KR20110130646A - 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체 및 그것의 제조방법 - Google Patents

바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체 및 그것의 제조방법

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KR20110130646A
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양성기
송현우
채원호
류신헌
임기환
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성현산업 주식회사
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Abstract

본 발명은 폴리올 100중량부에 대하여 계면활성제 1~4중량부, 아민촉매 1~2중량부, 질석 10~20중량부, 발포제 1~3중량부 및 이소시아네이트 50~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 및 흡음성이 향상된 자동차 내장재용 발포체 및 그것의 제조공정에 관한 것으로서 석유자원의 고갈에 의한 석유화학산업의 위기가 예상되는 상황에서 석유화학제품을 대체할 수 있는 소재로 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Description

바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체 및 그것의 제조방법{Interior forms for the vehicle using biopolyol and manufacturing method thereof}
본 발명은 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체 및 그것의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연소재인 대두유를 이용한 바이오폴리올 및 친환경 세라믹 경량 소재인 질석을 이용하여 기계적 강도 및 흡음률이 향상된 자동차 내장재용 발포체 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 내장재의 종류는 헤드라이너(Head liner), 도어트림(Door trim), 리어쉘프 (Rear shelf), 트렁크 매트(Trunk mat), 본네트 커버(Bonnet Cover), 선바이저 (Sun visor), 밧데리 커버(Battery cover)등 많은 부분이 있다. 이들 내장재의 대부분은 발포체가 포함되어 있는데, 이들에 사용되는 발포체는 대부분 재활용이 불가능한 환경 유해 물질인 석유화학 제품을 주원료로 사용하는데, 특히 폴리우레탄 폼의 제조에 사용되는 폴리에스테르 및 폴리에테르 폴리올은 석유화학 제품으로 이루어져 있다. 이러한 소재는 재생이 불가능하며 연소 시에 열에 의하여 유해물질이 용출하여 토양이나 수질을 오염시켜 새로운 환경문제로 지적되고 있다. 또한 제조공정에서부터 완제품에 이르기까지 인체에 해를 끼치는 유해한 화학적 성분이 다량 발생하고 시간이 지나도 제거되지 않으며 현대인들의 경우 신체와의 접촉이나 호흡을 통하여 유해 화학성분이 체내에 축적되어 다양한 질환의 원인으로 작용 할 수 있다.
이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안은 천연소재를 이용함으로써 해결할 수 있을 것이다. 천연소재인 대두유를 이용한 식물성 기름을 이용한 바이오폴리올 제품은 독성이 적으며 석유화학제품 대비 휘발성유기화합물(VOC) 발생량이 적어 이산화탄소의 저감효과를 가져오며 환경오염 감소에 일조하게 될 것이다.
또한 경량화 소재이며 무수한 기공을 가지고 있어 보온 및 단열 효과가 우수하고 방음 및 흡음효과가 우수하여 건축용 내장재로 활용되는 질석을 바이오폴리올과 함께 사용함으로써 기존 제품에 대비하여 동등 이상의 기계적 강도 및 흡음률을 나타내게 된다.
이러한 천연소재를 이용한 선행기술로써, 미국 등록특허 제6,686,435호는 식물성 또는 동물성 오일을 기본으로 한 폴리우레탄의 제조방법을 기술하며, 미국 공개특허 제200902553816호는 폴리(하이드록시부티레이트) 중합체에 기초한 혼합물, 재생가능원의 폴리올, 이소시아네이트 및 첨가제를 포함하는 생분해성 폴리우렌탄-기초 발포체 제조용 조성물 및 생분해성 폴리우레탄 발포체의 제조방법을 기술하며, 미국 공개특허 제20060235100호는 중합체 폴리올(PMPO), 식물성 오일 히드록실레이트 및 지방족 폴리히드록시 알콜 및 임의로는 비식물성 오일 기재 폴리올을 함유하는 폴리올 성분과 폴리이소시아네이트로 제조된 폴리우레탄 발포체의 제조방법을 기술한다.
그러나 상기 방법들을 이용하여 제조한 폴리우레탄 발포체의 경우 천연소재를 소량 첨가할 뿐만 아니라, 기계적 강도와 흡음률이 저하되는 문제가 있다.
이에 본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위하여 천연소재의 함량을 증가시키는 연구를 하던 중 대두유를 이용한 바이오폴리올과 비중이 낮은 질석을 첨가하여 폴리우레탄 발포체를 제조함으로써 상기 폴리우레탄 발포체의 기계적 특성과 흡음률이 향상됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 천연소재인 대두유를 이용한 바이오폴리올 및 세라믹 경량 소재인 질석을 이용하여 기계적 강도 및 흡음률이 향상된 자동차 내장재용 발포체 및 그것의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체는 폴리올 100중량부에 대하여 계면활성제 1~4중량부, 아민촉매 1~2중량부, 질석 10~20중량부, 발포제 1~3중량부 및 이소시아네이트 50~100중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바이오폴리올은 식물성 오일을 주원료로 하여 생산되는데, 식물성 오일들은 글리세롤에 다양한 종류의 지방산이 결합된 구조로 되어 있으며, 대표적인 식물성 원료는 대두, 야자열매, 피마자열매, 해바라기씨 등이 있다. 본 발명에 따른 대두유에서 추출한 바이오폴리올은 트리글리세라이드 분자들의 혼합물로써 분자 내에 몇 개의 이중결합을 갖는 불포화 지방산이며, 그 이중결합에 반응성이 우수한 수산기를 도입하여 화학적 구조를 변형시켜 다중 수산기를 가진 에스터 화합물을 얻을 수 있다. 다시 말해, 식물성 기름을 화학적으로 변형시켜 얻는 에폭시 에스테르 화합물을 다양한 개환제 등과 반응시켜 다중 수산 에스터 화합물, 즉 폴리올을 제조하며, 식물성 오일로부터 제조된 바이오폴리올은 이소시아네이트(TDI, MDI)와 다양한 촉매 등의 반응을 통해 폴리우레탄 발포체를 생산한다.
그런데, 바이오폴리올이 첨가된 폴리우레탄 발포체는 기계적 특성이 저하되는 문제가 있어 본 발명에서는 비중이 낮은 천연소재인 질석을 활용하여 최적의 첨가조건을 도출함으로써 기존 석유계를 사용하는 폴리우레탄 발포체의 기계적 강도를 유지하면서 흡음률을 향상시킬 수 있다.
또한, 폴리올은 석유계 폴리올 80~90중량% 및 대두유에서 추출한 바이오폴리올 10~20중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 바이오폴리올이 10중량% 미만의 경우에는 흡음률이 저하되며, 20중량% 초과의 경우에는 신율이 저하되는 문제가 발생하기 때문에 바이오폴리올은 10~20중량%로 사용하는 것이 바람직하다.
계면활성제는 표면장력을 낮게 하여 원료의 혼합율을 균일화시키는 작용을 하는 것으로서 실리콘 정포제를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 폴리올 100중량부에 대하여 계면활성제는 1~4중량부가 적당한데, 1중량부 미만의 경우에는 발포체의 혼합물의 안정성이 떨어져 뭉침 현상이 발생하며, 4중량부 초과의 경우에는 발포체의 셀 수가 증가하여 기계적 강도가 저하되는 문제가 있기 때문이다.
아민촉매는 경화 촉매제로 작용하며, 폴리올 100중량부에 대하여 1~2중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 1중량부 미만의 경우에는 경화시간이 증가하여 생산성이 저하되어 경제성에 문제가 발생하며, 2중량부 초과의 경우에는 급격한 경화로 인하여 셀이 형성되지 않아 흡음성이 저하되는 문제가 발생한다.
질석은 천연 무기 충진제로 사용되며, 폴리올 100중량부에 대하여 10~20중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 10중량부 미만의 경우에는 표면적이 적어지고 통기성이 저하되어 발포체의 흡음률이 감소되는 문제가 발생하며, 20중량부 초과의 경우에는 혼합과 발포의 불균일성으로 인하여 재료의 기계적 강도 및 흡음률이 저하된다.
발포제는 발포체의 셀 크기를 조절하는 작용을 하는 것으로서 물을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 발포제는 폴리올 100중량부에 대하여 1~3중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 1중량부 미만의 경우에는 발포체의 셀의 성장이 충분히 이루어 지지 않아 흡음률이 저하되며, 3중량부 초과의 경우에는 셀 성장의 급격한 발생으로 인한 표면적 증가로 기계적 강도가 저하된다.
이소시아네이트는 폴리올과 함께 폴리우레탄 발포체의 주원료로 사용되는 것으로서 NCO INDEX가 1~2인 것이 바람직하다. 이때 이소시아네이트는 폴리올 100중량부에 대하여 50~100중량부가 바람직하다. 50중량부 미만의 경우에는 발포체가 부분적으로 발포되지 않아 발포체의 균일도가 저하되며, 100중량부 초과의 경우에는 미반응 물질로 인하여 폴리우레탄 발포체의 기계적 강도 측면에서 균일도가 저하된다.
본 발명의 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체는 a)금형에 폴리올, 계면활성제, 아민촉매, 질석, 발포제 및 이소시아네이트를 혼합하여 우레탄 폼을 제조하는 단계; b)상기 a)단계에서 제조된 발포체를 탈형하는 단계; 및 c)상기 b)단계에서 제조된 발포체를 건조하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체의 제조방법을 단계적으로 상세히 설명한다.
먼저, a)단계는 금형에 폴리올, 계면활성제, 아민촉매, 질석, 발포제 및 이소시아네이트를 투입하여 400~600RPM으로 혼합하여 발포체를 제조하는 단계이다.
b)단계는 상기 a)단계에서 제조된 발포체를 상온에서 20~30분 동안 방치한 후 탈형하는 단계이다.
c)단계는 상기 b)단계에서 제조된 발포체를 상온에서 6~12시간 동안 건조하는 단계이다.
이와 같은 방법에 의하여 본 발명에 따른 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체를 제조 할 수 있다.
본 발명은 종래의 폴리우레탄 발포체에 비해 천연소재인 대두유를 이용한 바이오폴리올과 질석의 함량을 증가시킴으로써 기존 석유계 폴리올을 이용하는 폴리우레탄 발포체의 기계적 강도를 유지하면서 흡음률이 향상되어 자동차 내장재의 소재로 유용하게 사용될 뿐만 아니라 석유자원 고갈에 의한 석유화학산업의 위기가 예상되는 상황에서 석유화학제품을 대체할 수 있는 기술로 친환경 자동차 내장재에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 바이오폴리올 20중량%를 함유하는 폴리올에 질석 10중량부를 첨가하여 제도한 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체의 미세조직을 주사전자 현미경으로 관찰한 결과이다.
도 2는 바이오폴리올 20중량%를 함유하는 폴리올에 질석 20중량부를 첨가하여 제도한 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체의 미세조직을 주사전자 현미경으로 관찰한 결과이다.
도 3은 바이오폴리올 20중량%를 첨가하여 제조한 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체의 미세조직을 주사전자 현미경으로 관찰한 결과이다.
도 4는 바이오폴리올과 질석이 사용되지 않은 자동차 내장재용 발포체의 미세조직을 주사전자 현미경으로 관찰한 결과이다.
도 5는 실시예 1~2 및 비교예 1~2의 자동차 내장재용 발포체의 기계적 강도의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1~2 및 비교예 1~2의 자동차 내장재용 발포체의 평균흡음률의 측정결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 다음의 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의한 통상적인 변화가 가능하다.
<실시예 1>
석유계폴리올 80g, 바이오폴리올 20g, 계면활성제 1g, 아민촉매 1g, 질석 10g, 발포제 1g 및 이소시아네이트(NCO index = 1) 60g을 금형에 넣어 500rpm으로 혼합하여 발포하여 블럭형태의 발포체를 제조하였다.
상기 발포체를 상온에서 20~30분 동안 방치한 후 탈영을 수행하였다.
이후, 상기 발포체를 상온에서 6~12시간 건조시켜 본 발명의 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체를 제조하였다.
<실시예 2>
석유계폴리올 80g, 바이오폴리올 20g, 계면활성제 1g, 아민촉매 1g, 질석 20g, 발포제는 1g 및 이소시아네이트(NCO index = 1) 60g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 본 발명의 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체를 제조하였다.
<비교예 1>
석유계폴리올 80g, 바이오폴리올 20g, 계면활성제 1g, 아민촉매 1g, 발포제 1g 및 이소시아네이트(NCO index = 1) 60g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차 내장재용 발포체를 제조하였다.
<비교예 2>
석유계폴리올 100g, 계면활성제 1g, 아민촉매 1g, 발포제 1g 및 이소시아네이트 (NCO index = 1) 58g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차 내장재용 발포체를 제조하였다.
상기 실시예 1~2와 비교예 1~2의 자동차 내장재용 발포체의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
Figure pat00001
<시험예 1>
자동차 내장재용 발포체의 미세조직의 관찰
상기 실시예 1의 자동차 내장재용 발포체를 주사전자 현미경으로 미세조직을 관찰한 결과를 도 1에 나타내었다.
상기 실시예 2의 자동차 내장재용 발포체를 주사전자 현미경으로 미세조직을 관찰한 결과를 도 2에 나타내었다.
상기 비교예 1의 자동차 내장재용 발포체를 주사전자 현미경으로 미세조직을 관찰한 결과를 도 3에 나타내었다.
상기 비교예 2의 자동차 내장재용 발포체를 주사전자 현미경으로 미세조직을 관찰한 결과를 도 4에 나타내었다.
상기 도 1 내지 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1~2에서는 셀의 크기는 유사하지만 질석을 첨가하여 열린 셀과 닫친 셀을 균일하게 형성시키며, 발포 시에 셀 성장을 일부 방해하여 셀을 뒤틀리게 하여 모든 영역대의 주파수를 흡수하여 평균흡음률을 증가시켰으며, 반면에 비교예 1~2에서는 셀의 크기가 작고 열린 셀이 형성되고 뒤틀림이 적어 일부 특정 주파수에서 흡음률은 증가하지만 평균흡음률은 감소하는 결과가 나왔다.
<시험예 2>
자동차 내장재용 발포체의 기계적 강도의 측정
상기 실시예 1~2와 비교예 1~2의 자동차 내장재용 발포체의 기계적 강도는 KS M ISO 1209-1 시험규격에 준하여 측정하였다.
그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1~2와 비교예 1~2의 기계적 강도는 미미한 차이가 나왔다.
<시험예 3>
자동차 내장재용 발포체의 평균흡음률의 측정
상기 실시예 1~2와 비교예 1~2의 자동차 내장재용 발포체의 평균흡음률을 ASTM E 1050 시험규격에 준하여 측정하였다.
그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 평균흡음률은 질석을 첨가함으로 증가하였다. 또한 실시예 1~2의 결과에서처럼 질석이 증가함에 따라 흠음률은 증가하였으며, 비교예 1~2의 결과에서처럼 바이오폴리올이 첨가됨으로 흠음율은 증가하였고 바이오폴리올과 질석을 모두 사용하지 않은 경우 흡음률이 감소하는 결과가 나왔다.

Claims (7)

  1. 폴리올 100중량부에 대하여 계면활성제 1~4중량부, 아민촉매 1~2중량부, 질석 10~20중량부, 발포제 1~3중량부 및 이소시아네이트 50~100중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올은 석유계 폴리올 80~90중량% 및 대두에서 추출한 바이오폴리올 10~20 중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 실리콘 정포제인 것을 특징으로 하는 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발포제는 물인 것을 특징으로 하는 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이소시아네이트는 NCO INDEX가 1~2인 것을 특징으로 하는 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체.
  6. a)금형에 폴리올, 계면활성제, 아민촉매, 질석, 발포제 및 이소시아네이트를 혼합하여 우레탄 폼을 제조하는 단계;
    b)상기 a)단계에서 제조된 발포체를 탈형하는 단계; 및
    c)상기 b)단계에서 제조된 발포체를 건조하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 a)단계의 혼합은 400~600RPM으로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 바이오폴리올을 이용한 자동차 내장재용 발포체의 제조방법.
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