우레매조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 고무의 첨가를 통한 연질 폴리우레탄 폼의 물성 향상

영문 : Improvement of physical properties of flexible polyurethane foams by adding rubber fillers

과제 팀명

우레매조

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 백**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 서**

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 안**

서울시립대학교 화학공학과 20113400** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 폴리우레탄 폼 합성에 사용할 수 있는 고무 필러 선정

◇ 고무 필러의 함량에 따른 폴리우레탄 폼의 합성 진행

◇ 합성된 폴리우레탄 폼의 흡음 계수 및 안락 특성 측정 진행

개발 과제의 배경

<배경>

◇ 차량 소음은 탑승자의 승차감을 감소시킬 뿐만 아니라 주변에 불쾌감을 유발한다. 이에 따라 높은 성능을 가진 흡음재의 필요성이 대두되고 있다.

◇ 가벼운 무게, 뛰어난 성형성 등의 장점이 있는 폴리우레탄 폼(polyurethane foam)은 건물의 내장재, 단열재, 차량용 시트재, 흡음재 등 다양한 분야에서 활용된다.

◇ 그중 연질 폴리우레탄 폼(flexible polyurethane foam)은 다공성 내부 구조로 인해 흡음 성능이 뛰어나다. 따라서, 차량용 흡음재로 가장 많이 사용되고 있으며, 흡음 성능 향상에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

◇ 폴리우레탄 폼의 흡음 성능은 내부 형태학(morphology)의 영향을 받는다. 필러(filler)를 폴리우레탄 폼 합성에 첨가하면 폴리우레탄 고분자 사슬과 필러간의 상호작용을 통해 폴리우레탄 폼의 형태학에 변화를 줄 수 있고, 흡음 성능을 증가시킬 수 있다.

◇ 폴리우레탄 폼 합성에 사용되는 필러는 크게 두 가지로 금속을 함유한 무기 필러(Talc, Zinc borate, Aluminum hydroxide 등)와 유기 필러(대나무 잎, 쌀겨 등)가 있다. 하지만, 흡음 성능 향상에 관한 연구 중 고무를 필러로 사용한 연구는 없었다. 따라서, 본 연구는 고무를 필러로 첨가하여 폴리우레탄 폼의 흡음 성능 향상을 목표로 한다.

<효과>

◇ 고무 필러의 첨가는 폴리우레탄 폼의 감쇄 효과(damping effect) 증가를 통해 흡음 성능을 증가시킬 것으로 예측된다. 따라서, 고무 필러의 첨가를 통해 고성능의 폴리우레탄 폼 흡음재를 생산하여 차량의 소음 문제 해결 및 승차감 향상에 기여할 수 있다.

◇ 고무는 일반적으로 폴리우레탄 폼에 비해 압축 강도(compressive strength)와 인장 강도(tensile strength)가 높다. 따라서, 고무 필러의 첨가를 통해 뛰어난 내구성(durability)의 폴리우레탄 폼 흡음재를 생산할 수 있다.

◇ 다량의 고무가 무분별하게 버려져 토양 오염 및 해양 오염 등 다양한 환경오염을 초래하고 있다. 본 연구를 통해 고무가 필러로 적합함을 밝히면 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.

◇ 필러를 첨가하면 더 적은 원료의 사용으로 기존과 동일한 흡음 성능의 폴리우레탄 폼을 생산할 수 있다. 따라서, 차량의 경량화를 통한 연비 절감 및 이산화탄소 배출 감소 효과를 기대할 수 있다.

◇ 이외에도 건물 내장 흡음재 및 방음 부스의 흡음재료 활용하여 소음으로 인한 사회적 문제 해결을 기대할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 연구에서는 고무 필러의 첨가로 기존보다 뛰어난 흡음 성능을 가진 폴리우레탄 폼을 합성을 목표로 하였으며 세부 목표는 다음과 같다.

◇ 최대 흡음 계수 0.9 이상 달성 흡음 계수는 샘플 내부로 입사한 음파의 에너지와 샘플이 흡수한 음파의 에너지의 비로 정의된다. 흡음 계수는 흡음 성능을 나타내는 가장 대표적인 지표이다. 고성능의 폴리우레탄 폼 흡음재는 대부분 최대 흡음 계수가 0.9를 넘었다. 따라서, 본 연구에서도 최대 흡음 계수 0.9 이상을 목표로 설정하였다.

◇ Noise reduction coefficient 0.3 이상 달성 Noise reduction coefficient(NRC)는 250, 500, 1000, 2000Hz 네 주파수에서의 흡음 계수를 평균 낸 값으로 저음역에서의 폴리우레탄 폼의 흡음 성능을 나타낸다. 폴리우레탄 폼은 상대적으로 저음역(0-2000Hz)에서의 흡음 계수가 고음역(2000~6300Hz)에서의 흡음 계수보다 낮다. 고성능 폴리우레탄 폼 흡음재는 저음역에서도 높은 흡음 성능을 가져야 한다. 따라서, 본 연구에서는 NRC 0.3 이상을 목표로 설정하였다.

◇ 겉보기 밀도 70 kg/m3 이하 달성 폴리우레탄 폼 흡음재는 dash isolation pad, insulation hood 등 차량의 다양한 곳에 사용된다. 저밀도의 폴리우레탄 폼 흡음재를 사용하면 차량의 경량화를 통해 연비 절감 및 이에 따른 이산화탄소 배출량 감소 효과를 기대할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 겉보기 밀도 70 kg/m3 이하를 목표로 하였다.

◇ 압축 강도 10kPa 이상 달성 압축 강도는 재료의 내구성을 나타내는 지표 중 하나이다. 장기간 사용을 위해서 폴리우레탄 폼 흡음재는 높은 압축 강도를 지녀야 한다. 따라서, 본 연구에서는 압축 강도 10kPa을 목표로 설정하였다.

◇ 백승환, 서주원 : 10월 1주 차까지 폴리우레탄 폼 합성을 진행한다. 10월 2주 차에는 흡음 계수 및 압축 강도 측정을 위한 샘플을 제작한다.

◇ 안흥환, 김희재 : 앞서 백승환, 서주원이 합성한 폴리우레탄 폼에 대해 10월 1, 2주 차에 주사 전자 현미경 분석을 진행한다. 분석한 이미지를 image pro 소프트웨어를 활용해 cell의 크기 및 pore의 크기 등 다양한 형태학 데이터를 수집한다. 10월 3, 4주 차에는 흡음 계수 측정을 진행한다.

◇ 백승환, 서주원, 안흥환, 김희재: 3, 4주차에 모든 인원이 모여 그동안 얻은 흡음 계수 및 형태학 데이터의 상관관계에 대해 분석한다. 또한, 10월 28일에 있을 중간발표에 대비해 피피티 자료 준비 및 발표 연습을 진행한다.

◇ 백승환, 서주원 : 11월 1, 2주 차에 중간발표에서 피드백 받은 사항 및 부족한 부분을 보완하기 위한 추가적인 실험을 진행한다. 11월 3주 차에 흡음 계수 및 압축 강도 측정을 위한 샘플을 제작하고 11월 4주 차에 흡음 계수 측정을 진행한다.

◇ 안흥환, 김희재 : 10월 2주 차에 만들어 놓은 샘플에 대하여 11월 1주 차에 압축 강도 측정을 진행한다. 11월 2, 3주 차에 주사 전자 현미경을 통해 얻은 이미지를 image pro 소프트웨어를 활용해 형태학 데이터를 수집한다. 11월 4주 차에 압축 강도 측정을 진행한다.