디퓨져형 소음기용 무기계 포움의 제조 및 특성 평가

정용현, 김 헌, 윤옥남*, 최현*, 김두훈*

명지대학교 세라믹 화학공학부, 유니슨 기술연구소*

Preparation and Characterzation of Inroganic Open-cell Foams for Diffuser-Type Sound Absorber

Yong-Hyun Jeong, Hern Kim, Ok-Nam Yoon*, Hyun Choi*, Doo-Hoon Kim*

Div. of Ceramic and Chem. Eng., Myong Ji Univ., Unison Industrial Co.*

1. 서론

균일한 셀형태 구조의 기공을 지닌 다공성 포움(foam)형 소재는 고체소재와는 다른 다양한 물질의 특성으로 인하여 매우 특별하면서도 다양한 용도로 사용될 수 있다[1]. 특히 세라믹 또는 금속 재료로 제조를 사용할 경우는 경량이면서도 고온, 고압 등 매우 혹독한 조건에서도 사용이 가능한 특징을 지닌다.  무기계 포움의 가장 대표적인 제조 방법은 발포법[2]과 고분자 스폰지법이다. 이들중 고분자 스폰지법은 cell 막이 없는 연질의 고분자 스폰지 골격구조를 preform으로 하여 무기분말을 피복 소성한 것으로 균일한 연속기공의 3차원 망상 골격구조를 갖는 포움이다[3]. 이 방법은 개포형 포움 제조의 가장 보편적인 방법으로 볼 수 있다. 다공질 소재는 크게 폐포형 구조로 이루어진 것과 개포형 구조로 이루어진 것으로 구분할 수 있다. 다공질 흡음재 내에서 소음 저감 원리는 소리에너지가 기계적 에너지인 열에너지로 소비되어 소음을 저감시키는 것으로 알려져 있다. 흡음형 소음기의 내면에 다공재(glass wool, rock wool)를 충진시켜 음이 관내를 통과할 때 음에너지가 흡수되어 감쇠된다. 다공질 또한 다공질 흡음재료의 흡음특성을 결정짓는 주요인자는 다공체의 밀도(연성, 탄성), 두께, 기공률, 구조계수 등으로 알려져 있다[4]. 이러한 다공질 흡음재를 이용한 소음기는 가스터빈의 흡·배기, 송풍기 흡기, 고압증기의 대기 배출용 등 기류의 와류와 맥동에 의해 발생되는 소음원에 대해 일반적으로 사용된다.

디퓨져형 소음기는 대기중에 방출되는 고온·고압의 가스에 견디며 소음 저감 성능을 발휘해야 한다. 무기계 포움은 방출가스를 배관에 적은 압력을 주면서 배기할수 있는 개포형 구조를 가지며, 고온·고압 환경 하에서 안정적인 소음 저감 성능을 발휘할 수 있는 구조와 성능을 지녔다[5]. 따라서 무기계 포움을 제조하는 많은 방법 중에서 기공범위가 적절하고 개포형 구조를 가지며 고온·고압에서도 견딜 수 있도록 하기위하여 세라믹 및 금속을 사용하였으며 고분자/스폰지법을 선택하여 본 연구를 수행하였다. 본 연구의 목적은 고분자 스폰지법을 이용하여 무기계 포움을 제조할 경우 무기분말, 결합제 및 첨가제로 구성된 계에서 슬러리 특성과 원료 특성을 조사하고, 이것이 제조 공정과 무기계 포움의 최종 물성에 미치는 영향을 고찰한 후에 고분자 스폰지법에 의해 제조된 무기계 포움이 디퓨져형 소음기에 적용되었을 때 영향을 평가해보고자 함이다.

2. 연구방법

2.1. 사용원료[6]

무기계 포움을 제조하기 위한 무기계 분말체로서 구리분말체 (Duksan, 순도 : 99.95%, 1급시약)를 선택하여 사용하였다. 원료의 사용시에는 구매된 분말체를  270mesh 크기를 갖는 체를 사용하여 체분 후에 사용하였다. 유기결합제는 일반적으로 널리 알려져 있고 수용성이며 점도 1.3Pa·s(20℃)를 갖는 polyvinyl alcohol(한국 산노프코사, HS-BD25)을 사용하였다. 용매 및 점도 조절제로 공업용 ethyl alcohol(Samchun Chemical, 95%)을 사용하였다. 고분자 스폰지는 각각 10, 15, 20, 30, 45PPI(pore per inch) 기공크기를 갖는 polyurethane (Foamex International Inc.) 스폰지를 직경 5□ 높이 12□ 크기로 재단한 preform을 만들어 사용하였다.

2.2. 포움의 제조공정[6]

무기계 분말체와 각종 첨가제로 잘 혼합한 슬러리에 선택한 기공크기를 갖는 고분자 스폰지 포움을 함침시킨 후에 원래의 스폰지 두께의 70∼80%까지 압착하여 과잉으로 들어간 슬러리를 제거한다. 원하는 밀도와 막힌 기공이 거의 없을 때까지 과잉 슬러리 제거 공정은 반복한다. 압착공정에서 과잉슬러리가 제거된 후 스폰지 하부에 철망을 설치하여 스폰지의 흡수력에 의해 슬러리가 재흡수되는 것을 방지하였다. 무기계 분말체를 스폰지에 고착시키고 급속건조에 의한 무기계 포움 body에 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해 60℃에서 3시간 이상을 건조시켰다. 열처리 공정은 200℃에서 1시간, 300℃에서 1시간을 거친 후 500℃에서 2시간을 처리한 후에 900℃에서 24시간동안 열처리하여 무기계 포움을 제조하였다.

2.3. 소음성능 시험 방법

제조 또는 구입된 개포형 무기계 포움의 흡음성 시험을 위하여 설비를 제작 설치하였다. 오리피스 전·후단에서의 압력을 측정하기 위하여 압력계를 설치하였고, 파이프 끝단에 다공재 시험편을 설치한 후 오리피스 전단의 압력별로 배압 및 삽입손실이 측정되었다. 기류는 컴프레서를 10Kgf/cm2까지 압축시킨 후 밸브를 전개하여 파이프를 통과하도록 하였으며, 음원으로 이용하기 위해 구멍 지름이 5□ 이고 구멍수가 4개인 오리피스를 설치하였다. 컴프레서에서 압축된 공기를 파이프로 통과시키면서 오리피스에서 발생되는 음압레벨을 측정하였다. 주파수 분석기(Larson Davis 2900)를 이용하여 1/3옥타브밴드 중심 주파수별로 파이프 끝단에서 각각 1m 이격된 거리의 45o 에서 측정을 수행하였다. 삽입손실의 계산은 측정된 위치에서 다공재 시험편 유·무에 따른 음압레벨의 차이로 구하였다. 그리고, 배압은 오리피스 후단의 압력계를 이용하여 측정하였다.

3. 연구결과 및 토의

3.1. 입도분포가 슬러리 특성에 미치는 영향

체눈(270 mesh)을 이용한 선별작업을 거치지 않은 Cu 분말체의 평균입도를 측정한 결과 약32□였으며 270mesh를 통과한 분말체의 평균입도는 약 20□였다. 분말체의 입도분포에 따른 슬러리성의 차이를 살펴보기 위하여 270mesh로 체분하지 않은 분말체와 체분한 분말체 두가지 Cu분말에 에탄올 1.58%를 첨가하여 슬러리를 제조한 결과를 점성거동으로서 그림 1에 나타내었다.

3.2. PVA 결합제와 고분자 포움의 열분해 거동이 제조공정에 미치는 영향

결합제로 쓰이는 PVA는 300∼600℃ 범위에서 열분해시키는 것으로 알려져 있으나 본 실험결과에 의하면 이보다 낮은 220∼320℃ 온도구간에서 가장 급격한 열분해 반응을 일으켜서 이 온도구간에서 승온속도가 높을 경우 포움 body 구조체의 붕괴현상을 초래하므로 승온속도를 5℃/min 이하를 유지해야 함을 알았다.

3.3. Ethanol 함량이 점도와 공정 및 포움의 물성에 미치는 영향

Cu분말, PVA 바인더와 에탄올로 조성된 3성분계에서 에탄올의 함량이 증가될 때 감소하는 점도값의 변이는 작아지는 것을 그림 2에서 확인할 수 있었으며 슬러리의 점도가 높을수록  무기계 포움의 강도는 증가하나(그림 3) 과잉 슬러리의 제거공정이 용이하지 못하여 균일한 기공구조를 얻기가 어렵다. 슬러리의 점도가 낮아질수록 강도는 떨어지나 전반적인 포움 제조공정이 용이한 결과를 나타내었으며 본연구 결과 에탄올 함량은 2%이내임을 알수 있었다. 다공도는 점도가 높고 preform의 기공크기가 클수록 큰 값을 나타내었으며(그림 4) 84%∼92%까지 다양하게 제조할 수 있었다.

3.4. 소음성능 시험결과

3.4.1 포움의 기공크기에 따른 음압레벨의 비교

무기계 포움의 장착하였을때 빈관일 때와 10PPI 및 20PPI 시험편을 장착했을 경우에 대한 음압레벨 비교를 그림 5에 나타내었다. 10PPI의 시험편인 경우 빈관에 비해 약 10dB(A) 이상의 감음성능을 보이고 있으며, 20PPI의 시험편은 10PPI의 시험편에 비해 약 2∼3dB(A)의 감음성능을 보이고 있다. 그리고, 전반적으로 압력이 증가함에 따라 감음성능도 증가하며 고주파 영역에서 감응성능이 우수하였다.

3.4.2 시험편의 개수에 따른 삽입손실의 비교

그림 6은 오리피스 상부압력에 대한 삽입손실의 변화를 구한 것으로 10PPI의 다공재를 1∼3개로 변화시켜 가며 구한 것이다. 시험편의 개수가 증가할수록 그리고 오리피스 상부 압력이 증가할수록 감음성능이 증가하고 있다.

3.4.3 시험편에 따른 배압의 변화

다공재의 두께, 기공크기 변화에 따른 배압을 측정하였다. 10PPI의 시험편의 개수가 증가할수록 그리고 오리피스 상부압력이 증가할수록 배압은 증가하였지만, 시험편의 개수 증가에 따른 배압의 상승 정도는 점차 감소하였다. 그리고, 10PPI의 시험편 1개에 대한 배압은 20PPI 시험편 1개의 배압보다는 낮고, 또한 10PPI 시험편을 2개로 설치해도 높은 압력에서는 20PPI의 시험편에서 발생하는 배압보다 작음을 알 수 있다.

4. 결론

고분자 스폰지법으로 포움 제조시 가장 적합한 슬러리의 원료조성, 물성, preform (polyurethane-10, 20, 30PPI) 특성에 따른 공정조건, 건조 및 소결조건을 결정하였으며 음향 성능 평가에서는 PPI가 증가할수록 또한, 오리피스 상부압력이 증가할수록 음향성능이 향상되지만 배압 또한 증가되었다. 그리고 두께를 증가시키는 경우 감응성능은 약 3dB 정도 향상 되었다.

참고문헌

1. G. J. Davies and  S. Zhen, J. of Mater. Sci., 18, 1899 (1983).

2. J. P. Drolet, Int. J. Powder Met. Powder Tech., 13, 222 (1977).

3. K. Schwartzwalder and A. V. Somers, U.S. Pat., No. 3,090,094 (1963).

4. 차일환, 옥정권, 소음진동공학, 문운당, pp. 113∼128, 서울 (1994).

5. T. J. Lu, Audrey Hess and M. F. Ashby, J. of Appl. Phys., 85(11), 7528 (1999).

6. 정용현, □고분자-스폰지법에 의한 다공성 세라믹 포움제조시 슬러리 특성 제       어□, 명지대학교 석사학위논문 (1998).

그림 1. 입도분포에 따른 슬러리 점도    그림 2. 에탄올의 함량변화에 대한              변화                                     점도의 변화추이

그림 3. 슬러리의 점도가 변할 때 최종      그림 4. 무기계 포움의 평균 기공크

포움의강도                               기 변화에 따른 강도

그림 5. 무기계 포움의 기공크기에 따른     그림 6. 무기계 포움의 개수에 따른

음압레벨의 변화(6Kgf/cm2)                삽입손실의 변화(6Kgf/cm2)