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 특성에 맞는 표면 처리 진행

◇ 고무 필러의 함량에 따른 폴리우레탄 폼의 합성 진행

◇ 합성된 폴리우레탄 폼의 흡음 계수 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

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용