KR20130048057A

KR20130048057A - 고 안락성 자동차용 폴리 우레탄 시트 조성물

Info

Publication number: KR20130048057A
Application number: KR1020110112973A
Authority: KR
Inventors: 김석환; 오정석; 전형원; 서상호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2013-05-09
Also published as: US20130109775A1; US8906976B2

Abstract

본 발명은 자동차용 시트의 제조 공정에 사용되는 연질 폴리우레탄 폼의 저 진동 시트 패드를 이용하여 승객에 대한 안락성을 향상시키기 위한 폴리 우레탄 수지 개선 및 저 진동을 위한 폴리우레탄 조성물에 관한 것이다.
보다 구체적으로는 본 발명의 폴리우레탄 조성물에는 폴리올, 폴리이소시아네이트, 경화성 촉매, 가교제, 정포제 및 발포제를 포함한다.
상기 본 발명의 폴리우레탄 조성물로 이루어진 진동 시트 패드를 이용하면 운전 중에서 발생하는 도로의 진동을 최대한 폴리우레탄 폼이 흡수를 하여 승객에게 안락감을 주는 장점이 있다.

Description

고 안락성 자동차용 폴리 우레탄 시트 조성물{Highly Comport Automotive Polyurethane Seat Resin}

본 발명은 안락성을 향상시키기 위한 자동차용 시트에 사용되는 폴리우레탄 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 변성 MDI(Methylene biphenyl Isocyanate)와 분자량이 3000 - 7000 인 폴리올을 사용 하여 운전 중에서 발생 하는 도로의 진동을 최대한 폴리우레탄 폼이 흡수를 하여 승객에게 안락감을 주는 자동차용 폴리 우레탄 폼의 조성물에 관한 것이다.

자동차 산업의 발달과 함께 자동차 내부에서 체류하는 시간이 증가하면서 최근 자동차 내부 승차감의 질의 중요성이 크게 대두되고 있다. 이에 따른 소비자들의 자동차 내부 쾌적성에 관한 요구수준이 매우 높아지고 있다. 일반적으로 폴리우레탄 폼은 폴리올과 이소시아네이트의 반응으로 제조되는데, 현재 자동차 시트용 폴리우레탄 폼에 사용되는 폴리올은 일반적으로 글리세린과 에틸렌옥사이드 및 프로필렌옥사이드를 반응시켜서 얻어지는 폴리에테르 폴리올이 사용되며, 특히 자동차 시트용으로는 폴리올이 주로 사용된다.

종래 사용 중인 폴리우레탄 시트의 경우 장시간 승차할 경우 불편함을 가져다 주는 문제점이 대두되었다. 자동차용 시트의 제조 공정에 사용되는 폴리우레탄 폼의 저진동 시트 패드를 통한 안락성을 향상시키기 위한 폴리우레탄 수지의 개선이 필요하게 되어 그에 대한 연구가 진행되고 있다.

이에 본 발명자들은 변성 MDI 및 분자량이 3000 - 7000인 폴리올을 사용하여 운전 중에서 발생하는 도로의 진동을 최대한 폴리우레탄 폼이 흡수하여 승객에게 안락감을 줄 수 있도록 하는 자동차용 폴리 우레탄 폼의 조성물을 개발하였다.

이에 본 발명의 목적은 폴리올, 폴리이소시아네이트, 경화성 촉매, 가교제, 정포제 및 발포제를 포함하는 우레탄 폼 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명은 자동차용 시트의 제조 공정에 사용되는 연질 폴리우레탄 폼의 저 진동 시트 패드를 이용하여 승객에 대한 안락성을 향상시키기 위한 폴리 우레탄 수지 개선 및 저 진동을 위한 폴리우레탄 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 폴리올, 폴리이소시아네이트, 경화성 촉매, 가교제, 정포제 및 발포제를 포함하는 우레탄 폼 조성물을 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

운전 중에서 발생 하는 도로의 진동을 최대한 폴리우레탄 폼이 흡수를 하여 승객에게 안락감을 줄 수 있다.

이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.

폴리우레탄 수지는 폴리올 (Polyol), 폴리이소시아네이트 (Isocyanate), 촉매, 가교제, 정포제 및 발포제를 함유하는 우레탄 폼 조성물을 반응시켜 얻어 지는 연질 폼으로써, 폴리올에는 하이드록실 (Hydroxyl) 관능기 (-OH)와 폴리이소시아네이트에는 이소시아네이트 관능기 (-NCO)를 분자 내에 가진다. 폴리올은 분자내의 관능기 수에 따라 모노올(monol), 디올(diol), 트리올(트리올) 등으로 구분되고, 이소시아네이트도 분자당 관능기 수에 따라 모노이소시아네이트(monoisocyanate), 디이소시아네이트 (diisocyanate) 등으로 구분 할 수 있다.

고분자의 폴리우레탄 수지를 제조하기 위해서는 일반적으로 2관능기 이상의 폴리올과 이소시아네이트를 사용하여야 하며, 반응시에 각각의 성분은 분자 말단에서 관능기 간의 반응에 의한 우레탄 (urethane) 그룹을 형성한다. 하기 화학식 1에서 기재된 바와 같이 분자 내에 이러한 우레탄 그룹을 다량으로 갖고 있는 고분자를 폴리우레탄이라 한다.

[화학식 1]

R-NCO + R`-OH → [R-NH-COO-R`]

이소시아네이트와 반응한 물은 불안정한 구조의 카밤산(Carbamic acid)를 형성하고, 이는 곧 아민과 이산화탄소(CO₂)로 분해된다(화학식2). 아민은 다시 이소시아네이트와 반응하여 우레아(urea)그룹을 형성하고(화학식 3), 분해되어 나온 이산화탄소 기체는 폴리우레탄 수지내에서 작은 기포를 생성시켜 최종적으로 폴리우레탄 내에 분산된 세포 구조를 만든다.

[화학식 2]

R-NCO + H₂O → [R-NH-COOH] → R-NH₂ + CO₂

[화학식 3]

R-NH₂ + R`-NCO → [R-NH-CO-NH-R`]

이러한 폴리우레탄 폼은 낮은 밀도, 높은 기계적 물성, 높은 내열성 등의 우수한 특성으로 인해 자동차용 부품소재로 널리 사용되고 있으며, 낮은 밀도와 우수한 내구성을 지니고 자동차 시트에 널리 사용되고 있다.

본 발명은 폴리올 성분 및 이소시아네이트를 혼합한 것으로 폴리올 및 이소시아네이트 성분의 구성요소 조성은 하기와 같다.

본 발명에서의 시트 조성물에서 보다 바람직하게는 일반적으로 폴리올 성분 과 이소시아네이트 성분과의 혼합비는 무게 비율로 폴리올 성분 100 중량부를 기준으로 하여 이소시아네이트 40 내지 70 중량부로 혼합 하여 사용 한다. 하기 표 1에서 본 발명에서 폴리올, 쇄연장제, 가교제, 물, 경화성 촉매, 발포촉매 및 정포제의 조성함량을 기재하였다.

구성요소	조성	비고
폴리올 #1	40.0 - 75.0 wt.%	글리세롤, OH-V=20-40mgKOH/g
폴리올 #2	10.0 - 40.0 wt.%	글리세롤, OH-V=20-50mgKOH/g
폴리올 #3	5.0 - 30.0 wt.%	글리세롤, OH-V=20-60mgKOH/g
폴리올 #4	3.0 - 40.0 wt.%	글리세롤 , OH-V=10-30 mgKOH/g, Solid 30-50%
쇄연장제 #1	1.0 - 10.0 wt.%	디에탄올아민, OH-V=1500-2500mgKOH/g
쇄연장제 #2	0.1 - 1.0 wt.%	1,4-뷰탄디올, OH-V=500-1500mgKOH/g
가교제	0.1 - 5.0 wt.%	트리에탄올아민, OH-V=1500-2500mgKOH/g
물	1.0 - 5.0 wt.%	OH-V=6000-7000mgKOH/g
경화성 촉매 (Dabco 33LV)( Air Products , 미국)	0.1 - 3.0 wt.%	33% 트리에틸렌디아민 67% 디프로필렌 글라이콜
발포 촉매 (Dabco BL-11)( Air Products , 미국)	0.1 - 2.0 wt.%	70% Bis (2-디메틸아미노에틸) 에텀 30 % 디프로필렌 글라이콜
정포제 (Niax L-3002)( Momentive , 미국)	0.1 - 3.0 wt.%	Polyether modified polysiloxane
합계	100

- 폴리올 #1-#4

폴리우레탄 폼을 제조하기 위해서는 폴리올이 최소 60% 이상이 사용되며, 단일 폴리올만을 사용하지는 않고, 제품의 특성 및 생산 현장에 맞게 다양한 종류의 폴리올을 사용한다. 폴리올은 개시제와 PO (프로필렌 옥사이드)와 EO(에틸렌 옥사이드)와의 화학적 결합으로 생성된다.

글리세롤(또는Glycerine), Trimethylolpropane (TMP), 트리에탄올아민 (TEOA), 1,2,6-헥세인트리올, 인산, 트리이소프로판올아민의 개시제를 사용하게 되면하이드록시기(-OH)가 세 개 존재하는 트리올 (functionality =3)이 생성된다. 이 때, PO/EO의 Capping 에 정도에 따라 OH-V가 결정되는데, 이는 화학 결합된 폴리올의 분자량과 관련이 있으며, OH-V가 20-60mgKOH/g 범위의 폴리올이 자동차 씨트 폴리우레탄 폼 제조에 사용된다. 트리올 제품은 혼합 폴리올에서 가장 많은 부분을 차지하며 최소 60% 이상을 사용해야 원료의 흐름성 및 성형성, 경도등의 요구 특성등을 만족할 수 있다. 폴리올의 분자량에 따라 우레탄 씨트 폼의 진동 흡수력이 차이가 발생한다.

폴리올 #4는 Stylene Monomer의 Solid 가 첨가된 폴리올로 Solid의 함량에 따라 경도 및 Cell의 Opening 특성과 원료의 점도에 영향을 주기 때문에 최대 35 wt% 미만을 사용한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 폴리올의 권장 사용량은,

폴리올 #1 인 경우 45.0 - 75.0 wt%가 바람직하며, 60 wt% 이하인 경우 반발 탄성율이 현저히 줄어 들며, 75 wt% 이상인 경우에는 경도 저하가 발생된다.

폴리올 #2인 경우, 10.0 - 40.0 wt%가 바람직하며, 10 wt%이하인 경우 진동전달율이 높아지고, 40 wt% 이상인 경우 영구 압축 줄음율이 저하된다.

폴리올 #3인 경우 5.0 - 30.0 wt% 가 바람직하며, 5 wt% 이하인 경우 진동 전달율이 상승하고, 30 wt% 이상 인 경우 탄성 과 영구 압축 줄음율이 저하된다.

폴리올 #4인 경우, 일반적인 자동차 씨트는 3.0 - 35.0 wt%를 사용 하고 있고, 3 wt% 이하인 경우 경도가 Soft 하고, 40 wt% 이상인 경우 경도가 Hard 하여 안락성이 떨어진다.

- 쇄연장제와 가교제

폴리올만으로는 제품의 요구 특성을 만족시킬 수 없다. 제품 제조시 쇄연장제와 가교제 사용에 따라 물리적, 기계적 물성인 인장, 인열 등의 값이 다른 양상을 보이기 때문에 이들은 반드시 첨가되어야 하는 원료 물질이다. 쇄연장제와 가교제를 사용하게 되면 분자 간의 가교결합력을 증가시키기 때문에 인장, 인열 등의 일반 물성 향상에 중요한 역할을 함과 동시에 내가수 분해성을 증진시켜서 고온 다습의 조건하에서 제품의 특성을 유지할 수 있다. 하지만, 최종 제품의 요구 특성만을 만족 시키면 Closed Cell, 흐름성 등의 문제로 인해 생산성이 떨어진다. 이에 쇄연장제 #1 (DEOA, OH-V=1500-2500 mgKOH/g)는 1.0 - 최대 10 wt%를 사용하여야 하면, 만일 1 wt% 이하인 경우 인장, 인열이 저하되고 10 wt% 이상인 경우 closed cell 발생이 과다하여 생산성이 급격히 저하된다.

쇄연장제 #2 (1,4-Butane diol, OH-V=500-1500 mgKOH/g)는 0.1 wt %부터 최대 1 wt% 미만을 사용하게 된다. 1 wt% 이상인 경우 흐름성이 저하된다.

가교제(TEOA)는 최대 5 wt% 미만을 사용한다. 가교제도 마찬가지로 5 wt% 이상인 경우 흐름성이 저하 되어, 불량율이 상승 한다.

- 경화성 촉매 및 발포 촉매

폴리우레탄반응은 액상의 두 물질이 만나서 고상으로 되는 과정을 거치게 되며, 이소시아네이트와 폴리올의 반응만으로 만들어지지 않는다. 이 두 반응의 활성화 에너지를 낮추는데 필요한 촉매가 경화성 촉매와 발포 촉매이다. 이 두 촉매의 각각의 사용 정도에 따라 폴리우레탄 폼의 안정적인 제품 생산이 가능하다. 발포 촉매는 대표적으로 Triethyl amine(TEA), N,N`-dimethy cyclohexyi amine (DMEDA)이 주로 사용 되어 지며, 경화성 촉매는 Triethylene diamine(TEDA), Dimethyl piperidine(DMP) 이 사용 되어 진다. 대부분 생산 조건에서는 Demold하는 시간이 있는데, 이러한 제한된 시간 범위 내에서 제품의 생산을 종결하려면 아민 계열의 경화성 촉매는 최대 3 wt%를 사용하고, 발포 촉매는 최대 2 wt%를 사용한다.

경화성 촉매와 발포성 촉매의 권장 사용량은 각각 0.1 - 3.0 wt%, 0.1 - 2.0 wt %이며, 권장 사용량 이하인 경우는 모두 경화성이 저하 되어 생산성 저하를 발생 시키며, 권장 사용량 이상인 경우 흐름성이 저하되어 기공 불량이 발생할 수 있다

- 발포제

발포제는 크게 물리적 발포제와 화학적 발포제로 구분이 되는데, 여기서는 화학적 발포제를 의미한다. 발포제의 사용량에 따라 반응 속도 및 경화성 그리고 Free Rise Density를 결정하게 되기 때문에 최대 5 wt% 범위 내에서 생산 조건에 따라 사용량을 결정한다. 자동차 씨트에 사용 되어지는 화학적 발포제는 주로 물을 사용 하며, 물리적 발포제로는 Methtlene chlodide(MC)을 사용 한다.

일반적으로 사용량은 1.0 - 5.0 wt%이고, 1.0 wt% 이하인 경우 발포 비율이 낮아져 요구되는 자동차 씨트의 밀도를 맞출 수 없고, 5.0 wt% 이상이면, 과다 발포로 인하여 모든 물성이 저하된다.

- 정포제

정포제는 일반적으로 실리콘 계통(Polyether modified polysiloxane)의 정포제를 사용 하며, MDI와 폴리올의 반응을 도와 주는 유화 작용, 표면 장력을 낮추어 주어 미세한 기포를 만들어 주며, 또한 이 미세한 기포가 안정시킨다. 최대 3% 범위 내에서 생산 조건에 따라 사용량을 결정한다.

일반적으로 사용량은 0.1 - 3.0 wt % 이고, 0.1 wt% 이하인 경우 우레탄 폼이 형성이 되지 않고, 3.0 wt%이상이면, closed cell 과다 발생으로 생산성이 저하 되는 문제가 있다.

구성요소	조성
Monomeric MDI (MMDI)	4.0 - 70.0 wt%
Carbodiimide contained MDI	5.0 - 70.0 wt%
Polymeric MDI (PMDI)	10.0 - 80.0 wt%
TDI	5.0 - 80.0 wt%
Total	100 wt%

상기 표 2에서 본 발명의 조성물인 폴리이소시아네이트(polyisocyate)의 종류 및 그의 함량비를 기재하였다. 일반적으로 폴리이소시아네이트 는 Monomeric MDI (MMDI), Polymeric MDI (PMDI)와 TDI 를 단독 혹은 혼용해서 사용한다. 각각의 원료 물질은 경도 및 흐름성, 경화성 등에 대한 고유의 특성을 가지며, 이들의 특성을 서로 조합함으로써 원하는 화학결합 구조를 확보할 수 있다. 특히, 진동을 최대한 흡수하기 위해서는 MMDI, PMDI, Carbodiimide contained MDI 및 TDI의 조성함량을 위의 조성함량 내에서 사용할 때 확보가 가능하다.

M-MDI와 Carbodiimide contained MDI의 사용량은 4 - 70 wt% 범위 이며, 4 wt% 이하인 경우 Closed cell 과다 발생으로 생산성에 지장을 주고, 70 wt% 이상인 경우 반대로 open-cell 과다로 폼 생성이 되지 않아 불량율이 상승한다.

Polymeric MDI 의 경우 일반적으로 10.0 - 80.0 wt % 로 사용하고, 10 wt% 이하면 인장, 인열 강도가 급격히 저하가 되며, 90 wt% 이상인 경우 경도가 급격히 상승한다.

TDI는 5.0 - 80 wt% 범위에서 사용하며, 5% 이하인 경우 반발 탄성이 저하 되며, 80 wt% 이상인 경우 진동 전달율이 상승하고, 경도가 낮아지는 경우가 발생된다.

[ 실시예 1 - 3 및 비교예 1 - 4]

자동차의 안락성을 측정 하는 방법은 Vibation을 이용한 진동 흡수로 평가를 진행하였다.

	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	실시예 1	실시예 2	실시예 3
폴리올 #1	80	60	60	60	60	60	65
폴리올 #2			10	10	20	20	15
폴리올 #3		20	10	10
폴리올 #4	20	20	20	20	20	20	20
MDI 유도체	70	70	70	80	80	70	80
TDI 유도체	30	30	30	20	20	30	20
탄성	70	60	65	62	65	67	66
진동전달율	6.5	4.8	5.2	4.2	3.2	3.9	3.5
	현재양산폼 기준	탄성 낮고, 영구압축줄음율 불량	영구압축 줄음율 불량	영구 압축 불량

실험예 : 물성측정

상기 비교예 1 - 4 및 실시예 1 - 3 에 의하여 제조된 우레탄 폼의 기계적 물성 측정을 위하여 고압 발포기를 통하여 아래 측정법(ASTM D 3574)에서 제시한 시편으로 성형 한후, 측정법에서 제시하는 방법으로 물성을 측정 하여 그 결과를 상기 표 2에 기재하였다.

탄성 측정

Steel Ball을 dropping 시켜 rebound 되는 높이를 측정 하여 우레탄 폼의 반발 탄성을 측정 하였다.

진동전달율 측정

자동차 운행시 도로에서 발생하는 진동을 인위적으로 진동 발생기를 통하여 진동을 발생시켜 우레탄 폼에 전달시켜 우레탄 폼의 진동 흡수를 측정하였다.

Claims

폴리올, 폴리이소시아네이트, 경화성 촉매, 가교제, 쇄연장제, 정포제 및 발포제를 포함하는 시트용 우레탄 폼 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 폴리올은 글리세롤, Trimethylolpropane (TMP), 트리에탄올아민 (TEOA), 1,2,6-헥세인트리올, 인산 및 트리이소프로판올아민을 단독 또는 혼합물인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 폴리올은 OH-V가 10-60 mgKOH/g 범위인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 3에 있어서, 상기 OH-V가 10-60 mgKOH/g 인 폴리올은 OH-V가 OH-V가 20-40 mgKOH/g, 20-50 mgKOH/g, 20-60 mgKOH/g 및 10-30 mgKOH/g으로 이루어진 군에서부터 선택된 폴리올인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 4에 있어서, 상기 폴리올 혼합물은 그 함량비가 OH-V가 20-40 mgKOH/g인 폴리올 40 - 75 wt%, 20-50 mgKOH/g인 폴리올 10 - 40 wt%, 20-60 mgKOH/g인 폴리올 5 - 30 wt% 및 10-30 mgKOH/g인 폴리올 3 -40 wt%인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트는 MMDI, 카보이미드가 함유된 MDI, PMDI 및 TDI으로 이루어진 군으로부터, 단독 또는 그의 혼합물인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 6에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트 혼합물은 그 함량비가 MMDI 4-70 wt%, 카보이미드가 함유된 MDI 5 - 70 wt%, PMDI 10-80 wt% 및 TDI 5-80 wt%인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 폴리이소시아네이트 혼합물은 폴리올을 100 중량부로 할 때, 40-70 중량부인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 경화성 촉매는 폴리올을 100 중량부로 할 때, 0.1-3 중량부인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 발포 촉매는 폴리올을 100 중량부로 할 때, 0.1 2 중량부인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 정포제는 폴리올을 100 중량부로 할 때, 0.1 - 3 중량부인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 가교제는 폴리올을 100 중량부로 할 때, 0.1 -5 중량부인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 쇄연장제는 폴리올을 100 중량부로 할 때, 0.1 - 2 중량부인 것을 특징으로 하는 조성물.
청구항 1 내지 13 중 어느 한 항의 시트용 조성물을 포함하는 자동차용 시트.