KR101356402B1 - 폴리우레탄 폼 및 이를 포함하는 공기입 타이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디올과 디이소시아네이트를 반응시켜 얻어지며, 상기 디올은 폴리에테르계 디올과 폴리에스테르계 디올을 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼과 이를 적용한 공기입 타이어에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연질계의 폴리우레탄 폼 제조시 디올 성분으로서 폴리에테르계 디올과 폴리에스테르계 디올을 혼합 사용하고, 발포제의 함량을 변화시켜 제조된 폴리우레탄 폼을 공기입 타이어의 내부공간(cavity)에 위치시킴으로써 타이어 내부공간(cavity)에서 발생되는 공명소음을 저감하면서 또 내구성을 개선시키는 효과를 가진다.

Description

폴리우레탄 폼 및 이를 포함하는 공기입 타이어{Polyurethane foam and pneumatic tire}
본 발명은 폴리우레탄 폼 및 이를 포함하는 공기입 타이어에 관한 것으로서, 상세하게는 공기입 타이어가 갖는 내부공간(cavity)에 의해 발생하는 공명소음을 감소시킬 수 있는 폴리우레탄 폼 및 이를 적용한 타이어에 관한 것이다.
타이어 공동 또는 내부공간(cavity)에 의한 공명음은 타이어 내부에 존재하는 공동 공간에 의해 발생하는 소음으로 최근 차량 및 타이어 업체에서 이러한 소음 개선에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기자동차 출현 등과 더불어 최근의 자동차 품질 향상의 한 방법으로 승차감 향상과 더불어 쾌적한 환경을 위하여 실내 소음뿐만 아니라 타이어 패턴에 기인되는 외부소음에 대한 저감화 요구가 점점 커지고 있는 실정이다.
이 중에서 공기입 타이어가 갖는 내부공간 또는 공동(cavity)에서 기인되는 소음은 차량의 실내에서 날카로운 피크를 가지는 음으로 발생하기 때문에 운전자에게 불쾌감을 주며 승차감을 감소시키는 원인이 된다.
엔진룸 소음이 거의 없는 전기자동차의 출현과 더불어 또한 차량에 장착되는 타이어 규격이 저편평화 및 인치업화 되면서 이러한 타이어 공명 소음은 더욱 중요한 문제로 부각되고 있다.
이러한 타이어 공명 소음을 저감시키기 위한 종래 기술을 살피면, 내부면에 흡음 성능을 가진 특수 스펀지를 장착(KR 2006-0125502)하거나, 타이어와 휠 내부공간에 림에 장착할 수 있는 환상체를 배치하여 내부 공간을 변형(KR 2005-0102110)시키기도 하며 또는 휠 표면에 모피등의 재질을 부착하여 타이어 공동의 공명에 의한 소음을 저감시키기도 한다.
그러나, 타이어 내부에 흡음 성능을 가진 특수 스펀지를 장착하거나 휠 표면에 이물질을 부착할 경우, 타이어와 휠 제조 후 별도의 공정이 추가되어 비용이 증가할 뿐만 아니라 제조된 타이어와 휠의 보관이 용이하지 않을 수 있다. 또한 원주 전체로 부착할 경우 중량 증가로 인한 RR 성능이 저하될 수 있다.
또 다른 방법으로는 타이어 내부에 40~100mm 크기의 구형 흡음체를 고정하지 않은 채 삽입(JP 2002-240507)하여 타이어 내부에 존재하면서 타이어 공명소음을 저감한다고 제안하였다. 이러한 구형 흡음재의 경우 일반 PCR 규격에 유용하며 발열 방지를 위한 접착은 불용한다고 하였다. 하지만 최근 타이어 규격이 저편평화 됨에 따라 내부 공간 협소로 인해 구형 흡음체를 적용하기 힘들 수도 있으며 흡음체의 내구성 측면에서는 고려되어야 할 부분이 많이 남아있다.
흡음체의 재질 측면에서는, 엔진 룸과 차 실내 사이를 가로막는 대시 보드부에 종래의 연질 폼은 그 단독으로 저주파수 영역의 흡음 성능이 불충분하다는 점에서 폴리올레핀을 주성분으로 하는 고무 등의 열가소성 소재를 연질 폼에 부착시키거나 하여 차음 성능을 개선(일본 공개특허공보 평5-209036호)하고자 하였으나 이러한 문제는 연질 폼과 열가소성 소재의 접착성을 고려할 필요가 있다는 중량증가 등의 문제가 내포되어 있어서, 재질을 연질 폴리우레탄 폼으로 단순화하여 저주파수 영역의 흡음특성을 개선하고자 한 사례(KR 10-2006-0059957)를 들 수 있다. 여기에서는 고분자량 폴리옥시알킬렌폴리올, 유기 폴리이소시아네이트 화합물, 발포제 및 촉매를 함유하는 원료 조성물을 사용하여 밀폐된 금형 내에서 발포시켜 통기성을 0.085㎥/min 이하로 제어한 경우이다.
또, 타이어 내면에 밴드 부재를 이용하여 장착한 후에 홈 및 크랙 등의 파손이나 압축(붕괴) 등의 변형을 유효하게 억제하는 타이어용 연질 폴리우레탄 폼(KR 10-2008-0070862)을 제공하는 기술도 소개되었지만 이들을 적용한 타이어 상에서 공명소음 저감효과에 대한 성능은 찾아보기 어려웠다.
또한, 공개특허 KR 2010-0047024에 의하면 부드러운 감촉을 가지면서 밀도가 높고, 통기성이 높으며 반발 탄성률이 높은 것을 특징으로 하기 위하여 폴리올 성분과 폴리이소시아네이트 화합물을 반응시켜 얻어지는 연질폴리우레탄 폼에 있어서, 상기 폴리올 성분은 폴리올 화합물, 발포제인 물, 촉매, 정포제를 함유하며, 상기 폴리올 화합물은 평균 관능기수가 2~4, 프로필렌옥사이드와 에틸렌옥사이드의 공중합체이며 에틸렌옥사이드의 함유율이 50-90 중량%, 수산기가가 30-70 mg KOH/g의 폴리에테르 폴리올 화합물과 프로필렌옥사이드와 에틸렌옥사이드 중합체 등으로 구성되는 폼으로 공중합체가 폴리올 화합물 100 중량부 중 50-90 중량부인 것을 특징으로 제공하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 폴리우레탄 연질 폼들은 그 단독으로는 저주파수 영역에서 공명소음 저감이 불충분하거나 폴리우레탄 폼 자체의 강성이 약하여 변형 또는 파괴되는 문제점을 극복하기가 어려웠다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 폴리우레탄 폼이 일반적으로 가지고 있는 공기입 타이어의 내부 공간 안에서 취약한 인장력과 강성으로 쉽게 주저앉고 부스러지는 단점을 개선하여 공기압타이어 내부공간(cavity)에서 발생되는 공명소음을 줄일 수 있는 흡음재로서 폴리우레탄 폼을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 폴리우레탄 폼을 적용하여 내부 공간에서의 공명 소음을 줄여 승차감이 우수한 공기입 타이어를 제공하는 데도 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄 폼은 디올과 디이소시아네이트를 반응시켜 얻어지며, 상기 디올은 폴리에테르계 디올과 폴리에스테르계 디올을 혼합 사용할 수 있다.
또한, 상기 폴리에스테르계 디올은 전체 디올 100 중량부 중 5~30 중량부로 포함되고, 상기 폴리에테르계 화합물은 전체 디올 100 중량부 중 70-95 중량부로 포함될 수 있다.
상기 폴리에테르계 디올은 수산기가가 22~36mgKOH/g이고, 중량평균분자량이 2,000~3,500g/mol인 것일 수 있다.
상기 폴리에테르계 디올은 폴리프로필렌옥사이드일 수 있다.
상기 폴리에스테르계 디올은 수산기가가 260~325mgKOH/g일 수 있다.
또한, 상기 폴리에스테르계 디올은 폴리카프로락톤계 디올, 폴리에스테르 디올, 폴리에스테르 폴리카보네이트 디올, 폴리카보네이트 디올, 및 폴리탄산에스테르 디올로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 추가적으로 화학적 발포제, 촉매 및 가교제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 화학적 발포제는 물이고, 상기 디올 100 중량부에 대하여 1.10~1.50 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리우레탄 폼을 포함하는 공기입 타이어를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연질계의 폴리우레탄 폼 제조시 디올 성분으로서 폴리에테르계 디올과 폴리에스테르계 디올을 혼합 사용하고, 발포제의 함량을 변화시켜 제조된 폴리우레탄 폼을 공기입 타이어의 내부공간(cavity)에 위치시킴으로써 타이어 내부공간(cavity)에서 발생되는 공명소음을 저감하면서 또 내구성을 개선시키는 효과를 가진다.
도 1은 실시예 4 및 비교예 4의 소음 특성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명에 따른 폴리우레탄 폼은 디올(diol)과 디이소시아네이트(diisocyanate)의 반응을 통하여 폴리우레탄을 제조하는 공정을 이용하며, 이때 발포를 위해 화학적 발포제, 촉매 및 가교제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 디올은 폴리에테르계 디올과 폴리에스테르계 디올을 혼합 사용하는 바, 이는 폴리에테르계 디올의 장점과 폴리에스테르계 디올의 장점을 활용하여, 폴리우레탄 폼에 있어서 기존의 폴리에테르계 폴리우레탄 폼이 가지고 있는 취약한 인장력 때문에 쉽게 깨어지거나 스폰지와 같이 쉽게 주저앉거나 잘 부스러지는 취약함을 개선된 우레탄 폼으로 공기압타이어 내부공간(cavity)에서 발생되는 공명소음을 줄이고자 한 것이다.
상기 폴리에스테르계 디올이란, 에스테르 결합을 분자 내에 가지고, 또한, 분자 사슬 말단에 수산기를 가지는 고분자로서, 구체적인 예를 들면, 폴리카프로락톤계 디올, 폴리에스테르 디올, 폴리에스테르 폴리카보네이트 디올, 폴리카보네이트 디올, 폴리탄산에스테르 디올 등을 들 수 있으며, 이 중에서 폴리카프로락톤계 디올이 가장 바람직하다.
상기 폴리에스테르계 디올은 폴리 카르본산 또는 그 에스테르, 무수물 등의 에스테르 형성가능한 유도체와 디올을 직접 에스테르화 반응(direct esterification) 또는 에스테르 교환 반응 등의 공지된 방법에 의해 얻어질 수 있다.
상기 폴리에스테르계 디올은 수산기가가 260~325mgKOH/g일 수 있다. 상기 폴리에스테르계 디올의 수산기가가 이보다 적거나 큰 경우에는 적정한 분자량 확보 및 폼의 성절 발현에 문제가 있을 수 있다.
상기 폴리에테르계 디올은 유연성이 좋으며 부드러운 촉감을 가지며 흡습성이 그다지 높지 않아, 이를 이용하여 폴리우레탄 폼을 제조하고, 타이어에 적용하는 경우 타이어의 장기보존이 용이한 장점을 가지고 있다. 따라서, 유연성이 좋은 폴리에테르계 디올을 주요 성분으로 하면서, 유연성과 강성을 동시에 갖는 폴리우레탄 폼이 되도록 한다.
본 발명에 따른 폴리에테르계 디올은 수산기가가 22~36mgKOH/g인 것이 바람직하며, 상기 폴리에테르계 디올의 수산기가가 이보다 적거나 큰 경우에는 적정한 분자량 확보 및 폼의 성절 발현에 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 폴리에테르계 디올의 중량평균분자량은 2,000~3,500g/mol인 것이 바람직하며, 상기 폴리에테르계 디올의 중량평균분자량이 상기 범위를 벗어나는 경우 본 발명에서 지향하는 폼의 유연성 등에 문제가 있을 수 있다.
상기 폴리에테르계 디올은 전체 디올 100중량부 중 70-95 중량부로 포함될 수 있고, 나머지는 폴리에스테르계 디올을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폴리에테르계 디올의 함량이 70-95 중량부를 벗어나는 경우 폼의 유연성 등의 원하는 성질을 잃을 수 있다.
상기 조건 및 특성을 만족시킬 수 있는 폴리에테르계 디올은 바람직하게 폴리프로필렌옥사이드일 수 있다.
상기 디올과 반응하는 디이소시아네이트의 종류는 특별히 한정되지 않고, 통상의 우레탄 제조에 사용되는 지방족, 지환족, 방향족 유기 디이소시아네이트를 모두 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI), 4,4'-디페닐 메탄 디이소시아네이트, p-페닐렌 디이소시아네이트, 크실렌 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이소홀론 디이소시아네이트, 트릴렌 디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 4,4'-디시클로헥실메탄 디이소시아네이트 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 폴리우레탄 제조시, 상기 디올과 디이소시아네이트는 100:20~100:35의 중량비로 반응시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 디올과 디이소시아네이트로부터 폴리우레탄을 혼합하고, 이를 발포하기 위하여 추가적으로 화학적 발포제, 촉매 및 가교제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 화학적 발포제는 물이 바람직하고, 상기 디올 성분 100 중량부에 대하여 1.10~1.50 중량부로 포함될 수 있다. 상기 발포제인 물의 함량 조절을 통하여 본 발명의 최종 폴리우레탄 폼의 물성을 조절할 수 있는 바, 상기 발포제인 물의 함량이 디올 성분 100 중량부에 대하여 1.10 중량부 미만인 경우 폼이 안정적이지 않을 수 있으며, 물의 함량이 디올 성분 100 중량부에 대하여 1.50 중량부를 초과하는 경우 폴리우레아의 생성 증가 등으로 폼의 유연성이 감소할 수 있다.
또한, 폴리우레탄 폼의 제조시 사용될 수 있는 촉매는 아민계 또는 틴(tin)계 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 폴리우레탄 폼의 제조시 사용될 수 있는 가교제는 디올(diol)계 또는 디아민(diamine)계 가교제 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 촉매와 가교제 이외에 폼 제조시 일반적으로 사용되는 정포제 또는 난연제 등과 같은 기타 첨가제를 포함하여 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있다.
본 발명의 폴리우레탄 폼은 상기 디올과 디이소시아네이트, 발포제인 물, 촉매, 가교제 및 기타 첨가제를 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 폴리우레탄 폼의 제조 조건은 본 발명에서 특별히 한정되지 않고 통상의 폴리우레탄 폼 제조 조건에 준하여 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 폴리우레탄 폼은 25% ILD(25% indentation load deflection)가 25~40이고, 경도 저하율(내구성)이 2~5를 만족하는 것일 수 있다. 이러한 물성은 본 발명에서 사용하는 디올의 성분 조절과 발포제의 함량 변화에 의해 가능하며, 이러한 물성으로 인해 공기입 타이어 내부 공간안에서 폼이 쉽게 주저앉거나 부스러지는 단점을 개선하며 공명소음을 줄일 수 있는 역할을 위해 효과적이라 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리우레탄 폼을 내부에 포함하는 공기입 타이어를 제공할 수 있다.
상기 폴리우레탄 폼은 상기 공기입 타이어의 내부 공극에 조각, 바람직하게는 원통 형상의 조각을 충진하거나 스프레이 방식으로 도포할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리우레탄 폼을 포함하는 본 발명의 공기입 타이어는 타이어의 원주길이에 상관없이 저주파 영역에서 공명소음을 0~10dB까지 저감시킬 수 있다. 따라서, 타이어 내부공간 (cavity)에서 발생되는 공명소음으로 인해 승차감이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 효과를 가진다.
이하에서 본 발명을 실시예에 따라 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
비교예 1~3, 실시예 1~3
다음 표 1과 같은 조성을 챔버에 넣고 교반 및 혼합하여 폴리우레탄 폼을 제조하였다.
(함량: 중량부) 비교예 실시예
1 2 3 1 2 3
폴리올 성분 폴리에테르 디올(폴리프로필렌 옥사이드, 36mgKOH/g)
(분자량)		 100
(2000)		 100
(3000) 		100
(>3500)		 90
(2000) 		90
(3000) 		90
(>3500)
폴리에스테르 디올(폴리카프로락톤 디올, 280mgKOH/g) - - - 10 10 10
디이소시아네이트
성분		 MDI 23.53 30.58 34.81 23.53 30.58 34.81
발포제(물) 1.10 1.10 1.10 1.35 1.35 1.35
촉매(4급 암모늄계) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
가교제(글리세린) 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3
기타 첨가제(착색제,노방제, 난연제 등) 9.0 9.0 9.0 9.0 9.0 9.0
실험예 1
상기 비교예 1~3과 실시예 1~3에 따라 제조된 각 폴리우레탄 폼의 경도저하율과 25% ILD를 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.
- 25% ILD: 규정 사이즈의 원형 가압판으로 두께 50mm의 폴리우레판 폼을 규정속도로 75% 눌렀다가 하중을 제거하고 다시 25% 누르고 20초 후의 하중을 경도값으로 측정함.
- 경도저하율: 상기 결과의 정도를 수치화 함.
비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2 실시예3
경도저하율
(내구성)		 9.1 7.3 5.6 5.0 2.3 2.1
25% ILD 19 21 22 40 35 28
상기 표 2의 결과에서와 같이, 본 발명 실시예 1~3에 따른 폴리우레탄 폼의 내구성과 경도가 비교예 1~3에 따른 폴리우레탄 폼에 비해 개선된 것을 알 수 있다.
비교예 4~6, 실시예 4~6
또한 상기 비교예 1~3, 및 실시예 1~3에 따라 제조된 각 폴리우레탄 폼을 공기입 타이어의 내부 공간에 원통형으로 충진시켰다.
실험예 2
상기 비교예 4 및 실시예 4에 따라 제조된 각 공기입 타이어의 소음 특성을 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 하기 도 1에 나타내었다.
- 소음 특성 측정: 실차주행평가중 운전석에서 측정하는 방법에 의하여 측정함.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼을 공기입 타이어에 적용하여 공명소음 개선여부를 확인결과 저주파영역인 210Hz에서 5.2dB의 개선 효과가 있음을 알 수 있다.
실험예 3
상기 비교예 4~6과 실시예 4~6에 따라 제조된 각 공기입 타이어의 접착강도를 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.
- 접착강도: 트랙 테스터(tack tester)를 이용하여 6회 측정한 후, 평균 접착력을 계산함.
비교예4 비교예5 비교예6 실시예4 실시예5 실시예6
접착강도(kgf) 6 5 7 5 9 10
상기 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼을 공기입 타이어에 적용하는 경우 접착강도가 향상되었음을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 디올과 디이소시아네이트를 반응시켜 얻어지며,
    상기 디올은 폴리에테르계 디올로 수산기가가 22 내지 36 mgKOH/g이고, 중량평균분자량 3,000 내지 3,500 g/mol인 폴리프로필렌옥사이드를 상기 전체 디올 100 중량부 중 88 내지 92 중량부로 포함하고, 폴리에스테르계 디올로 수산기가가 260 내지 325 mgKOH/g인 폴리카프로락톤 디올을 상기 전체 디올 100 중량부 중 8 내지 12 중량부로 포함하며,
    상기 디올과 디이소시아네이트를 중량비 100 : 30 내지 100 : 35로 반응시켜 얻어지는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 추가적으로 화학적 발포제, 촉매 및 가교제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 화학적 발포제는 물이고, 상기 디올 100중량부에 대하여 1.10~1.50 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼.
  9. 제1항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 폴리우레탄 폼을 내부 공극에 포함하는 공기입 타이어.
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