KR20180061611A - 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법 - Google Patents

절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따르면, 절단된 파라 아라미드 섬유를 고무 내에 고르게 분산시켜 기존의 방식에 비하여 내구성(또는 내마모성) 및 강도가 획기적으로 향상되면서도 경제성이 높은 실링 부품을 제조할 수 있다.

Description

절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법{manufacturing method of sealing parts having high durability using chopped para-aramid fiber}
본 발명은 실링 부품 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일정 길이로 절단된 파라 아라미드 섬유(para-aramid fiber)를 고무 마스터 배치(master batch)에 균일하게 분산시킨 다음 성형하여 내구성을 포함하는 기계적 특성이 현저히 향상된 실링 부품 제조 방법에 관한 것이다.
실링 부품은 선박, 항공기, 차량 등에서 누유 또는 누수 나아가 이로 인한 안전성 저하 및 유지보수 비용의 증가를 일으킬 수 있는 중요한 부품이다. 예컨대, 선박의 대형화에 따라 파도에 의한 호깅(hogging) 및 새깅(sagging)에 의한 모멘트의 증가로 실링 부품의 수축 이완 운동량이 증가하게 되고, 이로 인하여 실링 부품의 마모가 가속화되어 신축 이음(expansion joint)에 누유 또는 누수가 발생할 가능성이 높아졌다. 이러한 누유 또는 누수로 인하여 화재나 전기 사고 등의 안전 사고의 발생이 증가될 수 있으며, 신축 이음에 대한 유지 보수 비용 역시 증가하게 된다.
그러므로 상술한 실링 부품으로 인한 문제점을 해결하기 위해서는, 통상적으로 고무를 이용하여 제조되는 실링 부품의 내구성(또는 내마모성) 및 강도를 증가시키는 것이 필요하다. 이러한 조치로, 고강도 PET나 아라미드 등으로 이루어진 슈퍼 섬유 직물시트와 고무 시트를 적층하여 실링 부품을 제조하는 제1 방식이 이용되고 있다. 그러나 이 경우에는 고가의 섬유를 직물로 제조해야 하므로 원가가 높을 수밖에 없고 나아가 마찰로 인한 직물 시트와 고무 시트 사이의 접착력 약화로 EXP 내에서 시트 간 박리 현상이 발생하는 문제점이 있다.
실링 부품의 내구성 및 강도를 증가시키기 위한 다른 방안으로 절단된 폐타이어 코드나 나일론 등의 섬유를 보강재로 이용하여 실링 부품을 제조하는 제2 방식이 있다. 그러나 이러한 방법은 제조 과정이 용이한 장점은 있으나, 제품의 강도 및 품질을 높이기 어려운 단점이 있다.
상술한 방식들의 문제점을 보완하기 위한 새로운 방식으로 고무에 절단된 슈퍼 섬유(chopped super fiber)를 고르게 분산시켜 실링 부품을 제조하는 제3 방식이 있을 수 있다. 이러한 제3 방식은 제1 방식 대비 원가를 절감하면서 박리 현상을 방지할 수 있고, 제2 방식 대비 우수한 강도와 품질의 제품을 제조할 수 있는 장점을 가질 수 있다.
그러나 슈퍼 섬유는 절단 자체가 어려운 문제점이 있고, 외부 마찰에 의한 피브릴 현상이 심하고 이로 인하여 열처리 시 강도 저하가 심하여(특히 아라미드 섬유), 고무와의 접착력이 약하여 고무 보강재로 사용하는 데에는 문제점이 많은 실정이다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 절단된 파라 아라미드 섬유를 고무 내에 고르게 분산시켜 기존의 방식에 비하여 내구성(또는 내마모성) 및 강도가 획기적으로 향상되면서도 경제성이 높은 실링 부품을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 파라 아라미드 섬유 절단의 어려움을 해소하고, 피브릴 현상을 최소화시킬 수 있으며, 파라 아라미드 섬유와 고무 사이의 접착력을 강화시킬 수 있는 실링 부품 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법은, 파라 아라미드의 NH기와 탈수축합반응하여 파라아라미드와 수소결합을 형성하는 CH2OH기를 포함하는 RF(Resorcino Formaldehyde) 수지 및 상기 RF 수지의 OH기와 수소결합된 산소(O)를 포함하며 고무와의 접착력 강화를 위한 라텍스(latex)를 포함하는 접착 수지를 파라 아라미드 필라멘트사에 코팅하는 단계; 상기 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사를 0.5mm 내지 1.5mm의 길이로 절단하여 절단 파이버(chopped fiber)를 제조하는 단계; 상기 절단 파이버를 고무 마스터 배치(rubber masterbatch)와 믹싱(mixing)하여 절단 파이버가 분산된 배합고무를 제조하는 단계; 및 상기 배합 고무를 성형하여 실링 부품을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접착 수지는, 포르말린(formalin)과 레소시놀(resorcinol)의 몰비가 1.25 내지 1.5인 RF 수지와 라텍스가 1:6 내지 1:7의 비율로 혼합되되 농도가 12% 내지 20%인 RFL 수지일 수 있다. 상기 고무 마스터배치는, CR(Chloroprene Rubber), FKM(Fluorinated Rubber), 및 Q(silicon rubber) 베이스의 고무 마스터배치일 수 있다.
본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따르면, 절단된 파라 아라미드 섬유를 고무 내에 고르게 분산시켜 기존의 방식에 비하여 내구성(또는 내마모성) 및 강도가 획기적으로 향상되면서도 경제성이 높은 실링 부품을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법은, 파라 아라미드 섬유 절단의 어려움을 해소하고, 피브릴 현상을 최소화시킬 수 있으며, 파라 아라미드 섬유와 고무 사이의 접착력을 강화시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라서, 파라 아라미드 필라멘트사에 접착 수지가 코팅되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라서 접착 수지가 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사가 절단되는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라서 절단된 코팅 파라 아라미드 파이버와 미코팅 상태에서 절단된 파라 아라미드 파이버의 실제 사진을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에서의 접착 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라 실링 부품에서 피브릴 현상에 따른 엉김이나 고무와 파라미드 아라미드 사이의 박리가 방지되는 것을 나타낸다.
도 7은 다양한 고무 기반의 고무 마스터배치에 대해 다양한 길이의 접착 수지 코팅 파라 아라미드 절단 파이버를 혼합하여 제조된 실링 부품의 인장강도 테스트 결과를 나타낸다. 그리고 도 8 내지 도 10 각각은 CR 베이스, FMK 베이스, Silicon 베이스의 고무 마스터배치와 접착 수지 코딩 파라 아라미드 절단 파이버를 혼합하여 제조된 실링 부품의 인장 강도를 나타낸다.
도 11은 접착 수지 코팅 파라 아라미드 절단 파이버의 길이와 고무 마스터배치의 종류가 다르게 제조된 실링 부품의 단면 확대도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상 또는 기능상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법의 흐름도이다. 이하 상기 제조 방법에 대해 구체적으로 살펴본다.
먼저, 파라 아라미드 필라멘트사에 접착 수지를 코팅하여 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사를 제조한다(S100). 여기서, 상기 접착 수지는 파라 아라미드의 NH기와 탈수축합반응하여 파라 아라미드와 수소결합을 형성하는 CH2OH기를 포함하는 RF(Resorcino Formaldehyde) 수지 및 상기 RF 수지의 OH기와 수소결합된 산소(O)를 포함하며 고무와의 접착력 강화를 위한 라텍스(latex)를 포함할 수 있다. 이러한, 구조는 파라 아라미드와 고무 마스터배치 사이의 접착력을 극대화하는 효과를 발휘할 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 도 5를 참조하여 보다 상세히 살펴본다.
그리고 접착 수지의 코팅으로 인하여 파라 아라미드 섬유의 피브릴 현상에 따른 엉김이나 고무와 필라멘트 간 박리가 방지 효과가 향상될 수 있다. 이에 대해서는 향후 도 6을 참조하여 보다 상세히 살펴본다.
파라 아라미드 필라멘트사에 접착 수지가 코팅된 다음, 상기 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사를 0.5mm 내지 1.5mm 길이로 절단하여 절단된 파이버(chopped fiber)를 제조한 다음(S110), 상기 절단 파이버를 고무 마스터배치(masterbatch)와 믹싱하여 절단 파이버가 분산된 배합고무를 제조한다(S120). 그런 다음, 상기 절단 파이버가 분산된 배합고무를 성형하여 실링 부품을 제조한다(S130).
한편, 파라 아라미드 필라멘트사를 0.5mm 미만으로 절단할 경우 고무 내에서 고른 분산이 가능하나 절단 정밀도가 떨어질 수밖에 없고, 1.5mm 이상으로 절단할 경우 절단 용이성은 높으나 고무 내에서의 고른 분산이 어려운 문제점이 있다. 그러므로 본 발명에서는 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사를 0.5mm 내지 1.5mm 길이로 절단하여 고무 마스터 배치에 믹싱한다. 그리고 절단 파이버의 길이가 0.5mm 내지 1.5mm 범위로 설정된 것을 절단 정밀도 및 오차를 감안한 것이나, 절단 파이버의 길이는 1mm인 것이 바람직하다.
그리고 상기 파라 아라미드 섬유는 메타 아라미드 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌(ultra high molecular weight polyEthylene) 섬유 등 물리적 특성이나 화학적 특성이 매우 높은 섬유로 대체될 수 있다. 그러나 본 발명의 범위가 상술한 예들로 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라서, 파라 아라미드 필라멘트사에 접착 수지가 코팅되는 과정을 나타내는 도면이다.
권취 수단(110)에 감겨있는 파라 아라미드 필라멘트사가 풀리면서 접착 수지 저장 공간(120)을 통과하면서(dipping) 파라 아라미드 필라멘트사에 접착 수지가 코팅된다. 그런 다음 파라 아라미드 필라멘트사가 열처리 장치(130)를 통과하면서 건조 및 수지 함침이 수행되며, 그런 다음 권취 수단(140)에 감김으로써 접착 수지 코팅 과정이 마무리된다.
도 3은 본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라서 접착 수지가 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사가 절단되는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)는 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사가 절단 장치(200)로 투입되면서 일정 길이로 절단되는 것을 나타내며, 도 6의 (b)는 그 결과 파라 아라미드 필라멘트사가 1mm 내지 6mm 길이로 절단되는 것을 나타낸다. 이때, 투입량(가당 수), 투입 형태, 투입 속도, 진동체 메쉬 등의 공정 조건이나 절단 길이는 용도에 적합하도록 결정되어야 한다. 한편, 파라 아라미드 필라멘트사는 접착 수지에 코팅된 상태이므로 균일 절단 품질(절단 길이의 정밀도, 절단면의 균일성 등) 확보가 용이하다.
도 4는 본 발명에 따른 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라서 절단된 코팅 파라 아라미드 파이버와 미코팅 상태에서 절단된 파라 아라미드 파이버의 실제 사진을 나타낸다.
접착 수지 미코팅 상태에서 절단된 필라멘트사는 필라멘트가 분리되어 버리며 원사 표면 및 절단면이 균일하지 못한 것을 알 수 있다. 이 경우 절단 정밀도는 낮아질 수밖에 없으며 공정 과정에서 피브릴 현상이 일어날 수 있고, 고무와의 접착력 역시 낮아질 수밖에 없다.
그러나 접착 수지 코팅 후 절단된 파라 아리미드 파이버는 그 표면 및 절단면이 균일한 것을 알 수 있다. 즉, 파라 아라미드 필라멘트사가 접착 수지 코팅 후 절단되면, 절단 정밀도가 높고, 피브릴 현상을 억제할 수 있으며, 나아가 고무와의 접착력 역시 높을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에서의 접착 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면 파라 아라미드의 NO기와 RF 수지의 CH2OH기 사이의 탈수축합반응에 의하여 파라 필라멘트사와 RF 수지 사이에는 수소 결합(Hydrogen bonding)이 형성되고, RF 수지의 OH기와 라텍스 사이의 산소 사이에 수소 결합이 형성되는 것을 알 수 있다. 또한, 라텍스와 고무 메트릭스는 물리 화학적 동질성에 의하여 한 덩어리가 된다. 이러한 접착 메커니즘에 따라 파라 아라미드와 고무 사이의 접착력은 극대화될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법에 따라 실링 부품에서 피브릴 현상에 따른 엉김이나 고무와 파라미드 아라미드 사이의 박리가 방지되는 것을 나타낸다. 이는 파라 아라미드에 접착 수지를 코팅한 다음 절단하여 고무와 혼합하기 때문에 발현되는 효과이다. 그리고 이러한 효과에 의하여 최종 제품인 실링 부품 내구성이나 강도가 증가될 수 있다.
한편, 파라 아라미드 섬유와 믹싱되는 고무 마스터 배치의 종류에 따라서 제조되는 실링 부품의 강도가 차이가 발생할 수 있다. 예컨대, 본 발명에 고무 마스터배치는 NBR(Nitrile Butadiene Rubber), HNBR(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), FKM(Fluorinated Rubber), EPDM(Ethylene Propylene Rubber), CR(Chloroprene Rubber), Q(Silicone Rubber) 등의 다양한 고무 베이스일 수 있다.
도 7은 다양한 고무 기반의 고무 마스터배치에 대해 다양한 길이의 접착 수지 코팅 파라 아라미드 절단 파이버를 혼합하여 제조된 실링 부품의 인장강도 테스트 결과를 나타낸다. 그리고 도 8 내지 도 10 각각은 CR 베이스, FMK 베이스, Silicon 베이스의 고무 마스터배치와 접착 수지 코딩 파라 아라미드 절단 파이버를 혼합하여 제조된 실링 부품의 인장 강도를 나타낸다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 1mm 길이의 파라 아라미드 절단 파이버와 고무 마스터 배치를 믹싱하여 제조된 실링 부품의 인장 강도가 전반적으로 높고, 특히, CR 베이스, FMK 베이스, Silicon 베이스의 고무 마스터배치를 혼합하여 제조된 실링 부품의 인장 강도가 전반적으로 높은 것을 알 수 있다. 이는 절단 파이버의 길이가 1mm일때 절단 파이버가 고무 사이에 균일하게 분산될 수 있기 때문에 높은 강도가 발현된 것이다. 절단 파이버의 길이가 3mm 및 6mm인 경우에는 실링 부품의 인장 강도가 저하되는 것을 알 수 있는데, 이는 절단 파이버의 길이가 길어짐에 따라 절단 파이버가 고무 사이에 균일하게 분산될 수 없기 때문이다.
도 11은 접착 수지 코팅 파라 아라미드 절단 파이버의 길이와 고무 마스터배치의 종류가 다르게 제조된 실링 부품의 단면 확대도(50배율)이다.
도 11을 참조하면 길이 1mm의 절단 파이버를 이용하여 제조된 실링 부품의 표면이 길이가 3mm인 절단 파이버를 이용하여 제조된 실링 부품의 표면에 비하여 절단 파이버가 균일하게 분산된 것을 알 수 있다. 절단 파이버의 균일한 분산은 인장 강도의 증가를 의미하는바, 도 11의 사진을 참조하여도 1mm인 절단 파이버를 이용한 실링 부품의 인장 강도가 길이가 3mm인 절단 파이버를 이용한 실링 부품의 인장 강도에 비하여 높은 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 접착 수지 코팅 장치 110: 권취 수단
120: 접착 수지 저장 장치 130: 열처리 장치
140: 권취 수단 200: 절단 장치

Claims (2)

  1. 파라 아라미드의 NH기와 탈수축합반응하여 파라아라미드와 수소결합을 형성하는 CH2OH기를 포함하는 RF(Resorcino Formaldehyde) 수지 및 상기 RF 수지의 OH기와 수소결합된 산소(O)를 포함하며 고무와의 접착력 강화를 위한 라텍스(latex)를 포함하는 접착 수지를 파라 아라미드 필라멘트사에 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 파라 아라미드 필라멘트사를 0.5mm 내지 1.5mm의 길이로 절단하여 절단 파이버(chopped fiber)를 제조하는 단계;
    상기 절단 파이버를 고무 마스터 배치(rubber masterbatch)와 믹싱(mixing)하여 절단 파이버가 분산된 배합고무를 제조하는 단계; 및
    상기 배합 고무를 성형하여 실링 부품을 제조하는 단계를 포함하는, 절단된 파라 아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 고무 마스터배치는,
    CR(Chloroprene Rubber), FKM(Fluorinated Rubber), 및 Q(silicon rubber) 베이스의 고무 마스터배치 중 하나인 것을 특징으로 하는, 절단된 파라아라미드 파이버를 이용하여 내구성이 향상된 실링 부품을 제조하는 방법.
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