Improved Tribological Property of Thermoplastic Elastomer Nanocomposites

Abstract

Abrasion resistance is a property that a material can resist damage from wear. Materials with good tribological performance are used in various fields such as tiers, bearing, brake pads, shoes outsole, etc., and it is necessary to develop high abrasion resistant materials for industrial use. Conventionally, carbon black has been used as an abrasion resistant reinforcing filler, and surface modification of carbon black and dispersing agent mainly have been studied. It is possible to improve the dispersibility of filler in the polymer matrix through surface treatment, however, it has limitations, so it is necessary to study on the structural aspects of the filler. In this study, nanocomposites were prepared with high abrasion resistance filled with exfoliated graphite (EG). EG was prepared by electrochemical exfoliation of graphite, and incorporated into elastomer as a reinforcement filler. Carbon materials were compounded with thermoplastic polyester elastomer (TPE) via multi-extrusion processes. Compared to neat polymer and nanocomposites filled with carbon black (CB) and surface modified carbon black (a-CB), EG composites exhibit an obvious superiority in tribological performance. Since EG has a two-dimensional structure with a high aspect ratio and hydrophilic groups on its surface, it is advantageous to improve the interfacial affinity between filler and matrix rather than carbon black.

재료의 내마모 특성은 재료가 마모에 저항할 수 있는 특성으로, 다양한 산업 분야에서의 활용을 위한 고 내마모성 소재의 개발이 필요한 추세입니다. 종래에는 엘라스토머의 내마모성 보강제로 탄소 소재인 카본블랙을 사용해 왔으며 이의 표면처리 및 분산제에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 내마모성의 향상을 위해서는 고분자 매트릭스와 충전제 간의 결합력이 중요하며, 이는 충전제의 표면 특성 및 구조 형태에 따라 결정됩니다. 충전제에 표면 처리를 하거나 구조가 발달한 소재를 사용할 경우 고분자와 충전제 간 결합력이 개선되어 높은 내마모 특성을 구현할 수 있습니다. 이처럼 카본블랙의 표면처리를 통해 고분자 내 분산성을 어느 정도 개선할 수 있으나, 구조적인 측면에서 한계점이 있으므로, 새로운 탄소 충전제의 개발이 필요한 실정입니다. 본 연구에서는 박리흑연과 카본블랙을 사용하여 나노복합재를 제조하고, 각 복합재의 마모 감량을 측정하고 비교하였습니다. 복합재의 충전제로써 그래핀과 유사한 특성을 갖는 박리흑연을 전기화학적 방식으로 제조하여 사용하였습니다. 또한, 대조군으로 카본블랙과, 고분자 내 분산성을 개선시키기 위하여 표면 처리를 진행한 카본블랙을 사용하였습니다. 이렇게 제조된 탄소 충전제와 열가소성 엘라스토머를 연속식 압출 공정을 통해 컴파운딩하여 나노복합소재를 제조하였습니다. 각 소재의 마모 시험 전 후의 무게 차이를 측정하여 마모 감량을 계산하고 비교하였습니다. 그 결과, 박리흑연 복합재는 엘라스토머 단독 소재 대비 91% 감소한 마모 감량을 보였으며, 카본블랙 및 표면 처리된 카본블랙 복합재보다 뚜렷한 우수한 마모 저항성을 보였습니다. 박리흑연 복합재의 우수한 내마모 특성은 아래의 이유로 설명될 수 있습니다. 먼저, 박리흑연의 높은 종횡비와 제조 과정에서 도입된 친수성 관능기들이 엘라스토머와의 계면 결합력을 개선시켰기 때문입니다. 또한, 박리흑연을 구성하고 있는 그래핀 시트의 자기윤활 특성으로 인해 마모 표면에 윤활막이 형성되어, 재료가 마모되는 것을 막아주기 때문입니다. 따라서, 전기화학적 박리흑연 복합재는 기존의 카본블랙 복합재를 대체하여 고 내마모성이 요구되는 분야에 적용하기에 적합할 것으로 예상됩니다.