소개
아크릴로니트릴 부타디엔 고무(NBR, 그림 1의 구조적 형태)는 아크릴로니트릴과 부타디엔 모노머의 중합에 의해 생성되는 공중합체입니다. 이 카우슈를 제조하는 데 사용되는 주요 공정은 저온 에멀젼 중합입니다[1]. 공중합체의 아크릴로니트릴 함량은 일반적으로 18~50몰.-%입니다[1]. NBR은 일반적으로 비극성 용제에 대한 우수한 내성, 높은 내마모성, 가스 불투과성 및 우수한 온도 저항성을 보여줍니다. 그 결과 벨로우즈, 개스킷 및 기타 씰, 고무 장갑, 내유 밑창, 인쇄 담요 등과 같은 다양한 내유성 고무 제품 제조에 널리 사용되며 자동차, 항공, 석유, 포장, 식품, 인쇄 및 기타 산업에서 필수 불가결한 탄성 소재로 자리 잡았습니다 [2].
일부 NBR 제품은 사용 중 지속적인 변형과 고온에 노출됩니다. 따라서 제품 설계 시 인장 또는 압축 세트의 이완 및 변형 세트에 대한 지식이 고객에게 중요합니다. 소재를 일정한 변형 상태에서 사용하면 시간이 길어지거나 온도가 높아지면 소재의 반응이 돌이킬 수 없게 될 수 있습니다. 이로 인해 변형이 제거된 후에도 재료가 영구적으로 변형되지 않을 수 있습니다. 이 비가역적인 부분은 특정 고무 소재의 적용 가능성을 결정하는 데 중요한 요소입니다. 엘라스토머의 관련 이완 및 변형 세트 특성을 테스트하기 위한 여러 국제 표준 및 중국 표준이 있으며, 여기에는 ASTM D395, GB/T 7759.1, GB/T 7759.2 및 GB/T 1683이 있습니다.
그러나 이러한 속성에 대한 재료 성능에 대한 정보는 응용 분야 관련 조건에서 재료 거동을 시뮬레이션하여 NETZSCH DMA 303 Eplexor® 에서도 얻을 수 있습니다.
이완 및 압축 세트 측정수취 상태 및 가황 후 NBR
그림 2와 같이 적절한 압축 강철 시료 홀더와 푸시 로드를 사용하여 DMA 303 Eplexor®®으로 압축 모드에서 두 가지 다른 NBR 시료를 측정했습니다. 하나는 정적 공기에서 170°C에서 1차 가황 공정을 거친 입고된 NBR 샘플이고, 다른 하나는 정적 공기 오븐에서 2시간 동안 170°C에서 추가 열처리한 가황 후 NBR 샘플입니다. 샘플의 직경은 입고된 상태와 가황 후 NBR 샘플의 경우 각각 5.18mm와 5.22mm였습니다. 샘플의 높이는 DMA 303 Eplexor® 의 자동 길이 감지 기능으로 결정했습니다.
실험은 다음과 같은 6단계 절차를 사용하여 수행되었습니다:
- 25°C에서 5분 동안 등온 안정화되는 동안 샘플과 접촉할 수 있도록 0.05N의 정적 힘을 가했습니다. 세그먼트가 끝날 때 초기 두께인 L0을 측정했습니다.
- 그런 다음 10K 분-1의 가열 속도로 온도를 100°C까지 올렸습니다.
- 온도를 안정화하고 전체 샘플이 100°C에서 평형을 이루도록 하기 위해 다음 단계로 넘어가기 전에 5분 동안 온도를 유지했습니다.
- 이전 세그먼트의 끝에서 측정한 길이를 기준으로 25%의 목표 정적 스트레인을 적용했습니다. 이 온도에서 60분 동안 변형을 일정하게 유지하고 힘의 감쇠와 이완 계수를 세그먼트 전체에 걸쳐 시간에 따른 함수로 관찰했습니다.
- 가해진 힘을 이전 0.05N으로 줄인 다음 다시 25°C로 10Kmin-1로 냉각했습니다.
- 온도를 25°C에서 20분 동안 일정하게 유지하여 온도를 안정시키고 샘플이 주어진 온도에서 완전히 평형을 이룰 수 있도록 했습니다. 세그먼트의 끝에서 샘플의 길이인 L1을 다시 측정하고 잔류 비가역 변형률인 ε = (L1 - L0)/L0을 측정했습니다.
실험적
첫 번째 세그먼트의 끝에서 측정한 샘플 길이는 L0 = 7.722mm입니다. 100°C에서 등온 세그먼트의 시작 부분에 -25%의 정적 변형을 가한 후 1시간 후 정적 힘은 최대 값인 24.97N에서 20.41N으로 감소합니다. 이에 따라 이완 계수도 4.77MPa에서 3.87MPa로 감소합니다. 측정이 끝날 때 시편의 길이는 L1 = 7.464mm입니다. 이는 1시간 후 잔류 변형률 ε = -3.34%에 해당합니다.
가황 후 NBR 샘플의 경우 가열 세그먼트가 시작되기 전에 L0 = 7.638 mm의 길이가 측정되었습니다. 정적 변형률 -25%에는 21.41N의 초기 힘이 필요하며, 100°C에서 1시간 후에는 17.10N으로 감소합니다. 등온 세그먼트 동안 이완 계수는 초기 값인 4.06MPa에서 3.19MPa로 감소합니다. 실험이 끝날 때 시편 길이 L1 = 7.509mm가 측정되었습니다. 따라서 이 경우 계산된 잔류 변형률은 ε = -1.69%입니다.
측정 결과
수령 상태의 NBR은 여전히 -3.34%의 잔류 변형률을 보이지만, 가황 후 처리된 NBR 샘플은 -1.69%의 값만을 보여줍니다. 이는 입고 상태 대비 잔류 변형률이 약 50.6% 감소한 것으로 가황 후 공정 처리가 NBR에 미치는 급격한 영향을 보여줍니다. 미세 구조적 관점에서 잔류 변형률의 차이는 가황 후 NBR 샘플의 폴리머 사슬의 분자간 화학적 가교 정도가 더 높기 때문으로 설명할 수 있습니다. 그 결과, 고온 및/또는 긴 시간 스케일에서 이동성과 구성 변화를 겪을 수 있는 능력이 크게 감소합니다. 비가역적인 점성 흐름을 위해서는 주 폴리머 사슬이 새로운 준안정적 구성으로 이동해야 하므로 화학적 가교 정도가 증가하면 샘플 변형 중 구성이 변경될 가능성이 줄어듭니다. 돌이킬 수 없는 미세 구조 변화는 그림 3과 4에 표시된 것처럼 등온 이완 구간 동안의 힘 감소에 의해 거시적 규모에 반영됩니다.
제품 설계자의 경우, 엘라스토머 가황 후 가소 처리의 장점은 사용 중 제품 내 잔류 변형과 같은 물리적, 화학적 변화가 적다는 점입니다. 이를 통해 최종 제품을 소재의 용도에 더 가깝게 맞춤화할 수 있습니다.
결론
또한 여러 국제 표준에 따라 수행되는 이완 및 압축 세트 실험과 비교하여 동적 기계 분석을 통해 일정한 변형 동안의 힘 감소를 현장에서 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 제품 디자이너는 서비스 중인 소재의 거동에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다.