KR20030008851A - 도어 실링성이 우수한 웨더스트립 조성물 및 이를 이용한자동차용 웨더스트립 - Google Patents

도어 실링성이 우수한 웨더스트립 조성물 및 이를 이용한자동차용 웨더스트립 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도어 실링성이 우수한 웨더스트립 조성물 및 이를 이용한 웨더스트립에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차체에 의해 압축되는 부위의 재질은 에틸렌 프로필렌 디엔 고무를 주성분으로 하고 3 종 이상의 촉진제가 함유되어 있는 조성물을 스폰지(sponge) 형태로 적용하고 그 이외의 부분은 또 다른 조성의 웨더스트립 조성물을 솔리드(solid)형태로 적용함으로써 각 부분 재질의 변경적용이 가능하게 하여 도어 필링성 및 씰링성 모두를 향상시킬수 있는 웨더스트립 조성물 및 이를 이용한 자동차용 웨더스트립에 관한 것이다.

Description

도어 실링성이 우수한 웨더스트립 조성물 및 이를 이용한 자동차용 웨더스트립{Composition and design for weather strip of excellent door sealing characteristics}
본 발명은 도어 실링성이 우수한 웨더스트립 조성물 및 이를 이용한 웨더스트립에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차체에 의해 압축되는 부위의 재질은 에틸렌 프로필렌 디엔 고무를 주성분으로 하고 3 종 이상의 촉진제가 함유되어 있는 조성물을 스폰지(sponge) 형태로 적용하고 그 이외의 부분은 또 다른 조성의 웨더스트립 조성물을 솔리드(solid)형태로 적용함으로써 각 부분 재질의 변경적용이 가능하게 하여 도어 필링성 및 씰링성 모두를 향상시킬수 있는 웨더스트립 조성물 및 이용 이요한 자동차용 웨더스트립에 관한 것이다.
자동차용 웨더스트립(weather strip)은 도어(door)와 차체사이 장착되어 외부환경으로부터 차체를 씰링(sealing)하는 부품으로 풍절음(wind noise), 물, 먼지 등이 차량 내부에 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.
외부 환경으로부터 씰링기능을 하면서 도어나 트렁크 등의 개폐시 필요한 힘이나 유리 승하강시 힘이 최소화 되기 위해서는 웨더스트립은 균일하고 일정한 면압을 유지하여야 한다. 상기 웨더스트립은 고무 솔리드 형태나 스폰지 폼의 형태를 가지고 있으며, 사용 재료는 주로 내후성이 우수한 에틸렌-프로필렌 고무(EPDM)가 사용되고 있다. 에틸렌-프로필렌 고무 외에 열가소성 고무(Thermoplastic vulcanisate)재료가 적용되고 있는데, 열가소성 고무재료는 에틸렌-프로필렌 고무에 비해 생산공정이 간편하고 원가 절감의 효과가 있어 적용이 확대되고 있는 추세이다.
그러나, 종래 웨더스트립의 경우에 있어서 스폰지부의 자체탄성을 이용한 씰링 방법은 다음과 같은 문제점들을 나타내었다.
첫째, 경시(經時)변화에 따라 웨더스트립 고무의 영구변형에 의한 씰(seal)성능 저하를 초래한다.
둘째, 도어 필링(door feeling)성과 씰링성간의 상반된 성능현상으로 두 성능의 동시적 향상이 어려워진다.
셋째, 스폰지부 복원력 향상을 위해 고가의 기능향상 첨가제를 다량으로 첨가하므로 원가 상승요인이 된다.
넷째, 도어와 차체 구조간에 존재하는 씰갭(seal gap) 편차에 따른 웨더스트립의 영구변형차로 인해 웨더스트립의 장착위치에 따른 씰성능 저하를 초래한다.
또한, 일반적으로 차량이 시간의 경과에 따라 바람의 소음, 물 및 먼지 등의 외부 환경적 요인이 차체로 유입되는 것은 웨더스트립의 씰 부분(도 1의 1(스폰지 부분))이 변형 수축되어 차체에 대해 일정한 면압을 유지하지 못하기 때문이다.
따라서 이러한 변형을 감소시키기 위해 일반적으로 수행하는 방법으로 형상을 변경하는 방법이 있지만, 이러한 방법은 초기성능을 향상시키기 위해 무리한 형상구조 변경이 수행되므로 초기성능은 만족할 수 있으나 장기적 성능이 감소되는 문제가 있다. 또한 차종 개발시 각 차종 단면별로 형상변경을 추진해야 하므로 차종 개발시 개발비용 상승 및 개발기간의 연장을 초래한다.
또 다른 성능 향상방법으로 종래에 적용되어온 것으로는 재질을 변경하는 방법을 생각할 수 있으나, 이 경우 변형수축을 감소시키기 위해 씰 부분(도 1의 1)을 하드(hard)하게 변경할 경우 도어의 닫힘 필링성의 저하를 초래하게 되며, 소프트하게 변경할 경우 도어의 닫힘 필링성은 향상되나, 영구줄음율 저하를 초래하게 되어 장기적인 씰링성의 저하를 초래하게 된다. 그리하여, 도어 필링성 및 장기 씰링성 모두의 성능향상은 항상 자동차 업계의 과제로 남아 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여, 웨더스트립조성물에 있어서 차체에 의해 압축되는 부위의 재질은 에틸렌 프로필렌 디엔 고무를 주성분으로 하는 조성물을 스폰지 형태로 적용하고 그 이외의 부분의 재질은 솔리드 형태로 적용함으로써 각 부분 재질의 변경적용이 가능하게 하여 도어 필링성 및 씰링성 모두를 향상시킬수 있는 웨더스트립 조성물 및 이를 이용하는 새로운 구조의 웨더스트립을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 방법으로 제조된 웨더스트립의 구조를 나타낸 것이고,
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 발명으로 제조된 차체 웨더스트립, 후드 씰, 및 도어 웨더스트립 구조를 각각 나타낸 것이다.
[도면 주요부분에 대한 부호의 설명]
1: 스폰지(sponge) 21: 솔리드 캐리어(solid carrier)
2: 솔리드(solid)
본 발명은 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM)를 주성분으로 하고, 카본블랙, 충전재, 프로세스 오일, 치수안정제, 연화제, 발포제, 황 및 촉진제가 스폰지 부분으로 함유되어 있는 웨더스트립 조성물에 있어서,
(A) 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM) 100 중량부에 대하여 커플링제 3 ∼ 5 중량부, 가교 촉매제 6 ∼ 8 중량부 및 3 종 이상의 촉진제 3 ∼ 4 중량부가 함유되어 있는 스폰지 부분; 및
(B) 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(이하, 'EPDM'이라 함) 100 중량부에 대하여 카본블랙 35 ∼ 45 중량부, 충전재 9 ∼ 11 중량부, 프로세스 오일(process oil) 30 ∼ 38 중량부, 커플링제 2.5 ∼ 3.1 중량부, 가교 촉매제 2.7 ∼ 3.3 중량부, 치수안정제 4.5 ∼ 6 중량부, 연화제 14 ∼ 16 중량부, 황 1.3 ∼ 1.7중량부및 3 종 이상의 촉진제 3.0 ∼ 3.5 중량부가 함유되어 있는 솔리드 부분으로 이루어진 웨더스트립 조성물을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 (A)의 웨더스트립 조성물이 스폰지 부분(sponge part)으로 함유되며, 상기 (B)의 웨더스트립 조성물이 솔리드 부분(solid part)으로 함유되어 이루어진 자동차용 웨더스트립을 포함한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 각각 다른 조성의 스폰지 부분과 솔리드부분의 웨더스트립 조성물을 제공하여 차체에 의해 압축되는 부위의 재질은 스폰지 형태로 적용하고 그 이외의 부분은 솔리드 형태로 적용함으로써 각 부분 재질의 변경적용이 가능하여 일반적으로 상반되는 성능으로 알려진 도어 필링성 및 씰링성 모두를 향상시킬수 있는 새로운 구조의 웨더스트립 단면 및 재질을 제공하는 웨더스트립 조성물에 관한 것이다.
종래에는 스폰지 부분의 도어 필링성과 영구변형성 모두의 지나친 성능 감소를 방지하기 위해 스폰지부의 경도를 낮추지 못하고 Hs 60 ∼ 66로 유지하고 있다.
이에 반해, 본 발명에 따르면 솔리드 부분(도 2의 2)부분이 W/STRIP의 형상을 유지하는 역할을 하여 영구변형성능 저하를 감소시키기 때문에 스폰지 부분 경도의 조정이 가능하여 영구변형성능 저하없이 소프트하게 변경(Hs 40 ∼ 50)하여 뛰어난 도어 필링성을 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이, 상부 8 ∼ 9 mm구간을 스폰지로 적용하고 하부를 솔리드 형태로 적용하는 새로운 웨더스트립 단면 형상을 제공한다.
이러한 본 발명의 웨더스트립의 단면 구조의 특징은 일반적으로 차체의 씰 갭(차체에 의해 W/STRIP이 압축되는 량)이 5 ∼ 7 mm이므로 도어에 미치는 하중의 지나친 상승을 방지하기 위해 2 ∼ 3 mm 정도의 스폰지 부를 확장하여 8 ∼ 9 mm로 이루어진다.
본 발명에 따르면 하단부 솔리드의 경우 소프트한 스폰지부와의 재질 밸런스(balance)를 위해 소프트하게 변경하는 것이 중요하다. 재질 경도의 지나친 차이는 압출시 스폰지부와 솔리드부의 압출성의 차이로 형상의 뒤틀림이 발생할수 있기 때문에 경도 차이는 Hs 10 ∼ 15로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 차량 실내부위로 노출이 되는 부분에 해당되므로 컬러화 등의 여러가지 외관미의 향상이 가능하다. 즉, 종래의 모든 스폰지의 경우 컬러화가 어려웠으나, 솔리드로 바뀜에 따라 컬러의 적용이 용이해진다.
본 발명에서는 솔리드 부분의 경도를 Hs 60으로 유지하여 차체에 장착시 코너(corner) 추종성을 향상시켜 라인 조립 작업을 원활히 할 수 있으며, 장착후 웨더스트립이 탈거되는 문제를 감소시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 웨더스트립은 서로 다른 조성의 스폰지 부분과 솔리드 부분의 웨더스트립 조성물을 이용하여 이루어진다.
상기 스폰지 부분은 원재료인 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(이하, 'EPDM'이라 함) 100 중량에 대하여 카본블랙 57 ∼ 62 중량부, 충전재 14 ∼ 16 중량부, 프로세스 오일(process oil) 43 ∼ 47 중량부, 커플링제 3 ∼ 5 중량부, 가교 촉매제 6 ∼ 8 중량부, 치수안정제 4.5 ∼ 6 중량부, 연화제 8 ∼ 11 중량부, 발포제 3.5 ∼3.9 중량부, 황 1.4 ∼ 1.6 중량부 및 3 종 이상의 촉진제 3 ∼ 4 중량부로 이루어진다.
상기 솔리드 부분은 원재료인 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(이하, 'EPDM'이라 함) 100 중량에 대하여 카본블랙 35 ∼ 45 중량부, 충전재 9 ∼ 11 중량부, 프로세스 오일(process oil) 30 ∼ 38 중량부, 커플링제 2.5 ∼ 3.1 중량부, 가교 촉매제 2.7 ∼ 3.3 중량부, 치수안정제 4.5 ∼ 6 중량부, 연화제 14 ∼ 16 중량부, 황 1.3 ∼ 1.7 중량부 및 3 종 이상의 촉진제 3.0 ∼ 3.5 중량부로 이루어진다.
본 발명의 웨더스트립 조성물의 각 성분에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 스폰지 부분 및 솔리드 부분의 재질은 원재료로서 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(이하, 'EPDM'이라 함)를 사용한다. 특히, 스폰지 부분의 재질 특성은 원재료의 영향이 가장 크기 때문에 상기 EPDM은 고충진성 및 형상유지성 향상을 위해 무니점도(ML1+4, 125 ℃)가 90 ∼ 100이며, 연속가황시 빠른 가황속도와 타이트(tight)한 가류밀도를 나타내기 위해 에틸리덴 노본(Ethyliden norborne, 이하 'ENB'라 함)의 함량이 높고(바람직하게 8 ∼ 9 중량%), 우수한 가공성을 나타내기 위해 tailored 분자량 분포(MWD)을 갖는 EPDM을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명은 고충진이 가능함과 동시에 낮은 컴파운드 무니 점도(compound mooney viscosity)를 갖도록 카본블랙을 사용하여 부분가류(scorch) 방지 및 빠르고 매끈한 압출성을 나타내게 한다. 상기 카본 블랙은 입자의 크기가 61 ∼ 100 nm의 보강성이 일정한 것을 사용하며, 특히 고충진시 점도상승을 억제할 수 있으며, 필요 오일(Oil)의 소요량을 극소화 시킬 수 있어서 제품생산시 표면품질의 향상 및 완성품의 오염성을 방지할 수 있는 것을 사용한다.
또한, 본 발명의 웨더스트립 조성물에 있어서 프로세스 오일(process oil)의 선정이 중요한데, 특히 오염성이 있는 프로세스 오일의 사용을 피해야하며 사용량은 최소화해야 한다. 또한 휘발성이 강한 오일을 사용시 HAV(hot air vulcanization) 가류조 통과시 휘발로 인한 표면품질의 저하 가능성 초래 및 햇빛에 노출되어 있는 동안 경도가 증가되는 경향이 있으므로, 나프테닉 오일(naphthenic oil)보다는 파라핀 오일(parafinic oil)을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 비중이 0.8, 인화점이 240 ∼ 280, 분자량이 520의 휘발성이 낮고 인화점이 낮은 파라핀 오일을 사용한다.
본 발명에서 고무류의 물성, 특히 탄성, 영구변형율 및 내열성에 가장 많은 영향을 미치는 부분이 고무 분자간의 가교이다. 효과적인 가교를 위해 본 발명에서는 가교 촉매제로서 활성화 아연화를 원재료인 EPDM 100 중량부에 대하여 6 ∼ 8 중량부로 사용한다. 즉, 황(sulfur)이 이중결합에서 수소 라디칼을 떼어내어 황화수소 라디칼이 됨으로서 가류가 개시되며, 활성화 아연화는 황 도너(sulfur donor) 촉진제와 결합반응(concerted reaction)을 통해 황화수소 라디칼의 발생을 촉진시키며, 또한 이때 발생한 황화수소 라디칼의 안정화를 도와주어 이의 역반응을 방지함으로서 가류를 촉진하게 하는 기능을 한다. 본 발명에서 사용되는 활성화 아연화는 바람직하게는 ZnO함량이 93% 이상으로서 분말상의 미세한 입자를 사용한다.
특히, 본 발명에서는 3 종 이상, 바람직하게는 5 종의 촉진제를 혼합하여 사용한다. 상기 황고무의 내열성 및 압축영구변형 향상을 위해 가교 구조가 폴리설퍼릭(polysulfuric) 결합 보다는 모노- 또는 디- 황 결합(sulfur bond)에 의한 망상구조를 나타내야 한다. 따라서, 상기 3 종 이상의 촉진제를 사용함으로써 폴리설퍼릭 결합(polysulfuric bond)을 나타내는 유황의 함량을 줄이고, 황 도너의 역할을 하는 촉진 시스템을 적용하여 모노 또는 디 설퍼릭 결합의 가교 구조를 가지게 한다. 상기 촉진제는 테트라 메틸티우람설파이드(TMTD), 디펜타-메틸렌 티우람 테트라설파이드(DPTT), 머캅도벤조티아졸(MBT), 디페닐구아니딘(DPG), 디벤조티아질디설파이드(MBTS) 및 징크 디-N-부틸디티오카바메이트(ZnBDC), 4,4-디티오-비스-디몰포린(DTDM) 중에서 선택되는 3 종 이상, 바람직하게는 5 종 이상을 혼합하여 사용한다. 상기 촉진제의 혼합비율은 0.5∼1.0 : 0.7 ∼0.9 : 0.3∼0.4 : 0.8∼1.1 : 0.4∼0.6의 중량비로 혼합하는 것이 좋다.
또한, 본 발명은 상기 EPDM의 경우 불포화(unsaturation)의 함량이 일반적으로 매우 작으므로, 가류 밀도를 높이기가 매우 어렵기 때문에 커플링제로 측쇄에 불포화기를 포함하는 1,2-폴리부타디엔을 사용한다.
또한, 본 발명의 웨더스트립 조성물에 있어서 상기 충진재로는 셀크기(cell size) 조절, 압출가공성 및 변형개선을 위해 표면활성도가 높은 실리카계를 사용한다. 상기 충진재로는 규산칼슘, 규산알루미늄 및 벤토나이트(m(Na, Ca,Mg)O·Al2O3·4SiO2·nH2O) 중에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 치수안정제는 컴파운드 생지의 안정성, 사출성과 가공성을 높이기 위해 사용하며, 바람직하게 pH 7 ∼ 8의 중성으로 유황과 과산화물 가교에 모두 사용가능한 식물유계를 사용한다.
상기 연화제로는 폴리에틸렌글리콜(PEG)를 사용하며, 발포제로는 아조디카르보아미드를 8.0 중량부(phr), p,p-옥시비스벤젠설포닐히드라진을 3.0 중량부(phr)를 혼합 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
다음 표 1과 같은 조성과 함량으로 이루어진 웨더스트립 조성물을 제조한 후, 이를 이용하여 웨더스트립을 제조하였다. 이때, 각각의 단위는 PHR(part per hundred part of rubber)로 나타낸 것이며, 생산조건에 따라 각각 ±10% 정도의 배합량을 달리할 수 있다. 또한, 다음 표 1의 배합조건표는 HAV(hot air vulcanization)과 UHF(ultra high frequency)가 조합된 생산조건을 기준으로 하였다. 이후, 이들에 대한 물성을 시험하여 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
다음 표 2에서, 압축영구변형 및 압축하중은 도어가 닫혔을 때 도어와 차체 간의 갭(gap) 만큼 압축 했을 때의 시험 결과수치를 나타낸 것이다.
차량에서 웨더스트립의 가장 중요한 기능은 항시 일정한 씰성을 나타내어 외부 환경 요인으로부터 차량내부로의 유입을 차단하는 기능과 도어를 닫을 때 항시 부드러운 닫힘 필링성을 나타내야 한다.
상기 표 2에서 보면, 종래 비교예와 같이 모두 스폰지에 의한 씰성 확보기술은 영구변형과 도어 필링성 모두의 동시적인 향상은 기대하기 어려웠다.
이에 반해, 실시예의 경우 스폰지 부분과 솔리드 부분을 구분 적용하므로 스폰지 부분은 도어 닫힘 필링성을 향상시키고, 솔리드 부분은 웨더스트립 단면형상이 수축 변형되는 것을 방지하는 역할을 하게 되어, 결과적으로 도어 닫힘 필링성 뿐만 아니라 장기적인 씰성 또한 향상시킴을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 각 부분의 최적 배합비를 개발 적용하여 신개념의 단면구조의 성능을 최적화할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 사용 기간에 무관하게 항상 일정한 씰(seal)성 확보가 가능하며, 종래기술에서의 과제였던 씰링(sealing)성과 도어 필링(door feeling)성 모두의 동시적인 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 차종별, 단면별 현장 맞춤식의 개발이 더 이상 필요로 되지 않기 때문에, 개발기간의 단축 및 개발 비용의 감소효과 기대와 함께 품질안정성 및 색상의 다양화도 꾀할 수 있다.

Claims (6)

  1. 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM)를 주성분으로 하고, 카본블랙, 충전재, 프로세스 오일, 치수안정제, 연화제, 발포제, 황 및 촉진제가 스폰지 부분으로 함유되어 있는 웨더스트립 조성물에 있어서,
    (A) 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM) 100 중량부에 대하여 커플링제 3 ∼ 5 중량부, 가교 촉매제 6 ∼ 8 중량부 및 3 종 이상의 촉진제 3 ∼ 4 중량부가 함유되어 있는 스폰지 부분; 및
    (B) 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(이하, 'EPDM'이라 함) 100 중량부에 대하여 카본블랙 35 ∼ 45 중량부, 충전재 9 ∼ 11 중량부, 프로세스 오일(process oil) 30 ∼ 38 중량부, 커플링제 2.5 ∼ 3.1 중량부, 가교 촉매제 2.7 ∼ 3.3 중량부, 치수안정제 4.5 ∼ 6 중량부, 연화제 14 ∼ 16 중량부, 황 1.3 ∼ 1.7 중량부 및 3 종 이상의 촉진제 3.0 ∼ 3.5 중량부가 함유되어 있는 솔리드 부분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 웨더스트립 조성물
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링제가 1,2폴리부타디엔이 적용되는 것을 특징으로 하는 웨더스트립 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가교촉매제가 산화아연, 활성화아연화 및 마그네시아 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 웨더스트립 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 촉진제가 테트라 메틸티우람설파이드(TMTD), 디펜타-메틸렌 티우람 테트라설파이드(DPTT), 머캅도벤조티아졸(MBT), 디페닐구아니딘(DPG), 디벤조티아질디설파이드(MBTS) 및 징크 디-N-부틸디티오카바메이트(ZnBDC), 4,4-디티오-비스-디몰포린(DTDM) 중에서 선택되는 3 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 웨더스트립 조성물.
  5. 제 1 항의 (A)의 웨더스트립 조성물이 스폰지 부분(sponge part)으로 함유되며, 제 1 항의 (B)의 웨더스트립 조성물이 솔리드 부분(solid psrt)으로 함유되어 이루어진 것을 특징으로 자동차용 웨더스트립.
  6. 튜브의 상부에서 8 ∼ 9 mm구간 스폰지가 적용되고 그 나머지 부분이 솔리드가 적용된 것을 특징으로 단면구조의 웨더스트립.
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