전기화학적 노화를 받는 강화 EPDM 고무의 파손 메커니즘 분석 및 가속 수명 평가

Abstract

냉각기용 고무호스는 내연기관과 라디에이터를 연결하여, 가열된 내연기관을 냉각수로 냉각시키고, 뜨거워진 냉각수를 라디에이터로 이송하는 역할을 한다. EPDM(ethylene propylene diene monomer) 고무는 오존에 대한 높은 저항성, 내열성 및 내구성능이 뛰어나다. 이러한 특성 때문에 내연기관과 라디에이터를 연결하는 냉각수의 이송 경로인 고무호스의 소재로써 사용되고 있다. 내연기관에 사용되는 냉각기용 고무호스는 사용 환경에 따라 내․외부에서 스트레스를 받게 된다. 고무호스의 외부 표피부에서는 내연기관 작동에 따른 주변의 고온 공기에 의한 열가속 및 산소노화를 받게 되며, 작동 중 내연기관의 진동에 의한 굽힘 스트레스를 받게 된다. 고무호스의 내면 표피부에서는 고온의 냉각수에 의한 열 스트레스와 압력에 의한 기계적 인장 스트레스를 받으며 동시에 전기화학적 스트레스를 받게 된다. 전기화학적 노화(electro-chemical degradation)는 내연기관의 냉각기 고무호스의 주된 고장 원인으로 고무호스와 내연기관 또는 라디에이터 fitting부의 금속부분이 냉각수를 매체로 ‘갈바니 셀(Galvanic Cell)’을 형성하여 고무호스에 치명적인 고장을 발생시킨다. 따라서 냉각기 고무호스의 신뢰성을 확보하기 위해 복합 스트레스에 의한 노화시험을 통해 기계적 물성과 가속수명 관계식 및 노화메커니즘 분석이 요구된다. 최근 재료의 단점을 보완하고자 우수한 기계적, 물리적 성질을 갖는 탄소나노튜브(carbon nano-tubes, CNTs)로 보강한 복합재료의 연구가 활발히 진행되고 있다. 탄소나노튜브는 흑연판(graphene sheet)이 원통 형태로 말려 수 나노미터의 직경을 갖는 튜브형 나노소재이다. 탄소나노튜브는 낮은 밀도(density), 큰 종횡비(aspect ratio), 높은 전기전도도(electric conductivity) 및 열전도도(thermal conductivity)를 가지며, 구조적으로 탄소-탄소간의 sp2 결합을 이루고 있어 고강도 합금의 수십 배에 달하는 매우 높은 기계적 물성을 나타낸다. 반면, 고무와 같은 고분자 재료에 탄소나노튜브를 보강한 복합고무의 연구는 현재까지 미흡한 실정이다. 본 연구에서 사용한 전기화학적 노화시험 장치는 기계적, 열적 부하를 동시에 가하는 장치로써, 실제 내연기관의 고무호스에서 발생하는 전기화학적 파괴거동과 유사한 전기화학적 복합 노화시험이 가능하도록 설계된 시험 장치이다. 내연기관용 냉각기 고무호스에 사용되는 카본블랙이 충전된 EPDM 고무소재와 동일한 시험편에 실제 사용 환경에서 발생하는 전기화학 및 열 스트레스와 기계적 인장 스트레스를 가하여 기계적 물성 거동을 측정하였다. 이를 지수함수로 나타내 고무호스의 기계적 물성과 수명의 효율적인 설계 기준을 제시하였다. 또, 전기화학적 복합 노화에 의한 고무의 노화메커니즘을 규명하였다. 전기화학적 복합 노화를 받은 카본블랙 충전 EPDM 고무에 대해 온도-시간 관계인 Arrhenius 관계식을 이용하여 수명예측 관계식을 만들고, 기계적 인장 스트레스의 영향을 고려한 수정된 수명 예측 관계식을 제안하였다. 또한, 기계적 강도 및 물리적 특성이 매우 우수한 탄소나노튜브를 카본블랙 충전 EPDM 고무에 분산시켜 보강한 시험편을 제작하였고, 전기화학적 스트레스를 가한 시험편의 전류값 변화 거동, 기계적 물성, ATR-IR(attenuated total reflectance infrared spectroscopy) 분석 및 밀도를 측정 하였다. 전기화학적 노화 전·후 시험편의 표피부와 단면을 외부로부터 손상을 최소화 시키는 방법으로 절취 하여 FE-SEM(field emission scanning electron microscope) 관찰을 통해 노화층의 고장메커니즘을 규명하였다.