KR20210026625A - 내구특성이 향상된 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물 - Google Patents

내구특성이 향상된 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로 천연고무 10 내지 30 중량%; 가황촉진제 70 내지 90 중량%를 포함하는, 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 궤도차량 고무용 마스터배치 조성물을 제공함으로써, 궤도차량용 고무의 제조시 사용되어 우수한 분산성이 확보되며, 고무의 내구특성이 상승하여 고성능의 궤도차량용 고무를 제공할 수 있다.

Description

내구특성이 향상된 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물 {MASTERBATCH COMPOSITION FOR A RUBBER OF TRACKED VEHICLES HAVING IMPROVED PROPERTIES IN FATIGUE CHARACTERISTICS}
본 발명은 내구특성이 향상된 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물에 관한 것이다.
전차 등 고속으로 주행하는 궤도 차량에 사용되는 궤도는, 일반적으로 다수의 금속재질 궤도 몸체를 연결하여 구성되며, 궤도몸체의 상부에는 궤도 몸체고무가 사출성형 또는 압축성형 공정으로 접착된다. 이때 궤도 몸체고무는 그 상부의 로드휠에 의해 전해지는 차량의 하중을 지면으로 전달하게 되며, 궤도 몸체(12)로부터 전해지는 지면의 충격하중을 일부분 흡수하는 역할도 수행한다.
이러한 군사용 탱크들과 같은, 특히 무거운 궤도 차량에서, 궤도의 수명은 상당히 짧고, 종종 수 백 마일 넘게 사용될 수 있다. 특히 궤도가 고장나게 되면, 차량은 사용할 수 없게 될 수 있다. 탱크 궤도의 손상은 큰 재정 비용을 야기하고 병참 문제들 및 개인 안전 문제들을 야기할 수 있다. 그러므로, 군사용 탱크와 같은 전차궤도용으로 고무부품은 주기적으로 제조하여 공급할 필요가 있다.
그러나, 이런 고무부품에 사용되는 각종 가황제 및 가황 촉진제는 고무 제조시 분진발생에 의한 환경오염 문제를 야기하며, 혼합공정에서 고무와 첨가제 및 첨가제간의 혼합시 잘 섞이지 않아 본질적인 물성 발현에 어려움을 겪는 일이 종종 발생하며, 때로는 별도 첨가제의 투입을 통해 고유의 제조방법에 대한 보안의 우려도 발생하는 상황이다.
이를 해결하기위해서 마스터배치 기술이 주로 활용되고 있다. 이러한 마스터배치 제조와 관련하여, 미국특허 제5,284,907호 에서는 중합가능한 비닐기를 함유하는 관능성 모노머와 공중합 가능한 공액디엔 모노머를 유화중합하여 얻어진 마스터배치를 제시하고 있다.
또한, 일본 특개평 08-87889호 에서는 주바인더로서 펄옥사이드를 함유하는 마스터배치가 기재되어 있는데, 여기에서는 포화니트릴 공중합 고무를 기본 베이스로 사용하고 있다.
전술한 기술상의 요구를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 궤도차량의 고무 제조에서 분말 형태로 사용되었던 가황촉진제를 마스터배치 형태로 제공하는 것으로, 이에 본 발명은 내구 특성을 향상시키고 더불어 기계적 물성을 만족시킬 수 있는 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물을 개발하는 것을 그 목적으로 한다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이에 본 발명은 바람직한 제1 구현예로서, 천연고무 10 내지 30 중량%; 및 가황촉진제 70 내지 90 중량%를 포함하는, 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물을 제공하는 것이다.
상기 구현예에 의한 가황촉진제는 테트라벤질티우람 디설파이드(tetrabenzylthiuram disulphide), N-tert-부틸-2-벤조티아질 설펜아미드(N-tert-butyl-2-benzothiazyl sulfenamide), 디벤조티아질 디설파이드(dibenzothiazyl disulfide), N-사이클로헥실-2-벤조티아질 설펜아미드(N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfenamide), 헥사메틸렌 테트라아민(hexamethylene tetramine), 테트라메틸 티우람 디설파이드(tetramethyl thiuram disulfide) 및 N,N-디페닐 구아니딘(N,N-diphenyl guanidine)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직한 제2 구현예로서, 상기 마스터배치 조성물을 포함하는 궤도차량의 고무 조성물로서, 원료고무 100 중량부에 대하여, 카본블랙 40 내지 70 중량부, 가황제 1 내지 2.5 중량부, 및 상기 마스터배치 조성물 1 내지 3 중량부를 포함하는, 궤도차량의 고무 조성물을 제공하는 것이다.
상기 제2 구현예에 의한 원료고무는 천연고무 또는 합성고무인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 구현예에 의한 합성고무는 스티렌부타디엔고무(SBR) 또는 부타디엔고무(BR)인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 구현예에 의한 가황제는 유황 또는 불용 유황인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 구현예에 의한 고무 조성물은 가공조제, 노화방지제 및 가소제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 제3 구현예로서, 고무 조성물로 형성된 궤도차량의 고무를 제공하는 것이다.
본 발명은 궤도차량의 고무 제조에 사용되는 마스터배치 조성물을 제공하는 것으로, 마스터배치 형태로 제공되어, 고무 제조에 사용할 때 우수한 분산성을 가질 수 있고, 이로 인해 내구특성이 향상된 궤도차량용 고무를 제조할 수 있다.
본 발명은 전차 등 고속으로 주행하는 궤도 차량에 사용되는 궤도 몸체 고무나 궤도바퀴와 핀 사이에 적용되는 고무를 제조하기 위한 마스터배치 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내구특성을 향상할 수 있는 궤도 차량의 고무 제조용 마스터 배치 조성에 관한 것이다.
일반적으로 전자 궤도 차량에 사용되는 궤도 몸체 고무 및 궤도바퀴와 핀사에에 적용되는 고무를 제조하기 위해 사용되는 각종 가황제 및 가황촉진제는 분말 형태로 제공되어, 분진 발생에 의한 오염문제를 일으킬 수 있다.
마스터배치 기술은 고무 제조를 위한 원료의 혼합공정에서 고무와 첨가제의 분산성을 향상시키기 위하여 사용되나, 궤도차량의 고무에 특화되어있는 마스터배치 관련 기술은 아직 미미하다. 이에, 본 발명의 목적은 우수한 분산성과 향상된 내구특성을 갖는 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치를 제공하는 것에 있다.
일반적으로 전자 궤도 차량에 사용되는 각종 가황제 및 가황촉진제류는 상술한바와 같이 분말형태로 되어 있고, 다른 배합제에 비하여 소량 사용하나 고무의 물성에는 큰 영향을 미치는 고무용 약품이다. 이와 같이 가황제 및 가황촉진제류를 고무 조성을 이루는 타성분과의 혼합을 위해 반바리 믹서 또는 오픈롤 등에 투입하면 소량의 분말이므로 손실이 발생하기가 쉽다. 또한 분말 형태로 사용되어 주변환경 오염을 유발하기 때문에 이를 방지하기 위해 집진장치를 설치함으로써 이로 인한 원료의 손실이 발생하게 되며, 일정한 성분비로 제조되지 못함으로 인해 궤도차량용 고무의 품질편차 발생의 원인이 되고 있다.
상기와 같은 기술상의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 천연고무 10 내지 30 중량%; 가황촉진제 70 내지 90 중량%를 포함하는, 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물을 제공한다.
상기 조성물에서 가황촉진제를 제외한 원료고무는 마스터배치로 성형하기 위해 포함되는 것으로, 고무 조성물에 사용하기 위한 마스터배치는 가급적 가황촉진제의 함량이 높은 것이 바람직하다. 그러나, 가황촉진제의 함량을 90 중량%를 초과하여 지나치게 증가시키면 마스터배치 제조시에 혼합 및 압출, 압연 등의 작업성이 어려워 마스터배치의 제조가 어려운 문제가 있고, 그 함량이 70 중량% 미만으로 너무 적으면 고무 조성물 중에 마스터배치 중의 천연고무가 다량 첨가됨으로써 고무 조성물의 물성 변화를 가져올 수 있고, 또한 오픈 롤이나 반바리믹서에 투입하기 위해 마스터배치를 계량시 과다한 계량으로 인한 설비상 문제 및 시간상의 손실, 그리고 혼합 중에 이의 완전분산을 위한 혼합시간의 연장 등으로 인한 생산성 저하의 문제가 발생될 우려가 있다. 따라서, 바람직한 가황촉진제의 함량은 전체 마스터배치 조성물 중 70 내지 90중량%이다.
상기 가황촉진제는 이에 제한되는 것은 아니나, 테트라벤질티우람 디설파이드(tetrabenzylthiuram disulphide), N-tert-부틸-2-벤조티아질 설펜아미드(N-tert-butyl-2-benzothiazyl sulfenamide), 디벤조티아질 디설파이드(dibenzothiazyl disulfide), N-사이클로헥실-2-벤조티아질 설펜아미드(N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfenamide), 헥사메틸렌 테트라아민(hexamethylene tetramine), 테트라메틸 티우람 디설파이드(tetramethyl thiuram disulfide), 및 N,N-디페닐 구아니딘(N,N-diphenyl guanidine)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
특히 바람직하게는 2종의 가황촉진제를 조합하여 사용할 수 있고, 상기 2종의 가황촉진제는 테트라벤질티우람 디설파이드 및 N-tert-부틸-2-벤조티아질 설펜아미드를 포함하는 것일 수 있다. 테트라벤질티우람 디설파이드 및 N-tert-부틸-2-벤조티아질 설펜아미드를 1:1.5~3의 중량비로 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 마스터배치 조성물을 포함하는 궤도차량의 고무 조성물로서, 원료고무 100 중량부에 대하여, 카본블랙 40 내지 70 중량부, 가황제 1 내지 2.5 중량부, 및 상기 마스터배치 조성물 1 내지 3 중량부를 포함하는, 궤도차량의 고무 조성물을 제공할 수 있다.
상기 원료고무로는 천연고무, 합성고무 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 합성고무는 스티렌부타디엔고무(SBR), 또는 부타디엔고무(BR) 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 천연고무를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 카본블랙은 40 중량부 내지 70 중량부로 포함되는 것으로, 바람직하게는 카본블랙 N110, N220, N330, N550 등이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 가황제는 유황 또는 불용 유황이 사용될 수 있으며, 상기 가황제는 1 중량부 미만으로 사용될 경우 고무 경화도가 떨어져 기계적 물성이 저하될 수 있고, 2.5 중량부를 초과하여 사용할 경우, 과가교되어 고무의 탄성이 약해지게된다.
본 발명에서 상기 고무 조성물은 첨가제로 가공조제를 더 포함할 수 있다. 상기 가공조제는 지방산에스테르와 탄화수소계 화합물, 구체적으로는 융점이 35~100℃인 지방산 에스테르와 탄화수소계 화합물, 스테아린산, 지방산류 등을 사용할 수 있으며, 첨가시 그 함량은 원료고무 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부 범위인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 고무 조성물은 첨가제로 노화방지제를 더 포함할 수 있다. 상기 노화방지제는 트리메틸 퀴놀린, 디하이드퀴놀린 또는 페닐다이아민 등이 사용될 수 있으나, 상기 종류에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 고무 조성물은 첨가제로 가소제를 더 포함할 수 있다. 상기 가소제는 프탈레이트계 가소제, 아디페이트계 가소제, 또는 아크릴레이트계 가소제 등이 사용될 수 있으나, 상기 종류에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 고무 조성물로 형성된 궤도차량용 고무를 제공할 수 있다. 상기 궤도차량용 고무는 분말 형태의 가황촉진제를 사용한 경우에 비하여 향상된 내구특성을 가진다.
따라서 본 발명의 마스터배치 조성물을 통해 제조된 고무는 물성이 우수하면서도 내구성이 우수하여 수명이 향상될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명할 것이다.
[실시예]
<마스터배치의 제조>
궤도차량의 고무에 사용하기 위한 가황촉진제를 마스터배치 형태로 제조하기 위하여, 하기 표 1의 성분 및 함량으로 궤도 몸체용 탄성체 조성물을 다음과 같이 제조하였다.
구분 제조예 1 (MB1) 제조예 2 (MB2) 제조예 3 (MB3) 제조예 4 (MB4)
천연고무
(중량%)		 25 15 8 35
TBzTD
(중량%)		 25 28 31 22
TBBS
(중량%)		 50 57 61 43
합계
(중량%)		 100 100 100 100
먼저, 천연고무(SMR-3L)에 가공촉진제로 TBzTD (tetrabenzylthiuram disulphide) 및 TBBS(N-tert-butyl-2-benzothiazyl sulfenamide)를 혼합시켜, 혼합물을 인터널 믹서기(internal mixer)를 통해 상온에서 1차 혼련시켰다. 그리고 가교조제와 가교제를 첨가한 후 오픈 롤-밀(roll-mill)을 통해 상온에서 2차 혼련시켰다.
또한, 상기 혼련이 완료된 컴파운드를 폭 약 45mm, 두께 약 15mm가 되도록 스트립 상으로 만든 다음, 스트립 상의 컴파운드를 Mold Press에 투입하여 탄성체 시편을 제조하였다. 이때, Mold Press의 공정조건은 약 10기압, 약 160℃의 조건에서 약 30분 동안 유지시켜, 마스터배치 시편을 제조하였다.
<궤도용 고무의 제조>
제조된 상기 마스터배치 시편을 이용하여, 하기 표 2에 나타낸 것과 같은 성분 및 함량으로 궤도용 탄성체 고무를 다음과 같이 제조하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
원료고무1)
(중량부)		 100 100 100 100 100
카본블랙 2)(중량부) 43 43 43 43 43
가황제(Sulfur) 3)(중량부) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
가황촉진제 4) 마스터배치
(중량부)		 MB1(2.5) MB2(2.5) MB3(2.5) MB4(2.5) -
TBzTD
(중량부)		 - - - - 7
TBBS
(중량부)		 - - - - 8
1) 원료고무 : 천연고무(chiplamseng, SMR CV60)
2) 카본블랙 : N220(OCI, ISAF)
3) 가황제 : Sulfur(미원화학, Sulfur)
4) 가황촉진제 : TBzTD(Flexsys, TBzTD), TBBS(금호석유화학, 상품명)
먼저, 원료고무 100중량부에 대하여 상기 표 2에 기재된 함량으로 카본블랙, 가황제, 가황촉진제를 준비하였다. 비교예 3의 경우 마스터배치를 사용하지 않고, 가황촉진제를 기존 방법과 같이 분말 형태로 첨가하여 제조하였다.
상기 원료고무에 카본블랙, 가황제, 및 가황촉진제를 혼합한 혼합물을 인터널 믹서기(internal mixer)를 통해 상온에서 1차 혼련시켰다. 그리고 가교조제와 가교제를 첨가한 후 오픈 롤-밀(roll-mill)을 통해 상온에서 2차 혼련시켰다.
또한, 상기 혼련이 완료된 컴파운드를 폭 약 45mm, 두께 약 15mm가 되도록 스트립 상으로 만든 다음, 스트립 상의 컴파운드를 Mold Press에 투입하여 탄성체 시편을 제조하였다. 이때, Mold Press의 공정조건은 약 10기압, 약 160℃의 조건에서 약 30분 동안 유지시켜, 고무 시편을 제조하였다.
실험예. 물성평가
<물성평가 방법>
(1) 분산성 평가
분산성 평가는 가황촉진제가 고무 조성물에 잘 분산되어 혼합되는지 확인한 것으로, 평가는 하기 기준에 따라 수행되었다.
◎ : 외관에 이물이 없으며, 0.1mm 이상의 물질 미확인 (광학현미경 X20)
○ : 외관에 이물이 없으며, 0.1 ~ 0.3mm 수준의 물질 존재
△ : 외관에 이물이 확인됨.
(2) 인장강도 측정
ASTM-D638의 규정에 따라, 만능시험기(universal testing machine, UTM)를 이용하여 제조된 시험편에 대하여 인장강도 및 연신률을 측정하였다. 이 때, Instron사(社)의 만능시험기가 사용되었다. 측정용 샘플은 아령 3호형으로 제작하여 50 mm/min 속도로 하여 파단시까지 평가하였다.
(3) 200% 모듈러스 측정
모듈러스는 M200(측정용 샘플이 200% 인장된 상태의 모듈러스)에 따라 측정되었다.
(4) 신장율 측정
노화후 신장 변화율이란 초기의 신장율 값 대비 노화 후 신장율의 차이를 초기의 신장율로 나눈 후 100을 곱한 값을 의미하는 것으로 상기 노화 조건은 70℃에서 166시간동안 노화를 진행시켜 평가하였다. 상기 신장율은 ASTM D573 법에 의거하여 평가하였다.
(5) 내구특성 측정
내구 시험을 위하여, 실시예 및 비교예의 조성물을 특별하게 제작된 분리형 Pin 을 활용하여 궤도차량의 고무를 제조하는 실제 공정에 투입하여 내구 시험을 위한 궤도 차량용 고무 시편을 제조하였으며, 상기 시편의 약 1/4 부분을 분리하여 내구 특성을 평가하였다.
제조된 시편을 대상으로, 3.8ton의 압축하중을 ± 15 degree의 비틀림(torsion) 각도로 피로를 가하여 시편의 변위가 5.7mm에 도달할 때까지 횟수를 측정하였다.
<특성평가 결과>
상기 방법으로 측정된 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3
물성 분산성 ○ ◎ ○ ○ ○
인장강도 232 240 200 210 205
200% 모듈러스 64 66 50 70 60
신장율 495 515 530 420 435
내구특성(회) 3.96만 4.1만 2.9만 2.1만 2.2만
상기 표 1의 결과로부터, 약품의 분산성은 천연고무이든 합성고무이든 마스터배치로 제조하여 첨가하는 경우 공히 향상됨을 알 수 있으나, 천연고무를 기본으로 하여 일정 함량 이상으로 가황제를 혼합하여 얻어진 마스터배치를 사용한 경우 모듈러스, 신율 및 인장강도 등 물성이 우수함을 알 수 있다.
상기의 실시예 1,2의 결과를 확인해보면, 비교예 1과 비교하여 물성이 우수하며, 특히 내구 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 내구특성에 있어서 실시예 1,2는 비교예 1,2와 비교하여 내구성이 약 30% 이상 증가하는 결과를 얻을수 있다.
상기의 실시예 1,2는 MB가 적용되지 않은 비교예 3과 비교해서도 70% 이상의 우수한 내구특성을 보임을 알수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 천연고무를 기본고무로 하고 여기에 가황촉진제를 다량 함유하여 제조한 마스터배치를 궤도차량용 고무 조성에 가황촉진제로서 첨가하는 경우, 마스터배치가 아닌 분말 형태로 첨가한 것과 비교하여 우수한 분산성을 나타내며, 이로 인해 분말이 날리는 등의 문제를 해결할 수 있다는 것을 확인하였다.
합성고무를 기본고무로 하여 제조된 종래 마스터배치(궤도차량용 고무)와 비교하여, 본 발명의 궤도차량용 고무는 천연고무만을 포함하는 것에도 불구하고, 여타의 물성이 향상될 뿐만 아니라, 별도의 합성고무와의 혼합이나 흡착성 분체의 첨가없이도 우수한 가공성 및 분산성을 나타낼 수 있어 오픈 롤에서 배합이 이루어지는 궤도차량용 고무의 제조 등에 특히 유용하는 것이 확인되었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 천연고무 10 내지 30 중량%; 및
    가황촉진제 70 내지 90 중량%를 포함하는,
    궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가황촉진제는
    테트라벤질티우람 디설파이드, N-tert-부틸-2-벤조티아질 설펜아미드, 디벤조티아질 디설파이드, N-사이클로헥실-2-벤조티아질 설펜아미드, 헥사메틸렌 테트라아민, 테트라메틸 티우람 디설파이드 및 N,N-디페닐 구아니딘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가황촉진제는 테트라벤질티우람 디설파이드 및 N-tert-부틸-2-벤조티아질 설펜아미드를 포함하는 것인, 궤도차량의 고무 제조용 마스터배치 조성물.
  4. 제1항의 마스터배치 조성물을 포함하는 궤도차량의 고무 조성물로서,
    원료고무 100 중량부에 대하여,
    카본블랙 40 내지 70 중량부, 가황제 1 내지 2.5 중량부, 및 상기 제1항의 마스터배치 조성물 1 내지 3 중량부를 포함하는, 궤도차량의 고무 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원료고무는 천연고무 또는 합성고무인 것을 특징으로 하는, 궤도차량의 고무 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 합성고무는 스티렌부타디엔고무(SBR) 또는 부타디엔고무(BR)인 것을 특징으로 하는, 궤도차량의 고무 조성물.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 가황제는 유황 또는 불용 유황인 것을 특징으로 하는, 궤도차량의 고무 조성물.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 고무 조성물은 가공조제, 노화방지제 및 가소제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는, 궤도차량의 고무 조성물.
  9. 제4항의 고무 조성물로 형성된 궤도차량의 고무.
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