Elastomers and Composites Vol. 49, No. 2, pp. 95~102 (June 2014) Print ISSN 2092-9676 / Online ISSN 2288-7725 doi: http://dx.doi.org/10.7473/ec.2014.49.2.95 소음차단성능향상을위한부틸탄성체배합및진동제어시스템디자인연구 김원택 정경호 수원대학교신소재공학과접수일 (2014 년 2 월 5 일 ), 수정일 (2014 년 2 월 22 일 ), 게재확정일 (2014 년 3 월 3 일 ) Study on the Design of Butyl Rubber Compound and Noise Reduction System for Sound Insulation Won-Taek Kim and Kyung-Ho Chung Department of Polymer Engineering, The University of Suwon, Suwon 445-743, Korea (Received February 5, 2014, Revised February 22, 2014, Accepted March 3, 2014) 요약 : 최근공동주택의층간소음으로인하여사회적문제가크게대두되고있다. 본연구에서는소음차단성능을향상시키기위해바닥진동제어시스템에적용되어질방진고무를제조하였다. 다양한유형의고무중우수한노화특성, 낮은반발탄성및높은댐핑특성의성질은갖는부틸고무를방진고무의원료고무로선정하였다. 그리고부틸컴파운드에첨가되는카본블랙의유형과함량에따른방진고무의물성을확인하였다. 표면적이큰카본블랙을사용하거나함량이증가할수록고무와카본블랙간의결합고무의함량이증가하여높은기계적물성, 낮은반발탄성과높은댐핑특성을나타내었다. 연구결과를토대로최적의카본블랙종류와함량을결정하고방진고무를제조한뒤바닥진동제어시스템에적용하였다. 바닥충격음을측정한결과경량충격음 40 db, 중량충격음 43 db 을나타내어소음차단성능이우수한것을확인할수있었다. ABSTRACT The noise between floors of apartment has been hot issue nowadays. In order to improve the noise insulation performance, we proposed the antivibration rubber system which can be applied to the floor system for sound insulation. Among various types of elastomer, butyl rubber showed the good aging characteristic, low rebound resilience and high damping factor. Thus, the butyl rubber was selected as a basic rubber for antivibration rubber system. The effects of type and loading amounts of carbon black on antivibration properties of butyl rubber were studied. The increase of surface area and the content of carbon black resulted in high bound rubber fraction, high mechanical property, low rebound resilience, and high damping factor of butyl rubber. Based on the results of this study, the new antivibration rubber was prepared and applied to the floor system for sound insulation. The impact sounds of floor system proposed in this study were 40 db and 43 db in cases of light weight and heavy weight impact sound, respectively. Keywords antivibration, butyl rubber, IIR, carbon black, sound insulation, noise reduction. 서론현재국내주거형태의 70 % 이상을차지하고있는공동주택 ( 아파트 ) 의공통적인특징인벽식콘크리트구조는높은강성과밀실함을나타내어공기로전달되는공기전달음에대해서는충분한차단능력이있다. 그러나콘크리트의특성상자체적인진동감쇄기능이낮음으로인하여고체충격음 ( 바닥으로전달되는진동음 ) 의차단능력이떨어지기때문에특별한저감방법을사용하지않는다면층간소음문제가발생할수밖에없다. 국토교통부에서는최근발생하고있는층간소음 Corresponding Author. E-mail: khchung@suwon.ac.kr 의문제를해결하고자표준바닥구조의바닥슬래브두께를 150 mm에서 210 mm로 60 mm 이상높였으나공사원가의상승으로인한소비자부담이과중되고있는실정이다. 본연구에서는층간소음을차단하기위하여기존에사용되어진스티로폼, 우레탄, 섬유, 고무, 스펀지등의완충재대신플라스틱구조체, 단열재와함께일체화된패널형구조의바닥시스템에적용할수있는방진고무마운트를개발하고자하였다. 방진고무는건축물에서수십년동안사용되기때문에노화특성을고려해서원료고무를선정해야한다. 다양한합성고무중부틸고무 (IIR) 는불포화도가적기때문에내후성이우수하므로특별한산화방지제를필요로하지않으며내열노화성, 내노화성, 내화학약품성이좋으며특히산화제에강하
96 Won-Taek Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 49, No. 2, pp. 95~102 (June 2014) Table 1. Recipe of Butyl Rubber Compounds Containing Different Blacks and Contents Ingredients A B C (330) C (550) C (990) D (Unit : phr) Butyl rubber (IIR) 100 100 100 100 100 100 100 Carbon black (N 330) Carbon black (N 550) Carbon black (N 990) 0 25 45 - - 65 85 - - - 45 - - - - - - - 45 - - ZnO 5 5 5 5 5 5 5 Stearic acid 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 Sulfur 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 Tetramethylthiuram disulfide 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 E 다. 또한반발탄성이작아충격흡수성이큰장점이있다. 1 방진고무의요구특성을보완하기위해손실계수를조절하여방진성능을개선할수있다. 고무에충전제를배합하여탄성률을높이는보강작용은고무와충전제의계면에서발생하는히스테레시스손실로인하여높은방진효과가있으며입자의크기, 구조, 표면활성등이영향을미친다. 카본블랙의첨가에의한손실계수의변화는고분자와카본블랙사이에일어나는내부마찰면적과고분자사이의내부마찰기회의변화로인한것이라고생각된다. 고무재료의방진성능을높이기위해서는많은에너지소비를일으킬수있는카본블랙을다량투입하거나분산도를높이는것이좋다. 2,3 본연구에서는층간소음을차단하기위해바닥진동제어패널시스템에적용최적의방진고무마운트를제조하였다. 진동에너지를효율적으로열에너지로변환하여최적화된완충성능을발휘할수있는부틸탄성체배합및형상을설계하였다. 또한방진고무가적용된진동제어패널시스템을디자인하고제조하여바닥충격음차단성능을평가하였다. 실험 1. 원료및배합본연구에서는카본블랙의종류와함량을다르게하여진동절연효과가우수한배합조성비를결정하기위해 Table 1과같이부틸탄성체를배합하였다. 부틸고무는 JSR Corporation 의 JSR butyl 268을사용하였다. 보강제로는코리아카본블랙 의 furnace black 계의 HAF(N330) 과 FEF(N550), cancarb의 thermal black 계의 thermax N990을사용하였다. 3가지카본블 Table 2. Physical Properties of Carbon Blacks and Bound Rubber Fraction of Butyl Rubber Compounds Containing Different Carbon Blacks Carbon black Iodine adsorption (g/kg) Particle size (nm) Bound rubber fraction (%) N330 79.7 26~30 51 N550 43.1 40~48 35 N990 11.2 280 0 랙을사용하였으며종류에따른물리적특성은 Table 2 에나타 내었다. 가교제와가교촉진제는 sulfur 와 tetramethylthiuram disulfide 를각각사용하였고가교조제는 zinc oxide 와 stearic acid 를사용했다. 부틸고무배합물을제조하기위하여냉각수순환방식의 open two roll mill 을사용하였으며고무를충분히소련 (mastication) 시킨 뒤카본블랙, 가교조제, 가교제및촉진제와기타첨가제들을 배합하였다. 배합된고무는레오미터 (DRM-100, 대경엔지 니어링 ) 를이용하여경화특성을측정하였다. 스코치시간 (ts 2 ) 과 90 % 경화시간에의거하여 15 MPa 의압력으로 180 에서 유압프레스를통해경화를시켜실험에필요한시험편들을 제조하였다. 2. 물리적특성 제조된부틸고무배합물의물리적특성은 KS M 6518 에 따라서유압프레스에서제조된 2 mm 두께의시트를아령형 1 호규격으로제작하여 UTM(Universal testing machine, 대경
Study on the Design of Butyl Rubber Compound and Noise Reduction System for Sound Insulation 97 (a) Lightweight impact test (equipment : tapping machine) Figure 1. Ball rebound resilience test. 엔지니어링 ) 을사용하여 500 mm/min 의속도로인장강도와신장률을측정하였다. 또한에너지손실을구하기위하여편리하고반복작업이쉬운반발탄성시험을 ball rebound tester 를사용하여진행하였다. 식 (1) 은측정계의전체에너지이고, 식 (2) 의 R ET 는손실반발탄성률이며, 식 (3) 에서 E R 은반발탄성계의손실에너지이다. 4 고무의경우점탄성물질로추가고무로낙하여충돌한뒤처음높이에못미치게되고, 이손실높이만큼의위치에너지가열로전환된다. Figure 1은반발탄성시험을도식화한그림이다. (b) Heavyweight impact test (equipment : bang machine) Figure 2. Pictures of floor impact sound test. 4. 동적점탄성분석 E TOTAL (J) = m b g h (1) R ET = 1-(h/h 0 ) (2) E R = R ET E TOTAL (3) 여기에서 m b 는추의무게, g 는중력가속도, h 0 와 h 는초기 높이와추가고무시편에떨어진뒤튀어오른높이를의미한다. 3. 결합고무함량 부틸고무배합물의가황전 1 g 의고무시료를 60 ml 의 톨루엔에담근후상온에서 1 주일이지난뒤꺼내어 70 의 진공오븐에서 24 시간동안건조시킨후톨루엔에용해되지 않은시료의무게를측정한다음식 (4) 에따라서계산하여 bound rubber fraction(brf) 를얻었다. (4) 손실계수는재료의변형시열로서방출되는에너지의양, 재료의방진성능또는내부마찰과관계가있다. 부틸고무배합물의손실계수를확인하기위하여 Alpha Technologies 의 RPA2000 (Rubber Processing Anlayzer 2000) 을사용하였으며 1 Hz, 10 % strain으로고정하고 30 ~ 80 의온도범위에서진행하였다. 5. 바닥충격음측정방진고무가적용된바닥진동제어패널시스템은 KOLAS 인증기관인 한국소음진동에서 KS F 2810-1( 경량충격음 ), KS F 2810-2( 중량충격음 ) 에근거하여바닥충격음차단성능을평가하였다. Figure 2에는측정한실제사진을나타내었다. Figure 2의 (a) 는경량충격음을측정한사진이고, Figure 2의 (b) 는중량충격음을측정한사진이다. 180 mm 두께의실험동 2층바닥에방진고무가적용된진동제어시스템을놓고그위에다시 50 mm 두께의마감몰탈을올려놓는다. 그위에표준경량또는중량충격원을설치하고충격음을발생시킨다. 충격원의설치위치는실의주변벽으로부터 50 cm 이상
98 Won-Taek Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 49, No. 2, pp. 95~102 (June 2014) 떨어진바닥평면내로중앙점부근의 1점을포함하여균등하게분포하는 4점에서측정하였다. 실험동 1층에서는마이크로폰으로충격음의음압레벨측정을진행한다. 결과및고찰 1. 카본블랙종류에따른물성 의물리적또는화학적결합이발생하여톨루엔에용해되지않은것을확인할수있었다. 천연가스의열분해로얻어지는 N990 카본블랙은고무에대해준보강성충전제 (semireinforcing filler) 이고구형입자상이대부분으로물리적흡착이어렵고 Taylor 등이지적한바와같이카본블랙표면의활성이낮아결합고무의형성이적은것으로알려져있다. 6 Figure 4는종류가다른카본블랙을배합한부틸고무배합 Table 2는카본블랙의입자크기에따른 IIR 고무컴파운드의 bound rubber fraction 을측정한결과를나타낸것이다. 요오드흡수가의증가에따라 bound rubber 함량이증가하는것을확인할수있었다. Bound rubber 의형성은소련과정에서고무분자가절단될때생성되는자유라디칼이활성을가진카본블랙의표면에화학적으로결합하거나물리적으로연결되는것으로알려져있다. 5 따라서표면적이크고입자크기가작은 N330 이첨가된배합물이더많은고무와카본블랙의상호결합으로인해 bound rubber 의함량이증가하는것으로판단된다. Figure 3은 bound rubber 의함량을측정하기위해카본블랙이첨가된고무배합물을톨루엔에넣은후건조시킨사진을나타낸것이다. N990 이첨가된배합물은 bound rubber 를거의형성하지못하고고무가톨루엔에거의용해되어 bound rubber 의함량을측정할수없었다. 그에반해 N330 은고무와카본블랙 (a) N330 (a) N330 (b) N550 (b) N990 Figure 3. Experiment method for measuring the bound rubber fraction. (c) N990 Figure 4. Rheocurves of butyl rubber compounds containing different carbon blacks.
Study on the Design of Butyl Rubber Compound and Noise Reduction System for Sound Insulation 99 Figure 5. Strength of butyl rubber compounds containing different carbon blacks. Figure 7. Damping factor of butyl rubber compounds containing different carbon blacks with temperature. Figure 6. Hardness of butyl rubber compounds containing different carbon blacks. Figure 8. Bound rubber fraction of the butyl rubber compounds with the contents of carbon black. 물의경화특성을나타낸그래프이다. 가황반응개시전의최저 torque값과최대 torque 값은 Table 2에나타낸카본블랙의요오드흡수가 (iodine adsorption) 가클수록증가하는경향을보였다. 이것은 bound rubber 함량의측정결과에서알수있듯이 N330 의카본블랙을사용했을경우고무와카본블랙의상호작용이증가하기때문에높은 torque 값을나타내었고 Figures 5와 6에서나타낸바와같이인장강도, 인열강도, 경도가높은것을확인할수있었다. 가황속도의경우에는요오드흡수가가가장낮은 N990 의카본블랙을사용했을때비교적느린것을확인할수있었다. Figure 7은 RPA를사용하여온도변화에따른부틸고무배합물의 damping factor 를측정한결과이다. 일반적으로방진고무의요구특성을보완하기위해 damping factor 를조절하여방진성능을개선할수있다. N330 카본블랙을첨가한고무배합물의 damping factor가가장높은것을확인할수있었다. Bound rubber 함량이높은배합물은일정한주기의변형을 받을때고무와카본블랙의마찰에의해서진동이감쇄되어 damping factor가증가하는것으로판단된다. 2. 카본블랙함량에따른물성 Figure 8은 N330 카본블랙의첨가량에따른부틸고무배합물의 bound rubber fraction을측정한결과를나타낸것이다. 65 phr까지카본블랙의함량이증가함에따라 bound rubber fraction이선형적으로증가하였고첨가량이 65 phr 이상에서는증가폭이작아지는것을확인할수있었다. 카본블랙의함량이증가하면소련과정중화학적으로결합하거나물리적으로연결되는 bound rubber fraction이증가하다가포화점에도달하게되면고무와카본블랙의결합, 카본블랙과카본블랙의결합이동시에존재할것으로판단된다. Figure 9에나타난바와같이 65 phr까지는형성된 bound rubber가증가되면서보강효과가향상되어인장강도가증가
100 Won-Taek Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 49, No. 2, pp. 95~102 (June 2014) Figure 9. Tensile strength of the butyl rubber compounds with the contents of carbon black. (a) front Figure 10. Rebound resilience of the butyl rubber compounds with the contents of carbon black. 하였지만그이상이첨가되면오히려감소하는것을확인할 수있다. 이는카본블랙의최적첨가량은고무와카본블랙간 의최대결합량에서형성된다는견해로볼때그이상의카본 블랙이첨가되면고무분자가충전된카본블랙사이의빈공간 들을모두채우지못하기때문에카본블랙과카본블랙의접촉 이고무와카본블랙간의접촉보다더많아짐으로써기계적 물성이저하되게된다. 7 Figure 10 은가황고무의점탄성특성과매우밀접한관련이 있는반발탄성의결과를나타낸그래프이다. 카본블랙의첨가 량이많아질수록고무배합물의반발탄성은감소하는경향을 나타내는데이는고무배합물에진동이가해지면카본블랙이 형성하는그물구조의사슬내에서마찰이일어나진동에너지 가열에너지로변환되기때문이다. 또한, 고무의비율이적어 짐에따라탄성거동영역이좁아지기때문에반발탄성이감소 하게되고진동감쇄능력이향상된다. 또한 65 phr 이상의 카본블랙이첨가되었을경우에는더이상반발탄성이감소하 지않는것을확인할수있었다. (b) bottom Figure 11. Shape of vibration absorbing rubber. 3. 방진고무의형상과적용 Figure 11 은실험을통해선정된부틸고무배합조성을토 대로설계된방진고무의형상이다. Figure 11 (a) 는방진고무의 정면을나타낸것이며윗부분의홈은플라스틱격자와결합하 기위한부분이다. Figure 11 (b) 의사진은방진고무의아랫부 분의사진이다. 방진고무의아랫부분에내입공간이바닥면에 맞닿아공기가외부로빠져나가지않는공간이생긴다. 이빈 공간에의해서상부에서전해진충격이감쇄되면서완충효과 를높일수있다. 이러한내입공간의형태를반구형으로설계 함으로서하중이발생될경우어느한쪽으로치우치지않고 안정적으로지지할수있게된다. Figure 12 (a) 는기존건물의 바닥구조이고 (b) 는기존의건축물에서층간소음을방지하기 위해사용된층간소음방지재와기포콘크리트를대신해서 플라스틱패널, 단열재, 방진고무가일체화된바닥진동제어 시스템이적용된바닥구조이다. 바닥에충격이가해지면충격 력이플라스틱패널과단열재에서 1 차적으로감쇄되고남은
Study on the Design of Butyl Rubber Compound and Noise Reduction System for Sound Insulation 101 (a) conventional floor structure Figure 12. Comparison of transmission characteristic of floor impact. (b) new floor structure with vibration absorbing rubber (a) Lightweight impact sound Figure 13. Results of floor impact test. (b) Heavyweight impact sound 충격력은부분적층구조로분산된다. 또한방진고무가없는 부분에는자체공기층이생겨아래의슬라브로전달되는충격 이저감된다. 4. 바닥충격음 Figure 2 에나타난바와같이제조된방진고무를적용한바 닥진동제어시스템에대한바닥충격음을측정하고그결과를
102 Won-Taek Kim et al. / Elastomers and Composites Vol. 49, No. 2, pp. 95~102 (June 2014) Figure 13에나타내었다. Figure 13 (a) 와 (b) 는측정된경량충격음과중량충격음의결과를나타낸것이다. 실험동맨바닥에바닥진동제어시스템을놓고그위에마감몰탈 (50 mm) 를올려놓은뒤 tapping machine 으로진동을가하여측정한경량충격음성능레벨을나타내고있다. 측정값은 1층수음실에서측정한잔향시간측정결과로부터산출된규준화바닥충격음레벨로서, 역 A특성기준곡선에의해산출된경량충격음단일수치는 40 db로측정되었다. 동일한시험바닥구조를준비한뒤 bang machine 으로진동을가하여측정한중량충격음성능레벨을나타낸것이다. 역 A특성기준곡선에의해산출된중량충격음단일수치는 43 db로측정되었다. 기존의바닥구조와달리부틸고무배합물의조성을구축하여제조된방진고무를적용하고소음차단효과가우수하도록디자인한진동제어시스템의바닥충격음을측정한결과국토교통부에서공시한표준바닥인정기준치 ( 경량충격음 58 db, 중량충격음 50 db) 보다우수한소음차단성능을나타내는것을확인하였다. 결론본연구에서, 층간소음을차단하기위하여플라스틱구조체, 단열재와함께함께일체화된패널형구조의바닥시스템에적용할수있는방진고무마운트를개발하였다. 표면적이크고입자크기가작은 N330 카본블랙이사용된배합물이물리적흡착이어렵고카본블랙표면의활성이낮은 N990 이사용된배합물보다 bound rubber 의함량이증가하여높은기계적물성을나타내며고무와카본블랙간의마찰에의해진동이많이감쇄되어높은 damping factor 를나타내는것을확인하였다. 또한 N330 의첨가량이증가함에따라 bound rubber 함량이선형적으로증가하다 65 phr 이상에서는증가폭이작아지는것을확인하였다. 인장강도또한 bound rubber 함량이증가하면서보강효과가상승되어선형적으로증가하였지만 65 phr 이상첨가되면카본블랙 -카본블랙접촉이고무-카본블랙간의접촉보다더많아져기계적물성이오히려저하되는것을확인하였다. Bound rubber 가증가하여고무배합물에진동이가해질경우카본블랙이형성하는그물구조의사슬내에서 마찰이일어나진동에너지가적어지고탄성거동영역이좁아 져반발탄성이감소하고충격흡수능력이향상되는것을확인 하였다. 따라서 N330 카본블랙 65 phr 을첨가한부틸고무 배합물이최적의물성과방진특성을갖는것으로판단된다. 본연구를통해제조된방진고무를적용한새로운바닥진 동제어시스템을설계하였다. 바닥진동제어시스템의바닥충 격음을측정한결과국토교통부에서공시한표준바닥구조의 바닥충격음기준 ( 경량충격음 58 db, 중량충격음 50 db) 보다 우수한경량충격음 40 db, 중량충격음 43 db 를나타내었다. 감사의글 본연구는중소기업청에서지원하는 2012 년도산학연공동 기술개발사업 (No.C0034011) 의연구수행으로인한결과물임 을밝힙니다. 본연구를위해재료를제공해주시고바닥충격 음시험을위해협조해주신소닉스시스템에감사드립니다. References 1. ( 사 ) 한국고무학회, 고무재료와가공기술, p. 47, 2008. 2. J. S. Youn, Rubber anti-vibration, vibration and cushioning properties, Elast. Compos., 31, 4 (1996). 3. D. H. Kang and S. M. Kim, Preparation and properties of polyorganosiloxane modified maleated EPDM/EPDM rubber vibration isolator, Appl. Chem. Eng., 21, 5 (2010). 4. C. Y. Park and B. Y. Sohn, Estimation of loss energy from the measurement returning time of rebound for carbon black-filled natural rubber compounds, J. Korean Inst. Chem. Eng., 35, 154 (1997). 5. 김완영, 이대수, 김윤섭, 카본블랙의종류와충전량이 NR Compund 의동적점탄성에미치는영향, 전북대학교논문집, 32, 105 (1990). 6. W. Y. Kim, D. S. Lee and B. C. Lee, A study on the vibration damping of natural rubber vulcanizates filled with various carbon blacks, Polymer(Korea), 20, 971 (1996). 7. C. H. Yoon, I. Lee, C. T. Cho and K. H. Chae, The study on the optimum loading of carbon black for the different kind of rubber compounds, Korean Inst. Chem. Eng., 7, 565 (1996).