니트릴 고무(NBR)의 정의, 특성 및 가공시의 포인트를 해설

니트릴 고무는 공업에서 일용품까지 폭넓게 사용되는 합성 고무 재료입니다. 특히 뛰어난 내유성과 내마모성을 가지고 있어 오일씰이나 O링, 일회용 장갑 등의 제품에 이용되고 있습니다. 이번 내용에서는 니트릴 고무의 정의, 특성이나 장점·단점에 대해 해설합니다. 또한 니트릴 고무의 용도나 가공상의 포인트에 대해서도 정리하고 있으므로, 설계·개발 담당자는 끝까지 봐 주세요.

니트릴 고무의 정의

니트릴 고무는 아크릴로니트릴과 부타디엔의 무작위 공중합체로 이루어진 합성 고무입니다. 정식 명칭은 「아크릴로 나이트릴 부타디엔 고무」라고 하며, 일반적으로는 「니트릴 고무」나 「너도밤나무 N」이라고 불립니다. 분자구조 중 극성기인 니트릴기(-CN)를 가진 점이 특징으로 광물유 등 무극성 기름에 대한 우수한 내유성이 생깁니다. 아크릴로니트릴의 함유량에 따라 「저니트릴」부터 「고니트릴」까지 분류되며, 내유성이나 내한성 등의 특성이 변화하기 때문에 용도에 따른 등급 선정이 포인트입니다. 한편, 분자 골격에 이중 결합을 포함하기 때문에 내후성이나 내오존성은 낮고, 야외에서의 사용에는 주의해야 합니다.

니트릴 고무의 특성

니트릴 고무의 기계적 특성

니트릴 고무는 수많은 합성 고무 중에서도 기계적 강도가 높은 균형 잡힌 재료입니다. 대표적인 니트릴 고무의 기계적 특성은 다음과 같습니다.

일반적인 등급에서 인장 강도는 12~13MPa, 신장은 300~400%에 달하며 고무 재료로서 충분한 강도와 유연성을 나타냅니다. 균열에 대한 저항력도 강하기 때문에 압력이 가해지는 씰재나 개스킷으로서의 신뢰성이 높습니다. 뛰어난 내마모성은 접동부분이나 롤러 등 마모가 문제되는 용도에서 중요한 특성입니다. 경도는 A50~90 정도의 범위에서 조정 가능하며 경도를 높이면 내압성은 향상되지만 유연성은 저하됩니다.

니트릴 고무의 물리 및 화학적 특성

니트릴 고무의 가장 큰 장점은 휘발유나 광물유에 대한 우수한 내유성입니다. 100℃ 이하의 기름 환경이면 안정적으로 사용 가능합니다. 내열성의 연속 사용 온도는 80℃ 전후가 기준이며, 더욱 고온이 되면 열열화가 진행됩니다. 내한성은 충분하지 않으며, -10℃ 전후부터 경화가 시작되어 씰링 기능이 저하되므로 한랭지에서의 사용에 주의해야 합니다. 분자구조에 기인한 약점으로 내후성·내오존성이 낮아 직사광선이나 오존에 노출되면 균열이 생깁니다. 전기적 특성도 절연체로서는 성능이 낮기 때문에 고전압 용도로는 적합하지 않습니다.

니트릴 고무의 장점

뛰어난 내유·내마모성과 기계적 강도

니트릴 고무가 범용 고무 재료로 널리 채택되는 것은 내유성, 내마모성, 기계적 강도의 세 가지 특성이 균형 있게 갖추어져 있기 때문입니다. 고무재료 중 탑클래스의 내유성을 자랑하며, 엔진오일이나 작동유에 장시간 접촉해도 팽윤과 열화가 적어 오일씰이나 패킹의 표준 재료로 활용되고 있습니다. 반복적인 압축이나 마찰에 대한 내마모성도 높기 때문에 접동용 씰이나 롤러에도 매우 적합합니다. 저렴한 재료이면서도 얇은 개스킷부터 내구성이 요구되는 씰 부품까지 폭넓은 부품에 적용할 수 있습니다.

가공성이 좋고 양산 제조에 적합

가공의 용이성과 높은 비용 경쟁력은 니트릴 고무의 장점 중 하나입니다. 원료인 생고무의 혼련으로부터, 금형을 이용한 압축 성형이나 사출 성형, 압출 성형이라고 하는 제조 프로세스가 널리 확립되어 있습니다. 복잡한 형상의 부품이라도 안정적인 품질로 대량 생산 가능합니다. 재료 자체도 비교적 저렴하게 입수할 수 있기 때문에 제품의 총 비용을 억제하는 데 유리합니다. 설계자에게는 특수한 설비를 필요로 하지 않고 많은 공급업체에서 조달·가공이 가능하다는 점은 개발 리드타임의 단축과 안정적 공급의 확보로 직결되는 장점일 것입니다.

변형 전개와 환경 대응성의 높이

니트릴 고무는 뛰어난 맞춤성과 환경 규제에 대한 대응력도 장점입니다. 니트릴 고무는 공중합체이기 때문에 아크릴로니트릴과 부타디엔의 비율을 바꾸거나 제3의 성분을 첨가하여 특성을 조정한 다양한 등급을 개발할 수 있습니다. 이 배합 설계를 살리면, 표준품으로는 곤란한 고온·고압 조건이나 엄격한 환경 규제에도 대응할 수 있는 그레이드를 개발할 수 있습니다. 예를 들어 RoHS 지령에 적합한 특정 유해물질을 포함하지 않는 등급이나 식품위생법에 합치하는 등급 등이 준비되어 있습니다.

니트릴 고무의 단점

내후성・내오존성의 낮음

니트릴 고무의 주의해야 할 단점은 내후성, 특히 내오존성이 낮다는 것입니다. 고무의 분자 골격에 포함된 이중 결합이 오존에 의해 쉽게 절단되어 버리는 것에 기인합니다. 야외에서 직사광선에 장시간 노출되거나 모터나 전기기기 주변 등 오존이 발생하기 쉬운 환경에서 사용하면 고무 표면에 미세한 균열이 생겨 최종적으로는 파단에 이릅니다.
대책으로는 내오존성을 향상시킨 등급을 선정하거나 표면에 보호제를 도포하는 것이 효과적입니다. 근본적인 해결책으로 내후성이 뛰어난 EPDM이나 클로로플렌 고무에 대한 재료 변경도 검토합시다.

저온에서 경화되어 부서지기

니트릴 고무는 내한성이 낮고 저온 환경에서는 성능이 저하되는 것이 단점입니다. 일반적인 니트릴 고무는 0℃를 밑돌면 서서히 경화되기 시작하여 -10℃ 전후에서 고무 본연의 탄성을 잃게 됩니다. -20℃ 이하의 혹한 환경에서는 유리처럼 단단하고 연약한 상태가 되어 씰링성을 완전히 상실할 뿐만 아니라 약간의 충격이나 변형으로 쉽게 깨집니다.
한랭지에서 사용되는 기기의 씰 부품이나 냉동·저온 설비와 관련된 용도로의 사용은 피해야 합니다. 설계 시 기기가 사용되는 최저 온도를 반드시 확인하고 온도가 니트릴 고무의 권장 사용 범위를 벗어난 경우 저온 특성이 우수한 실리콘 고무나 특수 내한 등급의 불소 고무 등을 대체 재료로 선정해야 합니다.

극성 용매에 약하고 전기 특성도 떨어진다

내유성이 뛰어난 니트릴 고무는 특정 화학 물질에 약하다는 화학적인 단점을 안고 있습니다. 아세톤이나 MEK 등의 케톤류, 아세트산에틸 등의 에스테르류와 같은 극성 용매에 대해서는 전혀 내성이 없습니다. 이러한 용제에 접촉하면 고무는 현저하게 팽윤하고 연화되어 씰 부품으로서의 기능을 수행할 수 없게 됩니다. 도료, 접착제, 세정제의 용매나 일부 혼합연료에 포함된 알코올 등이 관련된 환경에서는 사용 여부를 신중하게 검토해야 합니다.
물리적 특성으로 전기 절연성이 다른 고무 재료(예: 실리콘 고무, EPDM)에 비해 떨어지는 점도 단점입니다. 고전압이 걸리는 전기 부품의 절연 커버나 케이블 피복 등의 용도에는 적합하지 않으며, 부적절한 환경에서의 사용을 피할 필요가 있습니다.

니트릴 고무의 용도

니트릴 고무의 주요 용도와 선정되는 이유는 다음과 같습니다.

니트릴 고무와 다른 재료의 비교·선정 포인트

재료 선택에서는 요구 성능과 비용의 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 니트릴 고무와 다른 대표적인 고무 재료의 비교를 아래에 나타냅니다.

니트릴 고무의 가공 종류와 포인트

금형 성형 가공의 포인트(사출·압축 성형)

니트릴 고무 부품의 양산은 금형을 이용한 사출 성형이나 압축 성형이 주류입니다. 설계자가 주의해야 할 점은 고무 수축입니다. 고무는 가황(가교 반응)시에 1~3% 수축하기 때문에 금형은 최종 제품 치수보다 크게 설계해야 합니다. 정확한 치수 정밀도가 요구되는 경우, 시험 제작의 성형으로 수축율을 실측하여 금형 치수에 반영시키는 것이 불가결합니다.
가황 조건(온도·시간)도 중요하며 부적절한 조건은 물리적 성질 저하를 초래합니다. 성형 후에 발생하는 버의 처리 방법이나 치수 공차와 함께 도면에 명기하는 것도 후공정에서의 트러블을 피하기 위해서 필요합니다.

절삭 가공의 포인트(기계 가공・2차 가공)

니트릴 고무는 부드럽고 탄성이 있어 절삭 가공이 어려운 재료입니다. 소량 시험 제작이나 규격 외 치수의 O링 제작에서는 금형 없이 가공할 수 있는 절삭이 유효한 수단입니다. 최대의 포인트는 「소재를 딱딱하게 해서 가공한다」는 것입니다. 드라이아이스나 액체질소로 소재를 -50℃이하로 동결시키고 일시적으로 유리화시켜 딱딱하게 만들면 칼날이 쉽게 들어갈수 있습니다.
공구는 초경합금이나 세라믹등의 예리한 칼날을 선정해, 가공 조건은 저속으로 깎는 것이 아니라, 고속 회전·저전송으로 단번에 얇게 깎는 것이 요령입니다. 고무가 변형되기 전에 절삭할 수 있습니다. 치수 정밀도를 내는 것은 어렵기 때문에 설계상 연마 등의 마무리 공정을 허용하거나 워터젯 가공과 같은 대체 공법도 선택 사항에 넣으면 좋을 것입니다.

접착·조립 가공의 포인트

니트릴 고무 부품의 접착이나 조립 공정에서는 고무의 특성을 이해한 취급이 품질을 좌우합니다. 고무끼리나 금속과의 접착에는 니트릴 고무계 접착제나 시아노 아크릴레이트계 순간 접착제가 사용됩니다. 접착 강도를 확보하기 위해서는 접착면의 탈지가 필수이며, 필요에 따라 표면을 가볍게 거칠게 하거나 고무용 프라이머 도포가 매우 효과적입니다.
조립 시, 특히 O링을 홈에 넣을 때는 「비틀림」에 주의합시다. 비틀린 상태로 조립하면 씰면 압력이 불균일해져 누출의 원인이 됩니다. 윤활제 등을 얇게 도포하여 미끄럼을 좋게 하는 동시에 초기 건조나 마찰도 방지할 수 있습니다. 금속의 가장자리로 고무를 손상시키지 않도록 삽입부에는 면취나 R 형상을 설치하는 것도 설계의 기본입니다.

정리

니트릴 고무는 내유성과 내마모성이 우수한 가성비 높은 합성 고무 재료입니다. 공업 용도에서 일용품까지 폭넓게 이용되고 있기 때문에 설계·개발 담당자는 특성을 이해해 두지 않으면 안됩니다.이번 내용에서 소개한 특성이나 장점·단점, 가공상의 포인트를 참고해, 제품 개발에 활용해 주세요.