1. 고무 및 탄성 재료의 기본 개념

고무 및 탄성 재료는 비교적 작은 힘으로 크게 변형되고, 하중을 제거하면 원래 형상에 가깝게 회복하는 고분자 재료이다.

이러한 성질을 일반적으로 탄성 또는 고무탄성이라고 한다.

고무 재료의 탄성은 금속의 탄성과 발생 원리가 다르다.

금속에서는 원자 간 결합거리가 약간 변하면서 탄성변형이 발생하지만, 고무에서는 길고 유연한 고분자 사슬이 접히고 펴지는 과정에서 큰 변형이 발생한다.

고무 재료가 탄성체로 기능하려면 일반적으로 다음 조건이 필요하다.

• 유연하고 긴 고분자 사슬

• 상온보다 낮은 유리전이온도

• 분자사슬 간 제한적인 가교구조

• 과도한 결정화가 없는 구조

• 변형 후 사슬이 원래의 무질서한 상태로 돌아가려는 성질

고무는 주로 다음 용도에 사용된다.

• 밀봉

• 진동 절연

• 충격 흡수

• 소음 저감

• 마찰력 확보

• 유연한 연결

• 압력 전달

• 오일·물·가스의 누설 방지

• 전기 절연

• 표면 보호

대표적인 기계부품은 다음과 같다.

• O링

• 오일 씰

• 가스켓

• 패킹

• 호스

• 벨트

• 롤러

• 방진고무

• 다이어프램

• 유연 커플링

• 와이퍼 씰

• 부츠

• 케이블 피복

2. 고무 재료의 구성 방식

고무 제품은 기본 중합체만으로 제조되지 않는다.

일반적인 고무 컴파운드는 다음 성분으로 구성된다.

1. 기본 고무

2. 보강 충전재

3. 비보강 충전재

4. 가황제

5. 가황촉진제

6. 가황활성제

7. 가소제 또는 공정유

8. 산화방지제

9. 오존방지제

10. 접착제 또는 커플링제

11. 안료

12. 난연제

13. 발포제

14. 기능성 첨가제

2.1 기본 고무

기본 고무는 제품의 핵심적인 내유성, 내열성, 내후성, 저온성 및 탄성을 결정한다.

대표적인 기본 고무:

• NR

• SBR

• BR

• NBR

• HNBR

• EPDM

• CR

• IIR

• VMQ

• FKM

• FFKM

• ACM

• ECO

• AU·EU

• TPE·TPU

2.2 PHR의 의미

고무 배합에서는 일반적인 질량 백분율 외에 PHR 단위를 많이 사용한다.

PHR는 다음을 의미한다.

Parts per Hundred Rubber

기본 고무 100중량부를 기준으로 다른 첨가제의 양을 표시하는 방식이다.

예를 들어 다음과 같은 배합이 있다고 가정한다.

• NBR: 100 PHR

• 카본블랙: 50 PHR

• 가소제: 10 PHR

• 산화아연: 5 PHR

• 황: 1.5 PHR

전체 배합량은 166.5중량부가 된다.

이를 완제품 기준 질량비로 환산하면 기본 고무의 실제 비율은 약 60% 정도가 된다.

따라서 “카본블랙 50 PHR”은 완제품의 50%가 카본블랙이라는 의미가 아니다.

2.3 일반적인 고무 컴파운드 구성비

실제 배합비는 목표 경도, 색상, 식품 적합성, 난연성, 내유성 및 가공방법에 따라 크게 달라진다.

3. 고무탄성이 발생하는 원리

3.1 분자사슬 구조

고무의 분자사슬은 상온에서 불규칙하게 접혀 있는 코일 형태를 가진다.

고무를 인장하면 사슬이 하중 방향으로 펴지고 정렬된다.

하중을 제거하면 분자사슬은 다시 무질서한 상태로 돌아가려 한다.

이 과정에서 큰 탄성복원이 발생한다.

3.2 가교구조

가교는 서로 다른 고분자 사슬 사이를 화학결합으로 연결하는 구조이다.

가교가 전혀 없으면 고무 분자사슬은 시간이 지나면서 서로 미끄러져 영구변형이 발생한다.

적절한 가교가 형성되면:

• 탄성회복 향상

• 인장강도 증가

• 내열성 증가

• 내용제성 증가

• 압축영구변형 감소

• 크리프 감소

• 점착성 감소

가교가 지나치게 많으면:

• 경도 증가

• 탄성변형 감소

• 연신율 감소

• 충격흡수성 감소

• 취성 증가

• 피로균열 증가 가능

3.3 유리전이온도

고무가 유연한 탄성체로 작용하려면 사용온도가 유리전이온도보다 충분히 높아야 한다.

유리전이온도 이하에서는:

• 고무가 단단해진다.

• 탄성이 감소한다.

• 충격에 취약해진다.

• 씰 접촉력이 감소할 수 있다.

• 균열 가능성이 증가한다.

따라서 저온용 씰에서는 단순한 최저온도뿐 아니라 실제 압축상태에서의 복원성을 검토해야 한다.

4. 가황방식

4.1 황 가황

황을 이용해 고분자 사슬 사이에 황 가교를 형성하는 방식이다.

주로 사용되는 재료:

• NR

• SBR

• BR

• NBR

• 일부 EPDM

• CR 계열

장점:

• 우수한 탄성

• 높은 인장강도

• 좋은 피로성

• 경제성

• 가공기술이 확립됨

한계:

• 고온에서 황 가교가 열화될 수 있음

• 압축영구변형이 증가할 수 있음

• 일부 금속과 오염 문제

• 식품·의료용에서는 잔류물 검토 필요

4.2 과산화물 가황

유기과산화물을 사용해 탄소-탄소 가교를 형성하는 방식이다.

주로 사용되는 재료:

• EPDM

• 실리콘고무

• HNBR

• 일부 NBR

• FKM

• 폴리에틸렌계 탄성체

장점:

• 높은 내열성

• 좋은 압축영구변형

• 낮은 추출물 설계 가능

• 증기와 고온수에 유리한 경우가 많음

• 금속 부식 오염 감소

한계:

• 황 가황보다 인열·피로특성이 낮을 수 있음

• 가황 중 산소 영향

• 냄새와 부산물 관리

• 일부 가소제와 첨가제 선택 제한

4.3 금속산화물 가황

주로 CR이나 일부 할로겐계 고무에 사용된다.

대표적인 가황제:

• 산화아연

• 산화마그네슘

금속산화물은 가교뿐 아니라 산성 부산물을 흡수하는 역할도 한다.

4.4 백금촉매 부가경화

실리콘고무에서 많이 사용하는 경화방식이다.

장점:

• 부산물이 적음

• 낮은 냄새

• 식품·의료용 제품에 유리

• 높은 순도 확보 가능

• 치수안정성 양호

주의사항:

• 황, 아민, 주석 및 특정 화합물이 촉매를 방해할 수 있음

• 재료와 금형 오염 관리 필요

5. 천연고무 — NR

5.1 기본 구성

천연고무는 고무나무의 라텍스에서 얻는 고분자로, 주성분은 cis-1,4-폴리이소프렌이다.

천연고무 반복단위의 이론적 원소 질량비:

• 탄소: 약 88.2%

• 수소: 약 11.8%

5.2 대표 배합 예

5.3 특성

장점:

• 매우 높은 탄성

• 우수한 인장강도

• 높은 인열강도

• 우수한 동적 피로성

• 좋은 내마모성

• 낮은 발열

• 양호한 접착성

한계:

• 오일에 약함

• 연료에 약함

• 오존과 자외선에 약함

• 내열성이 제한적

• 장기간 산화되면 균열

• 천연 단백질에 의한 알레르기 가능성

5.4 주요 용도

• 방진고무

• 타이어

• 컨베이어 벨트

• 롤러

• 커플링

• 고탄성 패드

• 충격흡수부품

• 고무 스프링

6. 스티렌부타디엔고무 — SBR

6.1 기본 구성

SBR은 스티렌과 부타디엔의 공중합체이다.

대표적인 단량체 구성비:

일반적인 범용 SBR에서는 스티렌 함량이 약 23.5%인 등급이 널리 사용된다.

6.2 성분의 역할

부타디엔

• 탄성 제공

• 저온 유연성 제공

• 동적 피로성 향상

스티렌

• 강도 증가

• 경도 증가

• 내마모성 증가

• 가공성 개선

• 스티렌이 증가하면 저온 유연성 저하 가능

6.3 대표 배합

6.4 특성

• 양호한 내마모성

• 좋은 가공성

• 균일한 품질

• 천연고무보다 낮은 인장·인열강도

• 오일과 연료에 약함

• 오존 저항성 제한

• 가격이 비교적 낮음

6.5 주요 용도

• 타이어

• 일반 벨트

• 매트

• 신발 밑창

• 일반 가스켓

• 방진부품

• 고무 시트

7. 부타디엔고무 — BR

7.1 기본 구성

BR은 부타디엔을 중합해 제조한다.

고시스 BR은 cis-1,4 구조의 비율이 매우 높은 등급이다.

7.2 특성

• 매우 낮은 유리전이온도

• 우수한 저온 탄성

• 낮은 발열

• 높은 반발탄성

• 좋은 내마모성

• 단독 가공성은 낮음

• 인열강도가 제한적

• 일반적으로 NR 또는 SBR과 혼합 사용

7.3 주요 용도

• 타이어 트레드와 사이드월

• 고반발 롤러

• 진동부품

• 내마모 고무

• 골프공

• 컨베이어 벨트

8. 니트릴고무 — NBR

8.1 기본 구성

NBR은 아크릴로니트릴과 부타디엔의 공중합체이다.

대표 공중합 조성:

ACN 함량에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.

• 저니트릴: 약 18~25%

• 중니트릴: 약 26~35%

• 고니트릴: 약 36~50%

8.2 성분과 특성의 관계

아크릴로니트릴 함량 증가

• 내유성 증가

• 연료 저항성 증가

• 가스 투과성 감소

• 인장강도와 경도 증가 가능

• 저온 유연성 감소

• 탄성 감소

• 압축영구변형 증가 가능

부타디엔 함량 증가

• 저온 유연성 향상

• 탄성 향상

• 오일 팽윤 증가

• 가스 차단성 감소

8.3 대표 배합

8.4 특성

장점:

• 우수한 광유 내성

• 우수한 그리스 내성

• 양호한 연료 저항성

• 좋은 내마모성

• 비교적 높은 기계적 강도

• 낮은 가스 투과성

한계:

• 오존과 자외선에 약함

• 고온 공기 중 노화 제한

• 극저온 유연성 제한

• 케톤, 에스터 및 일부 극성용제에는 부적합

• 증기용으로 일반적으로 부적합

8.5 주요 용도

• 오일 씰

• O링

• 유압 씰

• 공압 씰

• 연료 호스

• 오일 호스

• 다이어프램

• 고무 롤러

• 가스켓

9. 수소첨가 니트릴고무 — HNBR

9.1 기본 구성

HNBR은 NBR의 부타디엔 불포화 결합을 수소화해 제조한다.

주요 구성:

• 아크릴로니트릴

• 수소화된 부타디엔계 사슬

• 소량의 잔류 불포화 결합

수소화율은 일반적으로 매우 높게 제어된다.

9.2 수소화의 효과

부타디엔 사슬의 이중결합을 줄이면 다음 특성이 향상된다.

• 내열성

• 내산화성

• 내오존성

• 기계적 강도

• 내마모성

• 압축영구변형

• 고온 오일 저항성

NBR보다 저온성과 가격에서는 불리할 수 있다.

9.3 특성

• 높은 내열성

• 높은 인장강도

• 우수한 오일·연료 저항성

• 우수한 오존 저항성

• 좋은 마모와 피로특성

• 과산화물 가황 가능

• 가격이 NBR보다 높음

9.4 주요 용도

• 자동차 에어컨 씰

• 고온 유압 씰

• 엔진 씰

• 고압 O링

• 타이밍 벨트

• 유전장비 씰

• 고내구 다이어프램

10. EPDM

10.1 기본 구성

EPDM은 에틸렌, 프로필렌 및 소량의 비공액 디엔으로 구성된 삼원공중합체이다.

대표적인 조성 범위:

대표 디엔 성분:

• ENB

• DCPD

• VNB

10.2 성분과 특성의 관계

에틸렌 함량 증가

• 결정성 증가 가능

• 인장강도 증가

• 압출 형상 유지성 향상

• 저온 탄성 저하 가능

• 혼련성 변화

프로필렌 함량 증가

• 유연성 증가

• 저온 특성 개선 가능

• 결정성 감소

• 강도와 압출 안정성 저하 가능

디엔 함량 증가

• 가황속도 증가

• 가교 가능성 증가

• 기계적 강도 향상

• 과도하면 내노화성 저하 가능

10.3 대표 배합

EPDM은 많은 양의 오일과 충전재를 수용할 수 있어 경도와 원가를 폭넓게 조정할 수 있다.

10.4 특성

장점:

• 매우 우수한 내후성

• 우수한 오존 저항성

• 우수한 열수 저항성

• 증기환경 대응 가능

• 산과 알칼리에 비교적 강함

• 좋은 전기 절연성

• 넓은 온도범위

한계:

• 광유에 약함

• 연료에 약함

• 탄화수소계 용제에 부적합

• 금속과의 접착에는 별도 처리가 필요할 수 있음

10.5 주요 용도

• 물용 O링

• 증기 가스켓

• 위생 씰

• 옥외 패킹

• 자동차 웨더스트립

• 라디에이터 호스

• 지붕 방수재

• 전기 케이블 피복

11. 클로로프렌고무 — CR

11.1 기본 구성

CR은 클로로프렌을 중합한 고무이며 네오프렌이라는 상표명으로도 알려져 있다.

11.2 염소의 영향

염소 원자는 다음 성질에 기여한다.

• 난연성 향상

• 내후성 향상

• 오존 저항성 향상

• 오일 저항성 일부 향상

• 극성 증가

• 밀도 증가

11.3 대표 배합

11.4 특성

• 내후성과 내오존성 우수

• 난연성 양호

• 오일 저항성은 NR·SBR보다 우수

• 기계적 강도 양호

• 접착성이 좋음

• 저온 유연성은 제한적

• NBR보다 내유성이 낮음

• 전기적 특성이 습도에 영향받을 수 있음

11.5 주요 용도

• 일반 산업용 호스

• 벨트

• 방진마운트

• 전선 피복

• 접착제

• 다이어프램

• 난연 가스켓

• 옥외용 고무부품

12. 부틸고무 — IIR

12.1 기본 구성

IIR은 이소부틸렌과 소량의 이소프렌으로 구성된 공중합체이다.

대표 조성:

소량의 이소프렌은 가황이 가능한 불포화 결합을 제공한다.

12.2 특성

• 매우 낮은 가스 투과성

• 우수한 기밀성

• 우수한 오존과 내후성

• 좋은 진동 감쇠

• 산과 알칼리에 비교적 강함

• 낮은 반발탄성

• 오일과 탄화수소 연료에 약함

• 금속 및 다른 고무와 접착이 어려울 수 있음

12.3 할로부틸고무

IIR에 염소 또는 브롬을 도입한 재료이다.

• CIIR: 염소화 부틸고무

• BIIR: 브롬화 부틸고무

할로겐 도입 효과:

• 가황속도 향상

• 접착성 향상

• 다른 고무와의 공가황성 개선

• 내열성과 기밀성 유지

12.4 주요 용도

• 타이어 이너라이너

• 진공 씰

• 약품 마개

• 가스 차단막

• 방진 패드

• 다이어프램

• 기밀 호스

13. 실리콘고무 — VMQ

13.1 기본 구성

실리콘고무는 탄소-탄소 결합 대신 규소-산소 결합을 주사슬로 가진다.

VMQ는 비닐메틸실리콘고무를 의미한다.

13.2 일반적인 컴파운드 구성

고경도 제품에서는 실리카와 기타 충전재 비율이 증가할 수 있다.

13.3 실리카의 역할

실리콘고무는 기본 폴리머만으로는 기계적 강도가 낮다.

미세 실리카를 첨가하면:

• 인장강도 증가

• 인열강도 증가

• 경도 증가

• 압축특성 개선

• 점도 증가

• 가공성 변화

실리카 표면과 폴리머 간 상호작용이 지나치면 저장 중 경화되는 구조화 현상이 나타날 수 있어 구조조절제를 사용한다.

13.4 특성

장점:

• 매우 넓은 사용온도 범위

• 우수한 저온 유연성

• 높은 내후성과 내오존성

• 우수한 전기 절연성

• 식품·의료용 등급 확보 가능

• 색상 선택이 자유로움

• 낮은 독성 설계 가능

• 압축성 및 부드러운 촉감

한계:

• 인열강도가 낮을 수 있음

• 내마모성이 낮음

• 가스 투과성이 큼

• 광유와 연료에 대한 저항성 제한

• 날카로운 모서리에서 찢김 가능

• 일반 고무보다 가격이 높음

13.5 주요 용도

• 식품기계 가스켓

• 위생 호스

• 오븐 씰

• 의료용 튜브

• 전기 절연부품

• 고온 패킹

• 키패드

• 다이어프램

• 진공용 부품

14. 불소고무 — FKM

14.1 기본 구성

FKM은 불소를 포함하는 고성능 합성고무의 계열명이다.

대표적인 단량체 조합:

• 불화비닐리덴, VDF

• 헥사플루오로프로필렌, HFP

• 테트라플루오로에틸렌, TFE

• 퍼플루오로메틸비닐에테르, PMVE

FKM의 불소 함량은 일반적으로 약 65~71 wt.% 범위이며, 불소 함량이 높아질수록 연료와 화학약품 저항성이 향상되는 경향이 있다.

14.2 유형별 구성 개념

Type 1

• VDF + HFP

• 범용 불소고무

• 우수한 오일과 연료 저항성

Type 2

• VDF + HFP + TFE

• 불소 함량 증가

• 화학약품과 연료 저항성 향상

Type 3

• VDF + TFE + PMVE

• 저온성과 화학 저항성의 균형

Type 4·5

• 특수 공중합 조성

• 고내열·고내약품 또는 저온특성 조정

14.3 일반적인 컴파운드 구성

14.4 특성

장점:

• 높은 내열성

• 우수한 광유 내성

• 우수한 연료 저항성

• 많은 용제에 대한 저항성

• 낮은 가스 투과성

• 우수한 오존·자외선 저항성

• 난연성 양호

• 고온 압축영구변형 우수

한계:

• 저온 유연성이 제한적

• 고온 증기와 뜨거운 물은 등급별 검토 필요

• 아민, 케톤, 일부 에스터에 제한

• 가격이 높음

• 가황 및 후가황 공정 필요 가능

14.5 주요 용도

• 고온 O링

• 연료계 씰

• 화학장비 가스켓

• 진공 씰

• 고온 오일 씰

• 항공기 연료부품

• 반도체 장비 씰

15. 퍼플루오로엘라스토머 — FFKM

15.1 기본 구성

FFKM은 고분자 사슬의 대부분이 완전히 불소화된 탄성체이다.

주요 구성:

• TFE계 단량체

• 퍼플루오로비닐에테르

• 가교사이트 단량체

불소 함량이 매우 높아 PTFE와 유사한 화학적 안정성을 가지면서 탄성을 유지한다.

15.2 특성

• 극도로 높은 내약품성

• 매우 높은 내열성

• 낮은 가스 방출 등급 가능

• 진공과 반도체 공정에 적합

• 고온 압축영구변형 우수

• 거의 모든 유체에 대응 가능한 등급 존재

한계:

• 매우 높은 가격

• 저온성은 등급별 제한

• 기계적 강도와 인열성은 등급별 차이

• 정확한 유체·온도 조건에 따른 선정 필수

15.3 주요 용도

• 반도체 공정 씰

• 고순도 화학장비

• 강산·강염기용 O링

• 항공우주 씰

• 고온 반응기

• 의약품 생산설비

16. 아크릴고무 — ACM

16.1 기본 구성

ACM은 아크릴산 에스터계 단량체를 주성분으로 하는 고무이다.

주요 구성:

• 에틸아크릴레이트

• 부틸아크릴레이트

• 경화사이트 단량체

에스터 측쇄는 오일과 열에 대한 저항성을 제공한다.

16.2 특성

• 고온 오일 저항성 우수

• 산화와 오존 저항성 양호

• 자동변속기유에 유리

• 저온 유연성 제한

• 물과 증기에 제한

• 연료 저항성은 FKM보다 낮음

• 가수분해 환경에 주의

16.3 주요 용도

• 자동차 오일 씰

• 변속기 씰

• 고온 오일 호스

• 엔진 가스켓

• 윤활유용 패킹

17. 에피클로로히드린고무 — ECO

17.1 기본 구성

ECO는 에피클로로히드린계 단량체를 포함하는 탄성체이다.

대표 유형:

• CO: 에피클로로히드린 단독중합체

• ECO: 에피클로로히드린과 에틸렌옥사이드 공중합체

• GECO: 가교사이트를 포함한 삼원공중합체

17.2 특성

• 낮은 연료 투과성

• 양호한 오일과 연료 저항성

• 우수한 오존 저항성

• 비교적 좋은 저온특성

• 내열성 양호

• 전기전도성 또는 정전기 특성 조정 가능

• 물과 증기 환경에 제한 가능

• 산성 부산물 관리 필요

17.3 주요 용도

• 연료 호스

• 자동차 다이어프램

• 가스켓

• 연료 증기 차단부품

• 정전기 방지 롤러

18. 폴리우레탄 탄성체 — AU·EU

18.1 기본 구성

폴리우레탄 탄성체는 폴리올, 이소시아네이트 및 사슬연장제로 구성된다.

주요 유형:

• AU: 폴리에스터계 우레탄고무

• EU: 폴리에테르계 우레탄고무

18.2 폴리에스터계와 폴리에테르계 비교

폴리에스터계

• 높은 기계적 강도

• 우수한 내마모성

• 좋은 오일 저항성

• 가수분해에 취약할 수 있음

폴리에테르계

• 우수한 내수성과 내습성

• 좋은 저온 유연성

• 미생물 저항성 양호

• 일부 오일과 용제 저항성은 폴리에스터계보다 낮을 수 있음

18.3 특성

• 매우 높은 내마모성

• 높은 인장강도

• 높은 인열강도

• 넓은 경도범위

• 높은 하중 지지능력

• 좋은 탄성과 충격흡수

• 마찰열과 내부발열 주의

• 고온 연속사용 제한

• 가수분해와 미생물 열화 검토 필요

18.4 주요 용도

• 산업용 롤러

• 바퀴

• 스크레이퍼

• 유압 씰

• 완충부품

• 커플링 엘리먼트

• 벨트

• 내마모 라이너

19. 열가소성 엘라스토머 — TPE

19.1 기본 개념

TPE는 고무와 같은 탄성을 가지면서 열가소성수지처럼 용융성형할 수 있는 재료이다.

일반 가황고무와 달리 화학적 가황공정을 생략하거나 최소화할 수 있다.

장점:

• 사출성형 가능

• 압출성형 가능

• 재가공과 재활용 가능

• 짧은 생산주기

• 금속 또는 플라스틱과 이중사출 가능

• 다양한 색상 구현

한계:

• 고온 크리프

• 압축영구변형

• 장기 내열성

• 오일과 화학약품 저항성

• 영구가교 고무보다 탄성회복이 낮을 수 있음

19.2 TPE-S

스티렌계 열가소성 엘라스토머이다.

대표 유형:

• SBS

• SEBS

• SIS

구조:

• 단단한 스티렌 블록

• 유연한 부타디엔 또는 에틸렌-부틸렌 블록

일반적인 컴파운드 구성:

특성:

• 부드러운 촉감

• 성형성 우수

• 투명 등급 가능

• 저온 유연성 양호

• 고온 내구성 제한

• 오일 저항성 제한

• 실외용은 SEBS가 SBS보다 유리

주요 용도:

• 손잡이

• 그립

• 씰

• 완충재

• 전선 피복

• 소비재 오버몰딩

19.3 TPO

TPO는 PP와 EPDM 또는 기타 올레핀계 탄성체의 블렌드이다.

대표 구성:

특성:

• 낮은 밀도

• 우수한 내후성

• 좋은 충격강도

• 비교적 높은 강성

• 사출과 압출 가능

• 일반 가황고무보다 압축복원성 낮음

• 오일 저항성 제한

주요 용도:

• 자동차 범퍼

• 커버

• 방수시트

• 외장 부품

• 유연 덕트

19.4 TPV

TPV는 열가소성 수지 안에 가황된 고무 입자가 분산된 동적가황 재료이다.

대표 구조:

• 연속상: PP

• 분산상: 가황 EPDM

대표 구성:

특성:

• 일반 TPO보다 탄성복원 우수

• 내후성과 내오존성 우수

• 사출·압출 가능

• 재활용 가능

• EPDM 가황고무보다 고온 압축영구변형이 클 수 있음

• 광유와 연료에는 제한

주요 용도:

• 웨더스트립

• 유연 호스

• 씰

• 그로밋

• 자동차 덕트

• 전기 커넥터 씰

19.5 TPU

TPU는 열가소성 폴리우레탄이다.

대표 구성:

• 폴리올 연질 세그먼트

• 이소시아네이트 경질 세그먼트

• 사슬연장제

• 안정제

• 윤활제

• 안료

특성:

• 매우 높은 내마모성

• 높은 인장강도

• 우수한 인열강도

• 높은 투명성 구현 가능

• 사출과 압출 가능

• 오일과 그리스에 비교적 강함

• 압축영구변형은 가황 우레탄보다 클 수 있음

• 고온 습윤환경에서 가수분해 주의

주요 용도:

• 벨트

• 호스

• 케이블 피복

• 바퀴

• 롤러

• 유연 커플링

• 보호필름

• 공압 튜브

20. 충전재와 첨가제의 역할

20.1 카본블랙

카본블랙은 고무에서 가장 널리 사용되는 보강재이다.

주요 구성원소는 탄소이다.

효과:

• 인장강도 증가

• 내마모성 증가

• 인열강도 증가

• 경도 증가

• 자외선 차단

• 전기전도성 조절

• 원가 조절

카본블랙의 입자가 작고 표면적이 클수록 보강효과가 커지는 경향이 있지만 점도와 발열도 증가할 수 있다.

20.2 실리카

주요 성분은 이산화규소이다.

효과:

• 고무 보강

• 인장강도와 인열강도 향상

• 투명 또는 유색 제품 제조

• 전기절연성 유지

• 저발열과 마찰특성 조정

실리카는 표면이 극성이므로 비극성 고무와 결합하기 위해 실란 커플링제를 사용할 수 있다.

20.3 탄산칼슘

효과:

• 원가 절감

• 경도 조절

• 치수안정성

• 압출형상 유지

• 표면특성 조절

과도한 첨가는 인장강도와 탄성을 낮출 수 있다.

20.4 점토와 탈크

효과:

• 경도 증가

• 압출성과 치수안정성 향상

• 가스 투과성 감소 가능

• 원가 절감

• 난연성 보조

20.5 공정유과 가소제

주요 유형:

• 파라핀계 오일

• 나프텐계 오일

• 방향족계 오일

• 에스터계 가소제

• 고분자량 가소제

효과:

• 경도 감소

• 유연성 증가

• 저온성 향상

• 혼련과 압출성 개선

• 충전재 분산 개선

• 원가 조절

주의사항:

• 오일 추출

• 체적 팽윤

• 휘발과 경화

• 식품 접촉 적합성

• 씰 유체와의 상용성

• 저온과 고온 특성 변화

20.6 산화방지제

열과 산소에 의한 분자사슬 파괴를 억제한다.

효과:

• 경화와 균열 지연

• 인장강도 유지

• 사용수명 연장

• 고온 노화 저항성 증가

20.7 오존방지제

오존이 고무의 이중결합을 공격하는 것을 억제한다.

대책:

• 화학적 오존방지제

• 왁스 보호막

• EPDM·실리콘·FKM 등 포화형 고무 선택

• 인장상태 최소화

• 자외선 차단

20.8 난연제

난연제는 연소를 지연하거나 자기소화성을 높인다.

주요 유형:

• 할로겐계

• 인계

• 금속수산화물

• 팽창형 난연제

난연제는 다음 성질을 변화시킬 수 있다.

• 인장강도

• 연신율

• 경도

• 밀도

• 전기특성

• 압축영구변형

• 연기와 연소가스

21. 고무의 주요 기계적 특성

21.1 경도

고무 경도는 일반적으로 쇼어 A로 표시한다.

대략적인 적용 경향:

경도가 높아지면 일반적으로:

• 변형 저항 증가

• 압축력 증가

• 압출 저항 증가

• 조립력 증가

• 저압 밀봉성 감소 가능

• 충격흡수성 감소 가능

21.2 인장강도

고무의 인장강도는 다음 요인의 영향을 받는다.

• 기본 고무

• 가교밀도

• 카본블랙과 실리카

• 가소제

• 시험온도

• 변형속도

• 노화상태

• 섬유방향

NR, HNBR, 우레탄은 높은 인장강도를 얻기 쉽다.

실리콘과 FFKM은 내환경성은 우수하지만 기계적 강도는 배합에 따라 낮을 수 있다.

21.3 연신율

연신율은 파단 전까지 늘어날 수 있는 정도를 나타낸다.

고무는 일반적으로 수백 퍼센트의 연신율을 가질 수 있다.

연신율이 높다고 반드시 내구성이 높은 것은 아니다.

실제 씰 설계에서는:

• 반복변형

• 노치

• 표면결함

• 압축영구변형

• 온도

• 화학팽윤

을 함께 검토해야 한다.

21.4 인열강도

인열강도는 균열이 시작된 후 찢어지는 것에 대한 저항성을 나타낸다.

인열강도가 중요한 부품:

• 다이어프램

• 벨트

• 얇은 씰 립

• 부츠

• 롤러 코팅

• 반복 굽힘 부품

일반적으로 NR과 폴리우레탄은 인열성이 우수하며, 실리콘은 날카로운 손상에 주의해야 한다.

21.5 반발탄성

반발탄성은 충격에너지가 얼마나 다시 회복되는지를 나타낸다.

높은 반발탄성:

• NR

• BR

• 일부 우레탄

낮은 반발탄성:

• IIR

• 일부 고충전 고무

• 진동감쇠용 컴파운드

진동절연에서는 단순히 탄성이 높은 재료보다 손실계수와 감쇠성도 중요하다.

21.6 압축영구변형

고무를 일정 시간 압축한 후 하중을 제거했을 때 원래 두께로 회복하지 못한 비율이다.

압축영구변형이 낮을수록 장기간 밀봉력 유지에 유리하다.

영향요소:

• 온도

• 압축률

• 시간

• 가교방식

• 가교밀도

• 가소제

• 유체 팽윤

• 고무 두께

• 후가황

O링, 가스켓 및 패킹에서는 인장강도보다 압축영구변형이 더 중요한 경우가 많다.

21.7 크리프와 응력완화

고무를 일정 변형으로 유지하면 반력이 시간에 따라 감소한다.

이를 응력완화라고 한다.

밀봉부에서는 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 접촉압력 감소

• 누설 발생

• 체결력 감소

• 진동절연 성능 변화

21.8 피로와 균열성장

반복 굽힘과 인장에서는 미세균열이 성장할 수 있다.

영향요소:

• 고무 종류

• 충전재 분산

• 오존

• 표면흠집

• 평균변형률

• 반복주파수

• 자체발열

• 온도

• 유체

22. 열적 특성

22.1 사용온도

고무의 사용온도는 다음 항목을 함께 고려해야 한다.

• 저온 유연성

• 유리전이온도

• 고온 산화

• 가교 열화

• 압축영구변형

• 유체와 온도의 복합작용

• 단기온도와 연속온도

대표적인 상대 경향:

실제 사용온도는 배합과 사용유체에 따라 달라지므로 공급사 데이터를 적용해야 한다.

22.2 열노화

고온에서 고무는 다음과 같이 변화할 수 있다.

• 경화

• 연화

• 균열

• 가소제 손실

• 가교 절단

• 추가 가교

• 강도 저하

• 압축영구변형 증가

NBR과 NR은 고온 산화로 경화되는 경향이 있으며, 일부 우레탄은 열과 수분에 의해 연화 또는 분해될 수 있다.

22.3 자체발열

반복 변형 시 분자 내부의 히스테리시스로 열이 발생한다.

자체발열이 중요한 부품:

• 타이어

• 고속 롤러

• 벨트

• 커플링

• 방진마운트

• 왕복 다이어프램

발열이 축적되면:

• 강도 감소

• 열화 가속

• 가황구조 파괴

• 접착층 손상

• 피로수명 감소

23. 유체와 화학약품에 대한 적합성

23.1 팽윤

고무가 유체를 흡수하면 체적이 증가한다.

팽윤의 영향:

• 경도 감소

• 강도 감소

• 치수 증가

• 씰 압축률 변화

• 마찰 증가

• 조립부 간섭

• 압출 손상

일부 유체는 고무 속의 가소제를 추출해 수축과 경화를 일으킬 수도 있다.

23.2 극성과 상용성

일반적으로 극성이 비슷한 물질끼리는 서로 잘 용해되거나 팽윤되는 경향이 있다.

예:

• 비극성 NR·EPDM은 탄화수소 오일에 팽윤하기 쉽다.

• 극성 NBR은 광유에는 강하지만 일부 극성용제에는 약할 수 있다.

• 고불소 FKM·FFKM은 많은 유체에 안정적이다.

그러나 실제 상용성은 온도, 첨가제, 혼합유체에 따라 달라지므로 단순한 극성만으로 결정해서는 안 된다.

23.3 대표적인 적합 경향

24. 씰 설계에서의 고려사항

24.1 압축률

고무 씰은 적절한 압축변형을 통해 접촉압력을 형성한다.

압축이 부족하면:

• 누설

• 조립공차 민감

• 저압 밀봉 실패

압축이 과도하면:

• 마찰 증가

• 조립 손상

• 압축영구변형 증가

• 씰 수명 감소

• 홈 밖으로 압출

24.2 신장률

O링을 축이나 홈에 설치하면서 과도하게 늘리면 단면이 감소하고 접촉압력이 변한다.

검토항목:

• 설치 신장률

• 단면 축소

• 온도 변화

• 고무 팽윤

• 조립 중 비틀림

24.3 압출 간극

고압에서 고무가 금속 간극으로 밀려나가 파손될 수 있다.

대책:

• 경도 증가

• 간극 감소

• 백업링 사용

• 압력 단계화

• 고강도 재료 사용

• 온도와 팽윤 고려

24.4 동적 씰 마찰

동적 씰에서는 다음을 검토한다.

• 초기 마찰

• 주행 마찰

• 윤활

• 표면조도

• 편심

• 속도

• 발열

• 스틱슬립

• 마모입자

• 상대재 코팅

25. 진동절연 및 방진설계

고무 방진재는 스프링과 감쇠기의 역할을 동시에 수행한다.

검토항목:

• 정적하중

• 동적강성

• 고유진동수

• 가진주파수

• 손실계수

• 온도

• 압축과 전단 방향

• 장기 크리프

• 오일 및 오존 노출

고무의 동적강성은 정적강성과 다를 수 있으며 주파수와 온도에 따라 변한다.

방진고무에서는 NR이 높은 탄성과 피로성으로 널리 사용되며, 옥외와 열환경에서는 EPDM이나 CR이 사용될 수 있다.

26. 식품기계에서의 고무 재료

26.1 일반적으로 사용되는 재료

• EPDM

• 실리콘고무

• FKM

• NBR

• HNBR

• PTFE 복합 씰

• TPU

• 식품접촉용 천연고무

재료명만으로 식품 적합성을 판단해서는 안 된다.

다음 성분도 모두 적합성 검토가 필요하다.

• 카본블랙

• 안료

• 가소제

• 산화방지제

• 가황촉진제

• 이형제

• 충전재

• 경화 부산물

• 접착제

26.2 EPDM

적합 환경:

• 물

• 온수

• 증기

• 산·알칼리 세척

• 옥외 노출

주의사항:

• 식용유와 윤활유

• 지방성 식품

• 탄화수소 세정제

26.3 실리콘고무

적합 환경:

• 고온

• 저온

• 위생 호스

• 식품 접촉

• 오븐과 가열설비

• 투명 씰

주의사항:

• 인열

• 마모

• 고압

• 오일

• 가스 투과

• 날카로운 홈

백금경화 실리콘은 저추출물과 위생성이 중요한 용도에 유리하다.

26.4 NBR과 HNBR

적합 환경:

• 식용유

• 그리스

• 윤활유

• 일부 지방성 식품

주의사항:

• 고온 증기

• 오존

• 강산화성 세척제

• 실제 식품접촉 인증

26.5 FKM

적합 환경:

• 고온 오일

• 지방

• 연료

• 일부 강한 세정제

• 높은 온도

주의사항:

• 증기와 온수는 전용 등급 필요

• 저온

• 아민계 세정제

• 비용

• 식품접촉 전용 컴파운드 확인

26.6 금속검출 가능 고무

식품기계에서는 파손된 씰 조각을 검출하기 위해 금속검출 또는 X선 검출이 가능한 고무를 사용할 수 있다.

일반 구성:

• EPDM·실리콘·NBR 등 기본 고무

• 금속 또는 고밀도 무기 첨가제

• 청색 안료

• 보강재와 안정제

주의사항:

• 검출성은 조각 크기에 좌우됨

• 첨가제가 인열강도와 압축영구변형에 영향

• 검출기별 시험 필요

• 식품접촉 적합성 확인

27. 대표 재료의 특성 비교

28. 부품별 재료 선정

28.1 오일 씰

권장 재료:

• NBR

• HNBR

• FKM

• ACM

선정 기준:

• 일반 광유: NBR

• 고온·고압: HNBR

• 고온 오일·연료: FKM

• 자동차 고온 윤활유: ACM

28.2 물과 증기용 가스켓

권장 재료:

• EPDM

• 과산화물 가황 EPDM

• 실리콘

• 전용 FFKM

선정 기준:

• 일반 물과 온수: EPDM

• 고온 증기: 전용 EPDM

• 위생성과 넓은 온도범위: 실리콘

• 극한 약품과 증기: 전용 FFKM

28.3 방진마운트

권장 재료:

• NR

• CR

• EPDM

• IIR

선정 기준:

• 높은 탄성과 피로성: NR

• 옥외와 난연성: CR

• 내후성과 고온: EPDM

• 높은 감쇠와 기밀성: IIR

28.4 고마모 롤러

권장 재료:

• 폴리우레탄

• HNBR

• NR

• NBR

선정 기준:

• 최고 수준의 마모저항: PU

• 오일과 고온: HNBR

• 고탄성과 충격: NR

• 오일 환경: NBR

28.5 화학설비 O링

권장 재료:

• FKM

• FFKM

• EPDM

• PTFE 복합 씰

유체의 종류와 온도에 따라 선정해야 하며, “내약품성 우수”라는 일반적 표현만으로 결정해서는 안 된다.

29. 도면 및 사양서 표기방법

단순히 “고무”, “NBR” 또는 “실리콘”이라고만 표기하는 것은 충분하지 않다.

다음 항목을 함께 지정해야 한다.

29.1 기본 재료

예:

• NBR

• HNBR

• EPDM

• VMQ

• FKM

• TPU

29.2 경도

예:

• NBR 70 Shore A

• EPDM 60 ±5 Shore A

• Silicone 50 Shore A

경도 측정법과 허용공차를 함께 지정하는 것이 좋다.

29.3 색상

예:

• Black

• White

• Blue

• Translucent

색상은 안료뿐 아니라 카본블랙 함량과 식품검출성에 영향을 줄 수 있다.

29.4 가황방식

필요한 경우 지정:

• Sulfur cured

• Peroxide cured

• Platinum cured

• Bisphenol cured

• Amine cured

29.5 식품·의료 적합성

예:

• 식품접촉 적합 등급

• 음용수 적합 등급

• 저추출물 등급

• 의료용 등급

• 금속검출 가능 등급

관련 적합성은 완성 컴파운드 기준으로 확인해야 한다.

29.6 물성 요구사항

• 인장강도

• 연신율

• 인열강도

• 압축영구변형

• 내열노화

• 체적변화

• 경도변화

• 저온성

• 내오존성

• 접착강도

• 전기저항

29.7 사용환경

도면 또는 구매사양서에는 다음을 명시하는 것이 좋다.

• 사용유체

• 유체 농도

• 연속온도

• 최고온도

• 압력

• 정적 또는 동적 사용

• 세척방법

• 증기 여부

• 자외선 노출

• 예상수명

30. 고무 재료 선정 절차

30.1 밀봉 또는 탄성 기능 확인

• 정적 씰인가?

• 왕복 씰인가?

• 회전 씰인가?

• 방진부품인가?

• 충격흡수부품인가?

• 롤러 또는 벨트인가?

• 호스인가?

30.2 유체 확인

• 물

• 증기

• 광유

• 합성유

• 그리스

• 연료

• 산

• 알칼리

• 세정제

• 용제

• 식품

• 의약품

30.3 온도 확인

• 최저온도

• 연속사용온도

• 단기 최고온도

• 열사이클

• 살균과 세척온도

• 마찰발열

30.4 기계적 조건 확인

• 압력

• 압축률

• 반복변형

• 속도

• 마찰

• 압출간극

• 충격

• 진동

• 체결력

30.5 장기특성 확인

• 압축영구변형

• 응력완화

• 크리프

• 열노화

• 오존균열

• 피로균열

• 가소제 추출

• 유체 팽윤

30.6 제조조건 확인

• 압축성형

• 이송성형

• 사출성형

• 압출

• 캘린더링

• 주형 우레탄

• 이중사출

• 접착

• 금속가황 접착

30.7 규제와 안전성 확인

• 식품접촉

• 의료용

• 난연성

• 유해물질

• 연소가스

• 알레르기

• 추출물

• 재활용성

• 작업자 노출

31. 최종 정리

고무와 탄성 재료는 단순히 부드럽고 늘어나는 재료가 아니다.

실제 성능은 다음 요소의 조합에 의해 결정된다.

• 기본 고무의 분자구조

• 공중합 단량체의 종류와 비율

• 가교방식

• 가교밀도

• 카본블랙과 실리카의 종류 및 함량

• 가소제

• 충전재

• 산화방지제

• 오존방지제

• 경화조건

• 후가황

• 사용온도

• 유체와 화학환경

• 장기 압축 및 반복변형

NR은 cis-1,4-폴리이소프렌 구조로 인해 높은 탄성, 인장강도 및 피로특성을 가진다.

SBR은 스티렌과 부타디엔의 조합을 통해 내마모성과 경제성을 확보한다.

BR은 낮은 유리전이온도와 높은 반발탄성을 이용해 저온·동적 부품에 사용된다.

NBR은 아크릴로니트릴 함량에 따라 내유성과 저온성의 균형이 달라진다.

HNBR은 NBR의 불포화 결합을 수소화하여 내열성, 내오존성 및 기계적 내구성을 높인 재료이다.

EPDM은 에틸렌·프로필렌·디엔의 조성을 통해 물, 증기, 오존 및 옥외환경에 우수한 성능을 제공한다.

CR은 염소를 포함하여 난연성, 내후성 및 중간 수준의 내유성을 갖는다.

IIR은 높은 이소부틸렌 함량으로 매우 낮은 가스 투과성과 우수한 감쇠성을 가진다.

실리콘고무는 규소-산소 주사슬로 인해 매우 넓은 온도범위와 우수한 내후성을 가지지만, 인열과 마모에는 주의해야 한다.

FKM과 FFKM은 높은 불소 함량으로 고온과 화학약품에 대한 높은 저항성을 제공하지만, 정확한 유체와 온도에 맞는 등급 선정이 필요하다.

폴리우레탄은 경질 세그먼트와 연질 세그먼트의 조합으로 높은 강도, 인열성 및 내마모성을 제공한다.

TPE는 고무탄성과 열가소성 가공성을 결합하지만, 장기 고온 크리프와 압축영구변형을 검토해야 한다.

따라서 고무 재료를 선정할 때는 단순히 “NBR”, “EPDM”, “실리콘”과 같은 재료명만 확인해서는 안 된다.

반드시 다음 항목을 함께 지정하고 검증해야 한다.

• 기본 고무

• 공중합 조성

• 경도

• 가황방식

• 충전재와 가소제

• 사용유체

• 사용온도

• 압력과 변형률

• 압축영구변형

• 내열노화

• 유체 팽윤

• 식품·의료·환경 적합성

• 공급사 컴파운드 등급

고무 및 탄성 재료의 선정은 부드러운 재료를 고르는 과정이 아니라, 밀봉·진동·마찰·온도·유체·수명 조건에 맞는 분자구조와 배합 조성을 선택하는 설계 과정이다.