지금(至今)까지 고무의 배합(配合)과 이의 조성(組成)에 대(對)하여 나타냈으며 배합성분(配合性分)에 영향(影響)을 주는 인자(因子), 즉(卽) 고무류(類), 고무 혼합물(混合物), 가황제(加黃劑)의 선택(選擇), 카아본 블랙의 종류(種類), 배합조제(配合助劑)나 extender의 효과(效果), 비흑색(非黑色) 충전제(充塡劑), 수지(樹脂) 그리고 지연제(遲延劑) 및 배합(配合)에 관계(關係)되는 사항(事項)을 논의(論議)하였다. 배합조건(配合條件)의 가장 중요(重要)한 것은 알맞은 고무의 선택(選擇)이며 다음으로는 가황제(加黃劑) 그리고 카아본 블랙의 순서(順序)로 되어 있다. 그 외(外)의 것도 중요(重要)한 역할(役割)을 하지만 상기(上記) 보다는 그렇게 핵의적(核心的)인 영향(影響)을 미치지는 않는다.
고무 조성비가 다른 카본블랙으로 보강된 고무 배합물의 가황 특성을 연구하였다. 한 가지 고무로 이루어진 고무 배합물, 두 가지 고무로 이루어진 고무 배합물, 그리고 세 가지 고무로 이루어진 고무 배합물을 실험 대상으로 삼았다. NR/BR과 SBR/BR 배합물 중에서 BR의 함량이 높은 것의 델타토크는 단일 고무 배합물의 경우보다 높다. 삼중 고무 배합물의 델타 토크의 경우에는 세가지 고무의 함량비가 유사할수록 델타 토크가 낮아졌다. 스코치 시간과 적정 가황 시간은 NR이 증가할수록 빨라졌고 SBR이 증가할수록 느려졌다. 가황 속도는 SBR 함량이 증가할수록 느려졌다. 가교 역전(reversion) 현상은 SBR 함량이 증가할수록 감소하였다.
본 연구의 목적은 카본블랙 첨가량 변화, 가황조건 및 가황시스템 변화에 따른 배합고무의 가교밀도 및 고무보강성을 조사하고자 하였다. 결합고무량은 배합고무중 카본블랙 체적비가 증가함에 따라 증가하였으나, 총가교밀도는 결합고무량 증가에 따라 감소하였다. 가황반응 속도상수는 가황온도 및 가황시스템에 따라 현저하게 변화하였으며, 특히 가황온도에 강한 의존성을 나타내었다. 가황반응의 활성화에너지는 카본블랙 첨가량이 많고 EC 가황시스템이 적용된 배합고무 또는 카본블랙 첨가량이 적고 CC 가황시스템이 적용된 배합고무에서 높게 나타났다. 가황된 배합고무중 가장 높은 총가교밀도는 카본블랙 첨가량이 적고 가황시스템중 CC 가황시스템이 적용된 배합고무에서 나타났으며, EC 가황시스템에 의한 총가교밀도의 뚜렷한 변화는 나타나지 않았다. Mooney-Rivlin식에 의한 가장 높은 탄성상수는 카본블랙 첨가량이 적고, SEC 가황시스템이 사용된 배합고무에서 나타났다. 모듈러스는 배합고무중 카본블랙 첨가량이 증가함에 따라 증가하였으며, 가황시스템별 영향은 SEC>CC>EC 시스템 순으로 높게 나타났다.
배합 조건과 공정은 충진제 분산, 점도, 결합고무 형성 등과 같은 고무 배합물의 특성에 영향을 준다. NBR과 SBR의 분리 첨가 배합이 NBR이 함유된 실리카로 보강된 고무 배합물의 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. NBR 함량이 증가할수록 가교 시간과 속도는 빨라졌다. 가교밀도는 NBR 함량이 증가할수록 증가하였다. 결합고무량도 NBR 함량이 증가할수록 증가하였다. 결합 고무 중의 NBR 함량은 배합물 고무 중의 NBR 함량보다 높았다. 결합고무량은 동시첨가 배합의 경우보다 분리 첨가 배합의 경우 더 높았다. 가교 시간과 속도는 동시 첨가 배합의 경우보다 분리 첨가 배합때 더 느렸다. 가교밀도도 동시 첨가 배합의 경우보다 분리 첨가 배합의 경우 더 낮았다.
실리카와 실란을 포함하는 고무 복합체의 최적 배합조건을 찾기 위하여 배합온도와 시간을 달리한 고무복합체의 특성을 평가하였다. 고무복합체의 제조를 위한 배합온도는 $120^{\circ}C$, $140^{\circ}C$, $160^{\circ}C$의 다양한 배합시간으로 배합한 후 고무복합체의 특성을 평가하였다. 배합시간이 증가할수록 점도의 감소와 결합고무가 증가하였으나, 배합시간의 증가에 따른 점도의 변화는 배합온도가 낮을수록 크고, 결합고무의 증가속도는 온도가 높을수록 크게 나타났다. 낮은 온도인 $120^{\circ}C$인 경우 배합 시간이 바뀌어도 가교 속도는 거의 일정한 반면 10분 이하의 배합 시간에서는 분산이나 반응이 충분치 않음을 동적 점탄성과 분산 평가 등을 통하여 알 수 있었다. 반대로 높은 온도에서는 충분한 반응에 의하여 동적 점탄성 특성 등이 우수한 것으로 나타나지만 가교 속도나 물성의 변화 등이 매우 민감하고 과도한 결합고무의 형성 때문에 적합한 온도 조건이 아님을 확인하였고, 변성 S-SBR 실리카 배합에서는 $140^{\circ}C$에서 10분 정도의 배합이 분산과 실리카-실란 결합의 최적 조건임을 확인하였다.
각종 산업제품의 주요 부품으로 사용되고 있는 고무재료는 사용 중 온도변화에 의해 체적 또는 길이 변화를 수반할 수 있어 결과적으로 고무제품의 성능이나 효율이 영향을 받게 된다. 특히 고온에서 고무제품의 치수변화를 제한하거나 일정치수를 강제할 경우 열수축이나 열팽창에 의해 응력이 발생하게 된다. 따라서 온도 변화에 따른 열응력의 측정은 고무제품의 정밀성과 성능을 평가하는 중요한 수단을 제공한다. 본 연구에서는 고무소재의 열응력 측정을 위한 새로운 측정방법을 개발하였고 이와 관련 새로운 시험장치를 설계, 제작하였다. 고무시편에 일정 변형의 인장을 준 상태에서 가열하면 열응력이 발생한다. 이 때의 열응력은 고무분자 사슬들의 운동성에 기인하며 배향된 고무분자 사슬들이 열역학적으로 랜덤 사슬형태로 돌아가려는 엔트로피적 힘이다. 따라서 온도가 높을수록 그 수축력은 증가하게 된다. 또한 고무분자 사슬의 사전 변형이 증가하면 그 열응력은 증가한다. 이때 열응력은 측정시간이 지남에 따라 최대치에 도달한 후 완화되며 그 완화속도는 설정온도에 의해 영향을 받는다. 여기서는 온도변화에 따른 고무시편의 열응력 측정결과를 소개하고, 고무분자 사슬의 엔트로피 변화와 점탄성적 흐름, 그리고 가열에 따른 고무 시편의 팽창 또는 수축이 열응력에 미치는 영향 등을 논의하였다. 특히 천연고무와 SBR 고무시편의 열응력 차이를 분자사슬의 운동과 연관하여 검토하였고, 가교밀도와 가교시스템이 각각 다른 고무시편에 대해 열응력 발생과에 따른 상관관계를 고찰하였다. 또한 시편의 형태와 두께가 열응력 발생에 미치는 영향도 검토하였다. 충전 배합고무의 경우 열응력에 영향을 미치는 인자로 고무분자 사슬의 운동성과 가교밀도 외에 고무재료와 충전제 사이의 물리 화학적 상호작용도 매우 중요한 요소가 된다. 배합고무에서 충전제의 영향을 검토하기 위해 실리카와 카본블랙을 선택하였고 배합고무의 열응력을 각각 측정하여 이들의 보강효과가 열응력에 미치는 영향에 대해 논하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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