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문제 정의
- 본 연구에서, 층간 소음을 차단하기 위하여 플라스틱 구조체, 단열재와 함께 함께 일체화된 패널형 구조의 바닥 시스템에 적용할 수 있는 방진고무 마운트를 개발하였다. 표면적이 크고 입자크기가 작은 N330 카본블랙이 사용된 배합물이 물리적 흡착이 어렵고 카본블랙 표면의 활성이 낮은 N990이 사용된 배합물보다 bound rubber의 함량이 증가하여 높은 기계적 물성을 나타내며 고무와 카본블랙간의 마찰에 의해 진동이 많이 감쇄되어 높은 damping factor를 나타내는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서는 층간 소음을 차단하기 위해 바닥 진동제어 패널 시스템에 적용 최적의 방진고무 마운트를 제조하였다. 진동에너지를 효율적으로 열에너지로 변환하여 최적화된 완충성능을 발휘할 수 있는 부틸 탄성체 배합 및 형상을 설계하였다.
- 본 연구에서는 층간소음을 차단하기 위하여 기존에 사용되어진 스티로폼, 우레탄, 섬유, 고무, 스펀지 등의 완충재 대신 플라스틱 구조체, 단열재와 함께 일체화된 패널형 구조의 바닥 시스템에 적용할 수 있는 방진고무 마운트를 개발하고자 하였다. 방진고무는 건축물에서 수십년 동안 사용되기 때문에 노화특성을 고려해서 원료고무를 선정해야 한다.
제안 방법
- 진동에너지를 효율적으로 열에너지로 변환하여 최적화된 완충성능을 발휘할 수 있는 부틸 탄성체 배합 및 형상을 설계하였다. 또한 방진고무가 적용된 진동제어 패널 시스템을 디자인하고 제조하여 바닥충격음 차단성능을 평가하였다.
- 제조된 부틸 고무 배합물의 물리적 특성은 KS M 6518에 따라서 유압프레스에서 제조된 2 mm 두께의 시트를 아령형 1호 규격으로 제작하여 UTM(Universal testing machine, ㈜대경엔지니어링)을 사용하여 500 mm/min의 속도로 인장강도와 신장률을 측정하였다. 또한 에너지 손실을 구하기 위하여 편리하고 반복 작업이 쉬운 반발탄성 시험을 ball rebound tester를 사용하여 진행하였다. 식 (1)은 측정계의 전체에너지이고, 식(2)의 RET는 손실 반발탄성률이며, 식 (3)에서 ER은 반발탄성계의 손실에너지이다.
- 방진고무가 적용된 바닥 진동제어 패널 시스템은 KOLAS 인증기관인 ㈜한국소음진동에서 KS F 2810-1(경량충격음), KS F 2810-2(중량충격음)에 근거하여 바닥충격음 차단성능을 평가하였다. Figure 2에는 측정한 실제 사진을 나타내었다.
- 부틸 고무 배합물을 제조하기 위하여 냉각수 순환방식의 open two roll mill을 사용하였으며 고무를 충분히 소련(mastication) 시킨 뒤 카본블랙, 가교조제, 가교제 및 촉진제와 기타 첨가제들을 배합하였다. 배합된 고무는 레오미터(DRM-100, ㈜대경엔지니어링)를 이용하여 경화특성을 측정하였다. 스코치시간(ts2)과 90 % 경화시간에 의거하여 15 MPa의 압력으로 180 ℃에서 유압프레스를 통해 경화를 시켜 실험에 필요한 시험편들을 제조하였다.
- 본 연구를 통해 제조된 방진고무를 적용한 새로운 바닥 진동제어 시스템을 설계하였다. 바닥 진동제어 시스템의 바닥충격음을 측정한 결과 국토교통부에서 공시한 표준바닥구조의 바닥충격음 기준(경량충격음 58 dB, 중량충격음 50 dB)보다 우수한 경량충격음 40 dB, 중량충격음 43 dB를 나타내었다.
- 본 연구에서는 카본블랙의 종류와 함량을 다르게 하여 진동절연 효과가 우수한 배합조성비를 결정하기 위해 Table 1과 같이 부틸 탄성체를 배합하였다. 부틸고무는 JSR Corporation의 JSR butyl 268을 사용하였다.
- 손실계수는 재료의 변형 시 열로서 방출되는 에너지의 양, 재료의 방진 성능 또는 내부마찰과 관계가 있다. 부틸 고무 배합물의 손실계수를 확인하기 위하여 Alpha Technologies의 RPA2000 (Rubber Processing Anlayzer 2000)을 사용하였으며 1 Hz, 10 % strain으로 고정하고 30 ~ 80 ℃의 온도 범위에서 진행하였다.
- 배합된 고무는 레오미터(DRM-100, ㈜대경엔지니어링)를 이용하여 경화특성을 측정하였다. 스코치시간(ts2)과 90 % 경화시간에 의거하여 15 MPa의 압력으로 180 ℃에서 유압프레스를 통해 경화를 시켜 실험에 필요한 시험편들을 제조하였다.
- 제조된 부틸 고무 배합물의 물리적 특성은 KS M 6518에 따라서 유압프레스에서 제조된 2 mm 두께의 시트를 아령형 1호 규격으로 제작하여 UTM(Universal testing machine, ㈜대경엔지니어링)을 사용하여 500 mm/min의 속도로 인장강도와 신장률을 측정하였다. 또한 에너지 손실을 구하기 위하여 편리하고 반복 작업이 쉬운 반발탄성 시험을 ball rebound tester를 사용하여 진행하였다.
- 본 연구에서는 층간 소음을 차단하기 위해 바닥 진동제어 패널 시스템에 적용 최적의 방진고무 마운트를 제조하였다. 진동에너지를 효율적으로 열에너지로 변환하여 최적화된 완충성능을 발휘할 수 있는 부틸 탄성체 배합 및 형상을 설계하였다. 또한 방진고무가 적용된 진동제어 패널 시스템을 디자인하고 제조하여 바닥충격음 차단성능을 평가하였다.
- 그 위에 표준 경량 또는 중량 충격원을 설치하고 충격음을 발생시킨다. 충격원의 설치위치는 실의 주변 벽으로부터 50 cm 이상 떨어진 바닥 평면내로 중앙점 부근의 1점을 포함하여 균등하게 분포하는 4점에서 측정하였다. 실험동 1층에서는 마이크로폰으로 충격음의 음압 레벨 측정을 진행한다.
대상 데이터
- 3가지 카본블랙을 사용하였으며 종류에 따른 물리적 특성은 Table 2에 나타내었다. 가교제와 가교촉진제는 sulfur와 tetramethylthiuram di- sulfide를 각각 사용하였고 가교조제는 zinc oxide와 stearic acid를 사용했다.
- 부틸고무는 JSR Corporation의 JSR butyl 268을 사용하였다. 보강제로는 코리아 카본블랙㈜의 furnace black 계의 HAF(N330)과 FEF(N550), cancarb의 thermal black 계의 thermax N990을 사용하였다. 3가지 카본블랙을 사용하였으며 종류에 따른 물리적 특성은 Table 2에 나타내었다.
- 부틸 고무 배합물을 제조하기 위하여 냉각수 순환방식의 open two roll mill을 사용하였으며 고무를 충분히 소련(mastication) 시킨 뒤 카본블랙, 가교조제, 가교제 및 촉진제와 기타 첨가제들을 배합하였다. 배합된 고무는 레오미터(DRM-100, ㈜대경엔지니어링)를 이용하여 경화특성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 카본블랙의 종류와 함량을 다르게 하여 진동절연 효과가 우수한 배합조성비를 결정하기 위해 Table 1과 같이 부틸 탄성체를 배합하였다. 부틸고무는 JSR Corporation의 JSR butyl 268을 사용하였다. 보강제로는 코리아 카본블랙㈜의 furnace black 계의 HAF(N330)과 FEF(N550), cancarb의 thermal black 계의 thermax N990을 사용하였다.
성능/효과
- Figure 8은 N330 카본블랙의 첨가량에 따른 부틸 고무 배합물의 bound rubber fraction을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 65 phr까지 카본블랙의 함량이 증가함에 따라 bound rubber fraction이 선형적으로 증가하였고 첨가량이 65 phr 이상에서는 증가폭이 작아지는 것을 확인 할 수 있었다. 카본블랙의 함량이 증가하면 소련과정 중 화학적으로 결합하거나 물리적으로 연결되는 bound rubber fraction이 증가하다가 포화점에 도달하게 되면 고무와 카본블랙의 결합, 카본블랙과 카본블랙의 결합이 동시에 존재할 것으로 판단된다.
- 인장강도 또한 bound rubber 함량이 증가하면서 보강효과가 상승되어 선형적으로 증가하였지만 65 phr이상 첨가되면 카본블랙-카본블랙 접촉이 고무-카본블랙 간의 접촉보다 더 많아져 기계적 물성이 오히려 저하되는 것을 확인하였다. Bound rubber가 증가하여 고무 배합물에 진동이 가해질 경우 카본블랙이 형성하는 그물 구조의 사슬내에서 마찰이 일어나 진동에너지가 적어지고 탄성거동 영역이 좁아져 반발탄성이 감소하고 충격흡수 능력이 향상되는 것을 확인하였다. 따라서 N330 카본블랙 65 phr을 첨가한 부틸 고무 배합물이 최적의 물성과 방진 특성을 갖는 것으로 판단된다.
- 일반적으로 방진고무의 요구 특성을 보완하기 위해 damping factor를 조절하여 방진 성능을 개선할 수 있다. N330 카본블랙을 첨가한 고무배합물의 damping factor가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. Bound rubber 함량이 높은 배합물은 일정한 주기의 변형을 받을 때 고무와 카본블랙의 마찰에 의해서 진동이 감쇄되어 damping factor가 증가하는 것으로 판단된다.
- 이것은 bound rubber 함량의 측정 결과에서 알 수 있듯이 N330의 카본블랙을 사용했을 경우 고무와 카본블랙의 상호작용이 증가하기 때문에 높은 torque 값을 나타내었고 Figures 5와 6에서 나타낸 바와 같이 인장강도, 인열강도, 경도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 가황속도의 경우에는 요오드 흡수가가 가장 낮은 N990의 카본블랙을 사용했을 때 비교적 느린 것을 확인할 수 있었다.
- 기존의 바닥구조와 달리 부틸 고무 배합물의 조성을 구축하여 제조된 방진고무를 적용하고 소음 차단 효과가 우수하도록 디자인한 진동제어 시스템의 바닥충격음을 측정한 결과 국토교통부에서 공시한 표준바닥인정 기준치(경량충격음 58 dB, 중량충격음 50 dB)보다 우수한 소음 차단 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
- Bound rubber가 증가하여 고무 배합물에 진동이 가해질 경우 카본블랙이 형성하는 그물 구조의 사슬내에서 마찰이 일어나 진동에너지가 적어지고 탄성거동 영역이 좁아져 반발탄성이 감소하고 충격흡수 능력이 향상되는 것을 확인하였다. 따라서 N330 카본블랙 65 phr을 첨가한 부틸 고무 배합물이 최적의 물성과 방진 특성을 갖는 것으로 판단된다.
- 또한, 고무의 비율이 적어짐에 따라 탄성 거동영역이 좁아지기 때문에 반발탄성이 감소하게 되고 진동 감쇄 능력이 향상된다. 또한 65 phr 이상의 카본블랙이 첨가되었을 경우에는 더 이상 반발탄성이 감소하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
- 표면적이 크고 입자크기가 작은 N330 카본블랙이 사용된 배합물이 물리적 흡착이 어렵고 카본블랙 표면의 활성이 낮은 N990이 사용된 배합물보다 bound rubber의 함량이 증가하여 높은 기계적 물성을 나타내며 고무와 카본블랙간의 마찰에 의해 진동이 많이 감쇄되어 높은 damping factor를 나타내는 것을 확인하였다. 또한 N330의 첨가량이 증가함에 따라 bound rubber 함량이 선형적으로 증가하다 65 phr 이상에서는 증가 폭이 작아지는 것을 확인하였다. 인장강도 또한 bound rubber 함량이 증가하면서 보강효과가 상승되어 선형적으로 증가하였지만 65 phr이상 첨가되면 카본블랙-카본블랙 접촉이 고무-카본블랙 간의 접촉보다 더 많아져 기계적 물성이 오히려 저하되는 것을 확인하였다.
- 본 연구를 통해 제조된 방진고무를 적용한 새로운 바닥 진동제어 시스템을 설계하였다. 바닥 진동제어 시스템의 바닥충격음을 측정한 결과 국토교통부에서 공시한 표준바닥구조의 바닥충격음 기준(경량충격음 58 dB, 중량충격음 50 dB)보다 우수한 경량충격음 40 dB, 중량충격음 43 dB를 나타내었다.
- Table 2는 카본블랙의 입자크기에 따른 IIR 고무 컴파운드의 bound rubber fraction을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 요오드 흡수가의 증가에 따라 bound rubber 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Bound rubber의 형성은 소련과정에서 고무 분자가 절단될 때 생성되는 자유라디칼이 활성을 가진 카본블랙의 표면에 화학적으로 결합하거나 물리적으로 연결되는 것으로 알려져 있다.
- 또한 N330의 첨가량이 증가함에 따라 bound rubber 함량이 선형적으로 증가하다 65 phr 이상에서는 증가 폭이 작아지는 것을 확인하였다. 인장강도 또한 bound rubber 함량이 증가하면서 보강효과가 상승되어 선형적으로 증가하였지만 65 phr이상 첨가되면 카본블랙-카본블랙 접촉이 고무-카본블랙 간의 접촉보다 더 많아져 기계적 물성이 오히려 저하되는 것을 확인하였다. Bound rubber가 증가하여 고무 배합물에 진동이 가해질 경우 카본블랙이 형성하는 그물 구조의 사슬내에서 마찰이 일어나 진동에너지가 적어지고 탄성거동 영역이 좁아져 반발탄성이 감소하고 충격흡수 능력이 향상되는 것을 확인하였다.
- 실험동 맨바닥에 바닥 진동제어 시스템을 놓고 그 위에 마감몰탈(50 mm)를 올려놓은 뒤 tapping machine으로 진동을 가하여 측정한 경량충격음 성능레벨을 나타내고 있다. 측정값은 1층 수음실에서 측정한 잔향시간 측정결과로부터 산출된 규준화 바닥충격음 레벨로서, 역 A특성 기준곡선에 의해 산출된 경량 충격음 단일 수치는 40 dB로 측정되었다.
- 본 연구에서, 층간 소음을 차단하기 위하여 플라스틱 구조체, 단열재와 함께 함께 일체화된 패널형 구조의 바닥 시스템에 적용할 수 있는 방진고무 마운트를 개발하였다. 표면적이 크고 입자크기가 작은 N330 카본블랙이 사용된 배합물이 물리적 흡착이 어렵고 카본블랙 표면의 활성이 낮은 N990이 사용된 배합물보다 bound rubber의 함량이 증가하여 높은 기계적 물성을 나타내며 고무와 카본블랙간의 마찰에 의해 진동이 많이 감쇄되어 높은 damping factor를 나타내는 것을 확인하였다. 또한 N330의 첨가량이 증가함에 따라 bound rubber 함량이 선형적으로 증가하다 65 phr 이상에서는 증가 폭이 작아지는 것을 확인하였다.
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