KR20120122199A - 고기능성 실리콘계 방진 고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차의 동력 및 서스펜션 시스템에서 차체에 전달되는 진동을 흡수하는 방진고무에 관한 것으로, 비닐이 함유된 실리콘계 고무를 이용하여 경도, 인장강도 및 신율이 우수하고, 특히 동배율 및 감쇄성을 향상시킨 자동차용 방진고무에 관한 것이다.

Description

고기능성 실리콘계 방진 고무 조성물{Silicone vibration damping rubber composition}
본 발명은 자동차의 동력 및 현가장치에서 차체에 전달되는 진동을 제어하는 방진고무에 관한 것으로, 비닐기가 함유된 실리콘계 고무와 아이오노머 및 에폭시기를 함유하는 실란화합물을 포함하는 실리콘고무 조성물 이용하여 동배율 및 감쇄성을 향상시킨 자동차용 방진고무에 관한 것이다.
차량용 방진 고무는 진동을 제어하여 차량의 승차감을 유지시켜주며, 엔진마운트(Engine mount insulator)류와 부쉬(Bush insulator)류에 적용되어 차량용 방진 고무는 주로 엔진의 지지 및 진동의 절연 등을 목적으로 하는 매우 중요하고 복합적인 기능성 부품으로서, 엔진 및 트랜스미션의 중량을 지지하기 위해 정적강성(Static stiffness)과 진동 전달을 억제하기 위해 낮은 동적강성(Dynamic stiffness)을 요구하며, 차량 주행 중에 엔진룸(Engine room)에서 발생하는 높은 열에 대한 내열성과 반복적인 하중에 대한 내구성이 요구되어진다. 이러한 방진 고무는 보다 안락한 승차감과 향상된 물성을 요구하는 소비자들을 만족시키기 위해 성능개선과 신뢰성 확보를 위한 개발이 진행되고 있다.
상기 방진 고무은 조성물의 배합으로 내열성, 내노화성 및 내구성 등의 물성을 개선하게 되면 동배율, 특히 동스프링 상수가 높아지기 때문에 진동 절연성이 저하된다. 반면, 동배율을 개선하게 되면 내구성이 저하되는 상반된 특성이 있어 문제가 된다. 이러한 상반되는 복합적 요소를 만족하기 위해서는 사용하고자 하는 목적에 맞게 고무와 첨가제의 배합조건을 설정하는 것이 중요하다.
천연고무는 기계적 물성과 동적피로내성이 우수하여 차량용 방진 고무에 적용되어 왔으나, 차량의 고성능화와 배기환경에 대한 규제로 인해 천연고무의 사용온도(100 ℃)를 초과하게 되는 환경에서 사용할 수 없게 되었다. 이에 대해 내열성 및 내노화성이 우수한 SBR(styrene butadiene rubber), BR(Polybutadiene rubber), CR(Chroroprene rubber), NBR(Nitrile butadiene rubber), IIR(Isobutylene isopropylene rubber), EPDM(Ethylene propylene diene monomer) 등의 고무 또는 이들 고무의 합성고무가 방진 고무에 적용되고 있다. 하지만, 이러한 고무들의 물성은 아직 기대에 못미치고 있다.
실리콘 고무는 앞서 언급한 고무들과 복합되어 다른 고무들에 비해 내열성, 내노화성 및 내구성 등의 우수한 물성을 발현시킬 수 있어 사용하는 것이 바람직하다. 하지만, 실리콘 고무는 화학 구조상 주쇄에 이중결합을 갖고 있지 않아 황 가교에 어려움이 있으며, 이로 인한 내구성이 저하되는 문제가 있다. 이런 실리콘 고무는 방진성(damping property)이 약하고, 인장강도, 신율, 경도 등의 기계적 물성이 떨어져 방진 고무의 소재로 사용하는 데 제한적이다.
이를 해소하기 위하여 본 발명자는 우리나라 특허출원번호 10-2010-0049526에서 비닐기를 함유하는 실리콘고무를 채택함으로서 내구성이 현저히 향상되는 기계적 물성이 장기간 유지되는 방진고무조성물을 출원하였지만 여전히 기계적 물성을 향상시키고 더욱 우수한 내구성을 가지는 방진고무조성물의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실리콘 고무의 우수한 물성 발현을 하면서 방진용 고무의 중요한 요소인 동배율과 감쇄성을 더욱 향상시킬 수 있는 자동차용 실리콘계 방진 고무 조성물을 제공하며, 이를 이용하여 제조된 자동차용 방진 고무를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 구조를 포함하는 구조의 실리콘 검(silicone gum) 100중량부에 대하여, 실리카 30~60중량부, 말단에 수산기를 갖는 실리콘 오일 1~10중량부 및 유기과산화물 1~10중량부를 포함하는 실리콘계 방진 고무 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
(상기 화학식 1에서, R1은 C1~C10인 알킬기 또는 C1~C20인 아릴기이고, m은 1 이상의 정수이다.)
[화학식 2]
Figure pat00002
(상기 화학식 2에서, R2 및 R3은 각각 독립적으로 C1~C10인 알킬기, C1~C10인 플루오르화 알킬기 또는 C1~C20인 아릴기이고, R4는 C1~C10인 알킬기 또는 C1~C20인 아릴기이며, n과 r은 1 이상의 정수이며, 상기 구조는 랜덤 또는 블럭 공중합체 모두일 수 있다.)
상기 화학식 1 및 화학식 2에서, R1, R2, R3 및 R4에서 C1~C10인 알킬기 또는 C1~C20인 아릴기는 구체적인 예로, 알킬기는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, 2-메틸부틸, 펜틸, 이소-아밀, 헥실, 시클로헥실, 3-메틸펜틸, 옥틸 등을 들 수 있고, 아릴기로는 페닐, p-톨릴, 4-메톡시페닐, 4- (tert-부톡시) 페닐, 3-메틸-4-메톡시페닐, 4-플루오로페닐, 4-클로로페닐, 3-니트로페닐,3-아미노페닐, 3-아세트아미도페닐, 4-아세트아미도페닐 등을 들 수 있고, 상기 m, n 및 r은 1 이상의 정수로, 바람직하게 10~3000의 정수가 될 수 있다.
상기 실리콘 검(silicone gum)은 비닐기를 0.008~0.750mmol/g 함유한 것을 특징으로 한다. 상기 실리콘 검이 비닐기를 함유하고 있는 것은 경화반응과 관련된 것으로 내열성 및 내구성의 기계적 물성을 향상시키기 위한 중요한 인자이다. 상기 실리콘 검의 비닐기의 함량이 0.008mmol/g 미만이면, 충분한 경화가 일어나지 않아 물성 향상을 기대하기 어렵고, 0.750mmol/g 초과이면 경화 시 가교밀도의 증가로 경도값이 너무 높아져 브리틀(brittle) 현상이 일어나 고무의 물성이 저하될 수 있다.
상기 실리카는 충전제의 역할을 하는 것으로 실리카에 한정되지는 않고, 보강성, 내열성, 난연성 등을 부여하는 목적으로 사용될 수 있으나, 바람직하게는 BET 비표면적이 120~250m2/g 이며, 입자크기가 10~15nm인 습식실리카(precipitated silica)인 것을 사용하는 것이 좋다. 상기 범위의 실리카를 사용하는 것이 경화 후 방진용 고무로서의 적합한 동특성, 내열성 및 내구성을 나타낼 수 있다.
상기 실리카는 실리콘 검 100중량부에 대하여 30~60중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 40~55중량부를 사용하는 것이 좋다. 상기 실리카의 함량이 30중량부 미만이면 충전제로서의 효과가 없으며, 60중량부 초과이면 가교 밀도가 높아져 고무의 강도가 최적수준을 넘게 되어 방진용으로 사용하기에 적합하지 않게 된다.
상기 말단에 수산기를 갖는 실리콘 오일은 실리콘 검 100중량부에 대하여 1~10중량부를 사용하는데, 상기 범위를 벗어나면 가교도가 저하된다.
상기 유기과산화물은 2,5-디메틸-2,5-디-(t-부틸퍼옥시)-헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 5-부틸쿠밀퍼옥사이드, α,α′-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠, t-부틸 퍼벤조산염 및 2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥신-3으로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 한다. 유기과산화물은 실리콘 검 100중량부에 대하여 1~10중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 함량범위를 벗어나면 경화가 잘 되지 않아 가교도가 저하된다.
또한 본 발명은 아이오노머 중합체를 원료고무 100중량부에 대하여 0.1~3중량부를 채택하는데, 상기 범위에서는 내방수성 등의 장기 노출 테스트에서 우수한 특성을 나타내며 오히려 고무 물성이 더욱 증가되는 현상이 나타났다.. 이는 명확히 해석할 수는 없지만, 아이오노머 중합체를 채택함으로서, 고무재질과 기타 첨가제 등과 특히 실리카나 금속분말과의 계면 접착력을 증가하여 기계적 물성을 부여하고 이를 장기적으로 유지하는 효과를 부여하는 것으로 보인다. 아이오노머 중합체는 폴리에틸렌에 카르본산기를 그라프트 하거나 또는 아크릴산이나 메타크릴산 등을 이용하여 카르복실산기를 도입한 것으로 통상의 상업적 제품을 사용할 수 있다. 아이노마중합체는 원료고무와 기타 첨가제로 무기입자나 실리카 등과 더욱 단단히 고착시켜 효과를 개선한다. 이러한 아이노머수지는 예를 들면 에틸렌계 아이오노머 수지로 사린(Surlyn), 하이밀란(Himilan) 등의 상품명으로 시판되고 있는 것을 사용할 수 있으며 예로는 미츠이 듀폰폴리케미컬(주)제조의 하이밀란(등록 상표)1707 이나 미츠이 듀폰폴리케미컬(주)제조의 하이밀란(등록 상표)1706 등이 있다.
본 발명의 또 다른 성분으로는, 에폭시 함유 실란커플링제를 사용하는 것에 있다. 실란커플링제의 일 예로는 2-(3,4에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 등의 에폭시기를 가지는 성분을 예로들 수 있지 만 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 에폭시기를 가지는 실란커플링제는 원료고무 100중량부에 대하여 0.1~5중량부를 사용하는 것이 방진특성에 더욱 좋다.
또한, 상기 방진 고무 조성물은 추가로 노화방지제, 반응지연제, 이형제 등의 각종 첨가제를 용도에 따라 더 포함할 수 있다.
본 발명은 앞서 언급한 실리콘계 방진 고무 조성물을 경화시켜 제조되는 자동차용 방진 고무를 제공하며, 상기 방진 고무의 동배율은 1.6~2.0인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 실리콘계 방진 고무 조성물은 실리콘 고무가 갖는 인장강도, 신율, 경도 등의 우수한 기계적 물성을 갖음과 동시에 자동차용 방진 고무로 적합한 방진성(damping property), 즉 동배율을 1.6~2.0으로 조절하였으며, 감쇄성(tanδ)도 0.05~0.11를 보이며 향상된 방진성을 나타내었다. 특히 내열성, 내노화성 및 내구성이 종래 다른 고무에 비해 현저한 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
비닐기가 0.750mmol/g을 함유한 실리콘 검(silicone gum) 100중량부에 대하여, BET 비표면적이 180m2/g인 습식 실리카(precipitated silica)(Rhodia사 Zeosil 142) 55중량부, 아이오노머(하이밀란 1707) 2.5중량부, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 1.5중량부, 말단에 수산기를 갖는 실리콘 오일로 KCC사 HEO-60 5중량부 및 HC-8 3중량부를 넣고 믹서기(mixer)를 이용하여 혼합한 후, 170℃에서 10분간 경화 반응하여 방진 고무 시편을 얻었으며, 물성결과는 하기 표1에 나타내었다.
(실시예 2)
비닐기가 0.750mmol/g을 함유한 실리콘 검(silicone gum) 100중량부에 대하여, BET 비표면적이 180m2/g인 습식 실리카(precipitated silica)(Rhodia사 Zeosil 142) 40중량부, 아이오노머(하이밀란 1707) 2.5중량부, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 1.5중량부, 말단에 수산기를 갖는 실리콘 오일로 KCC사 HEO-60 5중량부 및 HC-8 3중량부를 넣고 믹서기(mixer)를 이용하여 혼합한 후, 170℃에서 10분간 경화 반응하여 방진 고무 시편을 얻었으며, 물성결과는 하기 표1에 나타내었다.
(실시예 3)
비닐기가 0.750mmol/g을 함유한 실리콘 검(silicone gum) 100중량부에 대하여, BET 비표면적이 205m2/g인 습식 실리카(precipitated silica)(Rhodia사 Zeosil 132) 50중량부, 아이오노머(하이밀란 1707) 2.5중량부, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 1.5중량부, 말단에 수산기를 갖는 실리콘 오일로 KCC사 HEO-60 5중량부 및 HC-8 3중량부를 넣고 믹서기(mixer)를 이용하여 혼합한 후, 170℃에서 10분간 경화 반응하여 방진 고무 시편을 얻었으며, 물성결과는 하기 표1에 나타내었다.
(비교예 1)
비닐기가 0.750mmol/g을 함유한 실리콘 검(silicone gum) 100중량부에 대하여, BET 비표면적이 180m2/g인 습식 실리카(precipitated silica)(Rhodia사 Zeosil 142) 55중량부, 말단에 수산기를 갖는 실리콘 오일로 KCC사 HEO-60 5중량부 및 HC-8 3중량부를 넣고 믹서기(mixer)를 이용하여 혼합한 후, 170℃에서 10분간 경화 반응하여 방진 고무 시편을 얻었으며, 물성결과는 하기 표1에 나타내었다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 고무시편을 평가하기 위해 하기와 같은 항목들에 대해 시험을 행하여 그 결과를 하기와 같이 나타내었다.
방진 고무의 경도 측정은 KS M 6784에 따라 실시하였다.
방진 고무의 인장강도, 인열강도, 신율 및 모듈러스의 측정은 KS M 6782에 따라 실시하였다.
방진 고무의 노화 후 물성 평가는 120℃, 48시간 후 측정하였다.
표 1. 물성 평가 결과
Figure pat00003
상기 표1에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 3은 비닐기가 많이 함유된 실리콘계 방진 고무로서 방진고무로 사용이 적합하였다. 보다 바람직하게는 본 발명에 따른 실시예들의 동배율이 낮고 또한 감쇄성(tanδ(,15Hz))의 값이 비교예에 비하여 매우 우수한 값을 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 상기 실리콘계 방진 고무는 인장강도, 신율, 경도 및 탄성 모듈러스의 물성결과를 확인한 바, 비교예 1보다 기계적 물성이 우수하고 내구성이 향상되었음을 알 수 있었다.
본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 구조를 갖는 실리콘 검(silicone gum) 100중량부에 대하여, 아이오노머 중합체 0.1~3중량부 및 실리콘계 에폭시기를 함유하는 커플링제 0.1~5중량%, 실리카 30~60중량부, 말단에 수산기를 갖는 실리콘 오일 1~10중량부 및 유기과산화물 1~10중량부를 포함하는 실리콘계 방진 고무 조성물.
    [화학식 1]
    Figure pat00004

    (상기 화학식 1에서, R1은 C1~C10인 알킬기 또는 C1~C20인 아릴기이고, m은 1 이상의 정수이다.)
    [화학식 2]
    Figure pat00005

    (상기 화학식 2에서, R2 및 R3은 각각 독립적으로 C1~C10인 알킬기, C1~C10인 플루오르화 알킬기 또는 C1~C20인 아릴기이고, R4는 C1~C10인 알킬기 또는 C1~C20인 아릴기이며, n과 r은 1 이상의 정수이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 검(silicone gum)은 비닐기를 0.008~0.750mmol/g 함유한 것을 특징으로 하는 실리콘계 방진 고무 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카는 BET 비표면적이 120~250m2/g 이며, 입자크기가 10~15nm인 습식실리카(precipitated silica)인 것을 포함하는 실리콘계 방진 고무 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유기과산화물은 2,5-디메틸-2,5-디-(t-부틸퍼옥시)-헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 5-부틸쿠밀퍼옥사이드, α,α′-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠, t-부틸 퍼벤조산염 및 2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥신-3으로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 실리콘계 방진 고무 조성물.
  5. 제 1항 내지 제 4항의 어느 한 항에 따르는 고무 조성물을 경화시켜 제조되는 자동차용 방진 고무.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 방진 고무는 동배율이 1.6~2.0인 것을 특징으로 하는 자동차용 방진 고무.
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