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문제 정의
- 특히, 일본에서는 자동차내의 VOCs로 인한 질환을 Sick Car 증후군이라 명명하며 자동차업계, 부품 및 재료업체가 협력으로 VOCs 문제에 대응책을 마련하고 있는 실정이다[7,8]. 따라서 본 연구에서는 PU foam을 대체할 수 있는 친환경 부직포 쿠션재의 적용성 연구를 수행하고자 하였다.
- 따라서 PU foam의 경우는 별도의 난연처리 등을 통하여 자동차용 내장재 규격에 맞추고 있는 실정이나, 각종 난연제에 대한 유해성 논란으로 여러 가지 환경규제를 받고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 두 종류의 중공사 부직포를 각기 다른 방법으로 제조하여 이들의 연소특성을 검토하였다.
제안 방법
- NP+TB 방식은 니들펀칭방식과 열융착방식을 병행한 것으로 웹의 벌 키성과 탄력성을 유지하기 위하여 punching density를 170 strokes/min으로 섬유간에 최소의 기계적 결합력을 부여한 후 상기 TB 방식과 동일하게 열융착부직포를 제조하였다. NP+AT 방식은 니들펀칭 이후 부직포 내부의 섬유 간 결합이 가능하도록 140oC의 열풍접착방식을 병행하여 부직포를 제조하였다. 위와 같은 전체적인 부직포 제조공정은 Figure 1에 도식적으로 나타내었다.
- C, belt 간격은 10 mm로 설정하여 2 m/min 속도로 열융착부직포를 제조하였다. NP+TB 방식은 니들펀칭방식과 열융착방식을 병행한 것으로 웹의 벌 키성과 탄력성을 유지하기 위하여 punching density를 170 strokes/min으로 섬유간에 최소의 기계적 결합력을 부여한 후 상기 TB 방식과 동일하게 열융착부직포를 제조하였다. NP+AT 방식은 니들펀칭 이후 부직포 내부의 섬유 간 결합이 가능하도록 140oC의 열풍접착방식을 병행하여 부직포를 제조하였다.
- 경도: 자동차 시트의 딱딱하고 부드러운 정도를 평가할 수 있는 항목으로 KS M 6672: 쿠션용 연질 우레탄 폼 시험방법에 준하여 70% 경도를 측정하였다. Universal Testing Machine(H5K-T, Tinuus Olsen, USA)을 사용하여 원시료 두께의 70%까지 10 mm/min의 속도로 가압 후 압력을 제거하여 하중의 변화를 기록하고 70% 경도를 산출하였다. 또한 쿠션 소재의 쾌적성과 내구성 측면에서 매우 중요한 인자인 support factor를 아래 식으로 산출하여 원사 종류별, 부직포 제조공정별로 비교하였다.
- 차량내장재 중에서 시트는 사람과 자동차간의 가장 주가되는 인터페이스이며 시트에 있어서 압축특성은 매우 중요한 인자 중의 하나이다. 다만, 본 실험은 영구변형을 수반하지 않는 비교적 소변형에서의 압축특성에 대한 결과로 각각 다른 원사, 다른 방법으로 제조된 6종의 부직포가 가지는 고유의 압축회복특성을 비교해보고자 하였으며, KESFB3 시스템을 통한 PU foam과 부직포의 압축거동을 Figure 2에 나타내었다.
- 두께 및 밀도: 각 시료의 단위면적당 무게 및 두께를 측정하고 밀도를 계산하였다. 제조된 부직포의 특성상 일정 정도의 쿠션성을 가지기 때문에 정확한 비교분석을 위하여 KES-FB3(Kato Tech.
- Universal Testing Machine(H5K-T, Tinuus Olsen, USA)을 사용하여 원시료 두께의 70%까지 10 mm/min의 속도로 가압 후 압력을 제거하여 하중의 변화를 기록하고 70% 경도를 산출하였다. 또한 쿠션 소재의 쾌적성과 내구성 측면에서 매우 중요한 인자인 support factor를 아래 식으로 산출하여 원사 종류별, 부직포 제조공정별로 비교하였다.
- 부직포는 이용목적에 따라 다양한 방법이 있는데, 일반적으로 carding 공정을 통해 단섬유를 얇은 시트상 웹으로 제조한 후 이를 cross lapping하여 열적, 기계적 결합을 부여함으로써 부직포를 제조한다. 본 연구에서는 결합 공정을 달리하여 원사종류별로 각 3종류의 부직포를 제조하였고, PU foam의 기본 물성 및 압축특성, 내구성, 연소성 시험 등을 통해 부직포 쿠션재와 비교 평가를 수행하였다.
- 부직포 제조: PET 중공사 부직포는 PET 중공사와 LM PET를 혼섬비 8:2로, PLA 중공사 부직포는 PLA 중공사와 LM PET를 6:4로 혼섬한 후, 한국생산기술연구원에 구축된 부직포라인에서 카딩공법으로 웹을 제조하였다. 웹의 두께와 중량은 cross lapping 공정을 통하여 조절하였으며 기준 시료인 PU foam의 두께를 기준으로 하여 9 mm 내외로 제어하였으며, 이후 공정을 통하여 두께 및 밀도 변화가 수반되었다.
- 압축특성: 압축특성은 KES-FB3을 이용하여 20oC,65%RH의 표준상태에서 20 µm/sec 속도로 최고압력 50 gf/ cm2까지 가압 후 압력을 제거하고, 이로부터 압축선형성(LC), 압축 에너지(WC), 압축회복률(RC)을 산출하였다.
- 웹의 두께와 중량은 cross lapping 공정을 통하여 조절하였으며 기준 시료인 PU foam의 두께를 기준으로 하여 9 mm 내외로 제어하였으며, 이후 공정을 통하여 두께 및 밀도 변화가 수반되었다. 웹의 섬유간 결합방식을 다음과 같이 달리하여, 6종의 쿠션재용 부직포를 제조하였다.
- 8 g, 직경 16 mm의 강철볼을 사용하였다. 이때, 볼이 리바운드 된 높이를 정확히 계측하기 위하여 시험영상을 촬영하여 높이를 측정하였으며 리바운드 높이 데이터를 이용하여 아래 식으로 ball rebound resilience(%)을 계산하였다.
- 자동차 시트용 쿠션재로 사용되고 있는 PU foam의 인체 및 환경유해성 문제로 인하여 이를 대체하기 위한 연구의 일환으로 중공사를 이용한 부직포 쿠션재를 개발하였으며 이를 기존 PU foam과 비교·평가함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 두께 및 밀도: 각 시료의 단위면적당 무게 및 두께를 측정하고 밀도를 계산하였다. 제조된 부직포의 특성상 일정 정도의 쿠션성을 가지기 때문에 정확한 비교분석을 위하여 KES-FB3(Kato Tech., Japan)을 이용하여 초하중 0.5 gf/cm2 하에서의 두께를 측정하였다.
대상 데이터
- 볼 반발 탄성: 볼 반발 탄성 시험법은 쿠션 소재의 탄성을 측정할 수 있는 시험방법의 하나로 정해진 높이에서 규격의 강철 볼을 낙하시킨 후 반발하여 튀어 오른 높이를 측정하고, 이를 통해 반발탄성을 계산하였다. KS M ISO 8307 연질 발포 고분자 재료 - 볼 반발 탄성 측정방법에 의거하여 제작된 시험기로 측정하였으며, 시편두께 50 mm, 중량 16.8 g, 직경 16 mm의 강철볼을 사용하였다. 이때, 볼이 리바운드 된 높이를 정확히 계측하기 위하여 시험영상을 촬영하여 높이를 측정하였으며 리바운드 높이 데이터를 이용하여 아래 식으로 ball rebound resilience(%)을 계산하였다.
- 뿐만 아니라 굽힘강성과 반발탄성이 일반섬유에 비해 상대적으로 우수하여 구김이나 압축에 대한 회복성도 크다고 알려져 있다[9-11]. 따라서 본 연구에서는 자동차 시트용 쿠션재의 친환경 및 경량화를 목적으로 재활용 또는 생분해가 가능한 2종의 중공사를 선택하고, 섬유간 열적 접착을 위하여 이성분의 바인더섬유를 사용하였다. 현재 자동차 시트커버용 소재의 90% 이상을 점유하고 있는 섬유가 폴리에스터(PET)이므로 쿠션재를 동일 소재인 PET 중공사로 제작하는 경우 향후 분리 공정없이 재활용이 가능하다는 장점을 가지며, 폴리락틱에시드(PLA) 중공사를 사용하는 경우 생분해성을 기대할 수 있다.
- 시 료: 본 실험에서 부직포 제조에 사용된 원사는 PET 중공사와 PLA 중공사이며 섬유간 결속을 위하여 저융점 PET섬유(LM-PET)를 바인더 섬유로 사용하였으며, 각 원사의 물성을 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 경도: 자동차 시트의 딱딱하고 부드러운 정도를 평가할 수 있는 항목으로 KS M 6672: 쿠션용 연질 우레탄 폼 시험방법에 준하여 70% 경도를 측정하였다. Universal Testing Machine(H5K-T, Tinuus Olsen, USA)을 사용하여 원시료 두께의 70%까지 10 mm/min의 속도로 가압 후 압력을 제거하여 하중의 변화를 기록하고 70% 경도를 산출하였다.
- 공기전달특성: 각 시료의 공기전달특성은 air permeability tester(TEXTEST FX 3300, Swizerland)를 이용하여 각 시료별 공기투과도를 Frazier법으로 측정하였으며, 시험편을 통과할 때의 공기압력은 125 Pa로 하였다.
- 압축 영구 줄음률: 장시간 자동차 시트에 앉아있는 경우 및 여름철 자동차 내부 온도가 급격히 상승한 상태에서 받게 될 열적, 기계적 손상 등을 알아보기 위해서 KS M 6672에 의거하여 압축 영구 줄음률(compression set)을 측정하였다. 먼저 원시료의 두께를 측정한 후 알루미늄 평행압축판을 이용하여 원시료 두께(t0)의 50%까지 압축 고정시킨 상태에서 70oC의 chamb er내에서 연속 22시간동안 유지한다.
- 연소특성: 연소특성은 미연방 자동차 실내 안전규격인 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard) No. 302: Flammability of Interior Furnishings 시험법에 의거하여 연 소속도를 측정하였고 ASTM D2863: Standard Test Method for Measuring the Minimum Oxygen Concentration to Support Candle-Like Combustion of Plastics(Oxygen Index) 시험법으로 한계산소지수(LOI: Limiting Oxygen Index)를 측정함으로써 제조된 부직포의 난연성을 평가하였다.
성능/효과
- 볼 반발 높이 및 이로 부터 산출된 반발 탄성을 Figure 4에 나타내었다. PU foam에 비하여 부직포 시료의 리바운드 높이가 높게 나타났으며 반발탄성 또한 우수한 것으로 나타났다. PET 중공사 부직포, PLA 중공사 부직포 공통적으로 니들펀칭 공정을 거친 부직포의 경우 반발 탄성이 상대적으로 낮게 나타났다.
- PET 중공사, PLA 중공사가 부직포 제조에 사용되었으나, 각 원사의 고유물성 보다는 제조된 부직포의 밀도 및 중량에 따른 차이가 크게 발현된 것으로 보인다. ball rebound resilience도 PU foam 대비 제조된 부직포의 경우가 더 높았으며, 추가 난연처리 등을 하지 않은 부직포 상태에서 국내외 자동차 업체에서 요구하는 난연특성을 모두 만족하는 것으로 확인되었다. 다만, 고온 고압의 환경 하에서 평가되는 압축 영구 줄음률은 PU foam에 비하여 높게 나타나서 내구성 측면에서 개선해야 할 부분으로 생각된다.
- PU foam 및 부직포 소재가 쿠션재로 사용되는 경우 인체에 직·간접적으로 밀착되게 되며, 이때 인체와 쿠션재 간에 정지공기층이 발생하기 때문에 해당소재의 공기투과성이 시트의 쾌적감에 매우 큰 영향을 끼치게 된다. 각 부직포의 공기투과도는 기존 PU slab foam에 비해 매우 높은 수치를 나타내었다. PET 중공사 부직포 보다는 PLA 중공사 부직포의 통기성이 다소 낮게 나타났는데, 이는 전반적으로 부직포의 중량과 밀도가 높아 공기투과성을 저해하는 요인으로 작용한 것으로 보인다.
- 공정별 차이를 살펴보면, PET 중공사 부직포, PLA 중공사 부직포 모두 TB 부직포>NP+TB 부직포>NP+AT 부직포 순으로 나타났다.
- PU foam의 경도와 비교해보면 부직포의 경우가 매우 높은 값을 나타내었다. 본 연구를 통해 제조된 부직포의 경우 PU foam에 비하여 전반적으로 두께가 얇고, 밀도는 높은 상태이므로 이러한 특성이 반영된 것으로 보인다. 제조공정상 변화추이를 살펴보면, TB 부직포< NP+TB 부직포< NP+AT 부직포 순으로 매우 급격한 경도 증가를 확인할 수 있다.
- 본 연구를 통해 제조된 중공사 부직포 6종의 연소시험 결과를 Table 5에 나타내었으며, 모두 SE class로 판정되어 자동차 업체에서 요구하는 내장재의 연소특성 기준인 80 mm/min을 충분히 만족시킬 수 있는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 한계산소지수를 측정한 결과치도 PLA 중공사 부직포가 28 내외, PET 중공사 부직포가 36 이상이 기록되었다.
- 8 이상이 되는 경우 좋은 쿠션감을 제공한다고 알려져 있다[13]. 본 연구에서 제조된 부직포 쿠션재의 경우는 모두 PU foam 대비 매우 높은 값을 나타내었으며 전반적으로 PET 중공사 부직포에 비해 PLA 중공사 부직포가 더욱 높게 나타났다. 이는 PET 중공사와 PLA 중공사 각 원사의 특성에 따른 차이라기 보다 제조된 부직포의 밀도 차이에 기인하는 것으로 보인다.
- 압축거동에 있어서는 PU foam과 달리 변형 초기에 상대적으로 부드러운 쿠션성이 발현되는 것으로 확인되었으며, 압축회복률은 기계적 결합을 부여하지 않은 TB 타입 부직포의 경우 PU foam에 비해 20% 정도 증가하였다. 비교적 높은 압력을 부과하게 되는 75% 경도의 경우 부직포 쿠션재가 상대적으로 매우 높았으며, 쾌적성 및 내구성의 지표로 활용되는 support factor 또한 높게 나타났다. PET 중공사, PLA 중공사가 부직포 제조에 사용되었으나, 각 원사의 고유물성 보다는 제조된 부직포의 밀도 및 중량에 따른 차이가 크게 발현된 것으로 보인다.
- 부직포의 경우 주성분인 PET 및 PLA 중공사가 바인더 섬유에 의해 부분적으로 열접착이 되어 있는 형태이고, 중공사의 경우 굽힘에 대한 탄성이 우수한 점 등이 반영된 결과로 생각된다. 압축 에너지 WC는 그래프의 형태 및 최고 압력, 그리고 압축정도에 기인하는 값인데, PU foam의 경우 그래프가 위로 볼록한 형태였으며, 압축정도가 64%로 가장 높은 수준이었으며, 이러한 양상이 반영되어 압축 에너지가 그 외 6종의 부직포에 비해 매우 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 압축 영구 줄음률은 고온환경하에서 장시간 압축 후 나타나는 영구변형 정도를 말하며, 쿠션재의 내구성을 나타내는 지표가 된다. 압축 영구 줄음률은 PU foam과 비교하여 6종의 부직포 모두 다소 높은 값을 나타내었다. 부직포를 구성하고 있는 섬유간 결합력이 상대적으로 약하기 때문에 고온 고압의 외력에 의해 섬유간 미끄러짐 또는 결합점의 파괴 등이 발생하는 것으로 보인다.
- 중공사로 제조된 부직포의 경우 PU foam에 비하여 공기 투과성이 매우 높게 나타나 착석시 온열쾌적감 부여에는 좋은 영향을 끼칠 것으로 판단된다. 압축거동에 있어서는 PU foam과 달리 변형 초기에 상대적으로 부드러운 쿠션성이 발현되는 것으로 확인되었으며, 압축회복률은 기계적 결합을 부여하지 않은 TB 타입 부직포의 경우 PU foam에 비해 20% 정도 증가하였다. 비교적 높은 압력을 부과하게 되는 75% 경도의 경우 부직포 쿠션재가 상대적으로 매우 높았으며, 쾌적성 및 내구성의 지표로 활용되는 support factor 또한 높게 나타났다.
- 제조공정별 부직포의 압축거동을 보면, 압축 양상은 거의 유사하지만 최고 압력까지 압축되는 정도가 TB > NP+TB > NP+AT 순으로 확연한 차이를 나타내었다.
- 제조공정상 변화추이를 살펴보면, TB 부직포< NP+TB 부직포< NP+AT 부직포 순으로 매우 급격한 경도 증가를 확인할 수 있다.
- 9 mm 정도로 제조되었다. 제조공정상으로 살펴보면, 열융착방식으로만 결합된 부직포의 경우가 두꺼운 편이었고, 니들펀칭 공정 이후 열융착방식과 열풍접착방식을 병행한 경우 부직포의 두께가 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 밀도도 함께 증가하는 양상을 나타내었다. 단, PLA 중공사 NP+TB 부직포는 당초 밀도가 상대적으로 높게 제조된 경우였으므로 두께치가 TB 부직포에 비해 다소 높게 나타난 것이다.
- Table 3의 각 압축특성치를 살펴보면, 원사 종류별, 부직포 제조공정별 차이를 확인할 수 있다. 쿠션재로서 매우 중요한 물성중의 하나인 압축회복률을 살펴보면, 전반적으로 PET 중공사에 비해 PLA 중공사 부직포가 다소 높게 나타났으며, 공정별로는 니들펀칭 공정을 거치지 않은 TB 부직포가 우수한 회복성을 나타내었다. 이는 기존 PU foam 보다 높은 수준이었다.
- 표준 대기 산소 농도가 21% 정도이며, 이때 연소를 계속 유지할 수 있는 산소의 최저농도가 한계산소지수(LOI)이다. 한계산소지수는 소재 뿐만 아니라 구성 형태도 중요한 영향을 끼치게 되는데, 본 연구를 통해 제조된 중공사 부직포의 경우 PU foam에 비해 밀도가 높고 공기 함유량도 적어 비교적 높은 난연성능이 발현된 것으로 보인다.
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