소개
자동차 타이어, 컨베이어 벨트 또는 V-벨트와 같은 고무 부품의 보강에는 타이어 코드 및/또는 메시 소재가 사용됩니다. 생산 과정에서 이러한 재료는 가황 처리되어 고무 컴파운드가 됩니다. 그러나 고무 컴파운드나 메시의 동적-기계적 특성만이 중요한 것은 아닙니다. 타이어 코드와 고무 사이의 접착력에 대한 정보도 종종 필요하며, 이는 주로 온도, 재료 특성, 기계적 응력 및 사용되는 점착제에 의해 영향을 받습니다.
점착제는 고무 컴파운드와 타이어 코드 사이의 접착 강도를 조정하기 위해 타이어 코드 표면에 도포하는 혼합물입니다. 타이어를 사용하는 동안 휠이 회전할 때뿐만 아니라 제동, 출발 또는 코너링 중에 인장, 전단 및 압축 응력이 발생합니다.
이러한 이유로 안정적이고 내구성이 뛰어난 동적 특성을 가진 제품을 개발하기 위해서는 고무 매트릭스 내 타이어 코드의 접착력에 대한 지식이 필수적입니다. 이러한 특성은 점착제의 성능에 영향을 받는데, 가보 인스트루먼트( NETZSCH )의 Eplexor® 500 N과 같은 고강도 DMTA 시스템을 사용하여 검증할 수 있습니다. Eplexor® 500 N은 ASTM D4776에 따라 인장 테스트를 수행하여 최대 인장력을 결정할 수 있을 뿐만 아니라 시료에 진동력을 가하여 재료의 특성에 대한 심층적인 통찰력을 얻을 수 있습니다. 그림 1은 내장된 타이어 코드의 동적 특성을 결정하기 위해 소위 T-테스트 또는 H-테스트(명칭은 샘플의 모양에 따라 다름)에 사용되는 배열을 보여줍니다.

A) 온도 영향
그림 2는 서로 다른 온도에서 접착 거동을 특성화하기 위해 동일한 소재의 두 가지 코드-고무 복합재에 대해 수행한 피로 테스트를 보여줍니다.

실험 온도는 샘플 1(빨간색)의 경우 100°C, 샘플 2(파란색)의 경우 150°C였습니다. 테스트는 힘 제어 모드, 즉 20N의 정적 힘과 2N의 동적 힘으로 수행되었으며 테스트 주파수는 6000초(36만 사이클) 동안 60Hz로 진행되었습니다. 샘플 1(빨간색)의 복소 계수의 증가는 100°C에서 경화 과정이 진행되기 때문에 발생한 것으로 설명할 수 있습니다. 150°C에서 샘플 2(파란색)의 복소 계수는 감소합니다. 이는 고무 컴파운드가 이미 여기서 분해되기 시작했기 때문입니다.
그림 3은 두 샘플의 감쇠 거동(tanδ)을 보여줍니다. 온도가 다르면 감쇠 특성이 달라집니다.

그 이유는 앞서 설명한 것과 동일합니다. 빨간색 곡선(100°C 기준)의 경우 가교(경화)로 인해 탄δ가 감소하고 파란색 곡선(150°C 기준)의 경우 분해로 인해 탄δ가 증가합니다.
B) 스트레스 한계 파악
그림 4는 서로 다른 점착제를 포함한 두 개의 동일한 코드-고무 복합재에 대한 분석을 통해 얻은 결과를 보여줍니다. 이 테스트의 목적은 동적-기계적 응력 한계를 결정하는 것이었습니다.

스트레인 제어 모드의 정적 동적 스윕은 정적 및 동적 스트레인이 단계적으로 증가합니다: 0.5% 정적 하중/0.05% 동적 스트레인; 1%/0.1%; 2%/0.2% ... 9%/0.9%.
테스트 주파수는 10Hz였습니다. 각 하중 단계마다 20개의 데이터 포인트를 기록하여 최대 응력에 도달했을 때 예상되는 힘 감소를 표시했습니다.
파란색 선은 접착 특성이 좋은 코드-고무 복합재의 거동을 보여주는 반면, 빨간색 곡선은 접착력이 부족한 재료에서 비롯된 것입니다. 샘플 1(빨간색 곡선)에서 볼 수 있듯이 타이어 코드는 6%의 정적 변형률과 0.6%의 동적 변형률에서 이미 고무 매트릭스에서 빠져나오기 시작합니다. 6%/0.6% 정적/동적 하중 단계는 비선형 재료 거동의 시작을 나타냅니다.
응력 한계를 알면 추가 테스트를 수행하여 재료에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있습니다. 그림 5는 그림 2에서 사용한 것과 동일한 샘플에 적용한 피로 테스트 중 복소 탄성률과 탄δ의 시간 의존성을 보여줍니다.
테스트는 50Hz의 주파수에서 5%의 정적 하중과 0.5%의 동적 하중에서 변형률 제어 모드에서 수행되었습니다. 이 조건은 그림 4에서 도출된 6%/0.6%의 고장 한계에 가깝도록 선택되었으며, 샘플 1의 빠른 열화를 유도하는 것을 목표로 했습니다. 테스트는 실온에서 수행되었습니다.
그림 5는 예상 결과를 보여줍니다. 샘플 1(빨간색)의 기계적 노화는 샘플 2(파란색)보다 빠르게 진행됩니다. 2300초(115000회) 후, 샘플 1의 코드가 고무 화합물에서 빠지기 시작하며, 이는 복소 계수 E*가 감소하는 것으로 볼 수 있습니다.
샘플 2(파란색)의 복소 계수는 측정 중에 천천히 감소합니다.

결론
연속 동적 하중 테스트(피로 테스트)는 점착제가 코드 표면에 적용될 때 코드와 고무 매트릭스 사이의 접착력을 특성화하는 데 적합합니다. 높은 힘과 진폭이 필요하기 때문에 NETZSCH 가보 인스트루먼트의 Eplexor® 기기 시리즈, 특히 Eplexor® 500 N은 수천 사이클 동안 샘플을 동적으로 하중을 가하는 데 적합합니다. 분석에는 각각 하나의 타이어 코드와 한쪽 끝(T-Test) 또는 양쪽 끝(H-Test)에 고무 재질로 구성된 T 또는 H 모양의 시료가 사용되었습니다.