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2019년 12월 9일 (월) 04:57 기준 최신판
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.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ 자동차에서 발생하는 대표적인 소음으로는 엔진소음, 바람 소리, 도로와의 마찰에 의한 소리가 있다. 자동차의 이러한 소음을 제거하고자 많은 흡음재가 개발되고 있다. 흡음 성능을 향상하는 방법으로는 기본 처방에 변화를 주는 방법과 필러를 투입하는 방법이 있으며 최근에는 필러를 투입하는 쪽으로 연구가 더 많이 진행되고 있다. 또한, 환경오염 문제가 대두되면서 폴리우레탄 폼 시장에서도 환경오염 저감을 위한 연구가 진행되고 있다.
◇ Y. Wang이 2013년에 발표한 논문 ‘Influences of rice hull in polyurethane foam on its sound absorption characteristics’ 에서는 쌀겨를 필러로 사용하여 폴리우레탄 폼의 흡음 성능 향상을 보고하였다.
◇ G. Sung이 2016년 발표한 논문 ‘Influence of filler surface characteristics on morphological, physical, acoustic properties of polyurethane composite foams filled with inorganic fillers‘에서는 talc, zinc borate, aluminum hydroxide와 같은 무기 필러를 사용하여 폴리우레탄 폼의 흡음 성능 향상을 보고하였다. 이 논문에서는 필러와 폴리우레탄 분자 사슬 간의 상호작용을 필러의 wettability 차이로 규명하였고, 연구 결과에 따르면 wettability가 낮은 필러가 높은 필러보다 흡음 성능 향상의 효율이 더 높았다.
◇ H. Choe이 2018년에 발표한 논문 ‘Chemical treatment of wood fibers to enhance the sound absorption coefficient of flexible polyurethane composite foams’ 에서는 목분을 필러로 사용하여 폴리우레탄 폼의 흡음 성능 향상을 보고하였다. 이 논문에서는 NaOH 및 siloxane 용액으로 목분을 표면 처리하여 흡음 성능 향상의 효율을 높였다. 또한, 매트랩 모델링을 통해 폴리우레탄 폼의 흡음 성능과 형태학 간의 상관관계를 규명하였다.
◇ S. Chen이 2018년에 발표한 논문 ‘The acoustic property study of polyurethane foam with addition of bamboo leaves particles’ 에서는 대나무 잎, 줄기를 필러로 사용하여 폴리우레탄 폼의 흡음 성능 향상을 보고하였다. 대나무 잎줄기가 첨가된 폴리우레탄 폼은 저음역에서 높은 흡음 성능을 보였으며, 특히 대나무 잎이 6 wt % 첨가된 폴리우레탄 폼은 NRC 값이 0.714였다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 황토 폴리우레탄 폼의 제조 방법 본 발명은 폴리우레탄 폼에 한국산 다공질의 건조 황토를 도입하여 다공질의 구조를 이용한 흡음 기능의 향상과 고밀도의 중량에 의한 흡음 기능의 향상을 도모하고 한국산 황토의 원적선 발생의 고유 특성을 이용하여 신체접촉용 폴리우레탄 폼과 실내 구조물용 폴리우레탄 폼에 적용하여 종래보다 향상된 기능을 제공함에 있다.
◇ 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재와 그 제조 방법 본 발명은 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재와 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반 경질 발포 우레탄 폼에 첨가되는 난연성 충전재의 일부를 탄소나노튜브로 대체하여 첨가함으로써 폼의 셀 구조를 균일하게 유지하면서 셀의 오픈(open)율을 증가시켜서 자동차용 흡음재로 사용하는 경우 우수한 난연성을 유지하면서도 흡 차음성이 우수한 자동차용 흡음재와 그 제조 방법에 관한 것이다.
◇ 자동차의 인슐레이션용 폴리우레탄 폼 시트의 제조 방법, 인슐레이션 제조 방법 및 그 인슐레이션 본 발명은 자동차의 후드나 대시 패널 등에 장착하는 인슐레이션의 기재로 많이 사용하는 폴리우레탄 폼 시트에 탄소나노튜브를 첨가하여 제작함으로써, 발포 폴리우레탄 폼의 셀 구조를 변경하여 그 중량의 증가를 최소화(레진 펠트나 글래스 울 대비 경량화)하면서도 1,200Hz 이상의 중고주파 대역에서 NVH 성능을 향상할 수 있게 한 자동차의 인슐레이션용 폴리우레탄 폼 시트의 제조 방법 · 인슐레이션 제조 방법 및 인슐레이션을 제공하는 데 그 목적이 있다. 특히, 본 발명은 기존의 폴리우레탄 폼 시트를 제작하는 것과 공정상의 큰 변화 없이 원액에 탄소나노튜브만 첨가하는 공정을 통해 흡음 성능이 우수한 자동차의 인슐레이션용 폴리우레탄 폼 시트의 제조 방법 · 인슐레이션 제조 방법 및 인슐레이션을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
◇ 흡음성능이 향상된 흡음재용 폴리우레탄 폼의 제조방법 본 발명은 기존의 폴리우레탄 폼 흡음재보다 공기전달 소음에 대해 높은 흡음률을 가지는 흡음재용 폴리우레탄 폼에 관한 것이다. 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼은, 수산화마그네슘 또는 수산화알루미늄을 필러로 사용하여 기존의 폴리우레탄 폼 흡음재보다 더 우수한 흡음 성능을 가지고, 더욱 증가한 압축강도, 난연성 등을 확보할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼은 고음역에서 흡음률이 우수하여 자동차 소음 중 고음역에서 가장 큰 비중을 차지하는 공기전달 소음을 잘 제어할 수 있다는 장점이 있다.
◇ 나노시스템 응용 연구실에서는 현대자동차 NGV와의 협업을 통해 폴리우레탄 폼 흡음재 합성에 대한 방대한 데이터베이스를 구축하고 있다. 이를 활용해 폴리우레탄 폼 합성을 위한 기본 처방을 작성한다. 기본 처방에 고무 필러를 종류 및 함량별로 첨가하여 폴리우레탄 폼을 합성하고 최고의 흡음 성능을 보이는 고무와 함량을 찾는다.
◇ 나노시스템 응용 연구실에서 취득한 특허 자료를 통해 폴리우레탄 폼 합성 방법, 필러의 표면 처리 공정 등을 참고하여 연구를 진행한다. 또한, 취득이 거절된 특허들을 조사하여 해당 특허들의 단점을 보완하는 방향으로 연구를 진행한다.
◇ 국내⦁외 특허 자료를 조사해 본 결과 고무를 필러로 사용한 폴리우레탄 폼의 합성 방법 및 대량 생산에 관한 특허는 없었다. 따라서, 큰 경쟁자 없이 특허 취득을 할 수 있을 것으로 예측된다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 차량의 NVH(Noise Vibration Harshness)문제 개선을 통한 안락감 향상 NVH 문제는 차량의 승차감 및 안락감과 직결되어 있다. 안락감은 크게 정적 안락감과 동적 안락감으로 구분할 수 있다. 동적 안락감은 차량의 주행 중 인체로 전달되는 소음과 관련이 있다. 연구·개발을 통해 폴리우레탄 폼의 흡음 성능을 향상하면 NVH 문제를 개선해 차량의 동적 안락감을 향상할 수 있다.
◇ 차량의 경량화를 통한 차량의 연비 향상 및 이산화탄소 배출량 감소 차량의 중량이 무거울수록 연비가 낮아지고 이산화탄소의 배출량 또한 증가하기 때문에 차량의 경량화는 매우 중요한 문제이다. 폴리우레탄 폼은 밀도가 낮아 흡음재로 사용하면 단순 흡음뿐만 아니라 차량의 경량화를 할 수 있어 차량의 연비 향상 및 이산화탄소 배출량을 감소할 수 있다.
◇ 연구를 통해 구축한 데이터 활용을 통한 후속 연구 진행 본 연구를 통해 구축한 고무 종류에 따른 연질 폴리우레탄 폼의 흡음 특성 데이터를 향후 진행될 연구에 적용할 수 있으며 더 뛰어난 성능의 흡음재 생산에 기여할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 폴리우레탄 시장 주도를 통한 경제적 이득 Zion Market Research의 시장보고서에 따르면 폴리우레탄 시장은 연평균 7.4%로 성장하여 2020년 770억 달러(약 87조 원) 규모에 달할 것으로 전망된다. 또한, 일본의 후지 경제 연구소는 2020년 폴리우레탄의 시장 규모가 11조 3425억 엔(약 116조 원)에 달할 것으로 예측한다. 따라서 기술 혁신을 통해 폴리우레탄 시장을 선점 및 주도해 나가면 막대한 경제적 이득을 얻을 수 있다.
◇ 폴리우레탄 폼의 가격 경쟁력 본 연구를 통해 고무가 필러로써 적합하다는 것을 규명하면, 폐고무를 수거하여 필러로 사용해 폴리우레탄 폼 흡음재의 생산 단가를 낮춰 가격 경쟁력을 확보할 수 있다. 또한, 해마다 성장하고 있는 폴리우레탄 시장에서 유리한 위치를 선점할 수 있다.
◇ 환경개선 폐합성수지와 폐고무가 전주 소각장에서만 하루 3500톤가량 소각되고 있다. 이러한 실정은 환경오염에 대한 심각한 문제를 초래하며, 자원 재활용의 필요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 폐고무를 필러로 사용하여 폴리우레탄 폼의 흡음 성능을 증가시키는 동시에 환경오염을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 백승환, 서주원, 안흥환, 김희재: 1, 2주 차에 모든 인원이 모여서 연구주제 설정 및 설계를 진행한다. 시중에서 얻을 수 있는 고무를 조사하고 이들의 특성에 대해 알아본다.
◇ 백승환, 서주원 : 선정한 고무 필러를 사용하여 3, 4주 차에 폴리우레탄 폼 합성을 진행한다. 실험을 진행하여 흡음 성능이 최대가 되는 필러의 함량을 찾는 것을 목표로 한다.
◇ 안흥환, 김희재 : 폴리우레탄 폼 합성이 진행되는 동안 추가로 논문을 정독하며 폴리우레탄 폼 흡음재에 대한 정보를 습득한다.
◇ 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.
◇ 백승환, 서주원, 안흥환, 김희재: 모든 인원이 모여 그동안 얻은 흡음 계수 및 형태학 데이터의 상관관계에 대해 분석한다. 또한, 포스터 발표 및 최종 발표를 대비해 발표 연습을 진행한다.
설계
개념설계안
이론적 계산
흡음 계수
hysteresis loss
sag factor
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
◇ DMA를 통한 폴리우레탄 폼의 점탄성 측정 및 물성 향상과의 관계 규명
◇ 실리콘 고무의 표면 특성 규명(소수성 여부) 및 폴리우레탄 폼의 표면 특성 규명(친수성 여부)
◇ 2wt% 이후로 다시 흡음 특성이 감소하는 구체적인 원인 규명
◇ 추가적으로 안락 특성을 향상 할 수 있는 방법 조사
특허 출원 내용
◇ 실리콘 고무 첨가를 통한 폴리우레탄 폼의 흡음 특성 향상에 대한 특허 출원 준비중
