KR102140941B1

KR102140941B1 - 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재

Info

Publication number: KR102140941B1
Application number: KR1020190050273A
Authority: KR
Inventors: 권충호; 김진미
Original assignee: (주)대한솔루션
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-08-05

Abstract

본 발명은 폴리우레탄 흡음재를 발포 성형할 때 에어로겔 파우더를 첨가함으로써, 단열성과 경량화 소재로 잘 알려진 에어로겔을 통해 중량 증가를 최소화하면서도 단열 효과를 높일 수 있게 한 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재를 제공하는 데 그 목적이 있다. 특히, 본 발명은 에어로겔을 미리 폴리올에 혼합하여 마스터 배치 원액을 제조하고, 여기에 폴리올을 추가하여 농도를 조절한 다음 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)를 혼합하여 발포할 수 있게 구성하므로, 에어로겔의 농도 조절을 쉽게 하면서도 분산 효과를 높여 균질한 흡차음 성능을 얻을 수 있게 한 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

Description

자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재{METHOD FOR FORMING POLYURETHANE ABSORPTIVE MATERIAL OF VEHICLE AND THE POLYURETHANE ABSORPTIVE MATERIAL THEREOF}

본 발명은 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재에 관한 것으로, 폴리올에 고농도로 에어로겔 파우더를 혼합하여 마스터 배치 원액을 제조하고, 여기에 폴리올로 농도를 조절한 다음 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)와 혼합 발포하여 폴리우레탄 흡음재를 제조하므로, 단열과 방음 성능을 가진 에어로겔 파우더의 분산 효과를 높이면서도 단열과 흡음 성능을 개선할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 자동차에는 자동차를 구성하는 구성요소에서 발생한 소음, 자동차 하부를 통해 실내로 들어오는 소음, 엔진룸에서 발생한 소음, 그리고 자동차 주변에서 발생한 소음이 실내로 들어오는 것을 막아 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있도록 흡음재를 사용한다. 이러한 흡음재 중에서 많이 사용하는 것으로, 아래의 (특허문헌 1) 내지 (특허문헌 3)과 같이, 폴리우레탄을 많이 사용한다.

(특허문헌 1) 한국등록특허 제1007923호

폴리우레탄 발포체를 제조하는 방법에서, 수평균 분자량 6500 이상의 고분자량 폴리올 90~97중량%에 수평균 분자량 1000 이하의 저분자량 폴리올 3~10중량%를 혼합하여 구성되는 폴리올과 디에탄올아민, 정포제, 우레탄촉매 및 기포개환제로 구성하는 레진프리믹스와 폴리메릭 MDI 50~82중량%에 모노메릭 MDI 15~30중량%, 변성 MDI 2.5~10중량% 및 TDI 0.5~10중량%를 혼합반응시켜 얻어지는 이소시아네이트기가 25~40중량% 함유된 변성폴리이소시아네이트를 이소시아네이트 인텍스 0.5~2.0으로 하여 우레탄 반응시켜 자동차 플로어매트 흡음재용 폴리우레탄 발포체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법으로 제조되는 폴리우레탄 발포체는 밀도를 50~60㎏/㎥ 낮추어 경량이면서 우수한 흡음성 및 내구성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

(특허문헌 2) 한국등록특허 제1797462호

자동차 흡음재용 폴리우레탄 폼 조성물, 이를 이용한 자동차 흡음재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 바이오 폴리올 및 바이오 이소시아네이트를 포함하는 자동차 흡음재용 폴리우레탄 폼 조성물, 이를 이용하여 제조된 자동차 흡음재와 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 제조방법에서 제공하는 폴리우레탄 폼 조성물은 바이오 폴리올 및 바이오 이소시아네이트를 사용하여 기존의 석유계 원료를 대체함으로써 환경 친화적인 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 흡음률과 강도가 기존의 석유계 폴리올 또는 석유계 이소시아네이트를 사용한 경우에 비해 동등 또는 우수하며, 환경친화적인 자동차용 흡음재로 사용될 수 있고, 또한 자동차 시트나 쿠션 시트 백 등으로도 유용하게 사용될 수 있다.

(특허문헌 3) 한국등록특허 제1893878호

바이오매스 함량이 높은 폴리우레탄 폼 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 석유계 폴리올, 바이오 폴리올, 셀오프너, 아민계 촉매, 계면활성제 및 발포제를 포함하는 레진프리믹스; 및 바이오 이소시아네이트;를 포함하는, 자동차 흡음재용 폴리우레탄 폼 조성물에 관한 것이다. 이에 따른 자동차 흡음재용 폴리우레탄 폼 조성물은 바이오매스 유래의 폴리올과 이소시아네이트를 사용함으로써 종래 폴리우레탄 폼에 비해 바이오매스 함량이 더 높아 친환경적인 효과가 있으며, 발포특성, 물성특성 및 성형특성이 모두 양호하여 자동차 흡음재 용도로 사용하기에 유용한 효과가 있다.

이처럼 제작한 폴리우레탄 흡음재는 흡음 효과를 높일 수는 있으나, 다음과 같은 문제가 발생한다.

(1) 흡음재는 자동차에서 장착하는 위치에 따라 단열성능을 필요하나, 폴리우레탄 흡음재는 단열성능이 떨어진다.

(2) 예를 들어, 엔진 인캡슐레이션처럼 엔진을 감싸서 엔진에서 발생하여 버려지는 열을 최소화하려고 사용하는 인캡슐레이션으로 폴리우레탄 소재를 많이 사용하나 단열 성능이 떨어진다.

(3) 이처럼 단열성능이 떨어지는 폴리우레탄 흡음재는 별도로 단열층을 구성하거나 단열 처리해야 하므로, 제조공정이 늘어날 뿐만 아니라 제조비용이 늘어나게 된다.

(4) 단열 처리를 하지 않은 폴리우레탄 흡음재는 고열에 노출될수록 경화하여 흡음성능이 떨어질 뿐만 아니라 경화한 폴리우레탄 흡음재는 쉽게 파손되어 흡음 기능을 상실할 우려가 있다.

(5) 또한, 별도로 단열층을 구성함에 따라 폴리우레탄 흡음재의 중량이 늘어나게 되어 자동차 연비를 떨어뜨리는 한 가지 요인으로 작용한다.

한국등록특허 제1007923호 (등록일 : 2011.01.06) 한국등록특허 제1797462호 (등록일 : 2017.11.08) 한국등록특허 제1893878호 (등록일 : 2018.08.27)

본 발명은 이러한 점을 고려한 것으로, 폴리우레탄 흡음재를 발포 성형할 때 에어로겔 파우더를 첨가함으로써, 단열성과 경량화 소재로 잘 알려진 에어로겔을 통해 중량 증가를 최소화하면서도 단열 효과를 높일 수 있게 한 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 에어로겔을 미리 폴리올에 혼합하여 마스터 배치 원액을 제조하고, 여기에 폴리올을 추가하여 농도를 조절한 다음 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)를 혼합하여 발포할 수 있게 구성하므로, 에어로겔의 농도 조절을 쉽게 하면서도 분산 효과를 높여 균질한 흡차음 성능을 얻을 수 있게 한 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법은, 폴리올 85~90중량%와 에어로겔 파우더 10~15중량%를 혼합하여 마스터 배치 원액을 혼합하는 제1단계; 상기 마스터 배치 원액과 폴리올을 (20~170): (150~300)의 중량비로 혼합하여 폴리올 원액을 얻는 제2단계; MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)와 상기 폴리올 원액을 480:(300~350)의 중량비로 혼합·발포하여 폴리우레탄 흡음재를 제조하는 제3단계;를 포함하되, 상기 에어로겔 파우더는 상기 폴리우레탄 흡음재 전체 중량의 1~5중량% 만큼 함침하게 한 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 폴리우레탄 흡음재는, 열전도율이 0.04~0.05W/mk인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폴리우레탄 흡음재는, 밀도가 120~130㎏/㎤인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 폴리우레탄 흡음재는, 공극률이 0.7~0.8%인 것을 특징으로 한다.

마지막으로, 본 발명은 상술한 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법으로 제조한 자동차용 폴리우레탄 흡음재를 포함한다.

본 발명에 따른 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법 및 그 폴리우레탄 흡음재는 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 폴리우레탄 흡음재를 성형할 때 에어로겔 파우더를 함침시켜 제조하므로, 단열효과를 얻을 수 있다. 이에, 엔진 인슐레이션과 같이 고온 상태에서 흡음 작용을 하는 폴리우레탄 흡음재에 적용하더라도 단열 효과와 흡음 효과를 동시에 얻을 수 있다.

(2) 특히, 상기 에어로겔 파우더는 마스터 배치 원액 형태로 폴리올에 첨가한 다음, 이 마스터 배치 원액에 폴리올을 첨가하여 희석해서 사용하므로, 에어로겔 파우더의 분산 효과를 높여 폴리우레탄 흡음재 전체에 에어로겔 파우더가 골고루 함침하게 하여 균일한 단열 효과를 얻을 수 잇다.

(3) 또한, 상기 에어로겔은 경량이면서도 단열 효과와 더불어 흡음 효과가 있으므로, 폴리우레탄 흡음재의 중량 증가를 최소화하여 연비를 개선하면서도 흡음 효과와 단열 효과를 얻을 수 있다.

[도 1]은 본 발명에 따른 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
[도 2]는 에어로겔을 함침하지 않은 비교예의 (a)샘플사진과 현미경(SEM)으로 확대한 사진이다.
[도 3]은 본 발명에 따라 에어로겔을 1중량% 함침한 [실시예 1]의 (a)샘플사진과 현미경(SEM)으로 확대한 사진이다.
[도 4]는 본 발명에 따라 에어로겔을 3중량% 함침한 [실시예 2]의 (a)샘플사진과 현미경(SEM)으로 확대한 사진이다.
[도 5]는 본 발명에 따라 에어로겔을 5중량% 함침한 [실시예 3]의 (a)샘플사진과 현미경(SEM)으로 확대한 사진이다.
[도 6]은 본 발명에 따라 에어로겔 파우더를 함침한 실시예 1 실시예 3과 에어로겔 파우더를 함침하지 않은 비교예의 주파수(1/3 Octave Center Frequency [Hz]) 대비 흡음 성능(Absorption Coefficient)을 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최고의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 한가지 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형례가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

[폴리우레탄 흡음재의 제조방법]

본 발명에 따른 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법은, [도 1] 내지 [도 6]과 같이, 폴리올과 에어로겔 파우더를 혼합하고, 여기에 폴리올을 첨가하여 폴리올 원액을 만든 다음, MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)를 첨가하여 폴리우레탄 흡음재를 발포 성형한 것이다.

특히, 본 발명은 에어로겔을 첨가하여 폴리우레탄 흡음재를 제조하므로, 에어로겔의 단열 성능과 경량화를 통해 중량 증가를 최소화하면서도 단열 효과를 높일 수 있게 한 것이다.

이때, 본 발명은 에어로겔 파우더를 폴리올에 혼합하여 마스터 배치 원액을 만들고, 이 마스터 배치 원액에 폴리올을 첨가하여 희석한 다음 MDI를 혼합하여 폴리우레탄 흡음재를 제조하므로, 에어로겔 파우더가 폴리우레탄 흡음재 전체에 골고루 퍼지면서 함침하게 하여 분산 효과를 높일 수 있게 한 것이다.

또한, 본 발명은 폴리우레탄 흡음재에 함유한 에어로겔 파우더의 함량이 흡음재 전체 중량의 1~5중량%를 차지하게 제조하므로, 단열 효과를 가지면서도 에어로겔을 첨가하지 않았을 때와 유사한 흡음 성능을 얻을 수 있게 한 것이다.

이하, 이러한 구성에 관해 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 여기서, 본 발명은 세 단계로 이루어지므로 단계별로 나눠서 설명한다.

가. 제1단계

제1단계는, [도 1]과 같이, 마스터 배치 원액을 혼합하는 단계이다. 마스터 배치(Master Batch)는 원료에 배합제 등을 높은 농도로 미리 배합해 놓고 여기에 원료를 혼입하여 배합제 계량을 정확하게 할 수 있는 통상의 기술을 말한다. 특히, 이러한 마스터 배치는 분산을 좋게 하고 작업 중에도 배합제 등이 흩날림을 방지할 수 있다.

본 발명에서 마스터 배치 원액은, [도 1]과 같이, 폴리올과 에어로겔 파우더를 혼합하여 만든다. 여기서, 에어로겔(Aerogel)은 합성할 때 만들어진 겔 구조를 그대로 유지하면서 그 겔 구조 내에 액체를 공기로 치환하여 얻은 고다공성 나노 구조체로, 1~50㎚ 크기의 다공성 구조로 단열성과 방음 효과가 있는 것으로 알려졌다.

한편, 본 발명은 이러한 마스터 배치 원액은 폴리올과 에어로겔 파우더를 (85~90중량%): (10~15중량%)의 중량비율로 혼합하여 얻는다.

나. 제2단계

제2단계는, [도 1]과 같이, 마스터 원액에 폴리올을 혼합·희석하여 폴리올 원액을 얻는 단계이다. 이때의 혼합 비율은 마스터 배치 원액과 폴리올을 (20~170): (150~300)의 중량비율로 혼합한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제2단계에서, 폴리올은 후술할 제3단계에서 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)를 첨가하여 폴리우레탄 흡음재를 발포 성형할 때 에어로겔 파우더의 함량이 폴리우레탄 흡음재의 전체 중량의 1~5중량% 만큼 차지하도록 혼합하는 것이 바람직하다.

다. 제3단계

제3단계는, [도 1]과 같이, 폴리우레탄 흡음재를 발포 성형하는 단계이다. 이때의 발포 성형은 상술한 폴리올 원액과 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)를 혼합하여 발포 성형한다. 이처럼 발포 성형에서는 때에 따라 물 등을 첨가하여 발포 성형할 수 있음을 본 발명이 속한 기술분야의 종사자라면 누구든지 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상과 같이 본 발명은 폴리올에 에어로겔 파우더를 혼합하여 폴리우레탄 흡음재를 발포 성형하므로, 에어로겔의 단열 성능과 흡음 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따라 제작한 폴리우레탄 흡음재는 열전도율 0.04~0.05W/mk, 밀도 120~130㎏/㎤, 그리고 공극률 0.7~0.8%를 갖게 제작하는 것이 바람직하다.

[폴리우레탄 흡음재]

본 발명은 상술한 폴리우레탄 제조방법으로 제조한 폴리우레탄을 포함한다.

이하에서는 이러한 제조방법으로 제조한 폴리우레탄 흡음재의 흡음 성능을 비교하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 제조방법에 따라 에어로겔 파우더의 함량이 1중량%인 [실시예 1], 에어로겔 파우더의 함량이 3중량%인 [실시예 2], 에어로겔 파우더의 함량이 5중량%인 [실시예 3], 그리고 에어로겔 파우더를 함유하지 않은 비교예의 성분은 다음의 [표 1]과 같다.

구분		비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3
에어로겔 함량		0중량%	1중량%	3중량%	5중량%
폴리올 원액(g)	마스터배치 원액	0	32	96	160
폴리올 원액(g)	폴리올	320	288	224	160
MDI양(g)		160	160	160	160

[표 1]과 같이 혼합한 비교예와 [실시예 1] 내지 [실시예 3]의 조성으로 발포 성형한 폴리우레탄 흡음재의 샘플 사진과 현미경(SEM)으로 확대한 사진은 [도 2] 내지 [도 5]와 같다. 여기서, [도 2] 내지 [도 5]에서의 (a)는 샘플 사진을, (b)는 현미경(SEM)으로 확대한 사진을 각각 나타낸다. 현미경 사진과 같이, 실시예의 다공 구조가 비교예의 다공 구조와 비교하여 대략 비슷하나, 에어로겔의 분포로 단열 효과를 높일 수 있다.

한편, 이처럼 발포 성형한 비교예와 [실시예 1] 내지 [실시예 3]에 대하여, 주파수 변화에 따른 흡음성능을 시험한 결과는 다음의 [도 6]과 같다. [도 6]에서, 가로축은 주파수(1/3 Octave Center Frequency [Hz])를, 세로축은 흡음 성능(Absorption Coefficient)을, 보라색 그래프는 비교예를, 유황색 그래프는 [실시예 1]을, 분홍색 그래프는 [실시예 2]를, 청색 그래프는 [실시예 3]을 각각 나타낸다.

그 결과, 주파수 범위 전반에 흡음 성능에 약간의 차이가 있으나, 에어로겔이 3중량%인 [실시예 2]는 비교예와 동등한 흡음 성능을 가진 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 폴리우레탄 흡음재는 비교예와 유사한 흡음 성능을 가지면서도 단열 효과를 높일 수 있게 된다.

Claims

폴리올 85~90중량%와 에어로겔 파우더 10~15중량%를 혼합하여 마스터 배치 원액을 혼합하는 제1단계;
상기 마스터 배치 원액과 폴리올을 (20~170): (150~300)의 중량비로 혼합하여 폴리올 원액을 얻는 제2단계;
MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate)와 상기 폴리올 원액을 480:(300~350)의 중량비로 혼합·발포하여 폴리우레탄 흡음재를 제조하는 제3단계;를 포함하되,
상기 에어로겔 파우더는 상기 폴리우레탄 흡음재 전체 중량의 1~5중량% 만큼 함침하게 한 것을 특징으로 하는 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법.
제1항에서,
상기 폴리우레탄 흡음재는,
열전도율이 0.04~0.05W/mk인 것을 특징으로 하는 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법.
제1항에서,
상기 폴리우레탄 흡음재는,
밀도가 120~130㎏/㎤인 것을 특징으로 하는 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법.
제1항에서,
상기 폴리우레탄 흡음재는,
공극률이 0.7~0.8%인 것을 특징으로 하는 자동차용 폴리우레탄 흡음재 제조방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 의한 제조방법으로 제조한 자동차용 폴리우레탄 흡음재.