보고서 정보
주관연구기관 |
덕양산업(주) |
연구책임자 |
이동기
|
참여연구자 |
이성구
,
우민서
,
임광희
,
정승준
,
하진욱
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2019-08 |
과제시작연도 |
2018 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
과제관리전문기관 |
한국산업기술평가관리원 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology |
등록번호 |
TRKO202200006354 |
과제고유번호 |
1415158760 |
사업명 |
바이오산업핵심기술개발(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-08-13
|
키워드 |
폴리우레탄.시트.크래쉬패드.대쉬아이소패드.바이오.폼.흡차음.휘발성 유기화합물.
|
초록
▼
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
- 그린카본 25% 이상 바이오폴리우레탄 물성 및 바이오 함량 향상 연구
- 그린카본 25% 이상 바이오폴리우레탄 최적 배합 시스템 개 발
- 그린카본 25% 이상 바이오폴리우레탄 적용 자동차 내장부품 개발
- 석유 유래 소재와 동등이상의 물성을 가진 바이오폴리우레탄 생산기술개발
□ 개발내용 및 결과
■ 피유시스
- 바이오 폴리올과 바이오 이소시아네이트를 이용한 바이오 폴리우레탄 폼을 위한 배합공정 시스템 3종(바이오 시트, 바이오 C/Pad, 바이오
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
- 그린카본 25% 이상 바이오폴리우레탄 물성 및 바이오 함량 향상 연구
- 그린카본 25% 이상 바이오폴리우레탄 최적 배합 시스템 개 발
- 그린카본 25% 이상 바이오폴리우레탄 적용 자동차 내장부품 개발
- 석유 유래 소재와 동등이상의 물성을 가진 바이오폴리우레탄 생산기술개발
□ 개발내용 및 결과
■ 피유시스
- 바이오 폴리올과 바이오 이소시아네이트를 이용한 바이오 폴리우레탄 폼을 위한 배합공정 시스템 3종(바이오 시트, 바이오 C/Pad, 바이오 흡음재) 개발 완료
- 바이오 폴리우레탄 폼의 시편 물성 확보 완료(정량목표)
■ 대구대학교
- MCC표면에 아미노기 도입 및 바이오폴리우레탄 복합체 제조
- Bio-PU 매트릭스에 대한 MCC의 균일한 분산과 보강재와 고분자 매트릭스의 계면에서의 화학결합을 생성하기 위해 MCC 표면의 –OH기를 TPDT와 반응시켜 아미노기를 도입하는 연구를 진행하였음. 이를 통해 MCC 표면의 극성이 감소되어 바이오 폴리올에 대한 상용성을 높일 수 있었음. 또한, 아미노기를 도입하였기 때문에, 우레탄 결합뿐만 아니라 이소시아네이트의 –NCO기와 우레아 화학결합도 형성 가능하였음.
- EA 원소 분석 결과, MCC-TPDT의 C의 함량은 44.50%, N의 함량은 2.98%로 MCC에 -NH2기가 도입됨을 확인하였음. 이를 개질도로 환산하면 2.13 mmol/g로서 4차 년도 개질도 목표인 0.15 mmol/g을 초과 달성하였음.
- 4차 년도에는 실란 커플링제 TPDT를 사용하여 MCC 표면에 아미노기를 도입하는 공정과 개질된 MCC의 첨가가 바이오폴리올을 사용하여 합성하는 Bio-PU에 미치는 영향을 연구하였음. 바이오 폴리올은 MCNS에서 제공받은 B-2466을 20 wt%로 PTHF와 혼합한 폴리올과 4,4-MDI를 반응하여 prepolymer를 합성한 후, MCC와 MCC-TPDT를 충전제로 각각 5 wt%를 투입하여 Bio-PU 복합체를 제조하는 연구를 수행하였음. 바이오폴리올 B-2466과 석유계 폴리올의 pre-mixing 시간을 증가하여 찢김이 없고 갈라지지 않는 Bio-PU 복합체 필름을 제조할 수 있었음. UTM, TGA 및 SEM과 같은 장비로 MCC-TPDT가 Bio-PU내에서의 분산상태 및 기계적, 열적 물성에 미치는 영향과 계면에서의 결합상태를 확인하였음.
- UTM 측정 결과, 충전제를 사용하지 않은 Bio-PU보다 MCC와 MCC-TPDT를 충전제로 사용하였을 때 인장 강도와 탄성률은 증가하고 연신율은 감소하는 것을 확인하였음. 또한, MCC-TPDT를 충전제로 사용한 Bio-PU 복합체의 인장강도, 연신율 및 탄성률이 순수 MCC를 충전제로 사용한 Bio-PU 복합체보다 증가됨을 확인하였음. 이를 통해 MCC-TPDT의 보강 효과가 가장 큰 것을 확인 할 수 있었음.
- TGA 측정 결과, 바이오폴리올 B-2466을 사용하여 제조한 Bio-PU 복합체들의 분해는 순수 PU 중합체와 유사하게 2단계로 진행되며 최대 분해속도를 나타내는 DTG 온도 또한 두군데서 측정됨을 알 수 있었음. 순수 Bio-PU 중합체와 충전제를 사용하여 제조한 Bio-PU 복합체의 열분해 시작온도는 동일하게 측정되었으며 MCC-TPDT를 충전제로 사용한 Bio-PU 복합체의 DTG 온도는 순수 Bio-PU와 MCC를 충전제로 사용한 PU 복합체보다 증가하였음을 확인하였음. 분석이 종료한 뒤 800 ℃에서 나타난 잔류량 또한, MCC-TPDT를 충전제로 사용한 Bio-PU 복합체가 가장 큰 것을 확인하였음.
- SEM 측정 결과, 순수 MCC를 충전제로 사용한 Bio-PU의 파단면에서 많은 공극이 발생하였음을 확인하였음. 그러나 MCC-TPDT를 충전제로 사용한 Bio-PU 파단면에서는 MCC-TPDT의 아미노기와 MDI의 -NCO기가 강한 우레아 결합을 생성하여 공극이 거의 발생되지 않은 것을 알 수 있었음. 이를 통해, MCC-TPDT를 충전제로 사용하였을 때 계면 결합이 크게 향상되었음을 확인 할 수 있었음.
- 바이오 PU에 최적화된 MCC 개질법을 활용하여 대량 MCC 개질법
- 대량의 MCC를 실란 커플링제 TPDT를 사용하여 표면 개질 공정을 진행 한 후 FT-IR을 사용하여 개질 상태를 확인하였음. 순수 MCC 스펙트럼에서는 관찰되지 않던 1569 cm-1에서의 N-H 피크가 MCC-TPDT 스펙트럼에서는 관찰할 수 있었음. 이를 통하여 기존 MCC 표면 개질 공정보다 단순화한 대량 생산 공정을 통하여 MCC 표면에 아미노기가 도입된 것을 확인하였음.
- 바이오 폴리올과 바이오 이소시아네이트를 사용하여 바이오폴리우레탄(Bio-PU) 복합체 제조
- 제 1세부와 2세부에서 제공받은 바이오 폴리올과 바이오 이소시아네이트를 사용하여 합성하는 Bio-PU에 미치는 영향을 연구하였음. 바이오 폴리올은 MCNS에서 제공받은 B-2466을 20 wt%로 PTHF와 혼합한 폴리올과 삼양사에서 제공받은 SYT-CT 218과 합성하여 Bio-PU를 제조하였음. 그러나 tacky가 너무 심해 원형의 필름 모양을 제조하기에 힘든 점이 많았음.
- MCC와 NCC를 충전제로 사용하여 바이오폴리우레탄 복합체 제조
- 바이오폴리올 B-2466의 함량을 20 wt%로 고정하고 MCC와 NCC 5 wt%를 각각 충전제로 사용하여 Bio-PU 복합체를 제조한 후 UTM을 사용하여 기계적 물성을 비교하였음. MCC를 충전제로 사용하여 제조한 Bio-PU 복합체보다 NCC를 충전제로 사용하여 제조한 Bio-PU 복합체의 인장강도, 연신율 및 탄성률이 약간씩 높지만 큰 차이는 없는 것을 알 수 있었음.
- 외부 MCC를 부가한 바이오매스 액화 폴리올을 성분으로 한 리그노셀루로식 PU 폼 제조
- PU 폼 제조의 Central composite design(CCD)에 의한 실험계획
- PU 폼 제조를 위한 central composite design(CCD)에 의한 실험계획을 아래와 같이 수립하였고 독립변수는 부가된 외부 MCC 양, Polyol 대 PEG 비 및 물(D.W.)의 양으로 선정하고, CCD 실험계획에 따라서 PU 폼을 제조함 [단 NCO Index = 1.0; Polyol(폴리올)은 lignocellulosic polyol로서 lignocellulosic 액화실험의 최적조건(액화조건 Run 2(액화온도, 165℃, solvent/biomass ratio(3:1), sulfuric acid 1%))으로 실험실에서 제조함]
- CCD 실험계획에 의해 제조된 PU 폼의 종속변수의 측정
- PU 폼 제조에서 밀도, Cream time, Rise time, 압축강도를 종속변수로서 CCD에 따른 실험조건에서 측정함
- PU 폼의 종속변수에 대한 response surface methodology(RSM)에 의한 상관관계 분석
- 각 종속변수의 세 개의 독립변수(외부 MCC 양, 폴리올 대 PEG의 비 및 물의 양)에 대한 상관관계의 회귀분석을 통계적으로 수행함
- Avicel-MCC를 추가한 폴리우레탄 폼의 최대 cream time을 위한 본 연구의 공정조건은 MCC의 양이 0.085g, 폴리올과 PEG의 비가 3:2로 도출되었음. p<0.05를 유의하다고 가정하였을 때에, cream time은 Polyol 대 PEG 비에 선형으로 매우 유의한 상관관계를 나타내어서 Polyol 대 PEG 비가 증가 할수록 커졌음. 또한 Polyol 대 PEG 비와 D.W의 곱에 매우 유의한 상관관계를 보였음.
- Avicel-MCC를 추가한 폴리우레탄 폼의 rise time은 폴리올대 PEG 비 및 distilled water의 선형관계에서 상당히 유의한 관계를 보여서, rise time은 Polyol의 비율이 증가함에 따라 점차적으로 증가하는 형태를 보였음. 또한, 그림 10(b) 및 10(c)와 같이 distilled water의 양이 증가할수록 rise time이 증가하는 것을 보였음. 이에 따라서 폴리올 대 PEG의 비율이 3:2이고 distilled water의 양이 0.4 g일 때가 최적 조건으로 도출되었음.
- Avicel-MCC를 추가한 폴리우레탄 폼의 밀도는 세 가지 공정변수 각각에 대하여 유의도가 낮은 상관관계를 보였음
- 압축강도는 폴리올과 PEG의 비율 및 distilled water에 대하여 선형적으로 유의한 상관관계를 보였다. 모델 예측된 압축 강도는 폴리올과 PEG의 비율이 증가할수록 선형적으로 점차 증가하는 값을 보였음. 이에 따라 반응표면분석의 결과로, 최대의 압축강도를 위한 공정조건은 3:2의 폴리올과 PEG의 비율로 도출되었음.
- 따라서 셀이 발달한 바이오 PU 폼 제조를 위한 적정조건은, MCC의 양이 0.085g, 폴리올과 PEG의 비가 3:2, distilled water의 양이 0.4 g 근처로 도출되었고 Run 9 조건에 근접함.
- CCD 실험계획에 의해 제조된 PU 폼의 특성분석
- SEM 분석결과로서, 3차년도에서 액화 폴리올을 사용하여 PU 폼을 제조한 경우와 같이, 4차년도에 외부 MCC를 추가한 경우에도 Run 1과 9의 경우에 셀 상태가 가장 완전히 발달하였음이 관찰되었음 (3차년도에서 액화 폴리올을 사용하여 PU 폼을 제조한 경우보다, 4차년도에 외부 MCC를 추가한 경우에 전반적으로 셀 상태가 더 발달하고 양호함이 관찰되었음).
- FTIR 분석 결과로서, PU의 PU 폼 시편(Run 1~17)의 C=0 신축진동 피크는 거의 모두 수소결합 상태인 1708 cm-1에서 피크가 존재하였고, 1730 cm-1에서의 피크는 매우 약하거나 존재하지 않았음이 관찰되었음. 따라서 Avicel-MCC를 추가하여 제조한 PU 폼 시편(Run 1~17)의 hard segment는 거의 모두 상 분리가 되어서 hard domain에 존재하였음.
■ 현대공업
- 시트 pad 발포제품의 인서트물 일체 발포 시 원료와 트러블 기공, 콜렙스 안정화를 위한 배합 가능 범위 확인
- 시트 폼의 실성형을 위해 바이오 함량 25% PU 시스템에 대한 경도 범위를 파악하고 두께 별 물성 DB 구축을 통해 적용성을 확보
- 시트 쿠션 및 백레스트의 부위별 두께 차이 및 필요 경도의 차이를 고려한 성형성 확보를 위한 DB 확보
- 바이오 25% PU 시스템 적용 실형 금형 적용 성형 조건 확보
■ 덕양산업
- C/PAD 발포 성형 불량 최소화를 위한 공정 변수별 최적화 및 양산성 확보 평가 완료( 믹싱 상태 최적화 및 양산 관리 기준 설정 완료)
- 양산 발포기 활용 최적화 공정 변수 기준 C/PAD 성형성 평가 실시(기포성 보이드 개선 성형성 최적화 및 양산성 확보)
- 성형성 기존 대비 유사 수준으로 양산 가능 수준 성형성 확보 확인
- 발포 밀도 및 실링 조건 개선 액량 절감 5~7% 가능 및 원가절감 실적 확보
- PAB 도어부위 살 추가 및 발포 금형 맞춤 작업 실시 후 제품 개선
- 발포 두께 얇음 두께 최소 7mm 확보 / PAB 상단부 굴곡 형상 제거/HOT KNIFE 패턴부 부분별 두께 증대
- 크래쉬패드 모듈 조립시의 매칭부 GAP 발생 현상 확인 및 개선
- 크래쉬패드+가니쉬 RH 매칭부 GAP 발생 발포금형 살 키움 수정
- TOP 커버와 크래쉬패드 매칭부 GAP 발생 발포 금형 하형 TOP 커버 0.5~1.0mm 금형 사상
- 바이오 PU FOAM적용시 에어백 전개라인 영향도 분석 및 대응 방안 수립
- 잔류 두께 최적화를 통한 Scoring Pattern의 Safety Margin 증가 시킴
- Scoring 라인 일부 구간에 C/PAD 스킨 부의 도어 절개가용 이해 지도록 Groove 성형
- 성형성 기존 대비 유사 수준으로 양산 가능 수준 으로 기술적 확정 가능성 확보
- 발포 밀도 및 실링 조건 개선 액량 절감 10% 가능 및 원가 절감 가능성 확인
- 개발 금형 및 고압 발포기 활용 연속 생산(20대) 평가 실시
- 성형성 기존 대비 유사 수준으로 양산 가능 수준 성형성 확보 확인
- 발포 조건 양산 관리 준수 및 실링 조건 개선 액량 절감 12%(1,200g ⇒1,050g) 가능 및 원가절감 실적 확보)
■ 자동차부품연구원
- 바이오 함량 25%의 초기 샘플(Bio-#1, #2, #3)의 경우 기준점이 되는 석유계 소재 보다 현저히 낮은 정특성을 보였으나 Bio-#4, #5 샘플로 갈수록 정특성 물성이 석유계와 가까워짐을 확인함
- 바이오 폴리올 소재 개선과 성형 조건 변경 등의 과정을 통해 개발 시트 쿠션의 물성이 개선된 것으로 확인함
- 80℃ 조건하 3주, 6주 내구 정특성 비교 준석 결과 바이오 함량 25% 개발 샘플의 경우 내구 노화에 따른 정특성 값의 변동이 큰 것으로 확인됨
- 최종 개발 샘플인 Bio-#5의 경우 석유계 샘플과 유사한 내 구노화 안정성을 가지는 것으로 확인됨
- 각 샘플의 전특성 실험 결과를 토대로 히스테리시스 손실율을 분석 한 결과, 석유계와 바이오 개발 샘플 #5가 비슷하면서 낮은 수치를 보였고 그 외의 바이오 개발 샘플은 수치가 높으며, 내구노화가 진행되면서 그 값의 변동 폭이 큰 것으로 확인됨
- 동특성 측정 결과, 개발 바이오 폼 소재(#1~4)의 경우 진동 주파수 변화에 따라 수치의 변화가 매우 크게 나타났으며, 진폭에 의한 변화량도 존재하는 것으로 확인됨
- 동특성 고온 환경 내구 시험 분석 결과, 타 물성이 떨어지는 개발 바이오 소재 #1~3은 내구 노화에 의한 물성변화가 큰 것으로 확인되었으며, 동특성 값이 석유계와 유사했던 #4의 경우도 내구 노화에 의한 물성변화가 큰 것으로 확인됨
- 시트 쿠션용 폴리우레탄 폼의 Closed cell 분석을 통한 공동벽 면적비 분석 결과, Bio-#5 샘플이 석유계와 유사한 결과를 얻었으며, 나머지 개발 시편의 경우 공동벽 면적비가 낮으며, 이는 탄성률이 낮고 이력손실이 높아 처짐 현상 및 낮은 복원력 등 시트 쿠션으로써의 물성이 낮은 것으로 확인됨
■ 현대자동차
- 넥소차량(양산 18년 초) 바이오 슬라브폼 11% 적용 완료(시트백 TOPPER, 3차년도)
- MS 규격 적합성 평가 (MS257-06)
- 유관부서 및 1차 협력사 협의 완료
- 당사 친환경차 세계 최고 수준 바이오 함유량 목표 내장부품 개발 지시
- (본부장님 지시사항) : 시스시스템 설계팀 관련 내용 공유 및 적용 협의 완료
- 1차 협력사(리어)내용 공유 및 적용 협의 완료
- 도면내 함량 표기(11%, 바이오우레탄 폼 기준) 및 적용 완료
□ 기술개발 배경
<국제 환경 규제>
- 협약/규제명 : 기후변화 협약(교토의정서)
- 발효 : 2005.02.16
- 내용 : 화석연료 사용으로 인한 국가별 온실기체 배출 감축목표 설정
- 협약/규제명 : REACH
- 발효 : 2007.06
- 내용 : 2008년 이후 EU에서 제조 수입되는 화학제품에 포함된 모든 화학물질에 대한 등록의무화
- 협약/규제명 : 발리로드맵
- 발효 : 2007.12
- 내용 : POST 2012: 모든 선진국과 개도국이 온실가스 감축과 기후변화 적응기술 이전의 협상에 동참
<자동차 바이오 소재의 필요성>
▶ 석유화학 베이스 소재의 이산화탄소 발생량 과다
: 바이오 고분자의 경우는 석유기반의 고분자에 비해 이산화탄소 발생량 50% 이하
▶ 현대/기아자동차는 바이오 소재 적용을 확대하여 환경 규제 대응 및 마케팅 연계 방안으로 활용할 계획
: 2020년까지 현대/기아 자동차에서는 내외장 부품의 바이오 소재 확대 적용 예정
▶ 원유가격 상승에 따른 바이오 소재의 시장경쟁력 향상
: 배럴당 $65 이상인 경우 바이오 소재의 경잴력 발생
< LG Business Insight 2010 >
<자동차 바이오 소재의 적용 가능 부품 현황>
□ 핵심개발 기술의 의의
- 국제적 환경 및 무역규제에 대한 대응이 필요하며 연비 감소를 위한 경량화등 자동차 부품 내장재를 그린카본 유래 플라스틱으로 전환하기 위한 기술개발 완성
- 바이오플라스틱산업은 기존의 석유화학산업의 여러 가지 한계를 보완하고 환경문제로 가로막힌 화학산업의 재도약을 위한 모멘텀 구축
- 앞으로 바이오플라스틱의 수요를 더욱 증대시키고 관련 기술력을 확보할 수 있는 다각화된 준비가 더욱 필요
□ 적용 분야
- 크래쉬패드, 흡차음재, 시트 등 자동차 내장부품
(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 7p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 21
- 목차 ... 32
- 제 1 장 서론 ... 33
- 제 1 절 과제의 개요 ... 33
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 53
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 53
- 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 64
- 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 109
- 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 110
- 제 3 장 결과 ... 111
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 111
- - 연구개발 추진 일정 ... 111
- - 연구개발 추진실적 ... 115
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 458
- - 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 458
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 460
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 461
- 제 4 장 사업화 계획 ... 467
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 467
- 제 2 절 사업화 계획 ... 473
- - 사업화 소요기간, 예상 매출 규모, 시장 점유율, 마케팅 계획 등을 기재 ... 473
- - 사업화 전략 ... 475
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 479
- 부 록 : 시험성적서, 도면, 설계도 등 ... 480
- 끝페이지 ... 521
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