KR20210101655A - 플라스틱 복합소재 - Google Patents

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KR20210101655A
KR20210101655A KR1020200015895A KR20200015895A KR20210101655A KR 20210101655 A KR20210101655 A KR 20210101655A KR 1020200015895 A KR1020200015895 A KR 1020200015895A KR 20200015895 A KR20200015895 A KR 20200015895A KR 20210101655 A KR20210101655 A KR 20210101655A
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윤주호
박준영
강원경
윤정환
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한국자동차연구원
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Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 티탄산칼륨 입자가 첨가된 플라스틱 복합소재는, 플라스틱을 포함하는 기지재; 및 상기 기지재에 첨가되는 필러;를 포함하고, 상기 필러는 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 구비하는 마찰제를 포함한다.

Description

플라스틱 복합소재{Plastic composite}
본 발명은 플라스틱 복합소재에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자동차용 경량 부품에 적용되는 내마모 윤활성 플라스틱 복합소재에 관한 것이다.
자동차 산업에서 환경 규제에 대응하기 위하여 부품 경량화가 가장 현실적인 대안으로 떠오름에 따라 내장 인테리어뿐만 아니라 외장재, 엔진부품에서도 경량화가 빠르게 진행되고 있다. 기존 철강, 비철금속이 담당하던 부품을 범용 엔지니어링 플라스틱, 플라스틱 복합재료, 고무, 열가소성 엘라스토머 등으로 대체하려고 시도되고 있다.
최근에는 적용범위를 확대시키기 위하여 고성능화된 복합재료 개발에 대한 연구가 증가하고 있는 추세이다. 자동차용 각종 기어나 부싱류 부품의 경우 높은 치형 정밀도 구현의 어려움으로 인해 스틸 가공 풀리가 적용되고 있으나 경량화, 저소음화, 생산성 향상에 대한 요구가 지속적으로 제기되고 있다. 내마모성 복합재료는 강도가 높고 마찰계수가 낮으며 비중이 작아 자동차 부품 특히 이종소재간의 마찰에 의한 마모가 극심한 부품에 적합한 소재이다.
플라스틱 복합재료에 내마모성을 부여하기 위하여 표면장력이 낮은 윤활유(실리콘, 광유 등)를 수지에 첨가하는 방식이 사용되고 있다. 그러나, 플라스틱 소재와 친화성이 떨어지며, 마찰 손실로 인한 가공 상의 문제점을 수반할 수 있다.
또한, 열분해로 인한 열안정성 저해, 탄화 또는 분해물질의 영향으로 극한 구동조건 하에서는 마찰마모 특성을 제대로 발휘하지 못하는 문제점이 있다. 게다가, 탄소기반 저마찰 내마모성 나노 필러의 경우 뛰어난 전기적, 기계적 특성을 보유하고 있지만 가격이 고가이고 분산이 어려워 부품 성능 확보에 어려움을 겪고 있다.
한국등록번호 제10-0729014 (2007. 06. 08)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 고내마모성 및 고윤활성을 갖는 자동차 경량 부품용 플라스틱 복합소재를 제공하고자 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 플라스틱 복합소재는, 플라스틱을 포함하는 기지재; 및 상기 기지재에 첨가되는 필러;를 포함하고, 상기 필러는 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 구비하는 마찰제를 포함할 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 티탄산칼륨의 함량은 10중량% 이하(0 초과)일 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 티탄산칼륨의 함량은 5중량% 내지 10중량%일 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 첨가한 복합소재의 마모량은 마이크로 휘스커 형상(micro whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 첨가한 복합소재의 마모량보다 5배 내지 10배 상대적으로 더 적을 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 필러는 고체 윤활제를 더 포함할 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 고체 윤활제는 글리시딜(glycidyl) 또는 아민(amine) 반응기로 개질 처리될 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 고체 윤활제는 MoS2 또는 PTFE 입자를 포함할 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 티탄산칼륨 입자는 글리시딜(glycidyl) 반응기로 개질 처리될 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 기지재는 나일론66(PA66)을 포함할 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 티탄산칼륨은 K2Ti6O13일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 플라스틱 복합소재는, 플라스틱을 포함하는 기지재; 및 상기 기지재에 첨가되는 필러;를 포함하고, 상기 필러는, 봉상형(bar type) 또는 마이크로 휘스커 형상(micro whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 구비하는 마찰제; 및 고체 윤활제;를 포함할 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 고체 윤활제는 글리시딜(glycidyl) 또는 아민(amine) 반응기로 개질 처리될 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 고체 윤활제는 MoS2 또는 PTFE 입자를 포함할 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 티탄산칼륨 입자는 글리시딜(glycidyl) 반응기로 개질 처리될 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 기지재는 나일론66(PA66)을 포함할 수 있다.
플라스틱 복합소재에 있어서, 상기 티탄산칼륨은 K2Ti6O13일 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 자동차용 기어부품은, 상술한 플라스틱 복합소재 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 복합소재는 표면 개질 처리된 필러를 첨가하여 높은 내마모성과 고윤활성을 갖는 자동차 경량 부품뿐만 아니라 항공, 군사, 전기 및 부품 산업 분야에도 활용될 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨의 미세조직 및 입도분포를 분석한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 크기별 플라스틱 소재의 마모특성을 비교분석한 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 윤활제 및 티탄산칼륨 첨가에 따른 PA66 복합소재의 인장강도를 비교분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 윤활제 및 티탄산칼륨 첨가에 따른 PA66 복합소재의 굴곡탄성률을 비교분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 윤활제 및 티탄산칼륨 첨가에 따른 PA66 복합소재의 경도를 비교분석한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필러의 종류 및 함량별 Taber 마모시험 전/후 PA66 복합소재의 마모량을 비교분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 필러의 종류 및 함량별 Taber 마모시험 전/후 PA66 복합소재의 마모흔을 정리한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 복합소재는 엔지니어링 플라스틱을 포함하는 기지재와, 이러한 기지재에 첨가되는 필러를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기지재는 엔지니어링 플라스틱으로 폴리아미드계 수지를 포함할 수 있다. 폴리아미드계 수지는 분자 중에 아미드결합을 가지는 합성고분자 재료이다. 이러한 폴리아미드계 수지의 대표적인 것으로 듀폰의 상품명인 나일론을 들 수 있다. 나일론은 자기 윤활성이 풍부하고, 마찰계수가 작고 내마모성이 뛰어난 재료이고, 또한 내충격성, 내열성도 좋아 넓은 용도를 가진다. 나일론 중 나일론6(PA6), 나일론66(PA66)이 자동차용으로 많이 이용되고 있고, 특히 나일론6보다 흡습성이 적고, 인장강도가 큰 나일론66(PA66)이 자동차 부품으로 많이 사용되고 있다.
필러는 기지재가 갖는 기계적 물성을 보다 향상시키기 위해서 첨가된다. 예를 들어, 필러는 기지재에 내마모성 및 윤활성을 향상시키 위해서 높은 내마모성 및 윤활성을 갖는 입자들을 포함할 수 있다. 나아가, 필러는 기지재의 내열성, 마찰성능, 마모성능 등을 더 향상시키는 역할을 한다.
필러는 마찰제를 포함한다. 예를 들어, 상기 마찰제는 티탄산칼륨 입자를 포함할 수 있다. 상기 티탄산칼륨은 K2Ti6O13을 포함한다. K2Ti6O13은 플라스틱 충진재로 사용될 경우 내마모성, 내구성 등 물리적 특성을 향상시키는 역할을 하며, 화학적으로도 안정해 자동차, 항공, 군사, 전기 등 산업 전반에 활용이 가능하다.
일 예로서, 상기 티탄산칼륨 입자는 나노 휘스커(nano whisker) 형상을 가질 수 있다. 여기서, 상기 티탄산칼륨 입자는 글리시딜(glycidyl) 반응기로 개질 처리될 수 있다. 또, 상기 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 첨가한 복합소재의 마모량은 마이크로 휘스커 형상(micro whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 첨가한 복합소재의 마모량보다 5배 내지 10배 더 적기 때문에 별다른 첨가제 없이 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨 입자만 단독으로 사용할 수 있다.
상기 티탄산칼륨의 함량은 10중량% 이하(0 초과)일 수 있다. 티탄산칼륨 입자의 크기가 나노단위이기 때문에, 함량이 10중량%를 초과할 경우, 티탄산칼륨 입자의 뭉침 현상 때문에 이를 제한해야 한다. 그러나, 티탄산칼륨의 함량이 매우 적을 경우, 높은 내마모 특성을 유지하기 어렵기 때문에, 바람직하게는, 5중량% 내지 10중량%의 함량을 가질 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 하기 실험예를 통해 후술한다.
다른 예로서, 상기 티탄산칼륨 입자는 봉상형(bar type), 마이크로 휘스커(micro whisker) 형상을 가질 수 있다. 봉상형 또는 마이크로 휘스커 형상의 티탄산칼륨 입자의 첨가량이 동일할 경우, 상기 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 첨가한 복합소재 대비 마모량이 상대적으로 많다. 따라서, 마이크로 휘스커 형상의 티탄산칼륨 이외에 반드시 고체 윤활제를 포함해야 한다.
필러는 상기 마찰제 외에도 고체 윤활제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체 윤활제는 MoS2(이황화몰리브덴) 또는 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌, Polytetrafluoroethylene) 입자를 포함할 수 있다.
고체 윤활제인 층상구조의 MoS2은 외부 전단 응력 (shear stress) 발생 시 슬립(slip)에 의해 저마찰 성능이 구현되며 트랜스퍼 필름(transfer film) 형성으로 인해 건조한 환경이나 압력에 의한 마찰계수 변화가 적고, 높은 작동온도 및 산화에 대한 내구성이 우수하다.
고체 윤활제인 PTFE는 융점이 327℃ 부근인 결정성 고분자로 내약품성과 내후성이 우수하며 표면불활성으로 인해 낮은 마찰계수를 갖는다.
이러한 마찰제 및 고체 윤활제는 기지재에 첨가하기 전에 표면 개질 처리될 수 있다. 예를 들어, 글리시딜(glycidyl) 또는 아민(amine) 반응기로 고체 윤활제 및 마찰제의 표면 개질 처리를 수행할 수 있다. 이러한 표면 개질 처리로 기지재와 필러 사이의 계면 점착력 및 친화성이 증진되고 분산성이 향상되어 고분자 사슬이 더 견고해질 수 있다. 이에 따라, 복합소재의 기계적 특성이 향상될 수 있다.
이러한 마찰제 및 고체 윤활제를 엔지니어링 플라스틱에 첨가함으로써 기계적, 열적 특성을 개선하고 윤활 특성을 부여함으로써 내마모 고윤활성 플라스틱 복합소재를 제조할 수 있다. 나아가, MoS2, 티탄산칼륨(판상, 봉상, 섬유상) 표면에 커플링제를 도입하여 기지재와의 상용성을 증진시킴으로써 복합소재의 기계적 특성, 내열 특성, 마찰특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
이러한 내마모 윤활성 복합소재는 높은 기계적 특성으로 인해서 자동차 부품용으로 사용될 수 있고, 특히 높은 내마모성 및 윤활성을 요하는 자동차 기어 부품용으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 내마모 윤활성 플라스틱 복합소재를 포함하는 자동차 기어부품이 제공될 수 있다. 예를 들어, 전자식 조향장치의 모터 구동부에 사용되는 웜휠 기어 부품이나 제동 기어 부품으로 이러한 복합소재가 사용될 수 있다.
이하에서는 PA66 기자재를 사용하면서, 마찰제와 고체 윤활제의 첨가조건에 따른 플라스틱 복합소재의 물성을 실험한 결과를 설명한다.
플라스틱 복합소재는 이축압출기를 이용하여 250℃ 내지 285℃ 온도 범위에서 제조되었고, 대기 중에 존재하는 수분 흡수에 의한 물성 저하를 막기 위하여 압출과 사출 가공 전 약 85℃로 유지되어 있는 오븐에서 약 24시간 동안 건조되었다. 여기서, 사용된 마찰제는 크기와 형상이 각기 다른 티탄산칼륨(K2Ti6O13)을 제조하여 첨가하였다. 나노 크기의 티탄산칼륨은 고출력 마이크로웨이브 가열로 설비를 활용하여 제조하였으며, 봉상 형태의 티탄산칼륨은 5kW 파일럿(pilot) 규모의 설비를 활용하여 제조하였다. 또, 휘스커 형상의 티탄산칼륨은 4kW 이하의 소형 마이크로웨이브 가열로 설비를 활용하여 제조하였다.
이후에, 마찰제 및 고체 윤활제의 종류와 형태에 따른 PA66 복합소재 샘플들의 인장강도, 굴곡탄성률, 로크웰 경도(Rockwell hardness) 및 마모량을 각각 측정하였다. 여기서, 경도는 압입으로 생기는 영구변형에 대한 재료의 저항성으로 정의되며, 일반적으로, 경도가 높으면 내마모성이 우수한 것으로 판단한다. 또, 마모량은 주어진 하중 및 속도에서 구동시 마찰제에 접촉될 될 때 얼마나 많이 갈렸는지를 의미한다. 마모량이 많을수록 구동하면서 제품의 치수가 변화되고 성능을 저하시키기 때문에, 본 발명에서 적용하고자 하는 웜휠 및 풀리의 성능을 판단하는 중요한 기준으로 사용되었다. 일반적으로, 원반형의 시편을 테이버(Taber) 회전기구에서 돌리면서 마찰시킬 때, 감량되는 정도를 내마모성 기준으로 판단하는데, 본 발명에서 1kg의 하중으로 마모용 휠(H-18)을 시편위에서 눌러 주고 4000회를 회전시킨 다음, 감량된 시편의 무게를 mg 단위까지 측정하였으며, 초기 무게대비 변화율을 %로 측정하여 마모량을 확인하였다.
또한, ASTM G133 방법에 따라, 10Hz의 직선속도에서 100N의 힘을 주어지도록 셋팅한 후, 필러의 종류와 함량을 달리하여 제조된 복합소재에 대한 마찰계수를 측정하였다. 실험 초기 불안정한 영역을 제외한 안정한 영역에서의 평균값을 취해 최종 마찰계수로 사용하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨의 미세조직 및 입도분포를 분석한 결과이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 크기별 플라스틱 소재의 마모특성을 비교분석한 결과이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 고출력 마이크로웨이브 가열로 설비를 이용하여 제조된 티탄산칼륨은 나노 크기의 휘스커 형상을 갖는 것을 확인할 수 있었고, 입도분석 결과, 50㎛ 이하의 크기를 갖는 봉상형 티탄산칼륨과 120㎛ 이하의 크기를 갖는 마이크로 휘스커 형상의 티탄산칼륨 입자보다 작은 것으로 확인되었다.
도 2를 참조하면, 이론적으로, 액체 윤활제 또는 마이크로 크기의 내마모성 첨가제를 나노 분말로 대체할 경우 적은 함량으로도 다양한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 내마모성도 향상되어 부품 경량화와 신뢰성 확보에 유리할 것을 예측할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 윤활제 및 티탄산칼륨 첨가에 따른 PA66 복합소재의 인장강도를 비교분석한 결과이다.
도 3을 참조하면, PTFE 함량에 따른 PA66 복합소재의 인장강도는 PTFE의 함량이 각각 5wt%, 10wt%, 15wt%에서, 각각 71.3MPa, 69.9MPa, 68.3MPa을 보였다. 이 때, PTFE의 함량이 10wt% 이상 첨가되면 순수한 PA66 수지보다 인장강도가 저하되는 것으로 나타났다. PTFE는 탄소와 플로린으로 구성되어 화학적으로 안정하고, 극성이 없지만, PA66 수지는 강한 수소결합이 가능한 아마이드(amide)기를 가지고 있어 서로 혼합할 경우, 상용성이 떨어지고 보강에 의한 물성 향상은 거의 없을 것으로 판단된다.
한편, 크기와 형태가 각기 다른 3종의 티탄산칼륨이 각각 5wt% 첨가된 PA66 복합소재의 인장강도는 순수한 PA66 수지(69.6MPa)에 비해 5MPa 이상으로 상승하였다. 또, 10wt% 및 15wt% 함량의 티탄산칼륨이 첨가된 PA66 복합소재에서도 높은 강도를 유지하였다. 기계적 물성 측면에서는 5wt%가 최적의 함량으로 판단되며, 티탄산칼륨의 각 형상에 따른 인장강도의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
또한, 크기가 다른 MoS2을 사용하여 제조된 PA66 복합소재의 인장강도는 5wt% 함량이 첨가된 PA66 복합소재에서 80MPa 내지 81MPa을 보였다. 이는 PTFE와 티탄산칼륨을 첨가한 복합소재 대비 상대적으로 더 높은 수치를 갖는 것으로 확인되었다. 10wt% 및 15wt% 함량의 티탄산칼륨이 첨가된 PA66 복합소재에서도 유사한 강도를 유지하였다. 게다가, 동일한 필러 함량에서 MoS2의 입자크기(0.65㎛, 1.2㎛, 3.5㎛)에 따른 인장강도의 차이는 약 3MPa 이내로 미미한 것으로 확인되었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 윤활제 및 티탄산칼륨 첨가에 따른 PA66 복합소재의 굴곡탄성률을 비교분석한 결과이다.
도 4를 참조하면, PTFE 함량에 따른 PA66 복합소재의 굴곡탄성률은 5wt%, 10wt%, 15wt% 함량의 PTFE가 첨가된 PA66 복합소재에서, 각각 2,434.8MPa, 2,575.9MPa, 2,317.2MPa을 보였으며, 순수한 PA66 수지(2,605.7MPa)에 비해 낮아졌다. 이는 다른 무기 필러와 달리 유기물 형태인 PTFE는 자체의 강도가 낮아 혼합에 따른 보강효과가 크기 않고, 낮은 표면에너지로 인해 고분자 매트릭스와의 계면접착력이 떨어져 물성 저하를 야기한 것으로 판단된다.
순수한 PA66 수지에 티탄산칼륨을 첨가할 경우, 티탄산칼륨의 형상에 상관없이 함량에 비례하여 굴곡탄성률이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨으로 보강된 PA66 복합소재가 전반적으로 높은 수치를 보여 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨을 10wt% 첨가시, 3,475.1MPa까지 상승한 것으로 나타났다.
반면, MoS2가 첨가된 PA66 복합소재 역시 티탄산칼륨의 함량에 비례하여 굴곡탄성률은 증가하였고, 크기가 작을수록 높은 값을 보였다. 일반적으로, PA66 수지와 같은 결정성 고분자의 굴곡탄성률은 무기 필러의 함량을 늘리거나, 혹은 수지의 결정화도가 클수록 높은 것으로 알려져 있다. 또, 보강 입자 즉, K2Ti6O13의 입자 크기가 감소함에 따라 수지 매트릭스와 접촉하는 비표면적이 증가함으로써 기계적 특성이 개선되는 것으로 판단된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 윤활제 및 티탄산칼륨 첨가에 따른 PA66 복합소재의 경도를 비교분석한 결과이다.
도 5를 참조하면, 로크웰 경도계(R Scale)를 이용하여 분석한 순수한 PA66 수지 및 PA66 복합소재의 경도는, 동일한 함량 범위에서 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨으로 보강된 PA66 복합소재가 가장 높은 경도를 보였다. 반면, PTFE로만 보강된 PA66 복합소재는 5wt%, 10wt%, 15wt%에서 각각 119.5, 119.4, 118.3으로 나타나, 순수한 PA66 수지보다 낮은 수치를 갖는 것으로 나타났다.
한편, MoS2로 보강된 PA66 복합소재의 경도는 K2Ti6O13의 함량에 상관없이 120 내지 121 수준으로 나타나, 순수한 PA66 수지와 비슷한 수치를 보였고, 티탄산칼륨의 크기와는 상관없이 필러 자체 특성이 PA66 복합소재의 경도에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필러의 종류 및 함량별 Taber 마모시험 전/후 PA66 복합소재의 마모량을 비교분석한 결과이다.
도 6을 참조하면, 순수한 PA66 수지는 마모시험 후 약 0.74% 무게가 감소되었으나, PTFE, 티탄산칼륨, MoS2이 첨가된 PA66 복합소재는 마모량이 0.5% 이하로 현저히 줄어든 것을 확인하였다. 특히, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨이 5wt% 첨가된 PA66 복합소재에서 0.26%를 보여 가장 우수한 내마모 특성을 보였으며, PTFE가 첨가된 PA66 복합소재 역시 0.31을 보여 우수한 내마모 특성을 보였다.
PTFE가 첨가된 PA66 복합소재의 마모량은 PTFE의 함량에 비례하여 마모량이 각각 0.29%, 0.20%까지 줄어들었다. 반면, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨으로 보강된 복합소재는 10wt% 및 15wt% 함량의 PA66 복합소재에서 각각 0.35%, 0.44%을 보여 오히려 증가하는 것으로 나타났다.
자기윤활성을 갖는 PTFE 성분이 마모륜과의 접촉면에 많이 첨가될 경우, PTFE의 윤활특성으로 인해 마모량이 줄어들 것으로 예상된다. 또, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨과 같은 나노 입자로 보강된 복합소재는 저함량에서는 경도를 향상시키고, 상대적으로 마찰계수가 낮아 내마모성능이 우수하다. 그러나, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨 입자의 함량이 높아짐에 따라, 나노 입자의 뭉침현상이 발생하여 내마모 특성이 저하되는 것으로 판단된다. 따라서, 플라스틱 복합소재의 가공 시 필러의 뭉침 현상을 억제시키면서, 균일하게 분산시키는 것이 내마모성 확보를 위해 중요할 것으로 판단된다.
한편, 입자크기가 0.65㎛, 1.2㎛, 3.50㎛인 MoS2가 5wt%, 10wt%, 15wt% 첨가된 PA66 복합소재의 마모량은, MoS2의 함량에 상관없이 0.3% 내지 0.4% 수준을 보였으며, 특히, 3.50㎛ MoS2 입자가 첨가된 PA66 복합소재에서 가장 우수한 마모성능을 나타내었다.
표면개질된 티탄산칼륨과 PTFE를 함께 혼합하여 제조된 하이브리드 형태의 PA66 복합소재에 대한 마모량은 5wt% 및 10wt% 함량의 PTFE가 첨가된 샘플에서 각각 0.25%, 0.26%를 보여 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨 5wt%가 첨가된 PA66 복합소재(0.26%)와 비슷한 수준을 보였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 필러의 종류 및 함량별 왕복식 마모시험 전/후 PA66 복합소재의 마모흔을 정리한 사진이며, 하기 표 1 및 표 2는 도 7에 도시된 결과를 정리한 표이다.
[표 1]
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002
표 1, 표 2 및 도 7을 참조하면, 높은 결정화도와 내열성, 내마모성, 기계적 강도 등이 우수한 순수한 PA66 수지는 0.2894 수준의 마찰계수를 보였고, PTFE가 5wt%, 10wt%, 15wt% 첨가된 복합소재의 평균 마찰계수는 각각 0.1005, 0.0915, 0.0881으로 낮아진 것으로 확인 되었다. PTFE의 함량이 증가함에 따라 마찰계수가 점점 낮아졌으나, 5wt% 첨가에서 마찰계수 저감이 가장 큰 것으로 나타났다.
형상 및 크기가 다른 3종(마이크로 휘스커, 나노 휘스커, 봉상형)의 티탄산칼륨을 각각 5wt%, 10wt%, 15wt% 첨가하여 제조된 PA66 복합소재의 마찰계수는 모든 샘플에서 0.3 이상을 보여 순수한 PA66 수지 대비 오히려 마찰계수는 증가한 것으로 나타났다. 반면, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨이 첨가된 PA66 복합소재는 상대적으로 낮은 마찰계수(5wt%~0.3370, 10wt%~0.3023, 15wt% ~0.3410)를 유지하는 것으로 나타났다. 마이크로 휘스커 형상의 티탄산칼륨이 각각 5wt%, 10wt%, 15wt% 첨가된 PA66 복합소재의 평균마찰계수는 각각 0.356, 0.383, 0.384를 보였고, 봉상형의 티탄산칼륨이 첨가된 복합소재는 동일한 함량 범위에서 각각 0.394, 0.356, 0.397을 나타내었다.
즉, 휘스커 형상 또는 봉상형의 티탄산칼륨이 마찰시험 중 표면에 노출될 경우, 윤활특성 보다는 마찰제로서의 특성을 나타낼 것으로 보이며, 티탄산칼륨의 입자 크기가 작을수록 마찰계수는 낮아지고 윤활특성이 개선될 것으로 판단된다.
입자 크기가 0.65㎛, 1.20㎛, 3.50㎛인 MoS2을 첨가하여 제조된 PA66 복합소재의 마찰계수는 모든 샘플에서 0.4 이상을 보였다. 그러나, 0.65㎛의 MoS2를 5wt% 첨가한 PA66 복합소재는 0.3971로 상대적으로 더 낮은 것으로 나타났다.
플라스틱은 마찰열에 의해 결정의 융점이나 열변형 온도에 도달하면, 급격하게 마모가 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 왕복식 마찰 시험 후 순수한 PA66 수지의 무게는 약 0.0026g 감소하였다. PTFE가 첨가된 PA66 복합소재의 마모량을 살펴보면, PTFE의 함량에 상관없이 0.0028g 내지 0.0032g 수준을 보여 거의 유사하거나 오히려 증가하였다. PTFE는 마찰계수가 낮은 장점은 있으나 유기물 특유의 내열특성이 떨어지고 강도가 약해, 수지 매트릭스 내에서 보강효과가 거의 없으므로 고하중 고속 조건에서는 마모율을 증가시키는 원인이 될 것으로 판단된다.
마찰계수의 증가에도 불구하고, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨이 첨가된 PA66 복합소재는 순수한 PA66 수지 및 다른 보강재가 첨가된 PA66 복합소재에 비해 상대적으로 마모량이 적었는데(0.001g 이하), 이는 나노 입자를 사용함으로써 비접촉면적 증가에 따른 보강효과로 경도가 향상되었을 뿐만 아니라 마찰특성 역시 개선되어 나타난 결과로 판단된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨이 첨가된 PA66 복합소재는 상대적으로 마모가 적게 발생하였고, 마모시험 후 마모흔이 상대적으로 덜 선명한 것으로 확인되었다. 특히, 동일한 함량에서, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨이 첨가된 PA66 복합소재의 마모량은 마이크로 휘스커 형상의 티탄산칼륨이 첨가된 PA66 복합소재의 마모량보다 5배 내지 10배 상대적으로 더 적은 것으로 나타났다.
한편, 크기가 0.65㎛인 MoS2 입자를 5wt%, 10wt%, 15wt% 첨가했을 경우, 마모량이 각각 0.0077g, 0.0106g, 0.0136g으로 나타났으나, 3.5㎛인 MoS2 입자를 사용할 경우, 마모량이 각각 0.01g, 0.0127g, 0.0164g으로 나타났다. 즉, MoS2가 첨가된 PA66 복합소재의 경우, 전반적으로 입자크기가 작을수록 마모량이 적은 것으로 나타났다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 티탄산칼륨 입자가 첨가된 플라스틱 복합소재는 PA66 기지재에 필러를 첨가하되, 이 경우, 나노 휘스커 형상의 티탄산칼륨 입자로 인해, 별도의 고체 윤활제가 없어도 원하는 수준의 높은 마모성 및 고윤활성을 만족할 수 있다. 윤활 특성을 더 향상시키기 위해서, MoS2 및 PTFE와 같은 윤활제를 더 추가할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 티탄산칼륨 입자가 첨가된 플라스틱 복합소재는 PA66 기지재에 필러를 첨가하되, 상기 필러는 봉상형(bar type) 또는 마이크로 휘스커 형상(micro whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 구비하는 마찰제 및 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 이 경우, 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자보다 크기가 상대적으로 더 큰 티탄산칼륨 입자를 사용하기 때문에, 내마모성 및 윤활특성을 위해서 반드시 고체 윤활제를 포함해야한다.
이렇게 제조된 티탄산칼륨 입자가 첨가된 플라스틱 복합소재는 우수한 마모성능을 보이고 가격 역시 저렴해 고내구성, 내마모성 플라스틱 보강재로 사용 가능하기 때문에, 자동차용 조향 및 제동 기어부품에 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 플라스틱을 포함하는 기지재; 및
    상기 기지재에 첨가되는 필러;를 포함하고,
    상기 필러는 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 구비하는 마찰제를 포함하는,
    플라스틱 복합소재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 티탄산칼륨의 함량은 10중량% 이하(0 초과)인,
    플라스틱 복합소재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 티탄산칼륨의 함량은 5중량% 내지 10중량%인,
    플라스틱 복합소재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 휘스커 형상(nano whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 첨가한 복합소재의 마모량은 마이크로 휘스커 형상(micro whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 첨가한 복합소재의 마모량보다 5배 내지 10배 상대적으로 더 적은,
    플라스틱 복합소재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러는 고체 윤활제를 더 포함하는,
    플라스틱 복합소재.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 고체 윤활제는 글리시딜(glycidyl) 또는 아민(amine) 반응기로 개질 처리된,
    플라스틱 복합소재.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 고체 윤활제는 MoS2 또는 PTFE 입자를 포함하는,
    플라스틱 복합소재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 티탄산칼륨 입자는 글리시딜(glycidyl) 반응기로 개질 처리된,
    플라스틱 복합소재.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지재는 나일론66(PA66)을 포함하는,
    플라스틱 복합소재.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 티탄산칼륨은 K2Ti6O13인,
    플라스틱 복합소재.
  11. 플라스틱을 포함하는 기지재; 및
    상기 기지재에 첨가되는 필러;를 포함하고,
    상기 필러는,
    봉상형(bar type) 또는 마이크로 휘스커 형상(micro whisker type)의 티탄산칼륨 입자를 구비하는 마찰제; 및
    고체 윤활제;를 포함하는,
    플라스틱 복합소재.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고체 윤활제는 글리시딜(glycidyl) 또는 아민(amine) 반응기로 개질 처리된,
    플라스틱 복합소재.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 고체 윤활제는 MoS2 또는 PTFE 입자를 포함하는,
    플라스틱 복합소재.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 티탄산칼륨 입자는 글리시딜(glycidyl) 반응기로 개질 처리된,
    플라스틱 복합소재.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 기지재는 나일론66(PA66)을 포함하는,
    플라스틱 복합소재.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 티탄산칼륨은 K2Ti6O13인,
    플라스틱 복합소재.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 플라스틱 복합소재를 포함하는, 자동차 기어부품.
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