KR101739435B1 - 회전 금형을 이용한 고마찰 우레탄 롤 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고마찰 특성을 지닌 우레탄 롤을 제조하는 방법에 있어서: (A) 액상 우레탄수지 상에 고무 및 우레탄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 하나의 분산 입자고무를 분산시키는 단계; (B) 진공하에서 탈포하여 분산중 발생된 기포를 완전히 제거하는 단계; 및 (C) 우레탄 경화제를 첨가하여 교반후 우레탄 롤 금형에 주입한 다음 경화를 거쳐 탈형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 설정된 고무조성물과 회전형 금형을 사용하여 롤 표면에 분산된 입자의 분포가 증대하여 우레탄 롤의 마찰계수 향상으로 외면에서 슬립(slip) 현상이 방지되고, 고마찰 특성이 요구되는 제품으로 응용 범위를 확대할 수 있는 효과가 있다.

Description

회전 금형을 이용한 고마찰 우레탄 롤 제조방법{Method for manufacturing Urethane Roll with High Friction using Rotating Mold}

본 발명은 우레탄 롤의 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소정의 고무조성물과 더불어 고무의 경도차를 유발하는 금형을 이용하여 롤에 접하여 이송되는 제품과 롤간의 슬립(slip)을 방지하기 위한 회전 금형을 이용한 고마찰 우레탄 롤 제조방법에 관한 것이다.

현재 철강공정에서 사용되는 고무 롤(rubber roll)에서는 동적 마찰계수가 충분하지 않거나, 강판 표면에 도포된 압연유등으로 인하여, 롤 표면에 접하여 연속적으로 반송되는 강판과 롤 사이에 슬립(slip) 현상이 발생한다. 이러한 슬립 현상으로 인하여 강판의 반송속도가 각 공정간에 불균일해지고, 고무 롤 표면과의 마찰에 의한 파편가루로 인하여 강판의 표면이 손상된다. 또한, 롤의 공전에 의해 각 공정에서의 처리시간이 불일치되어 제품에 결함이 발생한다.

실제 제철소에서는 우수한 내마모성 때문에 우레탄 롤이 사용되나, 마찰력이 부족하여 작업도중에 스트립(strip)에 슬립(slip)이 발생하며, 이러한 슬립으로 인한 작업 중단 등 냉연제품의 생산에 막대한 지장을 초래하고 있는 실정이다.

이와 같은 슬립을 방지하기 위한 종래 기술로 일본특허 평1-254284호는 마찰을 증대시키기 위해 본체 고무에 탄성율이 다른 니트릴-부타디엔 고무 입자 17phr을 분산시켜 사용하는 바에 대하여 제시된 바 있다. 그러나, 0.280로 마찰계수가 충분하지 않다.

일본특허 특개 평9-042274호에서는 본체 고무로 우레탄고무를 그리고 충진 입자고무로 니트릴-부타디엔 고무를 사용하여 고무롤을 제조하였다. 이 경우에는 앞서 설명한 일본특허 특개평1-254284호보다는 마찰특성은 우수하나, 본체 고무에 입자고무가 부유된 상태로 고르게 분산되도록 하여야 하며, 따라서, 사용된 우레탄수지와 니트릴-부타디엔 고무(NBR)의 밀도차이를 조절해야하는 문제가 있다. 그러나 이러한 문제는 고무의 재질 및 밀도차이에 의한 분산의 문제로서 본 발명 에서는 주형공정상의 마찰계수를 좀 더 증가 시키는 방법으로 금형을 회전시키는 것을 고안하게 되었다. 이와 같이 금형을 회전시키면 밀도 차이에 의한 분산입자의 분포를 좀 더 철심의 표면으로 보내주는 효과가 크기 때문이다.

1. 일본 공개특허공보 평1-254284호 "고무 롤" (공개일자 : 1989.10.11.) 2. 일본 공개특허공보 평9-042274호 "고무 롤 및 그 제조방법" (공개일자 : 1997.02.10.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 일정한 경도차를 갖는 우레탄 수지와 분산 입자고무로 된 우레탄 고무 조성물과 더불어 고무의 경도차를 유발하는 회전 금형을 이용하여 원심력에 의한 분산작용으로 고무입자를 외각에 균일하게 분포시켜 우수한 마찰력을 발휘할 수 있는 회전 금형을 이용한 고마찰 우레탄 롤 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고마찰 특성을 지닌 우레탄 롤을 제조하는 방법에 있어서: (A) 액상 우레탄수지 상에 고무 및 우레탄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 하나의 분산 입자고무를 분산시키는 단계; (B) 진공하에서 탈포하여 분산중 발생된 기포를 완전히 제거하는 단계; 및 (C) 우레탄 경화제를 첨가하여 교반후 우레탄 롤 금형에 주입한 다음 경화를 거쳐 탈형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)는 경화시 경도가 80-95인 우레탄수지와 경도 70-95인 분산 입자고무로된 조성물을 분산시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)는 분산 입자고무의 직경이 1-3㎜인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)는 105~115℃ 범위로 예열된 상태에서 액상 우레탄수지 100중량부당 입자고무를 1~20phr로 혼합하여 분산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (C)는 금형의 회전속도를 2~50rpm의 범위로 유지하면서 우레탄 수지의 가사시간(pot life)에 이르기까지 회전을 지속하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (C)는 우레탄 롤의 표면에 엠보스, 환형홈, 나선홈 중 적어도 형성하도록 구성된 금형을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (C)는 탈형 후에 1700~2000rpm의 저진동 고속정밀 연마를 수행한 다음, 선택적으로 5000rpm 이상의 초고속 연마를 수행하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 설정된 고무조성물과 금형을 이용하여 주형된 우레탄 롤을 회전시킴으로써, 롤 표면에 분산된 입자의 분포가 증대하여 우레탄 롤의 마찰계수 향상으로 외면에서 슬립(slip) 현상이 방지되고, 이에 따라 고마찰 특성이 요구되는 제품으로 응용 범위를 확대할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법에 사용한 회전형 금형의 개략 구성도
도 2는 도 1의 회전 금형의 측면에서 주요부를 나타내는 모식도
도 3은 도 1의 금형을 회전시킨 상태로 제조된 롤 표면을 확대한 사진
도 4는 도 1의 금형을 정지한 상태로 제조된 롤 표면을 확대한 사진

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고마찰 특성을 지닌 우레탄 롤을 제조하는 방법에 관하여 제안한다. 제강업에서 적합하도록 고강도와 더불어 마찰계수 0.3 이상의 고마찰 재질을 요구하는 고무롤을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 제강업의 고무롤은 이송용, 산세 혹은 수세 탱크에서의 홀다운 롤, 세척라인 탱크 내의 철판으로부터 과량의 세척액을 제거하기 위한 링거롤, 코팅라인에서의 코팅롤 등 그 종류가 다양하지만 동적마찰계수가 충분하지 않는 경우 미끄러짐에 의한 공정불량이 초래되어 생산성에 지대한 영향을 끼친다.

본 발명에 따른 단계 (A)는 액상 우레탄수지 상에 고무 및 우레탄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 하나의 분산 입자고무를 분산시키는 과정으로 진행된다. 강도와 내마모성이 우수한 우레탄 기재 상에 보조재로 필러(filler)를 균일하게 분산시켜 일체로 성형하면 특수 구조를 갖는 우레탄 롤이 형성된다. 필러의 종류로 우레탄, 고무, 세라믹, 외에 이에 상응하는 물성을 지닌 입자를 사용할 수 있다. 고무로는 클로로술폰화 에틸렌 고무 및 염소화 에틸렌 고무를 선택적으로 사용할 수 있다. 어느 경우에나 상기한 필러들은 혼합적으로 사용될 수 있고, 우레탄 롤의 용도에 따라 칩(Chip), 볼(ball) 또는 분말(Powder) 형태로 투입하여 고무조성물을 생성한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)는 경화시 경도가 80-95인 우레탄수지와 경도 70-95인 분산 입자고무로된 조성물을 분산시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고밀도 우레탄 롤 제조용 고무조성물의 주재로는 경화시 경도가 85~95인 우레탄 수지가 사용된다. 경화시 경도가 80 미만인 수지는 사용시 내마모성이 지나치게 낮거나, 고무롤이 쉽게 손상될 수 있음으로 고무롤 제조시 제품으로서의 실용성이 떨어진다. 경화시 경도가 95를 초과하는 우레탄 고무는 사용시 고무 자체가 너무 딱딱하기 때문에 내마모성은 유리하지만 마찰계수가 낮아 원하는 충분한 마찰계수를 갖는 고무롤을 얻기 어렵다.

상기 주재에 분산되는 분산 입자고무(필러)는 이 물질로서 우레탄 수지 및 다른 고무를 사용하는 것이 좋다. 분산 입자고무로 사용하기에 적합한 고무는 경도가 75~90인 것이다. 경도가 70 미만인 경우에는 마찰계수는 유리하지만 마모량이 심하므로 제품화시켰을 때 마모된 입자의 티끌이 제품손상의 원인이 된다. 경도 90을 초과하는 경우에는 마찰계수가 상대적으로 낮아져 마찰이 큰 고무롤을 제조할 수 없다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)는 분산 입자고무의 직경이 1-3㎜인 것을 특징으로 한다. 입경이 1㎜ 미만인 고무 입자는 입자크기가 너무 작기 때문에 같은 중량비로 사용시 부피가 많아서 혼합하기 어렵고, 또한 금형을 회전시켰을 경우 입자가 원심력에 의해서 바깥부분으로 나가는 경향이 아주 어렵기 때문에 입자의 크기를 어느 정도 이상으로 유지함이 유리하다. 다만, 입경이 3㎜를 초과하는 경우에는 우레탄 혼합기 내에서 우레탄 롤 형틀에 주입시 혼합기의 주입 스크류에 걸려 원활하게 공급되기 어렵다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)는 105~115℃ 범위로 예열된 상태에서 액상 우레탄수지 100중량부당 입자고무를 1~20phr로 혼합하여 분산하는 것을 특징으로 한다. 우레탄 수지는 상온에서 액체로서 분산 입자고무와 원활하게 혼합될 수 있도록 예열한다. 약 110℃에서 약 12시간동안 예열하는 것이 좋다. 예열은 12시간 미만으로 행할 수 도 있으나, 최적의 예열시간은 12시간이 적당하고 12시간을 초과하는 경우에는 우레탄수지가 열분해될 수 있음으로 주의를 요한다.

이때, 상기 특정의 분산입자 또는 이들의 혼합물이 액상 우레탄수지에 1~20 phr로 혼합된다. 1phr미만의 경우에는 분산고무의 양이 너무 적어 마찰능 향상을 기대하기 어렵고 20phr을 초과하는 경우에는 혼합가공성이 저조함으로 1~20phr로 첨가하는 것이 좋다. 그러나 금형을 회전시켜 제조하는 경우 입자의 함량이 그리 크지 않아도 입자가 원심력에 의해서 외벽 쪽으로 몰리기 때문에 함량에 비해서 마찰계수의 물성을 효과적으로 만족할 수 있다.

한편, 우레탄은 일반 화학약품, 동식물유, 알코올 및 알카리 등에 저항성 양호하고 인열강도 및 내마모성 우수하나 내수성과 내열성이 상대적으로 부족한 편이다. 이에, 우레탄 롤의 용도에 부합하도록 내수성과 내열성을 향상하기 위한 성분물 부가할 수 있다.

본 발명에 따른 단계 (B)는 진공하에서 탈포하여 분산중 발생된 기포를 완전히 제거하는 과정을 거친다. 우레탄 수지와 분산 고무입자의 혼합 과정에서 다량의 기포가 발생하며, 이러한 기포를 제거하지 않으면 강도는 물론 마찰계수 등의 물성을 급격하게 저하시킨다. 기포의 신속한 제거를 위해 진공 탈포 공정을 부가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 단계 (C)는 우레탄 경화제를 첨가하여 교반후 우레탄 롤 금형에 주입한 다음 경화를 거쳐 탈형하는 과정을 거친다. 입자고무가 분산된 액상 우레탄수지를 도 1과 같은 주형기의 금형(20)에 주입한다. 주형기는 금형(20)은 본체(10) 상에 서포트롤(12)을 개재하여 회전 가능하게 탑재되고 일측에 연결된 구동기(15)를 통하여 설정된 속도로 회전한다. 우레탄 경화제로는 3,3'-디클로로-4,4'-디아민 디페닐 메탄(일명 'MOCA'라 함)가 무난하며, 이외에 우레탄 조성에 일반적으로 사용되는 경화제를 사용하여 강도를 유지한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (C)는 수평축에 지지된 금형의 회전속도를 2~50rpm의 범위로 유지하면서 우레탄 수지의 가사시간(pot life)에 이르기까지 회전을 지속하는 것을 특징으로 한다. 우레탄의 가사시간이 상당히 짧음으로 경화시간을 기존의 혼합시간보다 약 50% 정도 더 경과시켜 가사시간을 지연시킨 후에 금형(20)에 주입하는 것이 좋다. 우레탄 롤 금형에 주입한 후, 주입구를 막고 회전 금형을 2~50 rpm의 속도로 회전시키면서 우레탄 수지의 가사시간에 도달할 때까지 지속한다. 이어서, 가황관에서 약 110℃에서 대략 12시간 정도 경화시킨 후 탈형하여 고마찰 우레탄 롤(UR)을 생성한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (C)는 우레탄 롤의 표면에 엠보스, 환형홈, 나선홈 중 적어도 하나를 형성하도록 구성된 금형을 사용하는 것을 특징으로 한다. 제강(제철) 현장에서 우레탄 롤이 강판과 맞닿아 회전할 때 응력이 발생하여 인장되는데 우레탄 기재가 필러의 증가율(팽창률)보다 커서 필러가 우레탄 롤 표면에 돌출된다. 이렇게 돌출된 필러 입자는 강판 표면에 도포되어 있는 기름이나 처리용액을 상대적으로 오목해진 우레탄 표면으로 모이게 하므로 강판과 우레탄 롤과의 운동마찰계수를 높여 슬립을 방지할 수 있다. 이에, 도 2처럼 금형(20)의 내면에 엠보스(22), 환형홈(24), 나선홈(26) 등을 형성하면 우레탄 롤의 표면에서 기름 등의 수집력을 높여 운동마찰계수 향상을 도모하는데 유리하다. 우레탄 롤의 용도에 따라서 엠보스, 환형홈, 나선홈을 복합적으로 선택하여 형성할 수도 있다.

도 2에서 엠보스(22)는 금형 내면을 그대로 나타내는 것으로서 다수의 반구형 요홈이 일정하게 배치되고, 환형홈(24)은 금형을 종단하여 나타내는 것으로서 축방향에 걸쳐 일정한 간격으로 배치되고, 나선홈(26)은 금형을 종단하여 나타내는 것으로서 축방향에 걸쳐 일정한 규격의 나선으로 형성된다. 나선홈(26)은 금형의 중심을 기준으로 좌나선과 우나선을 병용하는 것이 좋다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (C)는 탈형 후에 1700~2000rpm의 저진동 고속정밀 연마를 수행한 다음, 선택적으로 5000rpm 이상의 초고속 연마를 수행하는 것을 특징으로 한다. 일반 고무롤과는 차별화된 설비를 기반으로 2단계의 정밀 연마를 실시함으로써 양산에서 최적의 표면 물성을 안정적으로 확보할 수 있다. 특히, 초고속 연마 설비에서 텅스텐 휠을 사용하여 5000rpm 이상의 속도로 롤을 연마하면 내마모성을 비롯한 내구성 증대에 유리할 뿐더러 거친 입자 사포(Sand Paper)의 사용을 궁극적으로 배제할 수 있다. 전술한 엠보스(22), 환형홈(24), 나선홈(26)이 롤 표면에 형성된 경우에는 저진동 고속정밀 연마만 수행하고 초고속 연마를 생략할 수 있다.

어느 경우에나, 우레탄 롤의 설계 물성으로 경도는 75~95 Hs A, 내마모성은 0.13cc, 내열성은 80℃에 부합하도록 공정 조건을 맞춘다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 별도의 금형(20)을 이용하여 우레탄 롤 상에 부분적으로 섬유강화수지 층을 더 부가하여 내구성을 증대할 수 있고, 우레탄 롤의 용도에 따라서는 전술한 연마와 별개로 표면경화용 UV 공정과 같은 표면처리를 부가할 수도 있다.

이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

<실시예 1>

표 1은 우레탄 입자를 분산시킨 고무조성물을 회전시켜 제조할 경우의 마찰계수를 나타낸 것으로, 종래의 무첨가 롤과 금형을 회전시키지 않았을 경우의 마찰계수와 대비될 수 있다.

분산 입자고무함량(phr)	종래롤(0)	1	5	7	1	5
금형 회전수(rpm)	0	0	0	0	10	10
마찰계수	0.223	0.352	0.451	0.633	0.401	0.564

* 종래롤: 분산 입자고무가 사용되지 않음.

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 분산 입자고무를 첨가하지 않은 우레탄수지만으로 형성된 종래롤은 마찰계수가 0.2~0.3인 반면, 분산 입자고무로 경도가 90인 우레탄 고무를 첨가함으로써 마찰계수가 증가되고, 금형을 회전시킨 경우 마찰계수가 더욱 증가하였다.

<실시예 2>

본 발명의 실시예로서 도 3은 분산 입자고무로 경도가 90인 우레탄 고무 5중량부를 첨가하고 금형을 10rpm으로 회전시켜 제조할 때의 우레탄 롤의 표면 분포사진을 나타낸 것이다. 사진에서 하측의 롤 표면으로 갈수록 입자고무의 밀도가 증대되는 것을 알 수 있다.

<비교예 1>

도 4는 비교예로로서 분산입자고무로 경도가 90인 우레탄 고무 5중량부를 첨가하고 금형을 회전시키지 않았을 경우의 사진을 나타낸 것이다. 사진에서 하측의 롤 표면에서 입자고무의 밀도 증대가 없는 것을 알 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 본체 12: 서포트롤
15: 구동기 20: 금형
22: 엠보스 24: 환형홈
26: 나선홈 UR: 우레탄 롤

Claims (7)

1. 제강업의 이송용 롤, 홀다운 롤, 링거롤, 코팅롤에 적용하기 위한 고마찰 특성을 지닌 우레탄 롤을 제조하는 방법에 있어서:
   (A) 액상 우레탄수지 상에 고무 및 우레탄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 하나의 분산 입자고무를 분산시키는 단계;
   (B) 진공하에서 탈포하여 분산중 발생된 기포를 완전히 제거하는 단계; 및
   (C) 우레탄 경화제를 첨가하여 교반후 우레탄 롤 금형에 주입한 다음 경화를 거쳐 탈형하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
   상기 단계 (A)는 105~115℃ 범위로 예열된 상태에서 액상 우레탄수지 100중량부당 입자고무를 1~20phr로 혼합하여 분산하고,
   상기 단계 (C)는 수평축에 지지된 금형의 회전속도를 2~50rpm의 범위로 유지하면서 우레탄 수지의 가사시간(pot life)에 이르기까지 회전을 지속하며,
   상기 단계 (C)는 우레탄 롤의 표면에 엠보스, 환형홈, 나선홈 중 적어도 하나를 형성하도록 구성된 금형을 사용하고,
   상기 단계 (C)는 탈형 후에 1700~2000rpm의 저진동 고속정밀 연마를 수행한 다음, 선택적으로 5000rpm 이상의 초고속 연마를 수행하는 것을 특징으로 하는 회전 금형을 이용한 고마찰 우레탄 롤 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (A)는 경화시 경도가 80-95인 우레탄수지와 경도 70-95인 분산 입자고무로된 조성물을 분산시키는 것을 특징으로 하는 회전 금형을 이용한 고마찰 우레탄 롤 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (A)는 분산 입자고무의 직경이 1-3㎜인 것을 특징으로 하는 회전 금형을 이용한 고마찰 우레탄 롤 제조방법.
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