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실리콘 고무 2

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8. 가스와 증기에 대한 투과성

가스와 증기에 대한 투과성(Permeability to gases and Vapors)은 고무 제품을 타이어 튜브나 다이아후램(diaphragm)과 같은 제품으로 사용하고자 할 때 아주 중요한 특성이다.모든 고무는 가스와 증기에 대하여 투과성이 있다. 그러나 그 투과 속도는 고무 재표에 따라 아주 다르다. 일반적으로 실리콘 고무의 투과성이 제일 크고, 그 다음으로 NR, EPDM, SBR, CR, NBR, FPM, ECO, IIR 순이다.그러나 이러한 투과성은 같은 원료고무를 사용해도 사용 배합 약품의 종류에 따라 크게 다를 수도 있다. 그러므로 어느 특정한 고무 컴파운드의 가스 투과성을 단순한 원료고무 재료에 대한 지식만으로 예측에서는 안된다.특정한 충전제를 첨가함으로써 그 함량에 따라 이 정량만큼의 가스 투과성을 줄일 수도 있기 때문이다. 반대로 많은 양의 가소제를 첨가하면 가스 투과량이 증가하기도 한다.

고무를 통한 가스 투과 과정은 다음 두 단계에 걸쳐 일어난다.가스가 고무의 한쪽면에 용해되고, 그 용해된 가스가 증발이 일어나는 다른 반대쪽으로 확산된다. 결과적으로 여러 가지 고무에 대한 가스 용해도에 따라 예측할 수 없을 정도로 다르게 나타난다.

투과성은 온도에 의존하는데 높은 온도에서 증가한다.비록 투과성 상수가 이론적으로 압력의 영향을 받지 않는다고 하지만, 고압에서는 그런 관계를 많이 벗어나는 것이 관찰되었다.

 

9. 급격한 감압에 대한 저항성

고무 재료가 고압 하의 가스에 노출되면 일정량의 가스는 고무 속으로 용해되고 투과하려 할 것이다.압력이 높아지면 높을수록 더 많은 양의 가스가 고무 내부로 들어간다.만일 일정 시간이 흐르면서 그 압력이 천천히 떨어지면 고무 재료 안에 갇혀진 가스는 팽창 후 제품에 영향을 끼치지 않고 대기 중으로 빠져 나온다. 그러나 급작스럽게 감압이 일어나면 포집되어 있던 가스는 급격히 팽창하고 압력이 낮은 외부로 빠져 나올려고 한다.

고무 내부에서의 급격한 가스 팽창은 고무 부품의 팽윤(swelling), 부풀음(blister), 잔금(crack) 혹은 전체적인 파손을 일으킬 수 있다.이러한 현상을 급격한 감압(explosive decompression)이라 하는, 우리가 탄산수 병을 열때 물방울이 생기는 것과 같은 현상이다.

이러한 급격한 감압에 의해 생기는 손상의 정도는 가해진 압력, 감압 속도, 온도, 가스, 혼합 가스의 성질, 접촉하는 유체, 고무 부품의 기계적 성질과 단면에 따라 달라진다.보통 작은 단면을 가진 제품이 큰 단면을 가진 제품보다 급격한 감압에 대한 저항성이 더 크다.

 

10. 열전도도

각종 고무의 열전도도(thermal conductivity)는 배합할 때에 들어가는 각각의 배합제에 따라 다르지만, 일반적으로 고무는 불량한 열 전도체이다.따라서 이 특성은 진동, 굽힘이나 마찰 등에 의해 열이 발생하는 고무부품일 때 설계자들에게 실제적으로 중요하다. , 열을 발산시키도록 설계하는 것이 중요하다.

 

11. 열팽창 계수

고무의 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion)는 철에 비해 10배 이상 크다.예를 들면, 씰의 사용 온도가 보통의 상온 조건과는 많은 차이가 있을 때는 이러한 중요한 요소가 반드시 고려되어야 한다.온도가 올라가면 씰의 열팽창이 주변의 물질보다 훨씬 크고 유체와 접촉할 때는 팽윤에 의해 더욱 커지게 된다.저온에서는 열 수축이 주변의 물질에 비하여 훨씬 크다.

따라서 특정한 환경 조건하에서는 씰이 유연성을 갖고 있더라도 누출이 나타날 수 있다.

12. 주울 효과

주울 효과(Joule effect)는 기계 설계자들이 생각하여야 하는 실제적으로 중요한 현상이다.이 효과를 보여주는 가장 간단한 방법은 고무밴드에 추를 달아 최소 50% 되도록 인장하여 늘리는 것이다.인장된 고무 밴드를 적외선전구로 데우면 열팽창에 의해 예상했던 신장은 일어나지 않고 다시 줄어들면서 추를 들어 올린다.

혹은 고무 밴드를 일정 신장율로 유지시키고 온도를 증가시킬 때 그 신장율을 유지시키기 위해 필요한 하중을 측정할 수 도 있다.이러한 조건하에서 온도를 올리면 고무의 모듈러스가 높아지기 때문에 하중이 증가하게 된다.이것은 실험실에서 표준화된 응력-변형 측정시 저온보다 고온의 인장 모듈러스가 낮아지는 결과를 보이기 때문에 혼돈하기 쉽다.그러나 이것은 고온 시험시 신장이 표준화된 속도(500 mm/min)로 이루어질 때 "점성흐름(plastic flow)"이라는 다른 효과가 주울 효과를 감싸 버리기 때문에 모순되지는 않는 것이다.만일 아주 빠른 속도로 인장시험을 하게 되면, 플라스틱 흐름은 배제되고 응력-변형 곡선은 인장 모듈러스가 온도의 증가에 따라 높아짐을 보일 것이다.

아무런 변형이 가해지지 않은 고무를 가열하면 열팽창 계수에 따라 팽창하고 주울 효과는 단지 인장응력을 받을 때만 일어난다는 것을 분명히 알아야 한다.주울 효과의 정도는 신장 크기에 따라 영향을 받을 때만 일어난다는 것을 분명히 알아야 한다.주울 효과의 정도는 신장 크기에 따라 영향을 받는데 10% 정도의 작은 신장율에서는 주울 효과의 확실한 증거는 보이지 않는다.

실험실적 실험결과, VMQFMQ 고무는 주울 효과를 나타내지 않는 것으로 확인되었다.이 두 가지 고무 모두 인장에 의한 결정화가 없기 때문에 아주 낮은 인장 강도를 가지고 있다. 반면에 주울 효과를 나타내는 고무들은 상대적으로 높은 인장 강도(신장에 의한 결정화 효과)를 나타내는 것으로 NR, CR, NBR, FPM, EPDM 등이 있다.따라서 주울 효과와 신장에 의한 결정과는 서로 관계가 있는 것 같다.아마도 신장에 의해 결정화된 결정들이 열에 의해 녹는 것이 아닌가 하고 생각할 수 있다.이것은 당겨지는 방향으로 분자 격자(molecular segments)의 방향성(orientation)이 깨진다는 것을 의미하고 결과적으로는 신장되기전의 무정형 상태로 고분자 사슬의 수축이 일어난다.

 

13. 고온 물성 변화

고무의 물성은 온도에 따라 매우 다양하게 변한다.일반적으로 실험에 적용하는 온도는 23(±2)이다.그러나 상온보다는 다른 온도에서의 실험에 대한 관심이 커지고 있다.일반적으로 말하면, 인장강도, 모듈러스, 경도는 실험 온도가 상온보다 높아지면서 감소하고, 절단 신장율은 일정 온도범위까지 증가하다 더 높은 온도에서는 감소한다.반발탄성은 실험 온도가 높아지면서 최고 값까지 점점 증가한다.

이것과 관련하여 고온의 단기(short-term) 효과와 장기(long-term) 효과는 확실히 구분되어야 한다.단기 효과는 대부분 물리적이고 다시 상온으로 돌아오면 회복된다.그러나 장기 효과를 보면 고무 재료에 중요하고 영구적인 변화를 준다.이러한 변화는 화학반응에 의해서 일어나는데, 일반적으로 인장강도, 신장율, 탄성이 감소하고 경도와 모듈러스는 점진적으로 증가 하거나 감소한다.이들 변화의 정도는 고분자 종류와 가황계에 따라 달라진다.

 

 

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