KR101717627B1 - 피스톤 씰용 고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피스톤 씰용 고무 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 오토 트랜스미션에 설치되는 피스톤에 적용되어 변속시 압력 손실을 방지할 수 있는 피스톤 씰용 고무 조성물에 관한 것이다.

Description

피스톤 씰용 고무 조성물{COMPOSITION FOR BONDED PISTON SEAL}
본 발명은 피스톤 씰용 고무 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 오토 트랜스미션에 설치되는 피스톤에 적용되어 변속시 압력 손실을 방지할 수 있는 피스톤 씰용 고무 조성물에 관한 것이다.
자동차 등 운송수단의 오토 트랜스미션(Auto Transmisson)은 엔진의 구동력을 바퀴에 전달하기 위하여 유압을 이용하여 자동으로 변속 구동한다. 변속 시 변속기 내부에서는 각 단에 따라 클러치라는 유압 장치가 피스톤에 의해 작동된다. 이때, 변속기 내부의 클러치 체결에 사용되는 고무 립 가황 접착 타입의 본디드 피스톤 씰(BPS; Bonded Piston Seal)은 일반적으로 자동변속기의 내부에서 유압으로 움직이는 금속환과 금속환에 접착되는 씰링 고무로 이루어진다. 피스톤 씰은 유압 실린더 내의 피스톤 끝단부에 장착되어 유압이 실린더 외부에 새어나가지 않도록 하여 압력의 손실을 방지할 수 있다.
이러한 피스톤 씰은 하우징의 내벽과 접하는 부위에 씰링 고무를 결합하여 미션 오일의 손실을 방지할 수 있도록 하는 것으로, 고온의 오일에 노출되고 유압을 전달해야 하므로 내마모성, 내열성과 내유성뿐만 아니라 내압성의 우수한 물성 구현이 요구된다. 또한, 최근 부품이 경량화, 소형화되어 증가되는 열 부하에도 잘 견딜 수 있고 장기간 사용하여도 물성이 저하되지 않도록 내열성과 내유성, 내마모성 및 내압성이 향상된 피스톤 씰이 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-0330917호(특허문헌 1)는 고도의 내열성 및 내유성을 갖는 고무 블랜드 조성물에 관한 발명으로, 에틸렌아크릴레이트계 고무에 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM)을 혼합하는 것이 개시되어 있으나 가공성에 한계가 있고 강도 등 기계적 물성이 저하되는 문제점이 있다.
이에 내열성, 내유성, 내압성 및 내마모성 등의 물성을 향상시킬 수 있는 오토미션 피스톤 씰용 고무 조성물에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-0330917호(2002.03.19)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내열성, 내유성, 내압성 및 저온 유동성이 우수한 오토 트랜스미션에 적용가능한 피스톤 씰용 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 장기간 스트로크에도 누유가 발생하지 않고 내마모성 및 내구성이 우수한 오토 트랜스미션에 적용가능한 피스톤 씰용 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 ASTM D1646에 의하여 측정된 무니점도(ML 1+4, 100℃)가 30 내지 40인 폴리아크릴레이트 고무, 카본블랙, 실리카, 디페닐아민계 화합물, 왁스 및 가황제를 포함하는 피스톤 씰용 고무 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 카본블랙 60 내지 80중량부, 실리카 1 내지 15중량부, 디페닐아민계 화합물 1 내지 5중량부, 왁스 0.1 내지 5중량부 및 가황제 0.1 내지 10중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물에 있어서, 카본블랙은 평균입경이 40 내지 50㎛인 양압출성 카본블랙일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물에 있어서, 실리카는 비표면적 175 내지 350㎡/g이며, 평균 입자경이 7 내지 12nm, pH가 3.7 내지 4.7인 건식 실리카일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물에 있어서, 가황제는 황, 아민 디설파이드, 중합체성 폴리설파이드 및 황 올레핀 부가물 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 벤조티아졸계 화합물 및 티우람계 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 가황촉진제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 산화아연, 스테아린산 및 실란커플링제 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 피스톤 씰용 고무 조성물을 포함하여 제조되는 피스톤 씰을 제공한다.
본 발명에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 오토 트랜스미션에 적용되어 고내열성 및 우수한 내유성 및 내압성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 장기간 스트로크에도 누유가 발생하지 않고 내마모성 및 내구성이 우수하며, 저온에서의 유동성이 좋아 장기 수명특성을 갖는 피스톤 씰을 제공할 수 있는 장점이 있다.
이하 본 발명의 피스톤 씰용 고무 조성물을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 특정 무니점도를 갖는 폴리아크릴레이트 고무(Polyacrylate, ACM), 카본블랙, 실리카, 디페닐아민계 화합물, 왁스 및 가황제를 포함하는 피스톤 씰용 고무 조성물을 제공함으로써 고내열성뿐만 아니라 우수한 내유성 및 내압성을 구현할 수 있으며, 내구성 및 내마모성이 뛰어나 오토 트랜스미션 피스톤 씰에 적용시 장기간 스트로크에도 누유가 발생되지 않는다.
본 발명에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 ASTM D1646에 의하여 측정된 무니점도(ML 1+4, 100℃)가 30 내지 40, 보다 바람직하게는 35 내지 40인 폴리아크릴레이트 고무를 포함한다. 무니점도가 상기 범위를 만족하는 경우 본 발명이 목적하는 물성의 상승효과를 구현할 수 있으며, 특히 저온에서의 유동성이 우수하여 씰링성이 더욱 좋다. 일예로 외부 온도가 급격히 낮아지는 겨울과 같은 저온 하에서 취약할 수 있는 씰링성이 현저하게 개선될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 일 실시예로 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 카본블랙 50 내지 60중량부, 실리카 1 내지 5중량부, 디페닐아민계 화합물 1 내지 3중량부, 왁스 0.1 내지 2중량부 및 가황제 0.1 내지 10중량부를 포함할 수 있다. 상기의 조성 범위를 만족하는 경우 저온 유동성 및 내구성, 씰링성이 더욱 좋다.
본 발명에서 폴리아크릴레이트 고무는 무니점도의 범위가 40을 넘을 경우에는 가황시간을 단축시킬 수 있으나, 상기 저온 특성 및 영구압축줄음율이 저하될 수 있다. 이에 무니점도가 30 내지 40인 폴리아크릴레이트 고무와 본 발명에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물 내 다른 성분과의 조합을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 폴리아크릴레이트 고무는 통상적인 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 가황 물성을 개선하고 가황속도를 높이기 위하여 반응성 작용기를 갖는 가교점 단량체를 포함할 수 있다. 일예로 가교점 단량체로는 2-클로로에틸 비닐에테르, 비닐 클로로아세테이트, 아릴글리시딜 에테르 등을 들 수 있다.
본 발명에서 카본블랙은 고무복합소재의 내마모성 및 기계적 강성을 높이기 위해 사용되며, 장기간 스트로크에 의한 지속적 변형응력으로 발생할 수 있는 고무 발열 현상을 줄일 수 있기 위해 사용된다. 상기 카본블랙은 고무 조성물 내 다른 성분과의 조합으로 기계적 강성과 내압성, 내열성 등의 물성의 상승효과를 구현할 수 있다. 상기 카본블랙은 바람직하게는 MAF(Medium Abrasion Furnace)보다는 양압출성(Fast Extrusion Furnace, FEF) 카본블랙을 사용할 수 있다.
본 발명에서 카본블랙은 크게 제한되지는 않지만 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 60 내지 80중량부, 보다 바람직하게는 65 내지 75중량부인 것이 좋다. 상기 범위를 만족하는 경우 가황물의 경도가 우수하며 과부하에 따른 발열을 낮출 수 있으며, 성형성 및 표면특성이 더욱 좋다.
상기 카본블랙은 N110, N330, N332, N472, N550, N630, N642, N650, N762, N770, N907, N908, N990 및 N991 에서 선택된 하나 또는 둘 이상을 선택할 수 있다. 이중에서 바람직하게는 N550 그레이드를 사용하는 것이 내마모성 및 강성 증대 효과 구현을 위해 좋으나 고무발열현상에 따른 조성물 내 다른 성분과의 조합으로 이를 조절하는 것이 요구된다.
상기 카본블랙과 함께 실리카를 사용하여 조성물의 기계적 강성을 보충할 수 있다. 실리카는 크게 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 건식 실리카를 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 비표면적 175 내지 350㎡/g이며, 평균 입자경이 7 내지 12nm, pH가 3.7 내지 4.7인 건식 실리카를 사용할 수 있다. 일예로, 에어로실(AEROSIL) #130, AEROSIL #150, AEROSIL #200, AEROSIL #300 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 AEROSIL #200을 사용할 수 있다.
상기 실리카는 크게 제한되는 것은 아니지만 바람직하게는 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 1 내지 15중량부, 보다 바람직하게는 6 내지 15중량부인 것이 좋다. 상기 범위를 만족하는 경우 가황물의 경도가 우수하며 과부하에 따른 발열을 낮출 수 있으며, 성형성 및 표면특성이 더욱 좋다.
본 발명에서 디페닐아민계 화합물은 빠른 경화에 따라 발생할 수 물성 저하를 방지하며 내열성 및 내압성의 물성을 개선하기 위하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 디페닐아민계 화합물은 산화방지를 개선할 수 있다.
본 발명에서 디페닐아민계 화합물은 바람직하게는 4,4'-비스(α,α-디메틸벤질)디페닐아민 등을 사용하는 것이 조성물 내 다른 성분과의 조합으로 인한 물성 상승효과 구현에 더욱 좋다.
상기 디페닐아민계 화합물은 크게 제한되는 것은 아니지만, 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 1 내지 5중량부, 보다 바람직하게는 1 내지 3중량부를 사용할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 내열성, 내구성 및 내압성의 물성이 더욱 좋다.
본 발명에서 왁스는 크게 제한되는 것은 아니지만, 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부, 보다 바람직하게는 0.1 내지 2중량부 사용할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 조성물 내 다른 성분과의 조합으로 우수한 내유성 및 내구성을 구현할 수 있어 더욱 좋다.
본 발명에서 가황제는 황(sulfur), 아민 디설파이드, 중합체성 폴리설파이드 및 황 올레핀 부가물 등과 같은 황 공여 가황제를 포함하여 사용할 수 있으며, 그 전구체로 분활황(Powdered sulfur), 불용성황(insoluble sulfur) 및 침강황(Precipitated sulfur) 중에서 선택된 1 종 이상을 사용할 수 있다. 상기 가황제는 크게 제한되는 것은 아니지만, 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 0.1 내지 10중량부 포함될 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 우수한 기계적 강성 및 내구성, 내압성의 물성을 구현하는데 더욱 좋다.
상기 가황제는 가황 보조제로서 산화아연, 스테아릭산 및 실란 커플링 첨가제 등을 포함할 수 있다. 상기 산화아연(ZnO)은 가황반응 시 가교반응의 활성화를 위하여 첨가하는 가황보조제로, 이는 가교속도를 증가시키는 한편, 측쇄반응을 방지하여 가교밀도를 증가시키기 위하여 사용할 수 있다. 상기 산화아연의 함량은 폴리아크릴레이트 고무 100 중량부에 대하여 0.5 내지 10 중량부 포함될 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 가교반응의 활성화 효과가 미미하거나 기계적 물성을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 조성물은 상술한 성분 이외에 본 발명의 목적에서 크게 벗어나지 않는 범위에서 다른 여러 첨가제의 사용이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 벤조티아졸계 화합물 및 티우람계 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 가황촉진제를 더 포함할 수 있다. 상기 가황촉진제는 가황반응 온도를 낮추고 가황시간을 단축시킬 뿐만 아니라 가황물의 물성을 개선할 수 있다. 가황촉진제로 벤조티아졸계 촉진제 및 티우람계 촉진제를 첨가함으로써 100% 모듈러스를 향상시킬 수 있으며, 지속적인 응력변형에 대한 동적특성을 향상시킬 수 있다.
상기 가황촉진제는 바람직하게는 벤조티아졸 촉진제 대비 티우람계 촉진제를 1 : 0.6 ~ 1 의 함량비로 사용할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우 동적 특성 및 기계적 물성 상승효과를 구현할 수 있다.
상기 티아졸계(Thiazole)는 가장 널리 쓰이는 촉진제로 그 종류로는 2-머캡토 벤조티아졸(2-Mercapto benzo thiazole, MBT), 디벤조타질 디설파이드(dibenzothazyl disulfide, MBTS), 소듐-2-머캡토 벤조티아졸 (sodium-2-mercaptobenzo thiazole, Na MBT), 아연염 2-머캡토 벤조티아졸(Zn-Salt of MBT, Zn MBT), 시클로헥실아민염 2-머캡토 벤조티아졸 (cyclohexylamine salt-2-mercaptobenzo thiazole, CMBT), N-시클로헥실-2-벤조티아졸 설펜아미드(N-cyclohexyl-2-benzothiazoyl sulfenamide, CBS), N-터트-부틸-2-벤조티아졸 설펜아미드(N-tert-butyl-2-benzothiazoyl sulfenamide, BBS) 및 N-옥시디에틸렌-2-벤조티아졸 설펜아미드(N-oxydiethylene-2-benzothiazole sulfenamide, OBS) 등에서 선택될 수 있다.
상기 티우람계 촉진제는 초강력 촉진제로 그 종류는 테트라메틸 티우람 모노설파이드(tetramethylthiuram monosulfide, TMTM), 테트라메틸 티우람 디설파이드(tetramethylthiuram disulfide, TMTD), 테트라에틸 티우람 디설파이드(tetraethylthiuram disulfide, TETD), 테트라부틸 티우람 디설파이드(tetrabutylthiuram disulfide, TBTD) 및 디펜타메틸렌 티우람 디설파이드(dipentamethylene thiuram tetra sulfide, DPTT) 등에서 선택될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물은 필요에 따라 무기물계 충진보강제를 더 포함할 수 있다. 이는 내열성 향상 및 내유성을 부여할 수 있다. 상기 무기물계 충진보강제는 흑연, 이황화몰리브덴(MoS2), 이산화티탄(TiO2), 탈크(talc), 월라스토나이트(wollastonite) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
이렇게 제조된 본 발명에 따른 피스톤 씰용 고무 조성물을 포함하는 피스톤 씰은 본 발명의 범위에 포함되며, 상기 고무 조성물은 상기 물성이 필요한 다양한 분야에 확대 적용 가능하다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.
(물성 평가)
(1) 가교특성 : ASTM 관련 규정에 준한 레오메타로 가황속도 및 가교도를 평가하였다.
(2) 경도 : KS 규격인 KS M6518의 7항에 의하여 평가하였다.
(3) 인장강도 : KS 규격인 KS M6518의 5항에 의하여 평가하였다.
(4) 100% 모듈러스 : 모듈러스 측정은 시편을 길이 100mm, 외폭 25mm, 내폭 5mm 인 아령형으로 잘라서 인스트론사에서 제작한 인장시험기로 실시하였다. 100% 모듈러스(Modulus)는 시험시편을 100% 신장시켰을 때 시험시편에 걸리는 인장강도를 나타내었다.
(5) 신장율(신율) : KS 규격인 KS M6518의 5항에 의하여 평가하였다.
(6) 내열성 :150℃의 온도조건에서 70시간 평가하였으며, KS 규격인 KS M6518의 8항에 의하여 평가하였다.
(7) 내유성 : 150℃의 온도조건에서 70시간 평가하였으며, 내유성은 ASTM 1번과 3번 오일을 사용하여 시험하였다.
(8) 내압성 : 내압작동시험기를 사용하고, 시험유로는 오토 트랜스미션 오일을 사용하였다. 150℃, 1MPa
(9) 내한성(TR-10) : KS 규격인 KS M 6724에 의하여, 메틸알콜 -70℃에서 50% 신장고무회복율 10%의 조건 하 저온회복시험을 시행하였다.
(10) 압축영구줄음율(C/S) 시험: 100℃의 온도조건에서 70시간 평가하였으며 KS 규격인 KS M6518의 11항에 의하여 평가하였다.
(11) 제품 내구성능평가(스트로크 내구시험) : 피스톤씰 내압작동시험기를 사용하고, 시험유로는 오토 트랜스미션 오일을 사용하였다. 오토 트랜스미션 구동부와 동일한 형태의 시험지그에 피스톤씰을 장착한 후 시험지그에 기설정된 온도와 압력(120℃, 20 bar)에서 100만 사이클 동안 하기 표 1에서와 같은 시험패턴으로 반복 내구시험을 실시하였다.
[표 1]
Figure 112014127018402-pat00001

(실시예 1)
하기 표 2에 기재된 함량대로 통상적인 방법으로 피스톤 씰의 고무 조성물을 제조하였다. 제조된 조성물의 물성을 측정하기 위하여 길이 150mm, 폭 150mm, 두께 2mm의 정사각형 시편을 압축 성형한 후, 냉각하여 시편을 제작하였다.
(실시예 2)
하기 표 2의 함량을 참고하여 실시예 1과 같은 방법으로 제조 및 평가하였다.
(비교예 1)
하기 표 2의 함량을 참고하여 실시예 1과 같은 방법으로 제조 및 평가하였다.
[표 2]
Figure 112014127018402-pat00002

[표 3]
Figure 112014127018402-pat00003

본 발명의 실시예에 따른 피스톤 씰용 고무조성물은 우수한 경도 및 인장강도 특성을 가지며, 특히, 저온에서의 특성이 우수하였으며, 스트로크 내구시험 결과 89만회까지 누유현상이 발생하지 않고 내마모성 및 내압성이 우수하게 나타났다. 반면, 비교예 1은 스트로크 내구시험 결과 3만회에서 누유현상이 발생하고 내열성, 내유성 등 본 발명에서 요구한 특성을 만족하지 못함을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

  1. ASTM D1646에 의하여 측정된 무니점도(ML 1+4, 100℃)가 30 이상 40 미만인 폴리아크릴레이트 고무, 카본블랙, 실리카, 디페닐아민계 화합물, 왁스 및 가황제를 포함하며,
    상기 폴리아크릴레이트 고무는 2-클로로에틸비닐에테르 및 비닐클로로아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상의 클로린 가교점을 함유한 것을 특징으로 하는피스톤 씰용 고무 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조성물은 폴리아크릴레이트 고무 100중량부에 대하여 카본블랙 60 내지 80중량부, 실리카 1 내지 15중량부, 디페닐아민계 화합물 1 내지 5중량부, 왁스 0.1 내지 5중량부 및 가황제 0.1 내지 10중량부를 포함하는 피스톤 씰용 고무 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 카본블랙은 평균입경이 40 내지 50㎛인 양압출성 카본블랙인 피스톤 씰용 고무 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카는 비표면적 175 내지 350㎡/g이며, 평균 입자경이 7 내지 12nm, pH가 3.7 내지 4.7인 건식 실리카인 피스톤 씰용 고무 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가황제는 황, 아민 디설파이드, 중합체성 폴리설파이드 및 황 올레핀 부가물 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 피스톤 씰용 고무 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 조성물은 벤조티아졸계 화합물 및 티우람계 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 가황촉진제를 더 포함하는 피스톤 씰용 고무 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 조성물은 산화아연, 스테아린산 및 실란커플링제 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는 피스톤 씰용 고무 조성물.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중에서 선택되는 어느 한 항의 조성물을 포함하는 피스톤 씰.
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