고하중 조건하에서의 고분자 복합재료의 마모 및 마찰특성

박종현, 김덕준

성균관대학교 화학공학과

Wear and Friction Characteristics of Polymer Composites

Under High Load Conditions

Jong Hyun Park, Dukjoon Kim

Department of Chemical Engineering, Sung Kyun Kwan University

서론

고분자 복합재료는 가벼우면서도 기계적 강도가 우수하고 내화학성, 전기절연성 등의 금속이 갖지 못한 여러 가지 성질을 가지고 있으므로 산업 전반에 광범위하게 쓰이고 있으며, 최근에는 마찰과 마모가 가해지는 브레이크 패드, 베어링, 기어, 공작도구 등의 기계요소분야에까지 그 적용범위가 점점 확대되고 있다[1]. 특히 이러한 분야에서 고분자 복합재료의 산업적 적용 가능성을 접목시키기 위해서는 다양한 환경에서의 내마모성과 마찰계수에 대한 데이터 확보가 필요하다. 이에 몇몇 논문에서 이 분야에 대한 연구가 진행된 바 있으나 대부분의 논문이 저하중의 조건하에서 행해진 마모·마찰실험이었기 때문에 고하중조건에서의 고분자 복합재료의 마모·마찰에 대한 연구결과는 매우 미약한 상황이다. Narisawa[2]는 페놀수지 복합재료로 만들어진 브레이크 패드를 고속도의 마찰환경에서 마모·마찰실험을 행하여 그 내구성을 시험하였으나 가해지는 하중은 최고 0.78MPa정도에 지나지 않았으며, Friedrich[3]는 2.2MPa의 하중과 300mm/min-1의 아주 느린 속도 하에서 유리, 탄소, 아라미드섬유 등 두 종류의 섬유를 혼합한 하이브리드 고분자 복합재료로 마모·마찰 실험을 행하여서 최적의 마모성능과 시너지 효과를 연구한 바 있다. 마모·마찰현상에 영향을 미치는 인자들은 매우 많지만 그 중 가장 큰 영향을 미치는 인자중 하나가 하중인데 하중이 매우 클 경우 과연 고분자 복합재료가 금속에 비해서 얼마나 내마모성을 가지고 있는지를 파악하고 최적의 내마모조건과 그 경향을 알아낸다면 앞으로 베어링, 기어 및 기타기계부품등 하중이 매우 많이 걸리는 산업분야에서의 복합재료의 적용가능성을 확인할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 현재 여러 분야에서 범용적으로 쓰이고 있는 열경화성수지를 이용한 고분자 복합재료를 대상으로  수지 및 섬유의 함량 및 종류에 따른 고하중의 조건에서 복합재료의 마모·마찰 성능을 평가비교하고, 또한 유리-탄소섬유를 혼합한 하이브리드 복합재료의 마모·마찰 성능과 마모경향을 파악하여 섬유소재의 복합화에 따른 시너지효과의 가능성을 검토해 보았다.

실험

시편제조

유리섬유강화 페놀수지 복합재료

시편제조를 위해서 페놀수지 (강남화성, KC-2463)를 공업용 메탄올에 희석시켜서 점도를 낮추어 수지함량을 조절한 후 섬유를 페놀수지에 함침시킨 후에 100℃로 약 5분간 건조시켜 프리프레그 형태로 만들었다. 프리프레그 20∼30장을 금형 내에 적층하고 190℃에서 5분간 프레스하였다. 한편 페놀수지 복합재료와 동일한 방법으로 유리-탄소섬유강화 페놀수지 복합재료(하이브리드)를 제조하였는데 이 경우 탄소섬유는 앞, 뒤 표면에 2장씩만 적층시켰다.

유리섬유강화 에폭시수지 복합재료

에폭시수지 (국도화학, YD-128) 100분율에 anhydride계 경화제 (KBH-1086) 80∼90분율, 촉매 Dicyanodiamide(DICY) 1∼5분율을 혼합한 후 수지함량 조절을 위해서 아세톤으로 적당히 점도를 조절하여 섬유를 함침시켰다. 170℃ 오븐에서 10분간 프리프레그 형태로 만든다. 프리프레그를 금형 내에 20∼30장 적층하여 190℃온도에서 10분간 프레스했다.

유리섬유강화 불포화 폴리에스터 복합재료

불포화 폴리에스터수지 (애경화학, OS980) 100분율을 tert-Butylperbenzonate(TBPB)경화제 1∼1.5분율과 스타이렌 모노머에 25% 희석시킨 Magnesium Oxide(MgO) 증점제  1∼2분율과 혼합한 다음 스타이렌 모노머로 점도를 조절하여 섬유를 함침시켰다. 50℃오븐에서 하루동안 점도를 높여서 말랑말랑한 상태로 만든 후에 150℃온도에서 프레스해서 시편을 완성했다. 시편을 적당한 크기로 잘라서 Pin-On-Disk 왕복마모시험기에 고정시킨 후에 위와 같은 조건으로 마모실험을 행하였다.

마모실험

실험에 쓰인 마모실험기는 플린트사의 모델명 TE67 Pin-On-Disk 왕복마모시험기이다. 마모시편을 시험기에 고정시킨 후에 하중 149.7N, 속도 2cm/s, 가동시간 5분의 조건에서 실험을 행하였다. 마모실험기의 로드-셀에서 매 10초마다 측정된 수치를 데이터처리 하였다. 마모실험시 사용되는 상대마모핀의 재질은 열처리된 S 45C 철로 만들어진 핀으로 Rockwell 경도는 51∼53정도였으며 이 때 시편에 가해지는 압력은 핀의 단면적이 24.6 □이므로 6.08 MPa였다. 마모정도는 마모깊이를 측정하였기 때문에 실험 중에 마모된 부스러기가 마모시편과 반대시편 사이에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 실험에서는 마모면에 부스러기가 남지 않도록 계속 바람을 불어넣어 마모부스러기를 제거하였다[4].

인장실험

인장실험은 Shimadzu사의 모델명 AG-G형 universal instron으로 행하였으며 시편제작은 KS규격 B-0801의 14-B 비례시험편 제작방법으로 하였다. 시편을 인스트론에 장착한 후에 5 mm/min의 속도로 인장하중을 가하여서 실험하였다.

결과 및 토론

내마모성에 있어서는 fig. 1과 같이 페놀수지를 이용하여 만들어진 탄소-유리섬유 하이브리드 복합재료가 가장 우수한 성질을 나타냈으며 그 다음으로 페놀-유리섬유 복합재료가 하이브리드 복합재료와 거의 비슷한 우수한 성질을 나타내었다. 탄소섬유는 유리섬유에 비해서 보통 더 우수한 기계적 강도를 갖으며 마모현상에 있어서도 더 우수한 내마모성을 보였다. 에폭시수지의 경우는 복합재료의 표면 거칠기가 거칠어서 마모가 많이 되었고 불포화 폴리에스터수지가 가장 나쁜 내마모성을 보였다. 마모실험과 인장강도 실험결과로 볼 때 고하중하에서의 고분자 복합재료의 내마모성은 수지나 섬유의 기계적 성질에 영향을 많이 받는 것으로 보인다. 하지만 마모깊이를 수치상으로 비교해보면 그 차이가 아주 미미한 마이크로미터 단위였다. 각각의 수지에 대한 최적의 내마모성을 갖는 수지함량을 알 수 있었는데 페놀수지의 경우 20∼30%, 에폭시수지는 40%정도, 불포화 폴리에스테르는 40∼45%정도에서 우수한 내마모성을 볼 수 있었다. 금속과의 내마모성 비교에서는 페놀수지와 에폭시수지의 경우 최적의 내마모성을 갖는 수지함량에서는 금속보다 더 우수한 내마모성을 가지며 fig. 2와 같이 금속보다는 마찰계수가 적음을 알 수 있었다. 따라서 높은 내마모성과 동시에 낮은 마찰계수을 요구하는 기어나 베어링과 같은 분야에서 금속보다 더 우수한 성능을 보일 것으로 기대되어진다.

참고문헌

1. S. M. Lee ed., "International Encyclopedia of Composites", Vol. 4, p. 256-277, Technomic Publishing Co., Lancaster, PA, 1989.

2. I. Narisawa, "High-Speed Tribology of Polymer Composites" in Advances in Composite Tribology, p. 559-582, Elsvier Science Publishers, Amsterdam, 1993.

3. K. Friedrich, "Wear Models for Multiphase Materials and Synergistic Effects in Polymeric Hybrid Composites" in Advances in Composite Tribology, p. 209-273, Elsvier Science Publishers, Amsterdam, 1993.

4. Z. Z. Zhang, W. M. Liu, Q. J. Xue, W. C. Shen, "Friction and Wear Characteristics of PTFE Composites filled with Metal Oxides under Lubrication by Oil", J. Appl. Polym. Sci., 66, 85 (1997).

Fig. . 철과 여러 가지 수지의 함유량에 따른 마모깊이.

Fig. . 철과 여러 가지 수지의 함유량에 따른 마찰계수.