KR20130027938A - 차량용 방진고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 장기 내구성능의 손실없이 동배율 및 손실계수 등의 물성이 향상된 방진고무 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천연고무에 스티렌-부타디엔고무 및 부타디엔 고무를 최적의 배합 조건으로 합성하고, 충진제의 함량 및 종류, 적절한 첨가제를 포함시켜 차량의 장기 내구성능을 유지하면서 동배율 및 손실계수 성능을 향상시켜 자동차의 승차감 및 조종안정성, 임팩트 쇼크를 개선하는 방진고무 조성물에 관한 것이다.

Description

차량용 방진고무 조성물{Vibration-proof rubber composition for automobile}
본 발명은 장기 내구성능의 손실없이 동배율 및 손실계수 등의 물성이 향상된 방진고무 조성물에 관한 것이다.
자동차 분야에서의 방진고무는 진동소음(NVH) 방지용으로 사용되는 고무를 일컫는다. 방진고무는 고무가 가지는 운동에너지를 잘 흡수하는 성질을 이용하여 모터나 엔진 등으로부터의 진동이 외부로 전해지는 것을 방지한다. 자동차 분에서의 스테빌라이저 바 부시, 서스펜션 부시 등의 부시류는 외부에서 가해지는 큰 외력에 대해 충분한 내구성능을 가지고 있어야만 자동차의 NVH 성능을 향상시켜 승차감을 향상시킬 수 있다.
이에, 승차시의 진동 및 소음을 억제하고 차량의 안락감을 향상시킬 수 있는 방진고무 부품을 개발하고자 하는 연구는 활발하게 진행이 되어 왔다.
예를 들면, 대한민국공개특허 제2011-11010호에는 천연고무와 스티렌부타디엔 고무와 같은 합성고무를 함께 사용한 원료 고무에, 황, 가황촉진제, 활성제, 노화방지제, 분산제, 프로세싱 오일 및 카본블랙을 특정 함량비로 포함시켜, 노화 물성, 내피로성, 고댐핑성 등의 물성이 개선된 부시용 고무 조성물이 개시되어 있다. 또한, 대한민국등록특허 제802811호에는 천연고무와 부타디엔고무, 에틸렌-프로필렌 고무와 같은 합성고무를 함께 사용한 원료 고무에, 황가교제, 가황촉진제, 충진제(ISAF, HAF), 활성제, 노화방지제을 특정 함량비로 포함시켜, 저온성능인 저온영구압축줄음율을 향상시키는 스테빌라이저 바 부시용 고무 조성물이 개시되어 있다.
상기한 바대로 지난 수년간 차량의 장기 내구 및 파손분석에 대한 연구가 진행되었음에도 불구하고, 승차감, 조종안정성에 대한 관심으로 차량의 정숙성에 대한 기대가 높아져 엔진룸 및 차체 하부에서 발생하는 소음에 대한 소비자의 불만이 꾸진히 제기되고 있으며 이를 해결하기 위한 기능성 방진부품의 개발이 꾸준히 제기되고 있다. 엔진룸과 노면에서 들어오는 진동과 소음을 막아주기 위해 흡차음재를 추가하거나 엔진마운트 타입을 설계적으로 변경하여 해결하고자 하는 노력도 있었으나, 이는 비용이 증가할 뿐만 아니라 고무부품이 경화되어 튜닝값이 변하여 소음 문제가 다시 제기되는 등의 문제가 발생하였다.
이에, 본 발명자들은 자동차의 승차감 및 조종안정성, 임팩트 쇼크를 개선하기 위하여 차량의 장기 내구성능을 유지하면서 동배율 및 손실계수 성능을 향상시킬 수 있는 최적의 방진고무 조성물을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 장기 내구성능의 손실없이 동배율 및 손실계수 등의 물성이 향상된 방진고무 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제 해결을 위하여, 본 발명은 천연고무 60 ～ 80 중량%와 부타디엔 고무 및 스티렌-부타디엔 고무 중에서 선택된 합성고무 20 ～ 40 중량%로 이루어진 원료 고무 100 중량부; 평균입경이 20 내지 50 nm인 카본블랙 20 ～ 50 중량부; 아민계, 퀴놀린계 및 이미다졸 중에서 선택된 1종 이상의 노화방지제 3 ～ 7 중량부; 왁스계 오존방지제 1 ～ 3 중량부; 황 가교제 1 ～ 3 중량부; 설파이드계 및 설펜아미드계 중에서 선택된 1종 이상의 가황촉진제 1 ～ 3 중량부; 및 산화아연 및 스테아르산 중에서 선택된 활성제 5 ～ 10 중량부; 를 포함하는 방진고무 조성물을 그 특징으로 한다.
본 발명의 방진고무 조성물은 원료 고무로서 천연고무와 부타디엔 고무 및/또는 스티렌-부타디엔 고무의 합성고무를 혼합하여 함유시킴으로써, 내구성능을 유지하면서 진동 및 소음을 억제하는 기능성 고무 조성물을 제공하는 효과를 얻고 있다.
본 발명의 방진고무 조성물은 충진제로서 특정 입경분포를 가지는 카본블랙을 함유시킴으로써, 동배율과 임팩트 쇼크와 절연성과 관련된 손실계수를 향상시키는 효과를 얻고 있다.
본 발명의 방진고무 조성물은 원료 고무, 카본블랙 충진제, 활성제 및 노화방지제의 성분 선택 및 배합비를 조절함으로써, 진동 절연성 및 장기 내구성능을 향상시켜 원료 고무로서 천연고무와 합성고무를 함께 사용함으로써 야기되는 장기 내구성능이 열악해지는 문제를 개선시키는 효과를 얻고 있다.
본 발명에 따른 방진고무 조성물은 원료 고무, 카본블랙 충진제, 노화방지제, 오존방지제, 황가교제, 가황촉진제, 활성제를 포함하며, 그 밖에도 당 분야에서 통상적으로 사용되는 기타 첨가제를 포함한다.
본 발명에 따른 방진고무 조성물을 구성하는 각 사용성분에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명의 방진고무 조성물은 기재성분으로서 고무를 포함한다. 고무는 천연고무와 합성고무를 함께 사용하며, 합성고무로는 유연성이 우수하여 반발탄성이 높고 동배율이 낮은 시스 함량이 높은 부타디엔 고무, 절연성이 우수하여 손실계수가 높은 스티렌-부타디엔 고무, 또는 이들의 혼합물을 사용한다. 천연고무와 합성고무의 배합비율을 최적화함으로써 천연고무 단독 사용에 비교하여 고무재료의 동배율 및 손실계수를 개선하는 효과를 얻고 있다. 본 발명이 제안하는 원료 고무는 천연고무 60 ～ 80 중량%와 합성고무 20 ～ 40 중량%를 함께 사용하는 것이며, 상기한 천연고무와 합성고무의 배합비를 최적화하여 재료의 물성 손실 없이 NVH 성능을 극대화할 수 있었다.
본 발명이 원료 고무로서 천연고무와 합성고무의 혼합 사용하여 내구성능을 유지하면서 진동 및 소음을 억제하는 효과를 얻고 있지만, 합성고무와의 혼합 사용으로 인하여 야기되는 장기 내구성능의 문제는 충진제, 노화방지제 등의 선택 및 함량 조절을 통하여 해결하였다.
본 발명의 방진고무 조성물에 포함되는 충진제로는 평균입경이 20 내지 50 nm인 카본블랙을 사용하며, 기계적 물성 및 절연성능을 향상시키는 역할을 한다. 카본블랙의 평균입경에 의해 고무 재료의 물성은 크게 달라질 수 있는 바, 평균입경이 너무 작으면 진동 절연성능 및 반발탄성을 향상시키는 효과를 기대할 수 없고, 평균입경이 너무 크면 댐핑 성능을 향상시키는 효과를 기대할 수 없다. 상기한 입경크기를 가지는 카본블랙은 원료 고무 100 중량부에 대해 20 내지 50 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 카본블랙의 사용량이 너무 적으면 이의 첨가효과를 기대할 수 없고, 지나치게 많으면 고무의 유연성이 저하되어 방진성능이 저하될 수 있다.
본 발명의 방진고무 조성물은 차량의 장기 내구성을 향상시키기 위해 노화방지제와 오존방지제를 포함한다.
노화방지제로서는 내열성능 또는 피로성능 향상시키기 위하여 아민계, 퀴놀린계 및 이미다졸 중에서 선택된 1종 이상을 사용한다. 구체적으로는 N-페닐-N'-1,3-다이메틸부틸-p-페닐렌다이아민(6-PPD), N-페닐-N'-아이소프로필-p-페닐렌다이아민(3C), 폴리머화된 2,2,4-트리메틸-1,2-다이하이드로퀴놀린(TMQ), 2-머캅토벤즈이미다졸(MB)으로부터 선택된 1종 이상을 사용한다. 상기한 노화방지제는 원료 고무 100 중량부에 대해 3 ～ 7 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 노화방지제의 사용량이 너무 적으면 노화방지 효과를 기대할 수 없고, 지나치게 많으면 원가상승으로 가격경쟁력이 저하될 수 있다.
오존방지제는 산소에 의한 고무의 이중결합이 깨지는 것을 방지하여 고무 재료의 내구성을 보완하는 역할을 한다. 본 발명에서는 왁스계열 오존방지제를 사용한다. 상기한 오존방지제는 원료 고무 100 중량부에 대해 1 ～ 3 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 오존방지제의 사용량이 너무 적으면 내구성 보완효과를 기대할 수 없고, 지나치게 많으면 원가상승으로 가격경쟁력이 저하될 수 있다.
가교제로는 황을 사용한다. 황 가교제로는 황 함량이 많은 일반 가황 (conventional vulcanizates)을 사용할 수도 있겠으나, 황 가교를 촉진하는 반유효 가황 (semi efficient vulcanizates)을 사용하여 고무 분자 사슬간의 간격을 줄여 내열성 및 가교 밀도를 향상시키는 효과를 얻을 수도 있다. 황 가교제는 원료 고무 100 중량부에 대해 1 ～ 3 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 황 가교제의 사용량이 너무 적으면 내구력이 저하되어 부시류에 적용하기에 부적합한 내구물성을 가지게 되고, 너무 많으면 사용 한계 온도 조건에서의 내열성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
가황촉진제는 황의 가교반응을 촉진시켜 내구성을 향상시키도록 하는 역할을 한다. 이러한 가황촉진제로는 설파이드계 및 설펜아미드계 중에서 선택된 1종 이상을 사용한다. 구체적으로는 2,2'-다이벤즈아미도다이페닐 다이설파이드(DBD), 테트라벤질티우람 다이설파이드(TBzTD), N-사이클로헥실 벤조티아졸 2-설펜아마이드(CZ) 등으로부터 선택하여 사용한다. 상기한 가황촉진제는 원료 고무 100 중량부에 대해 1 ～ 3 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 가황촉진제의 사용량이 너무 적으면 유효 가교 시스템이 형성되지 않아 가황 결합을 이루지 못하여 내구성이 저하되는 문제가 있고, 지나치게 많으면 스코치(scorch)가 발생하여 공정 불량이 생길 수 있다.
활성제는 가교촉진제를 활성화하는 역할을 하며, 본 발명에서는 스테아르산 또는 산화아연(ZnO)을 사용한다. 상기한 활성제는 원료 고무 100 중량부에 대해 5 ～ 10 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 활성제의 사용량이 너무 적으면 황 가교반응이 느려지는 문제가 있고, 지나치게 많으면 가교반응 속도가 지니치게 빨라서 생산성이 문제가 있을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 방진고무 조성물은 원료 고무의 조성, 충진제로서 사용되는 카본블랙의 사이즈 조절, 노화방지제 및 가황 촉진제의 적절한 배합비 조절에 의해 내열성, 동배율, 손실계수를 현저히 향상시킬 수 있었다. 또한 본 발명의 방진고무 조성물은 기존의 방진고무에 대비하여 내구성능의 열세 없이 차량 주행시 발생되는 임팩트 쇼크, 주행정숙성 및 승차감의 개선이 가능하게 되었다. 따라서, 본 발명의 방진고무 조성물은 고내구 NVH 성능이 요구되는 자동차용 부시류에 적용되는 재료로 유용하다.
이와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
비교예 및 실시예 1 내지 3
고내구 NVH 성능이 향상된 방진고무재료를 제조하기 위해 하기 표 1에 나타낸 배합비로 조성성분을 배합하여 시편을 제조하였다.
즉, 천연고무와 합성고무를 밴버리 믹서를 이용하여 소련 공정을 거친 후, 카본블랙 충전제를 첨가하고 혼련하였다. 그리고, 노화방지제, 오존방지제, 활성제를 혼합하고 5분 정도 혼련하였다. 그런 다음, 황과 가황촉진제를 오픈 롤 (open roll)에서 2분 정도 작업하여 파이널 마스터 배치 (Final Master Bath, FMB)를 제조하였다. 이렇게 만들어진 고무 조성물은 유량계를 이용하여 적정 가류 시간을 측적한 후 압축기를 이용하여 160℃ 에서 210 kgf/cm2 으로 가열 가압하여 시편을 제조하였다.
구분 조성성분 조성비(중량부)
비교예 실시예
1 2 3
원료 고무 NR 100 70 70 70
BR 0 30 30 0
SBR 0 0 0 30
카본블랙 N330 40 15 0 35
N550 0 20 30 0
노화방지제 6-PPD 2 1.5 0 1.5
Kumanox 3C 0 0 1.5 1
TMQ 1.5 2 1.5 2
MB 0 1 0 1
오존방지제 Sunnoc-DW 2 1 0 1.5
Sunplax 682 0 0 2.5 1
황 가교제 S 2.5 1.5 1.2 1.5
가황촉진제 DBD 0 0 0.5 0.5
CZ 1 1 1 0.8
TBzTD 0 1 1.2 0.5
활성제 ZnO 5 5 5 5
스테아릭산 2 2 2 2
구분 표 1의 조성성분에 대한 설명
원료 고무 NR(Natural Rubber) : SMR-CV60
BR(Butadiene Rubber) : KBR-01(금호석유화학)
SBR(Styrene Butadiene Rubber) : KOSYN 1502(금호석유화학)
카본블랙 N330 : 평균입경 20-30nm(코리아 코렉스)
N550 : 평균입경 40-50nm(코리아 코렉스)
노화방지제 6-PPD : N-phenyl-N’-1,3-dimethylbutyl-p-phenylene diamine), vulcanox 4020/LG (란세스)
Kumanox 3C : N-phenyl-N’-isopropyl-p-phenylene diamine (금호몬산토)
TMQ : 2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline, polymerized, vulcanox HS/LG (란세스)
MB : 2-mercaptobenzimidazole (Nurchem)
오존방지제 Sunnoc-DW : 대운산업
Sunplax 682: 용진 화인케미칼
가교제 S (sulfur) : 황
가황촉진제 DBD : 2,2’-dibenzamidodiphenyldisulphide, Renacit 11WG (란세스)
CZ : N-cyclohexyl benzothiazole 2-sulfenamide, NEWMIX CZ-75N (우신켐텍)
TBzTD : Tetrabenzylthiuram disulfide, HNKINGWAY (헤난 킹웨이)
활성제 산화아연(ZnO): 한일산화아연 99.5%
스테아릭산(Stearic Acid) : 단석산업
실험예.
상기 비교예 및 실시예 1 내지 3에서 제조된 방진고무 조성물에 대해서는 하기와 같은 항목들에 대해 물성평가 시험을 실시하였고, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
1) 경도 측정은 KS M 6784에 준하여 수행하였다.
2) 인장강도 및 신율 측정은 KS M 6782에 따라 아령형 3호로 수행하였다.
3) 동배율 및 손실계수는 재료동특성시험기를 활용하여 정신장 20%에서 동적으로 2% 신율을 주어 주파수 가진 하에서 수행하였다.
시험항목 비교예 실시예
1 2 3
상태 물성 경도 (Hs) 58 56 62 56
인장강도(kgf/cm2) 210 161 197 220
신율 (%) 530 440 470 450
노화 물성
(70℃×1000시간)		 경도변화 (ΔHs) +10 +5 +5 +6
인장강도변화율 (%) -21 -9 -11 -5
신율변화율 (%) -42 -7 -16 +9
영구압축줄음율 (100℃×22시간) 55 16 9 21
동배율 (@15Hz) 3.2 1.8 2.3 2.5
손실계수 (@15Hz) 0.15 0.11 0.17 0.30
피로성 13만회 15만회 50만회 30만회
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 방진고무 조성물의 경우 비교예에 대비하여 장기 내구성능에 영향을 주는 노화 물성과 영구압축줄음율이 우수함을 알 수 있다. 실시예 2의 방진고무 조성물은 고하중을 장기간 지지해 주는 부품 재료에 요구되는 영구압축줄음율을 현저히 개선시킨 효과가 있다. 동배율은 차량의 주행 승차감에 영향을 주는바, 비교예에 대비하여 실시예 1에서는 40% 이상 월등히 개선하였고, 임팩트 쇼크와 절연성에 영향을 주는 손실계수는 비교예에 대비하여 실시예 3에서는 2배 개선한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 천연고무 60 ～ 80 중량%와 부타디엔 고무 및 스티렌-부타디엔 고무 중에서 선택된 합성고무 20 ～ 40 중량%로 이루어진 원료 고무 100 중량부;
    평균입경이 20 내지 50 nm인 카본블랙 20 ～ 50 중량부;
    아민계, 퀴놀린계 및 이미다졸 중에서 선택된 1종 이상의 노화방지제 3 ～ 7 중량부;
    왁스계 오존방지제 1 ～ 3 중량부;
    황 가교제 1 ～ 3 중량부;
    설파이드계 및 설펜아미드계 중에서 선택된 1종 이상의 가황촉진제 1 ～ 3; 및
    산화아연 및 스테아르산 중에서 선택된 활성제 5 ～ 10 중량부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방진고무 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본블랙의 평균입경이 40 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 방진고무 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노화방지제는 N-페닐-N'-1,3-다이메틸부틸-p-페닐렌다이아민(6-PPD), N-페닐-N'-아이소프로필-p-페닐렌다이아민(3C), 폴리머화된 2,2,4-트리메틸-1,2-다이하이드로퀴놀린(TMQ) 및 2-머캅토벤즈이미다졸(MB)로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방진고무 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가황촉진제는 2,2'-다이벤즈아미도다이페닐 다이설파이드(DBD), 테트라벤질티우람 다이설파이드(TBzTD), 및 N-사이클로헥실 벤즈티아질 2-설펜아마이드(CZ)로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방진고무 조성물.
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