KR101289129B1 - 흡음성능이 우수한 흡음재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡음성능이 우수한 흡음재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입사된 소리에너지의 점성 손실을 유발할 수 있도록 넓은 표면적과 공기층을 형성하여 흡음률 및 투과손실을 향상시키고, 적은 양의 섬유를 사용하여도 우수한 흡음성능을 발현할 수 있어 경량화 설계가 가능하며, 반발탄성을 가지는 바인더 섬유를 사용하여 섬유 간의 충분한 결속력을 유지할 수 있으면서도 섬유구조체에 전달되는 소리에너지의 점성 손실을 극대화시켜 흡음성능을 향상시킬 수 있는 흡음재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

흡음성능이 우수한 흡음재 및 그 제조방법{Sound-absorbing materials having excellent sound absorption performance and manufacturing method thereof}
본 발명은 흡음성능이 우수한 흡음재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차의 부품이나 차체의 내외장재로 부착되어 외부 소음이 차량 실내로 유입되는 것을 차단하며, 모터 부품을 사용하는 전자제품 등에도 소음 차단 성능을 향상시키기 위해 사용할 수 있는 흡음성능이 우수한 흡음재에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에 유입되는 소음은 엔진에서 발생한 음이 차체를 통해서 유입되는 소음과 타이어와 노면과의 접촉 시 발생되는 소음이 차체를 통해서 유입되는 소음으로 나눌 수 있다. 이러한 소음을 개선하는 방법에는 흡음성능을 개선하는 것과 차음 성능을 개선하는 두 가지 방법이 있는데 흡음이란 발생한 소리에너지가 소재의 내부경로를 통해 전달되면서 열에너지로 변환되어 소멸하는 것이며, 차음은 발생한 소리에너지가 차폐물에 의해 반사되어 차단되는 것이다.
이러한 흡차음재는 자동차의 내외장재로서 차체 등에 부착하거나 자동차의 부품 등에 부착하여 널리 사용되고 있는데, 대표적으로 사용되는 재료로는 유리섬유, 우레탄 폼, 잡사 펠트, 일반 PET(polyethylene terephthalate) 섬유 등을 들 수 있다. 하지만 친환경성 및 재활용 가능 여부에 대한 각 국의 규제가 점차적으로 강화되고 있는 추세여서 PET나 PP(polypropylene) 등의 열가소성 수지를 기반으로 하는 섬유 흡음재의 사용 비율이 증가하고 있는 상황이다. 또한 이산화탄소 저감을 위하여 차량의 연비 규제도 점차 심화되고 있는데, 연비 향상은 부품의 경량화를 통해 달성할 수 있으므로 향상된 성능과 더불어 경량화된 흡음재의 개발이 필요한 상황이다.
자동차용 흡음재로 사용되는 섬유집합체(주로 부직포 형태)는 내부에 입사된 음파를 공기의 점성저항과 섬유집합체 및 집합체를 구성하고 있는 섬유의 점탄성 특성에 기안한 진동 감쇄현상에 의해 소리에너지를 열에너지로 변환시켜 최종적으로 소음이 감소된다. 섬유 기반 흡음재의 흡음 및 차음 성능은 섬유 집합체를 이루고 있는 섬유의 두께, 섬유 집합체의 면밀도, 섬유 집합체의 두께 등에 의해 좌우될 수 있다.
섬유의 두께가 얇아지면 일정 부피 내에 섬유를 더 많이 투입할 수 있고, 이는 공극률을 증가시켜 흡음 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 섬유 집합체의 면밀도 및 두께를 증가시키면 공극률 및 음파 소산 경로가 길어지므로 흡음 성능 및 차음 성능이 향상된다.
이러한 음향 특성에 따라 통상적으로 차량의 NVH(Noise, Vibration ＆ Harshness) 성능을 향상시키기 위하여 고급 차종에서는 주로 고중량, 고후도의 흡음재를 사용하고 있다. 그러나 이러한 흡음재를 사용하는 경우 소음은 감소되나, 차량의 중량을 증가시키므로 연비를 저해하는 문제점이 있다.
또한, 종래 흡음재의 문제점을 극복하기 위하여 섬유의 두께를 얇게 하여 공극률을 향상시키고, 이를 통해 흡음 성능은 향상시키면서 섬유 집합체의 중량을 저감시키는 방법이 개발되고 있다. 그러나 이 역시 소기의 NVH 성능을 향상시키기 위해서는 섬유 집합체의 면밀도를 향상시켜야 하는 단점을 지니고 있다.
또한, 부직포 형태의 섬유집합체를 제조하기 위해서는 단섬유와 바인더 섬유를 함께 적절한 비율로 혼합하여 제조하게 된다. 바인더 섬유는 보통 내층은 레귤러 폴리에스터 외층은 저융점 폴리에스터를 복합 방사한 단섬유가 사용되고 있다.
그러나 이와 같은 종래의 저융점 폴리에스터 바인더 섬유를 사용하게 되면 섬유집합체가 단단해지기 때문에 음파의 전달로 인해 발생하는 매트릭스 구조로 전달되는 진동이 충분히 감쇄하지 못해 주로 저주파 영역의 흡음률이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 입사된 소리에너지의 점성 손실과 소산 경로를 극대화할 수 있는 넓은 표면적과 공기층을 형성하여 흡음률 및 투과손실을 향상시키고, 적은 양의 섬유를 사용하여도 우수한 흡음성능을 구현할 수 있어 경량화 설계가 가능한 흡음재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
나아가, 섬유 간의 충분한 결속력을 유지할 수 있으면서도 성형성을 향상시키며, 반발 탄성율이 향상되어 궁극적으로는 매트릭스 내부로 전달되는 소리에너지에 대한 진동감쇄 능력이 우수한 흡음재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
하기 관계식 1을 만족하는 다형 단면섬유; 및 다수의 상기 다형 단면 섬유를 부분 접합시키는 바인더 섬유;를 포함하는 섬유 집합체를 부직포 형태로 성형하는 흡음재의 제조방법을 제공한다.
[관계식1]
Figure 112012079455108-pat00001
(A: 섬유 단면적(μm2), P: 섬유단면 둘레의 길이(μm))
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 관계식1의 값이 1.8 이상을 만족하는 다형 단면섬유를 포함하여 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 다형 단면 섬유는 육각 별 모양, 3봉 편평형, 6엽형 및 8엽형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 다형 단면 섬유의 길이는 35 내지 65 mm일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 바인더 섬유는 탄성회복률이 50 내지 80%인 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바인더 섬유는 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 폴리에스터계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계, 폴리비닐클로라이드계 및 폴리우레탄계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 디메틸테레프탈레이트(Dimethyl Terephthalate: DMT)와 디메틸이소프탈레이트(Dimethyl isophthalate: DMI) 또는, 테레프탈산(Terephthalic Acid: TPA)과 이소프탈산(Isophthalic Acid: IPA)을 산성분(Diacid)으로 1,4-부탄디올(1,4-Butanediol: 1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(Polytetramethyleneglycol: PTMG)을 디올성분(Diol)으로 하여 에스테르화 및 중합단계를 통해 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 다형 단면 섬유 50 내지 80중량% 및 바인더 섬유 20 내지 50% 를 포함하여 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 하기 관계식 1을 만족하는 다형 단면섬유; 및 다수의 상기 다형 단면 섬유를 부분 접합시키는 바인더 섬유;를 포함하는 흡음재를 제공한다.
[관계식1]
Figure 112012079455108-pat00002
(A: 섬유 단면적(μm2), P: 섬유단면 둘레의 길이(μm))
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 관계식1의 값이 1.8 이상을 만족하는 다형 단면섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 다형 단면 섬유는 육각 별 모양, 3봉 편평형, 6엽형 및 8엽형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 다형 단면 섬유의 길이는 35 내지 65 mm일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 다형 단면 섬유의 섬도는 1,0 내지 7.0 De일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바인더 섬유는 탄성회복률이 50 내지 80%인 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 바인더 섬유는 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 폴리에스터계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계, 폴리비닐클로라이드계 및 폴리우레탄계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 디메틸테레프탈레이트(Dimethyl Terephthalate: DMT)와 디메틸이소프탈레이트(Dimethyl isophthalate: DMI) 또는, 테레프탈산(Terephthalic Acid: TPA)과 이소프탈산(Isophthalic Acid: IPA)을 산성분(Diacid)으로 1,4-부탄디올(1,4-Butanediol: 1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(Polytetramethyleneglycol: PTMG)을 디올성분(Diol)으로 하여 에스테르화 및 중합단계를 통해 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 흡음재는 다형 단면 섬유 50 내지 80중량% 및 바인더 섬유 20 내지 50% 를 포함할 수 있다.
본 발명의 흡음성능이 우수한 흡음재는 입사된 소리에너지의 점성 손실을 유발할 수 있도록 넓은 표면적과 공기층을 형성하여 흡음률 및 투과손실을 향상시킬 수 있다. 또한, 적은 양의 섬유를 사용하여 우수한 흡음성능을 발현할 수 있어 경량화 설계가 가능하며, 반발탄성을 가지는 바인더 섬유를 사용하여 섬유 간의 충분한 결속력을 유지할 수 있으면서도 섬유구조체에 전달되는 소리에너지의 점성 손실을 극대화시켜 흡음성능을 향상시킬 수 있다.
따라서 자동차, 기차, 선박, 항공기 등의 수송용 전반에 걸쳐 사용될 뿐만 아니라 모터 부품을 사용하는 전자제품 등에도 소음 차단 성능을 향상시키기 위해 사용할 수 있는 흡음성능이 우수한 흡음재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 흡음재에 포함되는 육각 별모양의 다형 단면 섬유이다.
도2는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 흡음재에 포함되는 3봉 편평형의 다형 단면 섬유이다.
도3은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 흡음재에 포함되는 6엽형의 다형 단면 섬유이다.
도4는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 흡음재에 포함되는 8엽형의 다형 단면 섬유이다.
도5는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 8엽형 다형 단면 섬유를 예로 들어 L, W을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 섬유 구조체 흡음재는 공극률 및 음파 소산 경로를 증대시켜 흡음 성능 및 차음 성능을 향상시키기 위해서 섬유 집합체의 면밀도 및 두께를 증가시키므로 차량의 중량이 커질 수 밖에 없어 연비를 저해하는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 섬유 구조체 흡음제에 사용되는 저융점 폴리에스터 바인더 섬유를 사용하게 되면 섬유집합체가 단단해지기 때문에 음파의 전달로 인해 발생하는 매트릭스 구조로 전달되는 진동이 충분히 감쇄하지 못해 저주파의 흡음률이 저하되는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 하기 관계식 1을 만족하는 다형 단면섬유; 및
다수의 상기 다형 단면 섬유를 부분 접합시키는 바인더 섬유;를 포함하는 흡음재를 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
[관계식1]
Figure 112012079455108-pat00003
(A: 섬유 단면적 (μm2), P: 섬유단면 둘레의 길이 (μm))
이를 통해 입사된 소리에너지의 점성 손실을 유발할 수 있도록 넓은 표면적과 공기층을 형성하여 흡음률 및 투과손실을 향상시킬 수 있다. 또한, 적은 양의 섬유를 사용하여 우수한 흡음성능을 발현할 수 있어 경량화 설계가 가능하며, 반발탄성을 가지는 바인더 섬유를 사용하여 섬유 간의 충분한 결속력을 유지할 수 있으면서도 섬유구조체 전달되는 소리에너지의 점성 손실을 극대화시켜 흡음성능을 향상시킬 수 있다. 따라서 자동차, 기차, 선박, 항공기 등의 수송용 전반에 걸쳐 사용될 뿐만 아니라 모터 부품을 사용하는 전자제품 등에도 소음 차단 성능을 향상시키기 위해 사용할 수 있는 흡음성능이 흡음재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
일반적으로 음파는 특정 재료와 마찰하게 되면 점성 손실이 발생하게 되고, 이는 음파의 기계적 에너지가 열에너지로 변환되면서 결국 소음이 감소하는 결과를 가져온다. 동일 중량의 섬유집합체로 입사되는 음파에 대한 에너지 손실률을 높여서 소음을 감소시키기 위해서는 음파의 점성 손실이 발생하는 섬유의 표면적이 증가할수록 유리하다.
본 발명에서 사용되는 다형 단면섬유는
Figure 112012079455108-pat00004
(A: 섬유 단면적 (μm2), P: 섬유단면 둘레의 길이 (μm)) 와 같이 계산되는
Figure 112012079455108-pat00005
값이 1.5 이상을 만족하는 것으로, 기존의 섬유구조체 흡음재에 사용되는 섬유에 비하여 넓은 표면적이 확보되고 흡음률 및 투과 손실을 향상시킬 수 있다.
Figure 112012079455108-pat00006
값이 1.5 미만일 경우 섬유 표면적이 작아 효과적으로 흡음 성능을 구현하기 위해서는 많은 양의 섬유가 필요하여 경량화 설계가 불가능한 문제점이 있다.
Figure 112012079455108-pat00007
값이 클수록 섬유 표면적이 넓은 것을 뜻하므로 보다 바람직하게는 본 발명에서 사용되는 다형 단면섬유는 상기
Figure 112012079455108-pat00008
값이 1.8 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.8 내지 3.0 일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 다형 단면섬유의
Figure 112012079455108-pat00009
값이 3.0을 초과할 경우 구금 제작 비용 증가, 냉각 효율 향상 관련 설비 교체, 고화속도 개선을 위한 고분자 개질, 생산성 저하 등으로 인해 결과적으로 제조 비용 상승을 초래하는 문제가 발생할 수 있다.
상기
Figure 112012079455108-pat00010
값이 1.5 이상을 만족하는 본 발명에서 사용되는 다형 단면 섬유는 육각 별 모양, 3봉 편평형, 6엽형 또는 8엽형 등의 단독 또는 혼합 형태일 수 있다. 구체적으로, 도1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 육각 별모양의 다형 단면 섬유로,
Figure 112012079455108-pat00011
값이 1.51이며, 도2는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 3봉 편평형의 다형 단면 섬유로,
Figure 112012079455108-pat00012
값은 1.60 이다. 또한, 도3은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 6엽형의 다형 단면 섬유로
Figure 112012079455108-pat00013
값은 1.93이며, 도4는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 8엽형의 다형 단면 섬유로,
Figure 112012079455108-pat00014
값은 2.50이다.
일반 원형 단면 섬유의
Figure 112012079455108-pat00015
값은 1.0으로 표면적이 충분히 넓지 않아 흡음률 및 투과손실이 현저히 떨어지며(비교예1 참조), 육각 별 모양, 3봉 편평형, 6엽형 또는 8엽형 형태의 다형 단면 섬유일지라도
Figure 112012079455108-pat00016
값이 1.5 이상을 만족하지 않는다면 소리에너지의 점성 손실을 발생시킬 수 있는 표면적이 충분치 않아 본 발명 흡음재에 사용되는 다형 단면 섬유로 적합하지 않다. (비교예2 내지 5 참조)
보다 바람직하게는 본 발명에서 사용되는 다형 단면섬유는 L/W 값이 2 내지 3일 수 있다. L은 섬유의 세로 방향에 대한 길이인 Length 약자 값이고, W은 꼭지점과 꼭지점을 잇는 가로방향에 대한 길이 Width 약자 값을 나타낸다. 구체적으로 도5는 8엽형 다형 단면섬유를 예로 들어 L, W값을 나타낸 것으로, 8엽형 다형 단면 섬유 단면의 경우 길이가 긴 방향이 세로 방향이라 했을 때 그 길이를 L, 길이가 짧은 3개의 모양에서 꼭지점에서 꼭지점까지의 거리를 W로 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 다형 단면섬유는 보다 바람직하게는 꼭지점의 수가 6 내지 8개 일 수 있다. 다만, 상기 L/W 또는 꼭지점 수에 특별히 한정되는 것은 아니며,
Figure 112012079455108-pat00017
값이 1.5 이상을 만족하는 다형 단면섬유라면 바람직하다.
상기 다형 단면 섬유의 길이는 35 내지 65 mm일 수 있으며, 35mm 미만인 경우 섬유 간의 간극이 넓어져서 섬유 집합체로의 형성 및 생산이 힘들며, 과도한 공극률로 인하여 흡음 및 차음 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 65mm를 초과하는 경우 섬유 간 간극이 너무 좁아져서 공극률이 저하되어 흡음률을 저하시킬 수 있다. 나아가 상기 다형 단면 섬유의 섬도는 1,0 내지 7.0 De일 수 있으며, 섬도가 작아질수록 흠음 성능 향상에는 효과적일 수 있다. 다형 단면 섬유의 섬도가 1.0 De 미만인 경우 목표로 하는 단면의 최적 형상을 제어하는데 문제가 있을 수 있으며, 7.0 De를 초과하는 경우 부직포 제조 공정상에 어려움이 발생하고 섬유집합체로 제조되었을 때 흡음성능이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명 흡음재에 포함되는 상기 다형 단면 섬유의 재질로는 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)가 사용될 수 있으나, 이에 특별히 한정되지는 않으며, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 레이온 등 섬유 형태로 방사될 수 있으며 흡음재로 사용될 수 있는 폴리머라면 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 흡음재는 다수의 상기 다형 단면 섬유를 부분 접합시키는 바인더 섬유를 포함한다.
상기 바인더 섬유는 섬유 구조체 제조 시 통상적으로 사용되는 바인더 섬유를 사용할 수 있으며, 섬유뿐 아니라 파우더 형태로 사용될 수도 있고, 보다 바람직하게는 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 포함할 수 있다. 엘라스토머(Elastomer)란, 일반적으로 고무류와 같은 탄성이 현저한 고분자 재료를 말하며, 즉, 외력을 가하여 잡아당기면 늘어나고 외력을 제거하면 본래의 길이로 돌아가는 성질을 지닌 고분자를 의미한다. 본 발명에서 사용되는 바람직한 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는50 내지 80%의 탄성회복률을 나타낼 수 있다. 탄성회복률이 50% 미만인 경우 섬유집합체가 단단해지고 유연성이 부족하여 흡음성능이 저하될 수 있으며, 80%를 초과하는 경우 중합물 자체의 제조 비용 상승뿐만 아니라 섬유집합체 제조시 가공성이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.
종래에는 바인더 섬유가 용융되고 주섬유를 결속시키고 나면 섬유집합체가 단단해지기 때문에 음파의 전달로 인해 발생하는 매트릭스 구조로 전달되는 진동이 충분히 감쇄하지 못해 흡음률이 저하되는 문제점이 있었으나, 본 발명은 섬유집합체의 바인더 섬유를 탄성회복률이 50 내지 80%인 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 포함하도록 하여 섬유구조체의 반발 탄성율(ASTM D 3574)을 50 내지80%까지 증가시키고, 궁극적으로는 매트릭스 내부로 전달되는 진동감쇄 능력이 향상되어 흡음률 및 투과손실을 향상시킬 수 있다.
상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 폴리에스터계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계, 폴리비닐클로라이드계 또는 폴리우레탄계 등의 단독 또는 혼합 형태일 수 있다.
또한, 더욱 바람직하게는 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 디메틸테레프탈레이트(Dimethyl Terephthalate: DMT)와 디메틸이소프탈레이트(Dimethyl isophthalate: DMI) 또는, 테레프탈산(Terephthalic Acid: TPA)과 이소프탈산(Isophthalic Acid: IPA)을 산성분(Diacid)으로 1,4-부탄디올(1,4-Butanediol: 1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(Polytetramethyleneglycol: PTMG)을 디올성분(Diol)으로 하여 에스테르화 및 중합단계를 통해 제조할 수 있다.
상기 산성분(Diacid)은 디메틸테레프탈레이트(Dimethyl Terephthalate: DMT)과 디메틸이소프탈레이트(Dimethyl isophthalate: DMI) 또는 테레프탈산(Terephthalic Acid: TPA)과 이소프탈산(Isophthalic Acid:IPA)을 사용하는 것으로 디메틸테레프탈레이트(DMT)와 테레프탈산(TPA)는 디올성분과 반응하여 결정영역을 형성하고 디메틸이소프탈레이트(DMI)와 이소프탈산(IPA)은 디올성분과 반응하여 비결정영역을 형성하여 저융점 기능과 탄성력을 부여한다.
상기 디메틸테레프탈레이트(DMT)와 디메틸이소프탈레이트(DMI)의 혼합비는 몰비 0.65~0.80 : 0.2~0.35로 제조되는 것이 바람직하며, 테레프탈산(TPA)과 이소프탈산(IPA)의 혼합비도 몰비 0.65~0.80 : 0.2~0.35로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 디메틸이소프탈레이트(DMI)와 이소프탈산(IPA)의 몰비가 상기 범위보다 적게 사용되며 탄성회복률이 저하될 수 있으며, 저융점 기능이 나타나지 않을 수 있고, 디메틸이소프탈레이트(DMI)와 이소프탈산(IPA)의 몰비가 상기 범위보다 많이 사용하게 되면 물성이 저하될 수 있다.
상기 디올성분(Diol)은 1,4-부탄디올(1,4-Butanediol: 1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(Polytetramethyleneglycol: PTMG)을 사용하는 것으로 1,4-부탄디올은 산성분과 반응하여 결정영역을 형성하고 폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG)는 산성분과 반응하여 비결정영역을 형성하여 저융점 기능과 탄성력을 부여한다.
상기 1,4-부탄디올(1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG)의 혼합비는 몰비 0.85~0.95: 0.05~0.15로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG)의 몰비가 상기 범위보다 적게 사용되며 탄성회복률이 저하될 수 있으며, 저융점 기능이 나타나지 않을 수 있으며, 디폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG)의 몰비가 상기 범위보다 많이 사용하게 되면 물성이 저하될 수 있다. 1,4-부탄디올(1,4-BD)은 상기 범위 내에서 에틸렌글리콜(EG)과 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG)의 분자량은 1500~2000인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG)가 상기 분자량의 범위를 벗어나면 제조되는 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)의 탄성력 및 물성이 사용에 적합하지 않을 수 있다.
상기 산성분과 디올성분은 몰비 0.9~1.1: 0.9~1.1로 혼합되어 중합되는 것이 바람직할 것이다. 상기 산성분과 디올성분 중 어느 하나의 성분이 너무 많이 혼합되면 중합에 사용되지 않고 버려지게 되는 것으로 상기 산성분과 디올성분은 비슷한 양으로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 디메틸테레프탈레이트(DMT), 디메틸이소프탈레이트(DMI)을 산성분(Diacid)으로 1,4-부탄디올(1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(PTMG)을 디올성분(Diol)으로 제조되는 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 융점 150~180℃, 탄성회복률 50~80%로 제조된다.
또한. 본 발명 흡음재의 바인더 섬유는 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유일 수 있다. 보다 바람직하게는 시스-코어(sheath-core)형 또는 사이드 바이 사이드(side by side)형의 복합섬유일 수 있으며, 시스-코어(sheath-core)형 복합섬유를 형성할 경우, 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 시스 성분으로, 일반 폴리에스터를 코어 성분으로 할 수 있다. 일반 폴리에스터는 제조 단가를 낮추고, 섬유를 지지하는 기능을 하며, 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 탄성력과 저융점 기능이 발현될 수 있도록 한다.
상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)와 일반 폴리에스터의 중량비 40:60~60:40으로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)가 중량비 40미만으로 포함되면 탄성력과 저융점 기능이 저하될 수 있으며, 중량비 60을 초과하면 제조단가가 높아지는 문제점이 있다.
상기 흡음재는 다형 단면 섬유 50 내지 80중량% 및 바인더 섬유 20 내지 50중량% 를 포함할 수 있다. 다형 단면 섬유의 함량이 50 중량% 미만인 경우에는 섬유의 표면적이 축소되어 최적의 흡음 및 차음 성능을 구현할 수 없으며, 반면 다형 단면 섬유의 함량이 80 중량%를 초과하게 되면 상대적으로 바인더 섬유의 함량이 20% 미만이 되어 섬유 간의 충분한 결속력을 유지하지 못하게 되며, 이로 인해 흡음재를 임의의 모양으로 성형하기가 어렵고, 매트릭스 구조가 강건하지 못하기 때문에 음파의 전달로 인해 발생하는 매트릭스 구조로 전달되는 진동이 충분히 감쇄되지 않아 저주파의 흡음률이 저하될 수 있다. 바인더 섬유의 함량이 20 내지 50중량%로 증가함에 따라 반발 탄성율(ASTM D 3574)은 50 내지 80%까지 증가하게 된다.
이와 같은 흡음성능이 우수한 다형단면 섬유구조체는 하기 관계식 1을 만족하는 다형 단면섬유; 및 다수의 상기 다형 단면 섬유를 부분 접합시키는 바인더 섬유;를 포함하는 섬유 집합체를 부직포 형태로 성형하는 흡음재의 제조방법을 통해 제조한다.
[관계식1]
Figure 112012079455108-pat00018
(A: 섬유 단면적 (μm2), P: 섬유단면 둘레의 길이(μm))
흡음재를 제조를 위해서는 상기한 다형 단면 섬유와 바인더 섬유가 포함된 섬유 집합체를 니들 펀칭 공정 또는 열 접착 공정 등 통상의 섬유구조체 흡음재 제조 공정을 통해 특정의 면밀도를 지닌 부직포의 형태로 성형하여 제조할 수 있다. 본 발명 흡음재의 제조방법에 동일하게 적용되는 상술한 다형 단면 섬유 및 바인더 섬유에 대한 상세한 설명은 이하 생략하도록 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예1>
폴리에스터 소재의 6.5 De, 61mm, 강도 5.8g/D, 신도 40%, 크림프수 14.2개/inch, 8엽형(도4,
Figure 112012079455108-pat00019
= 2.5) 다형단면 섬유와 바인더 섬유인 폴리에스터계 저융점(LM) 엘라스토머를 포함하는 시스-코어형 복합섬유를 8:2의 중량비가 되도록 혼합한 후 중량을 일정하게 조절해서 니들 펀칭 공정을 거쳐 물리적으로 교락시킨 후 통상의 열 접착 공정을 거쳐 두께 20mm, 면밀도 1600g/m2의 부직포 형태 섬유집합체를 제조하였다. 제조된 흡음재의 반발 탄성율은 55%를 나타내었다.
상기 바인더 섬유인 폴리에스터계 저융점(LM) 엘라스토머를 포함하는 시스-코어형 복합섬유는, 폴리에스터계 저융점(LM) 엘라스토머를 시스 성분으로 하였으며, 폴리에스터계 저융점(LM) 엘라스토머는, 산성분으로서 테레프탈산 75몰%와 이소프탈산 25몰%를 혼합한 혼합물을 사용하고, 디올성분으로서 폴리(테트라메틸렌에테르)글리콜 8.0몰%, 1,4-부탄디올 92.0몰%를 혼합한 혼합물을 사용하여 상기 산성분과 상기 디올성분을 몰비 1: 1로 혼합하여 중합시켜 제조하였다. 이와 같이 제조된 저융점(LM) 엘라스토머는50℃의 융점과 1.4의 고유점도 및 80%의 탄성회복률을 갖는다. 코어 성분으로는, 260℃의 융점과 0.65의 고유점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용하였으며, 상기 폴리에스터계 저융점(LM) 엘라스토머와 일반 PET을 복합방사 할 수 있는 복합방사구금을 이용하여 방사온도 275℃, 권취 속도 1,000m/min로 방사 및 77℃에서 3.3배 연신 처리하고 140℃에서 최종 열처리하여 섬도 6D, 강도 3.0g/D, 신도 80%, 크림프수 12개/인치, 섬유장 64㎜의 복합섬유를 제조하였다.
<실시예 2>
두께 20mm, 면밀도 1200g/m2의 부직포 형태 섬유구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예3>
육각 별모양(도1, η = 1.51)의 다형 단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예4>
3봉 편평형(도2, η = 1.60)의 다형 단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예5>
6엽형(도3, η = 1.93)의 다형 단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예6>
바인더 섬유로 저융점 PET 섬유를 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다. 제조된 흡음재의 반발 탄성율은 30%를 나타내었다.
<비교예 1>
원형(
Figure 112012079455108-pat00020
= 1.0)의 다형단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예 2>
오각 별모양(
Figure 112012079455108-pat00021
= 1.30)의 다형단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예3>
W형(
Figure 112012079455108-pat00022
= 1.42)의 다형단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예4>
Y형(
Figure 112012079455108-pat00023
= 1.26)의 다형단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예 5>
육각 별모양(
Figure 112012079455108-pat00024
= 1.41)의 다형단면 섬유를 사용하여 흡음재를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실험예>
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 흡음재의 흡음 및 차음성능을 평가하기 위하여 하기 측정방법에 따라 실험하고, 그 결과를 표1 내지 2에 나타내었다.
1. 흡음률
흡음율 측정하기 위해 ISO R 354, Alpha Cabin법에 적용 가능한 시편으로 각각 3매씩 제조하여 흡음계수를 측정하고 측정된 흡음계수 평균값을 표 1에 나타내었다.
2. 투과손실
차음 효과를 측정하기 위해 투과손실계수 평가장비인 APAMAT-Ⅱ에 적용 가능한 시편으로 각각 3매씩 제조하여 삽입손실을 측정하고, 측정된 삽입손실의 평균값을 표 2에 나타내었다.
3. 탄성회복률
탄성회복률은 인스트론(Instron)을 사용하여 덤벨(Dumbbell)모양의 두께 2㎜, 길이 10cm의 시료를 200%/분의 속도로 200% 신장 후 5초대기후 동일 속도로 회복 후 신장된 길이를 측정하여 하기 식으로 구하였다.
탄성회복률(%) = {[20-(L-10)]/20]}x100
(L: 신장된 길이)
4. 반발탄성률(Ball Rebound)
일정한 높이에서 시험편에 쇠구슬을 떨어뜨려 반발되어 튀어 오르는 높이를 측정하였다. (JIS K-6301, 단위: %) 시험편은 한 변 길이가 50 mm 이상 및 두께 50 mm 이상의 정사각형으로 제작하였으며, 무게 16g, 지름 16mm의 강철 볼을 500mm의 높이에서 시험편에 낙하시켜 최대 반발 높이를 측정한 후, 3개의 시험편 각각에서 1분 이내 연속으로 최소 3회 이상의 반발값을 측정하여 중앙값을 반발탄성률(%)로 하였다.
구분 주파수별(Hz) 흡음률
1000Hz 2000Hz 3150Hz 5000Hz
실시예1 0.67 0.75 0.84 0.96
실시예2 0.54 0.63 0.77 0.85
실시예3 0.62 0.67 0.78 0.88
실시예4 0.59 0.71 0.81 0.90
실시예5 0.62 0.69 0.80 0.90
실시예6 0.50 0.70 0.79 0.89
비교예1 0.51 0.61 0.74 0.83
비교예2 0.57 0.65 0.75 0.86
비교예3 0.57 0.62 0.76 0.86
비교예4 0.56 0.64 0.75 0.85
비교예5 0.61 0.65 0.75 0.86
구분 주파수별(Hz) 투과손실(dB)
1000Hz 2000Hz 3150Hz 5000Hz
실시예1 25 27 35 43
실시예2 23 24 32 41
실시예3 22 25 32 40
실시예4 24 25 33 41
실시예5 24 26 33 41
실시예6 21 24 31 40
비교예1 22 23 31 40
비교예2 21 24 31 40
비교예3 22 24 32 41
비교예4 21 24 31 40
비교예5 22 24 32 40
상기 표1 내지 2에서 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 5의 흡음,차음 성능 측정 결과를 비교함으로써 섬유의 표면적이 넓어질수록 섬유집합체의 흡음 및 차음 성능이 향상되는 것으로 나타났다.
구체적으로, 실시예 2와 비교예 1의 성능 측정 결과를 비교함으로써 본 발명의 다형 다면 섬유를 이용한 흡음재는 섬유집합체의 면밀도가 낮아짐에도 불구하고 일반적으로 사용되는 원형 단면 섬유를 이용한 섬유흡음재보다 흡음 및 차음 성능이 우수함을 알 수 있다. 따라서 적은 양의 섬유를 사용하여 경량화 설계가 가능하다.
Figure 112012079455108-pat00025
값이 1.5 이상을 만족하는 실시예1 및 2 내지 5는
Figure 112012079455108-pat00026
값이 1.5 미만인 비교예1 내지 5에 비하여 흡음률 및 투과손실이 현저히 우수한 것을 알 수 있다. 육각 별모양의 다형 단면 섬유를 이용하였지만,
Figure 112012079455108-pat00027
값이 1.5 미만인 비교예5 역시 표면적이 넓지 않아 흡음률 및 투과손실 면에서 효과가 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 바인더 섬유로 저융점 PET 섬유를 사용한 실시예6과 저융점 엘라스토머를 사용한 실시예1 내지 5의 성능 측정 결과를 비교함으로써 저융점 엘라스토머를 바인더 섬유로 사용함으로써 반발 탄성율 55%의 유연한 구조를 가지게 되고, 매트릭스 구조로 전달되는 진동 감쇄 능력의 향상으로 흡음성능이 향상되었음을 알 수 있었다.

Claims (19)

  1. 하기 관계식 1을 만족하는 다형 단면섬유 50 내지 80중량%; 및
    다수의 상기 다형 단면 섬유를 부분 접합시키는 바인더 섬유 20 내지 50중량%;를 포함하는 섬유 집합체를 부직포 형태로 성형하는 흡음재의 제조방법.
    [관계식1]
    Figure 112013016123214-pat00028

    (A: 섬유 단면적(μm2), P: 섬유단면 둘레의 길이(μm))
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관계식1의 값이 1.8 이상을 만족하는 다형 단면섬유를 포함하여 제조하는 것을 특징으로 하는 흡음재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다형 단면 섬유는 육각 별 모양, 3봉 편평형, 6엽형 및 8엽형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 흡음재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다형 단면 섬유의 길이는 35 내지 65 mm인 것을 특징으로 하는 흡음재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 섬유는 탄성회복률이 50 내지 80%인 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 포함하며, 상기 흡음재의 반발 탄성률은 50 내지 80%인 것을 특징으로 하는 흡음재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바인더 섬유는 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유인 것을 특징으로 하는 흡음재의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 폴리에스터계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계, 폴리비닐클로라이드계 및 폴리우레탄계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 흡음재의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 디메틸테레프탈레이트(Dimethyl Terephthalate: DMT)와 디메틸이소프탈레이트(Dimethyl isophthalate: DMI) 또는, 테레프탈산(Terephthalic Acid: TPA)과 이소프탈산(Isophthalic Acid: IPA)을 산성분(Diacid)으로 1,4-부탄디올(1,4-Butanediol: 1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(Polytetramethyleneglycol: PTMG)을 디올성분(Diol)으로 하여 에스테르화 및 중합단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 흡음재의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 하기 관계식 1을 만족하는 다형 단면섬유 50 내지 80중량%; 및
    다수의 상기 다형 단면 섬유를 부분 접합시키는 바인더 섬유 20 내지 50중량%;를 포함하는 흡음재.
    [관계식1]
    Figure 112013016123214-pat00029

    (A: 섬유 단면적(μm2), P: 섬유단면 둘레의 길이(μm))
  11. 제10항에 있어서,
    상기 관계식1의 값이 1.8 이상을 만족하는 다형 단면섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡음재.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 다형 단면 섬유는 육각 별 모양, 3봉 편평형, 6엽형 및 8엽형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 흡음재.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 다형 단면 섬유의 길이는 35 내지 65 mm인 것을 특징으로 하는 흡음재.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 다형 단면 섬유의 섬도는 1.0 내지 7.0 De인 것을 특징으로 하는 흡음재.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 바인더 섬유는 탄성회복률이 50 내지 80%인 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 포함하며, 상기 흡음재의 반발 탄성률은 50 내지 80%인 것을 특징으로 하는 흡음재.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 바인더 섬유는 상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)를 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유인 것을 특징으로 하는 흡음재.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 폴리에스터계, 폴리아미드계 및 폴리우레탄계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 흡음재.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 저융점(LM) 엘라스토머(Elastomer)는 디메틸테레프탈레이트(Dimethyl Terephthalate: DMT)와 디메틸이소프탈레이트(Dimethyl isophthalate: DMI) 또는, 테레프탈산(Terephthalic Acid: TPA)과 이소프탈산(Isophthalic Acid: IPA)을 산성분(Diacid)으로 1,4-부탄디올(1,4-Butanediol: 1,4-BD), 폴리테트라메틸렌글리콜(Polytetramethyleneglycol: PTMG)을 디올성분(Diol)으로 하여 에스테르화 및 중합단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 흡음재.
  19. 삭제
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