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Energy loss mechanisms and heat generation in carbon black filled rubber composite = 카본블랙이 충진된 고무 복합체에서 에너지 손실기구와 열발생
서명 / 저자 Energy loss mechanisms and heat generation in carbon black filled rubber composite = 카본블랙이 충진된 고무 복합체에서 에너지 손실기구와 열발생 / Dong-Myung Park.
저자명 Park, Dong-Myung ; 박동명
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2000].
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Tires in motion causes hysteresis by the cyclic deformation, its phenomenon can be analyzed by studying the basic properties of rubber viscoelasticity and energy loss mechanism. The purpose of this study is to analyze energy loss using various material properties and to investigate that what extend loss energy will be converted to heat dissipation. We first picked out the compound similar to tire materials and accomplished the research on the nonlinear thermo-viscoelastic material properties under cyclic loadings, in the view of microscopic scale such as filler-rubber interaction, molecular mobilities, etc., as well as in the view of macroscopic scale which deals stress-strain curve based on experimental condition. In the latter case, the effects of vulcanizate properties and carbon black rubber bonding structure as filler-rubber interaction on heat generation were investigated. In addition, modified nonlinear model to perform the thermomechanical analysis was presented and this model could be used to explain the viscoelastic phenomena and to predict the properties in real situations. The process to obtain the energy loss considering how to generate was established and the systematic theory and method was developed. In the basis of these procedures, we perform the thermal analysis on the internal temperature of rubber specimen. By way of procedures described, Internal temperature distributions were compared with experimental values and were tried to find out the cause of a difference between temperatures. Heat buildup procedures about carbon black filled rubber vulcanizates were performed. The compounds were designed to yield vulcanizates with similar crosslink density levels with the Conv. vulcanizate consisting mainly of polysulfidic crosslinks and EV vulcanizate being mostly monosulfidic. The semi-EV vulcanizate was designed to have a crosslink structure midway between the Conv. and the EV cure systems. DCP system is added to compare curing systems. We investigated the relationship between heat generation of filled rubber vulcanizates and hysteresis loss, 100% modulus, loss compliance, loss modulus, filler loading, double strain amplitude, and ambient temperature. Dimensionless analysis using the experimental data and related variables was carried out to analyze the heat generation phenomena. In general, the thermomechanical behavior of rubber composite during cyclic deformation is a highly complex transient phenomenon that requires the solution of a dynamic nonlinear-coupled thermoviscoelasticity problem with heat sources resulting from internal dissipation and friction. In this study, semi-iterative approach, with effective calculation schemes, to modeling the system was introduced to analyze the distribution of temperature with reasonable accuracy. This model was based on a sequential approach: a dissipated portion of the strain energy extracted from the deformation module provides heat source terms to the thermal analysis module. The proposed dissipation module calculates the energy dissipation and heat source in a deforming rubber specimen by introducing the shift factor relation because energy is dissipated due to primarily the viscoelastic response of the rubber vulcanizate. Stress analysis was performed using hyperelastic model, and thermal analysis was carried out transferring deformation energy to heat source. We prepared conversion program, which generates input file and heat source for the thermal analysis using 3-D finite element model and the results of deformation module to calculate temperature distributions. Model equation including the trend of material property changes was developed using material.db file and used in the dissipation module analysis. Changes of internal properties occurred by thermomechanical fatigue, and nonlinearities such as pre-strain effect, distortion of hysteresis loop, and filler-rubber interaction were observed. Until now, the research of material properties has been paralleled with that of structural analysis and mutual interchange was next to impossible. In the research of material property part, how much the heat generation magnitude is as carbon black loading, crosslink density, viscoelastic properties, and aging conditions vary, was investigated. In the research of structural analysis part, hysteresis energy by amplitude variation, frequency variation, and condition of loading, etc. was studied under specified boundary conditions. The degree of fatigue when rubber composite go through repeated fatigue undergo some change with internal position. These results give rise to the change of material properties and have an influence on heat generation behavior. In this study, the difference of material property in the rubber specimen was monitored and confirmed during cyclic compression. Experimental procedure was accomplished using MTS dynamic test machine determined operating conditions. Changes of viscoelastic properties, heat buildup, ambient temperature variation, and loading condition were recorded as a function of time. According to local regions in the specimen, the changes of crosslink density, crosslink structures, and molecular mobilities of rubbery phase and aggregate phase were analyzed and verified. By using these results, heat generation behaviors were analyzed and phenomena were explained. We investigated the relations between filler-rubber interactions and heat generation. The breakage and re-formation of interaggregate bonds is a hysteretic process, which in a typical reinforced rubber compound, is responsible for the major share of the heat generation. We compared their contribution to heat generation in carbon black filled natural rubber (NR) and styrene butadiene rubber (SBR). In NR vulcanizates, where energy loss is lower than SBR compounds, the estimation accuracy was higher. Conversely, in SBR vulcanizates, where loss energy is higher than NR, good estimation is made difficult, as cyclic deformation is sufficient to produce substantially different loss energy. This was explained using the values of filler-polymer interaction parameters, molecular mobilities of rubbery phase and bonded phase, carbon gel, and bound rubber. In this study, energy loss mechanism of carbon black filled vulcanizates was investigated in the complementary view of both material properties and structural analysis.

오늘날 승용차나 화물차등의 차량들은 차체 경량화 및 효율적인 엔진의 개발로 인하여 주행거리가 증가되고 있으며 차량 고속화 및 적재량의 증가가 이루어지고있다. 이러한 상황하에서 위의 요구조건을 만족시켜 주는 타이어가 필요하게 되었다. 실제 고무의 점탄성과 관련되는 타이어 성능에는 여러 가지가 있다. 예를 들면 제동 특성, 회전 저항, 마모, 주행 안정성 등이 있다. 이러한 성능을 대변하는 물성으로 이력(hysteresis)이 있는데 이 값에 대한 연구가 완전히 정립되지 않아서 단순히 점탄성 이론으로부터 유도된 tanδ로 대신해서 사용하고 있다. 예를 들어 tanδ 값이 커질 경우 그립력의 증가로 제동 성능은 향상되나 회전저항 특성에는 불리하게 작용한다. 또한 고무 소산에너지의 증가로 인하여 발열에 불리하게 작용하게 될 것이다. 타이어의 반복변형에 의해 발생하는 발열 문제는 타이어의 노화 및 성능 감소에 심각한 영향을 미친다고 할 수 있다. 고무의 히스테리시스에 의한 발열은 대단히 느린 고무의 열 전달 성질로 인하여 주행 중의 트럭 버스용 타이어 내부 온도를 100℃ 이상 상승시킨다. 이러한 발열 문제를 소화하기 위해서는 물리적인 요인뿐만 아니라 화학적인 요인에 대해서도 현상 규명을 통한 정확한 발열 기구와 열 전달 해석이 반드시 필요하다. 타이어의 내구성능과 대단히 밀접한 관계에 있고 고무의 점탄성 특성과 관련된 히스테리시스에 의하여 발생하는 발열 기구를 명확히 규명하고 이를 토대로 물리화학적 요인에 대한 현상 규명을 통한 열 전달 해석방법을 개발하는 것을 이 연구의 목적으로 하였다. 주행 중에 있는 타이어는 주기적인 반복변형으로 인하여 히스테리시스 현상이 일어나며 이는 고무가 가지고 있는 기본적 물성인 점탄성과 에너지 변환 기구에 대한 연구를 통하여 올바른 해석이 가능하게 된다. 이를 위하여 본 연구에서는 외부에서 가해진 변형 또는 응력에 의해 발생하는 에너지 손실을 여러 물성치를 이용하여 해석하며 고무시편에서 실제로 어느 정도의 열 발생 에너지로 전환되는가에 대한 연구를 수행한다. 실제 타이어의 재료가 되는 컴파운드를 선정하여 기존의 선형 모델뿐만 아니라 비선형 모델에까지 확대하여 반복 하중에서 일어나는 점탄성 특성을 시험조건에 따른 변형율-응력 관계 등과 같은 거시적 접근방법뿐만 아니라 배합고무와 카본블랙 상호작용 등과 같은 미시적인 관점에서 접근, 연구를 하였다. 후자의 경우 서로 가교된 고무의 가교특성과 카본블랙이 충전된 가황고무에서 고무-카본 간의 상호작용과 같은 카본블랙과 고무 결합구조가 발열에 미치는 영향에 대해서 연구를 수행하였다. 또한 위의 물성 연구 결과들을 이용하여 해석을 위한 새로운 비선형 모델을 제시하고 이를 점탄성 현상을 설명하는 이론적 접근뿐만 아니라 실제 성능을 예측하는 도구로 사용하고자 한다. 열원 및 열 발생율을 구하는 과정을 검토하여 에너지 손실을 구하는 체계적인 이론 및 방법을 확립하고, 이를 바탕으로 하여 고무 복합체 시편의 내부에 대한 열 해석을 실시하였다. 이러한 과정을 거쳐 예측된 시편 내부의 온도는 실험으로 구한 값과 비교하였고 차이에 대한 원인 규명을 시도하였다. 전체가교밀도를 비슷하게 유지하면서 가교구조가 다른 conventional(Conv), semi-efficient(Semi-EV), efficient(EV) 그리고 dicumyl peroxide(DCP) 가교계의 비충진 및 카본블랙 충진고무에 대해서 발열 실험을 수행하였다. 여기에서는 카본 블랙 첨가량, 가교구조 변화에 따른 발열 거동, 주변 온도의 변화, 외력의 조건 그리고 점탄성 물성값에 따른 발열거동을 조사하였다. 이 거동현상을 분석하기 위해서 관련된 변수들을 이용하여 무차원 해석을 하였다. 고무 복합체에서 변형 조건에 따른 온도 분포를 예측하기위해서는 비선형 열 점탄성 문제의 동적해석을 필요로 하는 매우 복잡한 과정이 필요하다. 본 연구에서는 효과적인 열 기계적(thermomechanical) 거동 해석을 위하여 순차적인 해석 방식이 도입되었다. 이 모델은 순차적으로 연계된 접근 방법, 응력해석을 통하여 얻은 변형에너지의 일부가 열원으로 변환되어 열해석을 실시하는 순차적인 해석방법을 기본으로 하고 있다. 즉 비선형 탄성모델을 이용하여 응력해석을 실시하였고, 점탄성 모델을 적용하여 응력해석 단계에서 구한 변형에너지를 열원으로 바꾸어서 열해석을 실시하였다. 보다 원활한 해석을 위하여 3차원 유한 요소 모델과 변형해석 결과를 이용하여 열원 및 ABAQUS 열해석 input file을 만들어 주는 변환 프로그램을 작성 하였다. 이때 해석 시편의 다양한 물성 변화를 적용할 수 있도록 분산 단계에서 변형 과정을 포함한 모델식을 개발하여 해석에 이용하였다. 고무 시편이 열적 기계적 노화에 의해서 내부 물성 변화가 일어났고, 초기 응력값, 이력 루프의 뒤틀림, 충진제 고무 상호작용의 영향 등의 비선형성이 관찰되었다. 지금까지는 물성에 대한 연구분야와 해석에 대한 연구분야가 평행선을 그리며 자기 분야에 집착해왔다. 물성에 관한 연구로는 발열이 주어진 조건하에서 얼마나 일어나는가, 블랙 첨가량, 가교밀도, 그리고 점탄성 값에 따라 발열값이 어떻게 달라지는가, 여러 가지 노화 조건에 따라 발열량은 어떤 경향을 갖는가 등이 있다. 해석분야의 연구로는 변위량의 차이에 의한 이력 에너지의 경향, 그리고 주파수 변화에 따라서 에너지 손실이 어떻게 변하는가를 연구했다. 고무복합체가 반복적인 피로를 받을 때 복합체 내부의 위치에 따라 피로를 받는 정도가 달라지게 된다. 이 결과로 물성 변화가 차이가 나서 발열 현상에 영향을 주게 된다. 따라서 이번 연구에서는 반복적인 피로를 받을 때 복합체 내부의 물성 변화와 차이를 모니터링하여 확인하였다. 실험방법을 MTS를 이용하여 전해진 외부 조건으로 피로를 가하고 이에 대한 데이터를 얻었다. 각 시간에 대한 점탄성 데이터와 발열량 변화, 주변 및 시편 온도 변화 등을 기록하였다. 국부적인 부위의 가교밀도와 가교구조 변화, 카본블랙 주위와 고무 벌크상의 분자운동성의 변화를 분석을 통하여 확인하였다. 이 결과를 이용하여 발열 데이터를 해석하였고 현상을 설명하였다. 마지막으로 고무 충진제 간 상호작용과 열 발생과의 관계를 살펴보았다. 발열 기구를 살펴보면 충진 복합체에서 망상구조가 깨지고 재형성하는 과정을 수반하게 되는데, 바로 응집체의 결합들이 깨어지고 재 형성하는 과정이 발열에 중요한 부분을 차지하는 이력 과정이다. 천연고무(NR) 와 스타이렌 부타디엔 고무(SBR) 배합을 이용하여 열 발생과 열 해석의 결과 비교를 하여 차이점을 살펴보고 이를 상호작용에 의한 영향으로 해석하였다. SBR 고무에 대해서 낮은 해석값을 예측하는 것은 고무 충진제 간 상호작용이 천연고무의 경우보다 더 커서 많은 양의 에너지가 이력현상으로 발생하고 이 양들이 온도증가에 기여하게 된다. 이 내용을 설명하기위해서 충진제 고분자간 상호작용값, 카본블랙 주위와 고무 벌크상의 분자운동성, 카본 겔, 그리고 결합 고무량 값을 이용하였다. 본 연구에서는 카본 충진 복합체의 에너지 손실기구를 물성적인 관점과 해석적인 관점을 조화시켜 상호 보완을 하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCHE 00002
형태사항 xvi, 184 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박동명
지도교수의 영문표기 : Won-Hi Hong
공동교수의 영문표기 : Hwi-Joong Kim
지도교수의 한글표기 : 홍원희
공동교수의 한글표기 : 김휘중
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학공학과,
서지주기 Includes references
주제 Hysteresis
Rubber
Fatigue
Heat
Structure
이력
고무
피로
발열
가교구조
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