흡음재로서의 폴리우레탄폼의 흡음율 향상에 관한 연구

박 종 래·김 영 철·박 남 국

전남대학교 공과대학 물질화학공학과

A study on enhancement of sound absorption coefficient of polyurethane foam as sound absorbent

Chong-Rae Park, Young-Chul  Kim, Nam-Cook Park

Dept. of Material Chem. Eng., Chonnam Nat'l  Univ., Kwangju  500-757, Korea

서 론

자동차 차실내 소음에는 엔진소음 및 로드노이즈외에 유리창이나 내장재 등에 의해 반사되어서 사람의 귀 위치에 도달하는 반사음도 포함되어 있어서, 소음저감을 위해서는 차실의 내장재에 흡음처리를 반드시 해야하며, 특히 천장은 사람의 귀위치에 가깝기 때문에 그 저감효과가 커서 흡음대책부위로 적합하여, 차실의 천장에 사용될 수 있는 성능이 좋은 흡음재의 개발이 요구되고 있다. 또한 바디판넬의 진동으로 인한 소음을 줄이기 위해서 차실의 바닥에는 제진방음재가 사용되어 고체전파방사음의 저감이 행해지고 있으나, 그 재질의 성능이 기대에 미치지 못하여 이에대한 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.  본 연구는 흡음재로서 이용되고 있는 폴리우레탄폼의 원료첨가제 중의 하나인 surfactant양에 따른 흡음율의 관계를 연구하였다.

실 험

본 실험에서 사용한 원부재료는 polyol, catalysts, surfactant, 물, 기타첨가제 등의 resin과 isocyanate(TDI/M-200/PureMDI) 등이며, 폴리우레탄폼 제조시 반응온도는 20℃로 하였다. 폴리우레탄폼의 제조를 위한 기본적인 Formulation은 Table. 1과 같다. Isocyanate의 양은 isocyanate를 제외한 물질의 OH value를 계산하여, isocyanate의 NCO값에 따라 당량비로 계산하였다. 폴리우레탄폼의 제조 방법은 polyol, 촉매 및 기타 첨가제와 isocyanate를 필요한 양만큼 1회용 폴리에칠렌컵에 각각 담아 항온조(20℃)에 넣어둔 뒤, 30분이 지난후 polyol에 isocyanate를 넣고 4,000rpm으로 교반하여 폴리우레탄폼을 얻었다. 교반 후 7∼8초가 경과하면 내용물이 우유 빛으로 색이 변하였고, 이때를 cream time(15sec)이라 하고, 계속해서 gel time과 폼이 부풀어 오르는 rise time단계로 이어지고, rise time이후에는 경화되면서 반응이 종결되었다.

기계적인 물성을 측정하기 위하여 사용된 시편은 폼을 제조한 후 상온에서 72시간 이상 경화한 다음 만능시험기(universal testing machine. AGS-500A, Shimadza, Japan)를 사용하여 인열강도(tear strength), 인장강도(tensile strength), 신율(elongation)을 측정하였으며, JIS-K6301에 의한 시편 규격에 맞게 2개씩 제작하여 측정한 것을 평균하여 사용하였다. 폴리우레탄 연질폼의 흡음율은 우리가 개발한 흡음재(A)와 현재 상업용으로 사용되고 있는 두종류의 흡음재(B, C)를 비교하여 측정하였다. 흡음측정 장치는 Two microphone impedance measurement tube( B＊K type 4206 )를 사용하여 측정했으며, muti-channel analysis system( B ＊ K type 3550 )으로 해석하였다.[1] 흡음측정에 사용된 시편의 크기는 두께 1cm, 지름이 3cm와 10cm인 두 개의 같은 종류의 폼이었고,  각각의 시편을 3번씩 측정하고 평균하여 데이터로 사용하였다.

Table. 1  Formulation of the polyurethane foam

Comonents		Part by weight
Polyether polyol(1)	KONIX FA-703 polyether polyol, Hydroxyl value ; 32 mg KOH/g	80.00
Polyether polyol(2)	KONIX FA-733 polyether polyol, Hydroxyl value ; 28 mg KOH/g	20.00
Crosslinked	Diethyloxide amine Hydroxyl value ; 1,600mg KOH/g	2.00
Water		4.20
Surfactant	Silicone surfactant	1.00
Catalyst(1)	TOYOCAT-ET, 2-dimethylaminoethyl	0.10
Catalyst(2)	TEDA-L33, Triethylenediamine,	0.50
Cell opener	KONIX FA-103(Gly+EO+PO/EO)	1.50
		110.30
Isocyanate	TDI-T80(25%)/MDI-M200(30%)/Pure MDI(45%)	66.79
NCO index		100.00

결과 및 고찰

폴리우레탄폼 내부의 cell은 polyol에 존재하는 H2O와 isocyanate의 NCO기가 반응하여 생성되는 CO2가스가 반응용액 내부에서 발생되면서 형성되기 시작된다. 즉, 발생되는 CO2가스가 폼의 내부에 cell을 형성하게 되고 이 cell의 구조와 크기는 surfactant로 조절이 가능하며,[2∼4] 흡음율은 cell의 구조가 작고 다공성이면서 폼 전체에 균일하게 분포 되어 있고, open cell을 이루고 있어야 높다.  Fig. 1은 surfactant의 양을 0∼1.5 pphp 까지 변화시켜서 제조한 폼의 흡음율을 나타낸 것이다. 측정한 전주파수 범위에서 surfactant가 1.0pphp 첨가되었을 때 가장 좋은 흡움율을 나타내었다. 이는 surfactant 첨가량이 증가할수록 cell 크기는 미세하고, 균일하게 분포되지만 적당량인 1.0pphp을 넘어 증가하면 cell 구조는 closed cell를 형성하여 발포시 발생하는 열과 압력으로 인해 인접한 cell의 벽면을 손상시켜 cell과 cell이 coalescence되어 거대 cell을 형성하여 흡음율을 감소시키는 것으로 생각된다.

흡음율측정 결과 Fig. 2에서와 같이 주파수 500Hz ∼2,000Hz까지는 흡음재C의 흡음효율이 대체적으로 좋았으나, 2,500Hz ∼ 5,000Hz의 주파수 영역에서는 본 연구에서 개발한 흡음재A와 상업용 흡음재B가 매우 우수한 것으로 나타났다. 주파수 4,000Hz를 기준하여 비교해보면 흡음재A는 99%, 흡음재B는 95%로 매우 좋은 흡음율을 나타내고 있다. 그러나 흡음재A와 흡음재B의 전주파수(500Hz∼5,000Hz)영역의 흡음율을 비교해 보면, 본 연구에서 개발한 흡음재A가 보다 우수함을 보여 주고 있다. 그리고 4,500Hz부근에서 상업용 흡음재B에 비해 흡음재A의 흡음율이 감소 하는 것을 볼 수 있는데,  4,500Hz이상의 영역에서 발생되는 소음은 승차감에 그다지 영향을 미치지않는 주파수 범위라 할 수 있다.

Fig. 3은 강철구에 의한 gel profile을 나타낸 것으로 시간 경과에 따른 폼의 gel반응 과정의 발포 속도 및 경화과정을 알아 볼 수 있는 데이타이다. 즉, Gel profile은 폼의 gel 반응과 blowing 반응의 상호관계를 알 수 있어서, 적당한 촉매를 선택하는데 도움을 준다. Fig. 3은 surfactant양이 1.0pphp 일 때 gel화 반응과 curing 시간이 가장 빠름을 보여주고 있다. curing이 빠르다는 것은 mold에 시료를 주입한 후 폼이 성형되어 demolding될 때 까지의 시간이 짧음을 의미하여, 이것은 폼을 생산하는 산업체의 생산성과 직접적인 연관이 있어 매우 중요한 성질이다. 여기서  surfactant는 화학 발포제인 ET, 33L의 촉매들을 균일하게 분산시켜줌으로써 반응이 동시에 시작되고 종결된다. 이러한 이유로 curing시간이 단축될 수 있다. 그러나 surfactant량이 증가됨에 따라 curing 이 늦어지는 것은 앞에서 설명한 바와 같이 촉매와 기타 시료들이 시료의 분자간력에 의해 인접한 cell과 cell이 coalesence되고, 균일하게 분산되지 않아 한곳에 정체됨으로써 미반응물로 인해 curing이 늦어지는 것으로 생각된다.

결론

1. 흡음율 역시 surfactant의 첨가량이 1.0pphp일 때 가장 좋은 효율을 보여주었으며, 흡음재A가 흡음재B와 흡음재C의 흡음율 보다 좋은 것으로 나타났는데, 이는 흡음효과와 cell size는 surfactant와 밀접한 관계가 있다는 것을 의미한다. 즉, 반응물들의 표면장력을 낮추어 균일하게 분산시키며, 혼합시 들어가는 공기를 분산 시킴으로써 작은 기포가 많이 형성되어 cell을 안정화시고 폼의 발포 도중에 파괴되는 것을 막아 준다.

2. 강철구의 gel profile은 gel 반응과 blowing 반응의 균형 뿐만 아니라 폼의 curing에 따른 생산성 향상과 직접적인 관련이 있으리라 생각되며, 이것 역시 1.0pphp에서 가장 유리함을 보여 주었다.

2. Surfactant의 첨가량이 1.0pphp을 넘어서면, 오히려 cell의 크기가 균일하지 못하여 기계적 물성과 흡음효과가 감소함을 알수 있다. 결과적으로 surfactant의 첨가량이 1.0pphp 일 때 기계적 물성인 인장 강도, 인열 강도 및 흡음효과가 가장 좋았다. 이 중에서도 흡음효율은 cell size와 open cell을 형성하는 surfactant양에 많은 영향을 받는다.

Reference

1. J. J. Zwinselman and W. D. Bachmann., J.Cellular plastic. May, 274 (1988).

2. Rocco, L. and Mascioli, book 1, Technomic publishing AG., 5 (1987).

3. Rossmy, G., Kollmeir,H. and Lidy W., J.Cellular plastic. Nov., .28 (1981).

4. R.J. Galon, T. Narayan and R.A. Markors, SPI polyurethane Division, 385 (1988)