KR20180111085A

KR20180111085A - 베어링 씰용 고무 조성물

Info

Publication number: KR20180111085A
Application number: KR1020170041505A
Authority: KR
Inventors: 김동현
Original assignee: 평화오일씰공업주식회사
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-11
Also published as: KR101953265B1

Abstract

본 발명은 저온성이 우수하면서도, 니수 씰링성을 향상시킬 수 있는 베어링 씰용 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 하며, 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링 씰용 고무 조성물은, 니트릴 부타디엔 고무(NBR, Nitrile Butadiene Rubber)로 이루어지며, 니트릴 함량이 18 내지 23 중량부인 폴리머와, 입자경이 1 내지 5㎛이며, 상기 폴리머 100중량부 대비 20 내지 60 중량부를 가지는 무기 충진제와, 상기 폴리머 100중량부 대비 30 내지 70 중량부를 가지는 유기 충진제를 포함한다.

Description

베어링 씰용 고무 조성물{Rubber composite for bearing seal}

본 발명은 베어링 씰용 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량 등에 사용되는 베어링 씰의 저온성을 향상시키는 베어링 씰용 고무 조성물에 관한 것이다.

베어링이란 차량의 하중과 동력을 받는 상태에서 자체 윤활성 내지 진동체의 미끄럼성을 이용하여서 회전, 왕복, 측압, 각도요동운전 등의 다양한 운동형태로 힘을 전달시키거나, 움직여주는 장치이다.

상기 베어링의 일예로 내륜과, 외륜과, 복수의 볼들을 포함할 수 있다. 이 경우, 내륜은 로드와 일체로 움직이도록 결합된다. 외륜은 상기 내륜과 반경방향으로 대향되는 프레임에 고정된다. 볼은 상기 내륜과 외륜 사이에 구름 접촉되도록 원주방향으로 복수개가 삽입된다. 이를 통하여, 베어링은 상기 볼의 구름 접촉에 의해 상기 외륜과 내륜 간 상대 운동이 가능토록 함으로써 상기 로드를 지지한다.

상기 베어링은 베어링 씰을 포함한다. 상기 베어링 씰은 오일의 누수방지, 외부 먼지 침입방지 및 로드 윤활면을 보호해주는 기능을 한다.

상기 외륜과 내륜 사이에는 상기 볼의 구름 저항이 최소가 되도록 윤활유가 충진되며, 상기 윤활유의 누유 및 상기 윤활유에 이물질이 혼입되는 것을 방지하기 위해 밀봉작용을 행하는 베어링 씰이 설치된다. 즉, 베어링 씰은 외부 더스트 및 니수 침입방지, 로드(Rod) 윤활면을 보호해주는 역할을 한다.

통상적으로 상기 베어링 씰은 니트릴 부타디엔 고무(NBR, Nitrile Butadiene Rubber)를 주로 사용한다.

일반적으로 차량용 베어링의 손상은 사용기간 중 전동체와 궤도 사이의 윤활불량에 기인되며 그 중 대부분의 윤활불량은 베어링 씰(Bearing Seal)의 밀봉성 문제로 발생된다. 베어링 씰의 저온성 기준, 내열성 기준 및 내구성 기준이 보다 까다로워지고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 대한민국 공개특허 10-2012-0040845(특허문헌1)등에서는 내열성 향상을 위한 기술이 공지된바 있으나, 저온 환경하에서 우수한 내구성을 가지는 기술에 대해서는 개발이 지지부진하다. 특히,최근에는 자동차가 극한 지역에서 운행되면서 -40℃ 이하의 저온 환경하에서도 니수 문제가 발생하여 이에 대한 씰링성의 확보가 필요하게 되었다.

대한민국 공개특허 10-2012-0040845

본 발명은 상기의 문제점을 포함하는 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저온성이 우수하면서도, 니수 씰링성을 향상시킬 수 있는 베어링 씰용 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링 씰용 고무 조성물은, 니트릴 부타디엔 고무(NBR, Nitrile Butadiene Rubber)로 이루어지며, 니트릴 함량이 18 내지 23 중량부인 폴리머와, 입자경이 0.1 내지 10 ㎛이며, 상기 폴리머 100중량부 대비 20 내지 60 중량부를 가지는 무기 충진제와, 상기 폴리머 100중량부 대비 30 내지 70 중량부를 가지는 유기 충진제를 포함한다.

이 경우, 상기 무기 충진제는 탈크계, 티타늄계 및 실리카계를 포함할 수 있다.

또한, 페닐 디아민(Phenylene diamines) 및 2,2,4-트리메탈-1,2-다이하이드로큐이노린(2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydroquinoline)를 포함하는 것으로, 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부를 가지는 노화방지제를 더 포함할 수 있다.

또한, 산화아연(Zinc oxide), 스테아린 산(Stearic Acid)을 포함하는 것으로, 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 7 내지 11 중량부를 가지는 가교조제를 더 포함할 수 있다.

또한, 디에스테르계로 이루어지며, 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부를 가지는 가소제를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 원료고무 니트릴 함량 변경을 통하여 저온성을 확보하였으며, 무기 충진제의 입자경을 조절하여서 저온환경에서 니수성을 확보하였다.

이하, 본 발명인 베어링 씰의 고무 조성물의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명한다.

상기한 바와 같이, 베어링이란 차량의 하중과 동력을 받는 상태에서 자체 윤활성 내지 진동체의 미끄럼성을 이용하여서 회전, 왕복, 측압, 각도요동운전 등의 다양한 운동형태로 힘을 전달시키거나, 움직여주는 장치이고, 상기 베어링 씰은 상기 베어링에 포함되며, 오일의 누수방지, 외부 먼지 침입방지, 로드 윤활면을 보호해주는 기능을 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링 씰용 고무 조성물은 폴리머와, 충진제와, 노화방지제와, 가소제와, 가교제를 포함하여 이루어진다.

폴리머는 니트릴 부타디엔 고무(NBR, Nitrile Butadiene Rubber)로 이루어진다. 상기 니트릴 부타디엔 고무는 내유성, 내마모성 및 내노화성이 양호하여서, 오일의 누수방지, 외부의 먼지의 침입방지 및 로드의 윤활면의 보호 등의 기능을 한다.

이 경우, 니트릴 함량은 폴리머 100 중량부 대비 18 내지 23 중량부를 가진다. 기존 니트릴 부타디엔 고무에서 니트릴 함량은 통상적으로 28 wt% 이상을 가지고 있다. 그런데, 상기 28 wt% 이상의 니트릴의 함량으로는 -40℃ 이하의 저온에서 저온성을 확보할 수 없다. 따라서 본원발명의 경우, 니트릴 함량을 18wt% 내지 23wt% 중량부로 낮춤으로써, -40℃ 이하의 저온에서 우수한 저온성을 가질 수 있다.

한편, 폴리머의 니트릴 함량이 18wt% 내지 23wt%로 됨에 따라서 내마모성이 열화될 수 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유기충진제 및 입자경이 작은 무기 충진제를 구비한 충진제를 사용한다.

충진제는 폴리머의 접착성을 향상시키는 한편, 가공성 및 보강성을 높이기 위한 것이다. 본 발명에서 충진제로 유기 충진제 및 무기 충진제를 포함한다. 유기 충진제는 폴리머 100 중량부 대비 30 내지 70 중량부를 가진다. 상기 유기 충진제는 기계적 물성을 향상시킨다. 이 경우, 상기 유기 충진제가 70 중량부보다 많을 경우에는 기계적 물성치가 너무 높아지게 되어서 결과적으로 베어링의 회전 토르크(torque)가 커지게 된다는 문제점이 있다.

무기 충진제는 폴리머 100 중량부 대비 20 내지 60 중량부를 가진다. 상기 무기 충진제가 유기 충진제와 혼합되어서 고무의 기계적 물성을 조절할 수 있게 된다. 또한, 이 경우, 상기 무기 충진제는 폴리머의 니트릴 함량이 낮아짐에 따라서 발생하는 내마모성 열화를 방지하고, 니수 침입을 방지하거나 최소한으로 억제한다.

이를 위하여 상기 무기 충진제는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛의 입자경을 가지는 것이 바람직하다. 상기 무기 충진제의 입자경이 10 ㎛를 초과하는 경우에는, 고무의 마모시에 공극을 통하여 니수가 발생하게 되는데, 그 공극이 넓어지게 됨으로써 니수 씰링성이 열화된다. 상기 무기 충진제가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는 기계적 물성이 너무 높아지게 되어서 씰링성이 저하되고, 토르크가 높아진다는 문제점이 있다.

이는 상대부와 접촉에 따른 마모시 충진제의 크기만큼 공극이 생겨 그 공간으로 니수가 발생하기 때문에, 본 발명에 구비된 무기 충진제는 입자경이 0.1 내지 10 ㎛로 조절함으로써, 니수 침입을 방지할 수 있음과 동시에 씰링성을 향상시킬 수 있다.

상기 무기 충진제는 탈크계, 티타늄계 및 실리카계를 포함한다. 상기 무기 충진제는 이산화규소(Synthetic amorphous silica), 함수 이산화규소(hydrous silica), 탄산칼슘(activate colloidal calcium carbonate), 카올리나이트(Hydrated aluminum silicate, kaolin), 규조토(diatomite), 티타늄 다이옥사이드(titanium dioxide), 규회석(wallatonite) 및 hydrous silica magnesium silicate 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.

가교제는 혼련된 고무가 적정 온도로 가열될 때 상기 폴리머를 구성하는 단량체들을 상호 가교하는 기능을 한다. 상기 가교제는 황을 적용할 수 있다. 이 경우, 상기 가교제의 함유량은 폴리머 100 중량부에 대하여 0.5 내지 2 중량부일 수 있다.

노화 방지제(antioxidant)는 유기고분자 재료의 노화를 방지하는 역할을 한다. 노화방지제는 산화방지제와 같은 작용을 갖는 것이 많기 때문에 산화방지제라고도 한다. 노화방지제는 노화현상의 주요 인자인 산소에 의해서 자동 산화되는 연쇄반응을 정지시키는 작용을 한다.

본 발명에서는 노화 방지제로 페닐 디아민(Phenylene diamines) 및 2,2,4-트리메탈-1,2-다이하이드로큐이노린(2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydroquinoline)으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 노화 방지제는 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부를 가지는 것이 바람직하다.

가교조제는 폴리머의 가교 속도를 증가시키는 한편, 측쇄(side chain) 반응을 방지하여 가교 밀도를 증가시키기 위한 것이다. 상기 가교조제로서 산화아연(Zinc oxide), 스테아린 산(Stearic Acid)을 포함할 수 있다. 이와 더불어 가교조제는 실란 커플링 첨가제(Silane Coupling Agent)를 포함할 수 있다.

이 경우, 실란 커플링 첨가제란 한쪽 말단에는 유기 기능기(Organic Functional Group)가 달려있고 다른 한쪽에는 메톡시기나 에톡시기가 달려있는 것을 의미한다. 실란은 기본적으로 상온에서 물에 의해 축합반응을 일으켜 고분자화 된다. 한쪽말단의 에톡시기가 물에 의해 가수분해되어 에탄올이 떨어지고 Si-OH기가 되는데 이 Si-OH기가 불안정하여 Siloxane 결합인 Si-O-Si로 결합을 하게 되어 실란이 가교되어 겔화된다. 상기 가교조제의 함량은 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 7 내지 11 중량부를 가질 수 있다.

가소제는 상기 폴리머를 유연하게 해주는 역할을 한다. 가소제의 작용을 예를 들어 간단히 설명하면, 플라스틱은 긴 끈 같은 분자가 모여서 된 것으로, 분자 사이에 서로 끌어당기는 힘이 강할수록 딱딱해진다. 이 경우 분자 사이에 가소제가 끼어들면 플라스틱 분자 사이의 직접 끌어당기는 힘이 약해져 잘 휘게 된다. 그러므로 가소제는 상기 폴리머에 잘 섞일 수 있는 성질, 즉 섞임성이 있는 것이 유리하다.

본 발명에서는 가소제로 디에스테르계로 이루어지며, 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부를 가질 수 있다.

이하에서는, 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고무 조성물(이하 편의상 '실시예'라고 칭함.)을 종래의 베어링 씰의 고무조성물(이하, 편의상 '비교예'라고 칭함.)간의 성질을 각종 테스트하여 서로 비교함으로써, 상기 효과를 더욱 명확하게 설명한다.

표 1은 상기 각종 테스트에 적용되는 실시예와 비교예의 구성성분을 비교하여 나타낸 표이다.

구성성분(중량부)		비교예	실시예
폴리머	NBR¹⁾	100	0
폴리머	NBR²⁾	0	100
노화방지제	3C³⁾	3	3
노화방지제	TMQ⁴⁾	4	4
가교조제	ZnO⁵⁾	10	10
가교조제	Stearic Acid⁶⁾	1	1
가교제	Sulfur⁷⁾	0.6	0.6
충진제	N550⁸⁾	40	40
	Graphite	20	20
	무기 충진제 50㎛	10	0
	무기 충진제 3㎛	0	30
가소제	Diester	5	10
1) NBR : Nitrile 33% NBR, ㈜Lanxess 2) NBR : Nitrile 20% NBR, ㈜Lanxess 3) 3C : Phenylene diamines, 금호석유화학 4) TMQ : 2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydroquinoline, FLEXSYS 5) ZnO : Zinc oxide, ㈜SBC 6) Stearic Acid : 스테아린산, ㈜NATOLEO 7) Sulfur : 황, ㈜미원상사 8) N550: FEF, ㈜동양제철화학

표 2는 기본물성 시험, 저온성 시험 및 저온내구성 시험 결과, 상기 실시예와 비교예의 경도, 100% 모듈러스, 인장강도, 신율, 저온성 및 저온내구성 비교 표시한 표이다.

이 경우, 저온회복시험은 저온 영역에서의 변형회복성을 시험하는 것으로 TR-10 내한성 시험을 행하였다. TR-10은 미리 가해놓은 50%의 변형이 10% 회복할 때의 온도를 측정하는 시험을 말하며, ASTM D1329의 규격을 만족하였다.

또한, 기본물성 시험은 각각 ASTM D471의 규격을 만족하였다.

기본 물성은 비교예와 실시예가 모두 기준치를 만족하는 것으로 나타났다. 즉, 경도는 78 Shore A로 동일하고, 100%모듈러스는 실시예가 69 Kgf/cm²로서비교예보다 더 높은 것으로 나타났다. 반면, 인장강도 및 신율은 비교예가 실시예보다 우수하나, 그 차이는 크지 않았다.

반면, 저온회복시험에서, 실시예는 10% 회복할 때의 온도가 -47℃로, 비교예의 -27℃로 보다 낮은 온도에서 회복함을 알 수 있다. 이를 통하여 실시예는 보다 낮은 저온에서도 회복률이 비교예보다 우수한 것을 알 수 있다.

또한, 저온내구시험의 경우, 사이클 내구성능에서 실시예는 합격 판정을 받았으나, 비교예에서는 불합격 판정을 받았다.

항 목		비교예	실시예	관련규격
기본물성	신율(%)	284	221	ASTM D471
	경도(Shore A)	78	78
	인장강도(kgf/cm²)	198	144
	100% Modulus(kgf/cm²)	58	69
저온성	TR-10(℃)	-27	-47	ASTM D1329
저온내구	사이클내구	불합격	합격

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

니트릴 부타디엔 고무(NBR, Nitrile Butadiene Rubber)로 이루어지며, 니트릴 함량이 18 wt% 내지 23 wt%인 폴리머;
입자경이 1 내지 5㎛이며, 상기 폴리머 100중량부 대비 20 내지 60 중량부를 가지는 무기 충진제; 및
상기 폴리머 100중량부 대비 30 내지 70 중량부를 가지는 유기 충진제;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 씰용 고무 조성물.
제1항에 있어서,
상기 무기 충진제는 탈크계, 티타늄계 및 실리카계를 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 씰용 고무 조성물.
제1항에 있어서,
페닐 디아민(Phenylene diamines) 및 2,2,4-트리메탈-1,2-다이하이드로큐이노린(2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydroquinoline)를 포함하는 것으로, 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부를 가지는 노화방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 씰용 고무 조성물.
제1항에 있어서,
산화아연(Zinc oxide), 스테아린 산(Stearic Acid)을 포함하는 것으로, 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 7 내지 11 중량부를 가지는 가교조제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 씰용 고무 조성물.
제1항에 있어서,
디에스테르계로 이루어지며, 상기 폴리머 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부를 가지는 가소제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 씰용 고무 조성물.