폴리우레탄

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 플라이 애시를 필러로 사용한 폴리우레탄 폼의 물성 분석

영문 : Physical property analysis of polyurethane foam with fly ash as a filler

과제 팀명

폴리우레탄 팀

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2019340022 박정윤(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2019340012 김정한

서울시립대학교 화학공학과 2019340023 배주윤

서울시립대학교 화학공학과 2020340053 박경석

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 공기 중의 충돌로 인한 공기 소음과 기계적 진동으로 인한 구조 소음 등 자동차에서 발생하는 소음은 탑승자들에게 불쾌감을 줄 수 있다.

◇ 플라이애시를 첨가해 압축응력, 이력손실, 꺼짐인자와 같은 물리적 성질을 향상시켜 안락감을 높이고 흡음계수를 높여 흡음재로의 사용도 가능하게 할 수 있다.

◇ 첨가한 플라이애시 양에 따른 물리적 특성과 흡음 계수 측정 데이터를 통해 최적의 첨가량을 찾고자 한다.

◇ 플라이애시를 첨가하여 비용 절감과 환경 보호 효과가 있어 자동차 외 다양한 산업에서도 활용 가능성이 있다.

개발 과제의 배경

◇ 자동차 내 소음과 불편한 좌석 문제는 탑승자의 주행 경험에 큰 영향을 미치며, 이를 해결하기 위한 연구와 기술개발이 자동차 업계에서 꾸준히 이루어지고 있다. 다공성 재료는 구조적으로 공기를 흡수하고 소리를 분산시키는 특성을 가진다. 특히, 차량 주행 중 발생하는 고음역대 소음을 효과적으로 줄이는 데 탁월하다. 그중에서도 폴리우레탄(PU) 폼은 높은 흡음 성능과 경량성 덕분에 자동차의 시트, 내장재, 흡음재로 널리 사용되고 있으며, 연료 효율성을 유지하면서 쾌적한 주행 환경을 제공하는 데 기여하고 있다.

PU 폼은 자동차의 시트, 시트 패드, 그리고 내장 패널 등 다양한 부품에 활용되어 차량 내부에서 발생하는 소음을 효과적으로 감소시키는 역할을 한다. 이 소재는 가볍고 내구성이 뛰어나며, 다양한 형태와 크기로 제작할 수 있어 차량 내부 구조에 맞춤형으로 적용할 수 있다는 장점을 지닌다. 이러한 우수한 특성으로 인해 자동차 제조업체들은 PU 폼을 활용한 기술 개발에 집중하며, 탑승자에게 더욱 쾌적하고 조용한 주행 환경을 제공하기 위해 지속적으로 연구를 진행하고 있다.

PU 폼은 내부에 다수의 미세한 공동을 가지고 있어, 음파가 이 공동으로 유입되면 공기와 공동벽 간의 마찰 및 충돌을 일으키면서 소음을 흡수하는 효과를 발휘한다. 공동의 크기가 작고 구멍의 수가 많을수록 더 높은 흡음 성능을 발휘하며, 이는 차량 내 소음 감소에 중요한 역할을 한다. 또한, PU 폼에 필러(flyash)를 첨가함으로써 공동의 크기나 개수를 조정할 수 있어, 흡음 효과를 더욱 극대화할 수 있다. 필러의 첨가는 PU 폼의 물리적 특성에 영향을 미쳐, 소음을 더 효과적으로 흡수할 수 있도록 만든다. 이로 인해, 차량 외부에서 발생하는 공기 마찰, 도로 소음, 엔진 소음 및 진동을 완화시켜, 탑승자에게 더 편안하고 조용한 주행 환경을 제공하며 불쾌감을 줄이는 데 기여한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 플라이애시 첨가량 (0, 1, 2, 3, 4 wt%)에 따라 생성된 폼의 완성도를 평가한다.

◇ 플라이애시 첨가량 변화에 따른 이력손실, 꺼짐인자, 흡음계수의 변화를 파악해 본다.

◇ 주사전자현미경(SEM)을 통해 이미지 표본을 얻고, 이 표본으로부터 공동의 개수와 크기를 측정해 보고 선행 연구를 기반으로 식을 통해 공동벽 면적비와 한 공동의 평균 미세구멍 수를 계산해 본다.

◇ 폴리우레탄 합성 메커니즘을 이해하고, 합성 결과의 원인을 분석한다.

관련 기술의 현황

특허조사

◇ 10-2011-0066075 (친환경 발포제가 적용된 단열 성능이 향상된 폴리우레탄 폼)

본 발명은 친환경 발포제가 적용된 단열성이 향상된 폴리우레탄 폼에 관한 것이고, 구체적으로 폴리올을 펜타플루오로프로판(Pentafluoropropane)으로 발포시켜 제조되어 단열성이 향상되고 이로 인하여 단열재의 두께 감소가 가능하도록 하는 친환경 발포제가 적용된 단열 성능이 향상된 폴리우레탄 폼에 관한 것이다. 폴리우레탄폼은 아민에 프로필렌 산화물과 에틸렌 산화물을 첨가하여 얻은 폴리올, 톨루엔디아민에 프로필렌 산화물과 에틸렌 산화물을 첨가하여 얻은 폴리올, 테레프탈산과 프탈릭산에 디에틸렌글리콜과 디프로필렌글리콜의 축합반응에 의하여 얻어지는 폴리올, 무수프탈산과 아디프산에 디에틸렌글리콜과 디프로필렌글리콜의 축합반응에 의하여 얻은 폴리올, 솔비톨에 프로필렌 산화물과 에틸렌 산화물을 첨가하여 얻은 폴리올, 에틸렌디아민에 프로필렌 산화물과 에틸렌 산화물을 첨가하여 얻은 폴리올 및 글리세린에 프로필렌 산화물과 에틸렌 산화물을 첨가하여 얻은 폴리올로 구성된 폴리올로부터 적어도 5개의 폴리올을 선택하여 제조된 합성 폴리올에 메틸렌디페닐 디아이소시아네이트(MDI) 또는 중합체 아이소시아네이트(PMDI)를 반응시켜 발포된다. LNG 운반선의 운항속도가 늦추어지면서 LNG 운반선의 BOR(Boiling Off Rate)가 0.15%/day에서 0.1%/day로 향상되는 것이 요구된다. 일반적으로 BOR을 향상시키기 위하여 단열재의 두께를 늘리거나 또는 단열재의 단열 성능을 향상시켜야 한다. 단열재의 두께를 늘리면 BOR는 단열재의 두께에 대응하도록 향상이 되지만 LNG를 저장할 수 있는 용적이 작아진다는 단점을 가진다. 이에 비하여 단열재의 단열 성능을 통한 BOR의 향상은 이와 같은 문제를 발생시키지 않으므로 경제적이라는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 폴리우레탄폼은 단열 성능이 30%이상 향상되도록 하는 것에 의하여 LNG 운반선에서 단열재의 두께를 늘리지 않고 동일한 두께로 BOR가 향상되도록 한다는 이점을 가진다. 또한 발포제로 친환경성 물질에 해당하는 HFC-245fa를 사용하여 CFC-11 또는 HCFC-114b와 같은 오존층파괴와 관련된 환경 문제를 유발시키지 않는다는 장점을 가진다.

◇ 10-2022-7006097 (폴리올 함유 조성물, 발포성 폴리우레탄 조성물 및 폴리우레탄 폼)

폴리우레탄 폼의 가수 분해를 억제하고, 또한, 양호한 발포성을 갖는 폴리올 함유 조성물, 발포성 폴리우레탄 조성물 및 폴리우레탄 폼을 제공한다. 폴리아이소시아네이트와 반응시켜 폴리우레탄 폼을 얻기 위한 폴리올 함유 조성물로서, 폴리올, 촉매, 발포제 및 필러를 함유하고, 상기 폴리올 함유 조성물 중의 상기 필러의 함유율은, 8질량% 이상이며, 상기 촉매는, 비스무트 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 금속 촉매를 포함하는, 폴리올 함유 조성물이다. 본 발명에 의하면, 폴리우레탄 폼의 가수 분해를 억제하고, 또한, 양호한 발포성을 갖는 폴리올 함유 조성물, 발포성 폴리우레탄 조성물 및 폴리우레탄 폼을 제공할 수 있다.

◇ 10-2021-0031272 (폴리우레탄 폼 조성물 및 이의 경화물을 포함하는 폴리우레탄 폼)

본 발명의 일 실시상태에 따른 폴리우레탄 폼 조성물은, 저밀도이면서 동시에 흡착력이 우수한 폴리우레탄 폼을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 폴리우레탄 폼은, UL-94 HBF에 의거한 HBF 등급의 난연 특성을 가지므로 고온의 기기에 적용하더라도 발화의 위험성을 최소화할 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 폴리우레탄 폼은, 흡착력이 우수하므로 자동화 공정 중 진공흡착판을 이용하여 테이프 라미네이트 작업성이 우수할 수 있고, 폴리우레탄 폼의 이동 작업성이 편리할 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 폴리우레탄 폼은, 배터리 셀 간에 적용하는 경우, 셀의 부피변화에 대한 치수 안정성(dimensional stability), 진동 및 충격에 대한 우수한 응력 흡수성, 우수한 복원력 및 높은 내화성을 구현할 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 폴리우레탄 폼은, 밀도가 낮고 얇은 두께를 가지면서도 난연성, 흡착력 및 외관 특성이 우수할 수 있으므로, 배터리 셀 조립 자동화 공정에서의 가격 경쟁력을 확보할 수 있다. 본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

◇ 10-2022-0116699 (단열성이 향상된 친환경 폴리우레탄 폼 형성용 조성물 및 폴리우레탄 폼의 제조 방법)

본 발명은 단열성이 향상된 친환경 폴리우레탄 폼 형성용 조성물 및 폴리우레탄 폼의 제조 방법 등에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 천연물 유래의 무수당 알코올, 특히 아이소소르비드를 특정 함량 범위 내로 포함하는 폴리올 프리믹스 조성물을 포함함으로써, 폼의 발포 상태를 포함한 제반 물성 및 단열성이 동시에 향상된 친환경 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있는 2성분형 폴리우레탄 폼 형성용 조성물, 그리고 이를 사용하여 폴리우레탄 폼을 제조하는 방법 및 그렇게 제조된 친환경 폴리우레탄 폼에 관한 것이다. 본 발명의 폴리우레탄 폼 형성용 조성물을 사용하면, 폼의 발포 상태를 포함한 제반 물성이 우수하고, 나아가 동시에 단열성이 향상되고 친환경적인 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있다.

특허전략

◇ 가장 인기 많고 흔하게 사용되는 열경화성 고분자 물질 중 하나는 폴리우레탄이다. 폴리우레탄의 낮은 온도 전도도로 인해 빌딩이나 건설 산업, 자동차 산업 등에서 많이 사용되고 있다. 폴리우레탄 구조는 첨가되는 필러에 따라 변하게 된다. 소음을 효과적으로 흡수할 수 있도록 폴리우레탄 폼에 필러를 첨가하여 공동의 개수와 크기를 조절하고, 공동 내에서 공기 마찰을 통해 소음을 흡수하여 최종적으로 도달하는 소음의 강도를 줄일 수 있도록 한다. 또한 압축 응력과 이력손실 등 물리적 특성을 확인하여 폴리우레탄 폼의 성능을 향상시키고자 한다.

◇ 폴리우레탄에 포함된 필러에는 다양한 물질이 사용될 수 있다. 그러나 플라이애시가 폴리우레탄 폼 생성에 유의미한 필로로써 작용 한다면 환경적, 비용적으로 큰 효과를 얻을 수 있다. 게다가, 플라이애시는 폐기물이기 때문에, 플라이애시를 폴리우레탄 폼에 저장해 놓는다면 환경에 부정적인 영향을 상당히 줄일 수 있기 때문에, 이후 특허 등록에 유리하게 작용할 수 있을 것이다.

◇ 폴리우레탄 폼의 물리적 특성들은 폼의 형태학과 밀접하게 연관되어 있고, 우레탄과 우레아의 반응속도 및 사슬구조에 존재하는 경질 분절(hard segment)과 연질 분절(soft segment)의 상분리 현상 등이 등의 영향을 받는다. 예를 들어, 우레탄과 우레아의 반응속도에 따라 공동의 성장시간과 발포도가 변화하고, 상분리 정도에 따라 공동 개폐도가 변화하며 형태학에 영향을 준다. 따라서 폴리우레탄 폼의 바람직한 물리적 특성은 반응물질의 종료, 양 등을 조절해 달성할 수 있다. 따라서 플라이애시의 비율을 달리해 첨가해 물리적 특성을 비교해보려 한다.

◇ 물리적 특성은 이력손실, 꺼짐인자, 흠음계수를 측정해 본다. SEM을 통해 공동의 개수와 공동 크기를 파악해 형태를 분석할 것이고, 선행 연구를 기반으로 한 식을 통해 공동벽 면적비와 한 공동의 평균 미세구멍 수를 계산할 것이다. 그리고 UTM을 통해 이력손실과 꺼짐인자에 대해서 측정하려 한다. 이러한 물리적 특성과 함께, 임피던스 튜브 장치를 이용해 흠음 계수를 수치적으로 확인하여 최적의 첨가량을 구할 것이다.

◇ 플라이애시가 첨가된 폴리우레탄 폼의 흡음 특성을 활용하여 고성능 흡음재 개발에 도움이 되고, 자동차뿐만 아니라 건축 및 인테리어 소음 차단재로도 활용될 수 있다. 플라이애시 첨가량에 따른 물성과 형태를 파악하므로서 특정 제품의 요구에 맞는 폴리우레탄 폼을 설계할 수 있는 기반이 될 것이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 자동차 산업에서 경량화와 소음 저감은 가장 중요한 목표 중 하나다. 압축 강도가 향상된 PU 폼은 동일한 양으로도 차체 안정성을 더욱 강화할 수 있어 경량화 요구를 충족시키며, 차체의 구조적 신뢰성을 높이는 데 기여한다. 또한, 이력 손실이 감소함으로써 진동 흡수 능력이 개선되고, 내구성이 증가해 차량의 장기적 성능 유지에도 긍정적인 영향을 미친다. 더 나아가, 흡음성이 강화된 PU 폼은 차량 내부와 외부에서 발생하는 소음을 효과적으로 줄여, 승객의 승차감을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 특성은 자동차 제조업체들이 고급 차량 개발 시 중요한 경쟁력을 제공하며, 소비자의 만족도를 높이는 데 크게 기여할 것이다.

◇ 건축 분야에서 소음 저감은 필수적인 설계 요소로 꼽힌다. 흡음성이 개선된 PU 폼은 주거 공간, 사무실, 상업시설 등 소음을 효과적으로 제어해야 하는 장소에서 이상적인 흡음재로 활용될 수 있다. 특히, PU 폼을 분사 방식으로 적용한 방음 부스는 기존 제품 대비 더 큰 소음 저감 효과를 제공할 것으로 예상된다. 또한, 압축 강도와 내구성 향상으로 인해 자재의 수명이 늘어나며, 유지보수와 교체 빈도가 줄어들어 건축 자재로서의 효율성도 높다. 이러한 특성은 건축 설계와 시공 비용 절감에 직접적으로 기여할 수 있다.

◇ PU 폼은 매트리스, 소파, 의자 등 편안함과 내구성을 요구하는 가구 제품에서 광범위하게 사용된다. 개선된 PU 폼은 압축 강도가 증가하고 변형 복원력이 향상되어, 장기간 사용에도 형태와 기능을 유지할 수 있다. 이는 제품의 품질을 향상시키고 소비자의 만족도를 높이는 중요한 요소다. 특히, 이력 손실이 감소된 PU 폼을 사용한 가구는 진동 흡수와 안정적인 쿠션감을 제공함으로써 사용자 경험을 더욱 쾌적하게 만들어 준다. 이러한 특성은 고급 가구 제품 제작에서 중요한 경쟁력을 부여할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 경제적 측면에서 이 기술은 제조 및 운용 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 개선된 PU 폼은 동일한 성능을 적은 양으로 구현 가능해 생산 비용을 낮출 수 있으며, 내구성 증가로 인해 교체 주기를 연장함으로써 전반적인 유지보수 비용을 감소시킨다. 또한, 자동차, 건축, 가구 등 다양한 시장에서의 활용 가능성으로 인해 기술 도입이 새로운 시장 창출과 시장 확대를 이끌어낼 것으로 보인다. 고급화된 제품 생산이 가능해짐에 따라 고부가가치 창출 또한 기대된다.

◇ 사회적 효과도 긍정적이다. 이 기술은 도시 소음 공해를 줄이고, 거주자와 사용자에게 더 나은 환경을 제공함으로써 삶의 질을 향상시킬 수 있다. 또한, 자원의 낭비를 줄이고 폐기물 발생을 감소시키는 친환경적인 접근은 지속 가능한 발전에도 기여할 수 있다. 특히 화석연료 부산물인 플라이애시를 활용한 PU 폼은 폐기물 문제 해결과 동시에 환경 보전에도 도움을 준다. 이러한 기술은 환경 문제를 해결하는 동시에 다양한 산업 분야에서 지역 경제 활성화와 고용 창출로 이어질 가능성이 크다.

◇ 결론적으로, 개선된 PU 폼의 기술은 다양한 산업에 걸쳐 경제적, 사회적 파급 효과를 미치며 지속 가능한 발전과 고품질 생활 환경 조성에 크게 기여할 수 있는 혁신적인 소재로 자리매김할 것으로 전망된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

◇ 박정윤, 배주윤, 김정한, 박경석: fly ash 비율에 따른 폴리우레탄 폼 제작한다.

◇ 박정윤, 김정한: UTM를 사용한 이력손실, 꺼짐인자 측정 및 분석하고, 마이크와 임피던스 튜브 장치를 사용한 흡음계수 측정한다.

◇ 배주윤, 박경석: SEM 기기를 사용한 이미지 분석한다.

설계

개념설계안

◇Polyol 특성

폴리올은 분자 중에 수산기(Hydroxyl Group, -OH) 혹은 아민기(Amine Group, - NH2)를 2개이상 갖는 다관능(Multifunctional)알콜 또는 방향족 아민등의 개시제(Initiator)와 산화프로필렌(Propylene Oxide, PO) 또는 산화에틸렌(Ethylene Oxide, EO)을 적정 조건하에서 반응시켜 얻어지는 물질로써, 아이소시아네이트와 함께 폴리우레탄 제조에 필수적인 원료이다.

◇ Isocyanate 특성

Isocyanate는 -N=C=O 작용기를 포함하는 매우 반응성이 높은 화합물이다. 물, 알코올, 아민등과 쉽게 반응하여 우레탄 결합을 형성하고, 가장 일반적으로 사용되는 아이소시아네이트는 방향족 다이아이소시아네이트, 톨루엔 디이아이소시아네이트(TDI) 및 메틸렌 다이페닐 디아이소시아네이트, MDI가 있다.

◇ flyash

플라이애시는 발전소에서 나오는 부산물로, 비교적 저렴한 비용으로 구할 수 있다. 이를 필러로 활용함으로써 PU 폼의 제조 원가를 절감할 수 있다. 플라이애시는 재활용이 가능하기 때문에 신규 원료 구매 비용을 절약할 수 있다. 또한 다른 물질과 달리 플라이애시의 첨가 공정은 기존 PU 폼 제조 공정에 쉽게 통합될 수 있어, 추가적인 공정 변경 없이 효율적으로 생산할 수 있다. 따라서 시간을 절약함과 동시에 생산성을 높일 수 있다. 환경적 측면으로는 플라이애시를 재활용하여 환경 오염을 줄이는 기술 개발을 통해 친환경 기업 이미지를 구축할 수 있고, 이는 지속 가능한 산업 발전을 추구할 수 있다. 또한 추가적인 플라이애시 기반 실험을 통해 효과가 입증된다면 추가적인 연구개발 투자가 가능해지며, 이는 기술 혁신과 신제품 개발을 촉진할 수 있다. 플라이애시를 재활용하기 때문에 환경에 유해한 폐기물의 양을 줄일 수 있다. 이는 폐기물 관리 비용을 절감하고, 매립지 사용을 줄여 환경 보호 및 지속 가능한 자원 관리에 기여할 수 있다.

◇ Polyurethane Reaction

우레탄 결합은 아이소시아네이트(-NCO)와 알코올(-OH)의 부가반응을 통해 형성되는 중요한 화학결합으로, R-N=C=O + R'-OH → R-NH-C(=O)-O-R' 형태로 진행되는 발열반응이다. 이 반응은 아이소시아네이트의 친전자성 탄소와 알코올의 친핵성 산소 간의 초기 상호작용으로 시작되어, 전이 상태를 거쳐 최종적으로 안정한 우레탄 결합(-NH-COO-)이 형성된다. 반응 속도와 효율은 온도, 촉매(아민계, 유기금속계), 반응물의 구조, pH, 용매 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 특히 온도 상승 시 반응속도가 증가하고 촉매 사용 시 반응이 현저히 촉진된다. 이러한 우레탄 결합은 폴리우레탄 폼, 코팅, 도료, 접착제, 탄성체 제조 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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