LNG저장탱크의 보냉제로 사용되는 폴리우레탄 폼의 NCO index에 대한 영향을 알아보기 위해 대체발포제인 HFC-365mfc를 사용하여 NCO index와 촉매를 변화시키면서 폴리우레탄 폼을 합성하였다. 폴리우레탄 폼의 물성변화를 고찰하기 위해 만능시험기, 시차주사열량계, 주사전자현미경, 적외선 분광기를 이용하였다. 촉매의 종류를 PC-8과 33LV, TMR-2로 변화시키고 양을 변화시킨 결과 촉매의 종류에 따라 압축강도의 차이가 발생하였으나 밀도에는 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 또한 촉매의 첨가량이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 나타내었다. 겔화촉매인 PC-8과 33LV를 사용한 폼을 노화시킨 결과 NCO index가 증가하면 유리전이온도와 압축강도가 증가하였으나 삼량화 촉매인(TMR-2)를 사용한 폼을 노화시킨 결과 노화전후의 물성차이가 발생하지 않았으며 이는 초기 반응시 삼량화 여부에 기인함을 FT-IR을 사용하여 규명하였다.
LNG저장탱크의 보냉제로 사용되는 폴리우레탄 폼의 NCO index에 대한 영향을 알아보기 위해 대체발포제인 HFC-365mfc를 사용하여 NCO index와 촉매를 변화시키면서 폴리우레탄 폼을 합성하였다. 폴리우레탄 폼의 물성변화를 고찰하기 위해 만능시험기, 시차주사열량계, 주사전자현미경, 적외선 분광기를 이용하였다. 촉매의 종류를 PC-8과 33LV, TMR-2로 변화시키고 양을 변화시킨 결과 촉매의 종류에 따라 압축강도의 차이가 발생하였으나 밀도에는 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 또한 촉매의 첨가량이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 나타내었다. 겔화촉매인 PC-8과 33LV를 사용한 폼을 노화시킨 결과 NCO index가 증가하면 유리전이온도와 압축강도가 증가하였으나 삼량화 촉매인(TMR-2)를 사용한 폼을 노화시킨 결과 노화전후의 물성차이가 발생하지 않았으며 이는 초기 반응시 삼량화 여부에 기인함을 FT-IR을 사용하여 규명하였다.
Polyurethane foams were synthesized with different contents and kinds of catalysts to know change of properties under various NCO index. UTM(universal testing machine), DSC(differential scanning calorimetry), SEM(scanning electron microscope) and FT-IR(Fourier transform spectroscopy) were used for s...
Polyurethane foams were synthesized with different contents and kinds of catalysts to know change of properties under various NCO index. UTM(universal testing machine), DSC(differential scanning calorimetry), SEM(scanning electron microscope) and FT-IR(Fourier transform spectroscopy) were used for studying the PUF's physical properties change. Compressive strength of PUF increased with increasing contents of catalyst. Glass transition temperature(Tg) and compressive strength of PUF using PC-8 and 33LV catalyst, increased with increasing NCO index at the aging. According to the results of Infrared spectral analysis, reduction of NCO peak was found in gelling catalyst, because unreacted NCO reacted with polyurethane. Although Tg and compressive strength of PUF using TMR-2, unchanged with increasing NCO index at the aging, because trimerization of isocyanate.
Polyurethane foams were synthesized with different contents and kinds of catalysts to know change of properties under various NCO index. UTM(universal testing machine), DSC(differential scanning calorimetry), SEM(scanning electron microscope) and FT-IR(Fourier transform spectroscopy) were used for studying the PUF's physical properties change. Compressive strength of PUF increased with increasing contents of catalyst. Glass transition temperature(Tg) and compressive strength of PUF using PC-8 and 33LV catalyst, increased with increasing NCO index at the aging. According to the results of Infrared spectral analysis, reduction of NCO peak was found in gelling catalyst, because unreacted NCO reacted with polyurethane. Although Tg and compressive strength of PUF using TMR-2, unchanged with increasing NCO index at the aging, because trimerization of isocyanate.
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문제 정의
본 연구에서는 대체발포제를 이용한 적용 연구의 일환으로 LNG선박 및 저장탱크의 보냉재로 사용되는 폴리우레탄 폼 제조시 사용되는 대체발포제인 HFC-365mfc를 발포제로 사용하였을 경우 NCO index 변화와 촉매에 따른 기계적강도와 기공분포 및 노화 전․ 후의 물성변화를 고찰하였다.
제안 방법
MDI를 제외한 폴리올과 각종 첨가제를 넣은 B액을 볼밀에서 섞어 상온에서 24시간정도 보관하였다. 2L의 컵에 premixing한 B액을 투입한 후 이소시아네이트의 NCO index 100, 130, 150, 170으로 변화시켜 그 양을 계산하여 투여하였다. 고속 임펠러의 속도를 3000rpm으로 하여 30초 동안 교반 후 cream time과 gel time을 측정하여 반응속도를 평가하였다.
B액 제조시 각종 첨가제의 양은 폴리올 100part를 기준으로 증류수를 0.5pph(part per hundred of polyol in weight), 계면활성제를 1.6pph투여하였으며, NCO index에 따른 영향만을 연구하기 위하여 발포제의 양을 조절하여 폼의 밀도를 93㎏/㎥정도로 통일하였으며, 촉매의 양과 종류를 달리하여 B액을 제조하였다.
NCO index에 따른 물성 변화를 알아보기 위하여 촉매 PC-8, 33LV, TMR-2를 사용하여 index를 100, 130, 150, 170으로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 그리고 동밀도에서 기계적 강도를 비교하기 위해 발포제(HFC365-mfc)의 양을 9.
합성된 폼의 압축강도는 Instron사의 Universal Testing Machine(UTM) SeriesⅥ 모델을 이용하여 측정하였으며, 열적 성질을 측정하기 위해 TA instruments사의 DSC (Differential Scanning Calorimeter) 2010을 사용하여 Tg를 측정하였다. NCO 기의 잔류를 확인하기 위하여 Fourier transform infrared spectrophotometer(Jasco FT/IR-430)를 사용하여 관찰하였다. cell 구조를 확인하기 위하여 Jeol사의 모델 JSM-5200인 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope ; SEM)을 이용하여 발포제의 파단면을 관찰하였으며 선명한 이미지를 얻기 위하여 gold-coating을 하였다.
NCO 기의 잔류를 확인하기 위하여 Fourier transform infrared spectrophotometer(Jasco FT/IR-430)를 사용하여 관찰하였다. cell 구조를 확인하기 위하여 Jeol사의 모델 JSM-5200인 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope ; SEM)을 이용하여 발포제의 파단면을 관찰하였으며 선명한 이미지를 얻기 위하여 gold-coating을 하였다. 폼의 노화가속화는 ASTM D-2126의 방법으로 70℃ oven에서 수행하였다.
2L의 컵에 premixing한 B액을 투입한 후 이소시아네이트의 NCO index 100, 130, 150, 170으로 변화시켜 그 양을 계산하여 투여하였다. 고속 임펠러의 속도를 3000rpm으로 하여 30초 동안 교반 후 cream time과 gel time을 측정하여 반응속도를 평가하였다. 반응속도 측정 시 cream time은 30초 혼합 후 발포중인 폼의 색깔이 한 가지 색깔로 균일하게 되는 시점으로 측정하였고, gel time은 발포중인 폼에서 실 같은 것이 따라서 나오는 시점을 gel time으로 하여 측정하였다.
NCO index에 따른 물성 변화를 알아보기 위하여 촉매 PC-8, 33LV, TMR-2를 사용하여 index를 100, 130, 150, 170으로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 그리고 동밀도에서 기계적 강도를 비교하기 위해 발포제(HFC365-mfc)의 양을 9.8, 10.6, 11.8, 13pph로 변화시켜 밀도를 유사하게 하여 실험하였다.
대체발포제인 HFC-365mfc를 사용하여 NCO index와 촉매를 변화시키면서 폴리우레탄 폼의 물성을 측정한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
고속 임펠러의 속도를 3000rpm으로 하여 30초 동안 교반 후 cream time과 gel time을 측정하여 반응속도를 평가하였다. 반응속도 측정 시 cream time은 30초 혼합 후 발포중인 폼의 색깔이 한 가지 색깔로 균일하게 되는 시점으로 측정하였고, gel time은 발포중인 폼에서 실 같은 것이 따라서 나오는 시점을 gel time으로 하여 측정하였다.
이러한 사실은 FT-IR을 사용하여 노화에 따른 NCO peak의 감소여부로 확인하였다. Fig 7, 8의 FT-IR 결과를 보면, PC-8을 사용한 경우, index가 높을 때 2200㎝-1~2300㎝-1 사이에서 나타나는 N=C=O피크가 노화가 진행됨에 따라서 감소하는 경향이 나타내었으나 TMR-2의 경우는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
폼을 제조한 뒤 70℃ oven에 보관하여 24시간, 5일, 10일이 지난 후 폼의 각종 물성 test를 수행하였다.
대상 데이터
5%인 polymeric MDI이며 폴리올은 KPX사의 작용기가 4～5이고 OH-value가 450인 폴리에테르 폴리올을 사용하였다. 계면활성제는 실리콘계 계면활성제로서 Goldschmidt사의 B-8404를 사용하였으며 발포제로는 HFC-365mfc를 사용하였다. 또한 촉매는 Air products사의 dimethylcyclohexylamine(PC-8), 33% triethylenediamine + 67% dipropylene glycol(33LV) 그리고 51.
계면활성제는 실리콘계 계면활성제로서 Goldschmidt사의 B-8404를 사용하였으며 발포제로는 HFC-365mfc를 사용하였다. 또한 촉매는 Air products사의 dimethylcyclohexylamine(PC-8), 33% triethylenediamine + 67% dipropylene glycol(33LV) 그리고 51.2% (hydroxy)trimethylammonium in dipropylene glycol(Dabco TMR-2)을 각각 사용하였다. 연구에 사용한 모든 재료들은 별도의 처리 없이 제공받은 그대로 사용하였다.
폴리우레탄 합성에 사용한 이소시아네이트는 BASF사의 NCO%가 31±0.5%인 polymeric MDI이며 폴리올은 KPX사의 작용기가 4～5이고 OH-value가 450인 폴리에테르 폴리올을 사용하였다.
이론/모형
이소시아네이트는 하이드록실기를 가지는 물질 뿐 아니라 폴리우레탄 등과도 반응하는 것으로 알려져 과량 사용하였을 경우 가교도를 높이고 하드 세그먼트부분을 증가시켜 기계적 물성을 향상시키는 것으로 알려져 있지만[17] 이는 발포 후 폼의 충분한 aging이 필요한 것으로 예상되며 이를 뒷받침하기 위해서 노화 가속화 실험을 ASTM D-2126의 방법으로 수행하였다.
cell 구조를 확인하기 위하여 Jeol사의 모델 JSM-5200인 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope ; SEM)을 이용하여 발포제의 파단면을 관찰하였으며 선명한 이미지를 얻기 위하여 gold-coating을 하였다. 폼의 노화가속화는 ASTM D-2126의 방법으로 70℃ oven에서 수행하였다.
합성된 폼의 압축강도는 Instron사의 Universal Testing Machine(UTM) SeriesⅥ 모델을 이용하여 측정하였으며, 열적 성질을 측정하기 위해 TA instruments사의 DSC (Differential Scanning Calorimeter) 2010을 사용하여 Tg를 측정하였다. NCO 기의 잔류를 확인하기 위하여 Fourier transform infrared spectrophotometer(Jasco FT/IR-430)를 사용하여 관찰하였다.
성능/효과
1) NCO index가 증가할수록 반응속도는 감소하였으나 압축강도에는 별다른 영향을 없음을 확인하였다.
2) 촉매의 종류를 PC-8과 33LV, TMR-2로 변화시키고 양을 변화시킨 결과 촉매의 종류에 따라 압축강도의 차이가 발생하였으나 밀도에는 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 또한 촉매의 첨가량이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 나타내었다.
3) 겔화촉매인 PC-8과 33LV를 사용한 폼을 노화시킨 결과 NCO index가 증가하면 유리전이온도와 압축 강도가 증가하였으나 삼량화 촉매인(TMR-2)를 사용한 폼을 노화시킨 결과 노화전후의 물성차이가 발생하지 않았으며 이는 초기 반응시 삼량화여부에 기인함을 FT-IR을 사용하여 규명하였다.
2) 촉매의 종류를 PC-8과 33LV, TMR-2로 변화시키고 양을 변화시킨 결과 촉매의 종류에 따라 압축강도의 차이가 발생하였으나 밀도에는 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 또한 촉매의 첨가량이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 나타내었다.
Table 2에서는 NCO index에 따른 반응속도와 압축 강도를 나타내었다. 반응속도 측정 결과, NCO index를 100, 130, 150, 170으로 증가시킴에 따라 촉매의 종류에 관계없이 모두 gel time(G/T)이 늦어지는 것으로 관찰이 되었다. 이것은 B액의 양은 일정하나 이소시아네이트의 양이 증가하기 때문에 증가된 전체 양에 비하여 NCO index가 커짐에 따라 상대적인 촉매의 양이 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리우레탄은 어떤 물질과의 발열 반응을 통해서 만들어지는가?
폴리우레탄은 하이드록실기를 가지는 폴리올(polyol)과 폴리이소시아네이트(polyisocyanate)와의 발열 반응으로 만들어 지게 되는데 현재 이 두 물질들은 대부분 석유화학물질로부터 유래된다. 하지만 석유자원의 고갈과 온실가스의 배출과 같은 문제로 인해, 많은 연구원들과 기업에서는 풍부하고 값싼 식물성 오일과 같은 재생자원을 이용한 연구가 진행되고 있다[2-7].
경질 폴리우레탄 폼은 어디에 이용되는가?
오늘날 폴리우레탄은 조선(shipbuilding), 건축, 자동차, 신발에 이르기까지 많은 산업에서 중요한 역할을 한다. 경질 폴리우레탄 폼은 가정용 냉장고에서 LNG선박 및 저장탱크용 단열재에 이르기까지 다양하게 이용되고 있는 효과적인 단열재이다. 편안하고 튼튼한 매트리스와 자동차, 가정용 의자는 연질 폴리우레탄 폼으로부터 제조 된다.
chlorofluorocarbon는 어떤 특성때문에 고분자 등의 발포, 세정제, 냉매 등에 이용되는가?
폴리우레탄 폼을 위시한 발포물의 뛰어난 단열성능은 고분자의 발포에 사용되는 chlorofluorocarbon (CFC) 등의 발포기체의 낮은 열전도도에 기인한다. CFC는 낮은 열전도도를 가지며 화학적으로 대단히 안정하여 고분자 등의 발포 이외에 세정제, 냉매 등에 널리 이용되어 왔으나 최근 CFC에 의한 오존층 파괴 문제로 인하여 선진국에서는 사용에 규제를 받고 있다. 전 세계적으로 CFC를 대체할 수 있는 대체 물질의 개발에 많은 노력을 기울여 왔고 그 결과, 현재 폴리우레탄 단열재용 CFC대체 발포제로서 가장 일반 적으로 사용되고 있는 것이 HCFC-141b이다.
참고문헌 (17)
Wood G., The ICI polyurethane book 2nd ed., John Wiley & Sons, New York (1990)
T. H. Khoe, F. H. Otey, E. N. Frankel, J. Am. Oil. Chem. Soc., 49, 615 (1972)
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