KR20140060084A - 저온 특성이 개선된 레일패드용 폴리우레탄 탄성체 조성물 및 그것을 사용하여 얻어진 철도 레일패드 - Google Patents

저온 특성이 개선된 레일패드용 폴리우레탄 탄성체 조성물 및 그것을 사용하여 얻어진 철도 레일패드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 특성이 개선된 레일패드용 폴리우레탄 탄성체 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이소시아네이트 화합물(A)과 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)을 반응시킨 후, 다시 폴리올(C)과 반응시켜 얻어진 우레탄 프레폴리머(1)와, 폴리(테트라메틸렌 글리콜)(D)을 포함하는 경화제(2)를 함유하는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물 및 이를 이용하여 제조한 철도 레일패드에 관한 것이다.
상기 철도 레일패드는 철도 레일 체결구 내의 레일 하부에서 사용되어 사계절이 있거나 겨울철이 긴 툰드라 지역과 같은 저온 환경 하에 장기간 노출되었을 경우에도 상온에서와 비슷한 탄성 등을 유지하여 철도의 소음 및 진동을 억제한다.

Description

저온 특성이 개선된 레일패드용 폴리우레탄 탄성체 조성물 및 그것을 사용하여 얻어진 철도 레일패드{Low Temperature Thermal Shock Proofed Polyurethane Elastomer for Railway Rail Pad and Its Railway Rail Pad Obtained by Using It}
본 발명은 철도 레일 체결구 내의 레일 하부에서 사용되는 철도 레일패드(Railway Rail Pad)에 관한 것으로, 저온에서도 탄성을 유지하여 사계절이 있거나 추운 지역에 사용되는 레일패드의 품질을 기온의 변화에 상관없이 유지시킬 수 있는 철도 레일패드 제조용 폴리우레탄 탄성체 조성물 및 그것을 이용하여 얻어지는 철도 레일패드에 관한 것이다.
철도 운행시 차량 내부의 편안한 승차감이나 철도레일 주변의 쾌적한 생활환경을 유지하기 위해서 철도차량이나 선로에서 발생하는 공기 전파음과 지반을 통하여 전파되는 지반진동을 일정수준 이하로 제어하여야 한다. 이러한 필요에 의하여 철도 레일에는 다양한 소음 진동 방지 부품들이 채용되고 있다. 최근 들어 철도의 고속화와 더불어, 조용하고 안락한 승차감과 안전성을 원하는 승객의 요구를 만족시키기 위해서 철도 궤도공학과 함께 방음 및 방진 소재 기술이 점진적으로 발전하고 있는 중이다.
철도의 진동 및 소음은 철도 궤도와 궤도를 지지하는 구조물에서 지반을 따라 인접구조물로 전파되고, 또한 궤도의 방음/방진 성능에 의해서 가장 큰 영향을 받는다. 따라서 철도 진동 및 소음의 원천적인 방진대책의 수립측면에서 궤도의 방진설계는 매우 중요하며, 실효성 및 경제성 측면에서 가장 뚜렷한 효과를 얻을 수 있는 기술이다.
일반적인 레일 체결구 구성품 중 하나인 레일패드 또는 베이스플레이트 패드는 레일과 그 레일을 받쳐주는 침목 사이에 들어가는 고무합성물과 같은 탄성체 부품이다. 상기 레일패드는 레일로부터 전달되는 충격하중을 완화시켜 침목을 보호하고 열차주행에 따라 레일에 발생되는 고주파진동을 저감시켜 철도 궤도 파괴를 유발하는 침목 및 도상 가속도를 낮추어 주는 역할의 제품으로 현재 거의 모든 철도 레일에 사용되고 있다.
최근까지 레일패드에 사용되는 소재는 가황고무 소재가 제품에 주로 사용되어 왔다. 그러나 상기 가황고무의 경우 열차의 통과 톤수와 사용기간이 증가함에 따라 쉽게 열화와 경화가 진행되고 이에 따라 탄성이 감소됨으로 인해 제품의 수명이 짧아짐을 야기한다. 더 나아가서 레일패드의 강성이 증가하면 차량의 바퀴 한 개당 허용할 수 있는 최대하중인 윤중이 증가하게 되고, 이에 따라 궤도 구성품 (레일 체결구, 침목, 자갈도상 등)의 파손이 증가하여 궤도 구성품의 갱환주기를 단축시켜 궤도 유지비를 증가시킴은 물론 진동을 증가시켰다. 따라서, 차량의 안전 및 철도연변의 생활환경을 저해할 수 있기 때문에 최근에는 가황고무보다 우수한 물성의 우레탄 탄성체 소재의 레일패드가 개발되어 적용되어 오고 있다.
일반적으로 우레탄 탄성체를 채용한 레일패드는 내부를 마이크로셀 구조로 성형하여 장기간의 사용에도 열화되지 않으며 경도, 두께 및 강성변화가 매우 적어 레일패드에 적합한 소재로 각광받고 있어 현재 다양한 제품들이 개발되고 있는 실정이다.
그러나 기본적인 고무상 소재의 특성을 살펴보면 온도가 낮아지게 되면 경도가 올라가게 되고 그 탄성을 잃게 되는데, 우레탄 탄성체의 경우도 -10℃ 이하의 저온에서 장기간 방치하게 되면 가황고무와 같이 경도가 올라가고 그에 따라서 탄성계수의 변화가 발생하게 되어 원래 제품의 목적에 부합되지 않는 물리적 성질의 변화가 발생하게 된다.
본 발명자들은 레일패드에 사용되는 폴리우레탄 탄성체의 저온에서의 장기간 노출시 발생되는 경도 및 탄성특성을 개선시키기 위하여 하이드록시알킬 변성 실리콘 수지를 도입하여 유무기 하이브리드 형태의 우레탄 프레폴리머를 합성한 후 여기에 경화제를 반응시켜 형성되는 고반발성을 가지면서도, -10℃ 이하 저온에서 장기간 노출에 의해서도 물성의 변화가 적으며, 특히 정적 탄성계수가 상온일 때와 별 차이가 나지 않는 이액형 타입의 폴리우레탄 탄성체의 합성을 완성하였고, 이를 이용한 레일패드의 제조가 가능함을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
WO 2010/102432 대한민국 특허공개 제2005-0013457
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 사계절이 있는 지역이나 혹은 극지방과 같은 영도 이하의 기온환경 속의 기차 레일에 적용되어 레일 체결구에 장착되어 외부 환경에 장기간 노출되었을 경우에도 우수한 물성을 유지하여 기차의 소음과 진동을 효과적으로 억제하면서도, 특히 상온에서와 같은 탄성 특성을 저온에서도 유지할 수 있는 저온 탄성 및 우수한 내후성을 겸비한 패드 등으로 성형 가능한 폴리우레탄 마이크로셀 구조의 탄성체 조성물 및 이로써 얻어진 레일패드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이에, 본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 연구를 진행하는 가운데, 실리콘 수지의 저온 특성에 착안하여, 다양한 종류의 실리콘 화합물과 함께 폴리올이나 이소시아네이트와의 조합을 연구하여 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (methylene diphenyl diisocyanate (MDI))(A)와 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)을 우선 반응시켜 실리콘 사슬을 도입시키고 다시 여기에 폴리올(C)을 반응시켜 얻어지는 세가지 부분으로 되어 있으며 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머(1)를 합성하여 완성한 후에 다시, 폴리(테트라메틸렌 글리콜)(poly(tetramethylene glycol)) 등을 포함한 성분을 함유하는 경화제(2)와 반응하여 완성되는 이액형 열경화성 우레탄 탄성체를 사용하면, 저온에서도 탄성이 유지되고, 또한, 내후성 및 높은 탄성을 갖는 레일패드용 탄성체를 완성할 수 있음을 발견하였으며, 이를 이용하여 레일패드를 제조하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 이소시아네이트 화합물(A)과 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)을 반응시킨 후, 다시 폴리올(C)과 반응시켜 얻어진 우레탄 프레폴리머(1)와,
폴리(테트라메틸렌 글리콜)(D)을 포함하는 경화제(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 이액형 열경화성 우레탄 탄성체를 포함하여 성형된 레일패드를 제공한다.
본 발명에 의해 제조된 이액형 열경화성 우레탄 탄성체를 사용하여 레일패드 제조하면 저온에서도 상온에서와 같은 탄성이 유지된다.
특히, 종래 레일패드에 적용되던 폴리우레탄 탄성체 재질들은 영하 이하의 기온과 같은 외부환경에 노출되면 경도가 올라가고 탄성계수가 높아져서 레일패드의 목적인 레일 위로 통과하는 기관차의 운행에 기인하여 발생하는 진동과 소음을 줄일 수 있는 완충재 역할을 제대로 수행할 수가 없어서 여러 가지 불편한 점들이 발생되고 있으나, 기술적인 다른 대안이 없어 그대로 사용되고 있는 상황에서 겨울과 같은 기후 조건이 지속되는 상황에서도 항상 같은 경도와 탄성을 유지하는 탄성체 소재를 이용하여 제조된 레일패드는 어떠한 기후 상황에서도 완벽하게 레일 체결구 내에서 소음과 진동을 흡수하여 철도 시스템과 주변 환경을 보호할 수 있는 기능을 가지게 되어 레일패드의 수명을 장기간 안정되게 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 유무기 하이브리드 타입의 이액형 열경화성 우레탄 탄성체를 이용하여 만들어진 레일패드는 시베리아 지역처럼 매우 추운 지방에서 더욱 성능이 잘 발휘될 수 있으므로 시베리아, 유럽, 러시아, 알래스카, 캐나다 등의 북극해 연안 툰드라 기후용 레일패드의 제조에도 더욱 적합하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄성체를 레일패드에 적용하는 것을 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄성체 표면의 마이크로셀 구조를 보여주는 사진이다.
본 발명에 따른 레일패드는 분자 내부에 실리콘 사슬이 도입되어 합성된 우레탄 프레폴리머와 경화제를 이용해 합성한 열경화형 우레탄 탄성체 조성물을 포함한다.
구체적으로, 우레탄 프레폴리머는 이소시아네이트 화합물(A)과 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)을 반응시킨 후, 다시 폴리올(C)과 반응시켜 제조한다.
이소시아네이트 화합물(A)은 지방족 또는 방향족 화합물 모두가 사용될 수 있으며, 이소시아네이트기가 2 내지 4개 포함하는 화합물이 사용가능하다. 대표적으로, 지방족 이소시아네이트로는 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 트리메틸 헥사메틸렌 디이소시아네이트(trimethyl hexamethylene diisocyanate), 테트라 메틸렌 디이소시아네이트(tetra methylene diisocyanate) 등이 있으며, 방향족 이소시아네이트로는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate, MDO), 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocyanate (TDI)), 페닐렌 디이소시아네이트(phenylene diisocyanate), 디메틸 디페닐 디이소시아네이트(dimethyl diphenyl diisocyanate), 이소 홀론 디이소시아네이트(iso holon diisocyanate), 나프탈렌 디이소시아네이트(diisocyanate), 트리페닐 메탄 트리이소시아네이트(triphenyl methane triisocyanate), 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있고, 이들을 병용하여 사용해도 된다. 그 중에서도, 레일패드용 탄성체에 우수한 물성과 생산성을 높이는 관점에서 우레탄 원료 중 가장 사용량이 많으며 가격도 저렴한 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트를 사용하는 것이 특히 바람직하다.
다음, 상기 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)에 대하여 설명한다.
본 발명의 조성물은 실란올 물질, 실록산올 물질, 2가의 유기 라디칼을 통해 부착된 2개 이상의 실리콘 원자를 가진 실리콘 물질, 실란올-관능성 실리콘 중간체 및 이들의 혼합물을 이용하여 제조될 수 있다.
상기 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산 물질에 대해서는, 적당한 물질은 테트라메틸디실록산 디올, 테트라페닐디실록산 디올, 디페닐디메틸디실록산 디올, 디부틸디페닐 디실록산 디올, 폴리디메틸실록산, 실라놀 터미네이티드 폴리디메틸실록산, 하이드록시알킬터미네이티드 폴리디페닐디메틸디실록산 등과 같은 것을 포함한다. 바람직한 실록산 디올은 하기 화학식 1의 Power Chemical Corp.사제의 하이드록시프로필터미네이티드 폴리디메틸디실록산이다.
[화학식 1]
Figure pat00001
이외에도 하이드록시부틸터미네이티드 폴리디메틸디실록산(α,ω-hydroxybutyl, terminated polydimethylsiloxane), 하이드록시펜틸터미네이티드 폴리디메틸디실록산(α,ω-hydroxypentyl, terminated polydimethylsiloxane), 하이드록시헥실터미네이티드 폴리디메틸디실록산(α,ω-hydroxyhexyl, terminated polydimethylsiloxane) 등이 유용하다.
다음, 상기 이액형 열경화성 우레탄 수지의 제조에 사용하는 폴리올(C)에 대해서 설명한다.
상기 폴리올(C)로서는, 예를 들면 폴리에테르폴리올, 폴리에스테르폴리올, 폴리카보네이트폴리올 등을 사용할 수 있고, 이들을 병용하여 사용해도 된다. 그 중에서도 지방족 폴리에테르폴리올을 사용하는 것이 탄성이나 강성을 향상시킬 수 있는 관점에서 바람직하다.
상기 폴리올(C)에는 주로 폴리에테르폴리올이 보다 바람직하고, 다양한 분자량의 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리옥시프로필렌트리올, 폴리(테트라메틸렌 글리콜) 등이 사용될 수 있다.
또한, 이러한 폴리에테르폴리올의 수평균 분자량은 1000∼3000이 바람직하다. 수평균 분자량은, 폴리스티렌을 분자량 표준으로 하는 겔 투과 크로마토그래피법(GPC법)에 의해 구한다.
다음으로, 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머(1)에 대해서 설명한다.
상기 우레탄 프레폴리머(1)의 점도는, 레일패드용 탄성체로서 사용할 경우에는 일반적인 제조 공정을 고려할 때, 50℃에서의 점도가 1,000∼5,000mPa·s인 것이 바람직하다. 이때 점도는 B형 점도계로 측정한 값이다.
또한, 상기 우레탄 프레폴리머(1)의 이소시아네이트기의 함량은, 레일패드용 탄성체로서 사용할 경우에는 14∼18%인 것이 바람직하다. 이소시아네이트기의 당량 중량이 18% 보다 높아지면, 레일패드용 탄성체로서 사용할 경우에 경도가 높아지고 탄성계수도 높아지는 등 충격흡수를 목적으로 하는 물성을 구현하는 등의 문제가 있기 때문에 바람직하지 않고, 또한 14% 보다 낮아지면, 성형시 우레탄 프레폴리머와 경화제와의 2액 혼합시의 점도가 높아지기 때문에, 작업이 불편하게 되어 바람직하지 않다.
상기 우레탄 프레폴리머(1)의 제조 방법으로서는,
무용제 하에서, 이소시아네이트 화합물(A)과 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)을 반응시킴으로써 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 실리콘 체인이 도입된 우레탄 프레폴리머를 1차로 제조한 후, 2차로 상기 폴리올(C)을 반응시킨다.
이때 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)과 이소시아네이트 화합물(A)과의 반응은 당량 비율 [이소시아네이트기/하이드록시기]가 100/1∼100/7의 범위에서 행하는 것이 바람직하고, 100/2∼100/4가 보다 바람직하며, 상기 폴리올(C)과 이소시아네이트 화합물(A)과의 반응은 당량 비율 [이소시아네이트기/하이드록시기]가 100/8∼100/13이 바람직하다. 또한, 상기 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B), 폴리올(C)과 이소시아네이트 화합물(A)과의 반응은, 40∼120℃의 조건 하에서 대체로 30분∼24시간 정도 행하는 것이 바람직하다.
상기 우레탄 프레폴리머(1)를 제조할 때에는, 필요에 따라 3급 아민 촉매나 유기 금속계 촉매를 사용하여 반응을 촉진할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서 사용하는 경화제(2)에 대해서 설명한다.
상기 경화제(2)는 폴리(테트라메틸렌 글리콜) (D)을 주성분으로 하는 것이다.
상기 폴리(테트라메틸렌 글리콜) (D)이란 1000∼2000의 분자량을 갖고, 하이드록시기를 2개 갖는 것을 말한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 상기 경화제(2)에는 사슬연장제가 첨가되어야 하는데 주로 저분자량의 폴리올을 사슬연장제로서 5∼10% 중량비로 첨가하여야 한다.
저분자량의 폴리올로서는, 예를 들면 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,5-헥산디올, 1,6-헥산디올, 2,5-헥산디올, 1,7-헵탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,9-노난디올, 1,10-데칸디올, 1,11-운데칸디올, 1,12-도데칸디올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 네오펜틸글리콜, 2-부틸-2-에틸-1,3-프로판디올, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 2-에틸-1,3-헥산디올, 2-메틸-1,8-옥탄디올, 글리세린, 트리메틸올프로판, 디트리메틸올프로판, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨 등의 지방족 폴리올, 1,4-시클로헥산디메탄올, 수소 첨가 비스페놀 A 등의 지방족 환식 구조 함유 폴리올, 비스페놀 A, 비스페놀 A의 알킬렌옥사이드 부가물, 비스페놀 S, 비스페놀 S의 알킬렌옥사이드 부가물 등의 폴리올을 사용할 수 있다.
이들 중에서도, 레일패드용 탄성체의 탄성을 보다 향상시킬 수 있는 관점에서 1,3-프로판디올, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올이 탄성이나 강성을 위해서 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에서 사용하는 경화제(2)에는 반응을 촉진시키기 위한 3급 아민 촉매나 유기 금속계 촉매와 그 외의 여러 가지 용도의 첨가제를 사용할 수 있다.
상기 그 외의 첨가제로서는, 예를 들면 칙소제, 증감제(增感劑), 중합 금지제, 경화제, 경화 촉진제, 레벨링제, 왁스, 열안정제, 형광증백제, 발포제, 열가소성 수지, 열경화성 수지, 유기 용제, 도전성 부여제, 대전 방지제, 투습성 향상제, 발수제, 흡수제, 흡습제, 소취제(消臭劑), 정포제(整泡劑), 소포제, 방부제, 방조제(防藻劑), 브로킹 방지제, 가수분해 방지제, 유기 및 무기 수용성 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기한 본 발명에 따른 이액형 열경화성 우레탄 수지 조성물을 사용하여 마이크로셀 구조의 탄성체를 제조하고 레일패드로 성형하여 철도 레일 체결구 내의 레일 하부에서 적용한다.
본 발명의 이액형 열경화성 우레탄 수지 조성물을 혼합하여 탄성체를 제조하는 방법으로서는, 예를 들면 상기 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머(1)과, 상기 경화제(2)를 이액 혼합 주형기의 각각의 탱크에 내장하여, 양 탱크에 진공을 가하여 액체 내부에 혼합되어 있는 기체를 제거한 후 내부 용액을 20∼60℃의 온도에서 10분∼1시간 보온한 후에, 이액을 믹서부에서 3∼60초 혼합하여, 나중에 패드 형태로 가공을 위해 고안된 주형에 부어 성형하는 방법이 주로 사용되고 있다.
상기 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머(1)가 갖는 이소시아네이트기와, 상기 경화제(2)가 갖는 하이드록시기와의 당량 비율은 [하이드록시기/이소시아네이트기]가 0.90∼1.20의 범위에서 행하는 것이 바람직하고, 0.95∼1.04의 범위인 것이 보다 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 탄성체를 레일패드로 적용하는 것을 보여주는 사진이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 레일패드는 우선 넓은 판상 형태로 탄성체를 성형한 다음, 일정시간 건조한 후 필요한 크기와 모양으로 절단하여 완성시키는 방법이 일반적으로 사용되고 있다.
상기 건조는, 상온 하에서 자연 건조여도 되지만, 가열 건조시킬 수도 있다. 가열 건조는, 후경화 공정으로서, 40℃∼80℃의 온도에서 24∼36시간 정도의 가열 건조를 하는 것이 제품 완성도를 높일 수 있다.
이상의 방법에 의해 얻어진 레일패드는, 적절히 조절된 탄성과 내구성, 내후성을 구비하고 있으므로, 레일체결구와 결합하여 유용하게 사용할 수 있다.
또한, 이상의 방법에 의해 얻어진 유무기하이브리드 타입의 폴리우레탄 탄성체를 사용하여 제작된 레일패드는, 일반적인 기존의 우레탄 탄성체가 추운 겨울과 같은 영하 이하의 기후조건에 노출에 의하여 발생하는 경도 상승, 탄성계수의 상승 현상이 거의 발생하지 않고, 또한, 이외에도 다양한 기후조건에서 기존의 우레탄 탄성체를 사용한 제품보다 장기간 안정적인 성능을 발휘하며 사용될 수 있어서 레일패드 뿐만 아니라 다양한 형태로 가공되어 적용되어 우수한 소음/진동 억제 소재로 많은 장점을 가지게 된다.
[실시예]
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
제조예: 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머의 제조
질소 도입관, 온도계, 교반기를 구비한 1리터 4구 둥근 바닥 플라스크에, 미리 50℃로 가온하여 둔 하이드록시프로필터미네이티드 폴리디메틸디실록산(Power Chemical Corp.) 8 중량부를 넣어 교반하였다. 계속하여, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI)를 100 중량부를 첨가하였다. 발열에 주의하면서 내온을 85℃로 상승시킨 후, 온도를 유지하면서 3시간 교반한 후, 다시 폴리(테트라메틸렌 글리콜)(PTMG-1000)을 32 중량부를 넣어 첨가하고 온도를 계속 유지하면서, 5시간 교반한 후, 이소시아네이트기가 18% 를 갖는 우레탄 프레폴리머(i)를 얻었다.
사용하는 하이드록시기 함유 실록산, 폴리올과 이소시아네이트의 종류 및 양을 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 이외에는 동일한 반응 조건으로, 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머 (ⅱ)∼(ⅷ)를 얻었다. 또한, 분자 말단에 이소시아네이트기를 갖는 우레탄 프레폴리머의 이소시아네이트기의 당량 중량에 대해서도 표 1에 나타낸다. 이때 각 실험의 단계에서 FT-IR 분석을 통해 반응이 잘 이루어졌는지 확인하였고, 최종 얻어진 우레탄 프레폴리머는 FT-IR 분석과 질량분석기를 통해 분석하였다.
프레폴리머
(조성, 중량부)		 (i) (ⅱ) (ⅲ) (ⅳ) (ⅴ) (ⅵ) (ⅶ) (ⅷ)
이소시아네이트 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (MDI) 100 100 100 100 100 100 100 100
하이드록시기함유실록산 하이드록시프로필터미네이티드 폴리디메틸디실록산 8 - - - 8 8 - -
하이드록시부틸터미네이티드
폴리디메틸디실록산		 - 8 - - - - - -
하이드록시펜틸터미네이티드
폴리디메틸디실록산		 - - 8 - - - - -
하이드록시헥실터미네이티드
폴리디메틸디실록산		 - - - 8 - - - -
폴리올 PTMG-1000 32 32 32 32 44 52 40 60
이소시아네이트당량 18% 18% 18% 18% 16% 14% 18% 14%
이때 표 1의 실록산의 분자량에 대해서 설명한다.
하이드록시프로필터미네이티드 폴리디메틸디실록산(α,ω-hydroxypropyl, terminated polydimethylsiloxane), 하이드록시부틸터미네이티드 폴리디메틸디실록산(α,ω-hydroxybutyl, terminated polydimethylsiloxane), 하이드록시펜틸터미네이티드 폴리디메틸디실록산(α,ω-hydroxypentyl, terminated polydimethylsiloxane), 하이드록시헥실터미네이티드 폴리디메틸디실록산(α,ω-hydroxyhexyl, terminated polydimethylsiloxane) 의 수평균 분자량은 모두 약 1000이다.
실시예 및 비교예: 이액형 열경화성 우레탄 수지 탄성체 제조
(실시예 1)
위에서 얻어진 우레탄 프레폴리머(i) 100 중량부와, 분자량이 1000인 폴리(테트라메틸렌 글리콜)(PTMG-1000)과 1,4-부탄디올의 혼합물인 경화제 130 중량부를, 각각 엘라스토머 주형기의 A액 탱크 및 B액 탱크에 내장했다. A액계, B액계 모두 50℃에서 운전하고, 믹싱헤드에서 OH/NCO비=0.99로 이액을 혼합하여 주형에 부어 우레탄 수지 탄성체를 얻었다. 주형에서 꺼낸 탄성체를 60℃∼80℃ 사이로 온도가 세팅된 오븐에서 24시간 가열하여 후경화시키고, 오븐의 온도를 상온까지 천천히 냉각시키면서 48시간 방치하여 도 1에 나타낸 바와 같은 모양으로 절단하여 목적의 레일패드를 얻을 수 있었다.
(실시예 2∼6 비교예 1∼2)
사용하는 프레폴리머와, 경화제의 종류 및 양을 표 2에 나타내는 바와 같이 변경한 이외에는 실시예 1과 같이 하여 우레탄 탄성체 및 레일패드를 얻었다.
하기 표 2에 실시예 및 비교예의 조성을 기재하였다.
조성(중량부) 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2
우레탄
프레폴리머(1)		 (i) (ⅱ) (ⅲ) (ⅳ) (v) (ⅵ) (ⅶ) (ⅷ)
경화제
(2)		 PTMG-1000 120 120 120 120 110 90 120 90
1,4-부탄디올 10 10 10 10 10 10 10 10
실험예 1
상기 실시예 및 비교예의 조성물, 및 이의 탄성체로 제작한 레일패드에 대한 물성을 하기와 같이 측정하였고 얻어진 결과를 표 5에 나타내었다. 레일패드의 시험결과는 대기온도에 따라 차이가 발생할 수 있으므로 측정을 수행할 시험실의 온도는 23±3℃로 유지시켜야 하며 시험체는 시험 24시간 전에 시험실에 위치시켜 시흠을 측정하였다.
[경도 측정 방법]
상기에서 제조한 탄성체로 만든 레일패드의 표면경도는 일본 코리사 일반고무 A형 지침식 경도계를 사용하여, JIS K6253에 의하여 측정했다.
또한, 상기 경도 측정값이 45A∼55A 인 것이 레일패드로 적절한 표면 경도인 것으로 평가할 수 있으며, 표면 경도가 60A 이상이 되면 표면 경도가 너무 딱딱하여 레일패드로서 기능이 적합하지 않은 것으로 평가했다.
[정적 탄성계수 측정 방법]
상기에서 제조한 탄성체로 만든 레일패드의 정적 탄성계수 측정 시험은 정적상태에서 방진패드의 하중변화와 그에 대응하는 변위량과의 관계를 측정하기 위하여 측정되며 레일패드의 물성을 표시하는 중요한 측정값이다. 시험하중의 하한값(P1), 상한값(P2), 시험편의 크기는 다음의 표와 같다.
항목 표준값
하한값(P1) 10.0 kN
상한값(P2) 80.0 kN
시험편의 크기 규정 방진패드
상기에서 제조한 탄성체로 만든 레일패드의 탄성계수 시험장비는 미국 인스트론사 만능시험기 INSTRON 8516를 이용하여 하중 P1 및 P2가 그 공칭용량의 20∼100%의 범위에 있도록 하여 측정했다. 상기에서 제조한 탄성체로 만든 레일패드의 시편에 하중을 0에서 P2까지 예비적으로 5회 가하되 각 회마다 하중 0 및 P2에서 각각 30초간 유지한다. 이때의 재하속도는 하중 0에서 P2까지 가하는 시간이 30초가 되는 50±5 kN/min 으로 한다. 여섯 번째 재하시 다음 수학식 1에 의해 정적 탄성계수를 측정한다.
[수학식 1]
Figure pat00002
(kN/mm)
여기서 C stat 는 정적 탄성계수
Figure pat00003
는 시험하중인 P1과 P2에 대응하는 변위량을 의미한다.
[동적 탄성계수 측정 방법]
상기에서 제조한 탄성체로 만든 레일패드의 동적 탄성계수 측정 시험은 동작상태에서 레일패드와 하중변화와 그에 대응하는 변위량과의 관계를 평가하기 위하여 레일패드에서 일반적으로 정적 탄성계수와 같이 측정한다. 이 동적 탄성계수는 레일패드를 레일 위에 체결구와 함께 설치 후 그 효과에 가장 큰 영향을 미치는 요소이므로 레일패드에서 가장 중요한 시험항목이다. 상기에서 제조한 탄성체로 만든 레일패드를 지지하고 10k∼80 kN 하중을 (4±1)Hz의 주파수로 1000회 동안 가진한다. 마지막 100회를 가진하는 동안 10회 이상 하중과 변위를 기록하여 다음 식으로 동적스프링정수를 산정하였다.
하중(kN)변화 시험주파수(Hz) 회수
10.0 ∼ 80.0 4±1 1,000
다음 식에 의해 동적 탄성계수를 측정한다.
[수학식 2]
Figure pat00004
(kN/mm)
여기서 C dyn 는 동적 탄성계수
Figure pat00005
는 시험하중인 P1과 P2에 대응하는 변위량을 의미한다.
상기한 방법으로 측정하여 얻어진 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2
경도 49.1A 50.8A 50.4A 49.3A 51.0A 52.5A 54.0A 53.2A
정적 탄성계수
C stat (kN/mm)		 17.98 18.27 18.29 18.03 21.08 20.20 23.43 21.95
동적 탄성계수
C dyn (kN/mm)		 23.74 23.15 23.77 23.94 28.68 30.04 30.94 28.53
실험예 2
상기 실험예의 조성물, 및 이의 탄성체로 제작한 레일패드에 대한 저온에서의 탄성을 하기와 같이 측정하였고 얻어진 결과를 표 6에 나타내었다. 시험 레일패드는 실시예 1과 비교예 1의 레일패드, 이 두 가지를 가지고 시험하였다.
[저온 탄성계수 측정 방법]
상기에서 제조한 탄성체로 만든 레일패드의 저온에서의 특성을 평가하기 위하여 상기에 상온에서 특정한 경도, 정적 탄성계수, 동적탄성계수 항목을 다시 온도조절이 가능한 냉동고의 내부를 -10℃ 설정한 기간을 7일 차이를 두고 4회로 정하여 최대 28일간 방치한 후 각각을 측정하였다.
모든 측정장비와 측정방법은 상기의 실험예 1의 시험법과 동일하며, 온도의 변화에 따른 그 차이를 보기 위하여, 경도 측정은 냉동고에서 꺼내어 상온의 상태에서 30초 이내에 5회 측정하여 그 평균값을 구하였다. 정적/동적 탄성계수는 만능시험기의 시험편 지지위치에 스티로폼과 같은 단열소재를 이용하여 챔버를 만들고 온도조절 장치와 액체 질소를 방출할 수 있는 설비를 부착하여 챔버 내부를 -10℃로 설정하였다. 이어, 챔버 내부 온도 설정 후 한 시간 후에 냉동고에서 만능시험기로 신속히 챔버 속으로 이동시킨 후 다시 6시간을 방치하여 온도변화를 최소화시킨 후에 상온과 동일한 방법으로 정적/동적 탄성계수를 측정하였다.
-10℃ 이하
방치일		 0일 후(상온) 7일 후 14일 후 21일 후 28일 후
샘플 실시예1 비교예1 실시예1 비교예1 실시예1 비교예1 실시예1 비교예1 실시예1 비교예1
경도 49.1A 54.0A 51.5A 71.1A 52.3A 79.3A 53.0A 83.9A 53.0A 84.8A
정적 탄성계수
(kN/mm)		 17.98 23.43 20.84 47.07 20.98 59.72 21.08 64.02 21.03 65.10
동적 탄성계수
(kN/mm)		 23.74 30.94 26.67 58.83 26.53 74.05 26.77 79.38 27.33 84.67
상기 표 6을 보면, 본 발명에의 조성에 따른 실시예 1의 레일패드는 저온에서 한 달 정도 방치하더라도 경도가 약 4정도 증가한 반면에, 비교예 1의 레일패드경우 약 30 이상 경도 변화가 있었다.
또한, 정적 및 동적 탄성 계수 결과에서도 실시예 1의 레일패드는 큰 변화가 없었으나, 비교예 1의 레일패드의 경우 정적/동적 탄성 계수는 7일 후부터 극단적으로 큰 변화가 있어, 탄성이 크게 저하됨을 알 수 있다.
이러한 실험 결과로부터, 본 발명에 따른 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물은 저온에서도 경도 및 탄성 변화가 적어 기후 변화에 상관없이 일정 수준의 레일패드의 품질을 유지시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명을 통해 얻어진 이액형 열경화성 우레탄 탄성체는 철도 레일 체결구용 레일패드 및 관련된 다양한 소음/진동 저감용 부품으로 바람직하게 적용이 가능하며, 특히 영하 이하의 기후환경에 장기간 노출되는 지역에서 우선 적용되어 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

Claims (8)

  1. 이소시아네이트 화합물(A)과 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)을 반응시킨 후, 다시 폴리올(C)과 반응시켜 얻어진 우레탄 프레폴리머(1)와,
    폴리(테트라메틸렌 글리콜)(D)을 포함하는 경화제(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이소시아네이트 화합물(A)은 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 트리메틸 헥사메틸렌 디이소시아네이트(trimethyl hexamethylene diisocyanate), 테트라 메틸렌 디이소시아네이트(tetra methylene diisocyanate), 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate, MDO), 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocyanate (TDI)), 페닐렌 디이소시아네이트(phenylene diisocyanate), 디메틸 디페닐 디이소시아네이트(dimethyl diphenyl diisocyanate), 이소 홀론 디이소시아네이트(iso holon diisocyanate), 나프탈렌 디이소시아네이트(diisocyanate), 트리페닐 메탄 트리이소시아네이트(triphenyl methane triisocyanate), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산 (B)은 테트라메틸디실록산 디올, 테트라페닐디실록산 디올, 디페닐디메틸디실록산 디올, 디부틸디페닐 디실록산 디올, 폴리디메틸실록산, 실라놀 터미네이티드 폴리디메틸실록산, 하이드록시알킬터미네이티드 폴리디페닐디메틸디실록산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리올(C)은 폴리에테르폴리올, 폴리에스테르폴리올, 폴리카보네이트폴리올, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하이드록시알킬 변성 고분자 실록산(B)은 이소시아네이트 화합물(A)과 반응시 이소시아네이트기/하이드록시기가 100/1∼100/7의 당량비로 반응시키는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폴리올(C)의 반응은 이소시아네이트 화합물(A)과 폴리올(C)의 이소시아네이트기/하이드록시기가 10/8∼10/13의 당량비로 반응시키는 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물은 경화제(2)와 우레탄 프레폴리머(1)의 하이드록시기/이소시아네이트기가 0.95∼1.05의 당량비를 만족하는 함량을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일패드용 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 이액형 열경화성 우레탄 탄성체 조성물을 포함하여 성형된 것을 특징으로 하는 철도 레일패드.
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