Dimethicone 1000 cSt는 일반적으로 25°C에서 지정되는 실리콘 유체의 점도 등급을 나타냅니다. 이 수치만으로 감쇠력, 닫힘 시간 또는 회전 저항이 정해지는 것은 아닙니다. 이러한 특성은 작동 온도에서의 유체 동점도, 감쇠 메커니즘의 형상, 운동 속도에 따라 달라집니다. 따라서 유용한 사양은 정의된 조건에서 측정한 힘–속도 또는 토크–속도 응답과 점도 등급을 연결해야 합니다.

첫 번째로 구분해야 할 것은 센티스토크로 표시되는 동점도와 대부분의 감쇠 계산에 사용되는 점도입니다. 두 번째는 제어된 조건에서 측정한 유체의 물성과 유체를 채운 조립체의 거동입니다. 이 두 가지 구분 중 하나라도 혼동하면 실온 시험에서는 적절해 보이지만 시동 시 너무 느리게 움직이거나 반복 작동 후 저항이 낮아지는 부품이 만들어질 수 있습니다.

1000 cSt라는 표기가 실제로 의미하는 것

동점도는 점도와 밀도의 관계를 나타냅니다. 1센티스토크는 초당 1제곱밀리미터이므로 1000 cSt는 1000 mm²/s와 같습니다. 측정 온도가 명시되지 않으면 이 수치만으로는 불완전합니다. 25°C에서 보고된 값은 40°C에서 보고된 값과 직접 비교할 수 없습니다.

많은 기계 계산에 필요한 변환식은 다음과 같습니다.

점도 = 동점도 × 밀도

동점도가 cSt, 밀도가 g/cm³로 표시된 경우 결과는 mPa·s 단위의 점도입니다. 예를 들어 같은 온도에서 1000 cSt이고 밀도가 0.97 g/cm³인 유체의 점도는 970 mPa·s, 즉 0.97 Pa·s입니다. 이 예시의 밀도는 가정한 값이며 모든 디메티콘 등급의 사양을 의미하지 않습니다.

“1000 cSt”에는 허용오차도 필요합니다. 공칭 등급 표기만으로는 허용되는 배치 범위, 보고된 값이 대표 물성인지 여부, 각 배치를 시험하는지 여부를 알 수 없습니다. 기술 데이터 시트와 시험성적서는 서로 다른 용도로 사용됩니다. 전자는 등급의 특성을 설명하고, 후자는 시험이 포함된 경우 배치별 결과를 기록합니다.

디메티콘은 일반적으로 폴리디메틸실록산, 즉 PDMS를 의미합니다. 점도 표기만 일치한다고 해서 분자량 분포, 휘발 성분 함량, 첨가제 또는 특정 감쇠 메커니즘에 대한 적합성까지 동일한 것은 아닙니다.

점도가 운동 저항으로 전환되는 방식

단순한 전단 간극에서는 한 표면이 다른 표면에 대해 움직일 때 유체 저항이 발생합니다. 간극이 균일하고 가장자리 효과를 무시할 수 있는 뉴턴 유체의 층류에서는 다음과 같은 근사식을 사용할 수 있습니다.

F = μAv/h

여기서 F는 저항력, μ는 점도, A는 전단 면적, v는 표면의 상대 속도, h는 유체막 두께입니다. 이 관계식은 점도 수치만으로 감쇠를 예측할 수 없는 이유를 보여 줍니다. 유체에 닿는 면적이 커지면 힘이 증가하고 간극이 커지면 힘이 감소합니다. 치수가 바뀌면 유체 등급 변경에 따른 효과가 상쇄될 수도 있습니다.

이러한 가정하에서는 동점도가 두 배로 증가하면 속도가 일정할 때 저항력도 두 배가 됩니다. 간극을 절반으로 줄여도 힘은 두 배가 됩니다. 이는 모델상의 관계이며, 누설, 씰, 압력 구동 유동 및 형상 변화가 추가 저항을 만드는 완성된 댐퍼에서 반드시 같은 결과가 나타나는 것은 아닙니다.

로터리 댐퍼도 같은 물리 원리를 따르지만, 국부 표면 속도는 반경이 커질수록 증가합니다. 따라서 토크는 점도와 간극뿐 아니라 작동 표면의 반경 분포에도 좌우됩니다. 같은 양의 유체가 들어 있더라도 서로 다른 작동 형상에 배치되면 조립체별 발생 토크가 크게 달라질 수 있습니다.

압력 구동형 제한 유로는 단순 전단 간극과 다르게 작동합니다. 좁은 통로의 층류에서는 작은 치수 변화만으로도 압력 강하가 크게 달라질 수 있습니다. 관성, 입구 손실 또는 난류의 영향이 커지면 저항은 더 이상 점도에 정비례하지 않습니다. 따라서 통로 치수가 제대로 제어되지 않은 상태에서 더 점성이 높은 유체를 사용해 보정하면 조립체 간 결과가 일관되지 않을 수 있습니다.

온도에 따라 작동 점도가 달라집니다

실리콘 유체는 일반적으로 기존 광유보다 온도에 따른 점도 변화가 작지만, 온도가 올라가면 점도는 여전히 감소합니다. 설계에 필요한 입력값은 저온 시동과 반복 운동 중 도달하는 온도를 포함한 실제 작동 범위 전체의 점도입니다.

실온에서 한 번 측정한 값만으로는 해당 범위를 확인할 수 없습니다. 일반적인 열 안정성 설명보다 특정 등급의 점도–온도 데이터가 더 유용합니다. 화학적 안정성, 노화 중 점도 유지, 온도에 대한 즉각적인 점도 반응은 서로 다른 물성입니다.

직선 운동에서 감쇠로 소산되는 기계적 동력은 대략 힘과 속도의 곱입니다. 회전 운동에서는 토크와 각속도의 곱입니다. 이 에너지는 열로 변환됩니다. 따라서 짧은 실험실 스트로크 시험과 지속적인 사이클 시험은 같은 주변 온도에서 시작하더라도 서로 다른 저항을 나타낼 수 있습니다.

온도 조절 시 부품 내부의 유체도 포함해야 합니다. 챔버 공기가 설정 온도에 도달했다고 해서 내부 유체가 열평형에 도달한 것은 아닙니다. 특히 하우징이 크거나 단열 부품이 포함된 조립체에서는 그렇습니다.

측정된 저항이 점도에 비례하지 않게 되는 경우

변형되지 않은 PDMS 유체는 적절한 작동 조건에서 뉴턴 유체 근사로 유용하게 설명할 수 있습니다. 그래도 관련 전단 속도 범위에서 이를 검증해야 합니다. 단순 간극에서 전단 속도는 대략 표면 속도를 간극으로 나눈 값입니다. 따라서 매우 좁은 간극에서 적당한 속도로 움직이는 경우에도 개방된 용기 안에서 빠르게 움직이는 것보다 훨씬 높은 전단 속도가 발생할 수 있습니다.

재료에 충전제, 증점제 또는 기타 개질제가 포함되어 있다면 단일 점도 측정값만으로는 충분한 정보를 얻기 어렵습니다. 전단 의존 거동을 확인하려면 유동 곡선과 정의된 측정 절차가 필요합니다. 과도한 전단 또는 온도 노출로 응답이 달라질 수도 있으므로 저전단 점도 측정값을 무한히 외삽하는 것은 신뢰할 수 없습니다.

씰 마찰은 또 다른 구분을 필요로 합니다. 초기 이탈력이 높다가 움직이는 동안 저항이 낮아지는 경우 정지 마찰이나 씰의 점착 현상일 가능성이 큽니다. 유체 점도를 높이면 점성 저항은 커지지만 초기 고착이 반드시 해결되는 것은 아닙니다. 여러 속도에서 저항을 기록하면 이러한 효과를 구분하는 데 도움이 됩니다. 속도와 관계없이 거의 일정한 저항은 마찰을 시사하고, 속도에 따라 증가하는 저항은 점성 감쇠와 일치합니다.

공기는 다른 양상의 문제를 일으킵니다. 혼입된 기포는 압축성을 높여 저항 발생을 지연시키고, 스프링처럼 움직이거나 방향 전환 후 불규칙하게 반응하게 할 수 있습니다. 유체 재공급이 제한되면 빠른 움직임 중 국부적인 캐비테이션이 발생할 수도 있습니다. 이러한 현상에는 충전, 배기, 압력 및 유로 설계를 점검해야 하며, 점도만 바꾸어서는 원인을 파악할 수 없습니다.

감쇠 안정성은 재료 호환성에 좌우됩니다

유체는 씰, 플라스틱, 코팅, 접착제 및 잔류 공정 재료와 계속 호환되어야 합니다. 내화학성 표는 사전 검토에 유용하지만, 사용 조건에 따른 노출 중 치수, 기계적 강도 및 밀봉 성능이 유지되는지는 조립체 시험으로 확인해야 합니다.

실리콘 엘라스토머는 특히 주의해야 합니다. 일부 실리콘 유체는 이를 팽윤시킬 수 있습니다. 호환성은 엘라스토머의 배합, 경화 시스템, 온도 및 노출 시간에 따라서도 달라집니다. 일반적인 재료명만으로는 적절한 씰 조합임을 입증하기에 충분하지 않습니다.

표면 장력이 낮은 실리콘 유체는 작은 틈과 표면에 퍼질 수 있습니다. 짧은 시험 중에는 충분히 밀봉된 것처럼 보여도 장기 보관이나 반복적인 열 사이클 중에 이동할 수 있습니다. 샤프트나 하우징 접합부에서 오일이 확인되면 점도와 함께 밀봉 경로 및 압력 조건도 조사해야 합니다.

대체 물질이나 오염을 평가할 때는 화학적 정체성이 중요합니다.2-Ethyl-1,3-hexanediol CAS#94-96-2은 화학 합성 및 추출을 비롯한 분야에 사용되는 유기 디올이며 PDMS와 화학적으로 다른 물질입니다. 밀도, 액체 외관 또는 끓는점 범위만으로는 실리콘 충전 조립체와 동등한 감쇠 성능이나 호환성을 입증할 수 없습니다. 대체하려면 해당 적용 분야에 맞는 근거가 필요합니다.

등급 비교에 의미를 부여하는 측정

점도 측정 결과에는 방법, 온도, 단위 및 허용 범위가 명시되어야 합니다. 보정된 모세관 측정은 제어된 유동 거동으로 동점도를 측정합니다. 회전식 측정은 가해진 운동과 저항 토크의 관계로 점도를 측정합니다. 측정에는 적절한 기기, 온도 제어 및 유체에 맞는 절차가 필요합니다. 측정 조건을 고려하지 않고 서로 다른 방법의 결과를 상호 대체 가능한 값으로 취급해서는 안 됩니다.

온도에 민감한 비교를 하려면 시료가 열평형에 도달할 충분한 시간이 필요합니다. 기포, 오염 및 취급 이력으로 인해 공칭 등급의 차이로 오인할 수 있는 편차가 생길 수 있습니다. 보관된 기준 시료는 재료 변화와 측정 장비의 드리프트를 구분하는 데 도움이 됩니다.

그런 다음 조립체 시험으로 실험실에서 측정한 물성을 의도한 운동과 연결해야 합니다.

1. 기계적 응답을 정의합니다. 지정된 회전 속도에서의 저항 토크, 지정된 직선 속도에서의 힘, 또는 제어된 하중에서의 이동 시간 등을 정합니다.
2. 반복 가능한 충전 조건을 설정합니다. 유체량, 헤드스페이스, 기포 제거 및 조립체 방향은 결과에 영향을 미치며, 특히 유로가 유체에 잠겨 있어야 하는 경우 중요합니다.
3. 요구되는 온도 및 속도 범위 전체에서 측정합니다. 사용 중 시동 동작과 지속적인 사이클이 모두 발생한다면 두 조건을 모두 포함합니다.
4. 관련 사이클 및 보관 조건에 노출한 후 기준 측정을 반복하고 유체 손실이나 접촉 재료의 변화를 검사합니다.

이동 시간만으로는 변화의 원인을 파악하기 어려울 수 있습니다. 예를 들어 스프링 구동 메커니즘은 스프링 토크, 마찰 및 유체 저항이 함께 작용합니다. 닫힘 시간이 길어진 것은 점도 증가, 구동 토크 감소 또는 씰 마찰 증가 때문일 수 있습니다. 운동과 함께 토크나 힘을 기록하면 비교 결과를 더 명확하게 해석할 수 있습니다.

점도를 바꿀지 형상을 바꿀지 결정하기

요구 작동 범위 전체에서 저항이 일관되게 너무 낮고 메커니즘이 점성 유동의 영향을 주로 받는다면, 더 높은 점도 등급을 개발 변수로 검토할 수 있습니다. 이때는 기준 온도에서의 공칭 cSt 값뿐 아니라 각 작동 온도에서의 점도를 사용해 비교해야 합니다.

저온 저항이 이미 지나치게 크면서 고온 저항은 부족하다면 기준 점도를 높일 경우 저온 상태가 더 악화됩니다. 이러한 양상이라면 유체의 점도–온도 곡선과 메커니즘의 온도 응답을 살펴봐야 합니다. 초기 운동에만 저항이 크다면 씰 마찰을 우선적으로 의심할 수 있습니다. 공칭상 동일한 조립체 간 편차가 크다면 다른 등급을 선택하기 전에 간극, 충전 상태 및 누설을 조사해야 합니다.

따라서 디메티콘 1000 cSt에 대한 타당한 사양은 정의된 유체 허용 범위와 조립체 성능 요건을 함께 제시해야 합니다. 도면과 시험 절차에는 관련 형상, 충전 조건, 온도, 운동 및 허용 저항을 규정해야 합니다. 이렇게 하면 동일한 기능 요건을 기준으로 유체 배치나 부품 치수의 변화를 측정할 수 있습니다.