한국섬유공학회지, 제 49 권제 4 호 2012 년 < 연구논문 > Textile Science and Engineering Vol. 49, No. 4, 2012 에어덕트용 PET 니들펀칭부직포의제조및물성에관한연구 배영환 도성준 1 한국생산기술연구원산업용섬유기술센터, 1 한국생산기술연구원바이오나노섬유융합연구그룹 (2012. 6. 29. 접수 /2012. 8. 7. 채택 ) A Study of the Manufacturing Process and Physical Properties of Needle Punched PET Nonwovens for an Air Intake Duct Younghwan Bae and Song Jun Doh 1 Technical Textile Technology Center, Korea Institute of Industrial Technology, Ansan 426-791, Korea Department of Textile Convergence of Biotechnology & Nanotechnology, Korea Institute of Industrial Technology, Ansan 426-791, Korea (Received June 29, 2012/Accepted August 7, 2012) Abstract: An air intake duct is an automotive part for transferring outside air to the internal combustion engine where the air and fuel are mixed and consumed. While this part has been primarily made of engineering plastics, many manufacturers are attempting to apply textile nonwovens due to their superior sound absorbing performance and lightweight characteristics. In this paper, we studied the manufacturing process of needle punched nonwoven fabric and analyzed various properties in order to investigate the applicability of textile nonwoven as a material for automobile air intake ducts. The nonwoven web was prepared by opening, mixing and carding PET staple fibers and binder fibers. The web was physically bonded by the needle punching process. In addition, we applied heated air through the nonwoven web to improve the mechanical properties of the needle punched nonwoven fabrics by the thermal bonding of interlocking constituent fibers. The results of the tensile test of the nonwoven demonstrated that the hot air treatment to the needle punched nonwoven decreased the elongation of nonwoven, which significantly affects the processability of the air duct production process. Also, the porous structure of the nonwoven improved the sound absorbtion property compared to normal PP plastic. Therefore, the air intake duct made of PET needle punched nonwoven could contribute to decreasing the noise level inside automobiles. Keywords: air intake duct, needle punched nonwoven, physical properties, sound absorbtion, automobile 1. 서론 자동차용소재및부품은수요자의요구에따라좀더안전하면서편리하게변화해왔을뿐만아니라현재는차내멀티미디어시스템, 음성인식, 내부음향등편의성에대한요구도증가하였다. 따라서이런요구에대한충족이자동차디자인을결정짓는중요요소이며자동차산업에서의경쟁력이라할수있다. 특히, 자동차의소음진동과관련한많은연구들이최근진행되어오고있으며, 이러한연구들은자동차제조업체들이차내의소음을감소시키기위해노력하고있음을보여주는것이며앞으로도차내소음을줄이려는연구는계속적으로이루어질것으로전망된다 [1]. 자동차내의소음은외부로부터공기전달로인해차내로 Correspondence to Song Jun Doh (wolfpack@kitech.re.kr) c 2012 The Korean Fiber Society 1225-1089/2012-4/263-07 유입되는소음과차량자체를구성하고있는각종장치의진동에의해발생하는소음으로나눌수있다. 특히외기가덕트를거쳐차내로유입될때덕트자체가소음의증폭및전달관과같은기능을함으로써, 자동차실내에전달되는소음은상당한것으로알려져있다 [2-4]. 자동차로흡입되는공기는에어크리너 (air cleaner) 를거쳐공기중의먼지입자와같은오염물질이제거된상태로엔진에공급된다. 이때에어크리너에연결되어외기를전달하는부품을에어덕트라고한다 [5]. 기존의자동차용에어덕트는주로엔지니어링플라스틱소재로제조되고있다. 이러한플라스틱덕트는공기가흡입되면서발생하는소음등을증폭시킬수도있다는문제점이있으며이와는별도로자동차의경량화측면에서도플라스틱보다경량의대체용물질이요구되고있는실정이다. 따라서유럽및일본에서는플라스틱덕트를직물이나부직포로의대체를시도하고있으며실제로고급형실차에적용되고있다. 직물의경우일반적으로면사를직조하여이용하고있지만 263
264 배영환 도성준 그공정이복잡하고노동력을요하여단가상승의원인이된다는단점이있다. 이에반해부직포의경우부직포제조후일정한틀에온도와압력을가하거나와이어가형태를유지하고부직포밴드 (band) 가이를감싸는방식으로덕트형태로용이하게만들수있는공정상이점이있다. 이러한부직포는공극률이우수하기때문에흡음재로서의역할도뛰어나다 [6]. 다공성흡음재는폴리우레탄폼과같은 cellular 형태와섬유형상의물질이간극을유지하고있는 fibrous 형태, 모래알갱이와같은 granular 물질과같이세종류로크게분류할수있다. 그중부직포는 fibrous 형태의흡음소재로부직포내에존재하는수많은공극을통해소리가통과하게되면음향에너지가구성섬유의진동및열에너지변환으로인해음향에너지는소실된다. 따라서부직포를이용하여에어덕트를제조하면차량의경량화뿐만아니라차내소음을낮출수있다 [7-10]. 현재국내에서는자동차에사용되는에어덕트용부직포와관련한연구가많이이루어지고있지않은실정이다. 본연구에서는부직포밴드를이용해서제조하는스파이럴 (spiral) 형태의부직포덕트에적용가능한기본소재를제조하고자하였다. 따라서물성이우수하며흡음재료로많이이용되고있는 PET 단섬유를이용하여니들펀칭부직포를제조하였으며, 형태안정성과물성을향상시키기위해열처리를함으로써나타나는부직포의물성및흡음성을측정하여, 에어덕트용부직포소재로서의적용가능성을살펴보았다. 2. 실험 2.1. 실험재료 Table 1 에나타내었듯이본실험에서는일반단섬유 PET 와 sheath-core 형태의저융점 PET(Woongjin Chemical Co., Ltd.) 를혼섬하여사용하였다. 저융점 PET 의혼섬은열풍처리시소재의열처리효율을높이기위한것이며혼섬비율은일반 PET 와저융점 PET 9:1 로고정하였다. 2.2. 시편준비원면을혼섬한후 Table 2 에나타낸조건으로카딩을통해웹을형성시키고크로스랩퍼를이용하여적층시킨후니들펀칭기를이용하여부직포를제조하였다. 카드기 (KYOWA) 는 60" 의규모의장비를이용하였으며니들펀칭 Table 1. Physical properties of staple fiber Fiber types Fineness (denier) Length (mm) T m ( o C) Luster Regular PET 3 51 255 Black Low melting PET 5 51 110 SD Table 2. Conditions of the carding process Breast Main Components Roller diameter (mm) Speed (rpm) Cylinder 700 430 Worker 170 10 Stripper 90 1040 Cylinder 1230 850 Worker 162, 214 12 Stripper 90 810 Doffer 1230 26 Table 3. Condition of the needle punching process No. of needle punching Strokes (min) Penetration depth (mm) Pre Main Pre Main Draft Specific number of penetrations (cm -2 ) 1 850 1200 14.0 55.0 2.23 335 2 600 1000 4.7 55.0 1.12 488 기 (SAMHWA) 는수직단방향의프리니들펀칭기 (single board) 와메인펀칭기 (double board) 로구성되어있고 3.5" 길이의일반펠팅침이장착되어있는장비를이용하였다. Table 3 에니들펀칭공정조건을나타내었듯이적층된웹을프리펀칭과메인펀칭을각각 1 회씩통과시켜니들펀칭 1 회샘플 (NP1B) 을제조하였고펀칭 1 회샘플을다시니들펀칭하여 2 회샘플 (NP2B) 을제조하였다. 니들스트로크수는부직포의강도를높이고신율을낮추기위해니들펀칭 1 회시부터최대로하였다. 각부직포샘플의침침투수 (a, specific number) 는식 (1) 를통해계산하여표에나타내었다. a = 2nk ----------------------------- ( cm 2 ) (1) 10 4 ( v 1 + v 2 ) 여기서, v 1 : 공급속도 (m/min) 여기서, v 2 : 송출속도 (m/min) 여기서, n: 스트로크수 (min -1 ) 여기서, k: 단위길이당침수 (m -1 ) 또한니들펀칭부직포에형태안정성을부여하기위하여텐터프레임 (tenter frame) 이갖춰진열풍처리기 (COATEMA) 를이용하여니들펀칭 1회샘플과 2회샘플을각각열처리 (NP1A, NP2A) 하였다. Table 4에나타낸것과같이열풍처리온도는고정하였으며실험변수는니들펀칭횟수와열풍처리유무로샘플별로물성및흡음성을비교하였다. 여기서장력은열풍처리시부직포의길이방향으로미치는값이다. 샘플의방향성은카드기에서나온웹이크로스랩퍼를통해직교방향으로이동하는컨베이어에적층되 한국섬유공학회지, 제 49 권제 4 호 2012 년
265 에어 덕트용 PET 니들펀칭 부직포의 제조 및 물성에 관한 연구 Table 4. Preparation conditions of test samples Sample symbol No. of needle punching NP1B NP2B NP1A NP2A 1 2 1 2 Air through bonding process Zone Speed Temp. Tension (m) (m/min) (oc) (N) 6 5 180 80 6 5 180 80 는데 컨베이어의 진행방향 즉, 부직포 원단의 길이 방향을 MD 그 수직 방향인 폭 방향을 CD로 정하였다. 2.3. 실험 분석 부직포의 강도 및 신율: 부직포가 덕트 형태를 유지하기 위해서는 일정 이상의 강도 및 신율을 가져야한다. 또한 밴 드(폭 30 mm) 형태로 제조된 부직포를 접착제와 와이어를 이용하여 덕트 형상으로 성형 파이프에 와인딩시 밴드에 약 30 N의 장력이 가해지게 된다. 이때 장력이 가해지면 부직포가 신율이 높을 시(6% 이상) 밴드의 폭이 감소되어 스파이럴 형태의 덕트 제조상 문제점이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 인장 시험시 특정 하중값(15 N, 30 N)에서 의 신율값을 측정, 비교하였다. 측정 시편은 제조한 니들펀 칭 부직포를 공정별로 5개씩 폭 30 mm, 길이 250 mm의 크기로 채취하였다. Universal Testing Machine(Hounsfield, USA) 장비를 이용하였으며 시험방법은 KS K ISO 90733에 의거하여 클램프 간격을 200 mm로 두고 100 mm/min 로 정속 신장시켜 각 샘플별로 부직포의 기계적 방향(MD) 과 수직 방향(CD)으로 강도 및 신율을 측정하였다. 공기투과도 측정: 덕트는 공기가 이동하는 통로로 공기 투과도가 너무 높아서 덕트 외부로의 공기손실이 많아도 Figure 1. Schematic diagram of two microphone impedance tubes. 안되지만 열풍 등에 의해 부직포 기공률이 낮아지게 되면 흡음률도 낮아지게 된다. 따라서 부직포 제조 조건에 따라 서 소재의 공기투과도를 각 샘플별로 비교해 보았다. 시험 방법은 ASTM D737에 따라 종류별로 부직포 원단에서 5개씩 시편을 채취 후 중량 측정과 함께 공기투과도 측정 기(FX 3300, TEXTEST AG)를 이용하여 125 Pa 공기압에 서 l/dm2/min 단위로 측정하였다. 흡음률 측정: 흡음률 측정은 KS F 2814-2에 따라 Figure 1에 나타낸 흡음시험기(SCS9020B, 01dB-Metravib)를 이용 하여 규정된 관 내부에 부직포를 부착하고 정재파를 발생 시켜 흡음률을 측정하는 관내법을 사용하였다. 시편은 저 주파용과 고주파용 구분하여 각각 지름 28 mm와 100 mm 크기로 채취하여 흡음률을 측정하였다. 3. 결 과 3.1. 부직포의 표면 및 중량 Figure 2에 각 샘플별 니들펀칭한 부직포의 열풍처리 전 후 SEM 사진을 나타내었다. PET 섬유가 랜덤하게 교락되 어 있는 것을 확인할 수 있었으며 니들펀칭 횟수에 따른 섬유의 교락이나 밀집 정도는 표면상 큰 차이가 없었으며 고속의 니들펀칭에 의한 섬유 손상도 보이지 않았다. 그러 Figure 2. SEM images of needle punched nonwoven fabric, 500 magnification. Textile Science and Engineering, Vol. 49, No. 4, 2012
266 배영환 도성준 Table 5. Specifications of nonwoven samples Sample symbol Basis weight (g/m 2 ) Thickness (mm) Density (g/cm 3 ) NP1B 247.0 1.50 0.164 NP2B 234.7 1.40 0.167 NP1A 236.3 1.47 0.160 NP2A 212.6 1.28 0.166 나열풍처리유무에따른차이점은나타났는데열풍처리이전에는섬유표면이매끄러웠으며융착점이보이지않았으나열풍처리한 NP1A 와 NP2A 의표면을살펴보면섬유의표면이굴곡져있는것을볼수있었으며특정부분에서는섬유가열풍에의해융착되어있는것을확인할수있었다. 열풍처리온도를감안하였을때섬유가융착된부분은일반 PET 가아닌저융점 PET 라고판단된다. 따라서부직포제조시저융점 PET 의혼섬비율을높이면열풍처리에따라서부직포의물성변화가크게나타날것이라예상되었다. 샘플의중량과두께는 Table 5 에나타내었다. 표에나타낸것과같이니들펀칭횟수를 1 회에서 2 회로증가시켰을때부직포의중량이약 5% 정도감소하고두께도얇아졌다. 열풍처리에의해서도부직포의중량및두께역시감소하였는데일반적으로열을가하게되면부직포가열수축되면서중량및두께가상승하겠지만폭이고정된상태에서열풍처리시부직포 MD 로작용되는장력의영향으로중량이감소된것으로판단된다. 부직포밀도는니들펀칭 1 회샘플보다니들펀칭 2 회샘플이약간높았으며동일니들펀칭조건에서열풍처리샘플이처리전보다약간낮게나타났다. 그러나전체적으로중량이감소하면서두께역시감소하였기때문에제조조건에따른부직포밀도는큰차이가없었다. 3.2. 부직포의강도및신율 Table 6 에최대하중과신율을나타내었으며제조된부 Table 6. Tensile test results of needle punched nonwoven Sample symbol NP1B NP2B NP1A NP2A Max load (N) MD 271.6 (6.91) 264.0 (3.78) 271.6 (2.62) 232.2 (3.54) CD 372.8 (4.24) 330.4 (3.12) 366.4 (4.08) 306.4 (5.15) Elongation (%) at max MD 51.4 (4.30) 52.6 (5.06) 43.3 (2.27) 45.5 (5.90) CD 48.7 (1.74) 43.2 (3.63) 43.8 (3.08) 44.5 (4.04) Figure 3. Load-extension curve of needle punched nonwoven fabric for the mechanical direction. Figure 4. Load-extension curve of needle punched nonwoven fabric for the cross direction. 직포의이방성을고려하여길이방향과폭방향을구별하여하중 - 신장곡선을각각 Figure 3 와 Figure 4 에나타내었다. 표에나타난바와같이최대하중값은열처리나니들펀칭횟수와관계없이 MD 보다는 CD 가높은경향을나타내었다. 이는카딩되어적층된웹이이동하는진행방향의크로스로섬유배향이이루어졌기때문에나타난결과이다. 니들펀칭횟수의증가는최대하중값의증가로나타나지않았다. 일반적으로펀칭횟수가증가할수록적층된웹에서섬유결합이많이이루어지겠지만본연구에서는펀칭 1 회시부터최대스트로크로제조하였기때문에웹내부의섬유결합이최대로이루어진상태라고생각된다. 따라서니들펀칭 1 회샘플과 2 회샘플의시험결과를비교해보면 MD, CD 모두펀칭 2 회시최대강도가 1 회시보다약간낮아진것을확인할수가있는데이는일정이상섬유결합이이루어졌을때펀칭횟수를증가시키면중량손실, 섬유손상등으로오히려강도가저하될수있다는것을보여준다. 특히 NP2A 의샘플은 2 회의니들펀칭으로 한국섬유공학회지, 제 49 권제 4 호 2012 년
에어덕트용 PET 니들펀칭부직포의제조및물성에관한연구 267 Table 7. Elongation of needle punched nonwoven at 15 N and 30 N load Sample symbol 15 N load 30 N load Extension Elongation Extension Elongation NP1B MD 15.74 mm (11.13) 7.87% 32.33 mm (8.8) 16.17% CD 20.28 mm (10.63) 10.14% 38.57 mm (6.19) 19.29% NP2B MD 14.67 mm (13.54) 7.34% 31.56 mm (8.89) 15.78% CD 17.86 mm (12.49) 8.93% 29.49 mm (4.35) 14.75% NP1A MD 1.29 mm (6.53) 0.65% 2.86 mm (4.37) 1.43% CD 1.92 mm (4.61) 0.96% 4.98 mm (5.63) 2.49% NP2A MD 1.86 mm (7.18) 0.93% 5.22 mm (20.75) 2.61% CD 2.97 mm (12.84) 1.49% 11.63 mm (21.56) 5.82% 중량이감소된상태에서 MD 로장력을받으면서열풍처리과정을거쳐구성섬유간의결합력이오히려저하된결과를보였다. NP1A 샘플은 NP1B 와비교하여열풍처리후 MD 는비슷한강도를보였지만 CD 는약간강도가낮아졌다. 그러나부직포를밴드형태로가공하여에어덕트제조시발생되는인장력은주로 MD 로가해지며또한부직포의최대강도뿐만아니라신율도고려되어야만한다. 최대하중값에서의신율을비교해보면전체적으로 MD 보다 CD 가더낮게나타났으나열풍처리를함에따라신율이감소하면서 MD, CD 비슷한신율을보였다. Table 7 에는하중 15 N 과 30 N 에서의신율을나타내었다. 최종적으로와이어를이용하여부직포덕트를제조할때 30 N 이하에서의신율이약 6% 이하가되어야공정이용이하기때문에인장강도시험시하중 15 N 과 30 N 에서니들펀칭횟수및열처리에유무에의한신율차이를비교해보았다. 표에나타난것처럼열풍처리이전에는니들펀칭 1 회시보다 2 회시신율이약간낮아졌으나니들펀칭 2 회, 열풍처리한샘플의신율이니들펀칭 1 회, 열풍처리한샘플보다신율이더높게나타났다. 따라서본연구에서는부직포제조조건인니들펀칭횟수가부직포의신율에영향을크게주지않는다고판단되었지만열풍처리유무에따른신율변화는크게나타났다. 열풍처리를하지않은 NP1B 와 NP2B 모두 MD, CD 방향약 15% 이상의신율을보였지만열처리과정에의해 NP1A 와 NP2A 샘플모두신율이 6% 이하로낮아진것을볼수있었다. 이는 SEM 사진에도나타났듯이열풍처리공정에서저융점 PET 의 sheath 부분이열풍에의해녹아접착제와같은역할을하였기때문에신율이낮아진것으로생각되며, 에어덕트제조시신율의감소에따라서인장력에의한부직포밴드의폭수축을열풍처리로줄일수있을것이라판단되었다. 3.3. 부직포의공기투과도및흡음성능 Figure 5 에각샘플별공기투과도를나타내었다. 부직포의공기투과도는 NP2A 샘플이 555 l/dm 2 /min 로가장높 Figure 5. Air permeability s of needle punched nonwoven depending on the process condition. 게나타났으며 NP1B 샘플이 492 l/dm 2 /min 로가장낮게나타났다. NP2A 샘플은 2 회니들펀칭및열풍처리공정을거치면서중량손실이발생하였으며두께역시감소하였기때문에공기투과도가높게나타난것으로판단된다. 중량이비슷했던 NP2B 와 NP1A 샘플의경우열풍처리한 NP1A 가더우수한공기투과성능을보였다. 공기에의해서자동차실내에발생되는소음은저주파에서고주파영역까지광범위하기때문에흡음률은저주파영역과고주파영역을구분해서측정하여 Figure 6 과 7 에나타내었다. 동일소재를이용하여제조하였기때문에전체적인흡음률은큰차이를보이지않았지만니들펀칭 1 회시보다 2 회시흡음률이낮아졌으며열풍처리를하면흡음률이미세하게상승하였다. 따라서제조시편중에서저주파및고주파영역모두니들펀칭 1 회, 열풍처리샘플인 NP1A 의흡음률이가장높았으며니들펀칭 2 회, 열풍처리전샘플인 NP2B 가흡음률이낮게나타났다. NP2A 의경우공기투과도가우수하여흡음률역시높을것이라생각되었지만부직포의흡음성능은소재의종류나부직포의두께, 기공률등에영향을받기때문에두께가얇아흡음률이높게나타나지않았다. 일 Textile Science and Engineering, Vol. 49, No. 4, 2012
268 배영환 도성준 Figure 6. Sound absorption of needle punched nonwoven in the low frequency range(200~1450 Hz). Figure 7. Sound absorption of needle punched nonwoven in the high frequency range(1100~5000 Hz). 반적인 PP plastic sheet( 중량 760 g/m 2, 두께 1.0 mm) 와비교시저주파영역 (200~1400 Hz) 에서는부직포샘플의흡음률이약간높았으며고주파영역 (1000~5000 Hz) 에서는부직포샘플의흡음률이확연히높았다. 특히일반흡음재로널리이용되고있는 glass wool( 중량 670 g/m 2, 두께 10.0 mm) 과비교해서저주파영역에서는 glass wool 에비해부직포흡음률이낮았지만고주파영역에서는니들펀칭부직포의흡음률이더우수하였다. 따라서부직포밴드를이용하여덕트를제조하게되면흡음성측면에서기존플라스틱덕트에비해우수한성능을보일것이라고생각된다. 4. 결론 본연구에서는경량화및소음감소를목적으로기존자동차에사용되는플라스틱소재의에어덕트를대체하기위한니들펀칭부직포를제조하였다. 부직포제조시펀칭횟수와열풍처리의유무에따른물성및흡음성을비교평 가하여다음과같은결론을내렸다. 1. 열풍처리후부직포의특정부분에서융착점이나타났으며섬유가녹아굴곡되어있는모습을볼수있었다. 2. 동일중량에서일정이상의니들펀칭은부직포의강도를저하시켰으며열풍처리를하면섬유간융착이발생되어신율이낮아졌다. 따라서저융점 PET 를일정비율혼섬하는것이열풍처리효율을높이기위한방법이라판단된다. 3. 하중 30 N 에서열풍처리이전샘플의신율은 15% 이상이었지만열풍처리후신율이 6% 이하로낮아졌다. 따라서덕트제조공정용이성을높이기위해강도를높이고신율을낮추려면적절한니들펀칭과함께열풍처리공정을거쳐야된다. 4. 공기투과도는니들펀칭 2 회및열풍처리한부직포샘플이가장높았으나이는니들펀칭에의한중량손실에의해나타난결과로판단되며비슷한중량에서는니들펀칭 1 회, 열풍처리한샘플의공기투과도가우수하였다. 5. 일정이상의니들펀칭은오히려흡음률의저하를가져왔으며열풍처리를함으로써흡음률을높일수있었다. 6. 흡음재로널리이용되는 glass wool 에비해저주파영역에서는흡음성능이낮았지만고주파영역에서는 PET 니들펀칭부직포가우수한흡음성능을나타냈다. 7. 일반 PP plastic sheet 흡음률과비교하여저주파고주파영역모두니들펀칭부직포의흡음성이상대적으로우수하였다. 따라서 PET 니들펀칭부직포를이용하여에어덕트를제조할시차내소음감소에기여할것으로판단된다. 참고문헌 1. H. Douville, P. Masson, and A. Berry, On-resonance Transmissibility Methodology for Quantifying the Structureborne Road Noise of an Automotive Suspension Assembly, Appl Acoust, 2006, 67, 358-382. 2. K. S. Cho, B. Y. Kim, N. K. Cho, and H. S. Kim, Needle Punched Nonwoven Fabrics for Automobile Interior Application, Text Sci Eng, 2009, 46(4), 212-214. 3. K. Genuit, The Sound Quality of Vehicle Interior Noise: a Challenge for the NVH-engineers, Int J Vehicle Noise Vibration, 2004, 1, 158-168. 4. Y. S. Kim and D. J. Lee, Numerical Analysis of Internal Combustion Engine Intake Noise with a Moving Piston and A Valve, J Sound Vib, 2001, 241(5), 895-912. 5. J. Erajavec and R. Scharff, Automotive Technology: A Systems Approach, 2nd ed., Delmar, 1996, pp.272-279. 6. B. S. Kim, G. J. Kim, and T. K. Lee, The Identification of Tyre Induced Vehicle Interior Noise, Appl Acoust, 2007, 한국섬유공학회지, 제 49 권제 4 호 2012 년
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