KR20150072551A - 자동차용 엔진룸 인슐레이션 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이러한 점을 고려하여 발명한 것으로, 엔진룸 인슐레이션의 기재로서 주로 흡음기능을 하는 폴리우레탄 폼을 제조할 때 탄소나노튜브(CNT)를 첨가함으로써, 폴리우레탄 폼의 셀 구조를 변경하여 폴리우레탄 폼의 중량 증가와 비교하여 흡·차음성능을 향상할 수 있게 한 자동차용 엔진룸 인슐레이션을 제공하는 데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 이러한 폴리우레탄 폼을 기존의 폴리우레탄 폼을 제작하는 것과 같은 공정으로 제작하되, 폴리우레탄 폼 원액에 탄소나노튜브만 첨가하는 공정을 통해 중량 증가 대비 흡음 성능이 우수한 자동차용 엔진룸 인슐레이션을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

Description

자동차용 엔진룸 인슐레이션{ENGINE ROOM INSULATION FOR VEHICLE}

본 발명은 자동차용 엔진룸 인슐레이션에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진룸 인슐레이션의 기재가 되는 폴리우레탄 폼을 제조할 때 탄소나노튜브(CNT)를 첨가함으로써, 폴리우레탄 폼의 셀 구조를 변경하여 폴리우레탄 폼의 중량 증가를 최소화하면서도 흡·차음성능을 향상할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 자동차의 엔진룸에는 주행을 위한 엔진 가동이나 냉난방 장치의 가동 등으로 생긴 소음뿐만 아니라 자동차 외부로부터 엔진룸 측으로 유입되는 소음이 발생한다.

이렇게 발생한 소음은 자동차의 실내 측으로 전달되어 승차감을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다. 이에, 엔진룸에는 엔진룸 내에서 발생한 소음이 실내 측으로 전달되지 않도록 인슐레이션을 설치한다.

인슐레이션은 소음뿐만 아니라 엔진에서 발생한 열 또한 자동차의 실내 측으로 전달되는 것을 차단하는 역할을 한다. 또한, 엔진룸의 상부를 덮어주는 후드에도 이러한 인슐레이션을 장착하여 엔진룸 내부에서 발생한 소음 등이 후드 등을 통해 실내로 전달되지 않게 한다.

이에, 엔진룸 인슐레이션은, 특허문헌 1 및 특허문헌 2와 같이, 여러 가지 재질로 흡·차음 효과를 높일 수 있게 제작한다.

특허문헌 1에는 이처럼 자동차의 엔진룸에 적용되는 인슐레이션이 개시되어 있다. 이 인슐레이션은, 차체 패널의 상면에 쿠션층과 헤비층이 겹쳐져서 구성되는 대시 인슐레이션에 있어서, 상기 쿠션층을 중량 대비, 재생 PET(Polethylene Terephatalate)를 10∼40%, 일반 PET 30∼60%, 저융점 PET 20∼30%로 구성함을 특징으로 한다.

특허문헌 2는, 본 출원인이 출원하여 등록받은 것으로, 흡음 성능이 우수한 중공사 흡음재로 이루어진 인슐레이션을 구성으로써, 기존의 인슐레이션이 갖는 기능과 함께 차량 외부로부터 실내로 유입되는 소음 차단 및 단열 성능을 향상할 수 있도록 한 흡음성능이 개선된 자동차용 엔진룸 인슐레이션에 관한 것이다.

이러한 종래의 인슐레이션은 흡음과 차음성능을 얻기 위하여 흡음층과 차음층으로 겹쳐 제작하는 경우가 많은데, 이런 흡음 성능과 차음성능을 향상하기 위해서는 그 층의 두께를 두껍게 제작해야 한다. 이에, 흡·차음성능을 향상할 수는 있으나, 인슐레이션의 중량을 증가시켜 연료 소비를 늘려 에너지 효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.

이에 인슐레이션의 중량이 늘어나는 것을 최소화하면서도 흡·차음성능을 향상할 수 있는 엔진룸 인슐레이션이 필요하게 되었다.

한국공개특허 제10-2000-0033419호(공개일 : 2000.06.15) 한국등록특허 제1315274호(등록일 : 2013.09.30)

본 발명은 이러한 점을 고려하여 발명한 것으로, 엔진룸 인슐레이션의 기재로서 주로 흡음기능을 하는 폴리우레탄 폼을 제조할 때 탄소나노튜브(CNT)를 첨가함으로써, 폴리우레탄 폼의 셀 구조를 변경하여 폴리우레탄 폼의 중량 증가와 비교하여 흡·차음성능을 향상할 수 있게 한 자동차용 엔진룸 인슐레이션을 제공하는 데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 이러한 폴리우레탄 폼을 기존의 폴리우레탄 폼을 제작하는 것과 같은 공정으로 제작하되, 폴리우레탄 폼 원액에 탄소나노튜브만 첨가하는 공정을 통해 중량 증가 대비 흡음 성능이 우수한 자동차용 엔진룸 인슐레이션을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차용 엔진룸 인슐레이션은, 폴리우레탄 폼(100)의 양면 중 적어도 한 면에 표면층(300)과 차음층(200) 중에서 적어도 하나를 겹쳐서 제작하거나, 폴리우레탄 폼(100) 위에 차례로 차음층(300과 표면층(300)을 겹쳐서 제작하되, 상기 폴리우레탄 폼(100)은, 폴리올(Polyol)의 중량 100을 기준으로 여기에 중량비 150~160의 이소시아네이트(Isocyanate), 중량비 0.1~5.0의 탄소나노튜브 및 중량비 10~20의 난연재를 혼합·교반한 다음 발포하여 얻는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 이소시아네이트·원액에 탄소나노튜브 및 난연재를 첨가하여 25~35초 동안 교반한 다음, 여기에 폴리올 원액에 추가하여 6~10초간 더 교반하여 발포하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 폴리올은, 그 중량비가, 고분자 PPG : 45.0~50.0, 저분자 PPG : 26.0~32.0, 셀 오프너(Cell Opener) 2.0~4.0, 사슬 연장제(Chain Extender) : 3.0~5.0, 인계난연제(Flame-retardant) : 5.0~7.0, 실리콘 계면활성제(Surfactant) : 1.2~1.8, 아민 촉매 : 0.8~1.2, 그리고 물 : 6.0~9.0인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소나노튜브는 지름 10~50㎚, 체적 밀도 0.02~1.50g/ml, 순도 85~90%, 결정도(I_G/I_D) 0.7~1.1의 단일 벽 또는 다중 벽으로, 파우더 형태 또는 분말 과립 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 폴리우레탄 폼(100)은 블록 형태로 발포 성형하고 발포 후 3일간 숙성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폴리우레탄 폼(100)은 밀도가 18~22㎏/㎥인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 차음층(200)은, EVA(Ethylene Vinyl Acetate), TPE(Thermo Plastic Elastomer), PET(Poly Ethylene Terephthalate), 천연고무, NDR(NOISE DAMPING RUBBER) 중에서 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 표면층(300)은 펠트 층 또는 부직포인 것을 특징으로 한다.

마지막으로, 상기 부직포는, 일반 부직포·강화 부직포· 발수 부직포 또는 강화/발수 부직포로, 폴리우레탄 폼(100)에 열 압착하여 부착하는 것을 특징으로 한다. 이때, 부직포의 열 압착은 150~200℃에서 30~60초 동안 이루어지며, 열 압착 성형을 한 다음 제품의 후변형을 막기 위하여 5~10℃에서 30~60초 동안 냉각 성형이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자동차용 엔진룸 인슐레이션에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 엔진룸 인슐레이션에서 흡음재 기능을 하는 폴리우레탄 폼을 제조할 때에 탄소나노튜브(Carbon Nano-Tube; CNT)를 첨가하여 발포·성형함으로써, 발포 폴리우레탄 소재의 셀 구조의 변화로 투과 성능을 향상하여 폴리우레탄 폼의 중량 증가 대비 흡음 성능을 극대화할 수 있다.

(2) 특히, 제조공정에서도 종래의 흡음재로 사용하는 폴리우레탄 폼을 제조하는 과정에서 탄소나노튜브만을 추가하므로 공정 추가를 최소화하면서도 제조원가의 상승을 최소화할 수 있다.

(3) 첨가한 탄소나노튜브로 폴리우레탄 폼의 내부 구조를 변화시켜, 다른 엔진룸 흡음 소재와 대비하여 폴리우레탄 폼 소재가 가지는 자동차 경량화 장점을 그대로 가지면서 전 주파수 영역에서 흡음성능을 월등히 향상할 수 있다.

(4) 따라서 탄소나노튜브를 극소량만큼 첨가하여 원가 상승을 최소화하면서도 NVH 성능을 최대화할 수 있게 되어 자동차의 실내 정숙성을 크게 향상할 수 있다.

(5) 이에 흡음재의 중량 증가를 최소화하면서도 NVH 성능을 향상할 수 있으면서도 연비를 향상할 수 있는 엔진룸 인슐레이션을 제공할 수 있다.

도 1은 엔진룸 인슐레이션이 장착 위치를 보여주기 위한 차량을 개략적으로 도시한 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 엔진룸 인슐레이션의 한 가지 구성을 보여주기 위한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼의 제조방법을 보여주기 위한 순서도.
도 4는 주사전자현미경으로 폴리우레탄 폼의 표면을 확대한 사진으로, (a)는 종래의 폴리우레탄 폼의 확대 사진이고, (b)는 탄소나노튜브를 추가한 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼의 확대 사진.
도 5는 본 발명에 따라 블록 형태로 제작한 폴리우레탄 폼을 슬라이싱하여 시트 형태로 제작한 다음 양쪽 면에 열 압착 성형하여 엔진룸 인슐레이션을 마무리하는 과정을 보여주기 위한 순서도.
도 6은 본 발명에 따라 탄소나노튜브(CNT)의 함량에 따라 제작한 엔진룸 인슐레이션의 흡음 성능을 시험한 데이터를 보여주기 위한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT)를 함유한 엔진룸 인슐레이션과 다른 재질의 비교예 1 내지 비교예 3의 흡음 성능을 시험한 데이터를 보여주기 위한 그래프.
도 8은 실차 상태에서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 발포 폴리우레탄 폼을 적용한 엔진룸 인슐레이션의 비교예와 탄소나노튜브를 첨가한 발포 폴리우레탄 폼d을 적용한 엔진룸 인슐레이션의 실시예에 대한 실차 상태에서의 투과 소음을 시험한 결과를 보여주기 위한 그래프.
도 9는 본 발명에 따라 탄소나노튜브를 함유한 폴리우레탄 폼을 기재로 다른 구성을 갖는 엔진룸 인슐레이션의 구성을 보여주는 다른 실시예의 단면도.

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 일 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.

<엔진룸 인슐레이션의 구성>

본 발명에 따른 자동차용 엔진룸 인슐레이션(I)은, 도 1 내지 도 8과 같이, 엔진룸을 구성하는 대시 아웃터 패널(D)·후드 패널·운전석과 조수석 사이의 차체 바닥면이 돌출하여 구성된 터널 등에 장착하는 인슐레이션에 관한 것으로, 폴리우레탄 폼(100)을 기재로 양면 중 적어도 한 면에 차음층(200)과 표면층(300) 중에서 적어도 하나를 겹쳐서 제작하거나, 이들 차음층(200)과 표면층(300)을 모두 겹쳐서 제작한다.

특히, 본 발명에 따른 상기 폴리우레탄 폼(100)에는 시트나 블록 형태로 발포 성형할 때 탄소나노튜브(CNT)를 첨가함으로써, 폴리우레탄 폼의 셀 구조를 변경시켜 폴리우레탄 폼의 중량이 늘어나는 것을 최소화하면서도 전체 주파수 대역에서 흡·차음 효과를 향상할 수 있으며, 그 중량 감소로 차량의 연비를 향상할 수 있게 한 것이다.

이에, 본 발명에 따른 엔진룸 인슐레이션은, 기재가 되는 폴리우레탄 폼(100)에 탄소나노튜브를 첨가한 것에 특징이 있는 것으로, 여기서는, 예시적으로 도 2와 같이 폴리우레탄 폼(100)의 양면에 각각 표면층으로서 부직포(110)를 열 압착하여 제작한 것을 예로 들어 설명하고, 그 뒤에 차음층(200)과 표면층(300)을 통해 구성을 달리하는 다른 실시예에 대하여 설명한다.

이하, 이러한 구성에 대하여 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 엔진룸 인슐레이션(I)은, 도 2와 같이, 탄소나노튜브(CNT)를 첨가한 폴리우레탄 폼(100) 양면에 각각 부직포(110)를 열 압착 성형하여 제작한다. 이에, 여기서는 폴리우레탄 폼(100)의 제작 과정을 먼저 설명하고, 이 폴리우레탄 폼(100)에 부직포(110)를 열 압착하여 인슐레이션(I)을 완성하는 과정을 성형하는 과정을 설명한다.

1. 폴리우레탄 폼의 제조방법

본 발명에 따른 폴리우레탄 폼(100)은, 도 3 및 도 4와 같이, 폴리우레탄 폼을 발포 성형하기 위한 통상의 방법과 같이 3단계에 걸쳐 수행하되, 원료로서 탄소나노튜브(CNT)를 첨가한 것이다. 이에 단계별로 나누어서 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1단계(S10)는, 도 3과 같이, 폴리올(Polyol)과 이소시아네이트(Isocyanate) 그리고 탄소나노튜브 및 난연재를 혼합하여 교반하는 단계이다. 이때의 중량비는, 폴리올의 중량 100을 기준으로 여기에 이소시아네이트의 중량비 150~160 그리고 중량비 0.1~5.0의 탄소나노튜브 및 중량비 10~20의 난연재를 혼합하여 교반한다.

여기서, 혼합 교반하는 폴리올과 이소시아네이트 그리고 탄소나노튜브, 난연재에 대하여 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

폴리올은 실질적으로 폴리우레탄 폼의 기재가 되는 구성요소로서, 아래의 [표 1]과 같은 구성성분과 중량비로 구성한 것을 이용한다. 여기서 이 구성요소는 종래의 폴리우레탄 폼을 제조할 때에 사용되는 것과 같다.

구성성분	중량비	최적의 중량비
고분자 PPG	45.0~50.0	48
저분자 PPG	26.0~32.0	29
셀 오프너(Cell Opener)	2.0~4.0	3
사슬 연장제(Chain Extender)	3.0~5.0	4
인계난연제(Flame-retardant)	5.0~7.0	6
실리콘 계면활성제(Surfactant)	1.2~1.8	1.5
아민 촉매	0.8~1.2	1
물	6.0~9.0	7.5
1) "중량비"는 각 구성요소들을 구성하는 중량비를 나타냄. 2) "최적의 중량비"는 이런 중량비 중에서 본 발명에 따르는 폴리우레탄 폼의 최적의 흡음 효고를 얻을 수 있는 중량비를 나타냄.

이소시아네이트는 폴리우레탄 폼을 반경질의 폴리우레탄 폼을 얻을 수 있도록 MDI를 이용한다. 이 중에서도 NCO 함량이 32.1중량%인 변성 MDI(Modified MDI)를 이용함으로써, 반경질의 폴리우레탄 폼을 제조하여 흡음 성능을 최대한 높일 수 있게 하는 것이 바람직하다.

난연재는 난연효과를 위하여 첨가하며 그라파이트가 사용될 수 있다. 그리고 흡음 성능을 향상하기 위한 탄소나노튜브가 첨가된다. 즉, 기존의 폴리우레탄 폼 제조에 사용하는 구성요소 외에 별도 추가하는 탄소나노튜브의 추가 함량을 최소화하면서도 후술하는 바와 같이 폴리우레탄 폼의 셀 구조를 변형시켜 흡음 성능을 최대화할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 탄소나노튜브로는, 지름 10~50㎚, 체적 밀도 0.02~1.50g/ml, 순도 85~90%, 결정도(I_G/I_D) 0.7~1.1의 단일 벽 또는 다중 벽 구조로 이루어진 것을 이용할 수 있다. 그리로, 이러한 탄소나노튜브는 파우더 형태로 제작하여 첨가할 수도 있고 분말 과립 형태로 제작하여 첨가할 수도 있다.

이러한 폴리올과 이소시아네이트 그리고 탄소나노튜브, 난연재는 도 3과 같이, 2번에 걸쳐 교반한다. 여기서, 그 중량비는 위에서 설명하였으므로 여기서는 다시 이 중량비에 대한 설명은 생략한다.

첫 번째 교반인 제1-1단계(S11)는 이소시아네이트 원액에 탄소나노튜브와 난연재를 첨가하여 교반하는 단계로서, 이때의 교반 시간은 25~35초, 바람직하게는 30초간 수행한다. 두 번째 교반인 제1-2단계(S12)는 상기 제1-1단계(S11)에서 교반된 원액을 폴리올 원액에 추가한 다음 6~10초, 바람직하게는 8초간 교반하는 단계이다.

이처럼 2번에 걸친 교반으로 실질적으로 발포성 폴리우레탄 폼을 성형하기 위한 교반 단계는 끝난다.

제2단계(S20)는, 도 3과 같이, 제1단계(S10)에서 교반한 용액을 발포용 몰드에 주입하여 발포 성형하는 단계이다. 이때의 발포 성형은 발포용 몰드에서 이루어지며, 발포용 몰드는 폴리우레탄 폼의 크기나 형상 등을 고려하여 다양하게 제작하여 사용할 수 있다.

즉, 이때의 발포용 몰드는 엔진룸 인슐레이션의 기재가 되는 폴리우레탄 폼의 크기와 형태로 제작하여 하나의 발포용 몰드에서 한 번에 하나씩 폴리우레탄 폼을 시트 형태로 발포 성형할 수도 있고, 폴리우레탄 폼을 블록 형태로 발포 성형할 수 있게 발포용 몰드를 제작하여 엔진름 인슐레이션의 크기에 맞게 이 블록을 슬라이싱하여 시트 형태로 사용할 수 있게 할 수도 있다. 본 발명에서는 교반 용액을 블록 형태로 발포 성형하고 이를 슬라이싱한 뒤에 패널 형태로 커팅하여 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.

제3단계(S30)는, 도 3과 같이, 발포용 금형에서 폴리우레탄 폼을 탈형 하는 단계이다. 이러한 탈형은 통상의 기술로 이루어지는 것으로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 발포용 몰드에서 폴리우레탄 폼을 발포 성형한 뒤에 숙성하는 제4단계(S40)를 더 수행할 수도 있다. 이는 상술한 바와 같이, 폴리우레탄 폼을 블록 형태로 발포 성형하였기 때문에 그 내부까지 충분히 냉각 등이 이루어질 수 있게 하기 위한 것이다.

이때, 숙성 기간은 폴리우레탄 폼의 크기와 체적 등에 따라 달라지나 본 발명의 바람직한 실시예에서는 3일간의 숙성 기간을 거치는 것이 바람직하다.

이처럼 이루어진 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼은, 도 4의 (b)와 같이, 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 종래의 확대 사진(도 4의 (a)참조)과 비교해 볼 때, 반경질 폴리우레탄 폼을 구성하는 셀 구조가 균일하게 유지하면서 셀 오픈율이 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 폴리우레탄 폼의 굳기를 완화하여 댐핑 기능이 향상되어 결과적으로 전체 주파수 대역에서 NVH 성능이 월등하게 향상되는 것이다. NVH의 성능에 대해서는 엔진룸 인슐레이션의 실차 상태에서 테스트한 그래프를 통해 설명한다.

여기서, 반경질 폴리우레탄 폼은, 경질 폴리우레탄 폼과 마찬가지로 셀 구조를 갖는 것이나, 경질 폴리우레탄 폼의 경우 셀 구조가 닫혀 단열과 보냉 특성을 갖는 것인데 반하여 반경질 폴리우레탄 폼은 셀 구조가 도 4와 같이 그물망 구조로서 일부가 개방된 형태로 이루어진다. 이 때문에 반경질 폴리우레탄 폼은 셀 구조 내부로 소음의 원인이 되는 음파가 투과하면 상쇄하는 효과가 있어 NVH 효과가 우수하다. 하지만, 셀 구조가 전부 열린 오픈 상태이면 폴리우레탄 폼을 투과하여 상쇄되지 않아 소음 저감 효과를 얻을 수 없다.

이에, 본 발명에서는 이 셀 구조의 오픈율 조절을 통해 엔진룸 인슐레이션이 장착되는 곳에서 요구하는 물성에 맞는 특정 주파수 대역에 맞게 소음 저감이 이루어질 수 있도록 셀 구조의 오픈율을 조절하게 되는 것이다. 이러한 조절은 폴리올과 같은 원액의 구조와 기타 첨가물의 조성에 의한 것으로, 본 발명에서는 이러한 첨가물 특히 탄소나노튜브를 추가 구성함으로써, 셀 구조의 오픈율을 원하는 소음 주파수 대역에 맞게 조절할 수 있는 것이다.

이를 좀더 구체적으로 설명하면, 도 4는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)으로 발포 폴리우레탄 폼의 표면을 확대한 것으로, 셀 구조에서 본 발명에 따른 폴리우레탄 폼의 셀(도 4의 (b))이 기존의 폴리우레탄 폼의 셀(도 4의 (a))보다 닫힌 형태가 있음을 볼 수 있다. 그리고, 이러한 셀 구조의 변화로 셀 구조의 오픈율이 달라졌으며, 이에 따른 유동 저항을 유동 저항 측정기(Flow Resistivity Measurement)로 측정한 결과 탄소나노튜브가 적용된 발포 폴리우레탄 폼이 적용되지 않은 폼에 비하여 저항값이 낮게 나타났다. 이는 탄소나노튜브를 적용한 발포 폴리우레탄 폼의 통기성이 개선된 것으로, 셀 구조의 균질화 및 통기 효과의 증대로 인하여 흡음성능이 월등히 향상되게 되는 것이다.

여기서, 통기성 측정을 위한 유도저항 측정 결과는 아래의 [표 2]과 같다.

구분	측정값(mks ravl/m)
비교예	539518
실시예	321599
1) 비교예는 탄소나노튜브(CNT)가 함유되지 않은 폴리우레탄 폼임. 2) 실시예는 탄소나노튜브(CNT)가 함유된 폴리우레탄 폼임.

2. 부직포의 열 압착 성형(엔진룸 인슐레이션 마무리)

이하, 상술한 바와 같이 블록 형태로 제작한 폴리우레탄 폼의 양쪽 면에 각각 부직포를 열 압착하는 과정에 대하여 설명한다. 이 방법은, 도 5와 같이, 5단계에 걸쳐 수행한다. 이하에서는 단계별로 나누어서 설명한다.

제1단계(S100)는 도 5와 같이, 상술한 제조방법에 따라 발포 성형한 폴리우레탄 폼을 슬라이싱하는 단계이다. 여기서, 이 폴리우레탄 폼은, 상술한 바와 같이 블록 형태로 발포 성형한 것으로, 탄소나노튜브를 첨가한 것이다.

또한, 여기서, 슬라이싱은 블록 형태의 폴리우레탄 폼을 실제 엔진룸 인슐레이션에서 흡음재로 사용하는 데 필요한 두께와 넓이를 갖는 시트 형태로 커팅하는 과정이다.

이와 같은 제1단계(S100)는 상술한 제조방법에서 폴리우레탄 폼을 시트 형태로 발포·성형한 경우 필요없는 공정이나, 폴리우레탄 폼을 블록 형태로 형성한 경우에 필요한 공정이다.

제2단계(S200)는, 도 5와 같이, 슬라이싱한 폴리우레탄 폼 시트와 부직포를 열성형 금형에 공급하는 과정이다. 여기서, 열성형 금형은 대상물에 열과 프레스를 병행하여 가함으로써, 미리 정해진 형태로 성형하는 통상의 기술로 제작한 금형을 말한다.

이러한 열성형 금형은 미리 제작하고자 하는 형태, 예를 들어 플레이트 형태나 엔진룸 인슐레이션 형태로 캐비티를 형성하고, 이 캐비티 부분에 슬라이싱한 폴리우레탄 폼 시트와 부직포를 공급받는다. 그리고 열성형 금형은 부직포의 수축 현상을 고려하여 선택하는데, 이러한 부직포의 경우 약 14/1000(㎜) 정도의 수축 현상을 고려하여 열성형 금형을 선택하게 된다.

여기서, 부직포로는, 예시적으로 일반 부직포·강화 부직포·발수 부직포나 강화/발포 부직포 등을 이용할 수 있다. 이는 업체별로 엔진룸 인슐레이션의 요구 물성특성이 다르므로 이에 맞는 엔진룸 인슐레이션의 강도를 고려하여 선택하여 사용할 수 있게 하기 위한 것이다. 강화/발수 부직포는 기존의 부직포보다 LMF(Low Melting Fiber)의 양을 증가하여 강성을 보완하고 표면에 발수제를 첨가하여 습도에 대한 저항력을 향상할 수 있게 제작한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 부직포는 폴리우레탄 폼 시트의 한쪽 면에만 열 압착할 수 있으나, 양쪽 면에 모두 열 압착하는 것이 바람직하다.

제3단계(S300)는, 도 5와 같이, 공급받은 폴리우레탄 폼 시트와 부직포를 적층하여 열 압착하는 단계이다. 이때의 열 압착은 상술한 열성형 금형에서 이루어진다.

이때, 열 압착하는 조건은 폴리우레탄 폼 시트와 부직포가 열과 압력에 의해 파손되지 않는 온도와 시간 범위에서 수행한다. 이에 본 발명의 바람직한 실시예로는 150~200℃에서 30~60초간 수행하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 부직포는 슬라이싱한 폴리우레탄 폼의 일면 또는 양면에 각각 1매씩 겹쳐 열 압착한다. 이는 엔진룸 인슐레이션의 요구 물성특성에 맞게 강도와 습기 및 물방울 제거 등의 기능성을 부여할 수 있도록 하기 위한 것이다.

제4단계(S400)는, 도 5와 같이, 열 압착한 뒤에 냉각하는 단계이다. 이때의 냉각은 냉각 지그에서 5~10℃ 온도에서 30~60초간 압착 냉각하여 반제품 형태로 형성한다. 냉각 지그는 통상의 기술로 제작된 것을 이용하나, 상술한 열성형 금형과 마찬가지로 냉각할 때 부직포의 수축이 발생할 우려가 있기 때문에 이를 고려하여 냉각 조건을 결정하는 것이 바람직하다.

제5단계(S500)는, 도 5와 같이, 냉각된 반제품을 트리밍하여 폴리우레탄 폼 시트를 완성하는 단계이다. 이러한 트리밍 공정은 통상의 기술로 이루어진 것으로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상술한 바와 같이 제조한 폴리우레탄 폼 시트는, 통상적으로 흡음재는 밀도가 높을수록 흡음 효과가 좋다고 알려졌으나, 밀도 18~22㎏/㎥를 갖게 하여 중량 대비 흡음 효과를 한층 더 향상시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 폴리우레탄 폼 시트는 흡음재로서 엔진룸 인슐레이션을 제작하는데, 때에 따라서는 상술한 폴리우레탄 폼 시트 단계를 생략한 폴리우레탄 폼, 즉 적어도 한 면에 부직포를 열 압착하지 않은 폴리우레탄 폼을 시트 형태로 슬라이싱하여 흡음재로 사용할 수도 있다.

3. 엔진룸 인슐레이션의 물성값 비교

본 발명에 따른 폴리우레탄 폼을 제작함에 있어서, 탄소나노튜브(CNT)는 폴리우레탄 폼을 제작할 때 사용하는 폴리올 중량 100을 기준으로 중량비 0.1~5.0의 비율로 추가한다.

이에 여기서는 탄소나노튜브의 함량을 달리하여 제작한 실시예 1 내지 실시예 3과, 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 통상의 폴리우레탄 폼으로 제작한 비교예의 물성값을 비교하면 다음의 [표 3]과 같다.

[표 3]에서, 비교예는 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 폴리우레탄 폼 시트 양면에 각각 부직포를 열 압축 성형한 것이고, 실시예 1 내지 실시예 3은 탄소나소튜브를 첨가한 폴리우레탄 폼 시트 양면에 각각 부직포를 열 압축 성형한 엔진룸 인슐레이션이다. 또한, 실시예 1은 폴리우레탄 폼 시트 전체 중량 대비 CNT 함량이 0.1중량%이고, 실시예 2는 폴리우레탄 폼 시트 전체 중량 대비 CNT 함량이 0.3중량%이며, 실시예 3은 폴리우레탄 폼 시트 전체 중량 대비 CNT 함량이 0.5중량%이다.

구분	단위	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3
구조
		부직포 폴리우레탄폼 부직포	부직포 폴리우레탄폼(탄소나노튜브 함유) 부직포
CNT 함량	중량%	-	0.1	0.3	0.5
밀도	㎏/㎥	17.83	18.33	18.36	18.25
인장강도	Kgf/㎠	0.91	0.82	0.79	0.80
굴곡강도	Kgf/㎠	0.38	0.62	0.60	0.56
신율	%	13.94	13.71	13.20	12.87
압축강도	Kgf/㎠	0.28	0.27	0.28	0.26
유동저항	MKS Rayl/m	539,518	507,921	321,599	294,452
NVH 성능		○	○	◎	◎
1) ◎는 "매우 우수", ○는 "우수" 2) CNT의 함량(중량%)은 폴리우레탄 폼 시트의 전체 중량에 대한 함량임.

실시예 1 내지 실시예 3의 경우, [표 3] 및 CNT 함량별 흡음 성능을 나타내는 도 6과 같이, CNT의 함량이 많을수록 밀도가 작아지나 NVH 성능은 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한, 다른 물성값에서도 비교예와 동일 유사한 값을 가진다고 할 것이다. 도 6에서, 가로축은 주파수를, 세로축은 흡음률을 나타낸다.

또한, 실시예1 내지 실시예 3의 경우, 비교예와 비교해 보면, 인장 강도·굴곡 강도 그리고 신율이 높은 것을 알 수 있는데, 이는 폴리우레탄 폼의 강직도(Stifness)가 개선된 것이라 할 수 있다. 이러한 강직도의 개선은 차체의 밀착성 향상과 함께 댐핑 성능을 향상할 뿐만 아니라 이 때문에 흡음 성능도 향상시켜주는 효과를 얻을 수 있다.

4. 다른 재질의 엔진룸 인슐레이션과 NVH 성능 비교

다음의 [표 4]는 본 발명에 따라 강화/발수 부직포와 탄소나노튜브를 적용한 엔진룸 인슐레이션의 실시예 4와, 다른 재질의 엔진룸 인슐레이션과 부직포를 적용한 비교예1 내지 비교예 3의 중량과 NVH 성능을 비교한 것이다.

여기서, 실시예 4는 상술한 제조 방법에 따라 제조하되 탄소나소튜브(CNT)를 폴리우레탄 폼 시트의 전체 중량을 기준으로 0.3중량%만큼 첨가한 것으로, 폴리우레탄 폼의 양면에는 강화/발수 부직포를 열 압착 성형한 것이다.

그리고, 실시예 1 및 실시예 2는 각각 엔진룸 인슐레이션에 많이 사용하는 레진 펠트(Resin Felt)와 글래스 울(Glass Wool)을 기재로, 실시예 1의 경우 한 면에 부직포를 열 압착하고, 실시예 2의 경우 양면에 각각 부직포를 열 압착한 것이다.

구분	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예 4
구조
	레진펠트(R/FELT) 부직포	부직포 글래스 울(G/WOOL) 부직포	강화/발수 부직포 발포 폴리우레탄 폼 강화/발수 부직포	강화/발수 부직포 발포 폴리우레탄 폼 강화/발수 부직포
중량	◎	○	△	△
NVH 성능	△	○	○	◎
비용	△	△	○	○
1) 비교예 3과 실시예는 그 구성에서 동일하나, 실시예는 탄소나노튜브(CNT)를 추가한 구성임 2) ◎은 "매우 우수함"을, ○은 "우수함"을, △은 "보통"임. 3) 실시예는 폴리우레탄 폼 시트의 전체 중량에 대하여 탄소나노튜브(CNT)의 함량이 3중량%인 것임.

[표 4]에 따라 제작한 비교예 1 내지 비교예 3 그리고 실시예 4를 이용하여 흡음 성능을 측정한 결과는 도 7과 같다. 도 7에서, 가로축은 주파수를, 세로축은 흡음률을 나타낸다.

이처럼 실시예는 중량에서 다른 비교예들 특히 레진 펠트와 비교하면 상대적으로 무거우나 발포 폴리우레탄 폼에 미량의 탄소나노튜브를 추가함으로써, 실제 중량의 증가는 미비하지만 이에 따른 NVH 성능(흡음 성능)에서는 도 7에서 보는 바와 같이 전체 대역에서 다른 비교예 1 내지 비교예 3보다 높은 흡음률을 보이고 있음을 알 수 있다.

이는 최근에 흡음재에 가장 많이 적용하는 기존의 발포 폴리우레탄 폼과 비교해 볼 때 중량 증가는 거의 없으면서도 흡음 성능은 향상되었다고 할 것이다.

5. 실차 투과 소음 테스트

도 8은 실차 상태에서 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 발포 폴리우레탄 폼을 적용한 엔진룸 인슐레이션의 비교예와 탄소나노튜브를 첨가한 발포 폴리우레탄 폼을 적용한 엔진룸 인슐레이션의 실시예에 대하여 투과 소음(%AI)을 측정한 결과이다. 그래프에서, 가로축은 속도(rpm)이고 세로축은 투과 소음(%AI)을 나타내고, (a)는 운전석에서 측정한 결과를, (b)는 조수석에서 측정한 결과를 각각 나타낸다.

도 8의 그래프와 같이, 실시예의 경우 거의 모든 속도 구간에서 비교예보다 우수한 투과 소음 효과를 보이고 있음을 알 수 있고, 특히 운전석에서는 평균 0.8%가 개선되었으며, 조수석에서는 1.2%가 개선되었다.

이상과 같이 본 발명에 따른 엔진룸 인슐레이션에 적용하는 폴리우레탄 폼은, 기존의 폴리우레탄 폼과 비교하여 실차 상태에서의 소음 테스트(운전석에서는 평균 0.8% 개선, 조수석에서는 1.2% 개선)·다른 재질의 흡음재와 비교에서도 중량 감소 및 NVH 우수 그리고 탄소나노튜브의 함량에 물성값(인장 강도·굴곡 강도 그리고 신율 등)이 우수한 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 이처럼 우수한 탄소나노튜브를 함유한 폴리우레탄 폼을 흡음재로 사용하여 엔진룸 인슐레이션을 제작함으로써, 폴리우레탄 폼의 전체 중량이 늘어나는 것을 최소화하면서도 전체 주파수 대역에서 흡차음 효과를 높일 수 있으며, 중량 감소로 연비를 향상할 수 있게 한 것이다.

6. 기타(다른 실시예 )

본 발명에 따른 다른 실시예 5 내지 실시예 8은, 상술한 실시예 1 내지 실시예 4가 탄소나노튜브의 함량을 달리한 것과 달리, 인슐레이션을 구성하는 구성층에서 차이가 있다.

즉, 실시예 5 내지 실시예 8은, 도 9와 같이, 위에서 설명한 다른 실시예와 같은 방법으로 탄성나노튜브를 함유한 폴리우레탄 폼(100)을 기재로 하고, 여기에 차음층(200)과 표면층(300) 중에서 적어도 하나를 더 구성한 것이다.

이를 도 9를 참조하여 설명하면, 실시예 5는, (a)와 같이, 폴리우레탄 폼(100)에 표면층(300)을 겹쳐서 제작한다. 이때, 사용할 수 있는 표면층(300)으로는 펠트층이나 부직포 등을 이용할 수 있다(이하, 다른 실시예의 표면층(300)에서는 같은 재질을 사용한다).

실시예 6은, 도 9의 (b)와 같이, 폴리우레탄 폼(100)의 양면에 각각 차음층(200)과 표면층(300)을 겹쳐서 제작한 것이다. 여기서, 차음층(200)은 예시적으로 EVA(Ethylene Vinyl Acetate), TPE(Thermo Plastic Elastomer), PET(Poly Ethylene Terephthalate), 천연고무, NDR(NOISE DAMPING RUBBER) 중에서 적어도 하나로 이루어진 것을 이용한다.

실시예 7은, 도 9의 (c)와 같이, 폴리우레탄 폼(100)에 차음층(200)과 표면층(300)을 차례로 겹쳐서 제작한 것이다. 차음층(200)과 표면층(300)의 종류에 대해서는 상술한 것과 같다.

실시예 8은, 도 9의 (d)와 같이, 폴리우레탄 폼(100)과 차음층(200)을 차례로 겹쳐서 제작한 것이다. 차음층(200)의 종류에 대해서는 상술한 것과 같다.

이처럼 본 발명에 따라 제작한 탄소나노튜브(CNT)를 함유한 폴리우레탄 폼을 기재로 다양한 구조의 엔진룸 인슐레이션을 제작할 수 있다.

100 : 폴리우레탄 폼
200 : 차음층
300 : 표면층

Claims (10)

1. 폴리우레탄 폼(100)의 양면 중 적어도 한 면에 표면층(300)과 차음층(200) 중에서 적어도 하나를 겹쳐서 제작하거나, 폴리우레탄 폼(100) 위에 차음층(200)과 표면층(300)을 겹쳐서 제작하되,
   상기 폴리우레탄 폼(100)은, 폴리올(Polyol)의 중량비 100을 기준으로 여기에 중량비 150~160의 이소시아네이트(Isocyanate), 중량비 0.1~5.0의 탄소나노튜브 및 중량비 10~20의 난연재를 혼합·교반한 다음 발포하여 얻는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 이소시아네이트·원액에 탄소나노튜브와 난연재를 첨가하여 25~35초 동안 교반한 다음, 여기에 폴리올 원액에 추가하여 6~10초간 더 교반하여 발포하는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 폴리올은 그 중량비가
   고분자 PPG : 45.0~50.0
   저분자 PPG : 26.0~32.0
   셀 오프너(Cell Opener) 2.0~4.0
   사슬 연장제(Chain Extender) : 3.0~5.0
   인계난연제(Flame-retardant) : 5.0~7.0
   실리콘 계면활성제(Surfactant) : 1.2~1.8
   아민 촉매 : 0.8~1.2
   물 : 6.0~9.0
   인 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브는 지름 10~50㎚, 체적 밀도 0.02~1.50g/ml, 순도 85~90%, 결정도(I_G/I_D) 0.7~1.1의 단일벽 또는 다중벽으로서, 파우더 형태 또는 분말 과립 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 폴리우레탄 폼(100)은 블록 형태로 발포 성형하고 발포 후 3일간 숙성하는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 폴리우레탄 폼(100)은 밀도가 18~22㎏/㎥인 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 차음층(200)은, EVA(Ethylene Vinyl Acetate), TPE(Thermo Plastic Elastomer), PET(Poly Ethylene Terephthalate), 천연고무, NDR(NOISE DAMPING RUBBER) 중에서 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 표면층(300)은 펠트층 또는 부직포인 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 부직포는, 일반 부직포·강화 부직포· 발수 부직포 또는 강화/발수 부직포로, 폴리우레탄 폼(100)에 열 압착하여 부착하는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 열 압착 성형은 150~200℃에서 30~60초 동안 이루어지며,
    열 압착 성형을 한 다음 제품의 후변형을 막기 위하여 5~10℃에서 30~60초 동안 냉각 성형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진룸 인슐레이션.

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