KR20110131980A - 바이오폴리올을 포함하는 흡음재용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오폴리올을 포함하는 흡음재용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 천연 바이오폴리올을 이용한 자동차용 흡음재용 폴리우레탄 폼을 제공함으로써 기존 석유계 폴리올만 사용한 경우에 비하여 흡음률과 강도가 우수하면서도 환경친화적인 흡음재용 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있다.

Description

바이오폴리올을 포함하는 흡음재용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법{Polyurethane foam for sound―absorbing material comprising biopolyol and Preparation method thereof}
본 발명은 흡음률과 강도가 우수한 흡음재용 폴리우레탄 폼을 환경친화적으로 제공할 수 있는, 바이오폴리올을 포함하는 흡음재용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 내외의 소음과 진동을 저감하기 위해 사용되는 재료를 방음재라고 한다. 방음재는 크게 흡음재, 차음재, 제진재로 구분되며, 흡음재에는 유리섬유(glass wool), 펠트(resin, needle, PET)류 등이 있고, 차음재에는 PU 폼 및 PE 폼, FELT 류, EVA, H/Layer 등이 있으며, 제진재에는 아스팔트 시트, RSS (asphalt + H/Layer) 등이 있다.
자동차는 부위별로 발생되는 소음의 특성이 다르기 때문에, 소음과 진동을 저감하는 방법과 사용하는 재료가 다르다. 예를 들어, 엔진 소음을 줄이기 위해서는 소리를 격리 또는 흡수하는 방법을 사용한다. 본네트에는 흡음재로 유리섬유를, 차음재로 PU 폼을 사용한다. 헤드라이너는 차량 천정의 실내에 부착되는 내장 부품으로서, 어시스트 핸들, 오버헤드콘솔, 룸램프, 맵램프 및 옷걸이 등이 배열되어 있어 승객의 안락성과 편의성을 제공하며 외부로부터 발생하는 진동이나 소음을 흡수하고 차폐하는 기능을 가져야 한다.
앞서 개시된 PU, PP, 유리섬유 등의 소재는 재활용이 어렵고, 소각 처리시 다이옥신 등의 환경 규제 물질 방출의 문제점을 가지고 있으며, 최근 자동차 내장재의 기술 동향은 환경 법규에 대응하기 위한 친환경 제품 개발에 초점이 맞추어져 있다. 특히, 유럽의 환경 법규는 높은 재활용을 요구하는 등 환경 규제가 세계적으로 강화됨에 따라, 환경 규제 대응 제품의 개발은 절실히 필요한 상황이다.
이에, 본 발명자들은 기존의 석유계 폴리올 대신 대두유에 기반을 둔 천연 바이오폴리올을 전체 폴리올 사용량 대비 20 중량% 이상을 첨가함으로써 흡음률과 강도가 우수한 흡음재용 폴리우레탄 폼을 환경친화적으로 제조할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 흡음률과 강도가 우수하면서도 친환경적인 흡음재용 폴리우레탄 폼을 제조하기 위하여, 기존 석유계 폴리올에 천연 바이오폴리올을 첨가한 흡음재용 폴리우레탄 폼 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리올 100 중량부에 대하여, 촉매 0.1 내지 5.0 중량부, 정포제 0.1 내지 5.0 중량부, 발포제 0.1 내지 5.0 중량부 및 이소시아네이트 50 내지 100 중량부를 포함하며, 상기 폴리올은 석유계 폴리올 60 내지 90 중량% 및 바이오폴리올 10 내지 40 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼을 제공한다.
보다 상세하게는, 본 발명은 폴리올 100 중량부에 대하여, 촉매 0.5 내지 1.5 중량부, 정포제 0.5 내지 1.5 중량부, 발포제 0.5 내지 1.5 중량부 및 이소시아네이트 60 내지 70 중량부를 포함하며, 상기 폴리올은 석유계 폴리올 70 내지 90 중량% 및 바이오폴리올 10 내지 30 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼을 제공한다.
상기 바이오폴리올은 대두 바이오폴리올인 것이 바람직하다. 상기 대두 바이오폴리올은 대두유를 화학적으로 변형시켜 얻은 에폭시 에스테르 화합물을 다양한 개환제 등과 반응시켜 다중 수산기를 가진 에스테르 화합물인 바이오폴리올을 제조하여 사용할 수 있다. 식물성 기름으로부터 제조된 바이오폴리올은 자원고갈의 문제없이 사용이 가능하며 폐기되었을 때 분해가 석유화학제품에 비해 쉽게 되므로 환경친화적인 폴리우레탄 원료로 사용할 수 있다.
이때, 사용되는 바이오폴리올의 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 흡음률 및 강도가 저하되며 40 중량% 초과인 경우에는 신율이 저하되는 문제가 야기될 수 있다.
상기 석유계 폴리올은 폴리옥시알킬렌 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 다당류 폴리올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 석유계 폴리올은 관능기수가 다른 2종 이상의 폴리올 혼합물을 사용할 수 있다.
즉, 각각의 폴리올은 다음과 같은 특성을 가진다:
폴리올 A : 관능기 5 이하의 폴리옥시알킬렌류를 사용하여 폼이 지나치게 딱딱해지지 않게 하고 기계적인 물성이 양호하도록 한다.
폴리올 B : 관능기 3 이상의 폴리에테르 폴리올류를 혼합하여 우레탄폼이 적당한 강도를 가지게 한다. 첨가량을 조절하면 폼의 강도를 조절할 수 있다.
폴리올 C : 관능기 3 이상의 다당류 폴리올로서, 폼에 적당한 강도를 부여하는 역할을 한다.
이때, 사용되는 석유계 폴리올의 함량이 60 중량% 미만인 경우에는 바이오폴리올의 함량이 상대적으로 증가하여 신율이 저하되며, 90 중량% 초과인 경우에는 흡음률 및 강도가 저하되는 문제가 야기될 수 있다.
상기 촉매는 수지화촉매(우레탄화 촉매)와 발포촉매를 포함하며, 대표적으로 지방족 아민류와 같은 아민촉매 또는 유기주석화합물과 같은 주석촉매에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 이때, 사용되는 촉매의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 경화시간이 증가하여 생산성이 저하되며, 5.0 중량부 초과인 경우에는 경화반응이 주도적으로 일어나 셀이 안정되게 성장할 수 없으므로 흡음률이 저하되는 문제가 야기될 수 있다.
상기 정포제는 양호한 기포(셀)를 형성하는 실리콘계 정포제일 수 있다. 상기 정포제의 함량이 지나치게 많으면 기포의 열림성이 좋지 않아 통기성이 나빠지며 그 결과 흡음 성능이 저하되는 문제가 있다. 즉, 사용되는 정포제의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 기포의 불안정화로 인해 폼의 꺼짐 현상이 발생하며, 5.0 중량부 초과인 경우에는 기포의 열림성이 좋지 않아 통기성이 나빠지며 그 결과 흡음성능이 저하되는 문제가 있다.
상기 발포제는 물 또는 불활성가스에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 이때, 사용되는 발포제의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 폼 내부의 셀의 수가 충분하지 않고 밀도가 증가하므로 통기성이 나빠져 흡음성이 저하되며, 5.0 중량부 초과인 경우에는 셀 성장이 급격하게 이루어지므로 상대적으로 경화반응이 약화되어 강도가 저하되는 문제가 야기될 수 있다.
상기 이소시아네이트는 톨루엔디이소시아네이트, 메틸렌디페닐디이소시아네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이때, 사용되는 이소시아네이트의 함량이 50 중량부 미만인 경우에는 가교 밀도가 낮아 강도가 저하되며, 100 중량부 초과인 경우에는 지나치게 경도가 상승하여 탄성이 저하되는 문제가 야기될 수 있다.
또한, 본 발명은 추가로 폴리올 100 중량부에 대하여, 질석 10 내지 20 중량부를 포함할 수 있다. 이때, 사용되는 질석의 함량이 10 중량부 미만인 경우에는 표면적 증가 효과가 미비하여 흡음성이 저하되며, 20 중량부 초과인 경우에는 질석의 분산 및 혼합성이 떨어져 폼의 형성이 원활하지 않으며 균일도가 저하되는 문제가 야기될 수 있다.
또한, 본 발명은 바이오폴리올을 합성하는 단계; 미리 제작된 금형에 바이오폴리올, 석유계 폴리올, 촉매, 정포제 및 발포제를 넣고 교반하여 폴리올 혼합물을 제조하는 단계; 상기 폴리올 혼합물에 이소시아네이트를 넣고 발포시키는 단계; 및 반응 종결 후 탈형하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼의 제조방법을 제공한다.
상기 바이오폴리올 합성 단계는 산 촉매 하에서 콩기름, 빙초산, 톨루엔의 혼합물에 과산화수소를 첨가하고 유지하는 단계; 반응생성물을 여과하고 증류수로 세척하는 단계; 반응생성물에서 수층을 제거하고 유기층을 얻는 단계; 얻어진 유기층을 여과하고 톨루엔을 증류하여 제거함으로써 에폭시화된 콩기름을 얻는 단계; 에폭시화된 콩기름에 과량의 메탄올을 산 촉매 하에서 환류시키는 단계; 및 실온으로 냉각시키고 촉매를 중화시킨 후, 잔류 메탄올을 증류하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 폴리우레탄 폼은 식물성기름으로부터 제조된 천연 바이오폴리올을 이용한 친환경적인 제품으로 흡음률과 강도가 기존의 석유계 폴리올을 사용한 경우에 비해 우수하며, 환경친화적인 자동차용 흡음재로 사용될 수 있고, 또한 자동차 시트나 쿠션 시트 백 등으로도 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 제조과정의 순서도를 나타낸 것이고,
도 2는 석유계 폴리올과 본 발명에 따른 바이오폴리올의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 바이오폴리올 함량 분석을 위한 검량곡선을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 발포제 첨가량 변화에 따른 셀 구조를 나타낸 SEM 사진이고,
도 5는 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 계면활성제 첨가량 변화에 따른 셀 구조를 나타낸 SEM 사진이고,
도 6은 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 아민촉매 첨가량 변화에 따른 셀 구조를 나타낸 SEM 사진이고,
도 7은 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 주석촉매 첨가량 변화에 따른 셀 구조를 나타낸 SEM 사진이고,
도 8은 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 질석 첨가량 변화에 따른 셀 구조를 나타낸 SEM 사진이고,
도 9는 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 바이오폴리올 첨가량 변화에 따른 셀 구조를 나타낸 SEM 사진이고,
도 10은 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 주파수 변화에 따른 흡음률 그래프를 나타낸 것이고,
도 11은 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 TGA 분석 결과이고,
도 12는 본 발명에 따른 흡음재용 폴리우레탄 폼의 DSC 분석 결과이다.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<참조예 1> 시약 및 장치
본 실시예에 사용한 식물성 기름은 (주)사조해표의 식용 대두유를 사용하였고, 폴리올은 한국폴리올사의 제품인 폴리에테르계 폴리올 KONIX HR-450P 및 FA-220을 사용하였다. 이소시아네이트는 작용기수 2.7인 폴리메릭-MDI를 사용하였고, 정포제로 사용한 B-8409 (polydimethylsiloxane과 poly(ethylene oxide)의 공중합체)는 Goldshmidts 사의 제품을 사용하였다. 촉매로 사용한 디메틸사이클로헥실아민(dimethylcyclohexylamine; DMCHA), 옥탄산 주석염(stannous octoate; T-9)은 Fluka 사의 제품을 사용하였으며, 발포제인 물은 증류수를 사용하였다.
폴리올을 합성하기 위한 장치는 1 L 반응기를 항온조에 넣은 실험실용 환류장치를 사용하였다. 우레탄 폼을 합성하기 위해서 10cm×10cm×10cm의 금형을 제작하였고 폴리올의 혼합을 위해서 스테인레스 재질의 1 L 비이커와 기계식 교반기(Mechnical stirrer)를 사용하였다.
<실시예 1> 바이오폴리올 합성 및 분석
1) 바이오폴리올 합성
산 촉매 하에 콩기름, 빙초산, 톨루엔의 혼합물에 과산화수소를 서서히 첨가 한 후 55℃에서 7시간을 유지시켰다. 반응이 완전히 끝난 후, 정제되지 않은 생성물은 여과하고 증류수로 중성이 될 때까지 세척하였다. 정제된 생성물은 층 분리깔대기에 옮겨 수용층을 제거하고 기름층에 황산나트륨을 사용하여 잔여수분을 제거하였다. 여과한 후 톨루엔은 증류하여 제거하고 에폭시화된 콩기름을 얻었다. 이어서 에폭시화 된 콩기름에 과량의 메탄올을 산 촉매 하에서 70℃로 4시간 동안 환류시켰다. 반응이 완결된 후에 실온으로 냉각시키고 촉매를 중화시킨 후 잔류하는 메탄올을 증류하여 연한 노란색의 폴리올을 얻었다.
2) 합성한 폴리올의 수산기값(Hydroxyl Value) 측정
합성한 폴리올의 수산기값을 측정하기 위해서 ASTM E 1899-08에 따라 과량의 TSI(p-toluenesulfoonyl isocyanate)를 첨가하여 수산기를 산성 카바메이트(acidic carbamate)로 전환시켰다. 잔류하는 이소시아네이트는 물을 첨가하여 설폰아마이드 형태로 바꾸어 주고 산성 카바메이트는 Bu4NOH(tetrabutylammonium hydroxide)로 적정하여 수산기값을 계산하였다. 그 결과, 합성한 바이오폴리올의 수산기값은 180 mg KOH/g 이었다.
3) 바이오폴리올의 FT-IR 분석
합성한 바이오폴리올의 확인 및 혼합폴리올 중의 바이오폴리올 함량을 측정하기 위하여 Bomem DA-8 (Germany) FT-IR을 사용하였고, Accesary는 Circle Cell을 사용하였다.
그 결과, 합성한 바이오폴리올은 IR 스펙트럼 3500 cm-1에서 폴리올의 특정 피크인 OH 기에 의한 흡수가 나타났으며 석유계 폴리올과 달리 1740 cm-1에서 식물성 기름 특유의 에스테르 결합에 의한 C=O 신축진동이 나타났다(도 2). 이를 이용하여 석유계폴리올와 바이오폴리올의 혼합폴리올 중에서 바이오폴리올의 함량을 측정할 수 있다. 바이오폴리올의 농도에 따라 1740 cm-1 위치의 에스테르 결합 피크의 세기가 선형적으로 증가하였으며 이를 통해 아래와 같이 검정곡선 (R=0.996)을 얻을 수 있었다(도 3).
<실시예 2> 폴리우레탄 폼의 제조
미리 제작된 금형에 바이오폴리올, 석유계 폴리올, 촉매, 정포제, 발포제를 넣고 상온에서 5000 rpm으로 잘 교반시킨 후에 폴리올 혼합물의 OH value 에 해당하는 당량의 MDI를 넣어주고 나서, 교반 혼합하여 우레탄 폼을 제조하였다. 반응 종결 후 약 20 분간 방치하고 탈형하여 서늘한 곳에서 6 시간 이상 보관 후 폼을 컷팅하여 관찰하였다. 바이오폴리올의 함량은 20 중량%로 일정하게 유지하고 MDI 지표, 촉매, 정포제, 발포제의 양을 변화시키면서 폴리우레탄 폼을 제조하였다.
하기 표 1에 폴리우레탄 폼의 합성에 사용한 각 실시예들의 배합(MDI index 가 1인 경우)을 나타내었다. 이때, 바이오폴리올과 석유계 폴리올 혼합물의 합을 총 100 중량부로 하여 정포제, 촉매, 발포제 및 이소시아네이트의 각 해당 중량부를 나타내었다.
실시예
 폴리올 정포제
 촉매 질석 발포제 이소시아네이트
석유계폴리올
혼합물		 바이오
폴리올		 아민 주석
1 80 20 1 1 - - 1 60.38
2 80 20 1 1 - - 2 77.34
3 80 20 1 1 - - 3 94.29
4 80 20 2 1 - - 1 60.38
5 80 20 3 1 - - 1 60.38
6 80 20 4 1 - - 1 60.38
7 80 20 1 2 - - 1 60.38
8 80 20 1 3 - - 1 60.38
9 80 20 1 4 - - 1 60.38
10 80 20 1 2 0.2 - 3 94.29
11 80 20 1 3 0.4 - 3 94.29
12 80 20 1 1 - 10 1 60.38
13 80 20 1 1 - 20 1 60.38
14 100 - 1 1 - - 1 58.62
<실시예 3> 폴리우레탄 폼의 분석
실시예 2에서 제조된 폴리우레탄 폼은 흡음률, 인장강도 및 굴곡강도 등과 같은 물성을 다음과 같이 각각 측정하였다.
1) 흡음률 시험
폴리우레탄 폼의 흡음률 시험은 ISO 10534-2 (Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tube; part 2-Transfer function method), KS F　2814-2（임피던스 관에 의한 흡음계수와 임피던스의 결정방법 - 제2부: 전달함수법)에 따르며, 시편의 크기는 50 mm 원형의 두께 15 mm인 것을 사용하여 주파수 대역 500 Hz에서 6300 Hz까지 측정하였다. 이때 흡음률의 표시방법은 헤드라이너(headliner)의 주 소음원인 airflow sound 영역 즉, 1000 Hz 이상의 영역에서의 흡음률에 대한 산술평균값(평균흡음률)으로 나타내었으며 한 시료 당 2개의 시편을 제작하여 각 각의 평균흠음률을 다시 평균하여 표시하였다.
2) 인장강도 및 굴곡강도 측정
폴리우레탄 폼의 인장강도 및 굴곡강도는 폼을 제조한 후, 상온에서 3일 이상 경화시킨 다음 KS M ISO 527 및 KS M ISO 178에 따라 만능시험기로 측정하였다.
3) 셀 구조 분석
폴리우레탄 폼의 절단면은 SEM(Scanning Electron Microscope, Quanta 200 F, FEI, USA)을 이용하여 관찰해서 셀의 크기 및 구조를 확인하였다.
4) 열적 특성 분석
폴리우레탄 폼의 열 분석 및 유리전이 온도 측정은 TGA (thermogravimetric analysis, TA instrument, Q-600, USA)와 DSC (differential scanning calorimeter, TA instrument, Q-200, USA)를 사용하였다. 질소가스를 분당 50 mL를 흘려주면서 분당 10 ℃의 속도로 온도를 올려주었다.
5) 발포제 양에 따른 폴리우레탄 폼의 물성
MDI 지표를 1로 하고 바이오폴리올 및 석유계 폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 촉매와 정포제는 각각 1 중량부로 일정하게 하고 발포제인 물의 양을 1, 2, 3 중량부로 증가시키면서 흡음률 변화를 실험하였다(실시예 1 내지 실시예 3 참조). 그 결과, 실시예 1 내지 3의 흡음률이 각각 0.31, 0.32 및 0.41로 각각 나타남에 따라 형성된 폼의 흡음률은 발포제의 양이 증가함에 따라 증가하였다. 반면 강도는 감소하는 효과가 나타났다.
그리고, 발포제 함량의 변화에 따른 각 실시예의 셀 구조를 살펴본 결과, 도 4와 같이 발포제의 양이 증가함에 따라 셀의 크기가 균일하지 않고 다양한 크기의 셀들이 나타나는 것을 볼 수 있다(도 4a: 실시예 1, 도 4b: 실시예 2 및 도 4c: 실시예 3). 이는 발포제 양이 증가하면서 발포반응의 속도가 빨라지게 되는데, 이때 하나의 셀이 완성되기 전에 다음 셀이 만들어지게 되므로 여러 가지 다양한 크기의 셀들이 나타나게 되는 것으로 판단된다.
6) 정포제의 양에 따른 폴리우레탄 폼의 물성
MDI 지표를 1로 하고 바이오폴리올 및 석유계 폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 발포제와 촉매는 각각 1 중량부로 일정하게 하되, 정포제의 양을 1, 2, 3, 4 중량부로 증가시키면서 폼의 흡음률 변화를 살펴보았다(실시예 1, 실시예 4 내지 실시예 6 참조). 그 결과, 실시예 1의 흡음률은 0.31인 반면, 실시예 4 내지 실시예 6의 흡음률은 각각 0.22, 0.23 및 0.23으로 각각 나타남에 따라 형성된 폼의 흡음률은 정포제의 양의 변화에 거의 영향을 받지 않았다.
또한, 정포제 함량의 변화에 따른 각 실시예의 셀 구조를 살펴본 결과, 도 5와 같이 정포제의 양을 증가시켰을 때 구조상의 큰 변화는 없었으나 셀 크기가 증가하는 경향을 나타내었다(도 5a: 실시예 1, 도 5b: 실시예 4, 도 5c: 실시예 5 및 도 5d: 실시예 6).
7) 아민 촉매의 첨가량에 따른 폴리우레탄 폼의 물성
MDI 지표를 1로 하고 바이오폴리올 및 석유계 폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 발포제와 정포제는 각각 1 중량부로 일정하게 하여 아민촉매의 양을 1, 2, 3, 4 중량부로 증가시키면서 흡음률 변화를 살펴보았다(실시예 1, 실시예 7 내지 실시예 9 참조). 그 결과, 실시예 1의 흡음률은 0.31인 반면, 실시예 7 내지 실시예 9의 흡음률은 각각 0.23, 0.24 및 0.22로 각각 나타남에 따라 형성된 폼의 흡음률은 아민촉매의 양이 증가하여도 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
그리고, 도 6과 같이 아민촉매의 양을 증가시켰을 때 주목할 만한 셀 구조의 변화는 없었다(도 6a: 실시예 1, 도 6b: 실시예 7, 도 6c: 실시예 8 및 도 6d: 실시예 9).
8) 주석촉매의 첨가량에 따른 폴리우레탄 폼의 물성
MDI 지표를 1로 하고 바이오폴리올 및 석유계 폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 발포제는 3 중량부, 정포제는 1 중량부로 일정하게 하여 주석촉매의 양을 0.2, 0.4 중량부로 증가시키면서 흡음률 변화를 살펴보았다(실시예 3, 실시예 10 및 실시예 11 참조). 그 결과, 실시예 3의 흡음률은 0.41이고, 실시예 10 및 실시예 11의 흡음률은 각각 0.42 및 0.41로 각각 나타남에 따라 형성된 폼의 흡음률은 주석촉매의 양이 증가하여도 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 한편, 주석촉매의 양이 증가함에 따라 강도가 조금씩 증가함을 알 수 있다.
그리고, 주석촉매의 양이 증가함에 따라 강도 물성이 조금씩 좋아지는 경향을 나타내었으나 도 7과 같이 셀 구조와의 주목할 만한 상관관계는 찾을 수 없었다(도 7a: 실시예 3, 도 7b: 실시예 10 및 도 7c: 실시예 11).
9) 질석 첨가에 따른 폼의 물성
MDI 지표를 1로 하고 바이오폴리올 및 석유계 폴리올 혼합물 100 중량부에 대하여 발포제, 정포제 및 아민촉매를 1 중량부로 일정하게 하고 질석의 양을 10, 20 중량부로 증가시키면서 흡음률 및 강도변화를 살펴보았다(실시예 1, 실시예 12 및 실시예 13 참조). 이때, 질석의 첨가량을 20 중량부 이상으로 늘리게 되면 폼이 혼합이 잘 되지 않아 폼이 형성이 되지 않았기 때문에 최대 20 중량부까지 증가시켰다.
그 결과, 실시예 1의 흡음률은 0.31이고, 실시예 12 및 실시예 13의 흡음률은 각각 0.32 및 0.4로 각각 나타남에 따라 형성된 폼의 흡음률은 질석의 함량이 10 중량부일 때는 흡음률이 거의 변화가 없었으나 20 중량부일 때 흡음률이 가장 높았다.
그리고, 도 8과 같이 질석 첨가에 따라 셀 구조가 거칠어지는 경향을 나타내었다(도 8a: 실시예 1, 도 8b: 실시예 12 및 도 8c: 실시예 13). 이는 질석이 우레탄 경화반응에 방해물질로 작용하기 때문으로 여겨지나 이로 인해 흡음률은 오히려 증가하는 결과를 나타내었다. 질석의 첨가로 표면적이 넓어지고 통기성이 좋아져 흡음률이 상승하게 된 것으로 판단되었다.
10) 바이오폴리올 함량에 따른 폴리우레탄 폼의 물성
실시예 14와 같이 석유계 폴리올 혼합물 100 중량%를 사용한 경우와, 실시예 1과 같이 석유계 폴리올 혼합물 80 중량%와 바이오폴리올 20 중량%를 혼합한 경우로 달리 하고 물성 변화를 검토한 결과, 실시예 14와 같이 석유계 폴리올 혼합물만 사용한 경우의 흡음률은 0.2, 굴곡강도는 1.9 kgf/cm2 및 인장강도는 1.8인 반면, 실시예 1과 같이 석유계 폴리올 혼합물에 바이오폴리올을 혼합한 경우의 흡음률은 0.31, 굴곡강도는 2.7 kgf/cm2 및 인장강도는 2.9로 나타남에 따라 바이오폴리올을 함유한 실시예 1에서 흡음률이나 강도가 모두 우수한 결과를 나타내었다.
그리고, 도 9와 같이 바이오폴리올 첨가에 따라 셀 구조에 있어서 큰 변화는 없었다(9a: 실시예 14 및 9b: 실시예 1). 또한, 도 10에 바이오폴리올을 첨가한 폴리우레탄 폼의 주파수 별 흡음률 그래프를 나타내었다.
11) 열적 특성 분석 (TGA/DSC)
고분자 재료나 금속 재료와 같은 물질이 녹거나 하나의 형태에서 다른 형태로 전이하는 물리적 상태의 변화가 일어날 때, 혹은 화학적으로 반응이 일어날 때에는 항상 열이 흡수되거나 방출된다. 열분석이란 일정 조건하에서 온도에 따른 시료의 무게변화, 엔탈피나 열용량의 변화와 같은 물리적, 화학적 특성의 변화를 측정하는 방법으로, 이러한 변화를 온도 또는 시간의 함수로 기록하게 된다. 이러한 열분석법을 통해 어떤 특정 온도에서 열적거동, 용융점, 유리전이 온도, 가교온도, 안정성, 분해점 등의 정보를 알 수 있으며 상업적 생산에서 유용한 정보로 이용이 가능하다.
실시예 1에 따라 제조된 폴리우레탄 폼을 이용하여 TGA 및 DSC 분석을 수행하였고, TGA를 이용하여 열적 안정성을 시험한 결과를 도 11에 나타내었다. 이는 바이오폴리올 이용한 폴리우레탄 폼이 어느 온도에서 사용이 가능한가를 알아보는 것으로, 약 275℃까지 안정한 형태를 이루고 있음을 알 수 있었다.
도 12에는 DSC를 이용한 열적 거동 변화를 나타내었고, 실시예 1에 따른 폴리우레탄 폼의 경우 약 63℃에서 유리전이 온도를 나타내었다.

Claims (11)

  1. 폴리올 100 중량부에 대하여, 촉매 0.1 내지 5.0 중량부, 정포제 0.1 내지 5.0 중량부, 발포제 0.1 내지 5.0 중량부 및 이소시아네이트 50 내지 100 중량부를 포함하며, 상기 폴리올은 석유계 폴리올 60 내지 90 중량% 및 바이오폴리올 10 내지 40 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  2. 청구항 1에 있어서, 폴리올 100 중량부에 대하여, 촉매 0.5 내지 1.5 중량부, 정포제 0.5 내지 1.5 중량부, 발포제 0.5 내지 1.5 중량부 및 이소시아네이트 60 내지 70 중량부를 포함하며, 상기 폴리올은 석유계 폴리올 70 내지 90 중량% 및 바이오폴리올 10 내지 30 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 추가로 폴리올 100 중량부에 대하여, 질석 10 내지 20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 바이오폴리올은 대두 바이오폴리올인 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 석유계 폴리올은 폴리옥시알킬렌 폴리올, 폴리에테르 폴리올, 다당류 폴리올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 촉매는 아민촉매 또는 주석촉매에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 정포제는 실리콘계 정포제인 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 발포제는 물 또는 불활성가스에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 이소시아네이트는 톨루엔디이소시아네이트, 메틸렌디페닐디이소시아네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼.
  10. 바이오폴리올을 합성하는 단계;
    미리 제작된 금형에 바이오폴리올, 석유계 폴리올, 촉매, 정포제 및 발포제를 넣고 교반하여 폴리올 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 폴리올 혼합물에 이소시아네이트를 넣고 발포시키는 단계; 및
    반응 종결 후 탈형하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 바이오폴리올 합성 단계는 산 촉매 하에서 콩기름, 빙초산, 톨루엔의 혼합물에 과산화수소를 첨가하고 유지하는 단계; 반응생성물을 여과하고 증류수로 세척하는 단계; 반응생성물에서 수층을 제거하고 유기층을 얻는 단계; 얻어진 유기층을 여과하고 톨루엔을 증류하여 제거함으로써 에폭시화된 콩기름을 얻는 단계; 에폭시화된 콩기름에 과량의 메탄올을 산 촉매 하에서 환류시키는 단계; 및 실온으로 냉각시키고 촉매를 중화시킨 후, 잔류 메탄올을 증류하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡음재용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
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