풀리용 페놀 수지 조성물{PHENOL RESIN COMPOSITION FOR PULLEY}

본 발명은 풀리용 페놀 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페놀 수지에 특히 유리섬유 및 글라스버블을 첨가함으로써 기존 소재 대비 저렴한 페놀 수지의 사용으로 원가 절감을 확보하고, 비중 저감을 통한 부품의 경량화를 증대시키는 동시에 강성, 내열성 등의 기계적 강도 및 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능을 향상시키는 효과가 있으며, 이를 이용하여 자동차 R-MDPS 풀리 등의 부품에 적용 가능한 풀리용 페놀 수지 조성물에 관한 것이다.

최근 자동차 업계에서는 자동차 개발 방향이 경량화에 따른 저연비 차량을 개발하는데 초점을 두고 많은 노력을 기울이고 있다. 그 중 중대형 이상 차종에 적용되는 R-MDPS(현가조향장치)의 풀리(Pulley) 부품은 일반적으로 고강성 및 치수안정성을 가진 소재가 요구되고 있다.

현재 자동차 R-MDPS 풀리용으로 가장 많이 사용되고 있는 스틸 소재의 경우에는 강성 및 치수안정성 등의 물성 특성은 우수하나, 무게가 무겁고 성형성이 떨어지는 문제가 있다. 또한 나일론과 같은 엔지니어링 플라스틱 수지의 경우에는 물성 및 성형성이 우수하지만 풀리 부품 특성상 부품 환경온도의 영향으로 치수가 변형되는 단점이 있다.

이러한 여러 가지 작동 환경을 고려하였을 때 플라스틱 수지 중에서 비교적 우수한 강성, 성형성 및 치수안정성을 가진 수지로서, 페놀(PF) 수지와 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지가 있다. 그러나 폴리페닐렌설파이드 수지의 경우 강성은 우수하지만 소재 원가가 높고, 페놀 수지에 비해 상대적으로 치수안정성이 낮은 단점이 있다.

종래 한국공개특허 제2008-0080999호에서는 베이스 수지로서의 페놀수지 35~55 질량%, 아크릴로니트릴 부타디엔 고무 1 질량% 이상, 무기섬유 10~25 질량% 및 무기분말 3~15 질량%를 포함하는 수지제 풀리에 대해 개시하고 있으나, 소재의 비중이 높아 경량화하는데 취약한 단점이 있다.

따라서 최근 대두되고 있는 부품 경량화의 니즈를 충족시키기 위한 새로운 소재의 개발이 필요하다.

상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 페놀 수지에 특히 유리섬유 및 글라스버블을 혼합함으로써 기존 소재 대비 저렴한 페놀 수지의 사용으로 원가 절감을 확보하고, 비중 저감을 통한 부품의 경량화를 증대시키는 동시에 강성, 내열성 등의 기계적 강도 및 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능을 향상시키는 효과가 있으며, 이를 이용하여 자동차 R-MDPS 풀리 등의 부품에 적용할 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 강성, 내열성 등의 기계적 강도 및 NVH 성능을 향상시키는 동시에 비중 저감을 통한 부품의 경량화를 도모할 수 있는 풀리용 페놀 수지 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명은 페놀 수지 20~35 중량%, 유리섬유 50~60 중량% 및 글라스버블 15~20 중량%를 포함하는 베이스 수지 100 중량부에 산화방지제 0.2~0.4 중량부, 내열안정제 0.3~0.5 중량부 및 활제 0.2~0.4 중량부를 포함하는 풀리용 페놀 수지 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 풀리용 페놀 수지 조성물은 페놀 수지에 유리섬유 및 글라스버블을 혼합하고, 기타 첨가제로 산화방지제, 내열안정제 및 활제를 혼합함으로써 기존 소재 대비 저렴한 페놀 수지의 사용으로 원가 절감을 확보하고, 비중 저감을 통한 부품의 경량화를 증대시키는 동시에 강성, 내열성 등의 기계적 강도 및 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능을 향상시키는 효과가 있으며, 이를 이용하여 자동차 R-MDPS 풀리 등의 부품에 적용할 수 있다.

이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 풀리용 페놀 수지 조성물은 페놀 수지 20~35 중량%, 유리섬유 50~60 중량% 및 글라스버블 15~20 중량%를 포함하는 베이스 수지 100 중량부에 산화방지제 0.2~0.4 중량부, 내열안정제 0.3~0.5 중량부 및 활제 0.2~0.4 중량부를 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 페놀 수지는 수평균분자량이 400~600인 것으로 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지에 비해 상대적으로 부품환경온도 등의 영향에서도 치수가 변형되지 않는 우수한 강성 및 치수안정성을 가지며, 내환경 성능이 우수한 특성이 있다. 이러한 상기 페놀 수지는 20~35 중량%를 첨가하는 것이 좋으며, 그 함량이 20 중량% 보다 적으면 탄성율이 높아지고, 인장신율이 저하되어 내열충격성이 저하될 수 있고, 35 중량% 보다 많으면 응력완화가 저하되고, 열팽창율이 커지며, 성형 수축에 의한 치수변화가 커지는 문제가 있다. 바람직하게는 20~25 중량%인 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 유리섬유는 무기보강제로서 상기 페놀 수지에 기계적 물성을 부여하고, 사출성형 후 부품의 강성을 향상시키기 위해 첨가되는 것으로 섬유직경이 5~20 ㎛이고, 섬유길이가 1.5~8 mm인 것을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 유리섬유의 섬유직경이 5 ㎛ 보다 미만이면 물성 효과가 미미할 수 있고, 20 ㎛ 보다 초과이면 유리섬유간의 간섭이 생길 수 있다. 또한 상기 섬유길이가 1.5 mm 보다 미만이면 물성 효과가 미미할 수 있고, 8 mm 보다 초과이면 유리섬유간의 간섭이 생길 수 있다. 또한 상기 유리섬유는 전체 베이스 수지에 대해 50~60 중량%를 첨가할 수 있는데, 그 함량이 50 중량% 보다 적으면 기계적 물성 효과가 미미할 수 있고, 60 중량% 보다 많으면 글라스버블과 유리섬유의 간섭이 생기기 때문에 유리섬유가 끊어지거나 글라스버블이 깨지는 현상이 나타나 외관품질에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 글라스버블은 고강도, 저비중의 무기보강제로서 상기 페놀 수지 내에 중공형태로 존재하는 특성을 이용하여 폴리형 페놀 수지 조성물의 무게절감, 치수안정성 향상, 표면 외관 개선 및 전반적인 원가 절감 효과를 가지는 특성이 있다. 상기 글라스버블은 버블크기가 10~30 ㎛인 것을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 글라스버블의 버블크기가 10 ㎛ 보다 작으면 경량화 효과가 미미할 수 있고, 30 ㎛ 보다 크면 기계적 물성이 크게 저하될 수 있다. 바람직하게는 15~25 ㎛인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 20 ㎛인 것이 좋다. 또한 상기 글라스버블은 전체 베이스 수지에 대하여 15~20 중량%를 혼합할 수 있으며, 그 함량이 15 중량% 보다 적으면 저비중 효과가 없고, 20 중량% 보다 많으면 수지와 혼합 시 입자가 깨질 우려가 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 산화방지제는 상기 페놀 수지 조성물의 압출, 사출가공 시 산화열화반응을 억제시키는 역할을 하는 것으로 페놀계, 인계 또는 이들의 혼합물인 것을 사용할 수 있다. 상기 산화방지제는 전체 베이스 수지에 대하여 0.2~0.4 중량부를 첨가할 수 있는데, 그 함량이 0.2 중량부 보다 미만이면 기계적 물성이 저하될 수 있고, 0.4 중량부 보다 초과이면 외관품질에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 내열안정제는 부품에 장기 내열성을 부여하는 특성을 가지는 것으로 유기물로 황계(Pentaerythrityl tetrakis(3-laurylthiopropionate))인 것을 사용할 수 있다. 상기 내열안정제는 전체 베이스 수지에 대하여 0.3~0.5 중량부를 첨가할 수 있는데, 그 함량이 0.3 중량부 보다 미만이면 내열성이 저하될 수 있고, 0.5 중량부 보다 초과이면 외관품질에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 활제는 수지 중합 시 사용되는 촉매의 잔사를 중화시키는 역할을 하며, 내부 윤활제 기능이 있어 압출, 사출 가공 시 원활한 흐름을 유도하는 역할을 할 수 있다. 이러한 상기 활제는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 올레핀계 또는 이들의 혼합물인 것을 사용할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 풀리용 페놀 수지 조성물은 페놀 수지에 유리섬유 및 글라스버블을 혼합하고, 기타 첨가제로 산화방지제, 내열안정제 및 활제를 혼합함으로써 기존 소재 대비 저렴한 페놀 수지의 사용으로 원가 절감을 확보하고, 비중 저감을 통한 부품의 경량화를 증대시키는 동시에 강성, 내열성 등의 기계적 강도 및 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능을 향상시키는 효과가 있으며, 이를 이용하여 자동차 R-MDPS 풀리 등의 부품에 적용할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1~4 및 비교예 1~12

본 발명의 페놀 수지 조성물은 통상의 방법에 의해 제조하되, 하기 표 1에 나타낸 구성성분의 함량비로 혼합하여 풀리용 페놀 수지 조성물을 제조하였다.

[구성성분]

(1) 페놀수지: 수평균분자량이 500인 페놀 수지, (와멘)

(2) 유리섬유: 섬유직경이 5~20 ㎛이고, 섬유길이가 1.5~8 mm임, (OWENS CORNING)

(3) 글라스버블: 버블의 평균직경이 20 ㎛임, 3M(IM16K)

(4) 산화방지제: 페놀계(Tetrakis[methylene(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate methane]) (ADEKA. AO-60)

(5) 내열안정제: 황계(Pentaerythrityl tetrakis(3-laurylthiopropionate))(ADEKA. AO-412S)

(6) 활제: 올레핀계(EBS, Ethylene bis stearamide) (SINWON Chemical, HI-LUBE)

실험예 1

상기 실시예 1~4 및 비교예 1~12에서 제조된 풀리용 페놀 수지 조성물에 대해 비중, 인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성률, 충격강도 및 열변형온도를 각각 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2, 3에 나타내었다.

상기 표 2, 3의 결과에 의하면, 글라스버블을 첨가하지 않은 상기 비교예 1~4에서는 유리섬유의 함량(40~70%)이 증가할수록 물성이 향상되었으나, 상대적으로 비중이 높아 경량화를 만족시키지 못하는 것을 확인하였다. 또한 유리섬유의 함량이 40 중량%인 상기 비교예 1에서는 인장강도, 굴곡강도 등의 물성 특성이 요구수준을 만족시키지 못하였으며, 그 함량이 70 중량%인 상기 비교예 4에서는 물성 수준은 우수하였으나 비중이 높아 경량화하는 것이 어렵고, 성형 및 외관품질에도 문제가 발생하였다.

또한 유리섬유 및 글라스버블을 포함하는 상기 비교예 5~12에서는 특히 글라스버블의 함량(5~25 중량%)이 증가할수록 비중은 낮아졌으나 인장강도, 굴곡강도 등의 물성 특성이 크게 감소하여 요구수준의 물성을 만족하는 못하는 것을 확인하였다.

이에 반하여, 유리섬유 및 글라스버블이 적정 함량으로 포함된 상기 실시예 1~4의 경우에는 기계적 물성(인장강도, 굴곡강도, 굴곡탄성률, 충격강도, 열변형온도)은 상기 비교예 1~12와 대비하여 동등수준인 동시에 비중이 획기적으로 감소했기 때문에 경량화 효과가 우수한 것을 확인하였다. 이를 통해 페놀 수지에 유리섬유 및 글라스버블을 혼합함으로써 요구수준의 물성을 모두 만족하는 동시에 경량화 효과가 우수하여 기존의 스틸 소재의 대체가 가능함을 알 수 있었다.

또한 페놀 수지 내 글라스버블이 존재할 경우, 소재를 경량화시키는 반면에 기하학적으로 중공형태를 가지며, 페놀 수지 내부에 미세기공 형상이 존재하기 때문에 필연적으로 기계적 강도가 저하된다. 본 발명에서는 이를 보완하기 위해 유리섬유의 함량을 높임으로써 글라스버블 첨가에 따른 물성 저하를 보강한 것임을 상기 실험예를 통해 확인하였다.

실험예 2

상기 실시예 4와 비교예 3에서 제조된 페놀수지 조성물을 이용한 시편과 기존 스틸 시편을 준비한 후 중량, 원가, NVH 및 내구성능을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.

상기 표 4의 결과에 의하면, 상기 실시예 4의 경우 기존의 스틸 소재 대비 저비중 효과로 인해 중량이 약 60% 이하로 크게 감소하였으며, 기존 스틸에서 플라스틱화를 통해 NVH 성능이 향상된 것을 확인하였다. 이에 반해 폴리페놀에 유리섬유만을 첨가한 상기 비교예 1의 경우 중량은 감소하였으나, 내구성능 시험에서 요구수준을 만족하지 못하는 것을 확인하였다.

따라서 상기 실시예 1~4에서 제조된 페놀 수지 조성물은 페놀 수지에 유리섬유 및 글라스버블을 혼합하고, 기타 첨가제로 산화방지제, 내열안정제 및 활제를 혼합함으로써 기존 소재 대비 저렴한 페놀 수지의 사용으로 원가 절감을 확보하고, 비중 저감을 통한 부품의 경량화를 증대시키는 동시에 강성, 내열성 등의 기계적 강도 및 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능을 향상시키는 효과가 있음을 확인하였다.