KR100963704B1 - 방음용 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ABS수지 및 카본블랙을 용매에 용해시켜 혼합물을 제조하는 공정; 및 상기 혼합물로부터 용매를 증발시키는 공정을 포함하여 이루어진 방음용 복합재료 제조방법, 및 그 방법에 의해 제조된 방음용 복합재료에 관한 것으로서,

본 발명에 따르면 ABS수지에 카본블랙을 분산시켜 복합재료를 제조하기 때문에 강성특성 및 방음특성이 우수한 복합재료를 얻을 수 있다.

방음, 복합재료, 카본블랙

Description

방음용 복합재료 및 그 제조방법{Soundproofing composite and method of manufacturing the same}

본 발명은 방음용 재료에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 방음용 복합재료에 관한 것이다.

현대 사회에서 소음은 전자파와 더불어 기술발전에 따른 산업공해의 하나로 인식되고 있다. 소음은 다양한 원인에 의해서 발생 되며 이와 같은 소음을 제거하기 위한 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

소음의 제거는 소음원의 주파수에 따라 높은 흡수효율과 차폐효율을 통해서 달성할 수 있는데, 이와 같은 높은 흡수효율과 차폐효율을 얻기 위해서, 구조적인 측면에 대한 연구와 재료적인 측면에 대한 연구가 이루어지고 있다. 소음의 제거를 위한 재료적인 측면에 대한 연구 결과로서, 다공성 재료, 섬유 재료, 복합재료 등이 있다.

또한, 소음의 제거를 위해 사용되는 재료의 요건으로서, 높은 흡수효율과 차폐효율과 같은 방음효율과 더불어, 강성과 같은 기계적 특성, 대량생산을 위한 생산성 등도 중요하다.

소음의 제거를 위한 방음 재료로서 복합재료에 대한 많은 연구들이 있어 왔지만, 현재까지, 방음 효율과 더불어, 고강성 특성, 대량생산을 위한 생산성 등과 같은 요건들을 모두 만족시킬 수 있는 최적의 복합재료에 대해서는 제시된 바 없고, 따라서, 이와 같은 다양한 요건들을 모두 만족시킬 수 있는 최적의 복합재료에 대한 연구개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 요구에 부응하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 우수한 방음 효율과 더불어, 강성 특성 및 대량생산을 위한 생산성이 우수한 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 ABS수지 및 카본블랙을 용매에 용해시켜 혼합물을 제조하는 공정; 및 상기 혼합물로부터 용매를 증발시키는 공정을 포함하여 이루어진 방음용 복합재료 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 혼합물을 제조하는 공정에서, 상기 ABS수지 및 카본블랙의 전체 부피 중에서 상기 카본블랙이 1 내지 15부피%를 차지하는 것이 바람직하다.

상기 혼합물로부터 용매를 증발시키는 공정은, 증발 공정을 통해 얻어진 복합재료에 잔존하는 용매의 함량이 복합재료 전체에 대해서 2중량%이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 혼합물로부터 용매를 증발시키는 공정은, 상기 혼합물을 상온에서 1차 건조시키는 공정; 상기 1차 건조된 혼합물을 가열하여 상기 혼합물을 경화시키는 공정; 및 상기 경화된 혼합물을 70 내지 90℃에서 12시간 내지 36시간 동안 가열하여 2차 건조시키는 공정을 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 ABS수지 및 카본블랙을 포함하여 이루어진 방음용 복합재료를 제공한다.

이때, 상기 ABS수지 및 카본블랙의 전체 부피 중에서 상기 카본블랙이 1 내지 15부피%를 차지하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 방음용 복합재료는 복합재료 전체에 대해서 2중량%이하의 용매가 함유될 수 있다.

상기 구성의 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 ABS수지를 이용하기 때문에 강성 특성이 우수하고 상기 ABS수지에 카본블랙을 분산시켜 복합재료를 제조하기 때문에 방음 특성 또한 우수하게 된다.

둘째, 본 발명은 ABS수지 및 카본블랙을 용매에 용해시켜 혼합물을 제조할 때, 상기 ABS수지 및 카본블랙의 전체 부피 중에서 상기 카본블랙이 1 내지 15부피%를 차지하도록 함으로써 원하는 방음 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 카본블랙으로 인해 강도 특성이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.

셋째, 본 발명은 최종적으로 얻어진 복합재료에 잔존하는 용매의 함량이 복합재료 전체에 대해서 2중량%이하가 되도록 함으로써, 얻어지는 복합재료의 강도 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

넷째, 본 발명은 혼합물로부터 용매를 증발시키기 위한 2차 건조공정을 70 내지 90℃에서 12시간 내지 36시간 동안 수행함으로써, 복합재료의 강도 특성 저하를 최소화하면서 건조공정 시간 증가로 인한 생산성 저하를 방지할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

1. 복합재료의 제조

우선, ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene Copolymer)수지 및 카본블랙(Carbon Black)을 용매에 용해시켜 혼합물을 제조한다.

ABS수지 및 카본블랙의 혼합물을 제조하기 위해서는 용융혼합(Melt blending)방식 또는 용해혼합(Solution blending)방식을 이용할 수 있다. 상기 용융혼합방식은 ABS수지를 가열하여 용융점에 도달시킨 후 카본블랙을 혼합하는 방식이고, 상기 용해혼합방식은 소정의 용매를 이용하여 용융점 이하에서 ABS수지와 카본블랙을 혼합하는 방식으로서, 본 발명에서는 ABS수지의 용해를 위한 최적의 용매로서 아세톤을 이용함으로써 혼합물 제조를 위해서 용융점까지 가열할 필요가 없는 용해혼합방식을 이용한다.

상기 용매로서 이용되는 아세톤은 ABS수지를 용이하게 용해할 수 있는 성질을 가질 뿐만 아니라, 56℃정도로 낮은 끓는점을 갖는 휘발성이 강한 용매이기 때문에 혼합물 제조 후 용매를 제거하는 공정이 보다 용이하게 된다.

상기 혼합물은 아세톤과 같은 용매를 교반기에서 교반하면서 상기 ABS수지 및 카본블랙을 소정 량씩 연속적으로 첨가하여 제조하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 ABS수지 및 카본블랙의 입자가 얽히거나 또는 상기 교반기 벽에서 교착하는 것을 방지하여 용해시간을 단축할 수 있으며, 또한 ABS수지에 카본블랙이 균일하게 분산되어 얻어지는 복합재료의 기계적 특성 등이 향상되기 때문이다. 상기 교반공정은 15 내지 20℃범위의 상온에서 수행할 수 있다.

상기 교반공정시 초음파 처리를 추가로 수행할 수 있으며, 이 경우 상기 ABS 수지 및 카본블랙의 용해도를 증진시켜 용해시간을 보다 단축할 수 있으며, 또한 ABS수지에 카본블랙이 보다 균일하게 분산될 수 있다.

상기 ABS수지는 내충격성이 크고 내열성이 우수하여, 자동차부품 및 전기기기 부품 등에 다양하게 적용할 수 있는 장점이 있다. 상기 ABS수지 및 용매의 중량비율이 1:3 내지 1:5의 범위가 되도록 ABS수지를 첨가하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 범위 내일 경우 교반 공정시 ABS수지의 점도저하를 방지할 수 있기 때문이다.

상기 카본블랙은 최종적으로 얻어지는 복합재료의 방음특성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 ABS수지 및 카본블랙의 전체 부피 중에서 상기 카본블랙이 1 내지 15부피%를 차지하도록 혼합하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 카본블랙의 첨가량이 1부피%보다 적을 경우 원하는 방음 특성 효과를 얻을 수 없고, 카본블랙의 첨가량이 15부피%보다 클 경우 방음특성 효과에 비하여 복합재료의 강도 특성 저하가 크게 되기 때문이다.

다음, 상기 제조된 혼합물로부터 용매를 증발시킨다.

상기 혼합물로부터 용매를 증발시키는 공정을 통해 얻어진 복합재료에는 용매가 잔존할 수 있는데, 용매의 잔존 함량은 복합재료 전체에 대해서 2중량%이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 잔존하는 용매의 함량이 증가하게 되면 복합재료의 강도 특성이 저하되기 때문이다.

한편, 복합재료의 강도 특성을 고려할 때, 상기 용매의 증발공정 이후에 잔존하는 용매의 함량이 적으면 적을수록 바람직하다. 그러나, 잔존하는 용매의 함량 을 적게 하기 위해서는 그만큼 용매의 증발을 위한 가열공정을 오래 수행할 수밖에 없으며 이 경우 대량생산시 생산성이 떨어지게 되는 문제가 발생한다. 따라서, 복합재료의 강도 특성 및 대량생산시 생산성 모두를 고려할 때, 복합재료에 잔존하는 용매의 함량이 복합재료 전체에 대해서 0.5 내지 2중량%이하가 되도록 용매의 증발공정을 조절할 수 있으며, 이 경우 복합재료의 강도 특성 저하를 최소화함과 더불어 대량생산시 생산성 저하를 방지하도록 한 것이다.

상기 용매를 증발시키는 공정은 상기 혼합물을 상온에서 1차 건조시키고, 상기 1차 건조된 혼합물을 가열하여 상기 혼합물을 경화시킨 후, 상기 경화된 혼합물을 70 내지 90℃에서 가열하여 2차 건조시키는 공정으로 이루어질 수 있다.

상기 1차 건조시키는 공정은 상기 혼합물을 흄 후드(Fume hood)를 이용하여 15 내지 20℃범위의 상온에서 30분 내지 2시간 동안 건조시키는 공정으로 이루어질 수 있다.

상기 경화시키는 공정은 상기 혼합물을 오븐(Oven)을 이용하여 70 내지 90℃로 가열하여 아세톤과 같은 용매를 끓여 증발시키는 공정으로 이루어질 수 있다.

상기 2차 건조시키는 공정은 상기 혼합물을 오븐(Oven)을 이용하여 바람직하게는 70 내지 90℃로 12시간 내지 36시간 동안 가열하는 공정으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 2차 건조공정은 상기 혼합물에 잔존하는 용매의 함량에 중대한 영향을 미치는 공정으로서, 70 내지 90℃의 온도로 12시간 이상 가열할 경우 복합재료에 잔존하는 용매의 함량을 2%이하로 줄일 수 있으며, 70 내지 90℃의 온도로 24시간 이상 가열할 경우 복합재료에 잔존하는 용매의 함량을 1%이하로 줄일 수 있으 며, 70 내지 90℃의 온도로 36시간을 초과하여 가열할 경우 복합재료에 잔존하는 용매의 함량은 보다 더 줄일 수 있지만 24시간 내지 36시간 정도 가열하는 경우에 비하여 잔존하는 용매의 함량의 감소량은 큰 차이를 보이지 않는 반면 가열시간 증가로 인해 생산성 저하가 커진다. 따라서, 본 발명은 상기 2차 건조공정시 가열시간을 12시간 내지 36시간으로 설정함으로써, 가열시간 증가로 인한 생산성 저하를 방지하면서 복합재료에 잔존하는 용매의 함량을 2%이하로 줄여 복합재료의 강도저하를 최소화할 수 있게 된다.

2. 실시예 및 비교예

실시예 1

상온(20℃)에서, 아세톤(제조사:대중화학) 500g을 둥근 플라스크에 넣고 PTFE 교반기를 400rpm으로 회전시킨 후, 밀도가 1.04g/cc인 ABS수지(제조사:엘지화학) 146.8g 및 밀도가 1.75g/cc인 카본블랙(제조사:미츠비시 화학) 2.5g을 조금씩 연속적으로 공급하면서 3시간 동안 교반하여 혼합용액을 제조하였다.

그 후, 제조된 혼합용액을 가로 400mm, 세로 400mm, 높이 5mm인 몰드에 부어 상온에서 1시간 동안 1차 건조한 후, 80℃의 오븐에서 1시간 동안 끓여 혼합물을 경화시켰다.

그 후, 경화된 혼합물을 가로 5mm, 세로 5mm로 자른 후, 80℃의 오븐에서 36시간 동안 2차 건조하여 복합재료를 얻었다.

실시예 2

전술한 실시예 1에서, ABS수지 144.1g 및 카본블랙 7.5g을 이용한 것을 제외하고, 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

실시예 3

전술한 실시예 1에서, ABS수지 140.1g, 카본블랙 12.5g 그리고 아세톤 510g을 이용한 것을 제외하고, 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

실시예 4

전술한 실시예 1에서, ABS수지 42.1g, 카본블랙 12.5g 그리고 아세톤 180g을 이용한 것을 제외하고, 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

실시예 5

전술한 실시예 1에서, ABS수지 29.7g, 카본블랙 12.5g 그리고 아세톤 140g을 이용한 것을 제외하고, 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

실시예 6

전술한 실시예 1에서, ABS수지 58.3g, 카본블랙 0.5g 그리고 아세톤 195g을 이용한 것을 제외하고, 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

실시예 7

전술한 실시예 1에서, 2차 건조를 80℃의 오븐에서 24시간 동안 수행한 것을 제외하고 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

실시예 8

전술한 실시예 1에서, 2차 건조를 80℃의 오븐에서 12시간 동안 수행한 것을 제외하고 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

실시예 9

전술한 실시예 1에서, 2차 건조를 80℃의 오븐에서 1시간 동안 수행한 것을 제외하고 전술한 실시예 1과 동일한 방법에 의해 복합재료를 얻었다.

이상의 실시예 1 내지 9에 대한 중요한 공정조건을 정리하면 아래 표 1과 같다.

표 1

구분	ABS 첨가량		카본블랙 첨가량		아세톤 첨가량	카본블랙의 부피 비율	2차 건조 시간
	무게 (g)	부피 (cc)	무게 (g)	부피 (cc)	무게 (g)	부피 비율 (%)	시간 (hrs)
실시예 1	146.8	141.2	2.5	1.4	500.0	1.0	36
실시예 2	144.1	138.6	7.5	4.3	500.0	3.0	36
실시예 3	140.1	134.7	12.5	7.1	510.0	5.0	36
실시예 4	42.1	40.5	12.5	7.1	180.0	15.0	36
실시예 5	29.7	28.6	12.5	7.1	140.0	20.0	36
실시예 6	58.3	56.1	0.5	0.3	195.0	0.5	36
실시예 7	146.8	141.2	2.5	1.4	500.0	1.0	24
실시예 8	146.8	141.2	2.5	1.4	500.0	1.0	12
실시예 9	146.8	141.2	2.5	1.4	500.0	1.0	1

<참고>

1. ABS의 밀도는 1.04 g/cc이고, 카본블랙의 밀도는 1.75 g/cc임.

2. 카본블랙의 부피 비율은 ABS수지 및 카본블랙의 전체 부피 중에서 카본블랙이 차지하는 부피 비율임.

비교예

ABS수지를 비교예로서 준비하였다.

3. 실험예

(1) 방음 특성 측정

실시예 1 내지 3에 따른 복합재료 및 비교예에 따른 ABS수지를 사출성형공정을 이용하여 외경이 29.25mm, 두께가 3.0mm인 샘플들을 준비하였다.

준비한 샘플들에 대해서 도 1에 따른 방음측정장치를 이용하여 방음특성을 측정하였다. 도 1에 따른 방음측정장치는 소음원에서 입사되는 에너지의 감소량을 통해서 투과손실(Transmission loss)을 데시벨(dB)단위로 보여주는 장치로서, 측정주파수는 최대 6.4KHz까지이다. 도 1에 따른 방음측정장치를 이용하여 각각의 샘플들에 대해서 3회씩 측정하였고, 그 측정값을 평균하여 도시하였으며, 그 결과는 도 2와 같다.

도 2에서 알 수 있듯이, ABS수지만으로 이루어진 비교예의 경우에 비하여, ABS수지와 카본블랙의 복합재료로 이루어진 실시예의 경우가 투과손실이 커짐을 알 수 있으며, 따라서, 비교예의 경우보다 실시예의 경우가 방음효과가 우수함을 알 수 있다. 또한, 실시예 1보다는 실시예 2가 방음효과가 우수하고, 실시예 2보다 실시예 3이 방음효과가 우수함을 알 수 있으며, 그에 따라 카본블랙의 함유량이 증가할수록 방음효과가 상승됨을 알 수 있다.

(2) 인장 측정 1

실시예 1 내지 6에 따른 복합재료 및 비교예에 따른 ABS수지를 사출성형공정을 이용하여 샘플들을 준비하였다.

각각의 샘플들에 대해서 ASTM D638 시험방법에 따라 탄성계수(Elastic modulus; MPa)와 최대인장강도(Maximum tensile strength; MPa)를 측정하였고, 그 측정값은 하기 표 2와 같다.

표 2

구분	탄성계수 (MPa)	인장강도(MPa)
실시예 1	1244	59.3
실시예 2	1312	56.3
실시예 3	1395	52.6
실시예 4	1752	41.7
실시예 5	2056	27.2
실시예 6	1235	60.1
비교예	1227	62.3

표 2에서 알 수 있듯이, 같은 공정으로 제작된 ABS수지만으로 이루어진 비교예의 경우에 비하여, ABS수지와 카본블랙의 복합재료로 이루어진 실시예의 경우가 인장강도값이 작아 강도가 떨어짐을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 6의 결과값으로부터 알 수 있듯이, 카본블랙의 함유량이 증가할수록 강성은 높아지고 강도는 떨어짐을 알 수 있다.

(3) 아세톤 잔류량 측정

도 3은 2차 건조시간을 변경함에 따라 잔존하는 아세톤의 함량변화를 보여주는 그래프이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 실시예 9와 같이 2차 건조시간이 1시간인 경우 잔존하는 아세톤의 함량이 5%정도이고, 실시예 8과 같이 2차 건조시간이 12시간인 경우 잔존하는 아세톤의 함량이 2%이하가 되고, 실시예 7과 같이 2차 건조시간이 24시간 인 경우 및 실시예 1과 같이 2차 건조시간이 36시간인 경우 잔존하는 아세톤의 함량이 1%이하가 됨을 알 수 있다.

(4) 인장 측정 2

실시예 1, 및 실시예 7 내지 실시예 9에 따른 복합재료를 사출성형공정을 이용하여 샘플들을 준비하였다.

각각의 샘플들에 대해서 ASTM D638 시험방법에 따라 탄성계수(Elastic modulus; MPa)와 최대인장강도(Maximum tensile strength; MPa)을 측정하였고, 그 측정값은 하기 표 3과 같다.

표 3

구분	탄성계수 (MPa)	인장강도(MPa)
실시예 1	1244	59.3
실시예 7	1248	59.0
실시예 8	1256	58.5
실시예 9	1266	57.9

표 3에서 알 수 있듯이, 잔존하는 아세톤의 함량이 증가할수록 인장강도 값이 작아 강도가 떨어짐을 알 수 있다. 또한, 실시예 1, 실시예 7, 및 실시예 8과 같이 잔존하는 아세톤의 함량이 2%이하일 경우 탄성계수 및 인장강도 값의 변화가 크지 않았다. 다만, 실시예 9에서와 같이 잔존하는 아세톤의 함량이 2%보다 클 경우(약 5%) 인장강도 값의 감소율이 커짐을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방음측정장치를 개략적으로 도시한 모식도이다.

도 2는 도 1에 따른 방음측정장치를 이용하여 각각의 샘플들에 대한 방음측정결과를 도시한 그래프이다.

도 3은 2차 건조시간을 변경함에 따라 잔존하는 아세톤의 함량변화를 보여주는 그래프이다.

Claims (9)

1. ABS수지 및 카본블랙을 아세톤 용매에 용해시켜 혼합물을 제조하는 공정; 및

   상기 혼합물로부터 아세톤 용매를 증발시키는 공정을 포함하여 이루어지고,

   상기 혼합물로부터 아세톤 용매를 증발시키는 공정은,

   상기 혼합물을 상온에서 1차 건조시키는 공정;

   상기 1차 건조된 혼합물을 가열하여 상기 혼합물을 경화시키는 공정; 및

   상기 경화된 혼합물을 70 내지 90℃에서 12시간 내지 36시간 동안 가열하여 2차 건조시키는 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 방음용 복합재료 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 혼합물을 제조하는 공정에서, 상기 ABS수지 및 카본블랙의 전체 부피 중에서 상기 카본블랙이 1 내지 15부피%를 차지하는 것을 특징으로 하는 방음용 복합재료 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 혼합물을 제조하는 공정에서, 상기 ABS수지 및 아세톤 용매의 중량비율은 1:3 내지 1:5의 범위인 것을 특징으로 하는 방음용 복합재료 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 혼합물을 제조하는 공정은,

   상기 아세톤 용매를 교반하면서 상기 ABS수지 및 카본블랙을 소정량씩 연속적으로 첨가하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방음용 복합재료 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 혼합물로부터 아세톤 용매를 증발시키는 공정은,

   증발 공정을 통해 얻어진 복합재료에 잔존하는 아세톤 용매의 함량이 복합재료 전체에 대해서 2중량%이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방음용 복합재료 제조방법.
6. 삭제
7. ABS수지 및 카본블랙을 포함하여 이루어지며,

   상기 ABS수지 및 카본블랙의 전체 부피 중에서 상기 카본블랙이 1 내지 15부피%를 차지하고, 복합재료 전체에 대해서 2중량%이하의 용매가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 방음용 복합재료.
8. 삭제
9. 삭제

Images