[논문]무기질 충진재와 폴리우레탄을 활용한 유·무기 복합 단열소재의 특성 평가

이종규; 소정섭; 노현경

doi:10.3740/mrsk.2012.22.11.604

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Recently, inorganic-organic hybrid materials have attracted much attention not only for their excellent thermal conductivity but also for their flame retardant properties. In this study, the properties of organic-inorganic hybrid insulating materials using inorganic fillers and polyurethane foam wit...

Recently, inorganic-organic hybrid materials have attracted much attention not only for their excellent thermal conductivity but also for their flame retardant properties. In this study, the properties of organic-inorganic hybrid insulating materials using inorganic fillers and polyurethane foam with different foaming conditions have been investigated. The addition of 1.5 wt% water to polyurethane as foaming agent shows the best foaming properties. The pore size was decreased in the foaming body with increasing of the $CaCO_3$ addition. The apparent density and thermal conductivity were increased by increasing the $CaCO_3$ addition. With an increasing amount of $CaCO_3$ powder, the flame retardant property is improved, but the properties of thermal conductivity and apparent density tend to decrease. When the addition of fine particles of $CaCO_3$, the apparent density and thermal conductivity were increased and, also, with the addition of coarse particles over $45{\mu}m$ in size, the apparent density and thermal conductivity were increased as well. In this study, the adding of $CaCO_3$ with average particle size of $27{\mu}m$ led to the lowest thermal conductivity and apparent density. After evaluation with different inorganic fillers, $Mg(OH)_2$ showed the highest thermal conductivity; on the other hand, $CaCO_3$ showed the lowest thermal conductivity.

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문제 정의

본 연구에서는 대표적인 유기단열소재인 우레탄(urethane) 소재에 무기질 충진재로 CaCO₃ 를 중심으로 하는 무기 물질을 사용하여 복합 발포 시켰을 때의 열전도도 등의 특성을 평가하였다.

제안 방법

CaCO3 첨가량에 따른 발포특성을 알아보기 위하여 평균입경 약 6.1 µm의 CaCO3를 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate)의 혼합물에 대해서 0~65 wt% 까지 첨가하였다.
무기분체와 폴리우레탄(polyurethane)을 혼합한 유·무기 복합 단열소재에서 무기분체의 특성 및 첨가량에 대해서 발포특성 및 열전도율 특성 등을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
폴리우레탄 반응의 기본물질인 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate)를 무게비로 1:1의 혼합물에 대해서 유화제(B-8462) 와 촉매를(33LV)를 각각 1 wt% 첨가 하였다. 위의 조성물에 발포제로 물의함량에 따른 발포 특성과 무기충진재 종류 및 충진량에 따른 특성평가를 하였다. 열전도율 측정은 평판 열류가압식으로 측정을 하였으며 시료의 크기는 200 × 200 × 20 mm의 것을 사용하였다.
유·무기 복합 발포체는 제조를 위하여 먼저 폴리올 (polyol)에 반응촉진제, 유화제 및 발포제로 물을 일정한 비율로 첨가한 용액에 무기분체를 일정량 첨가하여 혼합한 후 이소시아네이트(isocyanate)를 마지막으로 첨가하여 균일하게 혼합한 후 금속 몰드에 일정량을 혼합조성물을 주입시킨 후 상온에서 발포를 시켰다.
폴리우레탄 반응의 기본물질인 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate)를 무게비로 1:1의 혼합물에 대해서 유화제(B-8462) 와 촉매를(33LV)를 각각 1 wt% 첨가 하였다. 위의 조성물에 발포제로 물의함량에 따른 발포 특성과 무기충진재 종류 및 충진량에 따른 특성평가를 하였다.
폴리우레탄(polyurethane) 반응의 기본물질인 폴리올 (polyol, TF-400)과 이소시아네이트(isocyanate, M-200)를 무게비로 1:1의 혼합물에 대해서 유화제(B-8462) 와 촉매를(33LV)를 각각 1 wt% 첨가한 조성에 발포제인 물을 1.0~2.5 wt% 첨가하였을 경우의 비중변화를 Fig. 2에 나타내었다. 물의 함량이 적으면 발포가 불량하여 비중이 높게 나타났으며 물의 함량이 많을 경우 과다 발포로 기공형성이 불량하여 다시 비중이 증가하였다.

대상 데이터

유·무기 복합단열소재의 유기 바인더 물질로 S사의 OH기의 활성수소를 가지는 폴리올(polyol, 상품명: TF-400) 과 NCO라는 관능기를 가지는 이소시아네이트(isocyanate, 상품명: M-200)을 사용하여 반응시켜 우레탄(urethane) 결합을 시키는 고분자 화합물을 기본 물질로 사용하였다. 또한 유화제(상품명: B-8462) 및 촉매(DMCHA)(상품명:33LV)를 소량으로 첨가하였다. 폴리우레탄(polyurethane) 반응의 발포제로서 물을 사용하였다.
폴리우레탄(polyurethane) 반응의 발포제로서 물을 사용하였다. 무기질 충진재로는 다양한 입도분포를 가지는 CaCO₃를 기본으로 사용하였으며 난연성 향상을 위하여Mg(OH)₂ 및 MgCO₃를 사용 하였다.
본 연구에서는 입도크기가 비슷한 CaCO3(평균입경: 27 µm), Mg(OH)2(평균입경: 25 µm), MgCO3 평균입경: 30 µm)의 3종류의 무기분체를 사용하였다.
유·무기 복합단열소재의 유기 바인더 물질로 S사의 OH기의 활성수소를 가지는 폴리올(polyol, 상품명: TF-400) 과 NCO라는 관능기를 가지는 이소시아네이트(isocyanate, 상품명: M-200)을 사용하여 반응시켜 우레탄(urethane) 결합을 시키는 고분자 화합물을 기본 물질로 사용하였다.
또한 유화제(상품명: B-8462) 및 촉매(DMCHA)(상품명:33LV)를 소량으로 첨가하였다. 폴리우레탄(polyurethane) 반응의 발포제로서 물을 사용하였다. 무기질 충진재로는 다양한 입도분포를 가지는 CaCO₃를 기본으로 사용하였으며 난연성 향상을 위하여Mg(OH)₂ 및 MgCO₃를 사용 하였다.

이론/모형

열전도율 측정은 평판 열류가압식으로 측정을 하였으며 시료의 크기는 200 × 200 × 20 mm의 것을 사용하였다.

성능/효과

1) 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate) 의 1:1기본조성에 발포제로서 물을 1.5 wt% 첨가하였을 때 비중이 가장 낮게 나타났다.
2) CaCO₃의 첨가량이 증가할수록 발포체의 기공크기가 줄어들고 있으며 무기분체의 응집현상이 일어나 비중과 열전도율이 증가하였다.
27 µm의 평균입경을 가지는 CaCO3를 첨가한 경우 폴리 우레탄(polyurethane) 혼합물에 대해서 최대인 75 wt% 까지 첨가할 수 있었으며 발포형성도 양호하였으며 비중도 가장 낮게 나타났다.
3) CaCO₃의 입도분포에 따라 최대 첨가량과 발포체 특성이 달라졌으며 27 µm의 CaCO₃를 첨가하였을 때 가장 많은 양을 첨가할 수 있었으며 비중과 열전도율도 가장 낮게 나타났다.
4) 무기분체의 종류에 따른 특성평가에서 Mg(OH)₂ 가가장 높은 열전도율 값을 보였고 CaCO₃를 첨가하였을 경우 가장 낮은 열전도율 값을 보였다.
4에 나타낸 것과 같이 기공 크기가 줄어들고 기공일부가 붕괴되고 입자가 응집되기 때문에 비중은 증가를 하게 된다. 본 실험에서는 CaCO₃를 첨가하였을 경우 가장 낮은 비중 값을 보여주고 있으며 Mg(OH)₂를 첨가하였을 경우 비중의 증가가 뚜렷 하였다.
본 실험에서는 평균입경이 27 µm의 CaCO3를 첨가하였을 경우 가장 낮은 열전도율 값을 보여주고 있다.
035 kcal/mho C로 나타나고 있다. 즉 CaCO₃의 첨가율이 증가를 하면 난연 성능 확보에는 도움이 될수 있을 것으로 기대되나 열전도도는 조금 높아지는 현상을 보였다. 비중의 경우도 마찬가지로 CaCO₃를 첨가 하지 않았을 경우 약 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무기단열재의 단점은?	4-6) 기존 단열재 중 유기단열재의 경우 단열성능이 우수하고 시공성이 좋기 때문에 널리 사용되고 있으나 화재발생시 단열소재 자체가 연소하여 화재가 급속히 확대되는 등 내화성능 면에서 크게 취약하고, 특히 연소 시 발생되는 유독가스는 인체에 치명적으로 작용한다.7-9) 반면에 무기단열재의 경우 유기단열재에 비해 화재에 강한 내화특성은 우수하나 상대적으로 중량이 무겁고 단열재 고유 기능인 단열성능이 떨어지는 단점이 있다.10-11) 또한 무기계 단열재인 그라스 울(glass wool)이나 락 울(rock wool) 등은 섬유상의 형태로 인해 제작 및 시공과정에서 분진이 발생되며 이에 대한 대응책으로 섬유의 길이를 길게 하여 인체 침투에 대한 위협을 방지하고 있으나 전적으로 인체 유해성 논란에서 자유롭지 못한 실정이다.
	유기단열재의 화재발생시 문제점은?	최근 에너지 효율의 극대화, 이산화탄소 감축 등 친환경 소재에 대한 관심이 높아지고 있으며,1-3) 이를 위해서는 건물분야에서는 친환경/에너지효율 극대화된 신개념의 단열소재 개발이 절실히 필요하다.4-6) 기존 단열재 중 유기단열재의 경우 단열성능이 우수하고 시공성이 좋기 때문에 널리 사용되고 있으나 화재발생시 단열소재 자체가 연소하여 화재가 급속히 확대되는 등 내화성능 면에서 크게 취약하고, 특히 연소 시 발생되는 유독가스는 인체에 치명적으로 작용한다.7-9) 반면에 무기단열재의 경우 유기단열재에 비해 화재에 강한 내화특성은 우수하나 상대적으로 중량이 무겁고 단열재 고유 기능인 단열성능이 떨어지는 단점이 있다.
	무기분체와 폴리우레탄(polyurethane)을 혼합한 유·무기 복합 단열소재에 대한 연구 결과는?	1) 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate) 의 1:1기본조성에 발포제로서 물을 1.5 wt% 첨가하였을 때 비중이 가장 낮게 나타났다. 2) CaCO3의 첨가량이 증가할수록 발포체의 기공크기가 줄어들고 있으며 무기분체의 응집현상이 일어나 비중과 열전도율이 증가하였다. 3) CaCO3의 입도분포에 따라 최대 첨가량과 발포체 특성이 달라졌으며 27 µm의 CaCO3를 첨가하였을 때 가장 많은 양을 첨가할 수 있었으며 비중과 열전도율도 가장 낮게 나타났다. 4) 무기분체의 종류에 따른 특성평가에서 Mg(OH)2 가가장 높은 열전도율 값을 보였고 CaCO3를 첨가하였을 경우 가장 낮은 열전도율 값을 보였다.

참고문헌 (14)

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