우랑우탄조
2019 CE
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 다양한 분자구조의 가교제를 이용한 연질 폴리우레탄 폼의 안락 특성 연구..
영문 : Comfort properties of flexible polyurethane foams as a function with the various molecular structure of crosslinker..
과제 팀명
우랑우탄
지도교수
김정현 교수님
개발기간
2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20143400** 최**(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20143400** 안**
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 윤**
서울시립대학교 화학공학과 20143400** 황**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 기존에 사용되는 가교제 종류 4종류와 사용되지는 않는 3종류의 가교제를 선정 ◇ 선정된 가교제를 이용하여 폴리우레탄 폼 합성 ◇ 7종류의 가교제 중 3종류 가교제를 선정하여 폴리우레탄 폼 함량 실험 진행 ◇ 가교제 함량에 따른 폴리우레탄 폼의 안락 특성 측정
개발 과제의 배경
◇ 폴리우레탄 폼은 항공기, 가구, 자동차 등 다양한 분야에서 쿠션재로 사용되고 있으며, 이에 따라 안락 특성에 대한 연구가 광범위하게 이루어지고 있다. ◇ 그 중, 자동차용 쿠션재로 사용되는 연질 폴리우레탄 폼은 열린 셀 구조(open cell structure)로 높은 통기성을 가져, 우수한 안락감을 보인다. 하지만 차량의 안락감에 대한 소비자의 요구가 증대됨에 따라서 더 높은 안락 특성이 요구된다. ◇ 현재 안락 특성을 증대시키기 위한 많은 연구가 선행되어 왔으며, 이러한 선행 연구들은 크게 원료 의 배합비, 분자구조를 변형시키는 방법과 충진재 투입 방법으로 나뉜다. ◇ 쿠션재로 이용되는 폴리우레탄 폼에서는 충진재를 첨가하게 되면 폼의 강도는 증가하지만, 폼의 Flexibility가 저하되기 때문에 일정 강도를 유지하면서 Flexibility를 향상시킬 수 있는 원료를 첨가하는 방법이 많이 사용되고 있다. ◇ 사용되는 원료로는 폴리올, 이소시아네이트, 촉매, 정포제, 발포제, 가교제가 있고, NCO index 와 폴리올의 종류와 혼합비에 따른 연구가 많이 진행되어 있다. 가교제에 관련된 연구개발도 진행되었지만 단순한 물성 값의 관한 연구개발만 진행되었다. ◇ 본 개발 과제에서는 기존에 사용되는 가교제와 기존에 사용되지 않는 가교제를 선정하였다. 또한, 분자구조적인 관점으로 안락 특성 향상을 기대할 수 있는 가교제를 위주로 선정하였고, 분자구조가 다른 가교제가 안락 특성에 미치는 영향을 연구하였다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 시트 패드용 연질 폴리우레탄 폼에서 중요시 평가되는 물리적 특성 값은 밀도(≒경도), Hysteresis loss, Sag factor가 있으며, 이 세 가지 물성 값은 각각이 독립적이지 않고 세 가지 모두 서로 영향을 주는 상관관계에 있다. 따라서 본 개발 과제의 최종 목표는 세 가지 물성 값을 동시에 향상시키는 것으로 우수한 안락 특성을 갖는 시트 패드용 연질 폴리우레탄 제작이다. ◇ 최저 Hysteresis loss 16% 이하 , 최고 Sag factor 3.3 이상 ◇ 겉보기 밀도 70 kg/m3 ◇ 영구압축줄음률 10% 이하
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
◇ 연질 폴리우레탄 폼은 양호한 쿠션성, 기계적 강도가 좋고 Open cell구조[그림 1]를 가짐으로써 통기성이 좋고 배합처방에 따른 광범위한 물성을 조절할 수 있다. 연질폼 중 가장 많은 부분을 차지하는 자동차용 시트패드는 슬라브 폼을 절단한 제품, 칩 몰드폼, 성형 몰드폼의 형태로 사용되고 있다.
[그림 1] 연질폴리우레탄의 Cell 구조
◇ 현재는 대부분 몰드 성형제품(그림. 2)이 주류를 이루고 있고, 국내에서는 몰드 성형품도 Hot Cure 폼에서 Cold Cure 폼으로 거의 바뀌어졌다. 최근에 연구결과와 시행착오 결과 원료 시스템이 TDI계로부터 T/M, M/T를 거쳐 거의 ALL MDI계로 변경되고 있다. 이는 TDI계에 비해 MDI계가 경도발현성이 우수하고 원료 손실이 적으며 소모비용이 낮기 때문이다. 향후, 개발동향은 시트패드의 승차감, 내구성에 초점이 맞추어져 있으며, 이것과 관련된 시트의 성능은 시트패드의 성능과 시트 전체의 설계에 따라서 달라진다고 생각한다. 구체적인 시트패드의 요구물성은 각 분야의 설계 방법에 따라 다르기 때문에 이것에 대응하기 위하여 시트패드용 원료 시스템 및 가공 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다.
[그림 2] 폴리우레탄 Cold Cure 폼 몰드
◇ 연질 폴리우레탄 폼의 용도는 크게 운송, 가구 및 포장재료 분야로 나누어지며, 각각의 비율은 약 운송 42%, 가구 47% 및 포장, 기타 11% 정도이다. 연질 폴리우레탄 폼의 용도 중 운송 분야에서는 주로 MDI계 이소시아네이트를 사용하며, 가구 및 포장재료 분야에서는 TDI계 이소시아네이트를 사용한 제품이 이용되고 있다. 연질 폴리우레탄 폼은 전체 폴리우레탄 폼의 약 60%를 차지하며, 전체 폴리우레탄 제품의 30%에 달하는 수요를 가지고 있다.
◇ 국내에서는 자동차 시트쿠션 제조용으로 Cold Cure Mold Foam이 지배적이지만 이 폼들은 높은 수치의 Closed Cell (닫힌셀)이 존재하기 때문에 큰 어려움을 겪고 있다. 이러한 셀은 기계적인 Crushing이나 진공 Crushing등과 같은 방법으로 쉽게 오픈될 수 있지만 결국은 추가적인 제조설비와 시간이 필요하고 물성도 불량해질 수 있다. (Crushing : 몰드에서 제품을 꺼낼 때 폼 내부의 닫힌 셀의 존재로 인해 인공적으로 폼 내부의 닫힌 셀을 깨뜨려 오픈시키는 공정). Cold Cure Mold Foam은 우수한 제품을 얻을 수 있는 반면에 오픈된 폼을 얻기 위해서는 추가적인 Crushing공정이 필요하다는 단점이 있어 왔다. 이러한 추가적인 공정은 종종 시트패드에서 수축이나 크랙과 같은 불량현상을 초래할 수 있으며, 설비, 전력 및 인력 등의 Cost 증가도 가져오고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 Crushing공정을 하지 않는 Cold Cure Mold Foam의 새로운 기술을 현대자동차와 금호미쓰이화학이 공동으로 개발하였으며 생산라인에 적용되고 있다. 이 폼은 더 이상 Crushing이 필요 없으며 폼 물성 및 생산성도 크게 향상시킬 수 있다. Non-Crushing Foam System은 동적피로시험에 의한 폼 내구성, 신율, 인장강도와 같은 물성 등이 종전의 일반적인 폼System보다 크게 향상된다.
[그림 3] Hysteresis curve와 연질 폴리우레탄 폼의 압축시 폼 형태 개략도
◇ 기존 기술과 연구 결과들은 [그림 3]과 같은 hysteresis curve에서 추출되는 comfort property를 향상시키기 위한 직접적인 실험보다는 어떻게 판단하고 계산할지 측정법에 관한 논문들이 많았다. 국내에서는 폴리우레탄 폼의 비선형 특성과 점탄성 특성을 수학적으로 모델링하고, 이것이 진동계에 미치는 영향을 인체모델을 이용하여 분석하였으며, 이를 통해 설계 파라미터로 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성이 고려되어야 한다고 주장한 연구 결과가 존재한다. 또한, 장시간 힘이 가해진 시트의 점탄성 변형 및 지지력 변화를 예측하기 위한 수치해석 프로세스를 제안한 연구논문도 존재한다. 실험논문으로는 현대자동차 연구팀에서 NCO index와 물 함량을 조절한 것이 존재한다. NCO index와 물 함량이 올라갈수록 밀도와 hysteresis loss는 증가하나, sag factor가 감소하는 경향을 보였다. 더불어, 폴리우레탄 폼의 두께를 조절하여 comfort property 특성을 비교한 연구가 있으며, soybean polyol 혹은 SAN기가 존재하는 polyol을 혼합하여 물성을 향상시킨 것도 존재한다. 차량의 안락함을 높이기 위해, 미국의 포드자동차는 친환경적인 소재인 콩을 이용한 발포 고무(Soy Foam)로 시트를 제작해 이산화탄소 배출량을 낮추고 제작원가도 낮추어 차량에 적용하였으며, Johnson Controls 사는 침대 매트리스에 쓰이는 포켓 코일 스프링을 자동차 시트에 적용시키기도 하였다.
◇ 선행연구로 각 polyol의 함량을 조절하여 comfort property를 변화시켰다. Base polyol은 분자량이 클수록 탄소사슬이 유연하여 탄성이 강해지나 변형이 일어나기도 쉬워, 정적특성과 동적특성은 향상하고 내구성은 악화하였다. 또한, copolymer polyol은 분자에 존재하는 SAN기 (styrene, acrylonitrile)가 polyol 자체의 강도를 높여주어 폴리우레탄 폼의 내구성은 향상시켰으나, 기존 탄소 사슬의 유연성을 저하시켜 그 외의 특성들이 약화되었다. Cell opener는 합성 시에 ethylene oxide 함량이 더 높게 들어가, propyloene oxide의 함량이 더 높은 base polyol보다 더 유연해, 함량이 늘어날수록 정적특성은 개선되지만 경도가 약해지는 경향을 보인다. 또한, 산소 원자의 수소결합으로 인해 초기 반응속도가 느려, 함량이 5 pphp를 넘어가면 cell의 크기가 과하게 커져, 시트재로 활용이 불가능하게 된다. 더불어, surfactant의 함량이 높을수록 내부 cell이 고르게 분포하여 comfort property가 전체적으로 향상하나, 점도가 높은 surfactant를 사용하는 경우 몰드에서 탈형한 폴리우레탄 폼이 수축해버려 시트로 이용하기 어렵다는 점을 확인하였다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 정숙한 환경은 운전자의 스트레스를 줄여 쾌적한 주행 환경을 형성한다. ◇ 차체에서 발생하여 인체에 전달되는 진동을 폴리우레탄폼이 효과적으로 흡수한다면, 진동으로 인체에 가해지는 부담을 줄임은 물론 승차감을 향상시킨다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 승차감 향상을 통해 산업경쟁력을 확보할 수 있으며, 향상된 성능에 낮아진 밀도는 차량 경량화에도 일조하므로, 개발된 폴리우레탄 폼을 적용한 차량은 높은 연비 효율을 달성할 수 있다. ◇ 폴리우레탄 폼의 안락 특성은 내부 형태학에 영향을 받기 때문에, 배합 원료의 종류와 그 비율에 따라 그 성능이 좌우된다. 본 개발과제에서 적용한 가교제의 함량 연구가 충분히 진행된다면, 그 데이터베이스를 기반으로 개발이 진행되기 때문에 반복적인 실험 및 시행착오에 의한 개발 시간을 최 소화할 수 있다. ◇ 신체를 올바른 시트에 맡겨 착석하는 것만으로 차량에 대한 머리의 움직임이 억제되고 그에 따라 시선이 안정됨으로써 운전 편의성과 쾌적성이 향상된다. 또한 시트가 편안하면 운전이 안정적이고 장시간 승차 시에도 피로감을 줄여 사고가 발생할 가능성이 낮아진다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 주제 선정 후 계획을 수립하여, 이를 바탕으로 구체적인 자료조사를 진행한다. ◇ 국제표준조사를 통해 달성 목적을 결정하고 용도에 따라 요구되는 물성을 정리하여 개선해야할 점을 집중적으로 검토한다. ◇ 주제에 맞는 실험 재료 처방을 작성하여 밀도 안정화와 폼의 안정성을 위하여 예비실험을 진행한다. ◇ 밀도가 안정한 값을 띄게 되면 본 실험을 진행한 후, UTM을 이용하여 1차적으로 물성 변화를 측정한다. 예측한 부분과 일치하는 정도를 판단하여 2차적으로 가교제를 선정하여 함량에 변화를 주어 추가실험을 진행한다. ◇ 2차 실험을 통해 UTM을 통해 기초 물성을 측정하여, 팀원과 토의 후 일정한 경향성이 보이고 예측과 동일하다면 SEM과 DMA를 이용하여 폼 내부형태학과 동적 열적 물성을 측정하고 분석한다. ◇ 마지막으로 전체적인 실험 결과를 종합하여 팀원 간 토의를 통해 결론을 도출한다.
설계
개념설계안
이론적 계산 및 시뮬레이션
[그림4] 3차원적 폴리우레탄 폼 형태학 분석법
◇SEM 이미지 분석 프로그램으로 폴리우레탄 폼의 내부형태학을 분석하고, 이를 comfort property 평가항목들을 뒷받침하는 자료로 사용했다. 추가적으로 [그림 5]와 같이 2차원적인 형태학 이미지를 3차원으로 보정하여 실제 값과 최대한 유사한 값을 도출하였다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
[그림5] 가교제 1wt%를 첨가하였을때 SEM 이미지 (a) non-crosslinker (b) diethanolamine (c) diethylenetriamine (d) bis(hexamethylene)triamine
포스터
완료작품의 평가
향후계획
◇연구용 mold와 실제 시트를 찍어내는 mold는 두께와 모양이 다름. 양산을 위한 적용을 위해서는 mold 주입 시 혼합물의 흐름성, 공정상의 안정성, 실제 시트에 적용했을 시의 성능을 확인해 보아야 함. 이번 연구에서는 시제품 생성단계까지만 확인하였으므로, 추가연구를 통해 제품화 가능성에 대해 확인해보고자 함. ◇본 연구에서 목표하는 물성을 달성하였으므로, 경량화라는 주제를 목표로 첨가제를 혼합하여 밀도를 유지시키는 동시에 두께를 조절하는 것을 고려해볼수 있음.
특허 출원 내용
특허 출원 준비중
