[논문]극저온용 폴리우레탄 폼에 미치는 케블라 펄프의 영향

오종호; 배진호; 이제명

doi:10.3744/snak.2018.55.6.514

극저온용 폴리우레탄 폼에 미치는 케블라 펄프의 영향
The Effects of Kevlar Pulp on Polyurethane Foam for Cryogenic Temperature 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.6, 2018년, pp.514 - 520

오종호 (부산대학교 조선해양공학과) , 배진호 (부산대학교 조선해양공학과) , 이제명 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Polyurethane foam has excellent mechanical strength and insulation performance, and has been adopted as an insulation material for $-163^{\circ}C$ liquefied natural gas carrier. In this study, Kevlar Polyurethane Foams(K-PUF) were synthesized by adding Kevlar pulp with excellent mechanical strength for the purpose of improving the performance of existing polyurethane foam. Since polyurethane foam has mechanical performance depending on the proportions of Kevlar pulp added, the mechanical strength of the K-PUF with ratios of fiber0.2wt.%, 0.4wt.%, 0.6wt.%, 0.8wt.% and 1.0wt.%) was evaluated. The compression tests were performed on the 4 different temperatures($20^{\circ}C$, $-50^{\circ}C$, $-110^{\circ}C$ and $-163^{\circ}C$) in consideration of the environmental characteristics as a cryogenic insulation used in LNG carrier. Besides, the effects of the fiber addition on polyurethane foam with closed cell structure were evaluated in a phenomenological approach through SEM analysis. All the results were compared to Neat-polyurethane foam. As a results, 0.8wt.% K-PUF showed the improved mechanical strength, and the addition of Kevlar pulp in a certain ratio improves the mechanical performance by enhancing the compression resistance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 섬유의 첨가가 폴리우레탄 폼에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험으로 케블라-폴리우레탄 폼을 제작하여 수행하였다. 제작에 사용된 케블라 아라미드 펄프의 재료 물성치는 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 유리섬유보다 기계적 강도 및 열적 성능이 우수한 케블라 아라미드 섬유를 폼에 첨가하여 폼의 셀 구조에 나타나는 영향을 분석하였다. 아라미드 섬유는 미국 듀폰(Dupont)사에서 개발한 나일론 합성섬유로 강철의 1/5 무게지만 강도는 강철보다 강하며 고내열성, 고탄성, 우수한 난연성을 지녀 군사, 항공·우주 등에 사용되고 있다.
본 연구에서는 케블라 펄프를 첨가한 경질 폴리우레탄 폼에 대해 극저온 압축시험을 수행하여 압축하중 하 기계적 거동 및 섬유의 첨가로 PUF에 나타나는 영향을 분석하였다. 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.
그리고 주사현미경(FE-SEM SUPRA25, ZEISS)을 사용하여 케블라 폴리우레탄 폼의 셀 구조에 대해 형태학적 분석을 수행하였다. 본 연구의 압축시험은 온도의존성 파손특성을 가지는 폴리우레탄 폼의 기계적 강도를 평가하기 위해 극저온 압축시험을 수행하였다. 극저온 챔버를 장착한 만능재료시험기(KSU-5M, KYONGSONG)를 이용하여 4가지 온도범위(20℃, -50℃, -110℃, -163℃)에서 준정적 하중조건을 고려한 0.

제안 방법

0wt.%까지 달리하여 최적의 중량비(wt%; weight percent)를 획득 및 SEM 분석을 통해 pulp의 첨가에 따른 폼의 내부 셀 구조의 특성 변화를 관찰하였다.
∙ 섬유의 첨가에 따른 폼의 셀 구조에 미치는 영향을 분석하기 위해 SEM 촬영을 하였다. 미세구조 확인 결과, 0.
최종 혼합물은 개방형 박스틀(320×320×320mm3)에 부어져 24시간 자연발포 및 경화를 시켜 뒤 K-PUF Bulk를 제작하였다. 균일하게 혼합된 복합체의 제작을 위해 호모게나이저 사용 시 일정시간 및 동일속도에서 첨가제를 교반하여 공정 상 오차를 최소화하였다. 경화가 완료된 케블라 폴리우레탄폼은 한국 산업규격(KS M ISO844)에 따라 50×50×25mm3크기의 압축시험 시험편으로 가공하였다.
소섬유의 케블라 펄프를 폴리우레탄 용액에 균일하게 혼합하기 위해 호모게나이저(T50-digital ULTRA-TURRAX, IKA)를 사용하였다. 그리고 주사현미경(FE-SEM SUPRA25, ZEISS)을 사용하여 케블라 폴리우레탄 폼의 셀 구조에 대해 형태학적 분석을 수행하였다. 본 연구의 압축시험은 온도의존성 파손특성을 가지는 폴리우레탄 폼의 기계적 강도를 평가하기 위해 극저온 압축시험을 수행하였다.
본 연구의 압축시험은 온도의존성 파손특성을 가지는 폴리우레탄 폼의 기계적 강도를 평가하기 위해 극저온 압축시험을 수행하였다. 극저온 챔버를 장착한 만능재료시험기(KSU-5M, KYONGSONG)를 이용하여 4가지 온도범위(20℃, -50℃, -110℃, -163℃)에서 준정적 하중조건을 고려한 0.001/s의 변형률 속도로 진행하였다. 챔버 내 저온 환경은 액화질소 분사 및 자동 온도조절 장치를 통해 유지하였다.
4은 압축시험이 수행된 시험편 사진을 나타낸다. 압축시험 이후 상온에서 24시간 회복시킨 뒤 그 모습을 관찰하였다. PUF의 파손특성은 온도에 크게 의존하는 것으로 나타났으며 이종재료의 양과 파손율에는 큰 차이가 없었다.
3은 케블라 펄프의 첨가량 변화에 따른 응력-변형률곡선을 나타낸다. 온도와 변형률의 영향을 분석하기 위해 시험편의 상대변형 15%이하에 해당하는 최대응력을 압축강도로 정의하였다.
이에 케블라 섬유를 첨가·합성한 케블라-폴리우레탄 폼(K-PUF: Kevlar-polyurethane foam)을 제작하여 재료시험 단위에서 온도 별 압축시험을 수행하였다.
챔버 내 저온 환경은 액화질소 분사 및 자동 온도조절 장치를 통해 유지하였다. 제시한 온도범위에서의 압축시험은 시험편 내부의 열평형을 고려하여 챔버 내부 온도가 목표온도까지 도달한 시점을 기준으로 약 1시간 동안의 예비 냉각시간을 가진 뒤 시험하였다. Fig.
최종 혼합물은 개방형 박스틀(320×320×320mm3)에 부어져 24시간 자연발포 및 경화를 시켜 뒤 K-PUF Bulk를 제작하였다.

대상 데이터

소섬유의 케블라 펄프를 폴리우레탄 용액에 균일하게 혼합하기 위해 호모게나이저(T50-digital ULTRA-TURRAX, IKA)를 사용하였다. 그리고 주사현미경(FE-SEM SUPRA25, ZEISS)을 사용하여 케블라 폴리우레탄 폼의 셀 구조에 대해 형태학적 분석을 수행하였다.
폴리올, 이소시아네이트, 발포제가 폴리우레탄 폼의 합성재료로 사용되었으며 100:116:5의 비율로 혼합되었다. 케블라펄프는 혼합과정에서 설정한 중량비에 따라 첨가되었으며 Fig.

데이터처리

압축하중은 폼의 발포방향에 따라 z축 방향으로 가해졌다. 시험 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 시나리오에 따라 테스트는 각각 5번씩 반복하였으며 최댓값과 최솟값을 갖는 결과는 제외한 후 평균값을 사용하여 실험 오차를 줄였다.

이론/모형

경화가 완료된 케블라 폴리우레탄폼은 한국 산업규격(KS M ISO844)에 따라 50×50×25mm3크기의 압축시험 시험편으로 가공하였다.

성능/효과

8wt.% K-PUF가 가장 높은 압축강도를 지닌 것으로 나타남에 따라 폴리우레탄폼에 펄프 첨가 시 기계적 강도 개선 효과가 있음을 확인되었다. 섬유의 첨가량에 비례하여 압축강도의 증감이 나타나지 않은 결과에 대해 소섬유의 펄프가 폼 내에 균일하게 분배되지 못하고 생긴 응집 현상 및 혼합과정에서 섬유가 방향성 없이 배향됨에 따라 나타난 것으로 판단된다.
2wt.% K-PUF는 Neat-PUF보다 상대적으로 저조한 결과를 보였다. 반면, 0.
0wt.% K-PUF로 압축강도가 2.319MPa이며 24.265% 감소하였다. 하지만 섬유의 첨가량과 압축강도가 비례한 관계를 나타냈던 상온 압축시험 결과와 달리, 0.
2wt.% K-PUF로 압축강도는 2.446MPa이며 Neat-PUF와 비교하였을 때 11.081% 증가하였다. 이후 섬유의 첨가량이 증가함에 따라 압축강도는 감소하여 1.
0wt.% K-PUF를 제외하고 모든 K-PUF(0.2wt.%, 0.4wt.%, 0.6wt.%, 0.8wt.%)의 압축강도는 Neat-PUF보다 증가하였다. 이때, 0.
6wt.% K-PUF의 압축강도가 Neat-PUF보다 감소한 결과를 보였다. 이는 결합력이 강한 섬유의 특성으로 인한 것으로 분산성이 감소하여 폴리우레탄 폼 내 균일하게 분포되지 않아 발생한 것으로 판단된다.
8wt.% K-PUF의 압축강도는 4.740MPa/6.535MPa로 Neat-PUF와 비교하였을 때 향상된 기계적 강도를 확보함으로써 저온으로 갈수록 폴리우레탄 폼 내섬유의 강성 증가에 따른 압축 저항 성능이 향상되었다.
8wt.% K-PUF의 압축강도는 5.216%로 증가하여 저온에서 우수한 강도를 확보하였다.
8wt.% K-PUF의 압축강도는 6.535 MPa로 Neat-PUF와 비교하여 27.945% 증가하여 선정한 온도범위 내 가장 높은 압축강도를 확보하였다.
8wt.% 첨가될 때 선정된 온도범위(20℃, -50℃, -110℃, -163℃) 내에서 기계적 성능이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로 LNG 운반선 화물창의 단열재로 적용하기 위한 기초연구로 활용하여 향후 열전도도 측정 및 변형률 속도에 의존적인 대상 재료에 대한 압축거동을 평가/분석을 수행할 예정이다.
8wt.% 함량까지는 폼의 셀 구조는 비교적 크기가 일정하고 독립된 형태를 가지는 것을 확인하였다. 하지만 0.
0wt.%으로, SEM 분석 결과, 셀 형성이 제대로 되지 못하고 크기가 불안정한 것을 확인할 수 있다. 이는 케블라 섬유 간의 분산성이 떨어지게 되면서 발포 시 셀 형성을 방해하여 압축 하중을 지지하는 셀 벽의 붕괴로 이어진 것으로 판단된다.
압축시험 이후 상온에서 24시간 회복시킨 뒤 그 모습을 관찰하였다. PUF의 파손특성은 온도에 크게 의존하는 것으로 나타났으며 이종재료의 양과 파손율에는 큰 차이가 없었다.
종합적인 시험 결과, -110℃와 -163℃ 사이에서 시험편에 취성화가 발생하여 취성파괴거동을 보였다. 극저온에서 압축하중이 가해짐에 따라 시험편에 작용하는 응력이 크게 변동하였으며 평탄부 구간에서는 변형률이 증가함에도 응력이 감소하는 Stress drop 현상이 나타났다. 이는 시험편 상, 하부 면의 끝단부에서 연속적인 파쇄가 발생함에 따른 작용 하중에 대한 저항면적의 손실에 의한 공칭응력 저하로 나타나는 현상으로 판단된다.
% K-PUF가 가장 높은 압축강도를 지닌 것으로 나타남에 따라 폴리우레탄폼에 펄프 첨가 시 기계적 강도 개선 효과가 있음을 확인되었다. 섬유의 첨가량에 비례하여 압축강도의 증감이 나타나지 않은 결과에 대해 소섬유의 펄프가 폼 내에 균일하게 분배되지 못하고 생긴 응집 현상 및 혼합과정에서 섬유가 방향성 없이 배향됨에 따라 나타난 것으로 판단된다.
종합적인 시험 결과, -110℃와 -163℃ 사이에서 시험편에 취성화가 발생하여 취성파괴거동을 보였다. 극저온에서 압축하중이 가해짐에 따라 시험편에 작용하는 응력이 크게 변동하였으며 평탄부 구간에서는 변형률이 증가함에도 응력이 감소하는 Stress drop 현상이 나타났다.

후속연구

% 첨가될 때 선정된 온도범위(20℃, -50℃, -110℃, -163℃) 내에서 기계적 성능이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로 LNG 운반선 화물창의 단열재로 적용하기 위한 기초연구로 활용하여 향후 열전도도 측정 및 변형률 속도에 의존적인 대상 재료에 대한 압축거동을 평가/분석을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리우레탄 폼에 케블라 펄프를 첨가한 이유는 무엇인가?	Pearson & Naguib (2017)은 Kevlar pulp, alumina micro fiber, PBO fiber를 첨가한 폴리우레탄 폼의 기계적/열적 성능을 평가하였다. 그 결과, 보강 섬유로 인해 열팽창계수 감소 및 동적 탄성률 증가에 기여한다고 보고하였다. Kim et al.
	천연가스는 어떻게 운반되는가?	이에 따라 온실가스 배출 및 유해가스 감축 효과가 큰 천연가스의 수요가 증가하고 있으며 이를 연료로 사용하는 산업이 확산되고 있는 추세이다. 천연가스는 액화공정을 거쳐 액화천연가스(LNG, Liquified Natural Gas)로 부피를 1/600로 줄인 뒤 액화천연가스 저장시스템을 통해 1.1bar의 압력과 -163℃의 극저온 환경에서 운송된다. LNG와 직접 맞닿는 LNG 운반선의 저장시스템은 이러한 극한환경 속에서 LNG 자중, 온도하중 및 유체 충격하중 등 사용수명 동안 지속적인 복합하중을 받게 된다.
	LNG 운반선의 저장시스템은 어떤 하중을 받는가?	1bar의 압력과 -163℃의 극저온 환경에서 운송된다. LNG와 직접 맞닿는 LNG 운반선의 저장시스템은 이러한 극한환경 속에서 LNG 자중, 온도하중 및 유체 충격하중 등 사용수명 동안 지속적인 복합하중을 받게 된다. 장기간 작용하중의 누적으로 인해 구조 부재에 손상이 발생할 시 저장탱크 내부로 외부열이 유입되어 LNG의 증발이 활성화됨에 따른 경제적 손실이 발생할 수 있으며 선체에 극저온 유체가 노출되어 극저온-취성파괴로 이어질 위험성이 있다.

참고문헌 (7)

Kim, J. M., Kim, J. H., Ahn, J. H., Kim, J. D., Park, S., Park, K. H. & Lee, J. M., 2018. Synthesis of nanoparticle-enhanced polyurethane foams and evaluation of mechanical characteristics. Composites Part B: Engineering, 136, pp.28-38.

상세보기
Kutty, S. K. & Nando, G. B., 1991. Short kevlar fiber-thermoplastic polyurethane composite. Journal of Applied Polymer Science, 43(10), pp.1913-1923.

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Lee, J. H., Kim, S. K., Park, S., Park, K. H. & Lee, J. M., 2018. Unified constitutive model with consideration for effects of porosity and its application to polyurethane foam. Composites Part B: Engineering, 138, pp.87-100.

상세보기
Leung, S. N., Wong, A., Wang, L. C. & Park, C. B., 2012. Mechanism of extensional stress-induced cell formation in polymeric foaming processes with the presence of nucleating agents, The Journal of Supercritical Fluids, 63, pp.187-198.

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Liang, K. W. & Shi, S. Q., 2010. Soy-based polyurethane foam reinforced with carbon nanotubes. Key Engineering Materials, 419, pp.477-480.
Pearson, A. & Naguib, H. E., 2017. Novel polyurethane elastomeric composites reinforced with alumina, aramid, and poly (p-phenylene-2, 6-benzobisoxazole) short fibers, development and characterization of the thermal and dynamic mechanical properties. Composites Part B: Engineering, 122, pp.192-201.

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Semmes, E. B. & Frances, A., 2008. Nano-aramid fiber reinforced polyurethane foam, 40th Society for the Advancement of Material and Process Engineering, Memphis, United States, 8-11 September 2008.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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