KR101205493B1 - 구조물 탄성받침용 고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조물 탄성받침용 고무 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 구조물 탄성받침용 고무 조성물은, 합성고무 100 중량부와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 30 ~ 60 중량부의 탄소섬유와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 30 ~ 80 중량부의 카본블랙과, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부의 연화제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부의 노화방지제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 2 ~ 10 중량부의 가류제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부의 가류촉진제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부의 가류촉진조제를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 고무를 제조하는 과정에서 탄소섬유를 원료로 첨가하여 탄소섬유가 다른 재료와 고루 혼합된 채 제조됨으로써 탄성받침을 제조하는 과정이 보다 간소화될 수 있게 되고, 탄소섬유가 판상으로 별도 제조되는 것이 아니라 단섬유 상태로 다른 재료와 골고루 혼합되어 있음으로 인해 탄소섬유의 박리 현상의 발생을 최소화하여 탄성받침의 수명을 증가시킬 수 있게 되며, 단섬유 상태의 탄소섬유가 첨가됨은 물론 고무 조성을 특정하게 한정지어 별도의 베이스플레이트 없이도 탄성받침의 요건을 만족시킬 수 있게 된다.

Description

구조물 탄성받침용 고무 조성물{Rubber conposition for structure strut}
본 발명은 건물 및 교량 등의 구조물을 외부의 충격 및 지진 등으로부터 보호하기 위해 구조물의 바닥 또는 중간에 삽입하는, 구조물 탄성받침용 고무 조성물 에 관한 것으로, 제조가 보다 용이하고, 인장강도 및 경도 조건, 신장율 조건을 만족하면서 비중이 작아 취급이 용이한, 구조물 탄성받침용 고무 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 탄성받침은 도로교량이나 철도교량 및 기타 특수한 기능의 구조물에 있어서 상부 구조물의 하중을 안전하게 전달하며, 회전 및 상부 구조물의 변형으로 발생되는 구조물의 거동을 안전하게 수용하기 위한 목적으로 널리 사용되고 있는 받침 종류 중 하나이다.
즉, 탄성받침은 상부구조에 작용하는 하중을 안전하게 하부구조에 전달하는 목적을 갖는 것으로서, 상부플레이트와 교각의 접촉부위가 변화될 수 있어야 교량으로서 충분한 하중 지탱능력을 갖추게 되어 충분한 소요수명을 누릴 수 있게 되므로, 일반적으로는 교각의 상부에 교좌장치를 설치하여 상부플레이트의 변위에 대응하면서 상부플레이트를 지지할 수 있도록 하고 있다.
그리고, 교량 및 기타 큰 하중을 지지하는 구조물인 경우, 탄성받침은 구조물의 안전성 및 유지관리에 대단히 중요하다.
이러한 탄성받침에 대한 기술로, "교량지지용 탄성받침"(한국 공개특허공보 제10-2003-0008056호, 특허문헌 1)이 공개된 바 있다.
상기와 같은 기술은 상부베이스플레이트와 하부베이스플레이트 사이에 탄성체를 설치하였다.
그런데, 상하부 베이스플레이트들은 통상적으로 스틸 재질로 이루어지게 되는데, 이때 강재의 표면처리에 비용이 소요되고, 강재의 부식에 따른 내구성 감소, 철판과 고무의 박리 현상 등에 따라 구조물에 심각한 손상을 야기하는 문제점이 있으며, 철판이 함께 구성되어 중량이 무거워 취급이 불편한 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위한 기술로, "섬유보강 탄성받침 및 그 제조방법, 그리고 이를 구비한 교량"(한국 등록특허공보 제10-0792244호, 특허문헌 2)이 공개된 바 있다.
상기 특허문헌 2는 반복 적층된 고무층 사이로 탄소섬유층이 끼워진 구조로 이루어져 별도의 베이스플레이트를 필요로 하지 않아 무게가 가벼워 취급이 용이한 장점을 갖는다.
그러나, 상기 기술은 제조 과정에서 각각 별도 제조된 고무와 탄소섬유를 반복하여 적층하고, 이를 고온 고압에서 가열 및 가압하여 일체로 성형하는 과정을 거쳐야 하므로 제조 공정이 복잡한 문제점이 있었다.
또, 판상으로 제조된 탄소섬유판이 고무층으로부터 박리되는 현상이 발생하게 되는 문제점도 있었다.
한편, 감쇠성능을 높이기 위해 고무 조성물에 탄소섬유를 첨가한 ""고감쇠 고무 조성물 및 이를 이용한 탄성받침"(한국 등록특허공보 제10-0971188호, 특허문헌 3)이 공개되기도 하였으나, 상기 특허문헌 3은 특허문헌 1과 같이 상부와 하부에 스틸 플레이트를 필요로 하는 것으로, 플레이트를 포함한 구성으로서야 탄성받침의 요건을 충족시키는 바, 아직까지 탄소섬유를 포함하고 별도의 상하부 플레이트 없이 탄성받침의 요건을 만족시키는 구성이 공개되지 못한 실정이다.
KR 10-2003-0008056 (2003.01.24) KR 10-0792244 (2007.12.31) KR 10-0971188 (2010.07.13)
본 발명의 구조물 탄성받침용 고무 조성물은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 고무를 제조하는 과정에서 탄소섬유를 원료로 첨가하여 탄소섬유가 다른 재료와 고루 혼합된 채 제조됨으로써 기존 탄성받침에 사용되는 철판을 대체할 수 있으면서 탄성받침을 제조하는 과정이 보다 간소화될 수 있게 하려는 것이다.
또, 탄소섬유가 판상으로 별도 제조되는 것이 아니라 단섬유 상태로 다른 재료와 골고루 혼합되어 있음으로 인해 탄소섬유의 박리 현상의 발생을 최소화하여 탄성받침의 수명을 증가시킬 수 있게 하려는 것이다.
보다 구체적으로, 고무, 카본블랙 등의 각 구성요소의 배합 및 선정을 한정하여 분자간 친화력을 높여 탄소섬유로 인해 발생하는 효과가 탄성받침 전체에 일체로 발생될 수 있게 하려는 것이다.
특히, 단섬유 상태의 탄소섬유가 첨가됨은 물론 고무 조성을 특정하게 한정지어 별도의 베이스플레이트 없이도 탄성받침의 요건을 만족시킬 수 있게 하려는 것이다.
본 발명의 구조물 탄성받침용 고무 조성물은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 합성고무 100 중량부와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 30 ~ 60 중량부의 탄소섬유와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 30 ~ 80 중량부의 카본블랙과, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부의 연화제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부의 노화방지제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 2 ~ 10 중량부의 가류제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부의 가류촉진제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부의 가류촉진조제를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 탄소섬유는 40 중량부, 카본블랙은 80 중량부, 연화제는 2 중량부, 노화방지제는 2 중량부, 가류제는 9 중량부, 가류촉진제는 1.5 중량부, 가류촉진조제는 2 중량부인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 탄소섬유는 길이가 0.1 ~ 20mm의 크기를 갖도록 분쇄된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 합성고무는 클로로프렌 고무로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 고무를 제조하는 과정에서 탄소섬유를 원료로 첨가하여 탄소섬유가 다른 재료와 고루 혼합된 채 제조됨으로써 기존 탄성받침에 사용되는 철판을 대체할 수 있으면서 탄성받침을 제조하는 과정이 보다 간소화될 수 있게 된다.
또, 탄소섬유가 판상으로 별도 제조되는 것이 아니라 단섬유 상태로 다른 재료와 골고루 혼합되어 있음으로 인해 탄소섬유의 박리 현상의 발생을 최소화하여 탄성받침의 수명을 증가시킬 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 고무, 카본블랙 등의 각 구성요소의 배합 및 선정을 한정하여 분자간 친화력을 높여 탄소섬유로 인해 발생하는 효과가 탄성받침 전체에 일체로 발생될 수 있게 된다.
특히, 단섬유 상태의 탄소섬유가 첨가됨은 물론 고무 조성을 특정하게 한정지어 별도의 베이스플레이트 없이도 탄성받침의 요건을 만족시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 탄소섬유를 나타낸 사진.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 시편의 일 실시예를 나타낸 사진.
이하 본 발명의 구조물 탄성받침용 고무 조성물에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 구조물 탄성받침용 조성물은, 합성고무 100 중량부와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 30 ~ 60 중량부의 탄소섬유와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 30 ~ 80 중량부의 카본블랙과, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부의 연화제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부의 노화방지제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 2 ~ 10 중량부의 가류제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부의 가류촉진제와, 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부의 가류촉진조제를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 탄소섬유는 40 중량부, 카본블랙은 80 중량부, 연화제는 2 중량부, 노화방지제는 2 중량부, 가류제는 9 중량부, 가류촉진제는 1.5 중량부, 가류촉진조제는 2 중량부로 이루어짐이 바람직하다.
특히, 상기 탄소섬유는 길이가 0.1 ~ 20mm의 크기를 갖도록 분쇄된 것이 좋다.
아울러, 상기 합성고무는 클로로프렌 고무로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성요소인 탄소섬유는 네이버 백과사전에 따르면 강도 10 ~ 20g/d, 비중 1.5 ~ 2.1로 내열성 및 내충격성이 뛰어나며, 탄성과 강도가 뛰어나다고 알려져 있다.
특허문헌 3에 따르면 탄서섬유를 파우더화하여 3 ~ 7중량% 사용하는 기술이 공개되어 있다.
이때, 7 중량% 이상 사용시에는 인장력이 저하되고, 경도가 높아져 안정성이 떨어진다고 알려져 있다.
그러나, 본 발명에서는 탄소섬유와 함께 첨가되는 각종 재료를 한정시킨 결과 탄소섬유가 주재료인 고무 100 중량부를 기준으로 30 ~ 60 중량부를 사용하여 탄소섬유가 전체 조성물 100 중량% 중 10% 이상 사용하도록 하면서 높은 인장강도를 유지할 수 있도록 하였다.
본 발명의 구성요소인 합성고무는 각 원료의 기준이 되는 주재료로써 여러 천연고무나 합성고무를 사용할 수도 있으나, 탄소섬유의 장점을 살리고, 단점을 최소화하기 위하여 클로로프렌 고무로 이루어짐이 바람직하다.
클로로프렌 고무는 클로로프렌을 산소의 존재로 중합시켜 제조된 것으로 강인하고 내유성, 내노화성이 좋은 것으로 알려져 있다.
클로로프렌 고무의 사용에 있어서도 일본 덴카(DENKA)사의 'S-40V'과 'M-40' 제품을 7 : 3의 비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
'S-40V'는 결정성이 대단히 느린 반면, 'M-40' 제품은 보통의 결정성을 갖는다.
이러한 클로로프렌 고무는 인장강도가 다른 고무에 비해 우수하다.
본 발명의 구성요소인 카본블랙은 합성고무 100 중량부 대비 30 ~ 80 중량부의 범위로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직하기로는 80 중량부로 구성됨이 좋다.
이러한 카본블랙을 상기 중량부 미만일 경우 인장강도나 전단계수 등 기계적 물성이 충분치 않아 바람직하지 않고, 상기 중량부 초과할 경우에는 고무 제조 과정상의 가공성이 저하되어 바람직하지 않을 뿐만 아니라 오히려 역가황에 의해 기계적 물성이 열화될 수도 있다.
이러한 카본블랙은 구조물의 진동 방지에 적용할 수 있는 고무조성물에 적합하게 사용될 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으나, 가장 바람직하기로는 HAF(High Abrasion Furnace)와 ISAF(Intermediate Super Abrasion Furnace)가 1 : 1의 중량비로 사용됨이 바람직하다.
이는 HAF의 경우 보강성 및 마모성이 좋고, 인장강도의 상승에 좋으며, ISAF의 경우 회전성 제품에 좋으므로 이 둘의 장점을 살리고자 함이다.
한편, 연화제는 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 2 중량부가 사용됨이 좋다.
연화제는 물질의 증발을 늦추고 고무 조성물에 이형성 및 윤활성을 부여하여 제품의 가공 안정성을 높이기 위한 것으로, 연화제에는 여러 종류가 있으나, 본 발명에서 가장 바람직한 구성으로는 프로세스 오일(P-oil) 또는 WB-212가 단독 또는 1:1의 중량비로 혼합되어 사용됨이 바람직하다.
노화방지제는 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 5 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 2 중량부가 좋다.
노화방지제는 고무의 내열성, 내굴곡성, 내산화성을 향상시키는 역할을 하는데, 예를 들어 N-페닐-N'-이소프로필-p-페닐렌디아민(N-phenyl-N'-isopropyl-p-phenylenediamine), 아세톤(acetone), p-아미노디페닐아민(paminodiphenylamine), 스티렌네이티드 페놀(styrenated phenol), 스티렌(styrene), 페놀(phenol), 2-머캅토벤즈이미다졸(2-mercaptobenzimidazole) 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 혼합한 것을 사용할 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 N'-이소프로필-N-페닐-- 페닐렌 디아민(N'-isopropyl-N-phenyl-- Phenylene diamine, 구마노사 제품명 '3C')을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
가류제(산화제)는 상기 합성고무 100 중량부 대비 2 ~ 10 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 9 중량부로 구성됨이 바람직하다.
이러한 가류제는 산화아연(ZnO)과 산화마그네슘(MgO)를 5 : 4의 중량비로 혼합 사용하는 것이 바람직하다.
가류제는 고무의 동적특성(dynamic characteristics)과 가공성이 우수해지도록 하고, 내열성 또한 개선될 수 있도록 하는 역할을 한다.
이러한 가류제를 상기 중량부 미만으로 과소 배합할 경우 가황속도의 활성화가 약해지고, 과잉배합할 경우에는 가황 속도 활성화가 커져서 스코치가 발생되어 고무의 성질이 약해지는 문제가 발생할 수 있다.
가류촉진제는 가류과정에서 가류 속도를 높이고 가류 온도의 저하나 가류 시간을 단축할 목적으로 첨가된다.
본 발명에서 가류촉진제는 상기 합성고무 100 중량부 대비 1.0 ~ 3.0 중량부로 구성됨이 바람직하며, 가장 바람직한 예로는 1.5 중량부가 좋다.
특히, 쥬우레아계(Thiourea)인 NA-22와 쥬유람계(Thjutam)인 TT가 2:1의 중량비로 사용되는 것이 바람직하다.
가류촉진조제는 폴리머의 가교 속도를 증가시키는 한편 측쇄(side chain) 반응을 방지하여 가교 밀도를 증가시키기위한 것으로, 본 발명에서는 가류촉진조제는 상기 합성고무 100 중량부 대비 1 ~ 3 중량부 사용됨이 바람직하며, 가장 바람직하기로는 스테아린 산(Stearic Acid) 2 중량부를 사용하는 것이 좋다.
아울러, 상기와 같은 구성에 배합물 표면의 점착성을 증대시켜주기 위한 점착부여제로 무동선, 내산, 내알칼리성, 내수성, 전기절연성이 우수한 CIR(구마론?인덴수지-Coumarone-indene Resins)가 추가로 포함될 수 있으며, 그 중량은 합성고무 100 중량부 대비 5 중량부 정도가 바람직하다.
이에 따른 가장 바람직한 조성의 실시예로는 클로로프렌 고무 100 중량부와, 이를 기준으로 탄소섬유 40 중량부, 카본블랙 80 중량부, 연화제 2 중량부, 노화방지제 2 중량부, 가류제 9 중량부, 가류촉진제 1.5 중량부, 가류촉진조제 2 중량부로 조성되는 것이 바람직하다 할 것이다.
특히, 상기 탄소섬유는 길이가 적게는 0.1mm에서 크게는 20mm의 크기를 갖도록 분쇄된 것이 바람직하며, 가장 바람직한 길이로는 5 ~ 15 mm가 좋다.
도 1에는 이러한 탄소섬유가 단섬유 형태로 뭉쳐 있는 상태가 도시되어 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의하여 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다 할 것이다.
< 실시예> 실시예 1의 시편 제조
표 2와 같이 실시예 1의 시험용 고무 시편을 제작하였다.
시편의 제작 공정은 다음과 같다.
1단계 : 원료 마스켓 숙성(오픈롤)
2단계 : 혼합1(밀폐식 혼합기)
3단계 : 탄소섬유 파쇄(롤)
4단계 : 혼합2(밀폐식 혼합기)
5단계 : 혼련작업(오픈롤)
6단계 : 카렌더 시트 작업
1단계, 4단계 및 5단계에서는 공냉 후 24시간 이상의 숙성 과정을 거쳤다.
2단계에서는 탄소섬유 외의 구성요소를 혼합하였으며, 4단계에서는 단섬유화된 탄소섬유를 첨가하여 혼합하였고, 5단계에서는 가류촉진제를 투입하였다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 시편을 나타낸 사진이다.
재 료 명 실시예 1 업체명 상품명 비고
합성고무 700 DENKA S-40V CR고무
합성고무 300 DENKA M-40 CR고무
탄소섬유 400 대우산업
카본블랙 400 orion Engineered Carbons Co. LTD N330 HAF
카본블랙 400 N220 ISAF
연화제 20 극동정유㈜ Process oil
노화방지제 20 KUMHO PETROCHEMICAL KUMANOX 3C
가류제 40 Martin Marietta specialties Inc Magchem 40 MgO
가류제 50 한일화학공업주식회사 Zinc Oxide ZnO
가류촉진제 10 PUYANG WILLING CHEMICALS CO.LTD RUBBER CHEMICAL ETU Na-22
가류촉진제 5 Northeast Auxiliary chemical Industry CO.LTD Rubber Accelerator TMTD CRANULAR TT
가류촉진조제 20 Socimas OLEOCHEMICAL STEARIC ACID
<실험예 1>
상기 실시예 1의 시편의 기계적 물성을 측정하여 아래 표 3에 나타냈다.
실험항목 실시예1 실험 방법
인장강도(Kg/㎠) 123 인장강도, 신장율은 KS M 6518에 준하여, 세종하이테크 인장인장, 신율시험기로 측정
경도 KS M 6518에 준하여 TECLOCK 사의 스프링A Type 경도기로 측정
신 장 율(%) 23
경 도(A Type) 98
상기 실험예에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 실시예의 고무시편은 탄성받침의 보강판 기준인 인장강도 120kg/㎠, 신장강도가 30%이하가 되어 조건을 만족하였으며, 경도 조건 95±5를 만족한 것을 알 수 있다.
또, 압축강도 시험 결과 단위면적 100 × 100 × 10의 시편을 기준으로 800kg/㎠의 하중에도 파괴되지 않는 것으로 나타났다.
즉, 금속재 플레이트를 사용하지 않고 고무 제조 과정에서 탄소섬유를 첨가함으로써 금속 플레이트로 사용되던 보강판과 같은 효과를 가질 수 있음을 알 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 탄소섬유판을 기존 탄성받침의 철판 대신 사용하게 되면, 탄소섬유판과 인접하는 고무판과 실질적으로 용해성 파라메타(Solubility Parameter)가 동일 또는 유사하여 인접한 고무판과의 접착이 잘 이루어져 박리 현상의 발생을 최소화할 수 있게 된다.
상기 실시예 1과 같이 제조된 시편은 상기와 같이 인장강도, 신장율, 경도가 기존의 탄성받침에 사용되는 금속판에 대응되는 요구 조건을 만족시킬 수 있게 되는 것은 물론, 철판의 비중이 7.8인 것에 비해 1.37 ~ 1.5 수준이 되어 무게가 현저히 감소하여 취급이 매우 용이해지게 된다.
또한, 실시예 1에 나타난 바와 같이 특허문헌 2와 같이 복잡한 절차 없이 비교적 단순한 공정으로 제조할 수 있게 되어 제조상의 원가를 절감할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따른 탄소섬유판은 그 자체로 단층으로 사용되거나 혹은 다층으로 적층하여 탄성받침으로 사용할 수도 있게 된다.
이 경우 기존의 탄성받침에 비해 구조가 현저히 단순화되면서 제조가 간편해지게 된다.
또, 탄소섬유가 기존 제품에 비해 다량 첨가되어 내열성 및 내충격성이 높아지게 됨 역시 자명하다 할 것이다.

Claims (4)

  1. 구조물 탄성받침용 고무 조성물에 있어서,
    합성고무 100 중량부와,
    상기 합성고무 100 중량부 대비 40 중량부의 탄소섬유와,
    상기 합성고무 100 중량부 대비 80 중량부의 카본블랙과,
    상기 합성고무 100 중량부 대비 2 중량부의 연화제와,
    상기 합성고무 100 중량부 대비 2 중량부의 노화방지제와,
    상기 합성고무 100 중량부 대비 9 중량부의 가류제와,
    상기 합성고무 100 중량부 대비 1.5 중량부의 가류촉진제와,
    상기 합성고무 100 중량부 대비 2 중량부의 가류촉진조제를 포함하여 구성된,
    구조물 탄성받침용 고무 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 길이가 0.1 ~ 20mm의 크기를 갖도록 분쇄된 것을 특징으로 하는,
    구조물 탄성받침용 고무 조성물.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 합성고무는 클로로프렌 고무로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
    구조물 탄성받침용 고무 조성물.
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