Development of Water-lubricated Plastic Bearings

수-윤활용 플라스틱 베어링 개발에 관한 연구

Abstract

This paper presents the fabrication process of water-lubricated plastic bearings. Plastic bearings require good mechanical properties and tribological properties as well as elasticity and shock resistance, especially when lubricated in dirty water conditions. In this study, sleeve-type plastic bearings are produced by winding a prepreg sheet, which primary contains nitrile rubber (NBR)-modified epoxy, self-lubricating fillers, and various types of lattice-structured reinforcing fibers such as carbon, Aramid, and polyethylene terephthalate. A thermosetting epoxy is chemically modified with NBR to impart elasticity and low-friction characteristics in water conditions. Experimental investigations are conducted to examine the mechanical and tribological characteristics of the developed bearing materials, and the results are compared with the characteristics of a commercial plastic bearing (Thordon SXL), well known as a water-lubricated bearing. A Thordon bearing (mainly composed of polyurethane) exhibits an extremely low load-bearing capacity and is thus only suitable for medium loading (1~10MPa). The tribological characteristics of the test materials are evaluated through Falex block-on-ring (LFW-1) friction and wear tests. The results indicate that friction exhibited by the carbon-fiber-reinforced NBR-10wt.%-modified epoxy composite material, incorporated with the addition of 20wt.% UHMWPE and 6wt.% paraffin wax, is lower than that of the Thorden bearings, whereas its wear resistance surpass that of Thorden ones. Because of these features, the load carrying capacity of the fabricated composite (>10MPa) is higher than that of the Thorden bearings. These results confirm the applicability of water-lubricated plastic bearing materials developed in this study.

1. 서론

글로벌 플라스틱 베어링 시장은 지난 2020년 기준 USD 7,344백만 정도로서, 연평균 4.6% 성장하여 2028년에는 USD 10,406백만 정도로 예상된다고 알려져 있다[1]. 현재 관련 분야에서의 세계적인 key player는 독일의 Igus, 영국의 BNL 및 Saint-Gobain, 미국의 Musumi, 일본의 Kashima Bearings 및 중국의 CSB Bearing 사 등을 대표적으로 들 수 있으며, 특히 본 연구의 대상인 수-윤활용 플라스틱 베어링의 경우에는 캐나다의 Thordon사가 대표적인 제조 업체로 알려져 있다.

수-윤활용 슬리브(Sleeve) 베어링은 수중(해수 또는 담수)에서 회전하는 기계의 축을 일정한 위치에 고정하고 하중을 지지하며 축을 회전시키는 역할을 하는 회전 기계용 기계요소 부품으로서, 상기 베어링은 대표적으로 배수펌프 및 하수처리 등에 사용하는 워터-펌프, 해상 선박의 추진 프로펠러 운동을 지지하는 프로펠러 축 베어링, 또는 스턴 튜브(stern tube) 베어링, 선박 방향-키의 운동을 지지하는 러더(Rudder) 베어링을 비롯하여 잠수함 및 수력발전 분야 등에서 폭넓게 사용하고 있다[2].

하중을 받으며 상대운동을 하는 기계요소 접촉면의 윤활을 위하여 일반적인 회전 및 미끄럼 기계요소 부품에는 일반적으로 오일이나 그리스 윤활제가 사용되나, 수중에서는 기본적으로 상기 윤활제의 누설을 방지하기 위하여 밀봉 실(seal)의 사용이 필수적으로 요구된다. 그러나 상기 밀봉 실이 부적절하게 설치되거나 작동 중에 파손되면 오일이 누설되어 베어링 손상은 물론 주변을 오염시키는 심각한 환경문제를 초래할 수 있으므로, 물에 의하여 윤활을 행하는 수-윤활용 슬리브(sleeve) 베어링의 사용이 점차 늘어나고 있다.

역사적으로 선박의 프로펠러 회전축을 지지하는 최초로 사용되던 수-윤활 베어링 소재는 리그넘 바이태(Lignum vitae)로 불리는 나무 수종(유창목)이 사용된 바 있었다. 상기 소재는 나무 중에서 가장 무겁고 단단하며 조직이 치밀하고, 왁스(Wax)와 유사한 성분을 포함하고 있어서 윤활 및 내마모 특성이 우수하나, 가격이 비싸며 자원이 풍부하지 못하여 현재는 거의 사용하지 않는 소재이다[3]. 반면에 플라스틱 소재는 금속 소재에 비하여 내하중성이 상대적으로 낮지만, 기본적으로 가볍고 수중에서의 저마찰 윤활 특성이 우수하며 내수성 및 내부식성과 같은 화학적인 안정성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 따라서 현재 수-윤활용 베어링의 소재로서 플라스틱이 가장 많이 사용되고 있다.

플라스틱 베어링 소재는 플루오로카본계 수지(PTFE), 아세탈(Acetal), 나일론(Nylon) 등과 같은 열가소성 수지와 페놀(Phenol) 및 에폭시(Epoxy) 수지 등의 열경화성수지 또는 폴리이미드(PI), 피크(PEEK) 등과 같이 기계적 물성 및 내열성이 우수한 엔지니어링 플라스틱 소재들이 사용될 수 있다.

수-윤활용 베어링 소재가 갖추어야 할 물리적 특성은 우수한 기계적 물성 및 트라이볼로지 특성 이외에도 수중 환경에서 장기간 사용되기 때문에 내수성이 기본적으로 우수해야 하며, 물에 의하여 부풀어 오르는(swelling) 특성이 최소화 되어야 함이 필수적으로 요구된다[4]. 또한 오염도가 높은 수중 조건에서 사용될 경우, 물에 부유하는 모래와 같이 미세한 크기의 단단한 오염 입자들이 베어링 틈새에 혼입되면, 베어링 소재 또는 회전축 표면이 심하게 긁힘에 의하여 베어링 파손을 유발할 수 있다. 오염 입자에 의하여 급격한 진동 및 마찰 소음 증가를 발생할 수 있으므로, 상기의 영향을 최소화하기 위하여 우수한 탄성을 갖는 플라스틱 소재를 사용함이 매우 바람직하다[5].

탄성중합체 소재 중 인장강도 등 기계적 물성이 비교적 우수한 폴리우레탄(PU)은 가볍고 질기며 화학적 안정성이 우수하고 탄성 및 내충격성이 우수하여 수-윤활용 베어링의 기본 소재로서 대표적으로 사용되고 있다[3,6]. 그러나 폴리우레탄 소재는 소재 내의 우레탄 bridge (-NHCOO-)와 물이 반응하여 가수분해 될 수 있어서 이를 억제할 수 있는 적절한 대책이 필요하며, 또한 내열성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 폴리우레탄 소재의 기계적 물성이 금속 소재에 비하여 상대적으로 낮으므로, 폴리우레탄 소재로 제조된 수-윤활용 베어링 상용 제품의 경우에 베어링의 허용 면압이 1~10 MPa 범위로 제한되며, 수-윤활 조건에서 60℃ 이상의 온도에서 작동하게 되면 베어링 표면이 연화 되어 파손될 수 있는 것으로 알려져 있다[3].

따라서 수-윤활용 플라스틱 슬리브 베어링의 성능과 수명을 증가하기 위하여 미끄럼 마찰 특성, 내마모성, 탄성, 내충격성 및 내수성이 우수함과 동시에 내하중성이 더욱 향상된 베어링 소재의 개발이 요구되고 있다.

참고로 수-윤활용 플라스틱 베어링 분야에서 세계적으로 대표적인 캐나다 Thordon 베어링 SXL 제품을 분석한 결과, 주 수지가 Polyether Urethane 소재가 사용되었음을 알 수 있었으며, 단량체로 2,4TDI(2,4-Toluene diisocyanate)가 사용된 것을 확인할 수 있었다. 수-윤활 플라스틱 베어링 소재 개발과 관련하여 국내외에서 많은 연구의 대상이 된 베어링 소재로는 열경화성 폴리우레탄(PU) 외에 에폭시(Epoxy), NBR(Nitrile butadiene rubber) 탄성중합체 등이며, 상기 소재의 융/복합을 통하여 소재의 물리적 특성을 더욱 향상하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 또한 상기 소재에 UHMWPE, Wax, Graphite, PTFE 등의 윤활 기능성 첨가제를 사용하여 베어링 소재의 저마찰 및 내마모성 등 트라이볼로지 특성을 향상하는 연구[7-9] 및 칩(chip) 형태로 분쇄한 탄소 섬유 등을 수지에 배합함으로써 소재의 내마모성을 향상시키는 복합소재 개발[10] 등에 연구의 초점이 맞추어지고 있음을 볼 수 있다.

특히 NBR 탄성중합체 소재는 우수한 내마모성, 진동 저감 효과, 화학적 안정성 및 친환경적 특성을 보여서 수-윤활 베어링 재료로써 널리 사용되고 있으며, 특히 해수에 의하여 미세하게 부식되는 NBR 소재 표면이 미세한 접촉 돌기를 생성하여 실제 접촉 면적이 감소하는 효과를 줄 뿐만 아니라 물 흡수력을 향상하게 시켜 윤활 특성을 향상한다고 알려져 있다[2].

따라서 본 연구에서는 NBR 탄성중합체 소재로 변성한 에폭시 소재를 격자 형태의 강화 섬유에 함침한 프리프레그(Prepreg)를 제조하고, 상기 프리프레그 박판(sheet)을 원형으로 감은 복합소재를 베어링 소재로 사용함으로써, 기계적 물성 및 트라이볼로지 특성, 그리고 내하중성이 향상된 수-윤활용 플라스틱 베어링을 개발하고자 하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. NBR 변성 에폭시 소재 개발

본 연구에서는 수-윤활용 플라스틱 베어링 소재로서 탄성중합체인 NBR 소재를 에폭시 소재와 공중합 하여 화학적으로 변성한 소재를 개발하였다.

상기 NBR-변성 에폭시 소재를 제조하기 위하여, 1차적으로 카복실계 NBR과 액상의 BPA(Bisphenol-A-Di-Glycidyl Ether)계 에폭시 수지를 Triphenylphosphine (TPPI) 촉매를 이용하고 온도 120℃ 하에서 반응시켜, NBR-변성 에폭시 소재를 제조하였다.

다음 Fig. 1은 에폭시 수지와 NBR-10wt.%-변성 에폭시 소재의 FTIR 스펙트럼 분석결과로서, NBR 소재에서 일반적으로 나타나는 파수(Wave Number) 2,233 cm^-1에서의 −C≡N 결합과 2,233 cm^-1에서의 −C=O 결합이 분석되는 것을 확인할 수 있어서, 에폭시 수지가 탄성중합체 소재인 NBR에 의하여 화학적으로 변성되었음을 확인할 수 있었다[11].

Fig. 1. FTIR Spectrums of NBR-10wt.%-modified-Epoxy and Epoxy.

상기 NBR-변성 에폭시 소재에 2차적으로 액상의 BPA(Bisphenol-A-Di-Glycidyl Ether)계 에폭시 수지를 배합하고, 상기 소재의 기계적 특성 및 내수성을 향상하기 위하여 노블락(novolak) 수지, diglycidyl of 1.8 di (hydroxy phenyl)pentadecane, C15 monoglycidyl ether, 및 지방산(Fatty Acid) 변성 BPA계 에폭시를 추가로 배합하여 본 연구의 수-윤활용 플라스틱 베어링을 위한 변성 에폭시 주제를 제조하였다[12].

경화제로서, 상기 변성 에폭시 소재의 가사 시간(pot life)이 24시간 이상 요구되는 프리프레그 타입(Type)의 경우에는 변성 페놀을 사용하였고, 상기 경화 속도 조절을 위한 촉매로서 N-메틸피페리딘(Methylphenidate)에폭시를 사용하였다. 온도 80℃ 및 질소 가스 분위기하에서 3시간 동안 교반(회전속도: 250 rpm) 하여 최종적으로 NBR-변성 에폭시 소재를 합성하였다. 형성된 프리프레그가 24시간 이상의 가사 시간 동안 표면 접착력이 유지되도록 상대적으로 낮은 온도(100℃)에서 소재가 반경화가 이루어지도록 설정하였으며, 이후에 상대적으로 높은 온도(120℃)에서 소재가 최종 경화 되도록, 총 2단계에 걸친 온도 조건하에서 순차적으로 베어링 소재를 경화하였다.

한편 몰딩(Molding) 방식으로 베어링을 제조하는 경우에서와 같이 가사 시간이 상대적으로 짧게 요구될 때 (약 1시간)는 NBR 변성 소재에 노블락(Novolac) Resin, BPA type 에폭시, castor oil 변성 fatty acid ester resin 및 변성 BPA type 에폭시를 사용하였고, 경화제는 hetero aliphatic amine를 사용하였으며, 제조공정 및 방법은 상기 프리프레그 경우에서와 같았다.

2-2. 수-윤활용 플라스틱 베어링 복합소재

상기와 같이 제조된 변성 에폭시 주제에 미끄럼 마찰 특성 및 내마모성을 향상시키기 위한 기능성 윤활 첨가제로서, 평균 입자 크기가 60 µm인 UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 20~30wt.% 및 Paraffin Wax 0~6wt.% 등을 고르게 분산시켜 첨가하고, 이를 격자 형태의 아라미드섬유(Taparan para-aramid fabric, PW100-1000 제품; linear density: 1.5D(Denier), 면 밀도: 100±5 g/m²), 탄소섬유(Toray 제품(Torayca TM), 무게: 119 g/m², 두께: 0.15 mm, 평직), 또는 PET (Polyethylene Terephthalate) 섬유(강림물산, P250d(경·위사), 밀도(ea/in): 52X45(가공지 기준))에 핸드레이업(Hand Lay-up) 방식으로 복합소재를 일정한 두께로 각각 함침한 후, 프리프레그를 제조하였다.

복합소재의 트라이볼로지 특성 시험 평가를 위하여 블록 형태의 시편을 제조할 때에는, 상기와 같이 제조한 프리프레그를 100℃ 하에서 약 40분간 1차 경화를 하였다. 이후에, 프리프레그를 일정한 두께가 되도록 적층하였으며, 이를 상하 철판 사이에 놓고 120℃에서 2시간 동안 상부에서 가압하여 2차 경화를 하였다. 이때 프리프레그에서의 수지 함량은 약 50% 이상으로 설정하였다.

또한 슬리브 베어링을 제조할 경우에는 상기의 공정을 거친 프리프레그 sheet를 일정한 온도 하에서 압력을 가하면서 여러 층으로 원형으로 감아 제조한 프리프레그 타입의 베어링 시제품을 제조하였다. 상기 프리프레그 타입 및 몰딩 방식으로 제조한 수-윤활용 플라스틱 베어링 시제품들의 모습은 Fig. 2에서와 같다.

Fig. 2. Water-lubricated Plastic Bearings used in this study.

2-3. 수-윤활용 베어링 소재 성능평가 시험방법

플라스틱 복합소재 시료의 트라이볼로지 성능 평가는 Fig. 3에서와 같은 ASTM D2714 국제표준시험방법에 제시된 Falex Block-on-Ring (LFW-1) 마찰 및 마모 시험방법을 사용하여 수행하였으며, 상기 시험에서 여러 가지 종류의 수-윤활용 플라스틱 베어링 소재 시료의 마찰 및 마모 특성을 각각 측정하고 평가하였다.

Fig. 3. Falex Block on Ring (LFW-1) Friction and Wear Test Rig (ASTM D2714).

상기 시험에서 트라이볼로지 특성 평가를 위한 시험 조건은 수직하중 90 lbf, 접촉면에서의 미끄럼 속도 0.132 m/s, 시험시간 5시간으로 각각 설정하였으며, 링(Ring) 표면이 물속에 일부분 잠겨있어 링이 회전함에 따라 물을 끌고 올라가서 링과 시험 블록 접촉 표면으로 물이 공급되는 수-윤활 조건에서, 시험 후에 평균 동마찰 계수 및 마모량(weight loss)을 정량적으로 측정하였다.

측정은 동일한 시험조건에서 최소 3회 이상의 시험 결과를 반복하여 평균값을 구하였다. 시험에 사용한 링(Ring)은 철강(steel)재 표면을 크롬 도금한 재료로서 외경이 34.98 mm이며, 본 연구에서의 마찰/마모 시험 평가를 위한 플라스틱 소재 시험 블록의 길이는 15.76 mm, 폭은 6.35 mm이다.

또한, 주요 시료의 기계적 특성을 평가하기 위하여 ASTM D2240 표준 시험 방법인 Shore D type의 소재 표면 경도(Durometer, Sauter HBD100-0), KSM 3015 표준 시험방법(‘열경화성 플라스틱 일반 시험방법’)에 따른 인장강도(Oriental Testing Machine 제품), 소재의 충격 시험 평가를 위한 IZOD 충격시험(KS M ISO 179-1), ASTM D471 표준 시험 방법인 수분에 의한 체적 팽창률(Volumetric Swelling)을 각각 사용하여 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3-1. 소재의 마찰·마모 시험 결과

본 연구에서 시험 평가한 수-윤활용 플라스틱 베어링 소재들의 트라이볼로지 특성 및 주요 물성 측정결과는 다음 Table 1에서와 같다.

Table 1. Mechanical and tribological test results of the plastic bearing materials used in this work

상기 결과 중에서 시험 소재들의 마찰 및 마모시험 결과를 종합적으로 비교한 결과는 아래의 Fig. 4에서와 같다.

Fig. 4. Average coefficients of friction and wear test results of the test materials in this work.

아라미드섬유로 강화한 복합소재(b)의 수-윤활 조건 하에서의 마찰시험에서, 평균 동마찰계수는 0.07, 평균 마모율(wear rate)은 0.8 mg/h로 나타났으며, 소재 표면 경도는 70(shore D type) 및 인장강도는 98 MPa 이상으로 측정되었다. 참고로, 본 시험에서 사용한 인강강도 시험기에서의 로드셀(Load Cell)은 최대 1,000 kgf로 제한되어 있어서, 상기 아라미드섬유로 강화된 복합소재 시편의 인장강도를 98 MPa 이상의 높은 범위에서 측정할 수 없었다. 또한, 총 5시간의 시험이 종료되었을 때, 시편 표면 마모흔(wear scar)의 폭 길이는 4.2 mm로 측정되었는데, 상기 조건에서 시편의 평균 면압은 약 15 MPa이었다. 아라미드섬유로 강화한 복합소재의 Izod 충격시험 측정값은 542 J/m 이었다. 참고로 폴리우레탄 탄성중합체로 제조된 Thordon 베어링 소재(a)의 Izod 충격시험 측정값은 ~300 J/m로서, 섬유 강화 복합소재와는 다르게 파손되지 않고 충격 에너지에 의하여 시편이 구부러지는 모습이 관찰되었다.

한편, 탄소섬유로 강화한 복합소재(c)의 경우에는 아라미드섬유 강화 시편(a)와 유사한 측정 결과가 측정되었으나, 평균 동마찰계수는 0.09, 평균 마모율은 0.5 mg/h로 나타났으며, 소재 표면 경도는 73이었다. 상기 조건에서 시편의 평균 면압은 약 16 MPa이었다. 한편 Thordon 베어링 SXL 소재의 체적 팽창률(Volumetric Swelling)은 1.3%인 반면에, 탄소섬유로 강화한 복합소재는 체적 팽창률은 0.12%로 측정되어 내수성이 상대적으로 우수하였다. 또한 Izod 충격시험 결과는 296 J/m로 측정되었다. PET 섬유로 강화한 복합소재(d)의 경우에는 평균 동마찰계수는 0.13, 평균 마모율은 2.3 mg/h, 소재 표면 경도는 73으로서, 마찰 및 마모 특성이 탄소섬유 강화 시편에 비하여 상대적으로 뒤떨어지는 결과가 나타났다.

또한 상용 에폭시 제품((e), K화학, KFR-120V)을 주제로 사용하였을 때, 수-윤활 조건 하에서의 마찰시험에서 평균 마모율은 0.5 mg/h, 평균 동마찰계수는 0.10 정도로 측정되었으나, 소재 표면 경도가 87로 높게 측정되었다. 이를 통해, NBR 탄성중합체로 중합된 변성-에폭시 소재의 표면 경도는 상용 에폭시 제품에 비하여 상대적으로 낮았으나, NBR 탄성중합체로 중합된 변성-에폭시 소재가 수-윤활 조건에서 동마찰계수를 저감시키는 효과가 우수함을 확인할 수 있었다.

한편 아라미드섬유를 강화하지 않았을 때, NBR 탄성 중합체로 중합된 변성 에폭시 소재(f)의 평균 동마찰계수는 0.08, 평균 마모율은 0.5 mg/h로 나타났으며, 소재 표면 경도는 69, 인강강도는 21.9 MPa, Izod 충격시험값은 83 J/m로 각각 측정되었다. 따라서 섬유로 강화되지 않은 시편의 경우에는 인강강도가 상대적으로 낮아서, 상기 조성물로 제조한 베어링의 경우 내하중성 및 내충격성이 상대적으로 감소할 수 있음을 추정할 수 있었다. 또한, NBR 변성이 없고 자기윤활성 필러의 첨가도 없으며 아라미드섬유로 강화하지 않은 에폭시 소재의 시편(g)에서, 평균 동마찰계수는 0.18로 상대적으로 높게 측정되었으며 평균 마모율도 매우 높게 5.0 mg/h로 과도하게 나타나 시험을 조기(0.5h)에 종료할 수밖에 없었으며, Izod 충격시험값도 35J/m로 낮게 측정되었다.

따라서, 상기 시험 결과로부터 NBR 탄성중합체에 의한 에폭시 수지의 변성과 자기윤활성 필러의 첨가가 소재의 마찰 및 마모 특성에 크게 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있었다.

NBR-10wt.%-변성 에폭시 소재(h)만을 사용하였을 때, 평균 동마찰계수는 0.20으로 다소 높게 측정되었으며, 마모율은 7.5 mg/h로 나타났다. 따라서, 에폭시 수지를 NBR 탄성중합체 소재로 변성 시킨 요인에 비하여 자기윤활성 필러 첨가에 의한 소재의 마찰 및 마모 특성이 상대적으로 크게 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있었다. 다만, NBR 변성된 에폭시 소재의 경우가 변성되지 않은 일반 에폭시 소재에 비하여 탄성, 내수성 및 내충격성이 증가하는 더욱 긍정적인 효과가 있음은 쉽게 추정할 수 있다.

한편 UHMWPE 20wt.% 대신에 파라핀 왁스 6wt.%를 첨가한 시편(i)의 시험 결과에서, 평균 동마찰계수는 0.14 정도로 상대적으로 높게 측정되었으며, 평균 마모율도 32.8 mg/h로 매우 높게 나타났다.

또한, NBR-8wt.%-변성 에폭시를 사용한 시편(j)의 경우에서, 평균 동마찰계수는 0.09, 평균 마모율은 0.8 mg/h, 소재 표면 경도는 78로 측정되었다. 한편 NBR-12wt.%-변성 에폭시 시편(k)을 사용한 경우에서는, 평균 동마찰 계수는 0.06, 평균 마모율은 0.8 mg/h, 소재 표면 경도는 56으로 측정되었다. 따라서, NBR 변성이 정량적으로 증가함에 따라 마찰 및 마모 특성은 유사하였으나, 소재의 표면 경도가 상대적으로 감소함을 특징적으로 확인할 수 있었다. 특히 NBR-14wt.%-변성 에폭시를 사용한 시편(l)에서의 평균 동마찰계수는 0.08, 평균 마모율은 0.5 mg/h로 측정되었으나, 소재 표면 경도는 47로 매우 낮게 측정되었다.

참고로, 수-윤활용 플라스틱 슬리브 베어링 제품으로 국제적으로 잘 알려진 Thordon SXL 베어링 제품(a)의 경우, 소재 표면 경도가 약 60 정도로 측정되었음에 비추어 볼 때, NBR 변성이 14wt.% 이상인 에폭시 소재는 표면 경도가 너무 낮으므로, 이에 따른 베어링의 최대 허용 면압도 상대적으로 낮아서 베어링 소재로 사용하기에는 적절하지 않을 것으로 사료된다.

상기 시험 결과로부터 본 연구에서의 섬유 강화 플라스틱 복합소재(NBR 탄성중합체로 변성된 에폭시 소재) 기반의 수-윤활식 슬리브 베어링 소재가 전반적으로 트라이볼로지(미끄럼 마찰 및 내마모성) 특성 및 내충격성, 인장강도, 탄성과 같은 기계적 특성이 우수하고, 특히, 내하중성이 향상되었음을 알 수 있었다.

그러나 아라미드섬유 강화 복합소재 시편(b)의 경우에, 수-윤활 조건에서 아라미드섬유가 물에 의하여 섬유가 가수분해(Hydrolysis)되어 동마찰계수가 증가함과 동시에 마모도 급속하게 증가함이 나타났다. 또한 PET 섬유 강화 복합소재 시편(c)의 경우에는, 누적되는 미끄럼 접촉에 따라 격자 형태의 섬유가 일부분 끊어지는 모습이 관찰되었으며, 전반적으로 연질의 기계적 물성에 기인하여 마찰 및 마모 특성이 탄소섬유 강화 복합소재에 비하여 상대적으로 뒤떨어지는 결과를 얻을 수 있었다. Fig. 5는 아라미드, 탄소, PET 섬유 강화 복합소재들의 마찰 특성을 각각 비교하여 나타낸 것이다.

Fig. 5. Friction characteristic of fiber (Aramid, Carbon, PET) reinforced composite materials.

또한 Fig. 6은 수-윤활 조건에서 아라미드, 탄소 및 PET 섬유가 NBR-변성 에폭시 소재에 각각 함침된 시편을, 마찰시험을 진행한 후 접촉 표면의 전자현미경(SEM) 모습을 비교한 것이다. 상기 그림의 (a)는 아라미드섬유로 강화되었을 때 아라미드섬유가 물에 의하여 가수분해 되어 강도가 약해짐에 따라서 부스러지는 모습이 관찰되었으나, (b)의 탄소섬유의 경우에는 섬유가 파손되는 모습이 전혀 관찰되지 않았고 미끄럼 접촉에 따라 점차 고르게 연마(polishing)되는 모습이 나타남을 관찰할 수 있었다. (c)는 PET 섬유로 강화된 섬유 시료의 경우에 PET 섬유가 미끄럼 접촉에 의하여 파괴되어 끊어진 모습을 나타내고 있다. 따라서 본 연구의 수-윤활 미끄럼 접촉 조건에서 탄소섬유를 사용하는 것이 가장 바람직함을 알 수 있었다.

Fig. 6. SEM pictures of the worn surfaces of the fiber-reinforced composite materials: (a) fractured Aramid fibers, (b) smoothly polished Carbon fibers and (c) worn-off PET fibers.

Fig. 7은 탄소섬유로 강화된 복합소재 시편(c)의 건조(Dry) 마찰 조건에서의 동마찰계수를 Thordon 베어링((a), SXL)과 비교하여 나타낸 것이다. 본 연구개발에서 비교하여 분석한 Thordon 베어링의 경우, 수-윤활 조건에서 접촉 초기에는 동마찰계수가 낮고 우수한 마찰 특성을 보이나, 상기 소재가 본질적으로 내열성이 좋지 못한 탓에 건조 마찰 조건에서는 1분 이상 사용하지 못하는 제한성이 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 Thordon 베어링의 경우에는 미끄럼 건조 마찰 시에 접촉이 진행됨에 따라 동마찰계수가 점차 증가함을 보이지만, 본 연구에서의 탄소섬유로 강화하고 UHMWPE 20wt.% 및 Paraffin Wax 6wt.% 윤활 기능성 첨가제가 함유된 NBR-10wt.-변성 에폭시 시료(c)의 경우에는 동마찰계수가 대략 0.12 정도를 낮고 일정하게 유지하는 모습을 나타내며 마모도 상대적으로 적게 발생하는 상대적으로 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 7. Friction characteristic of test materials at dry contact conditions.

4. 결론

본 연구에서는 수-윤활용 플라스틱 베어링 소재 종류에 따른 기계적 물성 및 트라이볼로지 특성을 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

기계적 물성이 우수한 에폭시를 탄성중합체인 NBR로 화학적으로 변성한 소재는 에폭시에 비하여 탄성, 내수성 및 내충격성이 증가하고, 물-윤활 조건에서 마찰 저감 효과가 있는 것으로 나타났다.

에폭시를 NBR 소재로 변성할 때, NBR 변성이 정량적으로 증가할수록 마찰 및 마모 특성은 유사하였으나, 소재의 표면 경도는 감소한다.

베어링 소재에 윤활 첨가제로서 UHMWPE 20wt.% 및 Paraffin Wax 6wt.%를 첨가한 시료의 트라이볼로지 특성이 가장 우수하게 나타났다.

베어링 소재의 기계적 물성을 증가하기 위하여 소재 내에 격자 형태의 아라미드, 탄소, PET 섬유를 함침하고 시험한 결과에서, 탄소 섬유로 강화한 복합소재 시편의 트라이볼로지 특성이 가장 우수하게 나타났다.

이를 통하여 NBR-10wt.%-변성 에폭시 소재에 윤활첨가제로서 UHMWPE 20wt.% 및 Paraffin Wax 6wt.%를 첨가하고, 이를 격자 형태의 탄소 섬유로 강화한 복합소재가 기계적 물성, 트라이볼로지 특성 및 내하중성 측면에서 상용 제품인 Thordon 베어링(SXL) 성능을 상회하는 매우 우수한 성능이 나타남을 확인할 수 있었으며, 현재 상용화되어 사용되고 있는 수-윤활용 플라스틱 베어링 소재를 향후에 대체할 수 있는 연구 결과로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.