KR20190080560A - 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물 - Google Patents

수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비용이 저감되고, 강성 및 내구성이 우수한 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물을 제공한다.
따라서, 본 발명의 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물에틸렌 성분이 55w% 내지 60w%인 EPDM 소재로 이루어지며 무가공유 배합된 폴리머와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부를 갖는 디큐밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide)로 이루어진 가교제와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 2 내지 3 중량부를 갖는 2-메르캡토벤지미다졸 으로 이루어진 내열노화방지제와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 5 내지 40 중량부를 갖는 카본 블랙으로 이루어진 충진제와, 트리알릴 이소사이안네이트(TRIALLYL ISOCYANATE)로 이루어진 첨가제를 포함한다.

Description

수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물{Rubber composition of O-ring for hydrogen tank of fuel cell electric vehicle}
본 발명은 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물에 관한 것이다.
지구온난화 등의 환경문제 대응을 위하여 친환경 자동차의 개발이 가속화되고 있으며, 현재 상용화 단계에 접어든 것이 수소연료전지 자동차이다.
수소연료전지 자동차는 자동차에 석유 대신 수소를 에너지로 하여 달리는 자동차를 의미한다. 차내 수소탱크에서 수소와 공기공급기 (컴프레셔) 에서 전달 받은 산소를 연료전지에 보내 전기를 생산하고 그 전기를 이용하여 모터를 돌려 구동하는 방식이다. 양극에 산소를 흘리고 음극에 수소를 흘리면 전기가 발생하고 부산물로 물 (수증기)이 나온다.
수소연료전지 차량의 수소 저장 탱크에서는 고압(Max. 87.5MPa)으로 액화 수소를 저장한다. 수소 저장 탱크에 장착되는 오링은 해당 압력에 대한 씰링 (수소 가스 씰링) 역할을 수행한다.
이 경우, 상기 오링은 수소에 대한 재료의 안정성, 탱크내 고압력(Max. 87.5MPa)에 대해 형상 변형 등이 없어야 한다. 그리고 기체를 액화시킬 경우 발생하는 저온 상태에 대한 성능도 가지고 있어야 한다.
종래에는 상기 오링의 재료로, 고압 상태에서 씰링 역할을 수행하기 위해 강성을 가지는 TPU 소재를 사용하고 있다.
TPU소재는 열가소성 폴리우레탄 수지(Thermoplastic PolyUrethane)로 열가소성을 가진 우레탄 엘라스트머 소재로서, 강성 및 내구성이 우수하다는 장점이 있다.
그러나, 상기 TPU소재는 재료비가 비싸고, 저온성이 우수하지 않다는 문제점이 있다.
한국특허 공개공보 제10-2004-0106369호
본 발명은 상기 문제점을 비롯한 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로서, TPU소재와 대비하여 비용이 저감되고, 강성 및 내구성이 우수한 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명의 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물에틸렌 성분이 55w% 내지 60w%인 EPDM 소재로 이루어지며 무가공유 배합된 폴리머와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부를 갖는 디큐밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide)로 이루어진 가교제와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 2 내지 3 중량부를 갖는 2-메르캡토벤지미다졸 으로 이루어진 내열노화방지제와, 상기 폴리머 100 중량부 대비 5 내지 40 중량부를 갖는 카본 블랙으로 이루어진 충진제와, 트리알릴 이소사이안네이트(TRIALLYL ISOCYANATE)로 이루어진 첨가제를 포함한다.
상기 폴리머의 무니 (Mooney) 점도가 25 MU(ML 1 + 4/100 ℃)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 EPDM은 에틸렌 성분이 56w%이고, ENB(ethylidene norbornene) 성분이 4.7 wt%인 것이 바람직하다.
상기 충진제는, 상기 폴리머 100phr 대비 5 내지 40phr인 세라믹(SiO2Al2O3)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 트리알릴 이소사이안네이트의 중량비는 폴리머 100 중량부 대비 0.2 내지 1.0 중량부 일 수 있다.
본 발명에 따르면, EPDM 고무를 적용하여 비용이 저감되고, 금속성분이 외부로 누출되지 않아서 강성 및 내구성이 우수한 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링이 제작될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물은, 폴리머와, 가교제와, 내열노화방지제와, 충진제를 포함한다.
폴리머는 에틸렌 성분이 55wt% 내지 60wt%, 보다 바람직하게는 56w%인 EPDM 소재로 이루어지며, 가공유 없이 배합된다. 이 경우, 상기 EPDM의 무니(Mooney) 점도는 15 내지 35 MU(ML 1 + 4/100 ℃)인 EPDM 소재로 이루어질 수 있다.
EPDM은 에틸렌과 프로필렌 및 약간의 디엔 성분과의 3원 중합체로서, 내노화성, 내오존성, 내약품성 및 내열성이 우수하다. 이 경우, 상기 EPDM은 이온이 용출되지 않고, 전기절연성이 우수하여야 한다. 이를 위하여, 본 발명에 적용되는 EPDM은 무니 (Mooney) 점도가 15 내지 35 MU(ML 1 + 4/100 ℃), 보다 바람직하게는 25 MU(ML 1 + 4/100 ℃)일 수 있다.
(ML 1+4/100℃)은 고무의 점도 (Mooney viscosity) 측정 하는 시험 조건을 의미하는 것으로서, 100℃에서 큰 로터(100M)를 사용하여 1분간 예열하여 로터 시동 후 4분의 값을 읽은 값을 의미한다.
EPDM의 점도가 25 MU로서 낮은 점도를 가진다. 이에 따라서 가공유없이 배합이 가능하게 됨으로써, 금속 또는 이온 용출 성분을 포함하지 않게 된다.
이 경우, 상기 EPDM은 에틸렌(ethylene) 성분이 50wt% 내지 65wt%, 보다 바람직하게는 55w% 내지 60w%이고, ENB(ethylidene norbornene) 성분이 3wt% 내지 6wt%일 수 있다. , ENB(ethylidene norbornene) 성분이 4.7 wt%인 것이 보다 바람직하다.
ENB는 디엔의 모노머의 일종으로서 황 가황이 가능하도록 소량 첨가된다. 이러한 성분으로 제조시에, 저온 특성 및 전기적 특성이 우수하게 된다.
이 경우, EPDM으로 ㈜금호폴리켐의 KEP330 제품을 사용할 수 있다. 상기 ㈜금호폴리켐의 KEP330 제품은 에틸렌 성분이 56wt%이다.
배합제는 이온 용출 성분을 가지지 않는 성분으로 이루어질 수도 있다. 이는 수소탱크 내의 수소와 반응하여 나오는 이온 용출에 의하여 씰링력의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이 경우, 상기 배합제는, 순도가 95% 이상의 퍼옥사이드(peroxide) 계열의 가교제와, 입자경이 70 내지 100 nm인 카본블랙 SRF로 이루어진 충진제를 포함할 수 있다.
가교제(cross-linking agent)는 상기 폴리머를 구성하는 단량체들을 상호 가교하는 기능을 하는 것으로, 가황제라고도 불린다. 퍼옥사이드 계열의 가교제의 순도가 95%이상이다. 이에 따라서 순도가 낮은 퍼옥사이드 계열의 가교제를 사용하여 제작된 EPDM 고무에서 용출되는 칼슘, 규소 이온이 용출되지 않는다. 가교제의 순도가 98% 이상인 것이 보다 바람직하다.
상기 가교제는 디큐밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide)일 수 있다. 디규밀퍼옥사이드는 황과 달리 가교 온도에서 분해되어 자유 라디칼(free radicals : R·)을 형성한다. 이들 자유 라디칼은 고분자 사슬(PH)에서 수소 원자를 빼내어 RH를 만들고 고분자 라디칼(P·)을 형성한다. 인접하는 고분자 라디칼들이 서로 결합하여 고분자간의 탄소-탄소 가교 결합(P-P)을 형성하게 된다.
이 경우, 본 발명은 디큐밀 퍼옥사이드로서 ㈜NOF의 PERCUMYL D제품을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 주 가교제는 폴리머 100phr 대비 5 내지 10 phr일 수 있다. 가교제의 함량이 10 phr를 초과하면 과가교가 이루어지고, 5 phr 미만이면 미가교가 이루어질수 있다.
한편, 충진제는, 입자경이 70nm 내지 100nm인 카본블랙 SRF로 이루어질 수 있다. 카본 블랙은 수소저장탱크용 오링으로서의 요구 물성치, 예를 들어 경도, 인장강도 등을 조절하기 위함이다. 여기서 카본 블랙이란 천연가스, 석유계, 또는 석탄타아르계 중질유 등의 함탄소 물질을 불완전 연소 또는 열분해하여 만든 물질로서, 탄소원자들이 무질서한 육각형 꼴로 배열되어 있어서 보강성이 우수하다.
이 경우 카본블랙은 입자경이 클 것이 요구된다. 상기 충진제는 폴리머 100phr 대비 100 내지 120phr일 수 있다.
한편, 본 발명은 내열노화방지제를 더 포함할 수 있다. 내열노화방지제는 노화현상의 주요 인자인 산소에 의해서 자동 산화되는 연쇄반응을 정지시키는 작용을 한다. 본 발명에서는 내열노화방지제가 2-메르캡토벤지미다졸(2-Mercaptobenzimidazole)일 수 있다. 상기 2-메르캡토벤지미다졸은 내열성과 내굴곡성 및 내오존성이 우수하고, 고무와 상용성도 좋아 블루밍(BLOOMING)이 없고, 고무의 스코치(Scorch)에 대한 영향이 없다는 장점이 있다. 상기 2-메르캡토벤지미다졸은 폴리머 100phr 대비 2 내지 3 phr일 수 있다.
한편, 본 발명은 가류 조제로 산화아연(징크옥사이드)를 적용할 수 있다. 상기 산화아연의 중량부는 폴리머 100phr 대비 5 내지 10 phr일 수 있다.
산소탱크에 적용되는 오링의 고무 성분이 산소탱크내의 공간으로 빠져나가면 되지 않는다. 이 경우, 내유성 및 내열성이 약화되기 때문이다.
본 발명에 적용된 산화아연은 상기 고무 성분이 외부로 빠져나가지 않도록 한다. 또한, 상기 산화아연은 배합 시간을 단축시키는 장점이 있다.
이 경우, 금속 성분이 빠져나가지 않도록 첨가제가 더 구비될 수 있다. 상기 첨가제는 트리알릴 이소사이안네이트(TRIALLYL ISOCYANATE)일 수 있다.
상기 트리알릴 이소사이안네이트를 적용하면, 알릴 컴파운드에서 생성된 라디칼이 알릴 공명에 의하여 안정이 되고, 라디칼의 밀도가 높은 레벨에서 유지될 수 있다. 또한, 상호 단위체간의 폴리머화 공정이 쉽게 일어나지 않게 되어서, 결합 반응이 효과적으로 된다. 이를 통하여 트리알릴 이소사이안네이트는 가류 밀도를 높이고 금속 성분 등이 빠져나가지 않도록 방지하는 역할을 한다.
상기 첨가제의 중량비는 0.2 내지 1.0wt%, 보다 바람직하게는 0.5wt%일 수 있다.
본 발명의 오링 고무 조성물은, 저온 특성이 우수한 EPDM을 폴리머로 함과 동시에, 충진제, 가류제, 가류조제를 최적화하여서 TPU소재와 거의 동등한 성질을 가지도록 하였다. 따라서, 제조 비용이 저감되는 장점을 가진다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물의 성질을 각종 테스트한 결과를 설명한다.
표 1은 본 발명에 적용된 오링의 고무 조성물(이하, "실시예")의 구성 성분을 나타낸다.
구성성분(중량부) 비교예 실시예
폴리머 TPU 100 0
Ethylene content 56% EPDM POLYMER 0 48
충진보강제 SRF 1) 0 46
가류제 DCP 2) 0 2
내열노화방지제 MB 3) 0 1
가교조제 ZINC OXIDE 4) 0 2
가공조제 STEARIC ACID 5) 0 0.5
촉진제 TRIALLYL ISOCYANATE 6) 0
 0.5
1) SRF : Carbon black (N-774) , OCI 社
2) DCP : Percumyl D (DCP), NOF 社
3) MB : 2-Mercaptobenzimidiazole, 대내신흥 社
4) ZINC OXIDE : Zinc Oxide, 삼보아연 社
5) STEARIC ACID : Stearic Acid, NATOLEO 社
6) TRIALLYL ISOCYANATE : TRIALLYL ISOCYANATE (TAIC), NIPPON KASEI CHEM 社
그 결과 표 2에 도시된 바와 같이, 실시예의 경도가 92 (shore A), 인장강도가 237kgf/㎠, 신율이 124%, 150℃ 70시간 평가 기준 압축영구줄음율 10% 미만으로 내열성 및 내부동액성 및 압축영구줄음율이 우수한 것으로 나타났다.
Compound 실시예
기본물성 경도(Shore A) 92
인장강도(kgf/㎠) 237
신율(%) 124
압축영구줄음률(%) 150℃ 70h 공기중 10
내열성
150℃ 70h		 경도변화(point) +1
인장강도 변화율(%) -10
신율변화율(%) -3
내부동액성(LLC:H2O=5:5)
130℃ 70h		 경도변화(point) -2
인장강도 변화율(%) -6
신율변화율(%) -4
체적변화율(%) +2.6
저온성 TR-10 (℃) -48
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 (5)

  1. 에틸렌 성분이 55w% 내지 60w%인 EPDM 소재로 이루어지며 무가공유 배합된 폴리머;
    상기 폴리머 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부를 갖는 디큐밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide)로 이루어진 가교제;
    상기 폴리머 100 중량부 대비 2 내지 3 중량부를 갖는 2-메르캡토벤지미다졸 으로 이루어진 내열노화방지제;
    상기 폴리머 100 중량부 대비 5 내지 40 중량부를 갖는 카본 블랙으로 이루어진 충진제; 및
    트리알릴 이소사이안네이트(TRIALLYL ISOCYANATE)로 이루어진 첨가제;
    를 포함하는 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머의 무니 (Mooney) 점도가 25 MU(ML 1 + 4/100 ℃)인 것을 특징으로 하는 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 EPDM은 에틸렌 성분이 56w%이고, ENB(ethylidene norbornene) 성분이 4.7 wt%인 것을 특징으로 하는 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 충진제는, 상기 폴리머 100phr 대비 5 내지 40phr인 세라믹(SiO2Al2O3)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 트리알릴 이소사이안네이트 의 중량비는 폴리머 100 중량부 대비 0.2 내지 1.0 중량부인 것을 특징으로 하는 수소전지차량의 수소저장탱크용 오링의 고무 조성물.
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