이하 본 발명에 따른 충격흡수용 고분자복합체의 구성에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충격흡수용 고분자복합체의 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 충격흡수용 고분자복합체는 상층부(10), 중간층부(20) 및 하층부(30)로 구성되어 있다.
상기 상층부(10)는 폴리올레핀계 고분자층으로 이루어져 있는 바, 상기 폴리올레핀계 고분자층(10)은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이 각각 단독으로 구성되는 고분자층이거나, 폴리프로필렌과 폴리에틸렌이 조사 또는 화학가교된 혼합고분자층으로 구성되어 있다.
상기 혼합고분자 발포체의 폴리프로필렌은 조사가교를 위하여 프로필렌의 중합시 측쇄를 발달시켜 녹는점이 약 140 ~ 150℃인 특징을 가지며, 폴리에틸렌은 저밀도 또는 선형저밀도, 중밀도의 것을 사용할 수 있다. 상기 혼합고분자 발포체는 폴리프로필렌 50 ~ 90 중량부와 폴리에틸렌 10 ~ 50 중량부로 구성되어 있다. 상기 폴리에틸렌이 10 중량부 이하에서는 충격에 대한 흡수효과가 저하되며, 50 중량부 이상에서는 열변형에 대한 저항력이 약화되는 문제점을 야기할 수 있다.
정적탄성계수는 20mm 두께의 상기 폴리프로필렌과 폴레에틸렌의 혼합고분자층 시편에 대해 10 ~ 50kg/mm, 겉보기 밀도는 20 ~ 100 kg/m3, 경도(Shore C type)는 5 ~ 20의 특징을 가지며, 겉보기 밀도 30 ~ 70 kg/m3, 경도 5 ~ 12의 값을 갖는 것이 바람직하며, 발포체의 셀은 독립기포로 되어 있다.
상기 중간층부(20)는 폐 폴리우레탄 또는 부산물인 폴리우레탄을 분쇄한 칩에 대하여 우레탄계, 아크릴계, 페놀계 등의 바인더로 연결하고 압축 성형하여 시트로 제조한 재활용 플라스틱 결합층(20)이다. 상기 폐 폴리우레탄 또는 부산물인 폴리우레탄의 분쇄칩은 다양한 강도의 폴리우레탄이 무작위로 바인더에 의하여 연결되어 압축성형된 시트형태로 되어 있다.
정적탄성계수는 20mm의 두께를 갖는 상기 폐 폴리우레탄 시편에 대해 20 ~ 100kg/mm, 밀도는 15 ~ 150kg/m3이다. 밀도가 15kg/m3 이하로 낮을 경우 하중에 대한 저항이 취약하여 하중안정성이 불안정하며, 밀도가 150kg/m3 이상으로 높게 되면 충격음에 대한 흡수효과가 저하된다.
상기 재활용 플라스틱 결합층(20)은 폴리우레아 폼, 에틸렌비닐 아세테이트 폼, 폴리에틸렌 폼, 폴리프로필렌 폼, 폴리스타이렌 폼, 폴리비닐 클로라이드 폼 또는 고무 폼을 비롯하여 일반적인 플라스틱 부산물의 칩들도 적용될 수 있다.
상기 하층부(30)는 에틸렌비닐 아세테이트 40 ~ 70 중량부, 폴리에틸렌 10 ~ 40 중량부 및 천연 또는 합성고무 10 ~ 30 중량부로 구성되는 고무복합층으로 구성되어 있다.
상기 고무복합층(30)에 대하여 입자경 1 ~ 5㎛, 비표면적 10 ~ 30m2/g의 특징을 가지는 마그네시움실리케이트 10 ~ 50 중량부, 입자경 0.03 ~ 10㎛, 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate, DOP) 흡유량 25 ~ 40㎖/100g의 특징을 가지는 탄산칼슘 10 ~ 50 중량부 또는 입자경 0.2 ~ 10㎛, 비표면적 5 ~ 30m2/g의 특징을 가지는 알루미늄실리케이트 10 ~ 50 중량부를 1종 이상을 병용한다. 그 외에 산화방지제, 가공조제, 산화아연, 스테아린산 등을 0.5 ~ 5 중량부 첨가하며 가교제로는 DCP(Dicumyl peroxide)를 0.5 ~ 2 중량부 사용한다.
에틸렌비닐 아세테이트는 비닐아세테이트(VA) 함량 15 ~ 30 중량부, 용융지수 2 ~ 5g/10min.의 것을 사용하였으며, 폴리에틸렌은 용융지수 1 ~ 6g/10min.의 것을 사용하였다. 상기 합성고무는 스타이렌부타디엔 고무, 부틸고무, 에틸렌프로필렌고무, 클로로프렌 고무 혹은 아크릴로니트릴 고무를 사용할 수 있다. 이 때 정적탄성계수는 30 ~ 80kg/mm, 밀도는 20 ~ 100kg/m3인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 서로 다른 종류의 고분자 발포체(10, 20, 30)를 열 또는 접착제를 사용하여 3층으로 적층시킨 구조의 고분자 발포체가 본 발명이 이루고자 하는 충격흡수용 고분자복합체이며, 이 때 상층부, 중간층부, 하층부는 그 위치가 각각 자유롭게 바뀌어 구성될 수도 있다.
이하 상기와 같은 구성을 갖는 충격흡수용 고분자복합체의 원리를 응용한 건축물의 시공방법에 관하여 설명하기로 한다.
먼저, 하층부(30) 성형단계는 에틸렌비닐 아세테이트 40 ~ 70 중량부, 폴리에틸렌 10 ~ 40 중량부 및 천연 또는 합성고무 10 ~ 30 중량부로 구성되는 고무복합층(30)을 시공하는 단계이다. 상기 고무복합층(30)의 구성에 대하여는 상기 충격흡수용 고분자복합체의 구성에서 설명한 바와 같다.
다음으로, 중간층부(20) 성형단계는 폐 고분자 분쇄칩을 바인더로 압축성형한 재활용 플라스틱 결합층(20)을 시공하는 단계이다. 상기 재활용 플라스틱 결합층(20)의 구성에 대하여는 상기 충격흡수용 고분자복합체의 구성에서 설명한 바와 같다.
끝으로, 상층부(10) 성형단계는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌이 각각 단독으로 구성되거나, 폴리프로필렌 50 ~ 90 중량부 및 폴리에틸렌 10 ~ 50 중량부가 조사 또는 화학가교된 혼합고분자로 구성되는 폴리올레핀계 고분자층(10)을 시공하는 단계이다. 상기 폴리올레핀계 고분자층(10)의 구성에 대하여는 상기 충격흡수용 고분자복합체의 구성에서 설명한 바와 같다.
이하 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 충격흡수용 고분자복합체의 작용 및 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 충격음 저감 작용을 살펴보면 서로 다른 이종 재료의 구조적인 복합화를 통해 충격음에 대해 각 층에서 폭 넓은 주파수 대역에 걸쳐 충격음의 저감 효과가 일어날 수 있도록 하고 있다.
즉, 고분자 발포체층간의 이종 매질 적층에 따라 진동, 충격 에너지 감쇄율이 극대화되고 공진 주파수 대역의 차이에 따라 주파수 대역별로 고르게 충격음의 감쇄가 이루어지는 효과를 가져오게 되며, 앞서 설명한 것과 같은 발포체층간의 밀도 및 경도의 조합에 의해 발포체 층간의 점탄성 최적화로 진동, 소음에너지 흡수 효과를 극대화시키게 된다.
또한, 각 재료들은 다공질을 갖는 발포체로서 기포 또는 섬유의 틈새에 대한 공기의 점성을 통해 흡음 작용이 발생할 수 있도록 하고 있다. 즉, 고분자 발포체층의 뒤에 공기층을 둔 구조에서 음이 접촉되면 발포체층은 진동하게 되고 이 때 재료의 내부손실 등에 대항하여 진동을 지속시키기 위해서는 외부에서 에너지를 공급할 필요가 없어, 이것이 음의 흡수로 나타나게 된다.
본 발명에 따른 충격흡수용 고분자복합체는 재료에 따른 효과 즉, 경도, 밀도, 점탄성의 최적화에 따른 작용과 발포체층을 구성하고 있는 다공질에 따른 작용, 그리고 이와 같이 서로 다른 특성을 갖고 있는 이종재료간의 복합화에 따른 구조적인 작용이 결합되어 복합적인 효과를 나타내게 되는 것이다.
본 발명에서는 충격음 저감재로서의 특성을 확인하기 위하여 실시예와 비교예에서 모형테스트(mock-up test)를 통해 측정된 충격음 저감재의 충격음 저감 정도를 경량충격음과 중량충격음에 대하여 비교, 평가하였다.
현재 충격음 저감 특성의 측정은 일본 공업규격을 받아들여 케이에스 에프(KS F) 2810으로 제정하여 사용하고 있으며, 바닥충격음 차단성능을 평가할 때 일본건축학회 및 일본공업규격에서 제안하고 있는 L곡선과 단일 평가지수인 전체음압레벨 (Overall sound pressure level) [dB (A)]에 의거한 평가방법을 사용하였다. 바닥충격음은 비교적 중,고음역을 발생시키는 경량충격음 발생 장치인 태핑머신(Tapping Machine)과 저음역을 발생시키는 뱅머신(Bang Machine)을 사용하여 측정하였다.
*실시예
(1) L-곡선에 의한 바닥 충격음 차단성능 평가
경량 충격음의 경우 본 발명 제품이 적용된 후의 차음성능은 약 3등급(15dB) 소음이 감소되었으며, 중량 충격음의 경우 본 발명제품의 설치 전에 비하여 약 1등급(5dB)의 소음이 감소되었다. 도 2,3에서는 L-곡선에 의한 경량충격음과 중량충격음의 차단성능을 평가한 결과를 그래프로 나타내었으며, 표 1,2에서는 측정 데이터의 분석 결과를 나타내었다.
경량충격음 측정 데이터
중심주파수(Hz) |
63 |
125 |
250 |
500 |
1000 |
2000 |
4000 |
충격음레벨(dB) |
적용전 |
68.5 |
71.6 |
74.3 |
67.5 |
65.2 |
57.5 |
44.7 |
적용후 |
67.6 |
66.6 |
61.7 |
47.0 |
37.6 |
30.3 |
25.6 |
중량충격음 측정 데이터
중심주파수(Hz) |
63 |
125 |
250 |
500 |
1000 |
2000 |
4000 |
충격음레벨(dB) |
적용전 |
70.1 |
63.9 |
54.4 |
43.7 |
36.7 |
24.5 |
19.3 |
적용후 |
63.6 |
62.8 |
41.5 |
22.7 |
21.8 |
17.0 |
17.1 |
(2) 제품 구성에 따른 물성평가
표 3에서는 제품의 구성에 따른 충격음 저감 특성, 내하중 특성 및 열변형 특성을 평가한 결과를 나타내었다. 각 비교예와 실시예에서 보는 바와 같이 본 발명에 적용된 3층 적층구조는 충격음 저감효과에 있어, 경량충격음은 15dB, 중량층격음은 5dB 저감시키게 되는데, 이는 비교예에서 나타난 다른 제품군들에 비해 상대적으로 매우 우수한 효과를 갖는 것을 알 수 있다.
제품의 구성에 따른 물성평가 결과
|
비교예1 |
비교예2 |
비교예3 |
실시예 |
제품구성 |
경량콘크리트 |
폐타이어칩 |
유리솜 |
A/B/C적층구조1)
|
경량충격음 저감 |
- |
10dB |
10dB |
15dB |
중량충격음 저감 |
- |
- |
- |
5dB |
정적변형2)(400kgf/m2) |
- |
0.75mm |
7.50mm |
0.45mm |
잔류변형3)
|
0 ~ 1회 |
- |
0.58mm |
3.20mm |
0.30mm |
1 ~ 2회 |
- |
0.20mm |
2.74mm |
0.07mm |
내하중 변형율4)
|
변형없음 |
4.8% |
35.5% |
3.4% |
열변형율5)
|
변형없음 |
5.6% |
변형없음 |
변형없음 |
경량콘크리트 침투깊이6)
|
- |
7.5mm |
14.9mm |
침투없음 |
1) A/B/C 적층구조
A : 조사 폴리프로필렌/폴리에틸렌 혼합폼, B : 폐 폴리우레탄 폼, C : 폴리올레핀-고무 혼합폼
2) 정적변형
시험조건 : 시험체의 중앙에 가압판을 적재하고 100kgf/m2, 250kgf/m2, 400kgf/m2의 하중을 인가, 감소시킨 후 각각의 단계에서 2분 후의 변형을 0.05mm까지 측정
3) 잔류변형
시험조건 : 시험체의 중앙에 재하질량 100kgf/m2의 가압판을 올려 놓고 5분 경과 후 재하질량 500kgf/m2가 되도록 5분간 하중을 가한 후 가력 장치만큼의 하중을 제거하고 5분 경과 후 변형을 정탄성계수 측정방법에 준하여 측정하며, 이 때의 값을 0 ~ 1 회의 잔류 변형값으로 한다. 이 후 같은 과정을 반복하여 0 ~ 1 회의 잔류 변형으로부터 증가한 양을 1 ~ 2회의 잔류 변형값으로 한다.
4) 내하중 변형율
시험조건 : 400kgf/m2, 14days.의 조건으로 하중을 인가한 후 시험 전후의 시편 두께의 변화율을 측정한다.
5) 열변형율
시험조건 : 80℃, 48hrs.의 조건으로 500 ×500 (mm) 시편에 대해 시험한 후 시편 사이즈의 변화율을 측정한다.
6) 경량 콘크리트 침투깊이
시험조건 : 설치된 충격음 저감재 (두께 약 15mm)의 경계면에 OPP 테이프로 마감한 후 경량 기포 콘크리트를 60mm로 그 위에 타설하여 14일 동안 양생, 경화된 후 단면을 절단하여 표면 박리 및 각 충격음 저감재로의 침투 유무를 확인한다.
또한, 표 3에서는 역학적 안정성과 장기신뢰성을 확인하기 위해 실험한 정적변형 특성과 잔류변형 특성, 내하중 변형 특성과 열변형 특성에 있어서도 유리솜의 경우가 현저히 낮은 값을 나타내고 폐타이어칩 제품이 열적으로 취약한 특성을 나타내는데 반해 본 발명에 적용된 3중 적층 고분자 발포체는 매우 우수한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에 적용된 3중 적층고분자 발포체는 경량기포 콘크리트의 침투도 미미하여 우리나라의 습식공법에 매우 적합한 충격음 저감재임을 알 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 3중 적층의 충격흡수용 고분자복합체는 다른 충격음 저감재에 비해 충격음 저감효과는 물론 건축 자재로서의 역학적 안정성과 장기 신뢰성면에 있어서도 뛰어나다는 사실을 확인할 수가 있다.