[논문]반응온도와 발포제 함량에 따른 폴리우레탄 발포특성에 관한 연구

김홍석; 윤재웅

doi:10.5228/kspp.2009.18.3.256

문제 정의

본 연구에서는 컵발포시험을 이용하여 발포제의 함량(blowing agent content) 및 우레탄 반응 시의 환경 온도(environmental temperature) 변화에 따른 폴리우레탄의 성형 특성을 고찰하였으며, 이러한 고찰을 통하여 실제 제품의 성형에 적합한 반응 조건의 범위를 도출하였다. 또한, 도출된 반응 조건의 타당성을 검토하기 위한 실제 사례로서 실내연습용 골프공의 성형을 위한 금형을 제작하여 폴리우레탄의 성형 특성을 고찰하였다.
본 제품의 경우 최종 제품의 절반에 해당하는 하형의 부피 이상의 원재료 주입이 불가능하고, 원재료의 낮은 점성 때문에 상당한 양의 버(burr)가 발생할 것으로 예상되었다. 또한, 제품의 외관 품질을 향상시키기 위하여 형성되는 기포셀의 크기는 직경 1mm 이내로 제한하고자 하였다. 따라서, 컵발포시험을 통하여 얻은 폴리우레탄의 발포 경향을 고려하여 이러한 제한 조건을 만족시키는 성형조건으로서 금형온도와 발포제 함량을 각각 50°C 와 10%로 설정하였다.
본 연구에서 금형을 이용한 제품성형실험의 목적은 Fig. 2 와 Fig. 3 에 나타낸 컵발포시험에서 얻어진 폴리우레탄의 발포 경향을 고려하여 실제 제품 성형의 공정조건을 결정하는데 있다. 본 제품의 경우 최종 제품의 절반에 해당하는 하형의 부피 이상의 원재료 주입이 불가능하고, 원재료의 낮은 점성 때문에 상당한 양의 버(burr)가 발생할 것으로 예상되었다.
본 연구에서는 컵발포시험을 이용하여 발포제의 함량(blowing agent content) 및 우레탄 반응 시의 환경 온도(environmental temperature) 변화에 따른 폴리우레탄의 성형 특성을 고찰하였으며, 이러한 고찰을 통하여 실제 제품의 성형에 적합한 반응 조건의 범위를 도출하였다. 또한, 도출된 반응 조건의 타당성을 검토하기 위한 실제 사례로서 실내연습용 골프공의 성형을 위한 금형을 제작하여 폴리우레탄의 성형 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 컵발포시험을 이용해 도출된 폴리우레탄의 성형 특성을 실제 제품의 성형공정에 적용하기 위하여 실내연습용 골프공의 성형을 위한 시작금형을 제작하여 성형실험을 수행하였다. 실내연습용 골프공은 일반 가정의 실내에서 사용되는 용도로서 벽면이나 가구 등에 손상을 주지 않아야 하기 때문에 폴리우레탄의 적용이 적합한 제품이다.

제안 방법

(4) 실제 성형 사례로서 컵발포시험에서의 발포 경향을 고려하여 실내연습용 골프공의 폴리우레탄 성형 실험을 수행하였다. 컵발포시험에서 얻어진 결과를 활용하여 실제 성형에서 환경온도 및 발포재 함량 선정이 용이하게 이루어질 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 컵발포시험을 통하여 얻은 폴리우레탄의 발포 경향을 고려하여 이러한 제한 조건을 만족시키는 성형조건으로서 금형온도와 발포제 함량을 각각 50°C 와 10%로 설정하였다.
본 연구에서는 반경질 폴리우레탄의 반응 시 환경 온도를 40, 50, 60°C로 설정하고 발포제의 질량비를 8, 10, 14, 18, 20%로 변화시켜 컵발포시험을 수행함으로써 소재의 성형 특성을 고찰하였으며, 실제 사례로서 실내연습용 골프공의 폴리우레탄 시제품을 성형하였다.
본 연구에서는 환경 온도와 발포제 함량의 영향을 고찰하기 위해 40, 50, 60°C의 세가지 온도에 대해 주재료인 폴리올 대비 발포제의 질량비를 8, 10, 14, 18, 20%의 5가지 조건으로 변화시켜 컵발포 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 환경 온도와 발포제 함량의 영향을 고찰하기 위해 40, 50, 60°C의 세가지 온도에 대해 주재료인 폴리올 대비 발포제의 질량비를 8, 10, 14, 18, 20%의 5가지 조건으로 변화시켜 컵발포 시험을 수행하였다. 이때, 폴리올과 경화제의 질량비는 100:46으로 고정시켰으며 전체 혼합용액의 질량이 20mg이 되도록 각 성분의 질량을 조절하였다. 폴리우레탄의 각 성분액인 폴리올과 경화제, 발포제는 설정된 비율에 맞게 계량되어 용기에 주입된 후 길이 35mm, 폭 10mm 의 평판 블레이드로 15초간 3000RPM의 회전속도로 교반되었으며, 300초 간 항온수조에서 반응시켰다.

대상 데이터

실내연습용 골프공은 일반 가정의 실내에서 사용되는 용도로서 벽면이나 가구 등에 손상을 주지 않아야 하기 때문에 폴리우레탄의 적용이 적합한 제품이다. Fig. 5 에 나타낸 바와 같이 본 연구에서 제작된 시작 금형은 일반 금형과 달리 초고강도 콘크리트를 사용하여 제작되었는데, 초고강도콘크리트는 초미립자 상태의 실리카질 분말과 고성능 감수제의 조합에 의해 압축강도가 200~300kgf/cm2인 일반 콘크리트보다 훨씬 높은 2,000kgf/cm2 이상의 압축강도를 갖는다[6]. 초고강도콘크리트의 이러한 높은 강도 특성을 이용하여 박판 프레스 공정의 시작금형을 개발한 사례가 보고된 바 있는데[7], 일반 금속 재질의 금형에 비해 금형 제작에 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있어 시작용 금형의 소재로서 적합한 것으로 판단된다.
본 연구에서 주재료인 폴리올(polyol)은 반경질(semi-rigid) 폴리우레탄인 NIXOL R-9150(KPX 케미칼㈜)이 사용되었고, 경화제와 발포제로는 변성 MDI(methylene diphenylene isocyanate)와 HCFC141b(hydro-chlorofluorocarbon)가 각각 사용되었다. 발포제는 상온에서 액체 상태를 유지하지만 반응시의 환경 온도와 우레탄 반응의 발열로 인하여 기화된다.
발포제는 상온에서 액체 상태를 유지하지만 반응시의 환경 온도와 우레탄 반응의 발열로 인하여 기화된다. 자유발포 시험에 사용된 용기는 내경 46.5mm, 벽두께 0.5mm, 높이 68.0mm 의 폴리스틸렌(poly-stylene) 컵으로서 용기의 온도는 항온수조(water bath)를 사용하여 조절하였다.

성능/효과

(1) 발포제의 함량이 높아질수록 기포셀의 크기가 커지고, 결과적으로 발포체의 발포고는 증가하는 경향을 보였다. 그러나 발포제의 함량이 일정정도 이상에 도달하면 기포의 과도한 성장에 의한 불안정한 기포셀 구조가 얻어질 수 있다.
(2) 동일한 발포제 함량이라면 환경 온도가 높을수록 발포가 활발하게 일어나 기포셀의 크기가 커지는 경향이 관찰되었다.
(3) 시편의 외부에 발생되는 고밀도 표피층인인테그럴 스킨은 환경 온도가 낮을수록 치밀한 조직이 형성됨을 알 수 있었다.
(5) 금형온도 50°C 와 발포제 함량 10% 조건에서 금형을 이용하여 얻어진 제품은 동일 조건의 컵발포시험에서 얻어진 시편에 비해 기포셀의 크기가 작음을 확인할 수 있었다. 컵발포시험은 금형에 의한 압력상승을 고려하고 있지 못하기 때문에 향후 금형내압을 고려한 폐쇄형 컵발포시험이 개발된다면 보다 정밀한 성형 조건의 선정이 가능하리라 사료된다.
각 환경 온도에서 발생된 표피층 조직을 관찰하면 온도가 낮을수록 보다 치밀한 조직이 얻어지고 있음을 알 수 있는데, 특히 60°C 의 경우 스킨층의 밀도가 낮고 표면 품질도 다른 경우에 비해 떨어짐을 확인할 수 있었다.
또한, 발포제 함량의 18%인 경우 장축 1mm 이상의 기포셀 비율이 증가하지만 크기 자체는 발포제의 함량이 14%인 경우에 비해 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 그러나 발포제의 함량이 20%로 증가하면 기포 간의 병합에 의해 기포셀의 크기가 급격히 증가하여 장축의 길이가 5mm를 초과하는 대형 기포셀이 발생하고 있음을 관찰할 수 있었다. 이러한 대형 기포셀은 지속적인 부피 증가를 유발하는 안정적인 반응이 아니라 단시간에 다량의 기포셀이 발생하는 격렬한 반응에 의해 얻어지며 기포셀 간의 병합과 붕괴가 발생하기 때문에 발포고를 오히려 감소시킬 수 있으며 제품 표면으로 거대 기포가 노출되는 경우도 있어 일반 제품의 성형 조건으로는 적용이 불가능하다.
그러나 발포제의 함량이 일정 정도를 넘을 경우 발포고의 증가는 둔화됨을 알 수 있었으며, 환경 온도 60°C 에서 발포제 함량이 20%인 경우에서와 같이 기포 조직의 붕괴로 인하여 발포고가 오히려 감소하는 경우도 발생함을 알 수 있었다.
또한 환경 온도 60°C에서도 발포제 함량 18%와 20%에서 대형 기포셀이 발생하였음을 알 수 있었으며, 발포제 함량이 8%인 경우에도 환경 온도가 40°C 와 50°C인 경우에 비해 상대적으로 큰 기포셀이 발생함을 알 수 있었다.
6 에 나타낸 바와 같이 선정된 성형조건의 적용을 통하여 얻은 시제품은 골프공의 딤플(dimple) 형상이 뚜렷하게 전사된 광택있는 표면을 가지고 있으며, 현재 국내에서 판매되고 있는 스폰지 재질의 실내연습용 골프공에 비하여 촉감 및 실제 골프공에 대한 모사 성이 우수한 것으로 판단되었다. 또한, Fig. 6 의 오른쪽 제품은 별도의 색상 첨가물을 혼합하지 않은 상태로서 연노란색을 띄지만 수용성 안료의 첨가를 통하여 왼쪽 제품과 같이 다른 색상을 갖는 제품을 손쉽게 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 환경 온도 40°C 에서 발포제 함량이 8%와 10%인 경우와 환경 온도 50°C 에서 발포제의 함량이 8%인 경우를 관찰하면 발포제의 함량이 충분치 않을 경우 환경 온도가 증가하여도 충분한 발포가 이루어지지 않음을 알 수 있다.
본 연구에서 고찰하고자 하는 발포제의 함량과 반응 시의 환경 온도는 반응사출성형 시 폴리우레탄의 발포 거동에 가장 큰 영향을 미치는 요인이다. 일반적으로 발포제의 함량이 증가하면 보다 활발한 발포가 발생하여 부피 증가량이 클 것으로 예측할 수 있으나 발포제 함량이 과도하면 기포의 과도한 성장과 기포 간의 병합 등에 의해 최종 발포 구조가 불안정해 질 수 있으므로 원하는 제품의 성질을 얻기 위해서는 적절한 발포제의 함량이 설정되어야 한다.
3 에 나타낸 컵발포시험에서 얻어진 폴리우레탄의 발포 경향을 고려하여 실제 제품 성형의 공정조건을 결정하는데 있다. 본 제품의 경우 최종 제품의 절반에 해당하는 하형의 부피 이상의 원재료 주입이 불가능하고, 원재료의 낮은 점성 때문에 상당한 양의 버(burr)가 발생할 것으로 예상되었다. 또한, 제품의 외관 품질을 향상시키기 위하여 형성되는 기포셀의 크기는 직경 1mm 이내로 제한하고자 하였다.
(4) 실제 성형 사례로서 컵발포시험에서의 발포 경향을 고려하여 실내연습용 골프공의 폴리우레탄 성형 실험을 수행하였다. 컵발포시험에서 얻어진 결과를 활용하여 실제 성형에서 환경온도 및 발포재 함량 선정이 용이하게 이루어질 수 있음을 확인할 수 있었다.
환경 온도가 50°C 이고 발포제의 함량이 10%와 14%의 경우에는 직경 0.5mm 정도의 고른 기포 셀이 발생하여 비교적 고른 부피 증가가 발생함을 알 수 있었지만 발포제 함량 18%부터 대형 기포셀이 발생함을 알 수 있었다.

후속연구

3에 나타낸 금형온도 50oC와 발포제 함량 10% 조건의 발포 경향과 비교하면 컵 발포시험에서 얻어진 기포셀에 비해 비교적 작은 기포셀 조직이 형성되었음을 알 수 있었는데, 이는 대기압 상태에서 수행된 컵발포시험에 비해 금형 내 폐쇄 성형에서의 내부 압력이 증가하였기 때문으로 추론된다. 따라서, 향후 현재 실험의 용이성 때문에 현장에서 널리 사용되고 있는 컵 발포시험에 성형 시 압력을 인가할 수 있는 장치를 추가한다면 이를 이용하여 보다 정밀한 성형 조건의 선정이 가능하리라 판단된다.
(5) 금형온도 50°C 와 발포제 함량 10% 조건에서 금형을 이용하여 얻어진 제품은 동일 조건의 컵발포시험에서 얻어진 시편에 비해 기포셀의 크기가 작음을 확인할 수 있었다. 컵발포시험은 금형에 의한 압력상승을 고려하고 있지 못하기 때문에 향후 금형내압을 고려한 폐쇄형 컵발포시험이 개발된다면 보다 정밀한 성형 조건의 선정이 가능하리라 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리우레탄의 발포 특성 파악을 위해 일반적으로 사용되고 있는 방법은 무엇인지 설명한다면?	폴리우레탄의 발포 특성 파악을 위해 일반적으로 사용되고 있는 방법은 컵발포시험(cup foam test)으로서 상면이 개방되어 있는 컵 형상의 용기에 원재료의 혼합액을 반응시켜 화합물의 발포 경향을 관찰하는 시험법이다[3]. 컵발포시험은 비교적 단순한 과정을 통하여 주어진 조건에 대한 폴리우레탄의 반응 거동을 파악할 수 있기 때문에 산업계에서 널리 사용되고 있는 대표적인 시험법이다.
	폴리우레탄은 모두 어떤 대표 결합을 갖는가?	폴리우레탄은 모두 우레탄 결합이라는 대표 결합을 갖지만 수산기 화합물의 종류나 폴리올과 이소시아네이트의 비율, 발포제의 양에 따라 다양한 성질을 갖는 제품의 제조가 가능하다. 예를 들어, 침구류의 쿠션과 같은 스폰지 형태의 연질 폼부터 자동차의 스티어링휠(steering wheel), 손잡이 등과 같은 반경질 폼, 건축 단열재와 같은 경질 폼까지 폴리우레탄으로 생산되는 제품의 활용 영역은 대단히 광범위하다[2].

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