A Study on Sound Absorption of Polyester Dry-laid Nonwovens

폴리에스터 건식부직포의 흡음성 연구

Abstract

Sound absorbing materials are being developed in various materials and shapes and they are being applied in many fields such as construction, transportation, civil engineering, and sound. Among many sound-absorbing materials, polyester fiber has no environmental problems and harmfulness, and is a material with good sound absorption properties while being inexpensive. So it is manufactured as a nonwoven sound-absorbing material and used in various fields. In this study, polyester dry-laid nonwoven with different basis weight were manufactured using three types of polyester staple fibers: regular solid, single-hole hollow, and low linear density. We focused on the effects of the properties of the fibers, which constitute nonwovens, on the sound absorption properties, and we considered the basis weight. As the basis weight of the nonwoven fabric increased, the pore size became smaller and the air permeability was lowered, but the sound absorption coefficient was higher. However, the single-hole hollow polyester fiber did not contribute to the increase of the sound absorption coefficient of the nonwoven. It was established that, lower fiber fineness caused the sound absorption coefficient of the nonwoven to be increased. It was also found that the increase in the sound absorption coefficient due to the application of low fineness appeared from a certain basis weight or more.

1. 서론

소음은 인체에 불쾌감을 주는 소리를 일컫으며, 인간에게 직간접적으로 영향을 미친다. 소음 정도에 따라 인간의 스트레스 수치는 반응을 하며 신체, 생리적 리듬을 저해하는데, 이런 소음을 강제적으로 차단 또는 흡수시켜 소음을 줄이고자 하는 연구가 현대에 와서 많이 이루어지고 있다¹⁾. 따라서 소음을 줄이거나 없애기 위해 음파가 통과하지 못하도록 하는 차음재를 사용하거나, 음파를 흡수하여 음에너지를 소실시키는 흡음재를 사용한다.

한편 차음이란 구조체 표면에서 음을 흡수하는 흡음과 달리 음을 반사, 흡수하여 그 입사된 음이 투과하는 것을 막는 것을 의미하며 흡음은 재료표면에 입사하는 음의 에너지가 마찰저항, 진동 등에 의해 열에너지로 변하는 현상을 말한다^{1, 2)}. 이런 차음과 흡음원리를 이용하여 다양한 소재와 형태로 흡차음재가 개발되고 있으며 건축, 수송, 토목, 음향 등 많은 분야에 응용이 되고 있다¹⁾.

흡음 소재로는 폴리우레탄 폼과 같은 발포 재료와 유리면, 미네랄울, 폴리에스터와 같은 섬유소재가 있으며 제품으로는 대표적으로 3M사의 신슐레이트(Thinsulate^TM)가 있다^{3, 8)}. 전통적으로 유리섬유와 폴리우레탄 폼을 흡음재로 많이 활용하였으나 근래에 와서는 환경문제, 유해성, 안전성 문제 등으로 법적으로 사용 규제 제한을 받고 있으며 미네랄울은 유해성이 없고, 성능은 우수하나 가격이 높고 취급 편의성이 낮은 문제가 있어 사용환경에 따른 흡음재의 소재 선택은 매우 중요해졌다^4-8).

이 중 폴리에스터 섬유는 안전성, 환경성, 유해성 등으로부터 비교적 자유로우며 저렴하고, 가공성이 우수하고, 소재 자체 흡음률도 높아 부직포 흡음재로 제조되어 다양한 분야에 활용되어지고 있으며 관련 연구개발이 활발히 이루어져 왔다^9-11). Lee 등은 폴리에스터 극세섬유와 일반 폴리에스터 섬유를 이용하여 섬유 웹의 배열과 부포직 표면의 거칠기, 패널층의 종류가 흡음 성능에 미치는 영향을 조사하였으며⁹⁾, Kucuk 등은 폴리에스터, 폴리프로필렌, 양모, 면, 아크릴 섬유를 혼합하여 이중 층 복합 부직포를 제조한 후 층의 배열 구조와 섬유조성에 따른 흡음률에 대한 연구를 수행하였다¹⁰⁾. Sakthivel 등은 재생 폴리에스터와 면섬유를 열접착, 화학적, 열/화학적 복합방법 중 열/ 화학적 결합방법이 다른 두 가지 결합방법보다 부직포 흡음성에 유리하다는 연구 결과를 발표하였다¹¹⁾. Lee 등은 중공률, 선밀도, 구조가 다른 중공 폴리에스터 섬유를 이용하여 차량용 흡음 부직포를 제조하고 실차적용 테스트를 수행하여 중공률을 높일수록 흡음성 향상과 경량화에 기여할 수 있다고 발표하였다¹²⁾.

본 연구에서는 세 종류의 폴리에스터 단섬유를 주재료로 차량, 토목건축 분야에 활용할 수 있는 흡음재용 폴리에스터 건식 부직포를 제조하여, 서로 다른 섬유 형태를 가진 섬유가 부직포 흡음 성능에 미치는 영향과 평량 증가에 따른 흡음 상승률을 조사하고자 하였다. 또한 부직포의 공극률, 공기투과도, 기공크기, 기공분포 등과 흡음률과의 상관관계에 대해 고찰하여 폴리에스터 흡음재 설계에 활용할 수 있는 기초연구를 수행하고자 하였다.

2. 실험

2.1 재료

본 연구에서는 섬유 형태에 따른 흡음성을 파악하기 위해 Table 1에 나타낸 것과 같이 1.4데니어와 7데니어 일반 폴리에스터(Huvis Co., Ltd., Korea) 단섬유, 7데니어 중공 폴리에스터(Huvis Co., Ltd., Korea) 단섬유 3종을 부직포 제조 주원료로 사용하였으며, 바인더(binder) 섬유로 저융점(low melting temperature) 폴리에스터 2데니어, 5데니어(Huvis Co., Ltd., Korea) 단섬유를 30% 비율로 혼섬하여 사용하였다.

Table 1. Polyester staple fiber specifications for dry-laid nonwoven

2.2 시편 준비

부직포 시편 제조는 Table 2에 나타낸 것과 같이 섬유 굵기가 다른 2종의 일반 폴리에스터와 중공사 폴리에스터 1종을 적층 시 층간 박리가 되지 않게 충분히 열융착이 되도록 저융점 폴리에스터 단섬유와 7:3 비율로 각각 혼섬하여 Figure 1에 나타낸 것과 같이 오프닝, 카딩, 니들펀칭을 통해 부직포 3종을 1 차 제조하였다. 이렇게 제조한 3종의 시편을 한 겹, 두 겹, 세 겹, 네 겹으로 각각 쌓아 더블 벨트 프레스로 두께 제어를 하면서 열접착하여 Table 3에 나타낸 것과 같이 총 12종의 시편을 제조하였다. 여기서 시편의 공극률(porosity)은 식(1)을 통해 계산하였다¹³⁾.

\(\varepsilon(\%)=\left[1-\left(\frac{\rho_{\mathrm{w}}}{\rho_{f}}\right)\right] \times 100\)       (1)

where,

\(\varepsilon\) = Porosity

\(\rho_{w}\) = Fabric density

\(\rho_{f}\) = Fiber density

Table 2. Mixing ratio of the staple fibers for preparations of the PET nonwoven

Figure 1. Schematic diagram of manufacturing process for dry-laid polyester nonwoven.

Table 3. Fabric properties of needle-punched and thermally-bonded nonwovens

2.3 특성 평가

제조한 12종 시편의 중량, 두께를 측정하고, 주사전자현미경 (SU-8010, HITACHI, Japan)을 이용하여 시편표면을 관찰하여 섬유직 경과 결합 형태를 살펴보았다. 기공특성에 따른 흡음 성능의 영향을 파악하고자 공기투과도기(FX 3300, TEXTEST AG, Germany)를 이용하여 시편의 통기도를 125 Pa에서 측정하고, 기공특성분석 장비(CFP-1500AEX, PMI Porous Materials Int., USA)로 galwick(15.9 dynes/cm)을 습윤제로 활용하여 ASTM F316 규격에 따라 기공크기 및 기공분포를 조사하였다. 흡음률은 KS F 2814-2에 따라 Figure 2에 나타낸 흡음시험기 (SCS9020B, 01dB-Metravib, France)를 이용하여 규정된 관내 부에 저주파(Φ100mm)와 고주파(Φ28mm) 시편을 부착하고 정재파를 발생시켜 측정하였다.

Figure 2. Schematic diagram of two microphone impedance tube for testing sound absorption coefficient.

3. 결과 및 고찰

3.1 건식부직포의 물성 분석

제조된 시편들은 층간박리가 발생하지 않았으며 구조적으로 안정적이었으나 섬유 소재 특성상 시편의 중량과 두께를 정밀하게 제어하기 매우 어렵기 때문에 각각의 비교대상 시편들 사이에 약간의 편차가 발생하였다. 그러나 각 시편 특성에 따라 대상을 선택할 수 있기 때문에 물성 비교 분석이 가능하다 판단되었다.

Table 3에 나타낸 것과 같이 RF, HF, SR의 총 공극률은 유사하였지만 HF의 경우 중공섬유로 구성되어 있어 겉보기 공극률이 낮기 때문에 공기가 투과할 수 있는 열린 공극은 일반 솔리드 폴리에스터 섬유로 구성되어 있는 RF에 비해 더 적을 것으로 생각되었으며 실제 SEM과 기공분석 결과에서도 HF 구성 섬유 직경과 기공 크기가 크게 나타났다.

Figure 3에 나타낸 것과 같이 SEM을 이용하여 시편의 표면을 관찰한 결과 각 시편 모두 니들펀칭에 의해 섬유가 교락 되어 있으면서 열처리에 의해 저융점 폴리에스터의 시스(sheath) 부위가 녹은 융착점이 전부위에서 발견되었다. 섬유 직경은 본딩 섬유인 저융점 폴리에스터를 포함하여 HF 시편을 구성하고 있는 섬유 직경이 평균 33.7 ㎛로 가장 컸으며, RF 시편의 섬유 직경은 28.2 ㎛, SR 시편의 섬유직경은 14.3 ㎛ 순이었다. 따라서 섬유 직경이 가장 작은 SR이 섬유 교차점이 가장 많은 것으로 보아 섬유 엉킴이 가장 많이 이루어져 있는 것으로 보였으며 직경이 가장 큰 HF가 가장 적은 엉킴을 보였다.

Figure 3. SEM images of the dry-laid nonwovens prepared by needle-punching and thermal-bonding.

3.2 건식부직포의 기공특성 분석

Figure 4에 나타낸 것과 같이 공기투과도를 측정한 결과 시편 전체적으로 적층수가 증가하면서 통기도는 낮아졌으며, RF 시편 시리즈가 HF에 비해 중량이 다소 높았음에도 통기도가 약간 높게 나타났고, 섬유 직경이 가장 작은 SR 시편이 가장 낮은 통기도를 보였다. HF 시편은 총 공극률은 RF와 비슷하였지만 겉보기 공극률이 RF에 비해 낮기 때문에 통기도가 다소 낮게 나타난 것으로 판단된다.

Figure 4. Air permeability of the dry-laid nonwovens according to fiber types and the number of nonwoven layers.

SR 시편은 구성 섬유의 직경이 가장 작았기 때문에 Figure 5의 기공 크기 측정 결과에서도 나와 있듯이, 평균 기공 크기가 다른 시편에 비해 매우 작아 통기도도 가장 낮게 나타났다.

Figure 5. Mean pore size of the dry-laid nonwovens according to fiber types and the number of nonwoven layers.

평균기공크기는 적층수가 증가하면서 작아졌으며 동일 적층 수에서는 HF가 가장 컸고 SR이 가장 작게 측정되었다. RF와 HF를 구성하고 있는 섬유는 7데니어로 같은 선밀도를 가지고 있음에도 HF 섬유의 실제 직경이 크기 때문에 시편의 기공 크기도 더 컸으며 섬유 직경이 가장 작은 SR 시편의 기공 크기가 가장 낮게 나타났다.

Figure 6은 적층수가 4장인 RF, HF, SR 시편의 기공분포를 조사한 결과이다. 기공 분포 역시 평균 기공 크기가 가장 컸던 HF4는 20 마이크로미터 이상의 큰 기공이 50% 이상 분포하였으며 RF4는 약 39%, SR은 약 10%로 나타났다. 앞선 공기투과도 결과는 부직포의 기공크기, 기공분포, 공극률까지 영향을 받아 나타난 결과로 생각되어진다.

Figure 6. Pore size distribution of the dry-laid nonwovens according to fiber types.

3.3 건식부직포의 흡음특성

Figure 7은 각 시편의 흡음 성능을 나타낸 것으로 모든 시편 1000 Hz이하의 저주파 영역보다는 고주파 영역에서의 흡음 성능이 높았으며 예상한 것과 같이 적층수가 증가하면서 흡음 계수도 증가하였다. 시편들 중에서 섬유 직경이 가장 작은 섬유로 구성되어 있어 공기투과도도 가장 낮고 작은 기공들의 분포가 높았던 SR의 흡음성능이 가장 우수하였으며, HF와 RF는 유사한 흡음 성능을 보였다. HF를 구성하고 있는 중공특성이 흡음 성능에 거의 영향을 미치지 않았으며 평균기공크기가 큰 HF가 저주파 영역에서는 흡음계수가 높게 나올 것으로 예측하였으나 RF와 비교하여 미세하게 높은 정도라서 유의미한 상승이라고 보기 어려웠다. 부직포 두께를 포함하는 평량과 구성하고 있는 섬유의 직경이 흡음률에 가장 큰 영향을 미친 것으로 생각되며 동일 공극률에서도 부직포의 공기투과도를 낮게 설계하면 음파의 마찰손실이 높아져 역시 흡음률이 높아질 것으로 판단되었다.

Figure 7. Sound absorption coefficient of the dry-laid nonwovens.

한편 적층수에 따른 흡음 상승률을 조사한 결과 1000 Hz 이상의 고주파 영역에서 평균적으로 RF 시편은 RF1보다 RF2 가약 58%, RF2보다 RF3이 55%, RF3보다 RF4가 23% 각각 흡음 성능이 증가하였으며, HF 시편은 59%, 51%, 30%, SR 시편은 119%, 54%, 38% 씩 증가하였다. 반면 1000 Hz 미만에서의 저주파 영역에서는 RF는 약 14%, 18%, 8.8%, HF는 15%, 14%, 12%, SR은 16%, 26%, 23%로 증가하여 고주파 영역에 비해 증가폭이 낮았다.

Figure 8에 나타낸 250, 500, 1000, 2000 Hz에서의 흡음 계수 평균값을 나타내는 소음저감계수(Noise reduction co- efficient, NRC)를 보면 전 시편 모두 적층수가 증가하면서 NRC 역시 증가하였고, 한 겹 상태에서는 RF, HF, SR 모두 유사한 값을 나타냈지만 2층 구조 이상부터는 SR 시편이 다른 두 종의 섬유타입으로 구성된 부직포 시편 보다 NRC가 높았다. SR 구성섬유의 평균 선밀도는 1.58데니어, RF는 6.4데니어로세섬화에 따른 NRC 증가율은 SR2 시편이 RF2보다 약 12%, SR3이 RF3보다 28%, SR4가 RF4보다 71% 높았다. 세섬화에따른 NRC 증가율은 시편의 층수가 증가하면 할수록 더욱 높아졌다. 이로 미루어 보아 세섬화에 따른 흡음률 향상 효과는 일정 평량 이상이 되어야 하며, 그 이상의 평량부터는 세섬화에따른 흡음률 상승효과가 더욱 커진다는 점이다. 다만, HF는 RF 와 NRC도 유사하게 나타난 것으로 보아 단일홀 중공사의 섬유 특성이 흡음성능에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단되었다.

Figure 8. NRC(noise reduction coefficient) according to polyester fiber type and the number of nonwoven layers.

4. 결론

본 연구에서는 동일 소재이지만 섬유 직경과 형태가 다른 3 가지의 폴리에스터 섬유를 활용하여 니들펀칭과 열접착 공정으로 단일층에서부터 2, 3, 4층 구조의 부직포까지 총 12종의 시편을 제조하고 섬유형태 및 부직포 평량에 따른 공기투과도, 기공특성, 흡음률을 조사하여 폴리에스터 부직포 흡음재 설계에 활용할 수 있는 연구 결과를 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

RF와 동일 선밀도로 구성되어 있는 HF는 구성 섬유 직경이 RF에 비해 커서 기공크기가 컸음에도 겉보기 공극률이 RF에 비해 낮기 때문에 공기투과도 역시 다소 낮게 나타났다. 공극률이 비슷한 RF와 SR시편의 경우 SR의 평균기공크기가 작았으며 작은 기공들의 분포 비율도 더 높았기 때문에 공기투과도 역시 낮게 나타났다. 시편 모두 부직포 적층수가 증가하면서 평균 기공 크기는 작아지고 공기투과도도 낮아졌다. 흡음률 역시 적 층수가 증가하면서 상승하였으며, 섬유직경이 가장 작은 섬유로 구성된 SR의 흡음성이 가장 우수한 것으로 나타났다. SR 의 1층 구조의 흡음률은 RF나 HF와 비슷하였으나 2층 구조 이상부터 부직포 구성섬유의 세섬화에 따른 흡음률 상승효과가 나타났으며 적층수가 증가할수록 흡음 상승률은 더욱 높아졌다. 단일홀 중공 폴리에스터 섬유로 구성되어 있는 HF는 동일 선 밀도를 가진 솔리드 구조의 일반 섬유로 제조한 RF와 비교하여 흡음계수가 유사하게 나타나 중공특성에 따른 흡음성능 상승효과는 나타나지 않았다.

결론적으로 본 연구에서는 부직포 평량과 구성하고 있는 섬유의 직경이 흡음률 상승에 가장 큰 영향을 미쳤다. 그리고 세 섬 도의 섬유를 적용하여도 일정 평량 이상부터 세섬화에 의한 흡음 계수 상승이 나타나는 것으로 보아 흡음재 활용분야에 맞게 특정 평량 이상으로 설계를 해야 흡음률 향상 효과를 볼 수 있으며, 다공성이 발달되도록 해야 하고 동일 공극률에서도 음파의 마찰손실을 높일 수 있도록 부직포의 공기투과도를 낮게 구조적으로 설계하면 흡음률이 높아질 것으로 판단되었다.

감사의 글