. 고분자 바인더는 성형 및 소결 과정 중 각 재료들의 결합 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 고분자 바인더는 폴리 옥시벤질 메틸렌글리콜 엔하이드라이드(poly oxybenzyl methylenglycol anhydride) 및 목질 충진재(wooden filler)를 포함하며, 상기 목질 충진재는 셀룰로오스(cellulose)를 포함한다.

폴리 옥시벤질 메틸렌글리콜 엔하이드라이드(poly oxybenzyl methylenglycol anhydride)는 매우 높은 경도를 갖는 고분자 화합물로 점착재의 마찰 특성을 향상시키며, 목질 충진재(wooden filler)의 경우에는 섬유질을 포함함으로써 점착재의 인성을 증가시킬 수 있고 불규칙한 방향으로 존재하는 섬유질로 인해 불필요한 재료의 방향성을 상쇄시킬 수 있다.

하지만, 고분자 바인더를 다량으로 첨가할 시에는 열차의 구동과정 중 소산될 수 있으며, 소산된 고분자 바인더는 차륜 및 레일을 오염시킬 수 있어 잔류 고분자 바인더가 마찰 특성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 상기 세라믹 분말 및 금속 분말간의 접합 특성을 향상시키며, 잔류 고분자 바인더를 최소화시키기 위해 10~20wt%의 고분자 바인더를 포함하는 것이 바람직하다.

다음으로는, 본 발명의 접촉형 점착재의 제조방법에 관하여 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 접촉형 점착재의 제조방법은 금속분말 35~50wt%, 세라믹 분말 35~50wt% 및 고분자 바인더 10~20wt%를 혼합하여 점착재용 조성물을 준비하는 단계 및 상기 점착재용 조성물을 성형 소결하는 단계를 포함한다.

상기 금속분말, 세라믹 분말 및 고분자 바인더 분말은 각각 치밀화가 일어나는 소결 온도가 상이하기 때문에, 종래의 분말야금 기술에 사용되는 성형 및 소결 공법으로는 본 발명에 따른 점착재를 제조하는데 어려움이 있다. 상기 금속분말 및 세라믹 분말의 경우에는 높은 온도에서 치밀화가 일어나는 반면, 고분자 바인더는 300℃ 이상에서는 용융 및 기화가 발생하기 때문에 소결체 내부에 다량의 기공을 형성하여 전체적인 강도를 떨어트릴 수 있다.

이에 따라, 상대적으로 낮은 온도에서 소결을 진행하면서도 치밀화가 잘 일어나 높은 강도를 지니면서 점착재의 성능을 보유할 수 있도록 하는 성형 소결 공법이 사용된다. 상기 점착재용 조성물을 성형 소결하는 단계는, 140~160℃의 온도 및 150~250bar의 압력을 동시에 가하여 이루어지는 것을 특징으로 하여, 분말의 성형 및 소결이 별개의 단계로써 성형이 먼저 이루어진 후 열을 가하여 소결이 이루어지는 일반적인 방법과 달리, 성형 및 소결이 동시에 진행되어 기지상의 변화를 극대화할 수 있는 hot press 기법을 사용하고 있다.

이에 따라, 소결 과정에서도 온도와 함께 압력이 가해지고 있기 때문에 치밀화가 원활하게 이루어져 보다 높은 밀도와 적은 기공을 가질 수 있으므로 높은 기계적 물성을 보유할 수 있다. 상기의 hot press 기법은 복합재료의 소결이나 확산에 의한 접합이 용이하므로 본 발명의 접촉형 점착재를 성형 소결하기 위한 방법으로 바람직하다.

본 발명의 접촉형 점착재는 주성분의 종류, 함량 및 성형 압력, 소결 온도를 여러가지로 변화시킨 시험을 행하여 얻어진 것이다. 이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세하게 설명하도록 한다.

[실시예 1]

표 1에 나타난 원료 조성으로 금속분말, 세라믹 분말 및 고분자 바인더를 혼합하여 마찰계수를 측정하였다. 원료 조성에 따른 마찰계수 측정 시험 결과는 표 2와 도 2에 각각 결과값과 그래프로 나타내었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고분자 바인더가 10~20wt%일 때, 우수한 마찰 특성을 보이고 있다.

표 1

표 2

[실시예 2]

Hot press 공법의 성형 압력 조건을 비교하기 위해 금속분말 40wt%, 세라믹 분말 40wt% 및 고분자 바인더 20wt%의 점착재용 조성물을 가지고, 표 3에 나타난 조건 하에서 실험을 실시하였다. 상대 밀도를 측정한 시험 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 성형 압력이 150bar일 때 치밀화가 잘 일어나 밀도가 큰 폭으로 증가하게 된다. 200~250bar의 범위에서도 마찬가지로 치밀화가 잘 일어나 비슷한 밀도를 갖는다. 하지만, 100bar의 압력 하에서 성형하였을 때는 다공성 재료처럼 외부 및 내부에 다량의 기공이 발생하여 밀도가 낮게 나타났다.

따라서, hot press 공법의 성형 압력은 150~250bar인 것이 바람직하며, 특히 제품의 크기가 증가할수록 성형할 때 필요한 하중의 크기가 증가하므로 150bar인 것이 바람직하다.

표 3

[실시예 3]

Hot press 공법의 소결 온도 조건을 비교하기 위해 금속분말 40wt%, 세라믹 분말 40wt% 및 고분자 바인더 20wt%의 점착재용 조성물을 가지고, 표 4에 나타난 조건 하에서 실험을 실시하였다. 시험 결과, 150℃에서는 고분자 바인더 간의 치밀화가 잘 일어난다. 이는 고분자 바인더가 150℃ 부근에서 녹아 분말 입계를 타고 확산된 뒤 냉각시간 동안 경화되어 분말 간의 결합을 증대시키고 소결체 자체의 경도를 증가시키기 때문이다. 하지만, 100℃에서는 분말 간의 치밀화가 발생하지 않아 일정 형상을 유지할 수 없으며, 제품을 배출하는 과정 중 파손이 발생되어 정확한 상대밀도를 측정할 수 없다. 또한, 200℃에서도 성형 과정 중 고분자 분말의 용융이 발생하여 이로 인해 금형 및 주변부가 오염되고, 다량의 액상들이 형성되어 정확한 상대밀도를 측정할 수 없다.

따라서, hot press 공법의 소결 온도는 140~160℃인 것이 바람직하다.

표 4

[실시예 4]

표 5에 나타난 원료 조성으로 금속분말, 세라믹 분말 및 고분자 바인더를 혼합하여, 표 6에 나타난 조건 하에서 접촉형 점착재를 제조한 뒤, 상기의 조건으로 제조된 점착재를 사용하여 표 7에 나타난 조건으로 각각 dry 조건과 wet 조건에서 점착 실험을 실시하였다. 이에 따라, 슬립에 따른 점착 계수를 비교한 결과를 도 4a내지 도 5e에 나타내었다. 각 도면에 도시된 바와 같이, 고분자 바인더가 10~20wt% 첨가되었을 때 우수한 점착 계수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 건식 상태 뿐만 아니라 습식 상태에서도 점착재의 마찰 특성이 떨어지지 않으며 효과적으로 나타나는 것을 볼 수 있다.

표 5

표 6

표 7

구체적으로, 도 4a에 나타난 것과 같이 물을 뿌리지 않은 dry 조건에서는 점착계수가 약 0.46이지만, 도 4c에 나타난 것과 같이 표 5의 시편 2번의 점착재를 도포하였을 때에는 점착계수가 약 0.61로 35% 정도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5a에 나타난 것과 같이 물을 뿌린 wet 조건에서는 점착계수가 약 0.13이지만, 도 5c에 나타난 것과 같이 표 5의 시편 2번의 점착재를 도포하였을 때에는 점착계수가 약 0.27로 110%정도 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Claims

금속분말 35~50wt%;
세라믹 분말 35~50wt%; 및
상기 금속 분말과 세라믹 분말의 접합 특성을 향상시키기 위한 고분자 바인더 10~20wt%;를 포함하되,
상기 고분자 바인더는,
폴리 옥시벤질 메틸렌글리콜 엔하이드라이드(poly oxybenzyl methylenglycol anhydride); 및
셀룰로오스(cellulose)를 포함하는 목질 충진재(wooden filler);
를 포함하는 접촉형 점착재.
제1항에 있어서,
상기 금속분말은,
동(Cu) 분말; 마그네슘(Mg) 분말; 및 알루미늄(Al) 분말 중 1종 이상을 포함하는 접촉형 점착재.
제2항에 있어서,
상기 금속분말은,
동(Cu) 분말 2~3 중량부;
마그네슘(Mg) 분말 0초과~0.4 중량부 이하; 및
알루미늄(Al) 분말 36.6~38 중량부;를 포함하는 접촉형 점착재.
제2항에 있어서,
상기 금속분말은,
평균 입자 크기가 40~50㎛인 동(Cu) 분말;
평균 입자 크기가 40~50㎛인 마그네슘(Mg) 분말; 및
평균 입자 크기가 90~110㎛인 알루미늄(Al) 분말;을 포함하는 접촉형 점착재.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말의 평균 입자 크기는 10~40㎛인 접촉형 점착재.
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금속분말 35~50wt%, 세라믹 분말 35~50wt% 및 상기 금속 분말과 세라믹 분말의 접합 특성을 향상시키기 위한 고분자 바인더 10~20wt%를 혼합하여 점착재용 조성물을 준비하는 단계; 및
상기 점착재용 조성물을 성형 소결하는 단계;를 포함하되,
상기 고분자 바인더는,
폴리 옥시벤질 메틸렌글리콜 엔하이드라이드(poly oxybenzyl methylenglycol anhydride); 및
셀룰로오스(cellulose)를 포함하는 목질 충진재(wooden filler);
를 포함하는 접촉형 점착재의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 점착재용 조성물을 성형 소결하는 단계는,
140~160℃의 온도 및 150~250bar의 압력을 동시에 가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 접촉형 점착재의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 금속분말은,
동(Cu) 분말; 마그네슘(Mg) 분말; 및 알루미늄(Al) 분말 중 1종 이상을 포함하는 접촉형 점착재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 금속분말은,
동(Cu) 분말 2~3 중량부;
마그네슘(Mg) 분말 0초과~0.4 중량부 이하; 및
알루미늄(Al) 분말 36.6~38 중량부;를 포함하는 접촉형 점착재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 금속분말은,
평균 입자 크기가 40~50㎛인 동(Cu) 분말;
평균 입자 크기가 40~50㎛인 마그네슘(Mg) 분말; 및
평균 입자 크기가 90~110㎛인 알루미늄(Al) 분말;을 포함하는 접촉형 점착재의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 세라믹 분말의 평균 입자 크기는 10~40㎛인 접촉형 점착재의 제조방법.
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