17 EP 소재 2 팀 이병욱 breadwook@lgchem.com 자동차 CVJ Boots 용 TPEE 소재 01 CVJ Boots 개요 CVJ(Constant velocity joint, 등속조인트 ) 는등속으로동력을전달하는동시에완충역할을위해바퀴측의움직임을조절해주는기능을한다. 등속조인트는등속성을확보하기위해내부구성부품이일정위치에있도록설정되어있고그기능을확보하도록내부구성부품간마찰이쉼없이일어나내부열이발생하며, 이러한내부열이일정온도이상상승하는것을막고내부구성부품들의정해진운동을돕기위해윤활제로써그리스 (Grease) 가주입된다. CVJ Boots( 등속조인트부츠 ) 는위와같이등속조인트에서발생하는열을견디면서그리스의유출을막는기본기능과함께등속조인트내부로물이나먼지등의이물질이들어가는것을막아야한다. 또한큰꺽임각에따른 변형에견딜수있는피로내구특성을가져야하며, 바퀴에연결되어있으므로노면으로부터날아드는각종이물과충돌이비번하고이에견딜수있는내충격성능도요구된다. 최근차량의최소회전반경축소요구에부응하기위해최대 53도까지회전할수있는 Joint 적용이확산되고있으므로부츠는더욱더높은제반성능이필요해지고있다. 최근 CVJ Boots 에적용되는소재는상기의기능을충족시키기위하여기존클로로프로펜고무 (CR, Cloroprene Rubber) 를대체하여 TPEE(Thermoplastic polyether ester elastomer) 소재가사용되고있으며, TPEE 소재는사용온도에서고무적인특성을지니며, 열가소성수지 ( 플라스틱 ) 와같은가공공정을갖는열가소성탄성체 (TPE, Thermoplastic elastomer) 중우수한내열성과내피로성, 내유성및내화학성을가지는 Polyester 그림 1 등속조인트 Outter CV Joint Inner CV Joint Axle Axle Nut
18 계열의수지로최근수요가증가되고있는소재중하나 이다. 그림 2 TPEE 적용사례 02 TPEE 개요 TPEE 란열가소성폴리에스터엘라스토머를총칭하는용어로 TEEE(Thermoplastic ether-ester elastomer) 또는 COPE(Copolyester) 로표현하기도 CVJ boot Bed springs Airbag cover Cable & wire jackets 그림 3 TPEE 시장및경쟁사현황 World Supply/Demand for Copolyester-Ether Elastomers-2010 (thousands of metric tons) Annual Capacity Average Annual as of Production Imports Exports Consumption b Growtgh Rate, September 2011 2010 2015 2010-2015 b (percent) United States 39 36 3.9 0.1 39 45 2-3 Europe 43 31 0.5 8 24 29 3~4 Japan 13 12 1.1 4 8.9 10 2~3 China 2.5 1 9 0 10 16 9~10 Other Asia and Pacific 15 9 0.5 5 4 6 7 Rest of World C 0 0 0.8 0 0.8 1 3~4 Total b 113 87 16 17 87 106 4~5%
LG POLYMER JOURNAL 2016 SUMMER. 19 하며, TPE(Thermoplastic Elastomer) 소재군중 TPA (Amide type TPE), TPU(Urethane type TPE) 와함께보통 engineering TPE 로불릴만큼고무와같이유연성을갖고있으면서도상대적으로기계적강도및저온에서의유연성및내열, 내화학특성이우수한소재라할수있다. TPEE 의주용도는 Airbag cover, CVJ(Constant Velocity Joint) boot, Air duct, Body plug 등의자동차부품이가장많으며, Cable & wire jacket, Noiseless gear 등의전기전자부품및 Plastic bed system, Snowboard & ski boot binder, 각종 grip 류등의스포츠, 레저용품및기타잡화등도포함된다. TPEE 주요브랜드로는 DuPont 의 HYTREL 이국내외로가장널리알려져있으며, DSM 의 ARNITEL, Ticona 의 RITEFLEX, Toyobo 사의 PELPRENE 등도해외에서는많이사용되고있고, 국내브랜드로는 LG 화학의 KEYFLEX BT, 코오롱의 KOPEL, SK Chemical 의 SKYPEL 등이있다. 03 CVJ Boots 주요요구특성및소재동향 CVJ Boots 부품에요구되는주요특성은자동차업체및차종에따라차이가있으나, 일반적으로는표 1에나타낸바와같다. CVJ Boots 용 TPEE 소재는 Boots 가용융상태에서블로우과정을거쳐생산되므로용융상태의수지가우수한용융점도 (Melt Viscosity) 및용융장력 (Melt tension) 을가져야하며, 압출블로우되는동안 parison 형태가유지되어야하며성형품의두께분포가일정하게 표 1 CVJ Boots 주요요구특성특성항목세부사항블로우성형성 Parison 유지력, 두께제어능력, Burr 제어능력내부표면 Melt fracture 최소화내열성 120~150 물성유지능력내화학성 Grease 성분, 염화칼슘, Oil 류에대한물성유지능력내피로특성일정 rpm 하에서반복꺽음 ( 꺽임각 : 25~45 ) 내한성 -40 물성유지능력 Anti-squeak 소재간마찰 / 마모시소음없을것유지되어야한다. 제품은등속조인트의내부부품간의윤활특성을부여하는 Grease 성분이내부에도포되어있으므로 Grease 성분에대한내화학성이필요하며자동차외장부품이므로겨울철염화칼슘성분에대한내화학성또한필요하다. 실제자동차운전시좌우회전에따른큰반복꺽임에대한내피로특성이수반되어야한다. 또한자동차외장부품이므로겨울철저온에서의내한성이요구된다. 최근에는깨끗한제품내부표면에대한요구 ( 민무늬성요구 ) 와더불어고회전시유발되는소재와소재간의마찰에의한소음저하와노면의모래, 기타이물에서유발되는소음저하에대한고객요구도증가하고있는추세이다. 04 CVJ Boots 개발방향 LG 화학소재개발센터에서는 TPEE 중합및반응압출
20 표 2 KEYFLEX HB9242D 대표물성 (ASTM) Properties Value Unit Standard Mechanical properties Tensile Strength (at break) 300 kg / cm 2 ASTM D638 (type Ⅳ) Tensile Elongation (at break) 700 % ASTM D638 (type Ⅳ) Flexual Modulus 600 kg / cm 2 ASTM D790 Hardness, Durometer - Shore D, 15s 37 ASTM D2240 Hardness, Durometer - Shore D, Maximum 40 ASTM D2240 Izod Impact, notched, 23 N.B kg cm / cm ASTM D256 Izod Impact, notched, -40 N.B kg cm / cm ASTM D256 Thermal properties Melt Flow Index(@230,10kg) 3 g / 10 min ASTM D1238 Heat Deflection Temperature (4.6 kg/cm 2 ) 70 ASTM D648 Melting Temperature (at peak) 205 ASTM D3418 Other properties Specific Gravity 1.14 ASTM D792 Water Absorption (23, 24 h immersion) 0.6 % ASTM D570 기술을통해 CVJ Boots용소재로 KEYFLEX HB9242D 를개발하였으며현재국내고객사에판매하고있다. 기본적인물성은표 2와같다. 일반적으로 TPEE 는용융상태에서낮은용융점도및용융장력때문에압출블로우성형이어려우며분지제 (Branching agent) 를이용하여용융중합시용융점도나용융장력을높일수있으나충분치않다. 블로우성형성을확보하기위하여용융중합후에압출기에서사슬연장제 (Chain extender) 를사용하여반응압출 (Reactive extrusion) 을통해높은용융점도및용융장력을확보하였다. 현재당사소재의경우반응압출시다관능기사슬연장제첨가로인해 Branch 함량이높은분자구조가 형성되어경쟁사대비탄성이높으며분자량분포가넓다. 이러한이유로블로우성형시기기다이에서높은전단응력 (shear stress) 을받아블로우성형시제품내부표면에 Melt fracture 가발생하는것으로추정된다. 현재 Branch 함량이높은분자구조에서 linear 한분자구조를목표로하여연구개발을진행하고있다. 중합시이관능기분지제 (Branching agent) 의도입및고상중합 (solid state polymerization) 공정을제거한 TPEE 원재료실험을진행중이며반응압출시기존다관능기사슬연장제를대체하여이관능기사슬연장제를도입하여실험을하고있다.
LG POLYMER JOURNAL 2016 SUMMER. 21 05 맺음말 LG화학은 KEYFLEX HB9242D 의개발을통하여국내시장에서품질경쟁력을인정받음으로써, Engineering TPE 분야에서의성장가능성을보여주고있다. CVJ Boots 제품은안정적인블로우성형성을필요로하며플라스틱부품의내구환경이더욱가혹화되는추세에있다. LG화학은이러한추세에발맞추어지속적으로소재개발을진행하고있으며, 국내 CVJJ Boots 시장의소재확산을위해노력해나아갈계획이다.