KR20140115643A - 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재와 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반 경질 발포 우레탄 폼에 첨가되는 난연성 충전재의 일부를 탄소나노튜브로 대체하여 첨가함으로써 폼의 셀 구조를 균일하게 유지하면서 셀의 오픈(open)율을 증가시켜서 자동차용 흡음재로 사용하는 경우 우수한 난연성을 유지하면서도 흡 차음성이 우수한 자동차용 흡음재와 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반 경질 발포 우레탄 폼에 첨가되는 난연성 충전재의 일부를 탄소나노튜브로 대체하여 첨가함으로써 폼의 셀 구조를 균일하게 유지하면서 셀의 오픈(open)율을 증가시켜서 자동차용 흡음재로 사용하는 경우 우수한 난연성을 유지하면서도 흡 차음성이 우수한 자동차용 흡음재와 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차는 주행하는 도중 엔진에서 소음이 지속적으로 발생하게 되는데, 이때 발생한 소음은 차체 대시 패널을 통하여 실내로 유입되거나 차체 틈새를 통하여 외부로 유출된다. 이러한 엔진룸 소음을 감소시키기 위해 다양한 흡차음 부품이 장착되고 있는데 대표적으로 후드 삽입재(hood insulator), 대쉬 삽입재(dash insulator) 등이 있다.
전통적으로 엔진룸 흡차음 부품 소재는 주로 레진 펠트(resinated felt), 글래스 울(glass wool) 등을 사용였다. 하지만 상기 재료는 흡음 및 차음 성능을 향상시키기 위해 고중량을 유지해야 하는 단점이 있다. 또한 유리 섬유의 노화 후 비산페놀 수지의 냄새 등 유해물질을 배출하는 단점을 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하고자 다양한 대체 소재에 대한 연구가 진행되고 있는데, 그 중 발포 폴리우레탄 폼은 기존 소재처럼 유해물질을 배출하는 단점이 없으며 배합 조정을 통해 경도 및 물성을 용이하게 조정할 수 있는 장점을 가진다. 발포 폴리우레탄 폼은 기존의 레진 펠트 및 글래스 대비 우수한 흡음 성능과 경량화 효과를 가지기 때문에 자동차 소음 저감 및 연비 향상 효과 기대할 수 있다.
그러나 반경질 발포 폴리우레탄 폼의 경우 1,500Hz 이하의 중 저주파 영역에서 기존의 두 소재 대비 우수한 성능을 보이나 고주파 영역에서의 성능이 상대적으로 부족하였다.
이를 보완하기 위해 한국특허공개 제10-2011-107675호에서는 폴리우레탄 원액에 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브와 탄소 나노플레이트를 첨가 및 분산시켜 발포하여 폴리우레탄 폼을 형성시킴으로써, 폴리우레탄 폼을 단열재로 사용할 시 내구성, 단열성 및 열적 안정성을 향상시키는 기술이 제안되어 있다. 그러나 이러한 기술은 일부 흡음재로서의 성능 등은 개선된 것으로 기대할 수 있지만, 자동차용 흡음재로 사용될 수 있는 반경질폼 발포물이 아닌 경질 폼을 적용함으로서 흡음 성능이 매우 취약한 문제가 있다. 경질 발포 우레탄 폼은 독립적으로 패쇄된 셀 구조로서 셀 내부로 가스를 가둬 단열 및 보냉 특성을 강화시킨 형태로서 주로 건축용 제품으로 사용된다. 또한 경질 폴리우레탄 폼은 발포된 후 다른 형상으로 열 성형을 할 수 없기 때문에 부품 형상으로 프레스 성형을 할 수 있는 특성이 필요하다. 따라서 이전 기술을 이용해 자동차 흡차음재로 사용하기에는 부적합한 특성이 있다.
경질 발포 폴리우레탄 폼이 이와 같이 닫힌 셀 구조를 갖는 것은 주요 원액의 구조와 기타 첨가물의 조성에 의해 내부 셀 구조가 그물망 형태의 네트워크를 형성하기 때문이다. 또한 자동차용 엔진룸용 흡음재로 사용하기 위해서는 불이 붙어도 일정시간 후에 자연 소화되는 자소성의 난연성이 필요한데 탄소나노튜브 단독 혼합으로는 이러한 문제를 해결하기 어렵다.
또한, 종래 탄소나노튜브를 사용한 기술로서, 한국특허공개 제10-2008-3843호에서는 탄소나노튜브를 포함하는 중합체-기재 셀 구조로서, 셀의 평균 크기가 150 마이크론 미만인 것을 특징으로 하는, 중합체 구조 중 중량%가 60 % 미만, 바람직하게는 10 내지 50 % 또는 바람직하게는 0.1 내지 3 %인 탄소나노튜브를 포함한 중합체성 셀 구조가 제안되어 있다. 일본특허공개 제2008-13802호에서는 팽창흑연이 함유되고, 엔진룸의 칸막이 벽으로 소음을 제거하는 용도로 사용되는 차량용 폴리우레탄 발포체가 제안되어 있고, 일본특허등록 제3,580,011호에서는 자동차 엔진의 방음처리 방법으로 도막을 형성하는 것으로서, 알크릴계 수지 에멀젼과 체질안료 및 그래파이트 등의 편상 충전재를 함유하는 도막 형성 도료가 제안되어 있으며, 한국특허공개 제10-2011-107838호에서는 항공기 동체 외판 등에 적용되는 방음성 및 방진성이 향상된 구조용 복합재로서, 사용된 점탄성 간지에 탄소나노튜브 등을 사용하는 기술이 제안되어 있다.
그러나 이러한 기술들은 탄소나노튜브의 적용 환경을 구성하는 수지 성분이 제각각이고 대부분 경질의 발포체로 이루어져 있어서 경량화와 자동차용에 적합한 물성이 부족하거나 흡음성능이 그다지 좋지 못한 문제가 있다.
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명자들은 중고주파 성능 향상을 위해 나노사이즈 미립자인 탄소나노튜브를 난연성 충전재와 함께 반경질의 폴리우레탄 폼에 첨가하게 되면 1,500Hz 이상의 중 고주파 영역에서도 흡음성능이 월등히 향상된다는 사실을 알게 되어 본 발명은 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 소재의 경량화로 연비를 향상시키고 전 주파수 대역에서 기존 소재 대비 흡차음 성능이 향상되고 난연성도 우수한 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 고흡음성과 난연성을 동시에 만족하는 자동차용 부품 형상으로 열 프레스 성형이 가능한 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
위와 같은 과제 해결을 위해, 본 발명은 폴리프로필렌계 폴리올 성분과 이소시아네이트 성분을 주성분으로 하되, 고분자 및 저분자 폴리올 70~90중량%와 발포제를 포함한 첨가제 10~30중량%로 이루어진 폴리올 성분 100중량부, 이소시아네이트가 120~180중량부, 난연성 충전재 10~20중량부, 탄소나노튜브 0.1~3중량부를 포함하는 발포 원액으로 발포되고 슬라이스된 발포 폴리우레탄 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재는 그 양면에 추가로 부직포가 압착 성형된 것을 포함한다.
또한 본 발명은 고분자 및 저분자 폴리올 70~90중량%와 발포제를 포함한 첨가제 10~30중량%를 혼합하여 폴리올 성분 100중량부를 준비하고, 여기에 이소시아네이트 120~180중량부, 난연성 충전재 10~20중량부 및 탄소나노튜브 0.1~3중량부를 발포용 교반기로 혼합하여 준비된 혼합원료를 투입하여 교반 하에 혼합시켜 발포 원액을 제조하고, 이 발포 원액을 몰드에 주입하여 발포된 폴리우레탄 폼으로 숙성시키고 이를 슬라이싱하여 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재를 제조하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기와 같이 제조된 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재의 양면에 추가로 부직포를 합지하고 열성형 금형기에서 압착 성형한 다음, 냉각 지그에서 압착 냉각하여 반제품을 제조하고, 원하는 설계 형상으로 트리밍하여 자동차용 흡음재를 제조하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재는 자동차 엔진룸용 대쉬 아웃터(dash outer), 후드 삽입재(hood insulator), 대쉬 삽입재(dash insulator) 등의 엔진룸 부품으로 열 성형이 가능하고 난연성을 만족할 수 있는 탄소나노튜브 적용 복합 폴리우레탄 폼을 구현할 수 있는 것이다.
또한 본 발명의 자동차용 흡음재는 기존 제품과 비교하여 전 주파수 영역에서 향상된 소음진동수준(NVH ; Noise, Vibration, and Harshness)을 구현할 수 있으며, 경량화된 친환경 소재를 적용하여 우수한 품질의 자동차와 연비 향상에 효과가 있다.
또한 본 발명을 통해 이전의 탄소나노튜브를 첨가한 폴리우레탄 폼의 적용 기술에서는 구현하지 못했던 자소성의 난연 성능을 탄소나노튜브와 그라파이트를 혼합하여 사용함으로서 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명을 통해 종래의 탄소나노튜브를 첨가한 폴리우레탄 폼의 적용 기술에서는 제시하지 못했던 열간 부품 성형의 우수한 물성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 2와 비교예 1~3에 대해 시편 흡음성능을 실험한 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1~3에 대한 흡음성능을 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 2와 비교예 3에 대한 실차 투과소음 시험을 통한 차음 특성을 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼에 대한 셀 구조를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1~3에 대한 흡음성능을 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 2와 비교예 3에 대한 실차 투과소음 시험을 통한 차음 특성을 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼에 대한 셀 구조를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 폴리프로필렌계 폴리올 성분과 이소시아네이트 성분을 주성분으로 ㅎ하 폴리우레탄 폼으로 이루어져 있되, 폴리우레탄 폼에 첨가되는 난연성 충전재의 일부를 탄소나노튜브로 대체 적용함으로서 우수한 물성의 자동차용 흡음재를 구성할 수 있는 것이다.
본 발명에서 폴리우레탄 폼으로 이루어지는 자동차용 흡음재를 구성하는 폴리올 성분은 고분자 및 저분자 폴리올 70~90중량%와 발포제를 포함한 첨가제 10~30중량%로 이루어진다. 여기서 사용된 고분자 폴리올은 중량평균분자량이 3000~6000의 범위인 것을 사용할 수 있고, 저분자 폴리올은 중량평균분자량이 1500 이하의 범위인 것을 사용할 수 있다, 이러한 폴리올은 폴리프로필렌계의 폴리올이 사용되는데, 바람직하기로는 폴리프로필렌글리콜(PPG)가 사용될 수 있다. 폴리올 성분은 상기 고분자 및 저분자 폴리올에 발포제를 포함한 첨가제가 함유되는데, 예컨대 발포제와 더불어서 셀 개방제(cell opener), 사슬연장제, 난연제, 계면할성제, 촉매제 중에서 선택된 하나 이상이 첨가제로 혼합되는 것이 바람직하다. 여기서 폴리올 성분 중에 고분자 폴리프로필렌계 폴리올은 종기로는 40~60중량%, 저분자 폴리프로필렌계 폴리올은 20~40중량%로 사용되고 여기에 혼합되는 첨가제로 발포제로서는 예를 들어 물이 5~10중량%, 셀 개방제로서는 예컨대 폴리에테르계 기포 개방제가 1~5중량%, 사슬연장제로서는 예컨대 에틸렌글리콜, 부타디올, 트리에탄올아민, 글리세린등의 관능성 물질이 2~6중량%, 난연제로서는 인계난연제가 3~10중량%, 계면활성제로서는 예컨대 실리콘 계면활성제가 1~3 중량%, 촉매로서는 예컨대 아민 촉매가 0.1~3 중량%로 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 발포제를 포함하는 첨가제는 폴리올 성분 중에 10~30중량부로 첨가하는 것이 좋다. 본 발명에서는 이와 같이 순수한 고분자 및 저분자 폴리올 이외에도 발포제를 포함한 첨가제가 혼합된 것을 편의상 폴리올 성분으로 통칭하기로 한다.
본 발명의 폴리올 성분은 위와 같은 구성을 조절하게 되면 연질, 반경질, 경질의 형태로 폴리우레탄 재질의 특성을 달리하도록 조절할 수 있다. 이 중에서 상기와 같은 조성으로 구성하는 경우는 하기에서 설명하는 다른 성분들과 조합하여 본 발명의 목적에 가장 적합한 반경질의 발포 폴리우레탄 폼의 제조를 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 이러한 폴리올 성분에 이소시아네이트와 난연성 충전재와 탄소나노튜브을 혼합 적용하여 발포시킨 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 상기 폴리올 성분 100중량부를 기준으로 이소시아네이트가 120~180중량부, 더욱 좋기로는 150~160 중량부, 난연성 충전재가 10~20중량부, 더욱 좋기로는 14~16중량부, 탄소나노튜브가 0.1~5중량부를 포함하는 발포 원액으로 발포된 폴리우레탄 폼으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 본질적으로는 난연성 충전재를 탄소나노튜브로 일부 대체한 것으로 볼 수 있는데, 난연성 충전재의 1~20 중량% 정도를 탄소나노튜브로 대체 적용한 것이 바람직하다. 이렇게 난연성 충전재를 탄소나노튜브로 대체 적용하는 이유는 폴리우레탄 폼의 흡음성능의 향상과 연관된 셀 구조 형성을 조정하기 위한 것이다.
본 발명에서 이소시아네이트는 좋기로는 NCO 함량이 30~35중량%인 변형된 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI ; Methylene diphenyl diisocyanate)가 바람직하게 사용될 수 있다. 또한 난연성 충전재로서는 그라파이트가 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 탄소나노튜브는 좋기로는 직경 10~50nm, 체적 밀도 0.02~1.5g/Ml, 순도 85~90%, 결정도(IG/ID) 0.7~1.1의 단일벽 또는 다중벽 구조를 갖으며 파우더 형태와 분말 과립 등의 형태로 모두 적용 가능하다.
본 발명에서 사용되는 난연성 충전재로 바람직하게 사용되는 그라파이트와 탄소나노튜브는 동일한 탄소 성분 소재로서 폴리우레탄 폼의 난연성을 확보시킬 수 있다. 그러나 탄소나노튜브는 비중이 매우 가벼운 소재로서 공정상으로 너무 과량을 첨가하게 되면 질량대비 부피가 너무 크기 때문에 실제 공정에 바람직하지 않고 물성 저하는 가져온다. 또한 너무 과도하게 투입하면 폴리우레탄 폼을 구성하게 되는 원액의 점도가 상당히 높은 수준으로 상승하기 때문에 다른 첨가 성분들과의 혼합이 어렵고, 이로 인해 발포 폼 상태가 매우 불량해지는 문제가 있다. 따라서 본 발명에서 탄소나노튜브의 사용과 그 사용량은 매우 중요한 기술적 의의 및 임계적 의의를 가지며, 상기와 같은 범위로 첨가하는 것이 바람직하다. 탄소나노튜브는 전체 발포를 위한 발포원액 대비 0.1~1.1 중량% 정도가 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 자동차용 흡음재는 상기와 같은 성분 구성으로 이루어진 발포 원액으로 발포되고 슬라이스된 발포 폴리우레탄 폼을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 흡음재는 기본적으로 밀도 18~20 kg/m3의 반경질 발포 폴리우레탄 폼으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 자동차용 흡음재는 폴리우레탄 폼에 탄소나노튜브(CNT)가 폴리올 성분 기준으로 0.1~3.0 중량%, 전체 반경질 발포 폴리우레탄 혼합 원액 기준으로 0.1~1.1 중량%의 비율로 함유되어 있어서, 발포 폴리우레탄 폼의 셀 구조의 오픈율 변화 및 굳기 변화를 통해 통기성 향상과 물리적 물성 개선으로 전 주파수 영역에서 흡음성능이 극대화된 효과를 나타내는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따르면 발포 폴리우레탄 폼 소재에 탄소나노튜브 미립자를 첨가함으로써, 폼의 셀 구조를 균질하게 유지하면서 셀 오픈율이 증가되게 만든다. 또한 반경질 폴리우레탄 폼의 굳기를 완화시키게 된다. 이를 통해 전 주파수 영역에서 NVH성능이 월등하게 향상되는 특성을 나타내게 된다. 탄소나노튜브(CNT)의 함량이 증가될 수록 셀 오픈율이 절대적으로 증대되는 것은 아니다. 탄소나노튜브가 과량 함유되면 나노 크기 미립자의 첨가로 인해 점도가 상승되어 셀 오픈율이 반대로 감소될 수도 있다. 따라서 제품 요구 물성에 맞춰 반경질 발포 폴리우레탄 폼을 이루는 발포 원액의 성분 조성뿐만 아니라 첨가되는 탄소나노튜브(CNT) 첨가제의 함량을 본 발명에서 제시한 바와 같이 절절한 범위로 조절하여야만 셀 구조를 최적화할 수 있는 것이다. 이렇게 본 발명에서 제안된 구성으로 흡음재를 구성하는 것이 특히 자동차의 NVH 성능 향상에 중요하다.
본 발명에서 제시한 탄소나노튜브(CNT)의 적용으로 발포 폴리우레탄 폼의 흡음 성능이 개선되는 원리는 종래 알려진 일반적인 탄소나노튜브의 적용 기술과는 다른 것이다. 이는 본 발명에 따른 발포 원액의 일련의 조성이 다르기 때문에 본 발명에서만이 우수한 흡음재로서의 목적 달성이 가능한 것이다.
본 발명에 따른 자동차용 흡음재의 특성은 흡음재의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 셀 구조를 통해 확인할 수 있다. 주사전자현미경(SCANNING ELECTRON MICROSCOPY)을 통해 본 발명과 같은 구성으로 탄소나노튜브를 적용함으로써 셀 구조가 균질화되고 오픈율의 변화가 나타남을 확인하였고, 오픈율 변화의 실질적인 확인을 위한 측정을 위해 유동저항 측정기(FLOW RESISTIVITY MEASUREMENT)를 사용한 결과, 본 발명에 따라 탄소나노튜브가 적용된 발포 우레탄 폼은 이러한 본 발명의 구성이 적용되지 않은 폼에 비하여 저항값이 낮게 나타났고, 이것은 본 발명에서 통기성이 개선되었음을 의미한다. 즉, 본 발명에서는 셀의 균질화 및 통기 효과의 증대로 인하여 흡음성능이 월등히 향상된다.
또한, 본 발명의 흡음재의 효과 확인을 위해 엔진룸 주요 흡음재의 원소재 시편을 통해 흡음성능을 비교 시험하였다. 그 결과, 본 발명에 따라 탄소나노튜브(CNT)를 적용한 발포 폴리우레탄 폼으로 이루어진 흡음재의 성능이 종래 알려진 흡음재나 다른 구성으로 이루어진 흡음재에 비해 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 흡음성능의 경우, 독일 RIETER사의 소형 잔향실을 이용해 측정하였다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재는 그 양면에 추가로 부직포가 압착 성형된 것을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재를 제조하는 방법을 하나의 구현예로 설명하면 다음과 같다.
전형적으로는, 본 발명에 따른 자동차용 흡음제를 제조하기 위해서는 고분자 및 저분자 폴리올 70~90중량%와 발포제를 포함한 첨가제 10~30중량%를 혼합하여 폴리올 성분 100중량부를 준비한다.
이와는 별도로 이소시아네이트 140~170중량부, 난연제 13~18중량부 및 탄소나노튜브 0.1~3중량부를 발포용 교반기로 혼합하여 혼합원료를 준비한다. 이때 발포용 교반기로의 혼합은 20~60초, 더 바람직하게는 25~35초 동안 교반하는 것이 좋다.
상기 폴리올 성분에 준비된 상기 혼합원료를 투입하여 교반 하에 혼합시켜 발포 원액을 제조한다. 이때, 교반 하에 혼합은 좋기로는 5~20초간 1000~2000rpm의 속도로 고속 교반, 더 바람직하기로는 8~12초간 고속 교반하여 혼합하는 것이 좋다.
이 발포 원액을 몰드에 주입하여 발포된 폴리우레탄 폼으로 숙성시키되 이때 폴리우레탄 폼의 숙성은 2일 내지 5일간, 가장 좋기로는 3일 정도 숙성시킨다.
이를 소정의 두께로 얇게 슬라이싱하여 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재를 제조한다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 제조된 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재의 양면에 추가로 부직포를 합지하고 열성형 금형기에서 압착 성형한 다음, 냉각 지그에서 압착 냉각하여 반제품을 제조하고, 원하는 설계 형상으로 트리밍하여 자동차용 흡음재를 제조하는 것을 포함한다.
여기서 양면에 부직포를 합지하는 경우 부직포를 붙여 일정온도, 좋기로는170~190℃ 의 열성형 금형에서 바람직하게는 30~60초간 압착 성형하고 성형 즉시, 냉각 지그에서 다시 30~60초간 압착 냉각하여 부직포와 폴리우레탄 소재의 흡음재의 수축을 조절하여 반제품을 만들고 원하는 설계 형상으로 트리밍하여 특정 적용 부위에 적합한 완제품 형태의 흡음재를 완성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브 적용 발포 폴리우레탄 폼 소재의 자동차용 흡음재 제품은 자동차 생산 업체별 요구 물성에 맞추어 제품의 강도를 변화시키기 위하여 필요에 따라서 일반 부직포 또는 강화/발수 부직포를 선택적으로 사용하여 제조할 수도 있다.
상기와 같이, 본 발명에 제안된 기술을 적용하는 경우 발포 탄소나노튜브가 적용된 본 발명의 폴리우레탄 폼 흡음재를 이용하여 실 차종의 대쉬 아우터를 제작한 후, 투과소음(TRANSMISSION LOSS; TL)을 측정한 결과 500~2,500Hz 범위에서 약 0.3 dB 가 개선된 결과를 나타내었다. 대쉬 아우터(DASH OUTER)의 경우, 차량 전체에 적용된 NVH 제품 중에서 차지하는 면적의 비율이 큰 편은 아니므로 투과소음의 개선은 매우 큰 의미를 갖는다.
본 발명에서는 탄소나노튜브를 첨가하여 흡음성능을 개선하고, 그와 함께 그라파이트를 첨가하여 자소성의 난연성을 확보할 수 있는 기술을 제시한 것에 의미가 있다. 이러한 본 발명의 흡음재를 실제 자동차 엔진룸용 부품에 적용할 수 있는 기술도 추가적으로 제시한다.
일반적으로 폴리우레탄 폼 소재의 흡음재는 기존 흡음재 소재와 비교하면 제품의 강도가 낮기 때문에 이를 보완할 필요가 있다. 따라서 필요에 따라 이를 개선하기 위해 고강성 발수 부직포를 우레탄 폼의 양면에 적층하여 열 성형한 후 사용할 수 있다는 점도 추가로 제시한 점에서도 의미가 있다. 고강성 발수 부직포는 기존의 일반 부직포보다 대비 접착제 역할 및 성형성 유지를 위해 사용하는 저융점 섬유의 양을 증가시켜 강성을 보완하여 사용할 수 있으며, 표면에 발수제를 첨가하여 습도에 대한 저항력을 증가시킬 수 있기 때문에 사용환경에 따라 선택적으로 사용할 수 있다. 하지만 본 발명에서 사용할 수 있는 부직포는 고강성 발수 부직포로 한정하지는 않는다. 일반 부직포 또는 고강성 발수 부직포를 우레탄 폼 양면에 적층한 후 열성형 프레스 금형을 거쳐 제품을 완성할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 자동차용 흡음재로 요구되는 고흡음성을 달성하고, 안전문제와 직결되는 난연성을 동시에 만족하면서, 자동차용 각 부위에 적용 가능한 부품 형상으로 열 프레스 성형을 할 수 있는 탄소나노튜브가 적용된 복합 폴리우레탄 폼의 바람직한 자동차용 흡음재를 제공할 수 있게 된 것이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 3
다음 표 1에 나타낸 조성비(단위는 중량부)에 따라 발포 폴리우레탄 폼을 제조하였다. 발포 폴리우레탄 폼은 고분자 폴리올과 각 첨가제(셀 개방제, 사슬연장제, 난연제, 촉매, 물)를 혼합하고, 여기에 저분자 폴리올과 난연성 충전재인 그라파이트 및 탄소나노튜브를 혼합한 혼합원료를 발포기를 통해 혼합하여 발포원액을 제조하였다. 다만, 이때 탄소나노튜브는 하기 표 1의 폴리올 성분에 대해 각각 0.1중량%(실시예 1), 0.3 중량%(실시예 2), 0.5 중량%(실시예 3)가 되도록 탄소나노튜브를 첨가하였다. 발포 원액은 몰드에 가하여 발포된 폴리우레탄 폼을 형성하도록 하고 3일간의 숙성기간을 거친 후에 1.5mm 두께로 슬라이싱하였다.
슬라이싱한 폴리우레탄 폼의 양면에 실리콘 레진을 함침한 케미컬계 강화 발수 부직포를 붙여 180℃ 온도의 열성형 금형에서 금형냉각 지그에서 압착 냉각하여 부직포와 폴리우레탄 폼 소재의 접합에 의한 수축을 막아 1차 반제품을 만든다. 이렇게 형성된 반제품은 최종적으로 제품 설계 형상에 따라 트리밍하여 엔진룸 NVH 부품용 흡음재를 제조하였다.
실시예 4 ~ 6
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되 탄소 나노튜브를 하기 표 1의 조성에 따라 첨가하여 흡음재를 제조하였다.
비교예 1 ~ 2
부직포와 레진 펠트 1200를 사용한 경우, 부직포와 부직포 사이에 글래스 울 450g을 사용한 경우로 흡음재를 구성하였다.
비교예 3
상기 실시예 2와 동일하게 실시하되 탄소나노튜브를 사용하지 아니하고 폴리우레탄 폼을 제조하고 이를 이용하여 흡음재를 구성하였다.
| 구분 | 비교예3 |
실시예 4, 5, 6 |
비고 | |||
| 폴리올 성분 (PPG) |
POLYOL A | 48 | 48 | 고분자 PPG | ||
| POLYOL B | 29 | 29 | 저분자 PPG | |||
| Cell opener | 3 | 3 | 셀OPENER 폴리올 | |||
| Chain-extender | 4 | 4 | ||||
| Flame-retardant | 6 | 6 | ||||
| Surfactant | 1.5 | 1.5 | ||||
| Catalyst | 1 | 1 | AMINE | |||
| Water | 7.5 | 7.5 | 발포제 | |||
| 합계 | 100 | 100 | - | |||
| 이소시아네이트(ISO) | MODIFIED MDI | 155 | 155 | NCO : 32.1% | ||
| 난연성 충전재 |
GRAPHITE | 15 | 14.85 | 14.25 | 13.65 | 난연성 |
| CabonNano-Tube | - | 0.15 | 0.75 | 1.35 | 탄소나노튜브 | |
실험예 1
상기 실시예 1~3과 비교예 3에 따른 흡음재에 대한 물성을 측정하고 이를 다음 표 2에 나타내었다.
표 2에서, NVH 성능은 ○는 우수 ◎는 매우 우수 등급을 나타낸다.
실험예 2
상기 실시예 2와 비교예 1 ~ 3에 따른 흡음재에 대한 물성을 측정하고 이를 다음 표 3에 나타내었다. 여기서 A는 매우 우수, B는 우수, C는 보통, D는 불량 을 나타낸다.
| 구분 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 실시예 2 |
| 중량 | A | B | B | A |
| NVH 성능 | D | C | B | A |
| 비용 | C | C | B | B |
실험예 3
실시예 2와 비교예 1~3에 대해 시편 흡음성능 실험결과 도 1의 그래프와 같이 실시예 2의 경우 가장 우수한 결과를 나타내었다.
실험예 4
실시예 1~3에 대한 흡음 성능을 비교한 결과 도 2의 그래프에서와 같이 모두 우수한 수준의 흡음성능을 나타내었다.
실험예 5
실시예 2와 비교예 3에 대한 실차 투과소음 시험을 통한 차음특성을 비교한 결과 도 3의 그래프에서와 같이 실시예 2(-6으로 표시된 선)의 경우 2500Hz 이상에서도 우수한 수준의 차음성능을 나타내었다.
이러한 실험결과, 탄소나노튜브(CNT)의 적용으로 발포 폴리우레탄 폼의 흡음성능이 개선되는 원리는 성능에 가장 큰 영향을 미치는 셀 구조를 통해 확인할 수 있다. 즉, 상기 실험결과에 의해 주사전자현미경(SCANNING ELECTRON MICROSCOPY)을 통해 탄소나노튜브 적용에 의해 셀 구조가 균질화되고 OPEN율의 변화가 나타남을 확인하였고(도 4의 사진 참조), OPEN율의 변화의 실질적인 측정을 위해 유동저항 측정기(FLOW RESISTIVITY MEASUREMENT)를 사용한 결과 탄소나노튜브가 적용된 발포 우레탄 폼이 탄소나노튜브가 적용되지 않은 폼에 비하여 저항값이 낮게 나타났고 이것은 통기성이 개선됨을 의미한다. 즉, 셀의 균질화 및 통기효과의 증대로 인하여 흡음성능이 월등히 향상되었다. 엔진룸 주요 흡음재에 대해 기존과 같은 소재 시편을 통해 비교예 흡음성능을 비교 시험하였다. 그 결과 탄소나노튜브(CNT)를 적용한 발포 폴리우레탄 폼의 성능이 가장 우수함을 확인할 수 있었다(도 1 참조). 흡음성능의 경우, 독일 RIETER사의 소형 잔향실을 이용해 측정하였다.
Claims (11)
- 폴리프로필렌계 폴리올 성분과 이소시아네이트 성분을 주성분으로 하되, 고분자 및 저분자 폴리올 70~90중량%와 발포제를 포함한 첨가제 10~30중량%로 이루어진 폴리올 성분 100중량부, 이소시아네이트가 120~180중량부, 난연성 충전재 10~20중량부, 탄소나노튜브 0.1~3중량부를 포함하는 발포 원액으로 발포되고 슬라이스된 발포 폴리우레탄 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재.
- 청구항 1에 있어서, 발포제를 포함한 첨가제는 발포제로서는 물 5~10중량%, 셀 개방제 1~5중량%, 사슬연장제 2~6중량%, 인계난연제 3~10중량%, 실리콘 계면활성제 1~3 중량%, 아민 촉매 0.1~3 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재.
- 청구항 1에 있어서, 탄소나노튜브는 난연성 충전재의 1~20 중량%인 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재.
- 청구항 1에 있어서, 이소시아네이트는 NCO 함량이 30~35중량%인 변형된 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI)인 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재.
- 청구항 1에 있어서, 탄소나노튜브는 직경 10~50nm, 체적 밀도 0.02~1.5g/Ml, 순도 85~90%, 결정도(IG/ID) 0.7~1.1의 단일벽 또는 다중벽 구조를 갖으며 파우더, 분말 또는 과립 형태인 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재.
- 청구항 1에 있어서, 탄소나노튜브(CNT)는 폴리우레탄 혼합 원액 기준으로 0.1~1.1 중량%의 비율로 함유되어 있고, 밀도 18~20 kg/m3의 반경질 발포 폴리우레탄 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재.
- 청구항 1에 있어서, 난연성 충전재는 그라파이트인 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재.
- 청구항 1에 있어서, 슬라이스된 발포 폴리우레탄 폼의 양면에 추가로 부직포가 압착 성형된 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재.
- 고분자 및 저분자 폴리올 70~90중량%와 발포제를 포함한 첨가제 10~30중량%를 혼합하여 폴리올 성분 100중량부를 준비하고, 여기에 이소시아네이트 120~180중량부, 난연성 충전재 10~20중량부 및 탄소나노튜브 0.1~3중량부를 발포용 교반기로 혼합하여 준비된 혼합원료를 투입하여 교반 하에 혼합시켜 발포 원액을 제조하고, 이 발포 원액을 몰드에 주입하여 발포된 폴리우레탄 폼으로 숙성시키고 이를 슬라이싱하는 것을 포함하는 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서, 발포용 교반기로의 혼합은 20~60초 동안 교반하고, 상기 폴리올 성분에 준비된 상기 혼합원료를 투입하여 5~20초간 고속 교반 하에 혼합시켜 발포 원액을 제조하는 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기와 같이 제조된 탄소나노튜브 적용 발포 우레탄 폼을 이용한 자동차용 흡음재의 양면에 추가로 부직포를 합지하고 열성형 금형기에서 압착 성형한 다음, 냉각 지그에서 압착 냉각하여 반제품을 제조하고, 원하는 설계 형상으로 트리밍하는 것을 특징으로 하는 자동차용 흡음재의 제조방법.
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