KR20120113432A - 열가소성 탄성체 조성물 및 브레이크 시스템용 다이어프램 - Google Patents

열가소성 탄성체 조성물 및 브레이크 시스템용 다이어프램 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌계 수지, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제를 포함하는 열가소성 탄성체 조성물에 관한 것으로, 구체적으로 상기 열가소성 탄성체 조성물의 함량에 따라 열가소성 탄성체가 우수한 성형성을 가지며 생산속도가 향상되고, 성형 시 발생되는 버(Bur) 및 성형불량품에 대하여 재활용이 가능하여 경제적인 열가소성 탄성체 조성물에 관한 것이다.
또한 본 발명은 열가소성 탄성체 조성물을 포함하는 브레이크 시스템용 다이어프램에 관한 것으로 다이어프램의 생산속도를 향상시키고 성형성이 우수하며, 성형시 발생되는 버(Bur) 및 성형불량품에 대하여 재활용이 가능하고 제품 경량화를 개선한 브레이크 시스템용 다이어프램에 관한 것이다.

Description

열가소성 탄성체 조성물 및 브레이크 시스템용 다이어프램{COMPOSITION OF THERMOPLASTIC ELASTOMER AND DIAPHRAGM FOR BRAKE SYSTEM}
본 발명은 열가소성 탄성체 조성물, 그 용도 및 상기 열가소성 탄성체 조성물을 포함하는 브레이크 시스템용 다이어프램에 관한 것이다.
브레이크 부스터는 대기압과 진공의 원리를 이용한 기술이 적용되는데 바퀴에 전달되는 힘을 엔진 흡기쪽의 부압을 이용, 증폭(약 7배)하여 향상된 정지능력을 얻게 된다. 이때 상기 브레이크 부스터 내 프론트셸(Front Shell)과 리어셸(Rear Shell)로 구성된 공간은 다이어프램(Diaphragm)이라는 격막에 의해 두 개의 공간으로 나뉘어지고, 상기 두 공간의 압력차에 의해 작동되는 원리이다.
종래의 브레이크 시스템에 사용되는 다이어프램의 경우 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM, Ethylene propylene dien monomer) 고무 및 나이트릴 부타디엔 러버(NBR, Nitrile butadiene rubber)로 제조되며, 제조방법은 사출 성형 후 가류공정을 거치는 것이 일반적이다. 그러나, 상기 제조방법은 생산속도가 느리고 사출성형 시 발생되는 버(Bur) 및 성형불량품에 대하여 재활용이 불가능하여 경제성이 낮고, 친환경적이지 못한 단점을 갖는다.
이에 본 발명자는 열가소성 탄성체 조성물을 연구하던 중, 조성물의 종류 및 함량에 따라 기존의 다이어프램을 제조하기 위한 소재에 비하여 우수한 성형성을 나타내고 다이어프램의 생산속도를 향상시키며 성형 시 발생되는 버(Bur) 및 성형불량품에 대하여 재활용이 가능하여 경제적이며, 이를 브레이크 시스템용 다이어프램으로 유용하게 사용될 수 있다는 것을 인식하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌계 수지, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제를 포함하는 열가소성 탄성체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 브레이크 시스템에 사용되는 다이어프램용 열가소성 탄성체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열가소성 탄성체 조성물을 포함하는 브레이크 시스템용 다이어프램을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌계 수지, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제를 포함하며, 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제의 중량비가 80 ~ 90 : 40 ~ 50 : 90 ~ 100 : 0.5 ~ 0.8 : 0.5 ~ 0.8 : 20 ~ 25 : 0.8 ~ 1.0 인 열가소성 탄성체 조성물을 제공한다.
이때, 상기 폴리프로필렌계 수지가 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머로 구성되며, 상기 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머의 중량비가 2 ~ 3 : 2 ~ 3 인 것이 바람직하다.
나아가, 상기 호모 폴리프로필렌의 용융흐름지수가 10g/10min (230℃, 2.16kg하중 조건)이상이고, 상기 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머의 용융흐름지수가 0.5g/10min (230℃, 2.16kg하중 조건) 이하인 것이 바람직하다.
상기 프로세스 오일이 파라핀 오일인 열가소성 탄성체 조성물을 제공하며, 상기 가교제가 페놀 수지 가교제 및 퍼옥사이드 가교제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 첨가제가 폴리프로필렌계 왁스, 폴리에틸렌계 왁스 및 실리콘 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다.
나아가 상기 열가소성 탄성체 조성물은 브레이크 시스템에 사용되는 다이어프램용 열가소성 탄성체인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 열가소성 탄성체 조성물을 사용하여 제조되는 브레이크 시스템용 다이어프램을 제공한다.
본 발명의 열가소성 탄성체 조성물이 도입됨으로써 열가소성 탄성체의 우수한 성형성을 가지며 생산속도를 향상시키고 성형 시 발생되는 버(Bur) 및 성형불량품에 대하여 재활용이 가능하여 경제적인 열가소성 탄성체 조성물을 제공한다.
또한, 상기 열가소성 탄성체 조성물을 포함하는 브레이크 시스템용 다이어프램으로 다이어프램의 생산속도를 향상시키고 성형성이 우수하며, 성형시 발생되는 버(Bur) 및 성형불량품에 대하여 재활용이 가능하고 제품 경량화를 개선한 브레이크 시스템용 다이어프램을 제공한다.
본 발명은 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌계 수지, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제를 포함하며, 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌계 수지, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제의 중량비가 80 ~ 90 : 40 ~ 50 : 90 ~ 100 : 0.5 ~ 0.8 : 0.5 ~ 0.8 : 20 ~ 25 : 0.8 ~ 1.0 인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물에 관한 것이다.
이때, 바람직하게는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 100 중량부에 대하여, 폴리프로필렌계 수지 50 중량부, 프로세스 오일 125 중량부, 가교제 1 중량부, 산화방지제 0.75 중량부, 무기 필러 25중량부 및 첨가제 1.125 중량부를 함유한다.
상기 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM, Ethylene propylene dien monomer)는 중량비 80 내지 90으로 함유된다. 이때 중량비가 80 미만일 경우에는 열가소성 탄성체의 탄성이 떨어지고 내구성이 저하되며, 중량비가 90을 초과할 경우에는 열가소성 탄성체의 경량화를 저해한다.
상기 폴리프로필렌계 수지는 중량비 40 내지 50으로 함유된다. 이때 중량비가 40 미만일 경우에는 사출(Injection) 성형 시 제품 흐름성 불량이 생겨 성형이 어려우며, 중량비가 50을 초과할 경우에는 완제품 경도 상승으로 인해 브레이크 부스터에 장착 시 작업이 어려운 문제점이 있다.
또한 본 발명에서 폴리프로필렌계 수지는 다이어프램(Diaphragm)의 우수한 사출(Injection) 성형성 및 고강도, 고충격, 내유성 등의 개선을 위해 용융흐름지수(Melt Flow Index)가 온도 230℃, 2.16kg조건에서 10g/분 이상인 호모 폴리프로필렌과 용융흐름지수가 온도 230℃, 2.16kg조건에서 0.5g/분 이하인 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머를 혼합하여 제조한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머는 제품 성형시 사출성형성을 향상시킨다. 또한, 상기 폴리프로필렌계 수지가 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머로 구성되며, 상기 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머의 중량비가 2 ~ 3 : 2 ~ 3 인 것이 바람직하다. 나아가 상기 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머는 각각 고 결정성 호모 폴리프로필렌 및 고 결정성 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머인 것이 바람직하다.
상기 프로세스 오일은 열가소성 탄성체의 제조시 가공성을 향상시키며, 무기 필러의 분산을 촉진시킨다. 또한 상기 프로세스 오일은 충진, 기계적 강성보강, 자외선차폐, 검은색상 발현 등을 위한 카본블랙 또는 안료의 분산을 촉진시킨다. 또한, 열가소성 탄성체의 경도를 감소시켜, 가소성 및 성형성을 향상시킨다. 상기 프로세스 오일은 중량비 90 내지 100으로 함유된다. 이때 중량비가 90 미만일 경우에는 사출(Injection) 성형시 흐름성에 불량하여 성형 불량 및 작업 불량의 원인이 되며, 중량비가 100을 초과할 경우에는 흐름성이 증가하여 사출(Injection) 성형 시 사출이 어렵고 냉각시간이 많이 소요되며, 제품 형상 성형을 위한 에어 블로우(Air Blow) 시 제품의 두께 편차가 발생하는 문제점이 있다. 바람직하게는 상기 프로세스 오일로 파라핀 오일이 사용되며, 더욱 바람직하게 상기 파라핀 오일은 온도 40℃ 조건에서 동점도(Kinematic Viscosity)의 범위가 170cSt 이상인 것을 사용한다.
상기 열가소성 탄성체는 소프트 세그먼트인 고무부분과 하드 세그먼트인 열가소성 수지 부분으로 구성되며, 상기 가교제는 열가소성 탄성체의 물성을 나타낼 수 있도록 고무부분을 가교시키는 역할을 한다. 즉, 상기 열가소성 탄성체가 고무와 같은 점성과 탄성의 성질을 보유하기 위하여 상기 소프트 세그먼트인 고무부분을 가교제를 첨가하여 이축압출기(트윈압출기)를 사용하여 동적 가교를 시킨다. 이 때 상기 가교제는 바람직하게는 페놀 수지 가교제 및 퍼옥사이드 가교제를 사용하고 더욱 바람직하게는 수분 흡수에 대하여 민감하지 않아 수분 흡수에 따른 문제점이 발생하지 않는 퍼옥사이드 가교제를 사용한다.
상기 가교제는 중량비0.5 내지 0.8로 포함된다. 중량비가 0.5 미만일 경우에는 가교가 충분하게 이루어지지 않게 되어 열가소성 탄성체의 물성 및 점탄성 성질이 저하되고, 중량비가 0.8을 초과할 경우에는 가교가 지치게 많이 일어나게 되어 외관상 피쉬아이(Fish eye) 등과 같은 이물질이 관찰될 수 있으며 사출 성형기의 외관 불량 및 성형성 불량의 원인이 될 수 있다.
또한 열가소성 탄성체를 제조할 경우 이축압출기(트윈압출기)를 사용하여 동적 가교를 통해 제조하고, 이 경우 가공온도가 200℃ 이상이면 높은 전단력이 발생한다. 이 때 열가소성 탄성체의 소프트 세그먼트인 고무부분에 대한 산화 방지 및 완제품의 열에 의한 분해를 방지하기 위하여 산화방지제를 포함한다. 상기 산화방지제는 중량비 0.5 내지 0.8으로 포함되며 중량비가 0.5 미만일 경우에는 열가소성 탄성체 조성물의 물성이 저하되고 완제품을 장기간 사용시 성능이 저하되며, 중량비가 0.8을 초과할 경우에는 제품의 제조단가가 상승하고 반응하지 못한 산화방지제가 제품 표면으로 블루밍(Blooming)되는 문제점을 발생시킨다.
상기 무기 필러는 충진제 역할 및 소재의 단가를 낮추기 위하여 포함되는 것으로서, 중량비로 20 내지 25로 포함된다. 이때 중량비가 20 미만일 경우에는 충진제로서의 역할이 미미하게 되고, 중량비가 25를 초과할 경우에는 경도 상승 및 소재 흐름성 문제로 인해 블로우 성형작업(blow molding)이 어렵게 된다.
상기 첨가제는 중량비 0.8 내지 1.0으로 포함되며 다이어프램의 표면 슬립성 개선 및 내마모성 증가시키기 위하여 폴리프로필렌계 왁스, 폴리에틸렌계 왁스 및 실리콘 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명에 따른 열가소성 탄성체 조성물은 브레이크 시스템에 사용되는 다이어프램용인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물이다.
나아가 본 발명은 상기 열가소성 탄성체 조성물을 사용하여 브레이크 시스템에 사용되는 다이어프램을 제조할 수 있으며, 이때 제조방법이 특별히 제한되는 것은 아니지만 바람직하게는 사출(Injection)성형 방법으로 제조될 수 있다.
다이어프램의 제조공정에 있어서, 일반적으로 고무로 제품을 제조하는 경우 고무 소재의 특성상 탄성을 부여하기 위해서 가류공정이 필요한 반면, 열가소성 탄성체의 경우 가류공정이 필요하지 않고 제품을 성형 설비에서 바로 생산할 수 있다. 또한 종래의 고무를 이용하여 다이어프램을 제조할 경우에는 압축성형공정은 1) 소재 준비 단계, 2) 금형 개폐 단계, 3) 소재 투입 단계, 4) 가류 성형 단계, 5) 금형 개폐 단계, 6) 제품 탈형 단계 및 7) 제품 사상 단계로 이루어지며, 상기 성형작업시간이 5 내지 5분30초 정도 소요된다. 반면, 본 발명에 의한 열가소성 탄성체를 사용하여 사출(Injection)성형 공정을 거치게 되면 1) 소재 압출 단계, 2) 금형 개폐 단계, 3) 냉각 단계 및 4) 탈형 공정 단계로 이루어져 고무를 이용한 공정에서 필요한 가류 공정 단계가 제외되기 때문에 성형작업시간을 30초 이내로 모든 공정을 완료할 수 있고, 기존의 일반적인 제조방법에 비하여 생산속도도 빠르게 할 수 있다.
또한 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM) 고무 소재의 경우 비중이 1 이상인 경우가 일반적인 반면, 본 발명의 열가소성 탄성체의 경우 1 미만의 비중을 가지고 있어 열가소성 탄성체는 고무에 비하여 비중이 적게 나간다. 따라서 본 발명의 열가소성 탄성체를 사용할 경우 제품의 경량화가 가능하며 이를 통해 5 내지 10% 정도의 경량화 효과를 나타낸다.
또한, 상기 열가소성 탄성체 조성물은 재활용이 가능하므로, 사출성형 또는 진공성형 등의 방법으로 제품의 제조 시 발생되는 버(Bur) 및 성형불량품을 즉시 분쇄하여 재활용할 수 있어 환경보호 및 비용절감 효과를 나타낸다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3 : 열가소성 탄성체 제조
하기 표 1에 기재된 성분과 조성에 따라, 에틸렌 폴리프로필렌 디엔 모노머, 파라핀 오일, 폴리프로필렌계 수지, 퍼옥사이드 가교제, 산화방지제, 무기필러 및 첨가제를 혼합하고 혼합물을 교반하고, 공지된 압출성형 방법에 따라 열가소성 탄성체 조성물을 제조하였다. 상기 폴리프로필렌계 수지는 폴리프로필렌계 수지 전체 중량에 대하여 고결정성 호모 폴리프로필렌 50중량% 및 고결정성 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머 50중량%로 혼합한 폴리프로필렌계 수지이고, 상기 첨가제는 폴리프로필렌계 왁스를 사용하였다.
구분 (단위:g) 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM) 70 80 95 80 80
파라핀 오일 120 90 110 100 90
폴리프로필렌계 수지 40 35 45 40 40
퍼옥사이드 가교제 0.6 0.8 0.9 0.8 0.7
산화방지제 0.6 0.7 0.9 0.6 0.8
무기필러 25 20 15 20 25
첨가제 0.9 0.7 0.8 0.9 0.8
시험예 1 : 브레이크 시스템용 다이어프램의 물성 테스트
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 열가소성 탄성체 조성물의 기본 물성, 내열물성, 압축영구줄음율, 사출 성형성 및 내구성을 평가하여 하기 표 2에 나타내었다.
구체적으로 내열물성은 상기 열가소성 탄성체 조성물을 온도 150℃ 조건에서 168시간 경과 후의 물성을 측정하여 초기 물성과 비교하여 변화율을 나타내었고, 압축영구줄음율은 온도 70℃ 조건에서 24시간 경과 후의 물성을 측정하여 초기 물성과의 차이를 나타내었다. 사출 성형성의 경우 동일한 사출 조건하에서 사출시간 및 취출시 제품변형을 외관은 육안으로 확인하고, 치수는 3차원 측정기로 측정하여, 매우 좋음(◎), 좋음(○), 보통(△), 좋지 않음(×)으로 평가하였다. 또한 내구성 평가는 상기 브레이크 시스템용 다이어프램을 브레이크 시스템에 적용하여 1,000회의 마모 평가 후 제품 파열 유무를 확인하여 파열이 없는 경우 'OK', 파열이 발생한 경우 'NG'로 평가하였다.
구　　　　 분 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2
기본
물성		 경도 (Shore A) 73 71 75 73 76
인장강도 (kgf/㎠) 78 80 82 87 90
파단신율 (%) 440 410 410 430 410
인열강도 (kgf/㎝) 27 28 32 33 34
내열
물성		 경도변화율 (%) +3 +2 +3 +1 +2
인장강도 변화율 (%) -11 -8 -5 -6 -5
신율 변화율 (%) -15 -9 -8 -10 -9
압축영구줄음율 (%) 40 38 31 30 32
사출 성형성 ○ × △ ◎ ○
내구성 평가 NG NG NG OK OK
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 2는 비교예 1 내지 3과 비교하여 기본물성, 내열물성 및 압축영구줄음율이 우수하며, 사출 성형성이 '좋음' 이상으로 평가되었다. 또한 내구성 평가에 있어서, 비교예 1 내지 3과 달리 실시예 1 내지 2의 경우 파열이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제를 포함하며, 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 폴리프로필렌계 수지, 프로세스 오일, 가교제, 산화방지제, 무기 필러 및 첨가제의 중량비가 80 ~ 90 : 40 ~ 50 : 90 ~ 100 : 0.5 ~ 0.8 : 0.5 ~ 0.8 : 20 ~ 25 : 0.8 ~ 1.0 인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리프로필렌계 수지가 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머로 구성되며, 상기 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머의 중량비가 2 ~ 3 : 2 ~ 3 인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 호모 폴리프로필렌의 용융흐름지수가 10 g/분(230℃, 2.16kg하중 조건)이상이고, 상기 프로필렌-에틸렌 블록 코폴리머의 용융흐름지수가 0.5 g/분(230℃, 2.16kg하중 조건)이하인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 프로세스 오일이 파라핀 오일인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 가교제가 페놀 수지 가교제 및 퍼옥사이드 가교제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 첨가제가 폴리프로필렌계 왁스, 폴리에틸렌계 왁스 및 실리콘 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 열가소성 탄성체 조성물은 브레이크 시스템에 사용되는 다이어프램용인 것을 특징으로 하는 열가소성 탄성체 조성물.
  8. 청구항 1의 열가소성 탄성체 조성물을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 브레이크 시스템용 다이어프램.
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