KR101267942B1

KR101267942B1 - 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물

Info

Publication number: KR101267942B1
Application number: KR1020110100110A
Authority: KR
Inventors: 신성민
Original assignee: 평화오일씰공업주식회사
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-05-27
Also published as: KR20130035667A

Abstract

본 발명은 가스차폐성이 우수한 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물을 개시한다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물은, ACN 함량이 30% 내지 38% 인 HNBR 고무로 이루어진 폴리머와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 120 내지 180 중량부인 MT 카본블랙으로 이루어진 충진제와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 소다 라임 보로 실리케이트글라스(soda-lime-borosilicate glass)를 포함한다.

Description

냉매 압축기용 오링의 고무 조성물{Rubber components of O-ring for refrigerant compressor }

본 발명은 냉장고를 비롯한 냉동공조장치에 적용되는 압축기에서 냉매와 냉동기유의 누출을 방지하는 오링의 고무조성물에 관한 것이다.

압축기는 저온저압의 냉매를 고온고압의 기체로 변환하여 응축기로 전달하는 냉장고의 주요한 기관 중 하나이다.

여기에 사용하는 오링(O-RING)은 고온고압의 환경에서 냉매와 냉동기유의 누출를 방지하는 역할을 하는 고무 부품이다. 압축기용 오링은 냉매뿐 아니라 냉동기유에 대한 저항성, 저온 및 고온고압의 환경에 대한 내성이 요구된다. 압축기용 O-RING의 이상발생 시 냉매 및 냉동기유의 누출로 인하여 냉동기 성능저하를 발생시킬 수 있다.

지금까지 냉매는 프레온가스가 주를 이뤄왔으며, 상기 냉매 압축기에 포함된 오링의 재료는 HNBR 고무가 주로 사용되었다.

프레온가스가 오존층파괴물질로 알려지며 대체냉매인 이산화탄소(CO2)가 주목 받고 있으나 이산화탄소 가스의 높은 투과성으로 인해 종래의 HNBR 고무로는 적용이 불가능하다.

즉, 이산화탄소는 고압으로 되고, 일반적으로 사용되는 고분자 재료에의 투과성 및 용해도가 높기 때문에, 발포가 발생하기 쉽고, 반대로 발포가 발생하지 않더라도 고분자 재료 자신이 이산화탄소를 투과하여 압력 유지나 밀봉이 곤란하다.

따라서, 이산화탄소의 투과성을 낮추기 위하여, 오링을 종래의 HNBR 고무 대신 부틸고무 조성물(일본 특개 2002-053718)로 적용하거나, 염소화 폴리에틸렌 또는 이와 염화비닐계 수지와의 혼합물(WO 01/09237)을 적용하는 방안이 강구되었다. 그러나 이 경우에는 내열성 및 내마모성이 열화되어서 냉매 압축기용 오링으로는 적합하지 않는다.

이를 보완하기 위하여, 아크릴로니트릴 결합량(ACN 함량)이 40% 이상인 HNBR 고무를 폴리머로 하고, 80 phr 이하의 카본블랙 및 40phr의 그라파이트로 이루어진 충진제를 배합하는 방안(일본 특개 2002-0800639, 한국등록특허 10-0709920)을 고려할 수 있다. 이 경우에는 20% 모듈러스의 값의 저하방지 및 가스 투과성 저하방지를 위하여 ACN 함량이 40% 이상으로 한정함으로써, 저온 유연성이 열화된다는 문제점이 있다.

또한, 충진제로 카본블랙 이외에 그라파이트를 사용함으로써 비용이 증가되고, 공정이 추가됨으로써 제조시간이 길어진다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 내가스 투과성 및 저온 유연성이 향상되는 동시에, 내마모성, 내열성이 우수한 냉매 압축기용 오링의 고무조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물은, ACN 함량이 30% 내지38% 인 HNBR 고무로 이루어진 폴리머와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 120 내지 180 중량부인 MT 카본블랙으로 이루어진 충진제와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 소다 라임 보로 실리케이트글라스(soda-lime-borosilicate glass)를 포함한다.

이 경우, 상기 HNBR 고무는 폴리머 무니 점도 ML₁₊₄(100℃)가 80 내지 95이고, 상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 황산바륨을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에서, ACN 함량이 30% 내지 38% 인 HNBR 고무로 이루어진 폴리머, 상기 폴리머 100 중량부 대비 120 내지 180 중량부인 N990 카본블랙으로 이루어진 충진제 및 상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 황산바륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물을 제공한다.

상기 폴리머 100 중량부 대비 11 내지 20 중량부인 가소제를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 가소제는 Bis(2-(2-Butoxyethoxy)Ethyl) Adipate일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고무 조성물로 제조된 오링은 내열성 및 저온유연성을 만족하는 동시에 가스차폐성을 만족함으로써, 이산화탄소 냉매를 가진 냉동공조장치에 적용가능하다.

또한, 충진제로 카본블랙만으로 이루어짐으로써, 비용이 저감되고, 공정이 단순화된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이 경우, 본 발명에 적용될 수 있는 냉매는 프레온 가스, 이산화탄소 등의 가스 냉매일 수 있다. 본 발명은 보다 바람직하게는 프레온 가스보다 가스차폐성이 어려운 이산화탄소 냉매를 가진 냉동공조장치에 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물은 폴리머와, 충진제와, 소다 라임 보로 실리케이트글라스(soda-lime-borosilicate glass)를 포함한다.

폴리머는 수소화 아크릴로니트릴 부타디엔 공중합 고무(HNBR 고무)로 이루어진다. 이 경우, 니트릴 함량이 30% 내지 38%이다.

한편, HNBR 고무의 ACN 함량을 38% 이하로 함으로써, 종래의 ACN 함량이 40% 이상의 HNBR 고무에 비하여 저온 유연성이 개선된다.

ACN 함량이 30% 미만인 경우에는 가스 투과성이 현저하게 증가되어 이산화탄소 차폐 효과가 없다.

충진제는 폴리머의 접착성을 향상시키는 한편, 가공성 및 보강성을 높이기 위한 것이다. 이 경우, 상기 충진제는 상기 폴리머 100 중량부 대비 120 내지 180 중량부인 MT 카본블랙으로 이루어진 것이 바람직하다.

MT 카본블랙은 중립열분해(Medium Thermal) 카본블랙이라고 하고, 카본 블랙 분자의 입자경이 201 내지 500nm인 것을 의미한다. 이 경우 상기 카본 블랙은 N990(ASTM CODE)인 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서는 카본 블랙을 통상의 충진제 량보다 과량으로 충전한다. 통상적으로는 카본 블랙을 100 중량부 이하로 배합한다. 이에 따라서 폴리머 분자 사이의 빈 공간을 메울 수 있어서 밀도가 증가하고 이에 따라서 가스 차폐성이 우수해진다.

이와 더불어 입경이 큰 카본블랙을 사용함으로써, 과량의 카본 블랙을 추가하더라도 혼련이 가능하게 된다. 만약 입경이 본 발명보다 작은 카본 블랙을 적용하게 되면 혼련이 잘 되지 않으며, 혼련이 되더라도 경도가 과도하게 상승하여 탄성을 잃어 제품적용에 문제점이 있다.

본 발명에 따르면, 입자가 큰 카본 블랙을 사용하고, 상기 카본 블랙을 과량으로 적용함으로써, 가스 투과성을 향상시킨다. 이 경우, 상기 충진제로 카본 블랙만을 사용할 수 있다. 즉, 가스 차폐성을 위하여 카본 블랙 외의 별도의 소재(예를 들어, 그라파이트)가 불필요하다. 이에 따라서 재료비가 저감되고, 공정이 간단해진다.

과충진으로 발생할 수 있는 경도가 과하게 커지는 현상은 가소제를 과하게 첨가함으로써 방지할 수 있다. 가소제는 고무의 가공성을 개선하는 동시에 제품에 유연성을 부여하기 위해 가해지는 물질이다. 종래에는 상기 가소제를 2 내지 10 phr 정도로 부여하였다. 그러나 본 발명에서는 상기 가소제를 11 내지 20 중량부로 과하게 혼련함으로써, 상기 카본 블랙의 과 충진으로 인한 경도 문제를 해결할 수 있다. 이 경우 상기 가소제는 Bis(2-(2-Butoxyethoxy)Ethyl) Adipate일 수 있다.

또한, 카본블랙만을 충진제로 적용함으로써 발생할 수 있는 내열성 및 마모 특성의 열화는, 소다 라임 보로 실리케이트글라스(soda-lime-borosilicate glass) 및/또는 황산바륨을 일정량 배합함으로써 보완가능하다.

소다 라임 보로 실리케이트글라스는 유리성분이고 안은 비어있는 구형태의 배합제이다. 안이 비어 있어 비중이 0.125~0.6 g/cc로 상당히 낮다.

상기 소다 라임 보로 실리케이트글라스는 구형태의 제품으로 제품가공 시 폴리머의 흐름성을 개선한다. 또한, 입자 안이 중공상태인 관계로 열이 내부로 전달되는 것을 방지하여 단열효과도 기대할 수 있다. 또한, 600℃ 고온에서 만들어진 입자가 유리성분이라 열 안정성이 뛰어나서 내열성이 보완되고, 내마모성 또한 보완 된다. 따라서 충진제로 카본블랙만으로 적용하여도 내열성 및 내마모성이 확보된다. 이 경우, 상기 소다 라임 보로 실리케이트글라스는 ㈜3M 사의 GLASS BUBBLE 일 수 있다.

한편, 상기 HNBR 고무는 폴리머 무니 점도 ML₁₊₄(100℃)가 80 내지 95일 수 있다. 폴리머 무니 점도가 80 이상 높아짐으로써 기계적 물성치가 향상된다. 종래에는 고무의 성형성 및 혼련성을 이유로 상기 무니점도를75보다 낮은 것을 사용하였다. 그러나 이러한 문제점은 첨가제로 황산바륨을 배합함으로써 해결된다.

황산바륨(BASO4)은 천연의 중정석을 분쇄하거나 화학반응을 통하여 제조된다. 통상적으로 황산바륨은 백색 안료로 사용되는 것이다. 즉, 고무가 백색을 낼 필요가 있는 경우, 상기 황산바륨을 1phr 이하로 배합하여서 사용하였다.

그러나, 본 발명에서는 상기 황산바륨이 열 및 용매에 대하여 안정적이여 카본블랙만을 사용한 배합에서 내열 및 내유 특성을 보완해 주는 기능을 한다. 또한, 상기 황산바륨 입자경이 0.1~1마이크로미터로 상당히 미세하여 인장강도, 인열강도의 보강효과도 있다. 또한, 고무와의 혼련성이 좋아 무늬점도가 높은 폴리머가 적용된 배합에서 가공성을 개선하는데 도움이 된다. 이 경우, 상기 황산바륨은 Solvay 사의 Blanc Fixe제품일 수 있다.

즉, 본 발명에서는 카본블랙만으로 된 충진제를 과량으로 배합하여서 가스 차단성을 차단하고, 카본블랙만을 충진제로 배합함으로써 열화되는 내열성 및 내마모성은 황산바륨 및/또는 소다 라임 보로 실리케이트글라스를 배합함으로 보완할 수 있다. 또한, 충진제의 과량 배합으로 인한 경도는 가소제를 과량 배합함으로써 조절할 수 있다.

또한, 폴리머를 ACN 함량이 낮은 HNBR 고무를 사용함으로써 저온 유연성을 확보하였고, 무니 점도를 높도록 하여서, 기계적 물성치를 향상시켰다.

한편, 본 발명은 가교제와 가교조제와, 노화방지제를 더 포함할 수 있다.

가교제(cross-linking agent)는 고무 조성물을 구성하는 단량체들을 상호 가교(cross-link)하는 기능을 한다. 본 발명에서는 가교제로서 과산화물 가황계를 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 가교제는 상기 폴리머 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부를 가지는 것이 바람직하다.

노화 방지제는 유기고분자 재료의 노화를 방지하는 역할을 한다. 노화방지제는 노화현상의 주요 인자인 산소에 의해서 자동 노화되는 연쇄반응을 정지시키는 작용을 한다. 본 발명에서는 노화방지제로 2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydroquinoline 및 SUNNOC(㈜대래신흥)을 적용할 수 있으며, 이 경우 폴리머 100 중량부 당 1 내지 5 중량부의 함량을 가질 수 있다.

가교조제는 고무 조성물의 가교 속도를 증가시키는 한편, 측쇄(side chain) 반응을 방지하여 가교 밀도를 증가시키기 위한 것이다. 본 발명의 가교조제는 스테아린산 및 산화마그네슘을 적용할 수 있으며, 이 경우 상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 3 중량부를가질 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 차량의 써머스탯 오링의 고무 조성물이 종래의 차량의 써머스탯 오링의 고무 조성물보다 저온 유연성이 우수함과 동시에 내열성 또한 우수하다는 것은 아래 표 1과 표 2에 의해 더욱 명확하게 이해될 수 있다.

표 1은 본 실험에서 사용된 본 발명에 따른 냉매 압축기용 오링의 조성물(이하, "실시예"라고 칭한다.) 및 종래 CO2 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물(이하, "비교예"라고 칭한다.)를 구성하는 물질을 비교하여 나타낸 것이다.

실시예는 비교예보다 ACN 함량이 낮은 HNBR 고무를 폴리머로 적용하였고, 충진제를 MT 카본블랙으로 과량 사용하였다. 또한, 가소제 또한 비교예 대비 과량으로 배합하였으며, 황산 바륨을 새롭게 추가 배합하였다.

구성성분(중량부)		비교예	실시예
폴리머	ZETPOL 1020¹⁾	100	0
폴리머	ZETPOL 2010²⁾	0	100
충진제	N990³ ⁾	50	150
가교제	PERCUMYL D⁴ ⁾	7	7
가교조제	MgO⁵ ⁾	5	5
가교조제	Steaic Acid⁶ ⁾	1	1
노화방지제	VULKANOX HS/LG⁷ ⁾	1	1
노화방지제	SUNNOC⁸ ⁾	1	1
가소제	RS-107⁹⁾	0	20
첨가제	Blanc Fixe¹⁰ ⁾	0	3
1) Zetpol 1020 : ACN 함량 44.2% HNBR POLYMER, ZEON 2) Zetpol 2010 : ACN 함량 36.2% HNBR POLYMER, ZEON 3) N990 : MT Carbon black, Cancarb 4) PERCUMYL D : Dicumyl Peroxide, NOF 5) MgO : Magnesium oxide, KYOWA Chemical 6) Stearic Acid : 스테아린산, NATOLEO 7) VULKANOX HS/LG : 2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydroquinoline, Lanxess 8) SUNNOC : Selected Special Wax, 大來新興 9) RS107 : Bis(2-(2-Butoxyethoxy)Ethyl) Adipate, ADENKA 10) Blanc Fixe : BaSO4, Solvay

표 2는 냉동기유침작시험, 저온회복시험, 및 압축 시험 결과 상기 실시예와 비교예의 물성을 비교 표시한 표이다. 이 경우, 냉동기유침적시험은 150℃의 주위 분위기에서 70시간 노출시킨 다음 그 경도 변화를 관찰하였으며, KS M 6518의 규격을 만족하였다.

저온회복시험은 저온 영역에서의 변형 회복성을 시험하는 것으로 TR-10 내한성 시험을 행하였다. TR-10은 미리 가해놓은 50%의 변형이 10% 회복할 때의 온도를 측정하는 시험을 말하는 것으로 메탄올을 침적시킨 상태에서 행하였다. 이 경우에도 KS M 6518의 규격을 만족하였다.

압축시험은 150℃의 주위 분위기에서 70시간 노출시킨 다음 그 압축영구줄음율 변화를 관찰하였으며, KS M 6518의 규격을 만족하였다.

또한, 실환경장착시험은 이산화탄소를 적용한 냉장고의 압축기에 장착하여 6개월간 진행되었다.

그 결과, 저온회복시험에서, 실시예는 10% 회복할 때의 온도가 -29.6℃로, 비교예의 -16.5℃보다 훨씬 저온에서 회복 가능하다. 이를 통하여 실시예는 저온 회복성이 우수함을 알 수 있다.

이와 더불어 압축시험을 통한 압축 영구줄음율(%) 시험 결과, 실시예는 비교예와 동일한 압축영구줄음율을 가짐으로써 기계적 물성치가 열화되지 않고 종래와 동등 수준임을 알 수 있다.

또한, 냉동기유 침적 시험에서 실시예는 체적이 줄어들어 이산화탄소의 침투로 인한 부피팽창 효과를 감쇄하여 내구성이 향상됨을 알 수 있다.

한편, 실환경 평가를 통하여 비교예는 냉장고의 성능이 저하되는 문제가 발생하였으나, 실시예는 그 성능을 유지하여 이산화탄소에 적합한 재료임을 알 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에 따른 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물은 비교예에 비하여 저온유연성이 우수함과 동시에, 내가스투과성이 향상됨을 알 수 있다.

항목		비교예	실시예	관련규격
냉동기유침적 (150℃×70H)	체적변화율(%)	+0.3	-5.1	KS M 6518
저온회복시험 (Methanol 침적)	TR-10(℃)	-16.5	-29.5	KS M 6676
압축시험 (150℃×70H)	압축영구줄음율(%)	23	23	KS M 6518
제품평가 (실환경장착)	냉장고 성능 TEST	FAIL	PASS	-

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

ACN 함량이 30% 내지 38% 인 HNBR 고무로 이루어진 폴리머;
상기 폴리머 100 중량부 대비 120 내지 180 중량부인 MT 카본블랙으로 이루어진 충진제;
상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 소다 라임 보로 실리케이트글라스(soda-lime-borosilicate glass); 및
상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 황산바륨;
을 포함하는 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물.
제1항에 있어서,
상기 HNBR 고무는 폴리머 무니 점도 ML₁₊₄(100℃)가 80 내지 95인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물.
ACN 함량이 30% 내지 38% 인 HNBR 고무로 이루어진 폴리머;
상기 폴리머 100 중량부 대비 120 내지 180 중량부인 MT 카본블랙으로 이루어진 충진제; 및
상기 폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 황산바륨;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 폴리머 100 중량부 대비 10 내지 20 중량부인 가소제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물.
제4항에 있어서,
상기 가소제는 Bis(2-(2-Butoxyethoxy)Ethyl) Adipate인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 오링의 고무 조성물.