0031-01-0049-0004-16.pdf1.68MB

서 론

직접적이거나 간접적으로 표면접촉을 하고 있는 두 고체의 접촉점 사이에 상대운동이 일어날 경우 그 운동에 대한 저항이 항상 생기는데 이러한 현상을 마찰이라고 하며, 이때의 저항력을 마찰력이라 한다. 마모는 물체의 표면에서 기계적인 운동에 의해 물체가 점차적으로 부스러져 떨어져 나가는 현상을 말하며, 여기서 기계적인 운동으로는 기체, 액체, 고체 등의 접촉에 의한 것들이 있다. 그러나 마모만이 독자적으로 작용하는 경우는 흔하지 않으며 대부분 마찰과 윤활이 마모와 같이 작용하여 나타나므로 매우 복잡한 양상을 보이게 된다. 마찰 상태를 크게 나누면 고체마찰, 유체마찰 및 경계마찰로 나눌 수 있다.

 우리의 일상생활 가운데 많은 부분들이 적당한 마찰을 필요로 하며 경우에 따라서는 충분한 마찰을 유지하는 것이 매우 중요하다. 예를 들면 우리가 걸음을 걷는 일, 자동차의 시동을 걸거나 혹은 커브 길을 달리는 일, 또 손으로 어떤 물체를 잡는 일 등은 만일 마찰이 너무 작다면 이루어질 수 없는 일이다. 충분한 마찰의 유지는 나사 그리고 볼트 등과 같은 체결기구에서도 필수적인 것이기도 하다.

 산업현장에서 실제로 생산되는 총에너지의 30%정도가 마찰마모 과정에서 소실될 정도로 생산성과 밀접한 관계가 있으며, 에너지 절약에 직접적으로 연관되므로 마모에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다 (Badmos and Ivey, 2001, Chand et al., 2000, Dasari et al., 2009, Kim and Koh, 2008, Westerg˚ard et al., 2000).

 섬유강화 복합재료는 경량이기 때문에 과거에는 단지 구조물의 무게를 경감하기 위한 부재로 사용되었으나, 고강도이며 고강성의 성질을 가지는 열경화성 복합재료가 구조물의 주 부품으로 사용되었고, 최근 소형 선박에는 거의 전 구조물을 이러한 복합재료로 대체하기 시작하였다. 복합재료의 마찰 및 마멸 특성에 영향을 미치는 인자로는 강화섬유의 재질, 구성, 함유량, 섬유방향 및 수지의 미끄럼 거리 등 복잡한 인자들에 의해 좌우됨을 보이고 있다 (Koh et al., 2006, Koh et al., 2007, Kim et al., 2010a). 또한 복합재료의 마모기구는 응착마모 (Ren et al., 2001), 충진재료의 영향 (Kim et al., 2010b)에 의하여 발생한다고 하였다.

 최근 나노 스케일의 무기물 충진재를 첨가하여 폴리머 복합재료의 마찰 및 마모 특성을 개선하는 연구가 활발히 연구되고 있다. 폴리머 나노복합재료는 적어도 한쪽 치수가 100nm 미만의 충진재를 갖는 복합재료를 의미한다. 마모의 관점에서 볼 때 나노 복합재료는 동일한 충진재 체적분율일 때 마이크로 스케일 복합재료와 비교하여 큰 계면 면적과 많은 수의 충진재를 갖게 되며, 또한 첨가된 충진재는 둘러싸고 있는 폴리머 체인과 비슷한 사이즈이므로 마찰에 의한 재료의 손실이 적어 마모저항이 개선될 것으로 예측된다.

 따라서 이 논문에서는 나노 복합재료의 마찰과 마모의 종합적인 연구의 일환으로서 나노 사이즈의 무기물 실리카 입자를 고무에 첨가하여 나노 복합재료를 제조하여 실험재료로 사용하였다. 나노입자의 함유율에 따른 나노 복합재료의 마모저항의 변화를 고찰하기 위하여 누적마모체적과 마찰계수를 고찰하였고 나노 복합재료의 마모기구를 주사전자현미경 (SEM)의 관찰을 통하여 고찰하였다.

재료 및 방법

 실험재료는 나노 사이즈 무기물 실리카를 열가소성 합성고무인 EPDM에 강화시킨 나노 복합재료를 사용하였다. EPDM은 에틸렌과 프로필렌 그리고 디엔을 삼원공중합한 열가소성합성고무를 말하며, 안전화 겉창재료의 대체 재료이다. 나노 사이즈 실리카의 함유율은 11%에서 25%까지 변화시켜 나노 복합재료를 제작하였다. 성형된 복합재료는 입자의 배열이 전체적으로 고루 분포되어 있는 판의 중앙부분을 다이아몬드 커터를 이용하여 절취하였다.

 Fig. 1은 핀온디스크 (pin-on-disc)형 시험기를 나타낸 사진이다. 연삭마모시험은 핀온디스크형 시험기를 사용하여 실시하였으며, 시험 시 온도와 습도를 일정하게 유지시켰다. 시험편의 마찰력은 실시간으로 측정을 하며 시험을 실시하였고, 마모손실은 실험전후의 시험편의 질량을 측정하여 계산하였다. 15mm×4.5mm×5.5mm의 크기로 절단하고 표면을 사포로 연마하여 마찰과 마모시험의 시험편으로 사용하였다. 상대재인 SiC 연마지 (3M)는 지름 80mm, 두께 1.5mm인 디스크의 표면에 접착제를 사용하여 부착하고 건조로에서 7일간 완전히 경화 시킨 후 연삭마모시험을 실시하였으며, 실험에 사용한 SiC 연마지의 평균입도는 9, 15, 30mm 세 종류이다. 시험장치는 서로 다른 미끄럼 속도로 동작하게끔 조정되어 있으므로 수직하중 상대재의 거칠기가 9, 15, 30mm에서 미끄럼 속도를 0.1m/s를 유지시키며 미끄럼 거리 1000m까지 연삭마모시험을 실시하였다. Fig. 2는 SiC 사포를 디스크에 접착하여 실험하였던 것과 마모 시험편의 사진이다.

Fig. 1. Photograph of pin-on-disc wear tester.

Fig. 2. Photograph of disc bonded SiC abrasive paper and specimens.

 동일한 시험조건에서 3개의 시험편을 각각의 시험거리에 대하여 연삭마모시험을 실시하였으며, 시험 전후 시험편의 질량손실은 Mettler 분석천칭 (감도 0.01mg)으로 측정하여 같은 환경조건에서 3번 이상 측정하여 평균값을 구하였으며, 로드셀을 통하여 마찰력은 실시간으로 측정하여 마찰계수를 얻었다. 마모된 시편의 마찰특성 비교 및 마모기구 조사를 위한 표면 관찰은 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였다.

결과 및 고찰

 나노 사이즈의 무기물 실리카 입자를 첨가한 고무 기지 나노 복합재료에서 핀온디스크 마모시험기를 사용하여 적용하중이 3N이고, 상대재인 SiC 연마지의 평균입자지름이 9, 30mm 그리고 미끄럼 속도를 0.1m/s로 하였을 때 시험한 마모면 사진이 Fig.3이다. 이때 마모면은 각각의 경우에 미끄럼 거리가 50m까지 마모시험을 행한 상태를 SEM 사진 촬영한 것을 나타낸 것이다. Fig. 3 (a)는 입자 함유율이 11%이고 적용하중 3N, 상대재의 평균입자지름이 9mm, 미끄럼속도 0.1m/s인 경우에 대한 마모면을 나타낸 것으로서 전체적으로 마모막이 형성되었다는 것을 알 수 있다. 실리카 입자와 수지인 고무가 확연히 구분되고 일부는 실리카입자가 디본딩되어 탈락되고 있음을 알 수 있다. 탈락된 입자의 위치에는 매트릭스가 변형되고 입자의 일부 파손에 의한 매트릭스의 변형이 나타나고 있다. 적용하중과 상대재의 평균입자지름 그리고 미끄럼 속도가 동일한 경우에 입자 함유율이 15%인 경우에는 마모막이 형성된 것이 일부 파손되고 쟁기질 (ploughing)의 흔적과 미시균열 (microcrack)이 발생하였으며 수지인 고무가 변형된 것을 알 수 있다 (Fig. 3 (b)참조). 또한 입자 함유율이 증가된 나노 복합재료에서 마모막의 파손이 심해지고 입자가 디본딩된 후 탈락 그리고 미시균열의 발생이 증가하고 있음을 알 수 있다 (Fig. 3 (c, d, e)참조). 파괴기구를 종합한다면 마모막이 형성되었다가 쟁기질이 발생하고 입자의 디본딩, 기지의 변형, 미소균열이 발생하고 성장하는 것을 파면의 SEM 사진을 통해 확인 할 수 있었다.

Fig. 3. SEM photographs of worn surface for the nanosilica rubber composites on 9μm or 30μm SiC paper at sliding speed of 0.1 m/s and applied load of 3N.

 Fig. 3 (f)는 입자 함유율 25%인 나노복합재료에서 적용하중 3N, 미끄럼 속도를 0.1m/s로 동일하지만 상대재의 평균입자지름이 30mm로 하였을 때 마모면을 나타낸 것이다. 상대재의 평균입자지름이 더 크기 때문에 형성된 마모막이 파손된 형태가 더욱 증가하고 또한 전체적으로 쟁기질의 흔적이 많이 나타나고 또한 입자가 디본딩되고 일부는 파손되어 부스러기가 됨을 알 수 있다. 즉 쟁기질의 흔적이 심하게 나타나고 입자의 탈락 자리에 기지재료인 고무의 변형이 증가하여 변형 및 파괴, 미시 균열의 성장이 발생하고 있음을 알 수 있다.

 Fig. 4는 입자 함유율이 11%와 19%인 경우 적용하중 3N, 미끄럼 속도 0.1m/s인 경우에 상대재의 평균입자지름이 9, 15, 30mm으로 변화시킬때 미끄럼 거리의 변화에 따른 누적 마모체적을 나타낸 것이다. 우선 Fig. 4 (a)에서 입자 함유율이 11%인 경우를 살펴보면 상대재의 평균입자지름 9mm에서 미끄럼 거리가 50, 100, 200m로 증가함에 따라 누적 마모체적은 0.5, 0.7, 1.0mm³으로 급격히 증가하다가 미끄럼 거리가 400, 600, 800, 1000m로 증가해 감에 따라 1.6, 2.0, 2.2, 2.9mm³로 완만하게 증가하여 그 차이가 적게 되는 것을 알 수 있다. 평균입자지름이 15mm와 30mm인 경우에도 그 값의 차이는 있으나 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 각각의 상대재의 평균입자지름에 따라 누적마모체적은 비선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 선형적으로 증가한다는 Chand et al.의 결과와는 상반된 결과이지만 비선형적으로 증가한다는 다른 결과와 일치함을 알 수 있다 (Ravikiran and Jahanmir, 2001, Li et al., 2000).

Fig. 4. Variation of wear volume as a function of sliding distance for the 11 vol.% or 19 vol.% nanosilica rubber composites tested on 9 m SiC paper at sliding speed of 0.1 m/s and applied load of 3N.

 Fig. 4 (b)는 입자 함유율이 19%인 경우에 적용하중 3N, 미끄럼 속도 0.1m/s인 경우에 상대재의 평균입자지름이 9, 15, 30mm으로 변화시킬 때 미끄럼 거리의 변화에 따른 누적 마모체적을 나타낸 것이다. 미끄럼 거리가 짧은 경우에는 제법 급격히 증가하다가 미끄럼 거리가 긴 경우에는 점차 그 차이가 작아지는 경향은 유사하지만 상대재의 평균입자지름이 9mm과 15mm일 경우에는 누적 마모체적의 차이는 매우 적게 됨을 알 수 있다. 그러나 상대재의 평균입자지름이 30mm일 경우에는 미끄럼 거리가 50, 100, 200m로 증가함에 따라 1.1, 2.2, 5.3mm³으로 급격히 증가하다가 미끄럼 거리가 400, 600, 800, 1000m로 증가해감에 따라 7.4, 9.6, 11.4, 12.6mm³으로 완만하게 증가하여 그 차이가 적게 되는 것을 알 수 있다.

 Fig. 5는 적용하중 3N, 미끄럼 속도 0.1m/s, 상대재의 평균입자지름이 30mm인 경우에 입자 함유율이 19, 23, 25%으로 다른 경우에 미끄럼 거리의 변화에 따른 누적 마모체적을 나타낸 것이다. 미끄럼 거리가 짧은 경우에는 제법 급격히 증가하다가 미끄럼 거리가 긴 경우에 완만하게 증가하여 전체적으로 비선형적으로 변화한다는 것은 동일하다. 하지만 입자 함유율이 23%와 25%인 경우에는 누적 마모체적은 거의 비슷함을 알 수 있다.

Fig. 5. Variation of wear volume as a function of sliding distance for the 19, 23, 25 vol.% nanosilica rubber composites tested on 9μm SiC paper at sliding speed of 0.1 m/s and applied load of 3N.

 Fig. 6은 적용하중 3N, 미끄럼 속도 0.1m/s일 경우에 상대재의 평균 입자지름과 그리고 입자함유율의 변화에 따라 미끄럼 거리가 1000m일때의 평균 누적 마모체적을 나타낸 것이다. 입자함유율이 11%일 경우에 상대재의 평균입자지름이 9, 15, 30mm로 증가할 경우 누적 마모체적은 4.0, 6.8, 7.8mm³으로 증가하여 증가함을 알 수 있다. 입자 함유율이 25%인 경우에도 누적마모체적은 8.8, 11.8, 14.5mm³으로 증가하였다. 미끄럼속도, 상대재의 평균입자지름, 적용하중이 동일한 경우에 입자 함유율이 11, 15, 19, 23, 25%로 증가함에 따라 누적마모체적은 4.0, 6.1, 8.2, 8.4, 8.6mm³으로 증가하여 선형적으로 증가하지는 않고 비선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 6. Variation of wear volume as a function of counterpart roughness for each volume fraction at sliding speed of 0.1 m/s.

 Fig. 7은 적용하중 3N, 미끄럼 속도 0.1m/s일 경우에 상대재의 평균 입자지름과 그리고 입자함유율의 변화에 따라 동마찰계수의 변화를 나타낸 것이다. 입자 함유율이 11%일 경우에 상대재의 평균입자지름이 변화할지라도 동마찰계수는 변화가 거의 없어 일정하게 됨을 알 수 있으나 입자 함유율이 19%인 경우에는 상대재의 평균입자지름이 9, 15, 30mm로 증가할 경우 동마찰계수는 0.428, 0.432, 0.448로 미세하게 증가함을 알 수 있다. 그러나 입자 함유율이 21%인 경우에는 변화가 거의 없으나 입자 함유율이 23%인 경우에는 다소 증가하는 것으로 나타나 종합적으로 살펴보면 동일 입자 함유율인 나노 복합재료에서 상대재의 평균입자지름이 증가함에 따라 동마찰계수는 미세하게 증가한다고 할 수 있다. 한편 적용하중과 미끄럼 속도가 동일하지만 실험을 행한 범위 내에서는 입자 함유율이 11%에서 25%로 증가함에 따라 동마찰계수는 0.41에서 0.49로 다소 증가함을 알 수 있다.

Fig. 7. Variation of steady state friction coefficient as a function of volume fraction for the nanosilica rubber composites on 9, 15, 30 m SiC paper at sliding speed of 0.1 m/s and applied load of 3N.

 Table 1은 입자 함유율에 따른 마찰계수와 쇼어경도의 경도 값을 나타낸 것이다. 입자 함유율이 11, 15, 19, 23, 25%로 증가함에 따라 마찰계수는 0.63, 0.65, 0.67, 0.69, 0.72를 얻었으며, 입자 함유율이 증가함에 따라 마찰계수는 다소 증가함을 알 수 있다. 또한 입자 함유량의 변화에 따라 쇼어 경도 값도 55, 63, 66, 70, 74로 증가하여 실리카 입자의 함유량이 많아질수록 쇼어 경도값도 증가함을 알 수 있다.

Table 1. Friction coefficient and Shore hardness for each materials

결 론

 나노 사이즈의 무기물 실리카 입자를 첨가한 고무 기지 나노 복합재료에 대하여 나노 입자의 첨가량에 따른 누적마모체적과 마찰계수의 변화 및 마모기구를 고찰하였다. 나노 사이즈 무기물 실리카의 입자 함유율은 11%에서 25%이고, 미끄럼 속도는 0.1m/s, 상대재의 평균입자지름은 9mm에서 30mm 이다. 얻어진 결론은 다음과 같다. 마모 시험에서 파괴기구는 마모막이 형성되었다가 쟁기질이 발생하고 입자의 디본딩, 기지의 변형, 미소균열이 발생하고 성장하는 것을 파면의 SEM 사진을 통해 확인 할 수 있었다. 실리카 나노 입자의 첨가에 의해 고무 기지 나노복합재료의 누적 마모 체적은 미끄럼 거리가 증가함에 따라 급격히 증가하다가 그 증가폭이 점차 완만하게 되는, 즉 비선형적으로 증가하였다. 또한 입자 함유율이 증가할수록 누적마모체적은 증가하는 것으로 나타났다. 입자 함유율이 증가함에 따라 동마찰계수는 미세하게 다소 증가함을 알 수 있었다. 쇼어 경도 값은 실리카/고무 나노 복합재료의 실리카 입자 함유량이 증가할수록 증가하였으며 마찰계수 또한 증가하였다.

사 사

 이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2013년)에 의하여 연구되었음.