마모가 잘 되는 현미기 고무롤러의 단점을 보완하여 작업의 효율화를 위해 내마모성이 높은 재질인 합성우레탄으로 현미기용 롤러를 개발하여 시험하였다. 가. 경도별 합성우레탄의 마모량을 테이버식으로 측정한 결과 경도80$^{\circ}$, 85$^{\circ}$에서 각각 68, 72mg으로 낮게 나타났으나 현미기롤러 재질로 적용하기 위해서는 탈부 요인시험이 요구되었다. 나. 합성우레탄롤러의 적정경도 구명요인시험을 실시한 결과 탈부율 및 동할률이 경도 80$^{\circ}$이상에서 기존의 고무롤러에 비해 동등하거나 우수한 것으로 나타났다. 다. 현장 적용 성능시험결과 고무롤러의 경우 벼 가공량이 300톤/조 이었고, 합성우레탄롤러 경도 85$^{\circ}$의 경우 1,083톤/조로 내구성이 3.6배 큰 것으로 나타났다. 라, 고무롤러의 동할율 증가량은 0.43%인데 비해 합성우레탄롤러는 경도 85$^{\circ}$에서 0.29%로 나타나 현미품위가 향상되었다. 마, 위 결과를 종합하여볼 때 합성우레탄 현미기롤러의 경도는 85$^{\circ}$ 가장 적합한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 고무 재료의 설계 인자 중 어떤 것이 소음에 주된 영향을 주는지 검토하였고, 저소음 타이어 개발을 위한 고무 재료의 설계 방향을 제시하였다. 소음은 무향실 타이에 소음과 고무 시편의 충격 소음을 측정하였고, 고무 시편의 물성은 경도, 인장 물성 및 동적 점탄성을 측정하였다. 타이어 소음에 영향을 주는 고무 재료의 주된 설계 인자는 경도 또는 300% 모듈러스이고 양자간에는 정의 상관관계가 있다. 따라서 고무 재료의 경도 또는 300% 모듈러스를 낮게 설계하면 소음을 저감시킬 수 있다.
본 연구에서는 저경도 고무받침 시험체의 다양한 특성실험을 통하여 저경도 고무받침의 특성을 파악하였다. 고무받침의 파악하고자 하는 특성은 변위 의존성, 반복재하특성, 진동수 의존성, 면압 의존성, 온도 의존성, 극한전단특성, 수직강성 및 전단변형능력 등이다. 특성실험결과, 저경도 고무받침의 특성치는 변위와 면압의 영향을 크게 받는 것으로 나타났으며, 진동수가 증가할수록 유효강성과 등가감쇠비가 조금 증가하며, 반복재하의 영향을 거의 받지 않았다. 그리고 대변형에 의해 변형경화 영역을 경험한 고무받침은 전단탄성계수가 저하되나, 시간이 경과하면서 일부 회복됨을 확인하였다. 끝으로, 전단파괴실험을 수행하였으며, 축소 시험체의 경우에 전단파괴가 전단변형률 490% 근처에서 진행되었고 실물의 경우에는 430%에서 진행되었다
본 연구에서는 다양한 온도에서 고무재료의 경도에 대한 가교시스템의 영향에 대해 고찰하였다. 다양한 가교밀도의 시편을 얻기 위하여, NR과 SBR에 여러 가지 함량의 황 또는 peroxide를 첨가하여 가교하였다. 가교된 고무시편의 온도변화에 따른 경도변화와 가교밀도 변화를 측정하고 상호관계를 고찰하였으며, 시편에 발생하는 온도응력을 측정하여 온도변화에 따른 엔트로피의 변화를 조사하였다. 실온 이상에서 NR과 SBR 시편은 온도가 증가함에 따라 경도가 증가하였으며, 측정된 온도응력도 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 그러나 측정조건 내에서 시편의 가교밀도 변화는 온도의 변화에 의해 거의 영향이 없었고 가교시스템에도 무관하였다.
다양한 조건 하에서 고무판의 마찰계수를 폭정하기 위하여 수직하중, 미끄럼속도, 경도, 윤활 조건 및 고무판 두께 등을 변화시켜가면서 시험을 실시하였다. 시험에 사용된 고무판의 재질은 천연고무이며, 상대 부품은 강구를 사용하였다. 수직하중과 미끄럼속도는 마찰계수에 현저한 영향을 미치지 않았으며, 고무판의 경도가 높아지고 고무판의 두께가 얇아질수록 마찰계수는 감소하였다. 무윤활 시 마찰계수는 큰 편차를 보였으나, 오일 윤활인 경우 다른 조건에 관계없이 안정된 값을 나타내었다.
자동차용 냉각기 호스는 열과 기계적 하중 하에서 공기와 부동액의 접촉 스트레스로 인해 노화와 고장이 일어날 수 있다. 본 연구에서는 냉각기 호스재료인 EPDM(ethylene-propylene diene monomer)고무에 대해 열가속 및 산소 스트레스, 전기화학적 스트레스에 의한 표피층의 노화거동을 비파괴 평가하였다. 열가속 및 산소노화 시험결과 신장률의 저하와 함께 IRHD(International Rubber Hardness Degrees)경도가 증가하였다. 전기화학적 노화(electro-chemical degradation: ECD) 시험에서는 에틸렌글리콜 수용액의 침투로 인해 무게가 증가하였으며 신장률과 경도는 크게 저하되었다 또한 에틸렌글리콜 수용액이 표피층뿐만이 아니라 내부에까지 침투하여 고무내부구조와 미크로경도분포가 깊이에 따라 변화되었다. 즉, 열가속 및 산소노화와 ECD 노화는 미크로 경도와 화학구조분석에 의해 비파괴적 특성 평가가 가능함을 보였다.
본 연구에서는 고무제품의 수치 안정성과 성능유지에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 특성 중 하나인 온도변화에 따른 고무재료의 경도변화를 고찰하였다. 새롭게 제작된 Inter-national Rubber Hardness Degree(IRHD, Normal type) 경도측정 시험기를 사용하여 미충전된 NR과 SBR 시편의 여러 온도에서 경도변화를 측정하였으며 Young's modulus 값과 비교하였다. NR과 SBR 모두 유리전이온도 근처에서 경도와 Young's modulus의 급격한 변화를 보였다. 온도가 증가함에 따라 경도와 Young's modulus 값이 증가하는 경향을 보였으며 이는 분자의 운동성과 엔트로피 영향으로 해석할 수 있다. 카본블랙과 실리카가 충전된 NR과 SBR의 경우 충전제의 함량이 증가함에 따라 경도에 미치는 온도의 영향이 감소함을 관찰하였다.
셀룰로오스계 천연섬유인 kenaf를 천연고무와 함께 균일하게 배합한 후 압축성형 방법을 사용하여 천연섬유/천연고무 복합재료를 제조하였으며, 이들의 가황거동, 경도, 인장특성, 인열강도 및 정적, 동적 특성에 미치는 kenaf 섬유함량의 영향을 조사하였다. 복합재료를 구성하는 천연섬유의 함량은 천연고무 및 배합제 대비 0, 5, 10, 15, 20 phr이었다. 실험결과 천연고무의 여러 가지 특성이 kenaf 섬유의 함량에 의존한다는 것을 나타내었다. Kenaf 섬유함량이 증가함에 따라 천연고무의 가황에 요구되는 토크는 높아진 반면 가황시간은 감소되었다. Kenaf/천연고무 복합재료의 경도, 인장탄성률과 인열강도는 섬유함량이 증가할수록 점차적으로 증가한 반면, 인장강도와 파단신장률 은 감소하는 경향을 보여주었다. 또한 kenaf 섬유함량이 증가함에 따라 천연고무의 정적 특성보다는 동적 특성의 변화가 더욱 크게 나타났다. 고무에 가해지는 에너지의 감쇄 또는 흡수와 밀접한 관계가 있는 손실인자도 섬유함량에 비례하여 증가하였다.
우수한 신장성과 탄성복원 능력으로 여러 산업분야에 방진, 제진, 충격흡수 및 완충재료로 널리 사용되고 있는 고무재료에 대하여 주파수, 변형률 진폭 및 온도변화가 동특성에 미치는 영향을 실험을 통하여 검토하였다. 동특성 시험은 5종류의 경도에 대하여 인장.압축시험과 전단시험용의 천연고무 시험 편으로 비 공진법으로 수행하였다. 시험결과, 경도가 높을수록 동적 특성 값들이 크게 나타났으며 저장탄성계수와 손실계수는 주파수가 증가할수록 서서히 증가하였으며 변형률 진폭이 커질수록 감소하였다. 또한, 온도 특성을 $-50^{\circ}C$ 영역에서 저장탄성계수가 급격히 상승하며 손실계수가 최대로 나타나는 전이역임을 알 수 있었다.
고무부품의 신뢰성을 확보하기 위해서 고무재료의 기계적 물성을 정확히 파악하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 천연 및 합성고무에 대해 다양한 환경조건에서 물성시험을 수행하여 경도, 신율 및 응력-변형률 관계와 동 특성을 파악하였다. 또한, 고무부품의 유한요소 해석에 필요한 비선형 재료상수를 단축인장과 이축인장시험을 통해 결정하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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