KR20140073003A - 진동감쇠형 고무 조성물 - Google Patents

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민병권
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윤우원
박현호
우희수
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현대자동차주식회사
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기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 진동감쇠형 고무 조성물에 관한 것으로, 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 양압출성 카본블랙(FEF) 및 중보강성 카본블랙(SRF)을 포함하는 자동차용 히터 호스 조성물의 배합을 변경하여 엔진에서 발생하는 진동 및 소음이 자동차의 실내로 들어오는 것을 감소, 승차감의 향상, 차량의 감성품질 및 상품성을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 진동감쇠형 고무 조성물에 관한 것이다.

Description

진동감쇠형 고무 조성물{Reducing vibration rubber compound}
본 발명은 진동의 전달을 감소시키는 진동감쇠형 고무 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 자동차용 히터 호스 등에 사용되는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM) 조성물의 배합을 변경하여 진동 및 소음을 저감시키는 진동감쇠형 고무 조성물에 관한 것이다.
최근 자동차 산업에 있어서 환경과 에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 많은 자동차 회사들은 연비 개선을 위해 차체의 경량화 및 소형화에 관한 기술을 개발하고 있으며, 동시에 소비자의 욕구를 만족시키기 위해 파워트레인(Power train)의 고출력화에 관련된 기술도 발전시키고 있다.
상기와 같은 기술의 발전으로 자동차 엔진의 출력은 지속적으로 상승하여 이전세대의 엔진 출력보다 10 % 이상 증가하였으며, 차체의 소형화 및 경량화가 일반화됨에 따라 높은 출력의 엔진으로부터 나오는 진동 및 소음은 소형화 및 경량화된 차체에 쉽게 전달되는 문제가 나타났다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 자동차 회사들은 소형화 및 경량화된 자동차 부품 자체의 내진동 성능을 향상시키는 기술을 발전시키고 있다. 상기 내진동 성능의 향상은 이른바 감성(感性)자동차 개발에 있어서 매우 중요한 인자가 되었으며, 피할 수 없는 세계적 흐름이 되었다. 또한, 진동 및 소음관련 소비자 불만 사례가 지속적으로 접수되고 있어, 자동차 제조 회사는 진동 및 소음의 저감에 대한 기술개발에 박차를 가하게 되었다.
진동 및 소음의 자동차 실내 유입 경로는 크게 2가지로 나눌 수 있는데, 제1경로는 고체매체를 통해 자동차 실내로 유입되는 것이고, 제2경로는 공기매체를 통해 자동차 실내로 유입되는 것이다. 상기 제1경로를 통한 진동 및 소음이 자동차 실내로 유입되는 요인은 많이 있지만 그 중 하나가 자동차 엔진에 연결되어 있는 히터 호스(Heater hose)이다.
도 1은 자동차용 히터 호스(Heater hose)를 나타낸 사시도이다. 자동차의 실내에 있는 히터 유닛(Heater unit)은 상기 히터 호스를 통해 자동차 엔진과 연결되어 있으며, 결국 상기 히터 호스는 자동차 엔진의 진동을 실내로 전달하는 통로가 되어 자동차 실내의 진동 및 소음을 증대시키는 원인이 되고 있다. 또한, 엔진 자체의 진동뿐만 아니라, 엔진의 실린더 내부에서 발생하는 연소음인 고주파 소음 역시 상기 히터 호스를 통해 자동차 실내로 전달되는 문제가 있었다.
그럼에도 불구하고, 종래 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM : Ethylene Propylene Diene Monomer)를 이용한 히터호스에 적용된 특성은 절연성과는 무관한 내열성, 내부동액성 및 파열압 성능 등의 내구성이나 장착 용이성에 국한되는 문제가 있었다.
한편, 대한민국 등록 특허공보 제 10-0890132호(2009.03.16)에 히터의 소음 저감을 위한 기술이 개시되어 있으나, 이는 엔진, 히터호스와 파이프의 구조 변경을 통한 소음 저감에 관한 것으로, 히터호스 재료 자체의 절연 성능을 개선하는 것과는 무관하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 점도가 낮은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 양압출성 카본블랙(FEF) 및 중보강성 카본블랙(SRF)을 포함한 조성물의 배합비를 조절함으로써 고무 조성물 자체 내에서 진동 및 소음의 감쇠 효과를 나타내어 자동차 히터 호스에 적용시 소음진동(NVH)품질을 개선할 수 있는 진동감쇠형 고무 조성물을 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 진동감쇠형 고무 조성물은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 양압출성 카본블랙(FEF) 및 중보강성 카본블랙(SRF)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 진동감쇠형 고무 조성물은 충진제 및 가소제를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 무니점도(ML1+8, 125℃)는 48 내지 68 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 양압출성 카본블랙(FEF) 100 중량부에 대하여, 중보강성 카본블랙(SRF) 100 내지 140 중량부인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)가 100 중량부에 대하여, 양압출성 카본블랙(FEF) 60 중량부, 중보강성 카본블랙(SRF) 85 중량부, 충진제 30 중량부, 가소제 75 중량부인 것이 바람직하다.
한편, 상기 진동감쇠형 고무 조성물은 자동차용 히트 호스에 사용될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 종래 히터 호스에 사용되는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)를 포함한 고무 조성물과 달리, 구성 성분의 배합을 변경하여 고무 조성물의 진동감쇠 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 자동차의 실내로 유입되는 진동 및 소음이 저감됨에 따라 승차감이 향상되며, 이에 따른 차량의 감성품질 및 상품성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 기존 제품 대비 상기와 같은 진동감쇠 성능을 개선함과 동시에 인장 강도 및 신장율 등의 물성이 동등한 수준으로 유지되는 효과가 있다.
도 1은 자동차용 히터 호스(Heater hose)를 나타낸 사시도.
도 2은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM : Ethylene Propylene Diene Monomer)의 구조식.
도 3는 종래 자동차용 히터 호수의 저장탄성률(E') 그래프.
도 4는 자동차 엔진의 냉(冷)간 가속 시 발생하는 소음을 비교한 그래프.
도 5는 자동차 엔진의 온(溫)간 가속 시 발생하는 소음을 비교한 그래프.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 진동감쇠 기능이 향상된 고무 조성물에 관한 것으로 이하, 첨부된 표와 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 진동감쇠형 고무 조성물은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)를 기본으로 양압출성 카본블랙(FEF) 및 중보강성 카본블랙(SRF) 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM : Ethylene Propylene Diene Monomer)의 구조식을 보여주며, 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM) 조성물에 충진제 및 가소제 등을 첨가하여 상기 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM) 조성물의 물성을 변화시킬 수 있다.
상기와 같은 방법으로 종래 자동차용 히터 호스에 사용되는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM) 조성물은 내구성 향상에 목표를 두어 내구성 향상은 되었지만 내진동 성능은 여전히 취약하였다. 진동감쇠 성능은 저장 탄성율(E')(storage modulus)을 통해 알 수 있으며, 도 3은 종래 자동차용 히터 호수의 저장 탄성률(E') 그래프를 보여주며 시험조건은 0.1 내지 100 Hz, 24℃ 이다. 상기 도 3에서 알 수 있듯이 종래 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM) 조성물의 저장 탄성률은 28.9MPa으로 높은 값을 나타내어 진동감쇠 성능이 부족하다는 것을 알 수 있다.
상기 저장 탄성률은 동적 탄성률이라고도 하며, 탄성에 의해 손실 없이 저장되는 에너지를 의미하고, 저장 에너지의 척도로 사용될 수 있다. 바꿔 말하면 주기적인 변형에 대해 탄성체가 복원되는 정도를 나타낸다고 할 수 있다.
저장 탄성률(E')이 높을수록 완전 탄성체(Perfect elastic body)에 근접하며, 상기 완전 탄성체는 응력(σ)과 변형(ε)의 비례관계(σ=Mε, M은 탄성률)가 성립한다. 즉, 탄성체 내부 응력과 탄성체 변형의 위상차(δ)는 0°이 되며, 탄성체 내부의 응력은 외부에서 가해준 주파수에 비례하여 증가하게 된다.
자동차의 경우, 저장 탄성률(E')이 높은 부품을 진동이 주로 발생하는 엔진 주변에 사용할 경우 엔진의 진동이 차제로 전달되어 자동차의 승차감을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있다. 결국, 자동차의 진동을 감소시키는 목적을 달성하기 위해서는 저장 탄성률이 낮은 부품을 사용하여 엔진에서 발생하는 진동을 감쇠하여야 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 진동을 감쇠시키는 고무 조성물을 찾기 위하여 다수의 시험을 한 결과 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 무니점도(ML1+8, 125℃)는 48 내지 68인 것이 바람직하며 상기 범위에서 고무 조성물의 진동감쇠 효과가 나타남을 알 수 있었다.
이는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 무니점도(ML1+8, 125℃)가 48 미만인 경우, 조성물의 경도, 인장 강도 및 신장률 등의 물성이 급격히 하락하는 반면, 상기 무니점도가 68(ML1+8, 125℃) 초과인 경우, 저장 탄성률 값의 변화가 미미하여 진동감쇠 성능이 종래와 큰 차이가 없기 때문이다.
또한, 양압출성 카본블랙(FEF) 100 중량부에 대하여, 중보강성 카본블랙(SRF)은 100 중량부 내지 140 중량부인 것이 바람직하지만, 양압출성 카본블랙(FEF) 100 중량부일 때, 중보강성 카본블랙(SRF)은 140 중량부인 것이 보다 바람직하다.
이는 양압출성 카본블랙(FEF) 100 중량부일 때 중보강성 카본블랙(SRF)은 100 중량부 미만이면, 진동감쇠 성능이 종래와 차이가 크지 않으며 반대로 중보강성 카본 블랙(SRF)이 140 중량부 초과하면, 진동감쇠 고무 조성물의 내구성이 급격히 하락하는 문제가 있기 때문이다.
구체적으로 어떤 조건에서 만든 고무 조성물이 엔진에서 발생되는 진동을 감쇠시킬 수 있는지 하기 표 1을 통해 알아본다.
시험항목 비교예 실시예1 실시예2 실시예3
에틸렌 프로필렌 고무
(EPDM)의 무니점도		 (ML 1+8, 125℃) 82.0 58.0 82.0 58.0
배합표 EPDM 중량부 100 100 100 100
FEF(N550) 중량부 150 150 75 60
SRF(N774) 중량부 - - 75 85
충진제 중량부 55 55 55 30
가소제 중량부 85 85 85 75
상태물성 경도 Hs 74 73 62 65
인장강도 kgf/㎠ 110 105 90 105
신장율 % 350 340 340 330
내열 노화성
(135℃×168hr)		 경도변화 Hs +8 +10 +10 +7
인장강도
변화율		 % +5 +3 +7 +4
신장율
변화율		 % -50 -57 -58 -49
영구압축 줄음률
(120℃×72hr)		 % 50 58 55 47
DMA
(100Hz, 24℃)		 저장탄성률 E'(MPa) 28.86 22.86 20.02 16.32
위상차 tan δ 0.19 0.16 0.17 0.19
상기 표 1은 비교예와 실시예1 내지 실시예3을 나타낸 표이며, 상기 실시예1을 상세히 살펴본다. 비교예의 무니점도(Mooney Viscosity, ML1+8, 125℃)는 82이며 실시예의 무니점도(ML1+8, 125℃)는 58과 같이 낮은 점도의 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)를 적용하여 진동감쇠 고무 조성물 제작하였다.
상기 실시예1의 물성시험 결과 실시예1의 저장 탄성률은 비교예 대비 20% 감소되어 진동감쇠 효과가 증대 되었다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예1의 상태물성 시험, 내열 노화성 시험 및 영구 압출 줄음률 시험 결과는 비교예의 시험 결과와 큰 차이가 없었다. 실시예1의 진동감쇠형 고무 조성물은 종래의 고무 조성물과 유사한 내구성을 가지며 동시에 저장탄성률 값은 낮아, 진동감쇠 기능이 향상된 조성물임을 확인할 수 있다.
상기 표 3의 실시예2를 상세히 살펴본다. 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)이 100중량부 일 때 비교예의 경우 보강재인 양압출성 카본블랙(FEF)은 150 중량부 포함되었지만, 실시예2의 경우 양압출성 카본블랙(FEF)은 75 중량부 및 중보강성 카본블랙(SRF)은 75 중량부를 포함하였다. 다시 말해서, 양압출성 카본블랙(FEF)과 중보강성 카본블랙(SRF)이 1 대 1로 첨가된 것이다.
상기 실시예2의 물성시험 결과 실시예2의 저장 탄성률은 비교예 대비 30% 낮아졌으며 상태물성 시험, 내열 노화성 시험 및 영구 압출 줄음률 시험 결과는 비교예의 시험결과와 큰 차이가 없었다. 즉, 실시예2의 물성은 비교예의 물성과 비슷하고 저장 탄성률 값이 낮기 때문에 진동감쇠 성능이 향상된 조성물임을 확인할 수 있다.
상기 표 3의 실시예3을 상세히 살펴본다. 본 발명인 진동감쇠형 고무 조성물을 가장 잘 대표하는 실시예3의 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 경우 무니점도(ML1+8, 125℃)는 58인 것을 적용하였으며, 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)가 100중량부 일 때 양압출성 카본블랙(FEF)은 60 중량부 첨가되었고, 중보강성 카본블랙(SRF)은 85 중량부 첨가되었다. 다시말해 양압출성 카본블랙(FEF)과 중보강성 카본블랙(SRF)은 1 대 1.4 의 비율로 첨가된 것이다.
상기 실시예3의 물성시험 결과 실시예3의 저장 탄성률은 비교예 대비 56% 낮아졌으며 상태물성 시험, 내열 노화성 시험 및 영구 압출 줄음률 시험 결과는 비교예의 시험결과와 큰 차이가 없었다. 실시예3의 물성은 비교예의 물성과 비슷하지만 저장 탄성률 값이 낮기 때문에 진동감쇠 성능이 향상된 조성물임을 확인할 수 있다.
상기 표 3에서 실시예3의 저장 탄성률 값이 가장 낮기 때문에, 진동감쇠 효과가 가장 크다. 따라서, 실시예3에 나타낸 배합비율은 진동감쇠형 고무 조성물을 제조하는데 가장 바람직하며 구체적으로, 본 발명인 진동감쇠형 고무 조성물은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 무니점도(ML1+8, 125℃) 58, 상기 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)가 100 중량부일 경우 양압출성 카본블랙(FEF) 60 중량부, 중보강성 카본블랙(SRF) 85 중량부, 충진제 30 중량부 및 가소제 75 중량부인 것을 특징으로 한다.
구 분 단위 비교예 실시예3
에틸렌 프로필렌 고무
(EPDM)		 중량% 25.5 29.5
보강제 중량% 39.0 38.1
충진제 중량% 14.8 11.3
활성화제 중량% 2.2 2.5
가교제 중량% 0.12 0.10
촉진제 중량% 0.8 1.0
가소제 중량% 17.1 16.9
가공조제 중량% 0.5 0.6
Total 중량% 100 100
상기 표 2는 본 발명인 진동감쇠형 고무 조성물을 가장 잘 대표하는 실시예3의 구성 성분을 비교예의 구성 성분과 중량%로 비교한 비교표이며, 상기 표에서 알 수 있듯이 본 발명인 진동감소 고무 조성물은 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM) 29.5 중량%, 양압출성 카본블랙(FEF) 및 중보강성 카본블랙(SRF)이 포함된 보강제 38.1 중량%, 충진제(Filler) 11.3 중량%, 활성화제 2.5 중량%, 가교제 0.1 중량%, 촉진제 1.0 중량%, 가소제 16.9 중량%, 가공조제 0.6 중량% 를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 실시예3의 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)는 연질화를 증대시켜 진동감쇠 성능을 향상시키기 위해 종래보다 4 중량% 의 양을 높여 29.5 중량% 를 첨가하였지만, 30 중량% 를 첨가하는 것이 가장 바람직하다.
상기 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 무니점도(ML1+8, 125℃)는 종래 82에서 58로 낮추어 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 연질화의 향상에 도움을 주고자 하였다.
또한, 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 경도 및 점도를 더욱 낮추기 위해 보강제인 카본블랙을 종래 대비 1 중량% 낮추었다. 상기 카본블랙에는 양압출성 카본블랙(FEF)(size : 50㎚) 및 중보강성 카본블랙(SRF)(size : 70㎚) 등이 있으며 본 발명에서는 양압출성 카본블랙(FEF)과 중보강성 카본블랙(SRF)의 비율은 1 : 1 이 바람직하다. 그러나 실험을 통해 알아본 바에 따르면 양압출성 카본블랙(FEF)과 중보강성 카본블랙(SRF)의 비율은 1 : 1.4가 가장 바람직하다. 따라서 양압출성 카본블랙(FEF)과 중보강성 카본블랙(SRF)의 비율은 1 : 1 내지 1 : 1.4 범위가 고무의 진동감쇠 효과를 나타내는 데에 유효한 값에 해당한다.
그리고 기존 semi-EV 방식에서 가황 촉진제의 비율을 0.2 중량% 증가하여 EV(Efficient Vulcanization) 방식을 이용함으로써, 종래 유황 함량 증가에 따라 발생 되었던 내열성 저하 및 영구 압출 줄음율의 저하와 같은 단점 을 방지하고자 하였다.
상기 구성 성분을 포함하는 본 발명인 진동감소 고무 조성물의 진동감쇠 성능이 얼마나 향상되었는지 아래 표 및 도를 통해 알아본다.
구분 냉간 아이들링 소음 냉간(Cold) 주행 소음 온간(Warm) 주행 소음
비교예 대비
실시예3의 소음		 1 내지 2 dBA 감소 2 dBA 감소 1 dBA 감소
상기 표 3은 본 발명인 진동감쇠형 고무 조성물(실시예3)로 제작한 자동차용 히터 호스와 종래 고무 조성물로 제작한 자동차용 히터 호스를 엔진에 부착하여 소음을 측정한 결과를 나타낸 표이다. 냉간 아이들링, 냉간 주행, 온간 주행 시 발생하는 소음 모두, 본 발명인 진동감쇠형 고무 조성물이 적용된 자동차용 히터 호스의 소음이 종래 고무 조성물이 적용된 자동차용 히터 호스에 비해 낮게 나왔다.
도 4는 자동차 엔진의 냉(冷)간 가속 시 발생하는 소음을 비교한 그래프이다. 상세하게, 상기 그래프는 본 발명인 진동감쇠형 고무 조성물과 종래 고무 조성물을 자동차용 히터 호스에 적용 후 엔진에 장착하여, 자동차 엔진의 냉간 가속 시 발생하는 소음을 측정 및 비교한 그래프이다. 상기 그래프에서 알 수 있듯이, 진동감쇠형 고무 조성물인 실시예3(100)은 종래 고무 조성물인 비교예(200)와 비교하였을 때, 평균적으로 1 내지 2 dBA(A-가중 데시벨) 이 낮게 나왔으며, 자동차 엔진의 냉간 가속 시 소음감쇠 효과가 있다는 것을 의미한다.
도 5는 자동차 엔진의 온(溫)간 가속 시 발생하는 소음을 비교한 그래프이다. 상세하게, 상기 그래프는 본 발명인 진동감쇠형 고무 조성물과 종래 고무 조성물을 자동차용 히터 호스에 적용 후 엔진에 장착하여, 자동차 엔진의 온간 가속 시 발생하는 소음을 측정 및 비교한 그래프이다. 상기 그래프에서 알 수 있듯이, 진동감쇠형 고무 조성물인 실시예3(100)은 종래 고무 조성물인 비교예(200)와 비교하였을 때, 평균적으로 1 dBA(A-가중 데시벨)이 낮게 나왔으며, 자동차 엔진의 온간 가속 시 소음감쇠 효과가 있다는 것을 의미한다.
100 : 실시예3
200 : 비교예

Claims (6)

  1. 고무 조성물에 있어서,
    에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 양압출성 카본블랙(FEF) 및 중보강성 카본블랙(SRF)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동감쇠형 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    충진제 및 가소제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동감쇠형 고무 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM)의 무니점도(ML1+8, 125℃)는 48 내지 68 인 것을 특징으로 하는 진동감쇠형 고무 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양압출성 카본블랙(FEF) 100 중량부에 대하여, 중보강성 카본블랙(SRF) 100 내지 140 중량부인 것을 특징으로 하는 진동감쇠형 고무 조성물.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM) 100 중량부에 대하여, 양압출성 카본블랙(FEF) 60 중량부, 중보강성 카본블랙(SRF) 85 중량부, 충진제 30 중량부 및 가소제 75 중량부인 것을 특징으로 하는 진동감쇠형 고무 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 진동감쇠형 고무 조성물은 자동차용 히트 호스에 사용되는 것을 특징으로 하는 진동감쇠형 고무 조성물.
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