홀리우레탄조

2019 CE
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프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 연질 우레탄 폼을 이용한 차량용 시트 제작에 대한 논문 조사

영문 : Investigation of thesis on the production of vehicle seats using flexible urethane foam

과제 팀명

HolyUrethane

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2014XXX0** 신*우(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2014XXX0** 정*교


서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 내연성을 포함한 폴리우레탄 폼을 제작한다. EO(Ethylene Oxide) 포함량이 높은 폴리우레탄 폼을 제작하여 안락특성을 측정한다.

◇ Nano-silica를 Filler로 첨가하여 안락특성의 변화를 분석한다.

◇ 에스테르 반응으로 결합한 PESE와 Li-12HSA를 Cell Opener로 추가하여 물성 및 Cell Open효과를 측정한다.

개발 과제의 배경

◇ 폴리우레탄 폼은 단열성, 경량서, 완충성 등의 성질을 가지고 있어 단독, 타재료와 복합하는 방법으로 단열재, 경량구조재, 완충재 등으로 널리 쓰이고 있다.

◇ 자동차용 쿠션재로 사용되는 연질 폴리우레탄 폼은 우수한 안락감을 가지고 있으며 안락 특성은 계속 해서 발전해 나가고 있다.

◇ 사용되는 원료로 폴리올, 이소시아네이트, 촉매, 정포제, 발포제, 가교제가 있으며 이용되는 물질과 혼한 비율에 따라 특성 차이를 나타낸다.

◇ 이와 같은 조건들의 효과를 조사하여 기존 보다 향상된 안락 특성을 갖기 위한 조건을 조사해보고자 한다.

◇ Cold cure mold method를 사용하는 폼은 crushing 과정이 필요하다는 고질적인 문제가 있다. 하지만 특정 물질을 첨가함으로써 crushing 효과를 내어 cold cure mold 법의 단점을 보완할 수 있다.

◇ 우레탄 폼은 연소할 경우 유독가스(HCN)를 방출한다. 이에 내연성이 요구된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ EO(Ethylene Oxide) 함유량이 높은 PPG를 사용하여 폼을 제작한다. 기존 폼의 특성인 Sag Factor 약 3.5, Compression set 약 10%, Hysteresis loss 약 15% 정도를 유지하는 것을 목표로 한다.

◇ Nano-silica를 필러로 첨가하여 폼의 특성이 개선되어 3.5 이상의 Sag Factor, 10%이하의 Compression set, 15% 이하의 Hysteresis loss를 목표로 한다.

◇ EO 함유량이 낮고 에스테르 결합이 있는 cell opener를 통해 6 이하의 setting%, 90& 이상의 cell open content를 목표로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

◇ 자동차 연비 규제에 따른 기술 개발 방안으로 다양한 방안이 나오고 있는데 지속적인 개발로 인해 효과가 제한 적인 방식들에 비해 다양한 위험요소로 적용이 늦어지던 자동차 소재 대체를 통한 경량화가 각광 받고 있다.

◇ 현재 대부분의 자동차 시트는 다양한 소재를 붙여 여러 층으로 만들고 있다. 일반적으로 구조 프레임 위에 폼 쿠션, 커버, 프레임을 올리지만 최근에는 커버 소재와 폼 쿠션을 하나로 합친 시트용 스킨 폼 구조를 사용하려한다. 이를 통해 시트의 중량 절감으로 연비를 높이고 주행 가능 거리를 늘리는 것을 목표로 한다.

◇ 쿠션성, 기계적 강도가 좋고 구조의 특성으로 인해 통기성이 좋고 배합에 따라 물성을 광범위하게 조절할 수 있다. 연질폼 중 가장 많은 부분을 차지하는 자동차용 시트패드는 슬라브 폼을 절단한 제품, 칩 몰드폼, 성형 몰드폼의 형태로 사용되고 있다.

◇ 자동차 시트의 원료인 연질폼은 2014년에 전체 시장에서 35%로 가장 많은 비중을 차지함. 가구 및 인테리어, 쿠션 및 자동차시트 분야에서 연질폼의 사용이 세계적으로 증가하였고 향후 몇 년 동안 성장세가 확대될 것으로 예상된다.

◇ 동적(Dynamic) 안락감 측정에는 6Hz대의 진동 감소율을 정적(Static) 안락감 측정에는 Sag factor와 Hysteresis loss를 사용한다.

스태틱.PNG

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 차체에서 인체에 전달되는 진동을 폴리우레탄폼이 얇은 두께에서 효과적으로 흡수한다면, 진동으로 인체에 가해지는 부담을 줄임은 물론 운전자의 승차감을 향상시킨다.

◇ 넓은 운전자 공간은 운전자의 스트레스를 줄여 쾌적한 주행 환경을 형성한다.

◇ Nano-silica를 첨가함으로서 안락특성 및 물성을 증가시켜 더 경쟁력 있는 시트를 제작한다.

◇ 결과sample.JPG
에스테르 결합이 있는 bulky한 cell opner를 통해 위 자료와 같이 cell이 모두 이어져있는 개방기포형태의 cell open 특성 시트를 제작한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

홀리 기사.png 

◇ 폴리우레탄 폼에 있어 안전이란 매우 중요하다. 폴리우레탄 폼이 연소할 경우에 맹독물질인 시안화수소가 발생하게 되며 이는 치사량이 2g정도이며 매우 치명적이다. 건축물에는 우레탄 폼이 많이 들어가는 만큼 우리 조에서 조사한 EO를 포함시킴으로써 내연성을 증가시킬 수 있다는 것은 더 연구해볼 가치가 있다고 생각한다.

◇ 최근 우레탄 폼에 관한 연구 자료들을 보면 재생 우레탄을 많이 연구하고 있다. 재생 우레탄이란 쓰고 남은 우레탄을 적절한 조치를 통해 액상화 하여 다시 합성한 우레탄 폼이다. 이는 재활용이 안되는 우레탄폼의 환경문제를 개선시킬 수 있는 좋은 연구이다.

◇ Cell opener로 선정된 물질들을 첨가 해줌으로써 cold mold method를 사용할 때에도 crushing 공정이 필요하지 않게 된다. 이로인한 노동력 절감, 비용 절감 효과가 있다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

우레탄 EO함유요구사항.PNG

  • EO를 포함하고 있는 Polyol을 이용해 시트를 제작함으로써 내연성을 가진 폼을 만들 수 있다.


우레탄 실리카요구사항.PNG

  • Nano-silica를 filler로 사용하여 폼의 안락특성을 개선시킬 수 있다.
  • EO 함유량이 낮고 에스테르 결합이 있는 cell opener를 통해 6 이하의 setting%, 90& 이상의 cell open content를 가진 폼을 만들 수 있다.

개념설계안

  • EO를 포함한 MW 6000정도의 PPG(polypropylene glycol) 중에 EO 함유량이 다르게 함유되어 있는 폴리올을 준비하여 EO 함유량에 따라 안락특성과 물성이 어떻게 바뀌는지 분석한다. EO 함유량 이외에 MW를 다양하게 하면서 폼의 안락특성과 물성이 어떻게 변화하는지 확인한다.
  • Nano-silica를 준비하여 함량에 따라 안락특성이 어떻게 되는지 확인한다.
  • Cell opener의 EO함량과 에스테르 결합 유무에 따른 재료를 준비하여 cell open특성과 물성 변화를 확인한다.

상세설계 내용

EO 상세3.PNG

  • 첫 번째 실험의 상세 내용은 다음과 같다. MW 변수를 4000, 5000, 6000 EO 함유량 변수를 10, 20, 30 (%)로 두고 폼을 만들어 특성을 비교해본다.

나노실리카.PNG

  • 두 번째 실험의 상세 내용은 다음과 같다. 12nm Nano-silica와 30nm Nano-silica를 함량을 다양하게 하여 폼의 특성을 비교해본다.

PESE실험.JPG Li-12HSA실험.JPG

  • 세 번째 실험의 상세 내용은 다음과 같다. PESE의 EO 함유량을 40, 50, 60, 70(%)로 하여 폼을 제작하고 Li-12HSA 함유량을 1, 2, 3, 4(%)로 하여 cell opener를 다양하게 하여 폼의 특성을 비교해본다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

포스터

홀리포스터.png

완료작품의 평가

내용

참고문헌

  • J. Saunders, S. Steingiser, Properties of Flexible Urethane Foams, Journal of Chemical & Engineering data, 1958.
  • 이성훈, et al. 코폴리머 폴리올 함량과 NCO 당량비 변화에 따른 자동차용 폴리우레탄 폼 시트 패드의 안락감 특성 연구. 폴리머, 2019, 43.3: 401-409.
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  • D’Arienzo, L., et al. "Comfort and fatigue performance of a Soya-derived flexible PU foam for mattresses." AIP Conference Proceedings. Vol. 2196. No. 1. AIP Publishing LLC, 2019.
  • Lefebvre, Jerome, et al. "Thermal stability and fire properties of conventional flexible polyurethane foam formulations." Polymer Degradation and Stability 88.1 (2005): 28-34.
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  • W.S. Ahn, Open-Cell Rigid Polyurethane Foam using reactive cell opening agents, Korea Academy Industrial Cooperation Society 14(5)(2013), 2524-2528
  • K.C. Song, S.M. Lee, D.H. Lee, Cell Opening of High Resilience Polyurethane Foam 2. Structure Effect of Polyether Type Cell opener, The Polymer Society of Korea 26(2)(2002), 218-226
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