KR101916538B1 - 내열성이 향상된 자동차 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물 - Google Patents

내열성이 향상된 자동차 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인테이크 호스용 수지 조성물에 관한 것으로, 폴리아미드와 폴리프로필렌 수지에, 폴리에스터 엘라스토머를 소정량 포함하고, 필요에 따라 산화방지제, 내열안정제, 활제 및 마스터배치를 더 포함함으로써 내구성, 내열성, 연신율, 기계적 강성, 내압 및 내한 특성이 우수함과 동시에 경량화 및 제조 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.

Description

내열성이 향상된 자동차 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물{Resin Composition for Intake Hose of Turbo Engine by Enhanced Thermal Resistance}
본 발명은 자동차 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리아미드 수지, 폴리프로필렌 수지에, 폴리에스터 엘라스토머를 소정량 도입함으로 인해서 내열성과도 연신율이 우수한 자동차 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물에 관한 것이다.
자동차의 엔진이 작동되기 위해서는 연료와 공기가 필요하다. 또한, 엔진은 흡기시스템을 통하여 차가운 공기를 자동차의 외부로부터 공급받는다. 일반적으로 차량의 엔진룸에 장착되는 에어 인테이크 호스(Air Intake Hose)는, 차량의 외부로부터 흡입된 공기를 에어필터로 보내거나 또는 에어 필터로부터 여과된 깨끗한 공기를 자동차 엔진의 스로틀 바디(Throttle body)로 보내는 통로 역할을 수행하며, 또한 자동차 엔진에 의한 진동을 흡수하는 기능을 수행한다.
이러한 에어 인테이크 호스는 엔진의 열온으로부터 오는 열해문제를 방지하기 위한 소재를 사용하여 형성된다. 특히, 디젤 엔진이나 터보차종 엔진의 경우에는 일반 가솔린보다 엔진열이 매우 높기 때문에 열해 문제가 없는 소재를 사용하는 것이 필수적이다.
종래에는 인테이크 호스용 고분자로서 에피클로로히드린 고무를 사용하였는데 이는 고분자 사슬의 포화도가 높아 내산소성, 내오존성을 나타낸다. 산소원자와 염소 원자로 인한 고분자 사슬의 극성으로 비극성 유체 또는 탄화수소 유도체에 대한 저항성이 좋아져 내 오일성이 우수한 자동차용 에어 인테이크 호스가 사용 되어 왔다. 그러나 상기 에피클로로히드린 고무는 고온에 노출 시 발생하는 미량의 염화수소화 반응 때문에 가황물의 안정화를 위한 산화방지제를 첨가하는 것이 필요한 문제점을 갖고 있다. 또한 방향족 염소화 탄화수소, 알코올, 케톤 및 에스테르에 취약하며, 글리콜, 브레이크액, 온수 등에 취약한 문제점을 갖고 있다.
아울러, 종래의 인테이크 호스는 AEM(Acrylate Ethylene Methyl) 소재를 사용하고, 연결부에서 클램프링을 사용하기 때문에 무게 중량 및 자체 비중이 높아서 현 경량화 목적에 어려운 단점을 가지고 있다. 또한 소재의 원가가 높다는 점도 문제점으로 지적되고 있다.
따라서, 엔진 접촉부위의 열해 문제를 방지하면서도, 가벼운 중량의 소재로 인테이크 호스를 형성함으로써 중량을 절감하여 차량 연비를 개선함과 동시에 제조비용을 절감할 수 있는 에이 인테이크 호스 소재의 개발이 요구되고 있다.
1: 한국 공개특허 제2011-77126호
이에 본 발명자들은 폴리아미드 수지 및 폴리프로필렌 수지에, 폴리에스터 엘라스토머를 소정량 사용하고, 폐놀계 또는 인계 산화방지제, 황계 내열안정제, 올레핀계 활제, 마스터배치 등의 첨가제를 더 포함하는 조성물의 경우 내열성과 연신율이 우수한 터보용 인테이크 호스를 제조할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 내구성, 내열성, 연실율, 기계적 강성, 내압 및 내한 특성이 우수하면서 동시에 경량화가 가능한 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물을 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 상기 터보용 인테이크 호스용 조성물로 제조된 인테이크 호스를 제공하는데 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 폴리아미드 수지 20 ~ 40 중량%; (b) 폴리프로필렌 수지 10 ~ 30 중량%; (c) 폴리에스테르 엘라스토머 30 ~ 50 중량%; (d) 산화방지제 0.1 ~ 0.5 중량%; (e) 내열안정제 1 ~ 3 중량%; (f) 활제 0.2 ~ 0.5 중량%; 및 (g) 마스터배치 1 ~ 2 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 터보용 인테이크 호스용 수지 조성물로 제조된 자동차 터보용 인테이크 호스를 제공한다.
본 발명에 따른 인테이크 호스용 수지 조성물은 종래 인테이크 호스 소재와 대비하여 내구성 및 경량성이 향상되어 자동차의 연비가 개선됨과 동시에 원가 절감이 가능하다. 또한 내열성 및 연신성의 균형을 최적화하고, 기능성 첨가제의 부가적인 기능을 통하여 내압 및 내산 특성을 증진시킨 자동차 터보용 인테이크 호스 소재로 제공될 수 있다.
도 1은 폴리에스터 엘라스토머 구조를 나타낸 것이다.
일반적으로 차량의 엔진룸에 장착되는 에어 인테이크 호스(Air Intake Hose)는, 외부로부터 흡입된 공기를 에이 필터로 보내거나 에어 필터로부터 여과된 공기를 자동차 엔진의 스로틀 바디(Throttle body)로 보내는 기능을 담당하며, 또한 자동차 엔진의 의한 진동을 흡수하는 기능을 담당하는 부품이다.
상기 에어 인테이크 호스는 엔진의 열온으로부터 오는 열해문제를 방지하기 위한 소재를 사용하여 형성될 것이 요구된다. 특히, 디젤 엔진이나 터보차져 엔진의 경우에는 일반 가솔린 엔진보다 엔진열이 매우 높기 때문에 열해문제가 없는 소재를 사용하는 것이 필수적이다.
이에, 종래에는 에어 인테이크 호스의 소재로서 고무, 열가소성 탄성중합체(Thermoplastic elastomer: TPE) 또는 폴리프로필렌(Polypropylene : PP) 등의 혼합물이 사용되어 왔고, 이러한 폴리프로필렌(Polypropylene) 또는 열가소성 탄성체(Thermoplastic Elastomer, TPE) 재질은 그 소재가 가볍고 제조 단가가 저렴하다는 장점이 있으나, 엔진의 고온에 대한 열해문제(hear injury)가 발생하여 에어 인테이크 호스에 적용하기 곤란하다는 문제점이 있었다.
또한 종래 사용되던 AEM(Acrylate Ethylene Methyl) 소재의 경우에는 무게 중량 및 자체 비중이 높아서 경량화 목적에 부합하기 어렵고, 소재의 원가가 높다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 종래의 기술적 한계인 내구성, 특히 내열성이 우수하면서도 연신율이 우수한 인테이크 호스용 수지 조성물의 발명에 대해 제안한다.
이하에서 본 발명을 하나의 구현예로서 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 (a) 폴리아미드 수지 20 ~ 40 중량%; (b) 폴리프로필렌 수지 10 ~ 30 중량%; (c) 폴리에스테르 엘라스토머 30 ~ 50 중량%; (d) 산화방지제 0.1 ~ 0.5 중량%; (e) 내열안정제 1 ~ 3 중량%; (f) 활제 0.2 ~ 0.5 중량%; 및 (g) 마스터배치 1 ~ 2 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 인테이크 호스용 수지 조성물을 제공한다. 각 성분에 대해 이하 구체적으로 설명한다.
먼저 상기 폴리아미드 수지(a)는 폴리아미드66 또는 폴리아미드6을 사용할 수 있으며, 이는 에어인테이크 호스의 강성 및 내열성을 확보하기 위함이다. 특히 폴리아미드6이 바람직하다.
나일론으로 통칭되는 폴리아미드6 수지는 기계적강도, 내마모성 및 내열성이 우수한 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로, 전기전자 및 자동차 부품 등에 널리 사용되고 있다. 하지만 상기 폴리아미드6는 강도가 우수한 반면, 흡수율이 높기 때문에 치수 변화가 커서 치수안정성이 떨어진다는 단점이 있다.
본 발명에서 사용된 폴리아미드6 수지는 유리전이온도(glass transition temperature)가 40 ~ 60℃이고, 열변형 온도(Heat Distortion Temperature: HDT)는 60 ~ 80℃이며, 용융 온도(melting temperature)는 200 ~ 250℃인 것을 사용할 수 있다. 이와 같은 폴리아미드6 수지의 반복단위(repeat unit) 구조는 하기 화학식 1과 같다. 그러나 반드시 이에 제한되지 않는다.
[화학식 1]
Figure 112016111749611-pat00001
상기 n은 0이 아닌 정수이다. 바람직하게는 n은 50 ~ 250이다.
에어인테이크 호스의 강성 및 내열성을 확보하기 위해서는 상기 폴리아미드 수지는 인테이크 호스용 수지 조성물 전체 중량에 대해 20 ~ 40 중량%을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 인테이크 호스용 수지 조성물은 폴리프로필렌(b)을 포함할 수 있다. 상기 폴리프로필렌은 성형성, 전기 절연성, 내수성, 내약품성 등이 우수하며 비중이 낮아 가볍다는 장점이 있는 반면, 저온에서 충격에 약하고, 늘어지거나 수축하기 쉽다는 단점이 있다.
이에 폴리프로필렌은 인테이크 호스용 수지 조성물에 대해 10 내지 30 중량%인 것이 바람직하다. 10 중량% 미만인 경우에는 폴리프로필렌 수지 특성을 나타내지 못하고, 30 중량% 초과인 경우에는 기계적 물성 및 내열도 저하의 문제가 발생하기 때문에 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
또한 본 발명에 따른 인테이크 호스용 수지 조성물은 폴리에스터 엘라스토머(c)를 포함한다. 폴리에스터 엘라스토머는 소재의 내열성을 높이기 위해 사용되며, 전체 수지 조성물에 대해 30 내지 50중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 폴리에스터 엘라스토머 수지가 30 중량% 미만인 경우 내열성 특성을 효과적으로 구현하지 못하며, 50 중량% 초과인 경우 압출 공정이 어려워져 성형문제가 발생하기에 상기 범위 내에서 사용한다. 폴리에스터 엘라스토머 구조는 도 1에 나타낸 바와 같다.
폴리에스터 엘라스토머 수지는 하드 세그먼트와 소프트 세그먼트가 반복적으로 구성되어 있어, 폴리에스터 엘라스터머 수지의 높은 내열성과 강직한 특징을 나타냄과 동시에 유연성도 동시에 갖고 있기에, 다양한 물성을 구현할 수 있는 구조적인 특징을 갖고 있다.
본 발명에서는 경도(Shore D)가 40 ~ 70, 비중이 1.05 ~ 1.25, 굴곡 강도 20 ~ 500MPa, 충격 강도 5 ~ 12kg?Ecm/cm인 폴리에스터 엘라스토머를 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명의 인테이크 호스용 수지 조성물은 첨가제로서, 산화방지제(d), 내열안정제(e), 활제(f), 및 마스터배치(g)를 더 포함할 수 있다.
상기 산화방지제(d)는 압출, 사출가공 시 산화 및 열화 반응을 억제시키는 기능을 하며, 본 발명에서는 페놀계 산화방지제 또는 인계 산화방지제 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 산화방지제는 전체 수지 조성물에 대해 0.1 내지 0.5 중량%을 사용하는 것이 바람직하다. 산화방지제를 0.1 중량% 미만인 경우 소재의 물성이 저하되며, 0.5 중량% 초과인 경우 외관 품질에 문제점이 발생될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 내열안정제(e)는 황계 내열안정제로서, 고온에 노출 시 소재의 장기내열성을 향상시키는 기능을 한다. 상기 내열 안정제를 전체 수지 조성물에 대해 1 내지 3 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 내열안정제가 1 중량% 미만인 경우 내열 노화성이 저하되며, 3 중량% 초과인 경우 기계적 물성 저하 및 외관 품질에 문제점이 발생될 수 있기 때문이다.
아울러, 상기 활제(f)는 올레핀계 활제로서, 수지의 유동성 및 이형성을 향상시키기 위해 사용된다. 상기 활제는 전체 수지 조성물에 대해 0.2 내지 0.5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 활제가0.2 중량% 미만인 경우 유동성 및 이형성이 저하되며, 0.5 중량% 초과인 경우 물성 저하 및 융착 강도 저하 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 마스터배치(g)는 칼라 안정성 및 압출공정 작업성을 향상시기 위해 사용되며, 필요에 따라 카본블랙(Carbon Black), 다이블랙(Dye Black), 또는 이들의 혼합물을 종래에 알려진 비율 및 방법으로 혼용하여 사용 가능하다. 바람직하게는 카본블랙(Carbon Black)과 다이블랙(Dye Black)을 동시에 사용하며, 이 둘을 1.0 ~ 2.0 중량 비율로 사용한다. 다만 마스터배치 1 중량% 미만인 경우 칼라 안정성 및 압출공정 작업성을 달성할 수 없고, 2 중량% 초과인 경우 수지 조성물의 물성을 저하 시킬 수 있으므로 1 내지 2 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 이렇게 상기 성분들로 이루어진 본 발명에 따른 인테이크 호스용 수지 조성물은 내구성 및 경량성이 향상되어 자동차의 연비가 개선됨과 동시에 원가 절감이 가능하며, 내열성 및 연신성의 균형을 최적화하고, 기능성 첨가제의 부가적인 기능을 통하여 내압 및 내산 특성을 증진시킨 자동차 터보용 인테이크 호스 소재로 제공될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
비교예 1 ~ 4 및 실시예 1 ~ 2
하기 표 1의 성분 및 함량비에 따라 혼합하고 압출 및 사출 성형을 하여 물성 측정용 인테이크 호스 샘플을 제조하였다.
Figure 112018047158918-pat00007
실험예 : 물성 측정
상기 비교예 1 ~ 4, 및 실시예 1 ~ 2의 샘플에 대해 비중, 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성율, 내열성을 측정하여 그 물성 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이에 대한 시험방법은 다음과 같다.
(1) 비중 측정: D792 방법에 의해 측정하였다.
(2) 인장강도 측정: D638 방법에 의해 측정하였다.
(3) 굴곡강도 측정: D790 방법에 의해 측정하였다.
(4) 굴곡탄성율 측정: D790 방법에 의해 측정하였다.
(5) 내열성 측정: D648 방법에 의해 측정하였다.
물성 측정 결과
항 목 요구수준 단위 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 실시예 1 실시예 2
비중 1.0 ~ 2.0 - - 0.08 - 0.95 1.09 1.10
인장강도 15 이상 MPa - 18.4 - 15 20.5 21.2
굴곡강도 8 이상 MPa - 12 - 5 22 23
굴곡탄성율 200 이상 MPa - 395 - 166 260 290
내열성 150도x168HR 외관 - 크랙발생 - 크랙발생 양호 양호
상기 표 2를 살펴보면, 비교예 1의 경우 폴리에스터 엘라스토머를 60 중량% 이상 과량 투입하면 압출이 불가능하여 물성 측정을 할 수 없었다.
비교예 2의 경우 폴리아미드 66을 40 중량%, 폴리아미드 6을 8중량%로 폴리아미드 수지를 과량 사용한 것으로, 인장 강도가 18.4MPa, 굴곡강도가 12MPa, 굴곡 탄성율이 395MPa로 평가되었으며, 이는 실시예와 대비하여 소재 성형성이 크게 떨어진다는 문제점이 있다.
비교예 3은 폴리아미드 6 및 폴리프로필렌 수지를 사용하였으나 올레핀 엘라스터머 러버 40 중량% 사용한 경우로서, 부드러움과 연신성에서는 제품의 특성과 유사할 수 있으나 내열성 및 강성이 크게 떨어질 것으로 예상되며, 압출되어 컷팅이 되지 않은 관계로 물성 평가가 불가능하였다.
비교예 4의 경우 폴리프로필렌을 35.4% 중량%로 다량 포함한 것으로, 인장강도가 15MPa, 굴곡강도가 5MPa, 굴곡 탄성율이 166MPa로 평가되었는 바, 압출 작업성은 만족할 만하지만 실시예에 비하여 강성이 크게 떨어지는 문제점이 있다.
반면 실시예 1의 경우 폴리아미드6, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 엘라스토머를 적절량 사용하여 비중 0.98, 인장강도 17.5MPa, 굴곡강도 9MPa, 굴곡탄성률 160MPa로 평가되었는 바, 압출 작업성과 사출 성형성이 우수함과 동시에 조성물의 강성 부분에서도 인테이크 호스용 소재로서 적합하다는 것을 확인 할 수 있다. 아울러, 폴리아미드66 수지를 사용한 실시예 2의 경우에도 비중, 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성률을 만족함을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 조성물은 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에스터 엘라스토머를 소정량 포함하고 산화방지제, 내열안정제, 활제 및 마스터 배치를 더 포함함으로써 내구성, 내열성, 및 연신율이 우수한 인테이크 호스를 제공할 수 있는 이점이 있다. 또한 기계적 강성, 내압 및 내한 특성이 우수하면서도 종래 소재에 비하여 비중이 낮아 부품의 경량화에 기여할 수 있고 제조 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다.

Claims (7)

  1. (a) 폴리아미드 수지 20 ~ 40 중량%;
    (b) 폴리프로필렌 수지 10 ~ 30 중량%;
    (c) 폴리에스테르 엘라스토머 30 ~ 50 중량%;
    (d) 산화방지제 0.1 ~ 0.5 중량%;
    (e) 내열안정제 1 ~ 3 중량%;
    (f) 활제 0.2 ~ 0.5 중량%; 및
    (g) 마스터배치 1 ~ 2 중량%;
    를 포함하고,
    상기 폴리에스테르 엘라스토머는 하기 화학식 1로 이루어진 하드 세그먼트; 및 하기 화학식 2와 반복단위 구조의 하기 화학식 3이 중합된 소프트 세그먼트;가 반복적으로 이루어진 구조를 가지며, 경도(Shore D)가 40 ~ 70, 비중이 1.05 ~ 1.25, 굴곡 강도 20 ~ 500MPa, 충격 강도 5 ~ 12kg·cm/cm 인 것을 특징으로 하는 인테이크 호스용 수지 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112018047158918-pat00003

    [화학식 2]
    Figure 112018047158918-pat00004

    [화학식 3]
    Figure 112018047158918-pat00005

  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 산화방지제(d)는 페놀계 산화 방지제 또는 인계 산화방지제 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 인테이크 호스용 수지 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 내열안정제(e)는 황계 내열안정제인 것을 특징으로 하는 인테이크 호스용 수지 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 활제(f)는 올레핀 계열의 활제인 것을 특징으로 하는 인테이크 호스용 수지 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 마스터배치(g)는 카본블랙(Carbon Black) 또는 다이블랙(Dye Black) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 인테이크 호스용 수지 조성물.
  7. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 6 항 중에서 선택된 어느 한 항의 인테이크 호스용 수지 조성물로 제조된 자동차 터보용 인테이크 호스.
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