폴리우레탄 발포 과정의 가시화 및 발포체 물성에 미치는 공정변수들의 영향

전민정, 김동학

순천향대학교 화학공학부

Visualization of Polyurethane Foaming Process and Effects of Process Variables on Properties of the Foam

Min-Jung Jun, Dong-Hak Kim

Dept. of Chemical Engineering, Soonchunhyang University

서론

자동차 부품으로 중요한 위치를 차지하는 instrumental panel은 표피재와 함께 금형에서 성형시켜 제조하는 반경질(semi-rigid) 폴리우레탄 폼(polyurethane foam)의 대표적인 적용 제품이다.

Instrumental panel 제조공정인 반경질 폼으로 만들어지는 물성, 특히 경도 면으로는 연질 폼과 경질 폼의 중간적 폼으로 위치하며, 그 완충기능을 살려서 자동차용 내장재를 시작으로 각종의 충격 보호재로서 많은 부품에 이용되고 있다. 반경질 발포 성형품(molded semi-rigid foam)은 일정한 형상의 금형에 원액을 주입하여 금형 형상대로 제품을 성형하는 방식이며, 주로 상형에는 코어(core)재, 하형에는 스킨(skin)재를 부착한 후 원액을 주입하는 방식이고, 주 용도는 인스트루먼트 판넬(instrument panel), 조수석 에어백 커버 (passenger air bag cover), 암레스트(arm rest), 헤드 레스트(head rest), 콘솔박스(console box), 글로브 박스(glove box)등이 해당된다. 반응사출성형(reaction injection molding)은 액상의 두 원료가 밀폐된 금형 내에 주입하여 단 시간 내에 고속 경화시키는 방식으로 주 용도는 범퍼(bumper), 윈도우 인켑슐레이션(window encapsulation), 도어 트림(door trim), 리어 스포일러(rear spoiler), 엔진 커버(engine cover) 등이다.

또한 최근 자동차 내장재의 대형화, 복잡화로 인해 폴리우레탄 폼을 제조하는 성형기술도 보다 까다로운 고도의 기술이 요구되는 실정이다. 인스트루먼트 판넬의 제조공정인 반경질 폼 성형에서 나타나는 대표적인 불량은 void 현상(우레탄 내부의 경화속도가 표면부의 경화속도보다 빠를 경우, 내부의 가스가 아직 액상으로 존재하는 표면부에 모여 자리잡을 경우에 발생하는 불량)으로 이를 해결하기 위해서 지금까지 시행착오를 통한 경험적인 방법으로 대처해 왔다. 이러한 제품에 영향을 주는 요소로는 원료 액의 처방(formulation), 성형기술, 금형 등이다. 특히 금형의 형상은 제품에 따라 다양하므로 새로운 금형에 대한 적절한 성형조건도 역시 경험에 의존하여 양산조건을 설정해왔다. 이는 폴리우레탄 발포 과정에 대한 체계적인 이해가 부족하기 때문이다. 또한 원료 액의 처방에 따라 성형 특성이 매우 달라지는데, 이를 평가하기 위한 장비 및 방법이 없기 때문에 불량에 대한 정확한 원인 규명도 어려운 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 가시화 금형(visual mold)을 제작하고 이를 이용하여 폴리우레탄의 발포과정을 실시간으로 관찰하였다. 즉 자유발포를 관찰할 수 가시화 금형을 제작하여 원료 액에 따른 발포 특성을 평가하고, 각종 공정변수들이 발포과정 및 발포체의 물성에 미치는 영향을 조사하였다.

실험

1. 실험장치의 제작 및 보정

Figure 1은 자유발포용 가시화 실험장치의 개략도이다. 그림에서 알 수 있듯이폴리우레탄 발포과정 중에 발생하는 반응에 의한 온도변화를 thermocouple (k type, -500∼500℃)로 측정하여 interface card를 거쳐 computer로 data acquisition을 한다. 또한 원통형 반응기(내경 90□, 외경 100□, 높이 250□인 원통형 용기)는 투명 재질인 아크릴 수지로 제작되었고, 표면에 눈금을 표시함으로써 발포과정 중에 발생하는 부피 팽창을 측정할 수 있었고, 일정 시간 간격으로 digital camera를 이용하여 촬영함으로써 폼의 시간에 따른 부피 변화를 관찰하였다. 또한 반응기의 온도를 조절할 수 있도록 항온수조(water bath, 160×240□인 원통형 용기, 재질 pyrex)를 이용하여 외부온도를 일정하게 유지시킨 다음 실험하였다.

Thermocouple의 출력 값은 전압(□)으로 나타나므로 이를 interface card와 LabVIEW software를 이용하여 온도(℃)로 환산해야 한다. 이를 위해서는 전압과 온도와의 관계를 구하는 보정곡선(calibration curve)이 필요하다. 우리는 우선 정확한 data를 얻기 위해 온도계를 0℃로 냉각시킨 증류수를 최대온도까지 끓여 온도계를 보정한 후 물을 상온에서부터 끓는점까지 가열하면서 thermocouple과 온도계를 사용하여 온도변화에 따른 전압을 측정한다. 이와 같이하여 얻은 측정치에 최소자승법(least-square method)을 적용하여 기울기(27.561)와 절편(20.005)인 보정곡선을 얻었다. 이 값을 front panel에 해당되는 block diagram에 입력하여 thermocouple로 측정되는 전압을 온도로 환산하게 된다.

2. 발포 실험

폴리올과 이소시아네이트를 무게비로 각각의 비이커에 계량한 다음, 1200rpm으로 10sec 동안 교반기로 혼합한 후 원통형 반응기에 재빨리 주입시켰다. 그와 동시에 program을 start하여 시간에 따른 온도를 측정하였고, 한편 반응이 진행되면서 폴리우레탄 폼이 형성되어 부피가 팽창하는 것을 digital camera로 촬영하여 시간에 따른 부피변화를 측정했다. 단, 얻어진 data를 비교 분석하기 위하여 혼합하기 전 두 액의 합은 언제나 150g로 한다. 폴리우레탄 발포시 생길 수 있는 변수들 중에 이소시아네이트의 비(무게비)를 5 : 2 ∼ 5 : 3으로, 그리고 항온수조의 온도는 293∼328K로 변화시켜가며 실험하였다.

결과 및 고찰

반응들은 매우 빨라서 대체적으로 1∼3분내에서 완전히 종료된다.

우선 이소시아네이트의 비를 달리하여 실험한 결과 이소시아네이트의 비가 높아지면 반응온도가 높아지는 것을 볼 수 있었고, 발포 약 20sec전까지는 온도 변화가 거의 없지만, 그 이후에 급격히 온도가 상승하는 것을 볼 수 있었다. 이것으로 반응이 발열반응이라는 것을 확인할 수 있었다. 발포되는 동안의 온도변화는 293∼363K였다. 이소시아네이트의 비율이 높을수록 높이가 높고, 부피도 커진다는 것을 알 수 있는데, 이것은 이소시아네이트가 많을수록 가지가 많이 생겨 폴리올의 -OH기와 부가반응하면서 더 많은 망상구조를 만들기 때문이다. 또한 이소시아네이트의 비율이 높을수록 -NCO기가 많아지므로 -OH기와 반응하여 폼을 만들어내는 반응속도가 빨라지게 된다. 폼의 강도를 확인하기 위해 발포된 폴리우레탄 폼을 2×2×2(□)로 자른 후 무게를 달아 각각의 비중을 계산하여 Table 1에 나타내었다. 이소시아네이트가 많을수록 비중은 점점 작아지는 것을 알 수 있으며, 이소시아네이트의 양이 많을수록 강도가 크다는 것을 알 수 있다.

폴리올과 이소시아네이트의 비율은 2 : 1로 일정하게 하고, 항온수조의 온도를 293, 310K로 변화시켜 폴리우레탄 폼의 변화를 관찰하였다. 항온수조의 온도변화에 따른 비중을 보면, 온도가 높을수록 부피의 변화가 커지므로 비중은 점점 작아진다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 항온수조는 단열재의 역할을 하는데 온도가 높을수록 외부로 빼앗기는 열이 작아지기 때문이다.

Table 1. 이소시아네이트의 변화에 따른      Table 2. 항온수조의 온도에 따른 폴리우레탄

폴리우레탄 폼의 비중                       폼의 비중

발포비율 (폴리올/이소시아네이트)	비중
5 : 2	0.153
5 : 2.5(2:1)	0.117
5 : 3	0.112

항온수조 온도(℃)	비중
20	0.109
40	0.117

Figure 1. 실험장치 개략도. 1. 반응기, 2. Stirrer, 3. Thermocouple, 4. Interface card(PCL-818HG), 5. Computer, 6. Water Bath, 7. 항온조, 8. Hose.

Figure . 이소시아네이트의 비율만 달리 했을 때 시간에 따른 폴리우레탄 폼의 온도 변화

Figure 3. 시간에 따른 폴리우레탄 폼의 부피 변화

Figure 4. Water Bath의 온도를 달리했을 때 시간에 따른 폴리우레탄 폼의 온도 변화

Figure 5. 폴리우레탄 발포과정을 20초 간격으로 촬영한 그림.

참고문헌

1. 덕양산업주식회사 기술개발연구소, 반경질 폴리우레탄과 성형기술(1994)

2. 폴리우레탄 세계, 신문(1999. 3. 5, 5. 5, 7. 5, 8. 5)

3. Stephen D. Lipshitz and Christopher W. Macosko : Kinetics and Energetics      of a Fast Polyurethane Cure, JOURNAL OF APPLIED POLYMER                SCIENCE, 21, 2029(1977).

4. S. A. Baser and D. V. Khakhar : Moldeling of the Dynamics of Water and        R-11 Blown Polyurethane Foam Formation, POLYMER ENGINEERING AND       SCIENCE, 34, 642(1994).

5. http://www.kcmi.co.kr

6. http://www.kosnet.or.kr