KR102167399B1 - 탄소섬유 복합소재 또는 cnt 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링 - Google Patents

탄소섬유 복합소재 또는 cnt 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링 Download PDF

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변종영
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Abstract

본 발명은 몸체의 몸체하우징의 내부에 인서트를 설치하지 않아도 소망의 성능을 발휘할 수 있기 때문에 성능이 우수하면서도 제품의 하중을 절감시킬 수 있으며, 하우징을 PA66에 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재의 재질을 혼합시킨 소재로 사출 성형됨으로써 친환적이면서 내충격성, 인장강도 및 충격강도 등의 성능을 현저히 높일 수 있으며, 비중을 절감시킬 수 있고, 몸체, 실링체 및 덤퍼가 3차 사출성형을 통해 일련의 공정으로 제작됨으로써 공정시간을 단축시켜 생산량을 극대화시킴과 동시에 작업비용을 현저히 절감시킬 수 있으며, 몸체 및 덤퍼 사이에 실링체를 2차 사출성형을 통해 설치함으로써 실링체에 의하여 외부로부터의 이물질 및 수분의 유입을 철저하게 차단시킬 수 있는 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링에 관한 것이다.

Description

탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링{Carbon fiber or CNT composite materials and suspension bearing for midsize vehicle without insert therewith}
본 발명은 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링에 관한 것으로서, 상세하게로는 몸체의 내부에 인서트를 제거하여 제품 전체의 하중을 절감시킴과 동시에 1차 사출 성형된 몸체의 재질에 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재를 함유시킴으로써 친환경적이면서도 내충격성, 인장강도 및 충격강도 등의 성능을 개선시킬 수 있는 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링에 관한 것이다.
서스펜션(Suspension)은 차량의 현가장치로서 차축과 차체를 연결하여 차체의 중량을 지지함과 동시에 차륜의 상하 진동을 완화함으로써 타이어가 노면으로부터 전달받는 진동이나 충격에너지가 차체에 직접 전달되지 않도록 하여 과대 부하를 방지하기 위한 장치이고, 스프링의 조율에 따라 기계 스프링식, 유체스프링 등으로 분류된다.
특히 스트럿 서스펜션(Strut suspension)은 구조가 단순함과 동시에 쇽업소버를 내장하고 있으며, 쇽업소버가 장착되는 지점이 높아 얼라인먼트를 정확하게 설정할 수 있고, 얼라이먼트 수치의 변화가 적으며, 노면의 충격을 넓은 범위로 분산할 수 있는 장점으로 인해 현재 승용차에 주로 설치되고 있다.
도 1은 국내등록특허 제10-1345852호(발명의 명칭: 서스펜션 스러스트 베어링 장치 및 스트럿)에 개시된 서스펜션 스러스트 베어링 장치를 나타내는 측단면도이다.
도 1의 서스펜션 스러스트 베어링 장치(이하 종래기술이라고 함)(101)는 축방향 스러스트 베어링을 형성하는 롤링 베어링(117)과, 합성 재료로 제조된 본체(122)가 구비된 롤링 베어링(117)의 하부지지 캡(116)과, 롤링 베어링(117)의 상부지지 캡(115)과, 하부지지 캡(116)의 본체(122) 상에 장착되는 진동-필터링 요소(125)와, 서로에 대해 축방향으로 지탱하는 상부 컵(107) 및 하부컵(108)과 상기 컵들 사이에서 축방향으로클램핑된 고무 블록(109)이 구비된 베어링 시트(102)와, 댐핑 버퍼를 위한 베어링 면이 구비된 축방향 부분 (128a)과 방사상부분(128b)을 가지는 컵(128)으로 이루어진다.
이때 상부지지 캡(115), 하부지지 캡(116), 롤링 베어링(117) 및 필터링 요소(125)를 포함하는 구성수단은 서스펜션 베어링이라고 한다.
또한 본체(122)는 PA66재질과 유리섬유를 혼합한 복합소재로 제조된다.
이와 같이 구성되는 종래기술(101)은 하부지지 캡(116) 및 컵(128) 사이의 틈은 필터링 요소(125)에 의해 차단되어 롤링 베어링(117)으로 이물질 및 수분의 유입이 차단될 수 있게 된다.
그러나 종래기술(101)의 본체(122)는 PA66재질과 유리섬유를 혼합한 복합소재로 제조되기 때문에 친환경성이 매우 떨어지는 문제점이 발생한다.
또한 종래기술(101)의 본체(122)는 차륜의 너클 및 차체 사이에 설치되는 설치환경 특성에 따라 외부 충격 및 진동이 지속적으로 발생하기 때문에 임계치 이상의 내충격성, 인장강도 및 충격강도가 확보되어야 하나, 종래에는 본체(122)의 재질이 PA66재질과 유리섬유를 혼합한 복합소재로 제작되기 때문에 성능 개선이 미비하여 외부 충격, 마찰 및 진동에 의하여 본체(122)가 파손되는 현상이 비일비재하게 발생하고 있다.
또한 종래기술(100)은 본체(122)의 내부에 인서트가 삽입되지 않기 때문에 내충격성, 충격강도 및 인장강도가 현저히 떨어지는 문제점을 갖고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 본체(122)의 내부에 인서트를 배치시키고 있으나, 이러한 장치는 인서트로 인해 제품의 하중을 증가시키는 단점을 갖는다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 몸체의 몸체하우징의 내부에 인서트를 설치하지 않아도 소망의 성능을 발휘할 수 있기 때문에 성능이 우수하면서도 제품의 하중을 절감시킬 수 있는 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 PA66에 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재의 재질을 혼합시켜 몸체를 제작함으로써 친환경적임과 동시에 내충격성, 인장강도 및 충격강도 등의 성능을 현저히 높일 수 있으며, 비중을 절감시킬 수 있는 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 몸체, 실링체 및 덤퍼가 3차 사출성형을 통해 일련의 공정으로 제작됨으로써 공정시간을 단축시켜 생산량을 극대화시킴과 동시에 작업비용을 현저히 절감시킬 수 있는 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 몸체 및 덤퍼 사이에 실링체를 2차 사출성형을 통해 설치함으로써 실링체에 의하여 외부로부터의 이물질 및 수분의 유입을 철저하게 차단시킬 수 있는 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재 및 이를 이용한 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 몸체와, 베어링볼(B)들을 포함하며, 차량 서스펜션(Suspension)에 설치되는 서스펜션 베어링에 있어서: 상기 몸체는 상하부가 개구된 원기둥 형상으로 형성되며, 상하 개구부로 쇽업소버(Shock absorber)의 피스톤로드가 통과되는 몸체하우징; 상기 몸체하우징의 외주면에 외측으로 연장되게 형성되며, 상기 몸체하우징과 연결되는 지점에 상기 베어링볼(B)들이 안착되는 안착홈들이 원호를 따라 형성되는 확장부를 포함하고, 상기 몸체는 합성소재 재질이고, 상기 합성소재의 제조방법(S1)은 수분산성 아크릴계 음이온수지를 증류수에 혼합시켜 분산액을 제조하는 분산액 제조단계; CNT(탄소나노튜브, Carbon Nano Tube) 또는 탄소섬유를 교반기에 투입시킨 후, 상기 분산액 제조단계에 의한 분산액을 분무시켜 CNT 또는 탄소섬유에 수분산성 아크릴계 음이온수지를 코팅시키는 코팅단계; 상기 코팅단계에 의한 혼합물의 수분을 증발시키는 수분 증발단계; 상기 수분 증발단계에 의한 혼합물을 압출기로 압출하여 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛을 제조하는 압축 및 펠렛화단계; 상기 압축 및 펠렛화단계에 의한 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛과, 고분자소재를 혼합시켜 컴파운딩 하여 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 제조하는 고분자소재 혼합단계; 상기 고분자소재 혼합단계에 의한 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 PA66과 혼합 및 교반시켜 상기 혼합소재를 제조하는 PA66 혼합단계를 포함하고, 상기 고분자소재 혼합단계는 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛 10 ~ 25 중량%와, 폴리프로필렌 수지 40 ~ 70 중량%와, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 5 ~ 35 중량%를 혼합시켜 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 제조하는 것이다.
또한 본 발명에서 상기 서스펜션 베어링은 실링체와, 덤퍼를 더 포함하고, 상기 몸체에는 실링체 삽입홈이 형성되고, 상기 실링체 삽입홈은 상기 확장부의 상면의 외측테두리에 형성되어 원호를 따라 연결되는 외삽입홈과, 상기 몸체하우징의 상단면에 형성되어 내주면까지 연장되어 원호를 따라 연결되는 내삽입홈과, 상기 외삽입홈 및 상기 내삽입홈을 연결하는 연결홈을 포함하고, 상기 실링체는 상기 실링체 삽입홈에 설치되고, 상기 덤퍼는 상기 확장부의 하부면으로부터 상기 몸체하우징의 하단부까지의 외측을 둘러싸듯이 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 몸체는 1차 금형장치에 의한 1차 사출성형을 통해 제조되고, 상기 실링체는 캐비티 내부로 상기 1차 사출성형물이 배치된 2차 금형장치에 의한 2차 사출성형을 통해 제조되고, 상기 덤퍼는 캐비티 내부로 상기 2차 사출성형물이 배치된 3차 금형장치에 의한 3차 사출성형을 통해 제조되는 것이 바람직하다.
삭제
또한 본 발명에서 상기 PA66 혼합단계는 복합소재 15 ~ 40 중량%와, PA66 60 ~ 85 중량%를 혼합 및 교반시키는 것이 바람직하다.
삭제
또한 본 발명에서 상기 코팅단계는 CNT 또는 상기 탄소섬유 98.5 ~ 99.40 중량%와, 수분산성 아크릴계 음이온수지 0.60 ~ 1.44 중량%가 혼합되도록 분산액을 CNT에 분무시키고, 상기 분산액 제조단계는 수분산성 아크릴계 음이온수지(11) 5.0 ~ 10.0 중량%와, 증류수(13) 90.0 ~ 95.0 중량%를 혼합시켜 분산액을 제조하는 것이 바람직하다.
상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 몸체의 몸체하우징의 내부에 인서트를 설치하지 않아도 소망의 성능을 발휘할 수 있기 때문에 성능이 우수하면서도 제품의 하중을 절감시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 하우징을 PA66에 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재의 재질을 혼합시킨 소재로 사출 성형됨으로써 친환적이면서 내충격성, 인장강도 및 충격강도 등의 성능을 현저히 높일 수 있으며, 비중을 절감시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 몸체, 실링체 및 덤퍼가 3차 사출성형을 통해 일련의 공정으로 제작됨으로써 공정시간을 단축시켜 생산량을 극대화시킴과 동시에 작업비용을 현저히 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 몸체 및 덤퍼 사이에 실링체를 2차 사출성형을 통해 설치함으로써 실링체에 의하여 외부로부터의 이물질 및 수분의 유입을 철저하게 차단시킬 수 있다.
도 1은 국내등록특허 제제10-1345852호(발명의 명칭: 서스펜션 스러스트 베어링 장치 및 스트럿)에 개시된 서스펜션 스러스트 베어링 장치를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 중형차용 서스펜션 베어링의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 3은 도 2의 1차 사출성형단계에 제작되는 몸체를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 측면도이다.
도 5는 도 2의 2차 사출성형단계에 사출 성형된 사출물을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 2의 3차 사출성형단계에 의해 제조된 3차 사출물을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 중형차용 서스펜션 베어링을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 2의 1차 사출성형단계에 주입되어 몸체의 재질로 사용되는 복합소재 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 9는 도 8의 분산액 제조단계에 의해 제조되는 분산액을 설명하기 위한 구성도이다.
도 10은 도 8의 고분자소재 혼합단계(S70)에 의해 제조되는 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
본 발명의 일실시예인 후술되는 도 7의 인서트를 제거한 중형차용 서스펜션 베어링(1)은 도 2의 중형차용 서스펜션 베어링 제조방법(S900)에 의해 제작된다.
또한 중형차용 서스펜션 베어링 제조방법(S900)은 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 사출성형단계(S910)와, 제1 이송단계(S920), 2차 사출성형단계(S930), 제2 이송단계(S940), 3차 사출성형단계(S950), 비전검사단계(S960)로 이루어진다.
도 3은 도 2의 1차 사출성형단계에 제작되는 몸체를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 측면도이다.
도 2의 1차 사출성형단계(S910)는 후술되는 도 8 내지 10에 의해 제조되는 복합소재(910)를 1차 금형장치의 캐비티 내부로 주입시키는 1차 사출성형을 통해 도 3과 4의 몸체(4)를 제조한다.
또한 몸체(4)는 도 3과 4에 도시된 바와 같이, 상하부가 개구된 원기둥 형상의 몸체하우징(41)과, 몸체하우징(41)의 외측면으로부터 외측으로 확장되는 확장부(43)로 이루어진다.
또한 몸체하우징(41)은 차체 설치 시, 내부 개구부로 쇽업소버의 피스톤로드 및 범퍼러버가 삽입되게 된다.
또한 몸체하우징(41)은 차체 설치 시, 내부 개구부로 쇽업소버의 피스톤로드 및 범퍼러버가 삽입되게 된다.
또한 몸체하우징(41)은 내부에 인서트가 설치되지 않기 때문에 전체 제품의 하중을 효과적으로 절감시킬 수 있기 때문에 운용 및 설치의 효율성을 높일 수 있고, 인서트 제거로 인한 성능의 저하는 후술되는 도 8 내지 10의 복합소재 제조방법(S1)을 통해 개선하도록 하였다.
확장부(43)는 몸체하우징(41)의 외주면으로부터 외측으로 확장되게 형성되며, 상면과 몸체하우징(41)이 연결되는 영역에는 후술되는 도 7의 베어링볼(B)들이 안착되는 안착홈(433)들이 원호를 따라 간격을 두고 형성된다.
또한 몸체(4)에는 실링체 삽입홈(431)이 형성되고, 실링체 삽입홈(431)으로는 후술되는 도 5의 실링체(5)가 결합된다.
또한 실링체 삽입홈(431)은 확장부(43)의 상면의 외측테두리에 형성되어 원호를 따라 연결되는 외삽입홈(4313)과, 몸체하우징(41)의 상단면에 내측으로 형성되되 몸체하우징(41)의 내주면까지 연장되어 원호를 따라 연결되는 내삽입홈(4315)과, 몸체하우징(41) 및 확장부(43)에 형성되어 외삽입홈(4313) 및 내삽입홈(4315)을 연결하도록 연결홈(4311)으로 이루어진다.
이와 같이 구성되는 몸체(4)는 후술되는 도 8의 고분자소재 혼합단계(S70)에 의해 제조되는 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재에 PA66을 혼합시킨 복합소재를 이용하여 1차 사출 성형됨으로써 친환경적임과 동시에 내충격성, 인장강도 및 충격강도 등의 성능을 개선시킬 수 있으며, 내부에 인서트가 제거됨에 따라 제품 전체의 하중을 현저히 절감시킬 수 있게 된다.
도 2의 제1 이송단계(S920)는 1차 사출성형단계(S910)에 의해 사출 성형된 도 3의 몸체를 2차 사출성형단계(S930)에 적용되는 2차 금형장치로 이송시키는 단계이며, 상세하게로는 컨베이어 벨트 등의 공지된 이송수단이 적용될 수 있다.
2차 사출성형단계(S930)는 제1 이송단계(S920)를 통해 이송된 몸체(4)를 2차 금형장치의 캐비티 내부로 삽입시킨 후, 2차 사출성형을 통해 몸체(4)에 후술되는 도 5의 실링체(5)를 결합시킨다.
도 5는 도 2의 2차 사출성형단계에 사출 성형된 사출물을 나타내는 사시도이다.
2차 사출물(920)은 도 5에 도시된 바와 같이, 몸체(4)의 삽입홈(431), 상세하게로는 외삽입홈(4313), 내삽입홈(4315) 및 연결홈(4311)으로 실링체(5)가 결합된다.
이때 실링체(5)는 후술되는 도 6의 확장부(4)와 커버(미도시) 사이의 외측 틈 및 내측 틈으로 유입되는 이물질이나 수분을 차단함으로써 종래에 내부로 이물질 및 수분이 유입으로 인해 내구성이 저하됨과 동시에 소음이 발생하며, 수명이 단축되는 문제점을 획기적으로 해결할 수 있게 된다.
제2 이송단계(S940)는 2차 사출성형단계(S940)를 통해 사출 성형된 도 5의 2차 사출물(920)을 3차 사출성형단계(S950)에 적용되는 3차 금형장치로 이송시키는 단계이다.
3차 사출성형단계(S950)는 제2 이송단계(S940)를 통해 이송된 2차 사출물(920)을 3차 금형장치의 캐비티 내부로 삽입시킨 후, 3차 사출성형을 통해 2차 사출물(920)에 덤퍼를 결합시킨다.
도 6은 도 2의 3차 사출성형단계에 의해 제조된 3차 사출물을 나타내는 사시도이다.
3차 사출물(930)은 도 6에 도시된 바와 같이, 확장부(43)의 외측테두리로부터 몸체하우징(41)의 하단부까지를 둘러싸듯이 덤퍼(7)가 결합된다. 즉 3차 사출성형단계(S950)를 통해 덤퍼(7)가 몸체(4)와 일체형으로 제작됨으로써 조립 및 설치가 간단해질 뿐만 아니라 몸체(4)와 견고하게 결합되게 된다.
도 2의 비전검사단계(60)는 3차 사출성형단계(S950)를 통해 사출 성형된 3차 사출물(930)의 비전검사를 수행하는 단계이다.
이때 비전검사는 각종 공정라인에서 통상적으로 사용되는 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 중형차용 서스펜션 베어링을 나타내는 사시도이다.
본 발명의 일실시예인 중형차용 서스펜션 베어링(1)은 전술하였던 도 3 내지 7의 몸체(4), 실링체(5) 및 덤퍼(7)를 포함한다.
또한 중형차룡 서스펜션 베어링(1)은 몸체(4)의 안착홈(433)들에 각각 안착되는 베어링볼(B)들과, 상부를 향할수록 직경이 작아지는 원형 띠 형상으로 형성되되 상측에 내측으로 구 형상의 차단공들이 형성되며 몸체(4)의 확장부(43)의 안착홈(433)들에 안착된 베어링볼(B)들의 외측에 차단공들이 배치되도록 설치되는 베어링 케이지(9)를 더 포함한다. 이때 확장부(43)의 상부에는 커버(미도시)가 설치될 수 있다. 이때 커버(미도시), 볼베어링(B)들 및 베어링 케이지(9)는 서스펜션 베어링에 있어서 통상적으로 사용되는 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로
또한 베어링 케이지(9)의 차단공들은 베어링볼(B)의 직경보다 작은 크기로 형성됨으로써 베어링볼(B)들의 이탈을 방지한다.
한편, 본 발명의 몸체 사출성형에 주입되는 복합소재 제조 방법에 대해 살펴보기로 한다.
일반적으로 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)는 다이아몬드, 플러렌과 같이 탄소로 구성된 탄소 동소체의 일종으로, 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 모양을 이루며 결합되어 있는 흑연면(Graphite sheet)이 원통형으로 감긴 튜브 형태를 이루는 물질이다. 흑연면이 말리는 각도와 형태에 따라 Armchair형과 Zigzag형, Chiral형으로 구분될 수 있으며, 흑연면의벽 수에 따라 단일벽(SWCNT: Single wall carbon nano tube), 이중벽(DWCNT: Double wall carbon nano tube)및 다중벽(MWCNT: Multiple wall carbon nano tube)으로 구분할 수 있다. CNT는 직경에 따라 에너지 갭이 달라지고, 가로 세로 길이의 종횡비(aspect ratio)가 크며, 준일차원적 구조를 보유하고 있어 특이한 양자효과를 나타내고, 이러한 CNT는 강철과 비교하여 100배 이상의 인장강도를 가짐과 동시에 구리선과 비교하여 1000배 이상의 전기전도도를 가지며, 6000W/mK의 열전도도를 갖는 장점으로 인해 각종 다양한 전극소재로 널리 사용되고 있다.
도 8은 도 2의 1차 사출성형단계에 주입되어 몸체의 재질로 사용되는 복합소재 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 8의 복합소재 제조방법(S1)은 1)분산성을 높여 CNT의 함유량을 높임으로써 표면전기저항을 1Ω/□ 이하로 절감시켜 전기전도성을 극대화시킬 수 있으며, 2)치수안전성을 개선시켜 사출성형(Injection Molding)용으로 사용이 적합하도록 하고, 3)별도의 금속을 함유하지 않기 때문에 전기전도성이 우수하면서도 종래에 금속을 사용할 때 부식으로 인해 성능이 저하되는 문제점을 획기적으로 해결하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 복합소재 제조방법(S1)은 도 8에 도시된 바와 같이, 분산액 조성물 제조단계(S10), 분산액 제조단계(S20), 탄소섬유 또는 CNT 준비단계(S30), 코팅단계(S40), 수분증발단계(S50), 압축 및 펠렛화단계(S60), 고분자소재 혼합단계(S70), PA66 혼합단계(S80)로 이루어진다.
분산액 조성물 제조단계(S10)는 분산액 조성물인 수분산성 아크릴계 음이온수지를 제조하는 단계이다.
또한 분산액 조성물 제조단계(S10)는 폴리에틸렌글리콜, 아크릴산, 벤젠, 황산을 교반기에서 충분히 교반하여 중간반응수지를 제조하고, 제조된 중간반응수지에 아크릴산, 아크릴로니트릴, 증류수, 과황산암모늄, 황화수소나트륨을 투입하여 수분산성 아크릴계 음이온수지를 제조한다.
이때 수분산성 아크릴계 음이온수지에는 피마자유가 추가 첨구될 수 있고, 피마자유는 아크릴계 음이온수지으 내열성을 개선시킴과 동시에 유연성을 높임으로써 최종적으로 제조되는 복합소재의 충격강도를 높일 수 있게 된다.
분산액 제조단계(S20)는 분산액 조성물 제조단계(S10)에 의해 제조된 수분산성 아크릴계 음이온수지와 증류수를 혼합시켜 분산액을 제조하는 단계이다.
또한 분산액 제조단계(S20)에서, 분산액에 함유되는 수분산성 아크릴계 음이온수지의 함량은 높으면 높을수록 분산액의 점도를 증가시키게 되고, 분산액의 점도가 과도하게 증가하게 되면 코팅단계(S40)에서 분산액이 분무될 때, 분산액이 CNT 또는 탄소섬유에 균일하게 분무되지 않는 문제점이 발생한다.
또한 분산액 제조단계(S20)에서, 분산액에 함유되는 수분산성 아크릴계 음이온수지의 함유량이 낮아지면 낮아질수록 분산액의 점도가 함께 낮아짐에 따라 코팅단계(S40) 시 분산액이 CNT 또는 탄소섬유에 균일하게 분무되기는 하나, CNT 또는 탐소섬유의 분산성이 떨어지게 된다.
도 9는 도 8의 분산액 제조단계에 의해 제조되는 분산액을 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명의 분산액 제조단계는 분산액의 조성물을 최적으로 함유시켜 전술하였던 문제점을 해결할 수 있도록 하였고, 상세하게로는 수분산성 아크릴계 음이온수지(11) 5.0 ~ 10.0 중량%와, 증류수(13) 90.0 ~ 95.0 중량%를 혼합하여 분산액(10)을 제조한다.
탄소섬유 또는 CNT 준비단계(S30)는 통상의 CNT 또는 탄소섬유를 준비하는 단계이다. 이때 CNT는 S단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT, double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 다발형 탄소나노튜브(rope carbon nanotube) 또는 이들의 조합일 수 있고, 탄소나노튜브(CNT)는 탄소 6개로 이루어지는 육각 모양이 서로 연결되어 튜브 형상을 형성하고, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 복수개의 관들이 동심원 형상을 형성한다.
코팅단계(S40)는 탄소섬유 또는 CNT 준비단계(S30)에 의한 CNT 또는 탄소섬유에, 분산액 제조단계(S20)에 의해 제조된 분산액(10)을 분무하여 수분산성 아크릴계 음이온수지와 CNT 또는 탄소섬유를 혼합시킴으로써 CNT 또는 탄소섬유에 수분산성 아크릴계 음이온수지를 코팅시키는 단계이다.
즉 본 발명은 코팅단계(S40)를 통해 CNT 입자 또는 탄소섬유 입자들의 외면이 수분산성 아크릴계 음이온수지로 코팅됨으로써 CNT 입자 또는 CNT 또는 탄소섬유 입자들의 계면접착력이 증가하게 된다.
또한 코팅단계(S40)는 교반기에 투입된 CNT 또는 탄소섬유에 분산액을 분무하는 방식으로 공정이 이루어지며, 상세하게로는 CNT 또는 탄소섬유 98.56 ~ 99.40중량%와, 수분산성 아크릴계 음이온 수지 0.60 ~ 1.44중량%가 혼합되도록 분산액을 CNT 또는 탄소섬유에 분무한다.
이때 수분산성 아크릴계 음이온수지는 1)만약 고형분 기준으로 0.6 중량% 미만으로 혼합되면, 후술되는 압축 및 펠렛화단계(S60)에서 CNT 또는 탄소섬유의 계면접착력이 저하될 뿐만 아니라 수분 증발 후 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛의 부피가 축소되는 문제점이 발생하며, 2)만약 고형분 기준으로 1.44 중량%를 초과하면, CNT 입자 또는 탄소섬유 입자들 사이의 계면접착력이 과도하게 강해져서 압축 및 펠렛화단계(S60) 시 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛이 적절하게 부서지지 않아 오히려 CNT 또는 탄소섬유의 분산성이 저하되는 결과가 초래된다.
한편, 분산액이 분무되면 CNT가 물을 흡수하여 CNT의 부피가 축소되고, 이에 따라 CNT의 겉보기밀도가 상승되는데, 이에 의해서도 CNT와 수분산성 아크릴계 음이온수지의 분산성의 상승되는 효과를 얻게 된다.
수분 증발단계(S50)는 코팅단계(S40)에 의해 혼합된 혼합물의 수분을 증발시키는 단계이다.
또한 수분 증발단계(S50)는 교반기의 온도를 110℃ 정도로 가온한 상태에서 RPM을 10이하로 교반함으로써 수분을 증발시킨다. 이때 만약 교반기의 RPM이 10 이상이면, CNT의 접착력이 약화되어 부서지거나 부피가 증가하게 된다.
압축 및 펠렛화단계(S60)는 수분 증발단계(S50)를 통과한 혼합물을 압출기로 압축하여 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛을 제조하는 단계이다.
또한 압축 및 펠렛화단계(S60)는 싱글스크류의 길이가 1500mm미만인 압출기를 이용하여 직경 3.0 ~ 4.0mm 및 길이 4.0mm의 크기로 혼합물을 압출시킨다. 이때 압출기의 스크류 온도는 110 ~ 130℃인 것이 바람직하며, 만약 스크류 온도가 130℃ 이상이면 수분산성 아크릴계 음이온수지의 경화속도가 가속화되어 CNT 또는 탄서섬유와 제품성형용 고분자소재들 사이의 계면접착력이 약화될 수 있으므로 스크류온도를 130℃ 보다 낮은 온도로 설정한다.
이와 같이 압축 및 펠렛화단계(S60)에 의해 제조되는 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛은 압출 공정 중에 가압되어 부피가 축소되기 때문에 겉보기밀도가 CNT 또는 탄소섬유 자체의 겉보기 밀도보다 상승되어 CNT 또는 탄소섬유의 분산성이 향상되게 된다. 이때 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛의 겉보기밀도가 0.2g/cc 이상이면 분산성에 문제가 있고 0.12g/cc 이하이면 고함량의 컴파운딩이 어려운 문제점이 발생한다.
이에 따라 본 발명의 압축 및 펠렛화단계(S60)에서는 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛이 0.12 ~ 0.20 g/cc의 겉보기밀도를 갖도록 환경을 조성한다.
고분자소재 혼합단계(S70)는 압축 및 펠렛화단계(S60)에 의한 압출물인 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛과, 제품성형을 위한 고분자소재, 기타 첨가제를 혼합시켜 컴파운딩 하는 단계이다. 이때 고분자소재로는 폴리프로필렌 수지와, 열가소성 엘라스토머 등이 적용될 수 있고, 폴리프로필렌 수지는 내화학성이 우수하기 때문에 CNT 또는 탄소섬유의 내화학성을 개선시킬 수 있다.
이때 고분사조새 혼합단계(S70)에 의해 제조되는 혼합물을 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재라고 하기로 한다.
또한 CNT 또는 탄소섬유는 자체적으로 충격강도가 낮은 단점을 갖기 때문에 이러한 문제점을 해결하도록 고분자소재 혼합단계(S70)에서는 열가소성 엘라스토머가 혼합된다. 이때 열가소성 엘라스토머 중에서도 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)이 사용되고, SEBS는 내산성, 내알칼리성이 강하고, 내후성, 내열노후성 등이 우수하여 CNT 또는 탄소섬유의 기능을 향상시킬 수 있다.
도 10은 도 8의 고분자소재 혼합단계(S70)에 의해 제조되는 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 나타내는 구성도이다.
고분자소재 혼합단계(S70)에 의해 제조되는 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재(901)는 도 10에 도시된 바와 같이, 압축 및 펠렛화단계(S60)에 의한 CNT펠렛(903) 10 ~ 25 중량%와, 폴리프로필렌 수지(905) 40 ~ 70 중량%와, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)(907) 5 ~ 35 중량%를 혼합하여 제조된다. 이때 도면에는 도시되지 않았으나, CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재(901)에는 전체 중량 대비 0.2 중량%의 기타첨가제가 더 함유될 수 있고, 기타첨가제로는 산화방지제, 가소제, 안정제 등이 적용될 수 있다.
이때 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛(903)은 만약 함유량이 25 중량%를 초과하면 전기저항의 개선효과가 미비한 단점을 갖고, 만약 함유량이 10 중량% 미만이면 전기전도성이 떨어지는 문제점이 발생한다.
또한 SEBS(907)는 만약 함유량이 5 중량% 미만이면, 최종 복합소재의 의 충격강도를 저하시키며, 만약 함유량이 35 중량%를 초과하면, 폴리프로필렌 수지(905)와의 상용성이 저하되는 문제점이 발생한다.
PA66 혼합단계(S80)는 고분자소재 혼합단계(S70)에 의해 제조된 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재(901)에 PA66을 혼합 및 교반시켜 최종적으로 몸체(4)에 적용될 복합소재를 최종 제조함으로써 전술하였던 도 4의 몸체(4)의 내충격성, 인장강도 및 충격강도 등을 높이도록 하였다.
또한 PA66 혼합단계(S80)는 고분자소재 혼합단계(S70)에 의한 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재(901) 15 ~ 40 중량%와, PA66 60 ~ 85 중량%를 혼합 및 교반시켜 복합소재를 제조한다.
이와 같이 본 발명의 복합소재 제조단계(S1)는 고분자소재 혼합단계(S70)에 의해 제조되는 혼합물은 압축 및 펠렛화단계(S60)를 통해 CNT 또는 탄소섬유가 펠렛화하여 혼합됨에 따라 CNT 또는 탄소섬유의 분산성이 향상되는 효과를 얻게 될 뿐만 아니라 코팅단계(S40)를 통해 CNT 또는 탄소섬유의 입자가 수분산성 아크릴계 음이온수지에 의해 코팅되기 때문에 CNT 또는 탄소섬유 입자들 사이에는 아크릴계 음이온수지에 의한 이온반발력이 발생하여 CNT 또는 탄소섬유 입자의 분산성이 향상됨에 따라 CNT 또는 탄소섬유의 입자가 폴리프로필렌 수지 및 열가소성 엘라스토머와 고르게 효과적으로 분산되는 효과를 얻게 된다.
또한 CNT 또는 탄소섬유의 입자가 수분산성 아크릴 음이온에 의해 코팅되어 표면이 개질되기 때문에 CNT 또는 탄소섬유의 입자와 폴리프로필렌 수지, 열가소성 엘라스토머와의 계면접착력도 증가하게 된다.
이하, 본 발명의 일실시예인 CNT 소재 제조 방법(S1)에 관해 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명한다. 또한 다음의 실시예들은 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하지 않는다.
표 1은 본 발명의 실시예들 및 비교예들을 나타낸다.
CNT 복합소재 PA66 유리섬유
실시예1 15 85 -
실시예2 30 70 -
실시예3 40 60 -
비교예1 - 70 30
비교예2 5 95 -
비교예3 50 50 -
*단위는 중량%임.
[실시예 1]
CNT 복합소재 15 중량%;
PA66 85 중량%를 포함하는 복합소재.
이때, CNT 복합소재는 전술하였던 도 8의 고분자소재 혼합단계(S70)에 의해 제조된 혼합물이다.
[실시예 2]
CNT 복합소재 30 중량%;
PA66 70 중량%를 포함하는 복합소재.
[실시예 3]
CNT 복합소재 40 중량%;
PA66 60 중량%를 포함하는 복합소재.
[비교예 1]
유리섬유 15 중량%;
PA66 85 중량%를 포함하는 복합소재;
[비교예 2]
CNT 복합소재 5 중량%;
PA66 95 중량%를 포함하는 복합소재.
[비교예 3]
CNT 복합소재 50 중량%;
PA66 50 중량%를 포함하는 복합소재.
표 2는 표 1의 실시예들 및 비교예들에 의한 압축시험 테스트의 측정값을 나타낸다.
압축강도(kgf/mm2)
실시예1 790.000
실시예1 855.300
실시예1 870.900
비교예1 737.200
비교예2 740.300
비교예31 762.600
실시예 1 내지 3은 CNT 복합소재(901)가 적정 함유량인 15 ~ 40 중량%로 함유됨에 따라 압축강도가 ‘790.000kgf/mm2’, ‘855.300kgf/mm2’, ‘870.900kgf/mm2’으로 측정되어 모두 ‘790.000kgf/mm2’ 이상의 압축강도로 측정된 것을 알 수 있다.
비교예 1은 CNT 복합소재(901) 대신 유리섬유가 함유됨에 따라 실시예들과 비교하여 낮은 ‘737.200kgf/mm2’의 압축강도가 측정된 것을 알 수 있다.
비교예 2는 압축강도가 ‘740.300kgf/mm2’로 측정되었고, CNT 복합소재(901)의 함유량이 적정 함유량인 15 ~ 40 중량%의 미만인 5 중량%가 함유됨에 따라 실시예들과 비교하여 압축강도가 저하된 것을 알 수 있다.
비교예 3은 압축강도가 ‘762.600kgf/mm2’로 측정되었고, CNT 복합소재(901)의 함유량이 적정 함유량인 15 ~ 40 중량%를 초과하는 50 중량%가 함유됨에 따라 오히려 분산성이 저하되어 실시예들과 비교하여 압축강도가 낮은 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 중형차용 서스펜션 베어링(1)은 몸체의 몸체하우징의 내부에 인서트를 설치하지 않아도 소망의 성능을 발휘할 수 있기 때문에 성능이 우수하면서도 제품의 하중을 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 중형차용 서스펜션 베어링(1)은 하우징을 PA66에 탄소섬유 복합소재 또는 CNT 복합소재의 재질을 혼합시킨 소재로 사출 성형됨으로써 친환적이면서 내충격성, 인장강도 및 충격강도 등의 성능을 현저히 높일 수 있으며, 비중을 절감시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 중형차용 서스펜션 베어링(1)은 몸체, 실링체 및 덤퍼가 3차 사출성형을 통해 일련의 공정으로 제작됨으로써 공정시간을 단축시켜 생산량을 극대화시킴과 동시에 작업비용을 현저히 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명의 중형차용 서스펜션 베어링(1)은 몸체 및 덤퍼 사이에 실링체를 2차 사출성형을 통해 설치함으로써 실링체에 의하여 외부로부터의 이물질 및 수분의 유입을 철저하게 차단시킬 수 있게 된다.
1:서스펜션 베어링 4:몸체 5:실링체
7:덤퍼 9:베어링 케이지 B:베어링볼
41:몸체하우징 43:확장부 431:실링체 삽입홈
433:안착홈
S1:복합소재 제조방법 S10:분산액 조성물 제조단계
S20:분산액 제조단계 S30:탄소섬유 또는 CNT 준비단계
S40:코팅단계 S50:수분 증발단계
S60:압축 및 펠렛화단계 S70:고분자소재 혼합단계
S80:PA66 혼합단계
S900:중형차용 서스펜션 베어링 제조방법
S910:1차 사출성형단계 S920:제1 이송단계
S930:2차 사출성형단계 S940:제2 이송단계
S950:3차 사출성형단계 S960:비전검사단계

Claims (7)

  1. 몸체와, 베어링볼(B)들을 포함하며, 차량 서스펜션(Suspension)에 설치되는 서스펜션 베어링에 있어서:
    상기 몸체는
    상하부가 개구된 원기둥 형상으로 형성되며, 상하 개구부로 쇽업소버(Shock absorber)의 피스톤로드가 통과되는 몸체하우징;
    상기 몸체하우징의 외주면에 외측으로 연장되게 형성되며, 상기 몸체하우징과 연결되는 지점에 상기 베어링볼(B)들이 안착되는 안착홈들이 원호를 따라 형성되는 확장부를 포함하고,
    상기 몸체는 합성소재 재질이고,
    상기 합성소재의 제조방법(S1)은
    수분산성 아크릴계 음이온수지를 증류수에 혼합시켜 분산액을 제조하는 분산액 제조단계;
    CNT(탄소나노튜브, Carbon Nano Tube) 또는 탄소섬유를 교반기에 투입시킨 후, 상기 분산액 제조단계에 의한 분산액을 분무시켜 CNT 또는 탄소섬유에 수분산성 아크릴계 음이온수지를 코팅시키는 코팅단계;
    상기 코팅단계에 의한 혼합물의 수분을 증발시키는 수분 증발단계;
    상기 수분 증발단계에 의한 혼합물을 압출기로 압출하여 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛을 제조하는 압축 및 펠렛화단계;
    상기 압축 및 펠렛화단계에 의한 CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛과, 고분자소재를 혼합시켜 컴파운딩 하여 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 제조하는 고분자소재 혼합단계;
    상기 고분자소재 혼합단계에 의한 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 PA66과 혼합 및 교반시켜 상기 혼합소재를 제조하는 PA66 혼합단계를 포함하고,
    상기 고분자소재 혼합단계는
    CNT펠렛 또는 탄소섬유펠렛 10 ~ 25 중량%와, 폴리프로필렌 수지 40 ~ 70 중량%와, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 5 ~ 35 중량%를 혼합시켜 CNT 복합소재 또는 탄소섬유 복합소재를 제조하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 베어링.
  2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 서스펜션 베어링은 실링체와, 덤퍼를 더 포함하고,
    상기 몸체에는 실링체 삽입홈이 형성되고,
    상기 실링체 삽입홈은
    상기 확장부의 상면의 외측테두리에 형성되어 원호를 따라 연결되는 외삽입홈과, 상기 몸체하우징의 상단면에 형성되어 내주면까지 연장되어 원호를 따라 연결되는 내삽입홈과, 상기 외삽입홈 및 상기 내삽입홈을 연결하는 연결홈을 포함하고,
    상기 실링체는 상기 실링체 삽입홈에 설치되고,
    상기 덤퍼는
    상기 확장부의 하부면으로부터 상기 몸체하우징의 하단부까지의 외측을 둘러싸듯이 설치되는 것을 특징으로 하는 서스펜션 베어링.
  3. 청구항 제2항에 있어서, 상기 몸체는 1차 금형장치에 의한 1차 사출성형을 통해 제조되고,
    상기 실링체는 캐비티 내부로 상기 1차 사출성형물이 배치된 2차 금형장치에 의한 2차 사출성형을 통해 제조되고,
    상기 덤퍼는 캐비티 내부로 상기 2차 사출성형물이 배치된 3차 금형장치에 의한 3차 사출성형을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 서스펜션 베어링.
  4. 삭제
  5. 청구항 제3항에 있어서, 상기 PA66 혼합단계는 복합소재 15 ~ 40 중량%와, PA66 60 ~ 85 중량%를 혼합 및 교반시키는 것을 특징으로 하는 서스펜션 베어링.
  6. 삭제
  7. 청구항 제5항에 있어서, 상기 코팅단계는
    CNT 또는 탄소섬유 98.5 ~ 99.40 중량%와, 수분산성 아크릴계 음이온수지 0.60 ~ 1.44 중량%가 혼합되도록 분산액을 CNT에 분무시키고,
    상기 분산액 제조단계는
    수분산성 아크릴계 음이온수지(11) 5.0 ~ 10.0 중량%와, 증류수(13) 90.0 ~ 95.0 중량%를 혼합시켜 분산액을 제조하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 베어링.
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