KR100741454B1 - 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 감쇠성 및 통기성이 우수한 폴리우레탄 폼을 단독으로 사용하거나, 또는 상기 폴리우레탄 폼의 상부 또는 하부에 다른 완충물질을 더 접착하여 사용함으로써, 층간에서 발생하는 경량 충격음 뿐만 아니라, 중량 충격음까지도 효과적으로 저감할 수 있는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재에 관한 것이다.

폴리우레탄 폼, 층간 차음재

Description

폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재{Polyurethane foam to reduce impact sound}

도 1은 층간 차음재를 이용한 뜬 바닥구조의 예를 나타낸 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 폴리우레탄 폼 평판재와 폴리우레탄 폼의 한 면을 요철화한 차음재를 나타낸 도면이다.

도 3은 폴리우레탄 폼과 다른 한 완충재로 구성된 2층 복합 차음재를 나타낸 도면이다.

도 4는 폴리우레탄 폼과 다른 한 완충재 사이에 경질판재를 삽입한 3층 복합 차음재를 나타낸 도면이다.

도 5는 폴리우레탄 폼과 경질 폴리스티렌 성형체와 요철화한 폴리우레탄 폼으로 된 3층 복합 차음재의 한 실시예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 감쇠성과 통기성이 우수한 폴리우레탄 폼을 사용하여, 층간의 소음을 효과적으로 저감할 수 있는 층간 차음재에 관한 것이다.

현대에 들어 건물의 층간 충격음에 대한 규제가 강화됨에 따라, 층간 충격음을 줄일 수 있는 효과적인 완충재가 필요하게 되었다. 층간 충격음은 크게 나누어 경량 충격음(주파수 125-2000Hz)과 중량 충격음(주파수 63-500Hz)으로 나눌 수 있는데, 경량 충격음에 관한 규제가 먼저 실시되어 왔고, 중량 충격음의 규제는 근래에 들어 시작되었다. 경량충격음을 줄이는 것은 저탄성계수를 가진 발포체를 이용한 뜬 바닥구조로 해결할 수 있으나, 이와 같은 방법으로 중량충격음의 효과적인 저감은 힘드므로, 중량충격음을 효과적으로 저감할 수 있는 재료가 요구된다.

세계적으로, 바닥 충격음의 저감은 도 1에 보인 뜬 바닥구조를 사용하여 성공적으로 행하여져 왔다. 상기 뜬 바닥구조는, 걷거나 뛰어 마룻바닥에 가해진 충격은 마루와 벽을 통해 아래층으로 전달되는데, 콘크리트 바닥(통상 슬래브라 한다)과 그 위의 바닥조합체(기포 콘크리트, 마감 몰탈과 바닥마감재) 사이에 충격 차단재(isolator)를 넣으면, 바닥재에 가한 충격음이 그대로 콘크리트 바닥에 전달되지 않고 감쇠된다는 원리를 이용한 구조이다. 이론적으로 이는 질량-스프링-질량(mass-spring-mass)으로 총칭되는 복합구조의 하나로, 이런 구조를 통한 힘의 전달은 이론적으로 잘 확립이 되어있다.

낮은 동탄성계수를 가진 완충재를 충격음 차단재료 사용하면, 경량충격음은 효과적으로 저감할 수 있음은 잘 알려져 있다. 따라서, 경량충격음은 압축 연화하여 동탄성계수를 낮춘 폴리스티렌 성형물을 사용하여 성공적으로 저감하여 왔다. 그러나, 상기 폴리스티렌 성형물로는 중량충격음을 성공적으로 저감하는 것이 어려우며, 중량충격음의 발원과 전달은 경량충격음과는 달라 단순한 뜬 바닥구조로는 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

중량충격원으로 방바닥을 때리면, 방바닥에는 상하 진동파 뿐만 아니라 휨파가 발생하는데, 이 고유 휨파는 슬래브와 바닥조합체 사이에 넣는 진동 차단재만으로는 제어가 안 된다. 상기 휨파를 제어하기 위해서는, 바닥에 붙어 바닥의 진동을 감쇠하는 재료를 사용하여야 한다. 휨파의 감쇠를 효과적으로 실행하기 위해서는 상기 재료의 손실계수가 높아야한다. 이때, 상기 손실계수는 복합탄성계수와 손실률을 곱한 것이므로, 결국 손실률 뿐만 아니라 탄성계수도 높아야 한다는 결론이 나온다. 높은 손실률의 재료가 필요함은 경량충격음을 저감하는 경우와 같으나, 높은 탄성계수의 재료가 필요함은 경량충격음의 제어와는 반대이다. 이러한 경량충격음과 중량충격음의 상반된 요구조건은 차음재료의 선택을 어렵게 한다.

본 발명은 상기와 문제점을 해결하기 위한 것으로, 경량 충격음 뿐만 아니라 중량 충격음을 효과적으로 저감시키기 위하여, 보다 뛰어난 차음 능력을 가진 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재는 10% 변형에서 압축강도가 5-50kPa, 손실률이 0.15~0.6, 고유 통기성 저항이 10~600 kNs/m⁴ 이하인 고 저감성 및 고 통기성 반경질 폴리우레탄 폼을 하나의 층 이상 포함하며, 상기 폴리우레탄 폼의 각 층 사이에는 성형 폴리스티 렌 비즈 폼 판재와 같은 경질판재가 더 접착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재는 상기 폴리우레탄 폼의 상부 또는 하부에 완충물질을 접착하며, 상기 폴리우레탄 폼과 상기 완충물질의 사이에는 성형 폴리스티렌 비즈 폼 판재와 같은 경질판재가 더 접착되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 완충물질은 10% 변형에서 압축강도가 10~30kPa인 폴리스티렌 성형물인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 적절한 탄성계수 및 높은 감쇠성과 높은 통기성을 가진 재료를 사용하면, 경량충격음과 중량충격음을 함께 저감할 수 있다는 것에서 착안했다. 즉. 탄성계수가 너무 높으면 경량충격음의 저감이 힘들고, 너무 낮으면 중량충격음의 차음이 힘들므로, 반 경질재료를 선택해야 하는 것이다. 감쇠성은 바닥의 상하진동을 감쇠할 뿐만 아니라, 바닥 휨파의 증폭을 방지하고 감쇠하며, 고통기성은 바닥조합체에서 슬래브로 전달되는 충격파를 공기와 재료의 마찰열로 소모하게 하여, 음파의 전달을 줄일 것이라는 아이디어이다.

상기와 같은 물성을 가진 재료를 물색한 결과, 통기성이 높은 감쇠성 반경질 폴리우레탄 폼을 선택하여 상기와 같은 아이디어를 검정하기로 하였다. 또한, 다른 물성을 가진 여러 폼 재료의 복합체를 사용하면, 상기 상반된 요구조건을 좀 더 쉽게 만족할 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 완충폼의 중간에 경질판재를 넣어, 차음구조를 여러 진동구조의 직렬 연결체로 제조하여, 차음효과가 증대되도록 하였 다.

이러한 능력을 가진 층간차음재는 상기 차음에 요구되는 물성 이외에도 적절한 내하중성, 내열성 및 내구성을 가지고 있어야 한다.

도 1에서 바닥조합체는 재래바닥구조의 경우, 기포콘크리트, 몰탈 그리고 그 위의 마감재 등으로 구성되어 있고, 근래에 개발 중인 반건식의 경우에는 기포콘크리트를 사용하지 않는다. 또한, 도 1에 측면차음재의 사용을 보이고 있으나, 이를 사용하지 않을 수도 있다. 본 바닥조합체의 구조는 여러 가지 변화된 구조에 다 적용이 가능하다.

도 2 내지 도 5에 도시된 도면은 본 발명에 의한 층간 차음재의 종류를 나타내고 있다.

이중, 도 2a 및 도 2b의 경우는 폴리우레탄 폼 평판재와 상기 폴리우레탄의 한 면을 요철화한 차음재료를 나타낸 것이다. 요철화는 면을 올록볼록하게 만들어 다른 평면과 접촉할 때, 접촉하는 면적을 줄이는 효과를 낳으며, 띠, 육면체, 피라미드, 구형 등 어떠한 형체로도 사용할 수 있다.

도 3은 2층 복합차음재를 나타낸 것으로 상층이나 하층 중 적어도 어느 하나는 본 발명의 폴리우레탄 폼으로 되어있으며, 다른 한 층의 재료는 압착 연화한 폴리스티렌 폼 성형물, 폴리프로필렌 폼 성형물, 폴리올레핀 폼 보드, 폴리에스터섬유 판재 등의 통용되는 완충재 중에서 선택한다. 또한, 각 층의 재료는 평판재이거나 요철화한 재료일 수 있다.

도 4는 3층 복합차음재를 나타낸 것으로 두 완충재 중간에 경질판재를 삽입 한 구조이다. 도 3에서와 같이 완충재 중에서 적어도 하나는 본 발명의 폴리우레탄 폼이며, 다른 한 완충재는 본 발명의 폴리우레탄 폼이나, 압착 연화한 폴리스티렌 폼 성형물, 폴리프로필렌 폼 성형물, 폴리올레핀 폼 보드, 폴리에스터섬유 판재 등 통용 차음재 중에서 선택한다. 경질판재는 폴리스티렌 폼, 경질 폴리우레탄 폼, 폴리프로필렌 폼, 베니다, 무기물 판재 등 비교적 딱딱한 재료이며, 밀도가 25kg/m³ 이상인 폴리스티렌 폼 성형물을 선호한다. 또한, 각 층의 재료는 평판재이거나 요철화한 재료일 수 있다.

상기 도면은 본 발명의 몇 가지 구조를 예시한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 예시한 구조에만 국한된 것은 아니다.

이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용한 폼재료

본 발명의 실시예에서 사용한 폼재료는 반경질 폴리우레탄 폼(PU)이며, 비교예에서 사용한 폼재료는 압축 연화한 폴리스티렌 성형물(EPS)이다. 상기 폴리우레탄 폼은 몰드 반경질 폼(Molded Semi-Rigid Foam)으로서, 폴리메릭(Polymeric) 엠디아이(MDI)와 폴리올을 섞어, 몰드에 넣어서 만든 밀도가 30kg/m³인 폼이다. 상기 폴리우레탄 폼을 20mm 두께로 잘라 물성을 측정하고 차음 실험에 사용하였다.

또한, 상기 폴리스티렌 성형물은 분자량이 약 23만인 발포성 폴리스티렌 비즈를 고도 발포하여 성형하고, 이를 프레스로 66% 압착한 후, 24시간 동안 숙성한 것을 23mm 두께로 절단하여 롤프레스로 다시 한번 66% 압착하여 연화시킨 재료이다. 상기 연화된 폴리스티렌 성형물(EPS)의 최종 밀도는 9.9kg/m³이고 두께는 약 20mm이다.

폼 재료의 물성 측정 실험

상기 폴리우레탄 폼(PU), 폴리스티렌 성형물(EPS) 그리고, 요철화된 폴리우레탄 폼인 PUe의 물성을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다. 이때, 상기 PUe는 20mm 두께의 상기 폴리우레탄 폼의 하단에 두께가 5mm이고 한 면이 10mm인 정사각형 조각을 서양의 장기판처럼 조각 간의 간격이 10mm가 되도록 붙여서 만든 올록볼록형 재질인 것이다.

아래 표 1에서 폼재료의 압축강도는 10mm×10mm 넓이의 샘플을 ASTM D-3575 방법에 준하는 방법으로 분당 20mm의 압축속도로 측정하였으며, 상기 고유 통기성 저항은 ISO 9053-A 방법에 준하는 방법에 의거하여 측정하였다.

또한, 손실률은 동탄성계수를 재는 ISO 9052-1:1989에 준하는 방법에 의거하여 잘 알려진 충격망치(impact hammer)법이나 진동 테이블(vibration table)법으로 측정할 수 있는데, 본 실시예에서는 진동 테이블법을 사용하였다. 즉, 진동 테이블 위에 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 20mm인 폼 샘플을 얹고, 그 위에 같은 넓이를 가진 2kg 무게의 철판을 얹은 후, 진동 테이블을 진동시켜 테이블의 진동하는 힘이 윗 철판에 전달되는 정도를 진동수에 따라 측정하여, 고유진동수와 힘 전달함 수를 결정하고 이를 이용하여 동탄성계수와 손실률을 계산하였다. 손실률은 상온에서 측정하였다.

종류	밀도 (kg/m3)	압축강도 (10%변형)(kPa)	동탄성율 (MPa)	고유통기성저항 (kNs/m4)		손실률
EPS	9.9	13	0.47	매우 높음		0.08
PU	30	21	0.67	101		0.28
PUe	30	7.4	0.30	101		0.28

상기 표 1에서, EPS의 경우에는 고유 통기성 저항이 너무 높아 측정이 불가능하였다.

또한, 상기 동탄성율은 10% 압축강도로부터 아래의 수학식 1에 의하여 계산하였다.

E=0.0611(CS₁₀)^0.788

상기 수학식 1은 실제로 측정한 여러가지 폼재료의 압축강도와 동탄성율 데이타를 연관시킨 실험식이며, 이때, CS₁₀은 10%변형에서의 압축강도(단위는 kPa)이며, E는 상기에 의해 계산된 동탄성율 값(단위는 MPa)을 나타낸 것이다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 폴리우레탄 폼은 EPS에 비하여 약간 높은 동탄성계수를 가지고 있으나, 상기 폴리우레탄 폼을 요철화하면 EPS보다 낮은 동탄성계수를 가지게 된다.

또한, 폴리우레탄 폼은 비교적 낮은 고유 통기성 저항과 높은 손실률을 가지고 있으며, 여기에서 손실률은 감쇠성을 나타내는 지표이다.

충격음 저감 축소실험

본 실시예에서는 상기 폼재료를 이용하여 충격음 저감 실험을 실시하였으며, 실험방법은 KS F 2810-1, 2: 2001(바닥충격음 차단성능 현장 측정 방법)에 의거하여, 바닥충격음의 차단성능을 측정할 수 있는 시설에서 소형구조를 설치하여 축소 차음 실험을 실시하였다.

즉, 가로 1m 세로 1.2m되는 차음구조를 상부 잔향 실험실의 150mm두께의 바닥 중앙에 거치한 후, 표준 경량충격원 혹은 중량충격원을 가진하고, 지하 수음실에서 전파되는 1/3 옥타브밴드로 충격음을 측정하였다. 이렇게 측정한 충격음을 KS F 2863-1: 2002(건물 및 건물 부재의 바닥충격음 차단성능 평가방법: 표준 경량충격원에 대한 차단성능)과 2863-2: 2002(건물 및 건물 부재의 바닥충격음 차단성능 평가방법: 표준 중량충격원에 대한 차단성능)방법에 의하여 충격음 단일수치 평가량을 경량충격원과 중량충격원에 대해서 각각 구했다. 낮은 충격음 단일수치 평가량은 충격음에 대한 높은 차음효과를 의미한다.

이때, 본 실시예에 사용된 상기 차음구조는 1m×1.2m의 완충재 시편으로 미리 제작하였으며, 각 완충재료의 폼 원재는 요철화된 폴리우레탄폼(PUe)을 제외하고는 모두 20mm의 두께이다. PUe의 경우에는 요철부분의 두께가 5mm이므로, 총 두께가 25mm이다.

아래 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1은 폴리우레탄 폼을 이중으로 붙인 형태이며, 실시예 2 및 실시예 3은 폴리우레탄 폼에 각각 요철화된 폴리우레탄 폼(PUe) 및 EPS를 붙인 형태이다. 또한, 비교예로는 EPS를 이중으로 붙인 차음구조가 사용되었다.

상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예의 차음구조 시편은 완충재 시편과 동일크기의 목재 프레임 내에 비닐을 깔고 완충재 시편을 끼워 넣은 후, 그 위에 다시 비닐을 깔고 40mm 두께의 모르타르를 타설한 후, 6일간 양생해서 만들었다.

이와 같은 방법으로 제조된 차음구조 시편을 사용하여 충격음 저감실험을 실시하였으며, 각 차음구조 당 세 번씩 실험을 실시한 후, 얻어진 결과를 종합하여 아래 표 2에 나타내었다.

구분	상층	하층	총두께 (mm)	적층복합체 동탄성율 (MPa)	적층복합체 동탄성계수 (MN/m3)	충격음단일 수치평가량
						경량 (dB)	중량 (dB)
비교예	EPS	EPS	40	0.47	12	37	59
실시예1	PU	PU	40	0.67	17	37	54
실시예2	PU	PUe	45	0.48	11	36	54
실시예3	PU	EPS	40	0.55	14	35	57

이때, 상기 적층 복합체의 동탄성계수(k)는 아래 수학식 2 및 수학식 3에 의하여 계산된 값이다.

상기 수학식 2는 각 층의 동탄성계수(K_i)는 동탄성율(E_i)를 두께(x_i)로 나누어 얻는 것을 나타내고 있으며, 상기 수학식 3의 k는 복합체의 동탄성계수이고, k₁ 및 k₂는 개개의 구성 완충체의 동탄성계수를 나타낸 것이다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 사용된 적층 복합 완충재의 동탄성계수는 17MN/m³ 이하로 상당히 낮은 편이다.

본 실시예에 사용된 완충재는 경량충격음에 대한 단일수치 평가랑이 모두 37dB이하로 효과적인 경량충격음 저감재인 것을 알 수 있으며, 뜬 바닥구조의 차음이론에 의하면, 경량충격음의 저감은 완충재의 동탄성계수가 낮으면 낮을 수록 좋아진다.

실시예 1 및 실시예 3의 폴리우레탄 폼이나 이를 사용한 복합체는 동탄성계수가 EPS보다 높음에도 불구하고 EPS와 같거나, 보다 나은 경량충격음 저감 능력을 보여준다. 이는 폴리우레탄 폼의 감쇠성과 통기성에 영향을 받은 것으로 유추된다.

또한, 폴리우레탄 폼의 월등한 차음성능은 중량충격음의 차음에서 더 역력히 나타난다. 즉, 실시예 1과 비교예를 대비하여 보면, 실시예 1의 폴리우레탄 폼은 비교예의 EPS보다 5dB나 낮은 중량충격음 단일평가량 수치를 기록한다. 그리고, 실시예 2와 비교예를 대비하여 보면, 실시예 2의 폴리우레탄 폼과 EPS의 적층체는 비교예의 EPS보다 2dB 낮은 단일평가량 수치를 기록한다. 이러한 결과는 높은 감쇠성과 통기성을 보유한 폴리우레탄 폼이 감쇠성이 낮은 독립기포성 EPS보다 중량 충격음을 더 잘 저감한다는 것을 보여준다.

본 발명에 의한 감쇠성과 통기성이 우수한 폴리우레탄 폼을 층간 차음재에 사용하게 되면, 층간에서 발생하는 경량 충격음 뿐만 아니라, 중량 충격음까지도 효과적으로 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims (10)

1. 층간 차음재에 있어서,

   상기 층간 차음재는 10% 변형에서 압축강도가 5-50kPa, 손실률이 0.15~0.6, 고유 통기성 저항이 10~600 kNs/m⁴ 인 고 저감성 및 고 통기성 반경질 폴리우레탄 폼을 하나의 층 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리우레탄 폼은 10% 변형에서 압축강도가 15~45kPa, 손실률이 0.2~0.5, 고유 통기성 저항이 20~300kNs/m⁴ 인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 폴리우레탄 폼의 각 층 사이에는 경질판재가 더 접착되는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 경질판재는 성형 폴리스티렌 비즈 폼 판재인 것을 특징으로 하는 폴리 우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
5. 층간 차음재에 있어서,

   상기 층간 차음재는 10% 변형에서 압축강도가 10-50kPa, 손실률이 0.15~0.6, 고유 통기성 저항이 10~600 kNs/m⁴ 이하인 고 저감성 및 고 통기성 반경질 폴리우레탄 폼과,

   상기 폴리우레탄 폼의 상부 또는 하부에 완충물질을 접착하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 폴리우레탄 폼은 10% 변형에서 압축강도가 15~45kPa, 손실률이 0.2~0.5, 고유 통기성 저항이 20~300kNs/m⁴ 이하인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 완충물질은 10% 변형에서 압축강도가 10~30kPa인 폴리스티렌 성형물인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 폴리우레탄 폼과 상기 완충물질의 사이에는 경질판재가 더 접착되는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
9. 제 8항에 있어서

   상기 경질판재는 성형 폴리스티렌 비즈 폼 판재인 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 폴리우레탄 폼은 탄성계수가 낮도록 오목볼록 형으로 가공한 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼을 이용한 층간 차음재.

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