KR101439067B1 - 흡차음재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡차음재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내열섬유로 이루어진 부직포에 폴리이미드 바인더를 함침시켜 이루어지며, 흡음성, 난연성, 내열성, 차열성이 우수하여 상온은 물론이고 300℃ 이상의 고온이 유지되는 부위에 적용이 가능하면서도 상기 폴리이미드 바인더를 이용하여 성형이 가능한 흡차음재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

흡차음재 및 이의 제조방법{Noise absorbent fabric and manufacturing method for the same}
본 발명은 흡차음재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내열섬유로 이루어진 부직포에 폴리이미드 바인더를 함침시켜 이루어지며, 흡음성, 난연성, 내열성, 차열성이 우수하여 상온은 물론이고 300℃ 이상의 고온이 유지되는 부위에 적용이 가능하면서도 상기 폴리이미드 바인더를 이용하여 성형이 가능한 흡차음재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
산업이 고도로 발달해감에 따라 인간에게 불필요한 소음이 발생됨으로써 소음으로 인한 피해의 정도가 점차 증가되고 있는 실정이다. 이에 다양한 소음방지 대책이 제안되고 있다. 이러한 소음방지 대책의 일환으로서 방음, 흡음 또는 차음 기능을 가지는 새로운 소재의 흡차음재를 개발하고자 하는 연구가 다양하게 진행되고 있다.
흡차음재가 요구되는 산업분야로는 에어컨, 냉장고, 세탁기, 잔디깎기 등의 전기제품 분야, 자동차, 선박, 항공기 등의 수송기기 분야, 또는 벽재, 바닥재 등의 건축자재 분야 등이 대표적이라 할 수 있다. 그 밖에도 여러 산업분야에서 흡차음재 사용이 요구되고 있다. 통상적으로 산업분야에서 적용되는 흡차음재의 경우, 흡음성 이외에도 적용용도에 따라 경량화, 난연성, 내열성, 단열성이 추가로 요구된다. 특히 300℃ 이상의 고온이 유지되는 엔진 또는 배기계 등에 적용되는 흡차음재라면 난연성 및 내열성이 더 요구될 수 있다. 현재 내열성이 우수한 흡차음재 소재로서는 아라미드 섬유, 폴리이미드 섬유, 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 가 주목을 받고 있다.
또한 흡차음재에 난연성, 발수성 등의 기능성을 부여할 목적으로, 아라미드 섬유가 포함된 부직포와 기능성 표피재가 적층된 구조의 흡음재가 다수 개발되어 있다.
예를 들어, 한국공개특허 제2007-0033310호에는 내열성 아라미드 단섬유와 폴리에스테르 열가소성 단섬유가 교락(交絡)된 부직포층과, 아라미드 단섬유로 이루어진 습식 부직포로 된 표피재층이 적층된 난연성 흡음재가 개시되어 있다.
또한, 일본공개특허 제2007-0039826호에는 내열성 아라미드 단섬유 또는 아라미드 단섬유와 폴리에스테르 열가소성 단섬유가 혼섬된 부직포층과, 발수제로 처리된 표피재층이 적층된 발수성 흡음재가 개시되어 있다.
또한, 일본공개특허 제2007-0138953호에는 내열성 아라미드 섬유로 구성된 부직포층과, 내열성 아라미드 섬유를 포함하는 섬유시트로 된 표피재층이 적층된 내열성 흡음재가 개시되어 있다.
상기 종래 기술에 개시된 흡음재는 부직포의 한쪽 면에 난연성, 발수성 등의 기능성을 부여하기 위하여 표피재층을 별도로 적층시킨 구조를 이루고 있고, 상기 부직포층과 표피재층의 두 층을 일체화하기 위한 열압 공정을 추가로 수행하여야 한다. 따라서 상기 일체화 공정을 별도로 수행함으로써 공정이 복잡하고 번거로울 뿐만 아니라 열압 공정 중에 첨가제로 포함된 난연제, 발수제 등이 연소되어 유독 가스를 발생시킬 수 있고, 그리고 열압에 의해 부직포의 내부 구조 변형을 초래하여 흡음성을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명자들은 흡차음재로서 흡음성, 난연성, 내열성, 차열성이 우수함은 물론이고 성형도 가능한 새로운 흡차음재 소재를 개발하고자 오랫동안 연구하였다. 그 결과, 복잡한 3차원의 미로구조로 인한 부정형의 통기홀이 형성된 부직포의 섬유 원사 표면에 폴리이미드 바인더가 고르게 분포 및 부착되어 부직포 본연의 통기홀 구조를 유지하거나 더 형성시켜 부직포 내부의 3차원 형상을 유지함으로써 부직포의 흡음성 등을 비롯한 물성을 개선하는 효과와, 그리고 바인더의 경화과정 중에는 원하는 형상으로 성형이 가능한 효과를 동시에 얻을 수 있는 새로운 흡차음재를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 흡음성, 난연성, 내열성, 차열성이 우수함은 물론이고, 내열섬유로 이루어진 부직포에 폴리이미드 바인더가 함침된 흡차음재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내열섬유로 이루어진 부직포를 폴리이미드 중합용 단량체가 포함된 바인더에 함침시킨 후에, 단량체를 중합 및 경화하여 폴리이미드로 전환하는 과정을 포함하는 흡차음재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 흡차음재를 소음 유발 장치에 적용하여 소음을 저감시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제 해결을 위하여, 본 발명에서는 내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포; 및 상기 부직포에 함침되어 부직포와 동일한 층에 위치하고 있으며, 상기 부직포의 섬유원사 표면에 분포 및 부착되어 통기홀 구조를 유지 또는 더 형성시켜 부직포 내부의 3차원 형상을 유지하도록 하는 폴리이미드 바인더; 를 포함하는 흡차음재를 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 a) 내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포를 폴리아믹산이 분산된 바인더 용액에 함침하는 단계; b) 폴리아믹산이 함침된 부직포를 바인더 용액으로부터 회수하는 단계; 및 c) 회수된 부직포를 경화하여 폴리아믹산을 폴리이미드로 전환하는 단계; 를 포함하는 흡차음재의 제조방법을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 ⅰ) 소음을 유발하는 장치의 입체구조를 확인하는 단계; ⅱ) 상기 장치의 입체구조와 일부 또는 전부가 일치하도록 상기한 흡차음재를 제작 및 성형하는 단계; 및 ⅲ) 상기 흡차음재를 상기 소음 유발 장치에 인접시키는 단계; 를 포함하는 소음 유발 장치의 소음 저감방법을 그 특징으로 한다.
본 발명의 흡차음재는 내열섬유로 된 부직포에 폴리이미드 바인더가 함침되어 있어 흡음성, 난연성, 내열성, 차열성이 우수함과 동시에 상기 폴리이미드 바인더에 의하여 흡차음재의 입체적 형상 구현이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 흡차음재는 종래의 적층 구조의 흡음재에서 문제시 되었던 부직포와 표피재의 일체화를 위한 열압 공정을 수행하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 흡차음재는 바인더 용액 중에 기능성 첨가제를 추가로 포함시켜 제조된 경우, 흡차음재에 기능성을 부여하기 위한 표피재를 적층하지 않아도 되는 공정상의 유리한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 흡차음재는 흡음성 이외에도 난연성, 내열성 및 차열성이 동시에 우수하므로, 300℃ 이상의 고온이 유지되는 소음장치에 적용되어서도 흡차음재가 변형 또는 변성되지 않는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 흡차음재는 폴리아믹산이 함침된 상태에서 원하는 흡차음재 형상으로 성형이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 흡차음재를 구성하는 부직포로 내열섬유를 사용하고 있으므로, 바인더로서 열경화성 수지인 폴리이미드를 사용하더라도 열경화 과정 중에 발생되는 반응열에 의한 부직포의 열변형이 일어나지 않는 장점이 있다.
따라서 본 발명의 흡차음재는 에어컨, 냉장고, 세탁기, 잔디깎기 등의 전기제품 분야, 자동차, 선박, 항공기 등의 수송기기 분야, 또는 벽재, 바닥재 등의 건축자재 분야 등을 비롯하여 방음, 흡음 또는 차음이 요구되는 분야에서 흡차음재로 유용하다. 본 발명의 흡차음재는 300℃ 이상의 고온이 유지되는 소음 유발 장치에 흡차음재로 유용하다. 특히, 본 발명의 흡차음재를 자동차분야에 적용하는 경우, 자동차의 엔진 및 배기계 등과 같은 소음 유발 장치에 밀착시켜 체결하거나, 또는 소음 유발 장치와 일정 거리를 두어 설치하거나, 또는 소음 유발 장치에 적용되는 부품으로 성형하여 적용될 수 있다.
도 1은 바인더에 함침되기 전후의 부직포에 대한 전자현미경 사진(x 300)이다. (A)는 바인더에 함침되기 이전의 부직포 사진이고, (B)는 부직포 100 중량부를 기준으로 바인더가 20 중량부 함침된 부직포의 사진이고, (C)는 부직포 100 중량부를 기준으로 바인더가 50 중량부 함침된 부직포의 사진이다.
도 2는 흡차음재를 부품으로 성형하여 자동차의 소음 유발 장치에 적용시킨 예를 나타내는 개략도이다. (A)는 자동차 엔진에 적용되는 흡차음재를 성형한 사진이고, (B)는 흡차음재를 자동차의 엔진 일부에 장착시킨 예를 보여주는 사진이다.
도 3은 흡차음재를 자동차의 소음 유발 장치와 일정 거리를 두어 설치하여 적용시킨 예를 나타내는 개략도이다. (A)는 자동차의 차체 하부에 적용되는 흡차음재를 성형한 사진이고, (B)는 흡차음재를 자동차의 차체 하부에 부착시킨 예를 보여주는 사진이다.
도 4는 부직포의 밀도에 따른 흡차음재의 흡음성능을 비교한 그래프이다.
도 5는 알루미늄 차열판과 본 발명의 흡차음재에 대하여 차열성능을 비교한 그래프이다.
본 발명은 흡차음재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 흡차음재는 흡음성, 난연성, 내열성, 차열성이 우수하고, 내열섬유 부직포와 동일한 층에 위치하는 바인더를 이용하여 원하는 입체적 형상으로 성형이 가능하다는 점에 그 우수성이 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포; 및 상기 부직포에 함침되어 부직포와 동일한 층에 위치하고 있으며, 상기 부직포의 섬유원사 표면에 분포 및 부착되어 통기홀 구조를 유지 또는 더 형성시켜 부직포 내부의 3차원 형상을 유지하도록 하는 폴리이미드 바인더; 를 포함하는 흡차음재를 그 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 내열섬유는 한계산소지수(LOI)가 25% 이상이며, 내열온도가 150℃ 이상, 바람직하기로는 300℃ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 내열섬유는 아라미드 섬유, 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유, 폴리이미드(PI)섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 금속 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 실리카 섬유, 및 세라믹 섬유 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면 상기 내열섬유는 섬도가 1∼15 데니어이고, 원사의 길이가 20∼100 mm인 아라미드 섬유 또는 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 부직포는 두께가 3∼20 mm이고, 밀도가 100∼2000 g/㎡ 일 수 있다.
또한, 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면 상기 부직포의 밀도가 200∼1200 g/㎡ 일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 부직포에는 중량평균분자량이 10,000∼200,000 범위인 폴리이미드 바인더가 함침될 수 있다.
또한, 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면 상기 부직포 100 중량부에 대하여 폴리이미드 바인더는 1∼300 중량부가 함침될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 흡차음재는 적용대상의 입체구조 형상으로 성형될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 흡차음재는 단일층 또는 다층으로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면 상기 흡차음재를 자동차용 흡차음재로 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 흡차음재의 구조를 도 1에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도 1은 폴리이미드 바인더에 함침되기 전후의 부직포 내부의 3차원 형상을 확인하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 1의 (A)는 폴리이미드 바인더에 함침되기 전의 부직포 내부 구조를 확인한 전자현미경 사진으로, 내열섬유 원사가 서로 교차되어 부정형 통기홀이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 도 1의 (B)와 (C)는 상기 부직포에 폴리이미드 바인더를 함침시킨 후의 전자현미경 사진으로, 내열섬유 원사에 전체적으로 바인더가 미세하게 분포되어 부착되어있음을 확인할 수 있고, 바인더의 함량이 증가되면 원사 표면에는 더 많은 양의 바인더가 포함되어 있음을 확인할 수 있다.
부직포는 그 제조방법에 따라 다소 차이가 있겠으나, 섬유가 3차원적으로 무질서하게 배열되어 있다. 따라서 부직포 내부의 기공구조는 각각이 독립된 모세관 튜브의 다발이 형성되기 보다는, 규칙 또는 불규칙한 섬유배열에 의해 3차원적으로 연결된 매우 복잡한 미로 구조(labyrinth system)를 형성한다. 즉, 본 발명이 사용하는 부직포는 내열섬유를 포함하는 원사가 성긴 구조로 교차됨으로써 불규칙하게 통기홀(micro cavity)이 형성되어 있다.
상기 부직포에 폴리이미드 바인더가 함침되면, 부직포 원사의 표면에는 폴리이미드가 미세하게 그리고 전체적으로 골고루 분포하여 부착된 채 존재함으로써 함침 이전의 부직포에 비하여 더욱 미세한 크기의 통기홀을 형성한다. 부직포의 내부 구조 중에 보다 미세한 통기홀이 형성된다는 것은 소음의 공명성이 증가됨을 의미하는 것이고, 이로써 흡차음 특성이 향상된다는 것을 의미하기도 한다. 특히, 폴리이미드의 경우 폴리아믹산이 3차원 망상 구조로 경화되어 형성된 것이므로, 부직포 내부에는 보다 많은 미세 통기홀이 추가로 형성될 수 있으므로 흡차음 특성은 보다 더 향상될 수 있다.
따라서 본 발명의 흡차음재는 부직포에 폴리이미드 바인더가 고루 함침되어 부직포 본연의 3차원 형상이 유지되고, 그리고 폴리아믹산 프레폴리머가 폴리이미드로 전환되기 위한 경화 공정에서 미세 통기홀(Micro ventilator)이 더 많이 형성될 수 있으므로, 본 발명의 흡차음재에 소음이 전파되면 부직포 내에서 보다 많고 다양한 소음 공명을 이루어 소음의 소멸 효과가 증가하고, 소음의 소멸 효율성이 극대화되어 흡음성능이 크게 개선된 효과를 얻게 된다.
상기한 도 1의 전자현미경 사진을 통해 확인된 바대로, 본 발명의 흡차음재는 부직포를 구성하는 내열섬유 원사 표면에 폴리이미드 바인더가 고루 분산되어 분포되어 있다.
이러한 내부 구조를 가지는 본 발명에 따른 흡차음재에 대해서는, 각 구성성분들을 중심으로 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명에서는 부직포를 구성하는 주된 섬유로 내열섬유를 사용한다.
내열섬유는 고온 및 초고열 조건에서 견딜 수 있는 내구성이 우수한 소재라면 모두 적용이 가능하다. 구체적으로 내열섬유는 한계산소지수(LOI)가 25% 이상이며 내열온도가 150℃ 이상인 것을 사용한다. 바람직하기로는 상기 내열섬유로서 한계산소지수(LOI)가 25∼80% 이며 내열온도가 300∼3000℃인 것을 사용한다. 특히 바람직하기로는 상기 내열섬유로서 한계산소지수(LOI)가 25∼70% 이며 내열온도가 300∼1000℃인 것을 사용한다. 또한, 내열섬유는 섬도가 1∼15 데니어, 바람직하기로는 1∼6 데니어이고, 원사의 길이는 20∼100 mm, 바람직하기로는 40∼80 mm인 것을 사용하는 것이 좋다. 원사의 길이가 너무 짧으면 니들 펀칭시 원사의 교락이 어려워져 부직포의 결속력이 약해질 수 있으며, 원사의 길이가 너무 길면 부직포의 결속력은 우수하나 카딩(carding)시 원사 이송이 원활하지 않는 문제가 있을 수 있다.
상기 내열섬유로는 당분야에서 통상적으로 불리워지고 있는'수퍼섬유'를 사용할 수 있다. 수퍼섬유는 구체적으로서 아라미드 섬유, 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유, 폴리이미드(PI)섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 금속 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 실리카 섬유, 세라믹 섬유 등 중에서 선택된 1종 이상이 포함될 수 있다.
본 발명에서는 내열섬유로서 바람직하기로는 아라미드 섬유 또는 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유를 사용하는 것이다.
또한, 본 발명의 흡차음재는 상기 부직포와 동일한 층에 위치하여 부직포 내부의 3차원 형상을 유지하는 형태로 함침된 폴리이미드 바인더가 포함된다. 상기 '부직포 내부의 3차원 형상을 유지하는 형태'라 함은, 부직포에 바인더가 함침되어서는 바인더가 부직포의 섬유원사 표면에 전체적으로 고루 분포된 상태로 부착되어 부정형 통기홀 구조를 유지 또는 더 형성시켜 부직포 본래의 3차원 내부 형상을 유지하는 것을 의미한다.
일반적으로 바인더라 하면 두 소재간의 접착 또는 접합을 목적으로 사용되는 재료를 일컫는 것이지만, 본 발명에서의 바인더는 내열섬유로 이루어진 부직포에 함침된 재료를 일컫는다.
본 발명에서는 부직포에 함침되는 바인더로서 폴리이미드를 선택 사용하고 있다. 일반적인 폴리이미드의 합성과정을 하기 반응식 1에 나타내었다. 하기 반응식 1에 따른 제조방법에 의하면, 하기 화학식 1로 표시되는 산 이무수물 단량체와 하기 화학식 2로 표시되는 디아민 단량체를 중합하여 하기 화학식 3으로 표시되는 폴리아믹산을 제조하고, 그리고 폴리아믹산을 이미드화하여 하기 화학식 4로 표시되는 폴리이미드로 전환하여 제조할 수 있다.
[반응식 1]
Figure 112013116567015-pat00001
(상기 반응식 1에서, X1은 지방족 또는 방향족 탄화수소 그룹으로부터 선택된 4가기이고, X2는 지방족 또는 방향족 탄화수소 그룹으로부터 선택된 2가기이다)
상기 반응식 1에 있어서, X1은 산 이무수물 단량체로부터 유래된 4가기로서 구체적으로 나타내면 하기와 같다:
Figure 112013116567015-pat00002

Figure 112013116567015-pat00003

또한 상기 반응식 1에 있어서, X2는 디아민 단량체로부터 유래된 2가기로서 구체적으로 나타내면 하기와 같다:
Figure 112013116567015-pat00004

Figure 112013116567015-pat00005

Figure 112013116567015-pat00006
본 발명에서 바인더로 이용되는 폴리이미드는 폴리아믹산을 이미드화 반응시켜 제조된 경화물이며, 경화된 폴리이미드는 3차원적 망상구조를 가진다. 따라서, 부직포의 내부구조 내에서 폴리아믹산이 폴리이미드로 경화하게 되면, 폴리이미드 바인더가 자체적으로 망상구조를 형성하여 또 다른 통기홀을 형성하게 되므로 부직포 내부에는 보다 많은 미세 통기홀이 형성될 수 있어 흡음성능은 보다 더 향상될 수 있다.
또한, 폴리이미드는 대표적인 열경화성 수지이다. 부직포의 섬유소재로 사용되는 아라미드 섬유, 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유와 같은 열가소성 내열섬유와는 전혀 다른 물리화학적 특성을 가지는 이질적 소재이다. 이에, 열가소성 내열섬유로 된 부직포에 열경화성인 폴리이미드 바인더가 함침되면, 이들이 가지는 이질특성으로 인하여 선접촉으로 경계층이 형성되므로, 부직포의 통기홀이 열린 상태로 존재한다. 즉, 내열섬유로 된 부직포에 폴리이미드가 함침되면, 부직포 내부의 3차원 형상을 유지하는 것이 가능하다.
또한, 폴리이미드는 빛, 열 또는 경화제에 의해 경화되는 특성과, 고온 조건에서도 그 형상이 변형되지 않는 특성을 가지고 있다. 그러므로 부직포에 함침된 폴리이미드는 성형 이후에 고온 조건에서도 성형된 형상을 계속 유지하는 것이 가능한 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 흡차음재는 부직포에 폴리이미드 바인더가 함침되어 있으로써, 부직포 내부에는 보다 많은 미세 통기홀이 형성하거나 부직포 내부의 3차원 형상의 유지 보존이 가능하여 흡음성능을 보다 향상시키게 되고, 그리고 부직포 내에서의 바인더가 경화되는 과정 중에 원하는 형태로 성형이 가능할 뿐만 아니라, 고온 조건에서도 성형된 형상을 유지하는 추가적인 효과를 기대할 수 있다.
본 발명이 바인더로 사용하는 폴리이미드는 상기 반응식 1에 따른 통상의 제조방법을 통해 제조된 것으로, 본 발명은 폴리이미드의 제조방법 등에 특별한 제한을 두지 않는다.
상기 반응식 1에 따른 폴리이미드의 일반적 제조방법을 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
먼저, 산 이무수물 단량체와 디아민 단량체를 축중합하여 폴리아믹산을 제조한다. 상기 축중합은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상의 단량체를 사용하여 통상의 중합방법으로 진행될 수 있다.
상기 산 이무수물 단량체는 지방족 또는 방향족의 테트라카복실산 이무수물이 포함될 수 있다. 산 이무수물 단량체는 구체적으로 1,2,3,4-시클로부탄테트라카르복실산 이무수물, 1,2,3,4-시클로펜탄테트라카르복실산 이무수물, 5-(2,5-디옥소테트라하이드로퓨릴)-3-메틸-3-시클로헥센-1,2-디카르복실산 무수물, 4-(2,5-디옥소테트라하이드로퓨란-3-일)-테트랄린-1,2-디카르복실산무수물, 바이시클로옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산 이무수물, 피로멜리트산 이무수물, 3,3',4,4'-비페닐-테트라카복실산 이무수물, 2,2-비스(2,3-디카복시페닐)-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판 이무수물, 2,2-비스(3,4-디카복시페닐)-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판 이무수물, 3,3',4,4'-벤조페논테트라카복실산 이무수물, 비스(3,4-디카복시페닐) 에테르 이무수물, 비스(3,4-디카복시페닐)설폰 이무수물 등이 포함될 수 있다. 이러한 산 이무수물 단량체는 단독으로 또는 이들 중 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 본 발명이 이들 단량체로 국한되는 것은 아니다.
상기 디아민 단량체는 지방족 또는 방향족의 디아미노 화합물이 포함될 수 있다. 디아민 단량체는 구체적으로 m-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, 3,4'-디아미노디페닐 에테르, 4,4'-디아미노디페닐 에테르, 4,4'-디아미노디페닐 설폰, 3,3'-디아미노디페닐 설폰, 2,2-비스(4-아미노페녹시페닐)프로판, 2,2-비스(4-아미노페녹시페닐)-헥사플루오로프로판, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 2,4-디아미노톨루엔, 2,6-디아미노톨루엔, 디아미노디페닐메탄, 4,4'-디아미노-2,2-디메틸비페닐 및 2,2-비스(트리플루오로메틸)-4,4'-디아미노비페닐 등이 포함될 수 있다. 이러한 디아민 단량체는 단독으로 또는 이들 중 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 본 발명이 이들 단량체로 국한되는 것은 아니다.
폴리아믹산 제조를 위한 중합은 통상의 유기용매를 사용하여 0∼90℃에서 1∼24시간동안 진행할 수 있다. 이때 사용되는 유기용매로는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈, N-에틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드 등의 극성용매가 사용될 수 있다.
그런 다음, 폴리아믹산을 이미드화하여 폴리이미드로 전환한다. 상기 이미드화 반응 역시 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상의 경화방법으로, 빛, 열 또는 경화제를 사용하여 진행될 수 있다. 경화반응은 구체적으로 150∼350℃ 온도로 열처리하여 진행할 수 있다. 이때 필요하다면 이미드화 촉매로 p-톨루엔설폰산, 하이드록시벤조산, 크로톤산 등의 산촉매를 사용할 수 있고, 또는 유기아민류, 유기아졸류 등의 염기촉매를 사용하여 경화속도를 촉진시킬 수도 있다.
본 발명에서 바인더로 사용되는 폴리이미드는 통상의 지방족 또는 방향족의 폴리이미드 수지이며, 중량평균분자량이 10,000∼200,000 범위인 것을 사용하는 것이 좋다. 폴리이미드 바인더의 중량평균분자량이 10,000 미만이면 고분자 물성이 열악하고, 200,000을 초과하면 용매에 용해시키기 어렵기 때문에 함침에 곤란한 문제점이 있다.
또한, 본 발명에서는 흡차음재에 기능성을 부여할 목적으로 여러 첨가제 예를 들면, 난연제, 내열향상제, 발수제 등을 사용할 수 있다. 상기 첨가제는 바인더 용액에 포함시켜 사용하게 되므로, 흡차음재에 기능성 부여를 위한 별도의 표피재를 적층하지 않아도 된다.
상기 난연제로는 멜라민류, 포스페이트, 금속하이드록사이드 등이 사용될 수 있다. 상기 난연제는 구체적으로 멜라민, 멜라민시아누레이트, 멜라민폴리포스페이트, 포스파젠, 암모늄폴리포스페이트 등 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 더욱 좋기로는 난연제로서 멜라민류를 사용하는 것이며, 이는 난연성과 내열성을 동시에 증진시키는 효과를 기대할 수 있다.
상기 내열향상제로는 알루미나, 실리카, 탈크, 크레이, 유리분말, 유리섬유, 금속분말 등을 사용할 수 있다.
상기 발수제로는 플루오루계 등 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
그 밖에도 당 분야에서 통상적으로 사용되고 있는 첨가제를 목적에 적합하게 선택 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 a)내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포를 폴리아믹산이 분산된 바인더 용액에 함침하는 단계; b)폴리아믹산이 함침된 부직포를 바인더 용액으로부터 회수하는 단계; 및 c)회수된 부직포를 경화하여 폴리아믹산을 폴리이미드로 전환하는 단계; 를 포함하는 흡차음재의 제조방법을 그 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 b)부직포의 회수단계 이후에 원하는 흡차음재 형상으로 제작하는 성형단계(b-1)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 b)부직포의 회수단계에서는 함침된 부직포를 꺼내어 1∼20 kgf/cm2의 압력으로 압착하는 공정, 함침된 부직포를 꺼내어 70∼200℃ 온도로 가온하는 공정, 또는 상기 조건으로 가온 및 압착하는 공정을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 c)폴리이미드로 전환하는 단계에서는 150∼350℃ 온도에서 폴리아믹산을 이미드화하여 폴리이미드로 전환하는 경화공정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 흡차음재의 제조방법을 각 단계별로 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
상기 a)단계는 내열섬유로 이루어진 부직포를 바인더 용액에 함침시키는 단계이다.
본 발명에서는 상기 부직포를 바인더 용액에 함침시켜 흡음 및 차음 특성을 개선함은 물론이고, 원하는 형상의 흡차음재로 성형이 가능하도록 한다.
상기 부직포를 함침시키는 바인더 용액은 폴리이미드의 전구물질인 폴리아믹산이 분산되어 있다. 즉, 바인더 용액에는 산 이무수물 단량체와 디아민 단량체를 중합하여 얻은 폴리아믹산이 분산되어 있다. 폴리아믹산 중합에 사용되는 단량체, 통상의 첨가제 및 용매는 상기에서 정의한 바와 같다.
본 발명의 바인더 용액은 그 농도 조절로 부직포에 대한 함침 정도를 조절할 수 있는데, 폴리아믹산 함량을 기준으로 1∼60 중량%, 더욱 바람직하기로는 5∼30 중량%의 농도로 제조하여 사용하는 것이 좋다. 바인더 용액의 농도가 너무 묽으면 부직포에 함침되는 바인더 함량이 적어 본 발명이 목적하는 효과를 얻을 수 없고, 너무 진하면 부직포가 딱딱하게 경화되어 흡차음재로서의 기능을 발휘할 수 없다.
또한, 폴리아믹산이 분산되어 있는 바인더 용액에는 난연제, 내열향상제, 발수제 등을 비롯하여 당분야에서 통상적으로 사용되는 첨가제 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 이들 첨가제는 첨가 사용목적에 따라 적절히 조절하여 사용될 수 있으며, 그 함량 범위 미만이면 첨가효과가 미약하고, 상기 범위를 초과하여 사용하는 것은 경제성이 떨어지고 오히려 다른 부작용을 초래할 수 있다.
상기 b)단계는 폴리아믹산이 함침된 부직포를 바인더 용액으로부터 회수하는 단계이다.
본 발명에 따른 부직포의 회수단계는 바인더 용액에 함침시킨 부직포를 꺼내어 용매를 제거하는 과정으로 이루어지며, 이때 적절한 온도 및 가압을 주어도 무방하다. 구체적으로, 상기 부직포를 회수하는 단계에서는 함침된 부직포를 꺼내어 1∼20 kgf/cm2의 압력으로 압착하여 부직포내의 바인더 함량을 조절하는 공정을 포함할 수 있다. 또한, 상기 부직포를 회수하는 단계에서는 함침된 부직포를 꺼내어 70∼200℃ 온도로 가온하면서 용매를 증발시키는 공정을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 부직포를 회수하는 단계에서는 함침된 부직포를 꺼내어 1∼20 kgf/cm2의 압력으로 압착하는 공정과 70∼200℃ 온도로 가온하는 공정을 순차적으로 수행하는 공정을 포함할 수 있다.
바인더 용액으로부터 회수된 부직포 내에 포함된 바인더의 함량은 흡차음재 내부의 통기홀 크기, 모양, 분포도를 조절하는 중요 인자이고, 이로 인해 흡차음재의 흠음특성 및 기계적 특성이 조절될 수 있다. 본 발명에 따른 흡차음재에 포함된 폴리이미드 바인더의 최종 함량은, 부직포 100 중량부를 기준으로 1∼300 중량부, 더욱 바람직하기로는 30∼150 중량부 범위로 조절할 수 있다.
상기 c)단계는 폴리아믹산을 폴리이미드로 전환하는 단계이다.
구체적으로 c)단계는 회수된 부직포 내에 포함된 폴리아믹산을 경화하여 폴리이미드로 전환시키는 단계이다. 폴리이미드로 전환시키기 위한 경화공정은 빛, 열 또는 경화제를 사용하여 수행할 수 있으며, 폴리아믹산을 폴리이미드로 전환시키는 공정 조건은 당업계에 널리 공지되어 있다. 열 경화를 통해 폴리이미드로 전환시키는 경우, 150∼350℃ 온도에서 30분∼3시간 조건에서 이루어질 수 있다.
상기 c)단계를 수행한 부직포에는 폴리이미드가 부직포의 원사 표면에 고르게 분포 및 부착되어 있음을 전자현미경 사진을 통해 확인할 수 있었다. 또한, 상기 부직포에 함침되어 있는 폴리이미드는 중량평균분자량 10,000∼200,000 g/mol 이었다.
한편, 본 발명은 b)부직포의 회수단계 이후에 추가로 부직포를 원하는 형상의 흡차음재로 제작하는 성형단계(b-1 단계)를 더 포함하는 흡차음재의 제조방법을 포함한다.
상기 b-1)성형단계를 포함하는 흡차음재의 제조방법은 구체적으로, a) 내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포를 폴리아믹산이 분산된 바인더 용액에 함침하는 단계; b) 폴리아믹산이 함침된 부직포를 바인더 용액으로부터 회수하는 단계; b-1) 회수된 부직포를 원하는 형상으로 제작하는 성형 단계; 및 c)부직포에 함침된 폴리아믹산을 폴리이미드로 전환하는 단계; 를 포함한다.
상기 b-1)성형단계에서는 고온 열처리에 의한 성형도 가능하다. 상기한 고온 성형과정은 열경화성 바인더의 경화반응도 고려된 과정으로, 그 성형온도는 150∼350℃ 온도, 더욱 바람직하기로는 200∼300℃ 온도를 유지하도록 한다.
한편, 본 발명은 상기 a)단계 이전에, 내열섬유를 이용하여 니들 펀칭 공정에 의해 부직포를 형성하는 단계(a-1 단계)를 더 포함하는 흡차음재의 제조방법을 그 특징으로 한다. 예를 들면, 상기 a-1 단계에서는 섬도가 1∼15 데니어인 아라미드의 내열섬유를 이용하여 니들 펀칭 공정에 의해 두께가 3∼20 mm인 아라미드 부직포를 형성하는 단계이기도 한다.
상기 a-1)단계를 포함하는 본 발명에 따른 흡차음재의 제조방법은 예컨대, a-1) 섬도가 1∼15 데니어인 아라미드의 내열섬유를 이용하여 니들 펀칭 공정에 의해 두께가 3∼20 mm인 아라미드 부직포를 형성하는 단계; a) 내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포를 폴리아믹산이 분산된 바인더 용액에 함침하는 단계; b) 폴리아믹산이 함침된 부직포를 바인더 용액으로부터 회수하는 단계; b-1) 회수된 부직포를 원하는 형상으로 제작하는 성형 단계; c) 부직포에 함침된 폴리아믹산을 폴리이미드로 전환하는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 a-1)부직포를 형성하는 단계는 내열섬유를 이용한 니들 펀칭(Needle Punching) 공정을 포함한다. 부직포의 두께 및 밀도 변화에 따라 흡음성은 달라질 수 있고, 부직포의 두께 및 밀도가 클수록 흡음성은 증가될 것으로 예측되고 있다.
본 발명에서는 흡차음재가 적용되는 산업분야 등을 고려할 때, 부직포 두께는 3∼20 mm인 것이 바람직하다. 그 이유는 부직포 두께가 3 mm 미만인 경우에는 흡차음재의 내구성과 성형성을 만족시키기 어렵고, 두께가 20 mm를 초과하는 경우에는 원단의 제작 및 가공 시 생산성이 저하되며 원가가 증가되는 문제점이 있다. 또한, 부직포의 중량은 성능적인 측면과 원가적인 측면을 고려하여 밀도가 100∼2000 g/㎡, 바람직하기로는 200∼1200 g/㎡, 더욱 바람직하기로는 300∼800 g/㎡인 것이 좋다.
상기 부직포는 카딩(Carding)을 통해 형성된 30∼100 g/㎡ 웹을 2∼12겹으로 적층하여 연속적으로 1차 업-다운 프리니들링(Up-down preneedling), 2차 다운-업 니들링(Down-up needling), 3차 업-다운 니들링(Up-down needling)의 연속공정을 통해 필요한 두께의 조절, 필요한 결속력 확보 및 필요한 물성의 구현을 위한 물리적 교락을 형성한다. 이때, 니들(needle)은 워킹 블레이드(working blade)가 0.5∼3 mm이고, 니들의 길이(crank outside로부터 포인트까지의 거리)가 70∼120 mm인 바브(Barb) 타입의 니들을 사용한다. 니들 스트로크는 30∼350 회/㎡ 인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 부직포용 원사의 섬도가 1.5∼8.0 데니어, 파일 형성층의 두께가 6∼13 mm, 니들의 스트로크 수가 120∼250 회/㎡, 부직포의 밀도가 300∼800 g/㎡ 인 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같은 제조방법을 통해 제조된 흡차음재의 내부 구조는 전자현미경을 통해 확인할 수 있다. 전자현미경 사진으로 확인하였을 때, 본 발명의 흡차음재 내부에는 1∼100 ㎛ 크기를 가지는 통기홀이 분포되어 있고, 이들 통기홀은 0.1∼500 ㎛ 간격으로 규칙 또는 불규칙적으로 분포되어 있었다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 ⅰ) 소음을 유발하는 장치의 입체구조를 확인하는 단계; ⅱ) 상기 장치의 입체구조와 일부 또는 전부가 일치하도록 상기한 흡차음재를 제작 및 성형하는 단계; 및 ⅲ) 상기 흡차음재를 상기 소음 유발 장치에 인접시키는 단계; 를 포함하는 소음 유발 장치의 소음 저감방법을 특징으로 한다.
상기에서 장치라 함은 모터, 엔진, 배기계 등을 비롯하여 소음을 유발하는 장치를 의미하는 것이며, 본 발명의 장치가 상기 모터, 엔진, 배기계에 한정되는 것은 결코 아니다. 상기 장치의 입체구조와 일부 또는 전부가 일치하도록 제작하여 사용할 수 있다. 본 발명의 흡차음재는 바인더의 경화과정 중에 성형이 가능한 장점을 가지고 있으므로, 장치의 입체구조와 일부 또는 전부가 일치하도록 흡차재를 성형 제작하여 사용할 수 있다.
상기에서 "인접시키는(adjacent)"이라 함은 소음 유발 장치에 밀착시켜 체결하거나, 또는 소음 유발 장치와 일정 거리를 두어 설치하거나, 또는 소음 유발 장치에 적용되는 부품으로 성형하여 적용하는 것을 의미한다. 또한, 본 발명에서의 인접은 소음 유발 장치에 결합된 부재(예를 들면, 다른 흡차음재)에 추가로 장착하는 것도 포함한다.
도 2 및 도 3에는 본 발명의 흡차음재를 자동차의 소음 유발 장치에 적용시킨 대표 예를 개략적으로 도시하였다.
도 2는 흡차음재를 부품으로 성형하여 자동차의 소음 유발 장치에 적용시킨 예를 나타내는 개략도로서, (A)는 자동차 엔진에 적용되는 흡차음재를 성형한 사진이고, (B)는 흡차음재를 자동차의 엔진 일부에 장착시킨 예를 보여주는 사진이다.
또한, 도 3은 흡차음재를 자동차의 소음 유발 장치에 설치하여 적용시킨 예를 나타내는 개략도로서, 자동차의 차체 하부에 적용되는 흡차음재를 성형한 사진이고, (B)는 흡차음재를 자동차의 차체 하부에 부착시킨 예를 보여주는 사진이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 흡차음재는 부직포의 내부 3차원 형상이 유지되도록 폴리이미드 바인더가 함침된 것으로, 흡음성, 난연성, 내열성, 차열성이 우수하여 상온은 물론이고 300℃ 이상의 고온이 유지되는 소음장치에 직접 적용되어서도 성형체의 변형이 일어나지 않으면서 본연의 흡차음 효능을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예] 흡차음재의 제조
실시예 1. 폴리이미드 수지가 함침된 아라미드 부직포 흡차음재의 제조
한계산소지수(LOI)가 40%이고, 내열온도가 300℃이고, 아라미드 단섬유를 에어블로잉(Air Blowing)으로 타면한 후, 카아드레이법을 이용하여 30 g/㎡의 웹을 형성하였다. 형성된 웹을 수평래퍼를 이용하여 5 m/min의 생산속도로 콘베이어벨트 위에 10겹을 오버랩핑하여 서로 적층시켜 적층웹을 형성하였다. 적층웹은 니들의 스트로크 수가 150 회/㎡ 되도록 하는 조건에서 업-다운 니들링, 다운-업 니들링 및 업-다운 니들링을 연속적으로 수행하여 밀도 300 g/㎡ 및 두께 6 mm의 아라미드 부직포를 제조하였다.
제조된 부직포를 바인더 용액에 함침시켰다. 이때, 바인더 용액은 피로멜리트산 이무수물과 4,4-옥시디아닐린을 중합한 폴리아믹산 프레폴리머가 N-메틸-2-피롤리돈 용매에 분산된 용액으로, 폴리아믹산 함량을 기준으로 15 중량% 농도로 분산되어 있다.
상기 바인더 용액으로부터 부직포를 꺼낸 후에, 롤러를 이용하여 8 kgf/cm2 압력으로 압착하여 밀도 1,500 g/m2로 폴리아믹산이 함침된 부직포를 얻었다.
상기 폴리아믹산이 함침된 부직포는 200℃의 온도조건에서 2분간 컬링(Curing)에 의해 원하는 형상으로 성형하였다. 그리고 300℃의 온도조건에서 폴리아믹산을 이미드화시켜, 아라미드 부직포 내에 하기 화학식 5로 표시되는 폴리이미드가 함침되어 있는 흡차음재를 제조하였다.
[화학식 5]
Figure 112013116567015-pat00007
부직포에 함침되어 있는 상기 화학식 5로 표시되는 폴리이미드는 중량평균분자량이 20,000 g/mol 이며, 최종적으로 폴리이미드의 함침량은 부직포 100 중량부를 기준으로 50 중량부 이었다.
비교예 1. 아라미드 부직포로 된 흡차음재의 제조
상기 실시예 1과 동일한 니들 펀칭 공정에 의해 제조된 밀도 300 g/㎡ 및 두께 6 mm의 아라미드 부직포를 흡차음재로 사용하였다.
비교예 2. 폴리이미드 수지로 코팅된 아라미드 부직포로 된 흡차음재의 제조
상기 실시예 1과 동일한 니들 펀칭 공정으로 밀도 300 g/㎡ 및 두께 6 mm의 아라미드 부직포를 제조하였다. 그리고, 부직포 표면에 폴리이미드 수지가 포함된 용액을 코팅하고 150℃에서 건조 및 성형하여 흡차음재를 제조하였으며, 이때 코팅량은 부직포 100 중량부를 기준으로 50 중량부가 되도록 하였다.
비교예 3. 열가소성 수지에 함침된 아라미드 부직포로 된 흡차음재의 제조
상기 실시예 1과 동일한 니들 펀칭 공정으로 밀도 300 g/㎡ 및 두께 6 mm의 아라미드 부직포를 제조한 후에, 바인더 용액에 함침, 건조 및 성형하여 흡차음재로 사용하였다.
이때 바인더 용액으로는 폴리에틸렌 수지(PE) 10 중량%, 멜라민시아누레이트(Melaminecyanurate) 10 중량%, 디메틸카보네이트(DMC) 80 중량%의 조성을 이루고 있는 열가소성 수지 용액을 제조하여 사용하였다.
비교예 4. 폴리이미드 수지에 함침된 PET 부직포로 된 흡차음재의 제조
상기 실시예 1과 동일한 니들 펀칭 공정으로 밀도 300 g/㎡ 및 두께 6 mm의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 부직포를 제조한 후에, 바인더 용액에 함침, 건조 및 성형하여 흡차음재로 사용하였다.
상기 비교예 4의 PET 부직포는 폴리이미드의 반응열에 의해서도 PET 부직포가 열변형을 일으켰으며, 건조 및 열성형 과정에서 완전히 열변형되어 원하는 형태로 성형이 불가하였다.
[실험예]
<흡차음재의 물성 평가방법>
흡차음재의 물성은 하기의 방법으로 측정하여 비교하였다.
1. 내열성 평가
흡차음재의 내열성을 평가하기 위해 내열 오븐에서 300℃ 온도 조건으로 300 시간 노화시킨 후에, 표준상태(온도 23ㅁ2℃, 상대습도 50ㅁ5%)에서 1시간 이상 그 상태로 유지한 다음 외관 및 인장강도를 측정하였다. 이때 외관은 수축 및 변형이 일어났는지, 표면 벗겨짐, 잔털 일어남, 갈라짐이 있었는지 여부를 육안으로 확인하여 판별하였다. 인장 시험은 아령형 1호 시험편을 임의로 5장 취하여 표준상태에서 인장속도 200 mm/분 조건으로 시행하였다.
2. 열싸이클 평가
흡차음재의 내구성은 열싸이클 시험법에 의해 평가하였다. 하기의 조건을 1싸이클로하여 5싸이클을 실시한 후에 내구성을 판단하였다.
1) 1싸이클 조건
상온 → 고온(150℃ x 3시간) → 상온 → 저온(-30℃ x 3시간) → 상온 → 내습(50℃ x 95%RH)
2) 내구성 평가기준
열싸이클 시험 후에 외관의 변화 여부로서 확인하였다. 예를 들면, 표면손상, 부풀음, 부스러짐, 변색정도를 확인하였으며, 상기와 같은 외관의 변화가 없는 경우 '이상 없음'으로 표기하였다.
3. 난연성 평가
흡차음재의 난연성은 ISO 3795 연소성 시험방법으로 측정하였다.
4. 불연성 평가
흡차음재의 불연성은 UL94 수직 난연성 시험방법으로 측정하였다.
5. 흡음성 평가
흡차음재의 흡음성은 ISO354 방법으로 측정하였다.
6. 통기량 평가
1) 평가방법
프레지어(FRAZIER)형 시험기를 사용하여 시험편을 장착한 후 수직으로 통과하여 흐르는 공기의 양을 측정하였다. 공기가 시험편을 통과하는 면적은 5 ㎠이고, 이때 가해지는 압력은 125 파스칼(Pa)로 조정하였다.
실험예 1. 내열섬유의 종류에 따른 흡차음재의 특성 비교
본 실험예 1에서는 내열섬유의 원사 선택에 의해 제조된 흡차음재의 물성을 비교하였다. 즉, 하기 표 1에 나타낸 원사를 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 니들 펀칭 공정으로 밀도 300 g/㎡ 및 두께 6 mm인 부직포를 제조하였다. 그리고, 폴리아믹산이 분산된 바인더 용액에 부직포를 함침한 후에 꺼내어 이미드화 하여 흡차음재를 제조하였다.
상기한 흡차음재의 물성 평가방법에 의해, 각각의 흡차음재의 물성을 측정하였다. 하기 표 2에는 내열섬유의 종류를 달리하여 제조된 각 흡차음재에 대하여 물성을 측정한 결과를 나타내었다.
구 분 원사1 원사2 원사3 원사4 원사5

원사		 원사소재 아라미드 PI PBI PBO OXI-PAN
한계산소지수 40 50 40 60 65
내열온도
(℃x1hr)		 300 300 300 300 300

내열성		 외관 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음
인장강도
(Kgf/㎠)		 200 220 200 210 210
열싸이클 외관 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음		 이상
없음
난연성 자소성 자소성 자소성 자소성 자소성
불연성 불연 불연 불연 불연 불연
주파수(Hz) 흡음률
원사1
(아라미드)		 원사2
(PI)		 원사3
(PBI)		 원사4
(PBO)		 원사5
(OXI-PAN)
400 0.08 0.06 0.07 0.08 0.08
500 0.10 0.08 0.08 0.10 0.09
630 0.16 0.15 0.14 0.14 0.13
800 0.23 0.20 0.22 0.21 0.22
1000 0.35 0.29 0.30 0.34 0.35
1250 0.44 0.39 0.33 0.40 0.45
1600 0.59 0.50 0.49 0.53 0.57
2000 0.70 0.69 0.70 0.69 0.68
2500 0.79 0.75 0.77 0.74 0.80
3150 0.83 0.80 0.82 0.84 0.85
4000 0.86 0.82 0.85 0.87 0.88
5000 0.99 0.89 0.92 0.91 0.92
6300 0.98 0.93 0.94 0.94 0.98
8000 0.99 0.98 0.98 0.98 0.89
10000 0.98 0.98 0.99 0.98 0.99
상기 표 1과 표 2의 결과에 의하면, 본 발명에 제안한 바대로 한계산소지수가 25% 이상이고, 내열온도가 150℃ 이상인 내열섬유를 사용하여 제조된 흡차음재는 내열성, 내구성, 난연성, 불연성 및 흡음성을 모두 만족시키고 있음을 알 수 있다. 이로써, 본 발명의 흡차음재를 구성하는 부직포의 소재로는 수퍼섬유로 알려진 통상의 내열섬유가 모두 적용이 가능함을 확인할 수 있다.
실험예 2. 부직포의 밀도에 따른 흡차음재의 특성 비교
본 실험예 2에서는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드가 함침된 흡차음재를 제조하되, 부직포의 밀도가 다른 것을 사용하였으며, 제조된 흡차음재의 흡음성능은 도 4에 도시하였다.
도 4에 의하면 밀도가 300 g/㎡인 부직포에 비교하여, 600 g/㎡으로 증가된 부직포를 사용하였을 때 흡차음재의 흡음성능이 더 우수하였음을 확인할 수 있다.
실험예 3. 흡차음재의 물성 평가
본 실험예 3에서는 흡차음재를 제조함에 있어, 내열섬유로 이루어진 부직포에 적용되는 바인더의 적용방식에 따른 흡차음재의 특성을 비교하였다.
즉, 흡차음재를 제조함에 있어 아라미드 부직포에 적용되는 폴리이미드(PI) 바인더를 함침법(실시예 1)으로 적용시켰을 때와 코팅법(비교예 2)으로 적용시켰을 때, 제조된 흡차음재에 대한 흡음율을 비교하였다. 하기 표 3에는 아라미드 부직포로 된 흡차음재(비교예 1), PI로 표면 코팅시킨 아라미드 부직포로 된 흡차음재(비교예 2) 및 PI를 함침시킨 아라미드 부직포로 된 흡차음재(실시예 1) 각각에 대하여 흡음율을 측정한 결과를 나타내었다.

주파수(Hz)		 흡음율
비교예 1
(부직포)		 비교예 2
(PI코팅된 부직포)		 실시예 1
(PI함침된 부직포)
400 0.01 0.01 0.04
500 0.03 0.03 0.08
630 0.12 0.06 0.16
800 0.16 0.09 0.23
1000 0.26 0.22 0.34
1250 0.32 0.19 0.38
1600 0.39 0.27 0.52
2000 0.48 0.29 0.66
2500 0.64 0.44 0.78
3150 0.63 0.50 0.82
4000 0.72 0.70 0.86
5000 0.80 0.77 0.89
6300 0.78 0.79 0.98
8000 0.89 0.89 0.98
10000 0.90 0.96 0.98
상기 표 3의 결과에 의하면, PI가 적용되지 않은 부직포를 흡차음재로 사용하고 있는 비교예 1에 비교하여, 본 발명에 따른 실시예 1의 흡차음재는 전 주파수 영역대에서 우수한 흠음 효과를 나타내고 있다. 이에 반하여, PI코팅된 부직포를 흡차음재로 사용하고 있는 비교예 2의 경우, 흡차음재는 400∼5000 Hz 주파수 영역대에서는 부직포(비교예 1)에 비교하여 흡음율이 더 낮았다.
실험예 4. 흡차음재의 차열성능 평가
본 실험예 4에서는 상기 실시예 1(PI함침된 아라미드 부직포), 비교예 1(아라미드 부직포) 및 비교예 3(PE함침된 아라미드 부직포)에서 제조된 각각의 흡차음재에 대하여 차열성능을 평가하였다. 즉, 25 mm 두께의 흡차음재를 각각 설치하고, 흡차음재의 한쪽 면에 1000℃의 열을 5분 동안 가한 후에 흡차음재의 반대쪽 면에서 온도를 측정하였다.
그 결과, 흡차음재의 반대쪽 면에서 측정한 온도가 실시예 1의 흡차음재는 250℃ 이고, 비교예 1의 흡차음재는 350℃ 이었다. 이로써 본 발명의 흡차음재는 열경화성 수지가 함침됨으로써 차열성능도 향상된 효과를 얻고 있음을 알 수 있다. 이에 반하여, 비교예 3의 흡차음재는 열가소성 수지가 함침된 흡차음재로서, 1000℃의 열을 가하자마자 열가소성 수지가 녹아 내려 흡차음재의 형태가 변형되었다.
이상의 실험에 의하면 본 발명의 흡차음재는 차열, 단열 특성이 매우 우수함을 알 수 있다.
실험예 5. 기존의 알루미늄 차열판과의 차열성능 비교 평가
본 실험예 5에서는 상기 실시예 1의 흡차음재와 기존의 알루미늄 차열판에 대한 차열성능을 비교하였다. 즉, 준비된 흡차음재와 차열판의 한쪽 면에 동일한 열을 가하여 열원방향의 온도가 250℃가 되도록 하였다. 그런 다음, 가열 시간대별로 흡차음재의 반대쪽 면에서 온도를 측정하였다. 그 결과는 도 5에 도시하였다.
도 5에 의하면, 본 발명에 따른 흡차음재가 알루미늄 차열판에 비해 열차단 온도가 11℃ 이상 더 우수함을 알 수 있다.
실험예 6. 바인더의 함량에 따른 흡차음재의 특성 비교
상기 실시예 1의 방법으로 흡차음재를 제조하되, 바인더 용액으로부터 꺼낸 부직포를 압착, 건조 등을 통해 최종적으로 부직포 내에 포함된 바인더 함량을 조정하였다. 이때 바인더 함량은 건조된 부직포 100 중량부를 기준으로 흡차음재에 포함된 바인더의 중량부로 나타내었다.
하기 표 4와 표 5에는 바인더의 함량을 다르게 하여 제조된 흡차음재에 대한 기계적 물성과 흡음율을 비교한 결과를 나타내었다.
구 분 PI 바인더의 함량에 따른 흡차음재의 물성 비교
바인더 함량(중량부) 0 10 50 100 200
통기량(mL/㎠·s) 500 370 350 320 210
인장강도 (kg/㎠) 40 65 220 260 340
불연성 불연 불연 불연 불연 불연
주파수(Hz) PI 바인더의 함량에 따른 흡차음재의 흡음율 비교
0 중량부 10 중량부 50 중량부 100 중량부 200 중량부
400 0.01 0.01 0.08 0.06 0.02
500 0.03 0.04 0.10 0.09 0.04
630 0.12 0.14 0.16 0.15 0.09
800 0.16 0.17 0.22 0.25 0.11
1000 0.26 0.26 0.35 0.29 0.14
1250 0.32 0.34 0.43 0.41 0.16
1600 0.39 0.40 0.58 0.54 0.23
2000 0.48 0.51 0.70 0.58 0.38
2500 0.64 0.68 0.79 0.67 0.43
3150 0.63 0.69 0.80 0.71 0.53
4000 0.72 0.77 0.86 0.75 0.53
5000 0.80 0.83 0.99 0.79 0.57
6300 0.78 0.88 0.98 0.80 0.63
8000 0.89 0.91 0.99 0.92 0.73
10000 0.90 0.92 0.98 0.92 0.80
상기 표 4와 표 5의 결과에 의하면, 폴리이미드 바인더가 함침되지 않은 부직포에 비교하여, 부직포에 폴리이미드 바인더가 함침됨으로써 흡음율이 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 폴리이미드 바인더함량에 따라 제조된 흡차음재의 흡음율이 조절될 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 7. 바인더의 종류에 따른 흡차음재의 특성 비교
상기 실시예 1의 방법으로 아라미드 부직포 100 중량부를 기준으로 바인더가 50 중량부 함침된 흡차음재를 제조하되, 상기 바인더로서 하기 표 6 및 표 7에 나타낸 수지를 각각 사용하였다.
하기 표 6 및 표 7에는 바인더의 종류를 다르게 하여 제조된 흡차음재에 대한 기계적 물성과 흡음율을 비교한 결과를 나타내었다.
구 분 바인더의 종류에 따른 흡차음재의 물성 비교
바인더 수지 에폭시
수지		 페놀
수지		 우레아
수지		 멜라민
수지		 폴리우레탄
수지
내열온도(℃x1hr) 300 260 190 300 200
인장강도 (kg/㎠) 200 165 180 180 170
난연성 자소성 자소성 자소성 자소성 자소성
불연성 불연 불연 불연 불연 불연

Claims (26)

  1. 섬도 1∼15 데니어인 내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포; 및
    상기 부직포에 함침되어 부직포와 동일한 층에 위치하고 있으며, 상기 부직포의 섬유원사 표면에 분포 및 부착되어 통기홀 구조를 유지 또는 더 형성시켜 부직포 내부의 3차원 형상을 유지하도록 하는 폴리이미드 바인더;
    를 포함하는 흡차음재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 내열섬유는 한계산소지수(LOI)가 25% 이상이며 내열온도가 150℃ 이상인 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 내열섬유는 아라미드 섬유, 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유, 폴리이미드(PI)섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 금속 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 실리카 섬유, 및 세라믹 섬유 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 내열섬유는 섬도가 1∼15 데니어이고, 원사의 길이가 20∼100 mm인 아라미드 섬유 또는 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유인 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 부직포는 두께가 3∼20 mm이고, 밀도가 100∼2000 g/㎡인 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리이미드는 중량평균분자량이 10,000∼200,000 g/mol인 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 부직포 100 중량부에 대하여 폴리이미드 바인더가 1∼300 중량부 함침된 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡차음재는 적용대상의 입체구조 형상으로 성형된 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡차음재는 단일층 또는 다층으로 구성된 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  10. 청구항 1 내지 9 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡차음재는 자동차용인 것을 특징으로 하는 흡차음재.
  11. a) 섬도 1∼15 데니어인 내열섬유의 함량이 30∼100 중량%인 부직포를 폴리아믹산이 분산된 바인더 용액에 함침하는 단계;
    b) 폴리아믹산이 함침된 부직포를 바인더 용액으로부터 회수하는 단계; 및
    c) 회수된 부직포를 경화하여 폴리아믹산을 폴리이미드로 전환하는 단계;
    를 포함하는 청구항 1에 따른 흡차음재의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 b)단계 이후에 폴리아믹산이 함침된 부직포를 원하는 형상으로 제작하는 성형단계 ;
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 b)부직포의 회수단계는 함침된 부직포를 꺼내어 1∼20 kgf/cm2의 압력으로 압착하는 공정, 함침된 부직포를 꺼내어 70∼200℃ 온도로 가온하면서 용매를 증발시키는 공정, 또는 함침된 부직포를 꺼내어 1∼20 kgf/cm2의 압력으로 압착한 후에 70∼200℃ 온도로 가온하면서 용매를 증발시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고내열 흡차음재의 제조방법.
  14. 청구항 11, 12 또는 13에 있어서,
    상기 흡차음재는 부직포 100 중량부에 대하여 폴리이미드 바인더가 1∼300 중량부 함침된 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 내열섬유는 한계산소지수(LOI)가 25% 이상이며 내열온도가 150℃ 이상인 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 내열섬유는 아라미드 섬유, 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유, 폴리이미드(PI)섬유, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 섬유, 폴리벤즈옥사졸(PBO) 섬유, 금속 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 실리카 섬유, 및 세라믹 섬유 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 내열섬유는 섬도가 1∼15 데니어 및 원사의 길이가 20∼100 mm인 아라미드 섬유 또는 산화된 폴리아크릴로니트릴(OXI-PAN) 섬유인 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 부직포는 두께가 3∼20 mm이고, 밀도가 100∼2000 g/㎡인 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 부직포는 연속해서 업-다운 니들링, 다운-업 니들링, 업-다운 니들링을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 부직포는 니들 스트로크 30∼350 회/㎡로 형성되는 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  21. 청구항 11에 있어서,
    상기 폴리이미드는 중량평균분자량이 20,000∼300,000 g/mol인 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  22. 청구항 11에 있어서,
    상기 바인더 용액의 농도가 폴리아믹산 함량을 기준으로 1∼60 중량%인 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  23. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    상기 흡차음재는 자동차용인 것을 특징으로 하는 흡차음재의 제조방법.
  24. ⅰ) 소음을 유발하는 장치의 입체구조를 확인하는 단계;
    ⅱ) 상기 장치의 입체구조와 일부 또는 전부가 일치하도록 청구항 1 내지 9항 중에서 선택된 어느 한 항의 흡차음재를 제작 및 성형하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 흡차음재를 상기 소음 유발 장치에 인접시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 유발 장치의 소음 저감방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 장치는 모터, 엔진 또는 배기계인 것을 특징으로 하는 소음 유발 장치의 소음 저감방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 인접은 소음 유발 장치에 밀착시켜 체결하거나, 또는 소음 유발 장치와 일정 거리를 두어 설치하거나, 또는 소음 유발 장치에 적용되는 부품으로 성형하여 적용하는 것을 특징으로 하는 소음 유발 장치의 소음 저감방법.
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