KR20020066410A - 내압축변형성이 우수한 웨더스트립 고무 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내압축변형성이 우수한 웨더스트립(weather strip) 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원재료로서 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM)의 함량을 다른 배합제에 비해 높여 원재료의 기능을 최대한 발휘하도록 하며, 웨더스트립의 중요한 성능인 씰링(sealing)성을 대변하는 압축영구변형성을 저감시키는 성능을 갖도록 가류밀도를 높인 내압축변형성이 우수한 웨더스트립 고무 조성물에 관한 것이다.

Description

내압축변형성이 우수한 웨더스트립 고무 조성물{Composition of rubber weather strip of high durable properties}

본 발명은 내압축변형성이 우수한 웨더스트립(weather strip) 고무 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원재료로서 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(이하"EPDM"라 칭함)의 함량을 다른 배합제에 비해 높여 원재료의 기능을 최대한 발휘하도록 하며, 웨더스트립의 중요한 성능인 씰링성을 대변하는 압축영구변형성을 저감시키는 성능을 갖도록 가류밀도를 높인 내압축변형성이 우수한 웨더스트립 고무 조성물에 관한 것이다.

자동차용 웨더스트립은 차체를 씰링(sealing)하는 부품으로 풍절음(wind noise), 먼지(dust), 물 등이 차량 내부에 유입되는 것을 차단한다. 외부환경으로부터 씰링 기능을 하면서 문이나 트렁크(trunk) 등의 개폐시 필요한 힘 또는 유리문의 승하강시 힘을 최소화하기 위하여 웨더스트립은 균일하고 일정한 면압을 유지하여야 한다. 웨더스트립은 고무 솔리드(solid) 형태나 스폰지(sponge) 형태를 가지고 있으며, 사용 재료로는 주로 내후성(weatherbility)이 우수한 EPDM가사용되고 있다. EPDM 외에 열가소성 고무(TPV) 재료가 적용되고 있는데 열가소성 고무 재료는 EPDM에 비해 생산공정이 간편하고, 원가 절감의 효과가 있어 적용이 확대되고 있는 추세이다.

이외에도 글라스 런 채널(glass run channel) 등의 웨더스트립은 표면의 마찰계수가 유리문 작동에 큰 영향을 미치고 있어, 표면에 실리콘(silicone)이나 우레탄(urethane) 코팅(coating) 등이 실시되고 있다. 자동차에 적용되고 있는 웨더스트립의 종류는 픽시드 윈도우 씰(fixed window seal), 플랜지 씰(flange seal), 프라이머리 씰(primary seal), 세컨더리 씰(secondary seal). 글라스 런 채널 등이 있고 다음 표 1과 같은 기능을 한다.

따라서, 풍절음, 물, 먼지 등의 차제 내로의 유입 차단 및 우수한 도어 필링(door feeling)성능을 나타내기 위해서는 웨더스트립은 차체에 대해 일정한 면압 및 씰링성이 유지되어야 한다. 지금까지 웨더스트립 단면 형상을 변경시키거나 압출 라인 스피드 다운(line speed down)으로 가류정도를 향상시키거나 또는 시행착오방식의 배합제 변경 등으로 연구되어 왔다. 그러나, 상기 웨더스트립 단면형상을 변경시키는 경우는 종종 무리한 형상구조 변경이 동반되어 시간의 경과에 따라 영구변형이 가속화되고 웨더스트립의 기능이 급속히 감소된다. 즉, 초기 성능은 만족되나 장기적으로 악화된다. 또한, 상기 압출라인 스피드 다운으로 가류정도를 향상시킬 경우에는 재고가 부족시에는 생산성 향상을 위해 라인 스피드의 업(up)은 불가피하여 웨더스트립의 성능향상을 기대할 수 없게된다. 그리고 상기 시행착오방식의 배합제 변경의 경우에는 체계가 정립되지 않고 단지 시행착오법으로 배합이 이루어지기 때문에 재현성이 떨어지며, 제품의 성능 하락시 원인 분석 및 해결이 어려워진다.

종래 자동차에 적용되고 있는 웨더스트립의 주요 문제점은 스폰지 부분(spong part)의 복원력이 부족하여 시속 100 km/hr 이상 주행시 풍절음 발생으로 승차감이 저하되고, 압축하중의 과다로 문을 개폐시 닫힘 필링성의 저하를 초래하여 감성품질의 악영향을 초래한다. 압축영구변형률 특성의 저하로 시간의 경과에 따라 웨더스트립의 성능은 급속히 감소하여 저속 주행시에도 풍절음이 발생되며 문 개폐시 닫힘 필링성의 저하를 초래한다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 웨더스트립의 성능향상을 위한 근본적인 개선 방안으로 원재질 개선을 통한 품질개선을 추진하였으며, 배합제에 따른 제품성능과 무늬(mooney)점도 및 레오미터 그래프(rheometer graph)간의 상관관계를 유도하여 웨더스트립의 고성능화를 위한 배합조성비를 얻어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 내압출변형성이 우수한 웨더스트립 고무 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 웨더스트립 고무 조성물에 있어서, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM) 100 중량부를 기준으로, 충진제(SRF) 50 ∼ 70 중량부, 가공조제 40 ∼ 55 중량부, 표면활성제 15 ∼ 25 중량부, 치수안정제 4 ∼ 6 중량부, 커플링제 4 ∼ 6 중량부, 활성화 산화아연 7 ∼ 10 중량부, 스테아린산 1 중량부, 수분제거제 3.5 ∼ 4.7 중량부, 연화제 1.5 중량부, 산화칼슘 4.5 중량부, 발포제 3.8 중량부, 황 1 중량부, 촉진제 7 ∼ 9 중량부가 함유된 웨더스트립 고무 조성물을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

웨더스트립 스폰지 재료 물성은 원재료인 EPDM이 주도적 역할을 담당한다. 따라서, 어떠한 특징을 갖고 있는 EPDM을 사용하는 지 그리고 얼마나 효율적으로 배합되어 EPDM의 기능이 최대화 될 수 있는가에 따라 웨더스트립의 제반성능이 결정되어 진다.

따라서, 본 발명에서는 첫 번째 단계로 웨더스트립 스폰지 재료 자체의 기능을 극대화하기 위해 적절한 원재료(EPDM) 및 이의 기능을 최적화할 수 있는 보강제, 작동유, 충진제 및 치수안정제 약품을 선정하고, 이의 배합조건, 배합량 및 압출조건을 개발하였다.

두 번째 단계로 웨더스트립의 가장 중요한 성능인 씰링성을 대변하는 압축영구변형성을 저감하기 위해서는 가류 밀도가 높아야 한다. 이를 위해서는 가류조건 및 압출조건에 적합한 촉진제를 선정 적용하여야 하며, 각 촉진제들이 서로 상승효과를 나타내도록 최적의 배합량을 선택해야 한다.

본 발명에서 적용한 내용은 현재 각 원재료 업체에서 생산 및 양산하고 있는 각 재질을 사용하여 재질마다의 상호 상승효과를 고려하여 최적의 배합재질을 적용하였으며, 또한 그 재질이 최고의 성능을 나타내도록 각각의 배합량을 선정하여 이에 합당한 최적의 압출조건을 발견하여 적용하였다.

먼저 상기 첫 번째 단계인 스폰지 재료 자체의 기능을 극대화하기 위해 적용한 방법은 다음과 같다. 웨더스트립 스폰지 재료기능을 극대화하기 위해 재료총량을 저감하여 원재료(EPDM)의 함량을 다른 배합제와 비교하여 높였다. 즉, 웨더스트립 스폰지 재료 물성은 원재료인 EPDM이 주도적 역할을 담당한다. 따라서, 전체 배합총량을 현재 300 중량부에서 256 중량부로 저감하여 적용하였으며, 이때 최적의 성능을 발휘할 수 있다. 그러나, 압출조건에 따라서 약 250 ∼ 280 중량부까지 적용할 수 있으나 이 범위를 벗어날 경우 원재료 EPDM의 기능이 발휘되기보다는 다른 배합제, 즉 충진제나 증량제 등에 의한 영향이 크게 나타날 수 있다.

또한, 카본블랙과 프로세스오일의 경우, 배합재료의 무늬 점도 조절을 위해 최소량을 사용했다. 즉, 현재 각 웨더스트립업체에서는 프로세스오일을 150 중량부이상의 과다한 양을 사용한다. 그러나, 이 경우 제품생산 후 오염성을 일으킬 수 있는 소지가 된다. 또한, 오염성이 있는 오일류 즉, 아로메틱계는 절대 불가하며, 휘발성이 강한 오일 또한 사용해서는 안된다.

따라서, 본 발명에서는 오염성이 없고 휘발이 잘되지 않는 파라핀 오일(Paraffinic Oil, P-6 OIL)을 100 중량부 적용하였으며, 카본블랙의 경우 SRF(Semi Reinforcing Furnace)를 60 중량부 적용하였다. 산업체에서는 카본블랙 FEF(Fast Extrusion Furnace)을 적용하는 경우가 많은데, 이 경우 입자경은 작아서 보강성은 좋으나 고충진시 점도가 매우 상승하게 되고 따라서 프로세스 오일이 다량 필요하여 제품 완성시 다량의 오일이 문제시되는 경우가 있다. 그러나 본 발명과 같이 SRF를 사용할 경우, 입자경이 중간정도여서 보강성은 중간정도이나 고충진시 점도 상승이 적어 오일이 다량 필요치 않게 된다.

따라서, 본 발명에서는 오염성을 방지하기 위해 적절한 오일을 선택했으며, 소량 사용하기 위해 카본블랙 SRF를 적용하였다. 또한, 압출가공성을 향상시키고 압출 중 변형방지를 위해 충진제로서 표면활성도가 높은 실리카계 실리틴(SILLITIN)을 적용하였다. 실리카계통은 현재까지 웨더스트립용으로는 사용되지 않았으나, 이를 적용함으로써 발포 셀 사이즈(cell size)를 조절할 수 있으며, 분산성 향상, 압출가공성 및 저분자량의 화합물의 이동(migration)을 방지할 수 있다. 또한, 가공조제로서 압출물의 치수 안정화를 위해 레노프렌(rhenoprene) EPS를 도입하는 방법을 개발하였다. 이를 도입함으로써 조성물 생지의 저장 안정성이 좋아지고, 사출성과 가공성이 우수해지며, 중성이므로 유황과 과산화물 가교에 모두 사용이 가능하므로 배합의 선택성을 높일 수 있다.

본 발명의 두 번째 단계로 압축영구변형 저감을 위해 배합재료의 가류밀도 향상과 가류촉진제를 다음과 같이 조정한다.

먼저 웨더스트립이 뛰어난 압축영구변형성을 나타내기 위해서는 가류밀도가 높아야 한다. 따라서, 본 발명에서는 커플링제(coupling agent)로서 1,2-폴리부타디엔(1,2-polybutadiene)을 새롭게 적용하여 가교밀도를 향상시키며 현재 가교촉매제로 가장 많이 사용되는 아연화(ZnO)를 활성아연화로 변경 적용한다. 이의 배합함량으로 8 중량부를 적용하여 가교반응의 활성화 향상과 가교반응시 생성되는 황화수소(H₂S)의 가역반응을 방지한다. 활성화 아연화가 제대로 기능을 발휘하기 위해서는 7 중량부이상 사용해야한다. 또한, 압축영구변형과 내열성을 향상시키기 위해 세미-E.V(semi-Efficient Vulcanization) 가류방법을 선택한다. 즉, 유황(sulfur)량을 최소화하여 모노(mono), 디(di)-황가교화를 추진하며, 촉진제로서는 4,4' 디티오-비스-디몰폴린(4,4' Dithio-bis-dimorpholine, DTDM)량을 조정하여 황공여체(sulfur donor)로 역할하도록 하여 모노, 디-가류를 추진한다.

본 발명의 첫 번째 단계와 두 번째 단계를 상호 연관지어 최적의 웨더스트립 기능을 발휘하도록 다음 표 2와 같이 배합제를 선택 및 배합량을 결정한다.

상기 표 2에서의 배합표가 최적의 기능을 발휘하기 위해서는 최적의 압출생산 라인(line)에 적용되어야 한다. 즉, 본 발명에서 적용된 조건은 다음과 같다. 압출기(extruder)에서 제품이 압출되어 나올 때 제품 프로필의 온도는 80 ∼ 100 ℃가 되어야 한다. 만약 이보다 높을 경우 제품이 가류조에 투입되기 전에 부분가류(스코치)가 발생하게 되어 제품의 기능이 급감하게 되며, 이는 제품의 불량률을 높이는 결과를 초래하게 된다.

만약 이보다 낮을 경우, 압출기를 나온 제품의 형상이 매끄럽게 되지 않는다. 즉, 압출기에서 어느 정도 균일한 형상을 갖게 되려면 제품의 표면 온도는어느 정도이상이 되어야 한다. 또한, UHF(Ultra High Frequency) 챔버(chamber)의 온도는 240 ∼ 265 ℃가 되어야 하며, 아웃 렛(out let)시 제품 표면의 온도는 150 ∼ 170 ℃가 되어야 한다. 또한, HAV(Hot Air Vulcanization) 챔버의 온도는 260 ∼ 280 ℃, 아웃 렛시 제품 표면의 온도는 240 ∼ 255 ℃가 되어야 미가류상태가 되지 않고 완전 가류가 이루어지게 된다. 또한, 이때 압출속도는 분당 11 m이어야 한다. 만약 이보다 늦을 경우 물론 가류가 더욱 진행되어 제품상태가 더 좋아질 수는 있으나, 생산성이 낮아서 제품원가 상승의 요인이 되며, 만약 이보다 빠를 시에는 가류가 일어나기에 불충분한 시간이므로 미가류가 발생되어 제품의 기능이 악화된다. 따라서, 압출 생산성과 완성품의 기능이 고려된 가장 바람직한 압출속도는 분당 10 ∼ 12 m가 된다.

본 발명에서 적용한 압출 생산라인은 압출기 이후에 5 m UHF 터널(tunnel)을 먼저 배치하여 압출된 제품이 생산 라인상에서 형상이 흐트러지지 않고 일정한 형상을 유지하도록 했으며, 그 이후에 10 m 핫에어(Hot Air) 터널을 설치하여 상기 UHF 터널에서 가류가 완전히 진행되지 않은 부분을 추가적으로 가류시켜 완전히 가류가 일어나도록 하였다.

이때, 핫 에어 터널을 UHF 터널앞에 설치할 경우, 핫에어의 경우 제품이 바깥표면에서부터 가류가 진행되므로 내부 고무부분은 가류가 일어나기도 전에 이 터널을 통과하게 되고 따라서, 외부의 조그마한 영향에 의해 형상이 흐트러지게 되며, 생산성이 떨어지게 되는 단점이 있다. 그러므로 UHF 터널을 앞에 설치하여 고무의 외부와 내부가 동시에 가류가 발생되어 형상이 어느 정도 균일하게 유지된 후에 그 다음 터널인 핫에어를 통과하게 하여 앞 터널에서 가류가 일어나지 않은 부분을 가류토록 하는 것이 중요하다.

상기 표 2와 같은 배합제를 기준으로 실험실에서 테스트하여 목표 품질 수준을 달성하였으며, 전문 CMB(Carbon Master Batch) 업체에 CMB 배합을 의뢰하여 웨더스트립 양산라인에서 양산성 및 물성 테스트를 하였다. 본 발명을 적용할 경우 5년 6만 마일 보증이 가능하고 내구성의 웨더스트립 제작이 가능하다.

이하, 다음 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 및 비교예 1

다음 표 3에 나타낸 성분의 조성을 통상적인 방법으로 혼합하였다.

실시예 2 및 비교에 2

다음 표 4에 나타낸 성분의 조성을 통상적인 방법으로 혼합하였다.

실험예

실시예 1, 2 및 비교예 1, 2를 70 ℃, 22 시간 및 70 ℃, 200 시간 후 비접촉식 LASER TYPE 3차원 측정기를 사용하여 압축영구변형율을 측정하고 다음 표 5에 나타내었다.

압축하중은 만능시험기(인장, 압축시험기)로 측정하고, 반복압축 줄음율은 반복내구시험으로 측정하여 다음 표 5에 나타내었다. 또한, 열 노화후 하중 변화율도측정하였다.

상기 표 5를 보듯이, 본 발명에 따른 실시예는 비교예에 비해 압축변형율이 감소되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 실차 풍절음의 장기성능 확보의 주요인이 되는 웨더스트립의 압축영구줄음율 개선 결과 초기성능 및 장기성능이 종래 기술보다 우수하며 5년 6만 마일 보증가능한 내구성의 웨더스트립의 제작이 가능하고, 문 개폐 필링에 관련되는 압축하중 개선결과 본 발명이 현품대비 100 ∼ 200 g 정도 개선되어 문 개폐시의 필링 등의 감성 품질도 향상된다.

또한, 최적의 성능을 발휘할 수 있는 배합제, 배합량 및 압출조건의 명확한 발명으로 기존의 산업체에서의 시행착오방식을 탈피하여 좀더 체계적인 웨더스트립 생산이 가능하다.

Claims (2)

1. 웨더스트립 고무 조성물에 있어서, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM) 100 중량부를 기준으로, 충진제(SRF) 50 ∼ 70 중량부, 가공조제 40 ∼ 55 중량부, 표면활성제 15 ∼ 25 중량부, 치수안정제 4 ∼ 6 중량부, 커플링제 4 ∼ 6 중량부, 활성화 산화아연 7 ∼ 10 중량부, 스테아린산 1 중량부, 수분제거제 3.5 ∼ 4.7 중량부, 연화제 1.5 중량부, 산화칼슘 4.5 중량부, 발포제 3.8 중량부, 황 1 중량부, 촉진제 7 ∼ 9 중량부가 함유된 것을 특징으로 하는 웨더스트립 고무 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉진제로는 4,4' 디티오-비스-디몰폴린(DTDM)인 것을 특징으로 하는 웨더스트립 고무 조성물.