[논문]팽창 흑연을 포함한 폴리우레탄 폼의 난연 및 물성 변화 연구

배성준; 박지현; 고재왕; 최필준; 이재년; 서석훈

doi:10.17702/jai.2019.20.3.96

팽창 흑연을 포함한 폴리우레탄 폼의 난연 및 물성 변화 연구
Flame Retardancy and Physical Properties of Polyurethane Foam with Expandable Graphite 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.20 no.3, 2019년, pp.96 - 101

배성준 (한국신발피혁연구원) , 박지현 (한국신발피혁연구원) , 고재왕 (한국신발피혁연구원) , 최필준 (한국신발피혁연구원) , 이재년 (한국신발피혁연구원) , 서석훈 (한국신발피혁연구원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 팽창 흑연의 함량 변화를 달리하여 제조한 팽창 흑연/폴리우레탄 폼 복합체의 난연성 및 물리적 특성을 고찰하였다. 제조된 팽창 흑연/폴리우레탄 폼 복합체는 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하였고, SEM 의한 셀 형성을 분석한 결과 팽창 흑연 함량이 증가할수록 셀이 불균일하고 붕괴되는 현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 압축강도와 밀도, 공기 투과도 시험결과 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 밀도가 증가하면서, 압축강도 값이 높아졌으며, 공기 투과도는 낮게 나타났다. 난연성은 합성된 폼의 탄화길이를 분석하였으며 팽창 흑연의 함량이 10 phr 이상 첨가될수록 우수한 난연 성능을 발현함을 알 수 있었다. X-ray diffraction (XRD)에 의한 회절도 분석결과 팽창 흑연의 함량이 증할수록 $2{\theta}=26^{\circ}$부근에서 흑연의 결정피크가 나타남을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the flame retardant and physical properties of the expandable graphite/polyurethane foam composites were considered by the addition of expandable graphite. The tensile strength of expandable graphite/polyurethane foam composites decreased with the content of the expandable graphite and the analysis of cell shape by SEM has shown that as the expandable graphite content increases, the cell becomes uneven and collapses. As the results of the compressive strength, density and air permeability tests, it was found that density and as the content of the expandable graphite increased, the compressive strength of the composites increased but air permeability decreased. When the amount of expandable graphite was added at 10 phr or higher, the foam has excellent flame retardation performance. Analysis of the degree of diffraction by X-ray diffraction (XRD) showed that as the content of the expandable graphite increased, the crystal peak of the graphite appeared near $2{\theta}=26^{\circ}$.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. The worm-like structure of the expandable graphite.
그림 Figure 2. Surface of polyurethane foam containing expandable graphite.
그림 Figure 3. FT-IR spectra of PU foams.
그림 Figure 4. Stress-strain curves of PU foams.
그림 Figure 5. SEM micrographs of the pure foam and PU foam/EG composites.
표 Table 1. Sample designation and composition of PU foams containing expandable graphite
표 Table 2. Flame retardancy and mechanical properties of PU foams
그림 Figure 6. Flame retardancy (char length) of PU foams.
그림 Figure 7. Air permeability of PU foams.
그림 Figure 8. XRD curves of PU foams.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 난연성이 우수한 연질 폴리우레탄 폼의 제조를 위하여 팽창 흑연을 첨가하여 난연성 및 물리적 특성을 고찰하였다. 합성을 위하여 polyoxyalkylene poly이과 toluene 2, 4-diisocyanate 를 기반으로 발포제로서 물과 계면활성제, 촉매를 이용하였다.

제안 방법

FTIR spectr는 Attenuated total reflectance (ATR, ZnSe crystal) 기구를 사용하여 파수 (wave number) 4, 000~650 cm-1 범위에서 32 scan, resolution 16으로 측정하였다.
난연제로서 팽창 흑연을 전체 중량 대비 0~30 phr로 첨가량을 달리하여 팽창 흑연/폴리우레탄 폼 복합체를 제조하였다. 제조된 폼을 이용하여 난연성 및 물리적 특성을 고찰하였다.
제조된 폼을 이용하여 난연성 및 물리적 특성을 고찰하였다. 또한 팽창 흑연 첨가에 따른 셀의 변화 및 구조에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 polyoxy alkylene poly 이과 toluene 2, 4-diisocyanate 를 기반으로 발포제로서 물과 계면활성제, 촉매를 이용하여 폴리우레탄 폼을 제조하였다. 난연제로서 팽창 흑연을 전체 중량 대비 0~30 phr로 첨가량을 달리하여 팽창 흑연/폴리우레탄 폼 복합체를 제조하였다.
이때, 최대전압(generator voltage) 을 40 kV, 최대전류 (tube current) 30 mA 로 하여 28 = 0~100° 범위에서 진행되었으며, scan step size 0.02°, time per step 7° 의 조건으로회절패턴을 분석하였다.
폴리우레탄 폼의 시료명과 조성비를 Table 1에 나타내었다. 제조된 폼을 24시간 상온에서ageing 시킨 후 cutting하여 물성을 평가하였다. Fig.
난연제로서 팽창 흑연을 전체 중량 대비 0~30 phr로 첨가량을 달리하여 팽창 흑연/폴리우레탄 폼 복합체를 제조하였다. 제조된 폼을 이용하여 난연성 및 물리적 특성을 고찰하였다. 또한 팽창 흑연 첨가에 따른 셀의 변화 및 구조에 미치는 영향을 고찰하였다.
폴리올과 첨가제, 팽창 흑연을 먼저 프리믹싱한 후이소시아네이트와 반응시켜 폴리우레탄 폼을 합성하였다. 1L size 의 컵에서 프리믹싱한 혼합물에 이소시아네이트를 미리 계산된 양만큼 투여한다.
폴리우레탄 폼의 cell 형상을 확인하기 위해 제조된폼의 단면을 잘라 전계방사형 주사전자현미경 (SEM, Hitachi TM-1000, Japan)으로 분석하였다.
폴리우레탄 폼의 공기 투과도를 알아보기 위해 제조된 폼을 공기 투과도 시험기(air permeability tester, TEXTEST, Swiss) 로 분석하였다.
폴리우레탄 폼의 난연성을 알아보기 위하여 수평식화염시험기 (KP-M6300, Korea) 를 이용하여 길이 20 cm, 폭 3 cm 크기의 시편에 5초간 불꽃을 댄 후 소화 후 길이를 측정하였다.
7에 나타내었으며, 공기 투과도 측정을 통하여 팽창 흑연의첨가에 따른 통기도 (cell opening) 변화를 조사하였다. 합성된 폴리우레탄 폼 시편을 25 cm², 두께 2 cm 로 제작하고, 적용압력 125 Pa 의 조건에서 공기 투과도를 평가하였다. 실험결과 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 공기 투과도 낮아지는 경향을 보였으며, 이는 팽창 흑연의 첨가에 따른 폼 내부의 밀도 증가와 셀의 불균일, 판상형 구조의 첨가제로 인한 공기 흐름 방해 때문인것으로 판단이 되어진다.
합성된 폴리우레탄 폼의 결정 구조의 변화를 확인하기 위하여 X-선 회절분석기 (XRD, X-Ray Diffractometer, XPERT-3, UK) 를 사용하여 회절패턴을 분석하였다. 이때, 최대전압(generator voltage) 을 40 kV, 최대전류 (tube current) 30 mA 로 하여 28 = 0~100° 범위에서 진행되었으며, scan step size 0.
합성된 폴리우레탄 폼의 공기 투과도를 Fig. 7에 나타내었으며, 공기 투과도 측정을 통하여 팽창 흑연의첨가에 따른 통기도 (cell opening) 변화를 조사하였다. 합성된 폴리우레탄 폼 시편을 25 cm², 두께 2 cm 로 제작하고, 적용압력 125 Pa 의 조건에서 공기 투과도를 평가하였다.
합성된 폼의 구조는 적외선분광광도계 (Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR 3D analysis system, MB 104, Bomem, USA)를 사용하여 확인하였다. FTIR spectr는 Attenuated total reflectance (ATR, ZnSe crystal) 기구를 사용하여 파수 (wave number) 4, 000~650 cm-1 범위에서 32 scan, resolution 16으로 측정하였다.
합성된 폼의 밀도를 확인하기 위하여 전자 비중계 (electronic densimeter, GP-300S, Taiwan) 를 사용하였다.

대상 데이터

그리고 압축강도 시험은 만능재료시험기 (universal testing machine, UTM, 5567, Instron, USA) 을 사용하였으며 KS M ISO 3386-1 규격에 준하여 측정하였다. 5cm x 5cm 의 시편을 준비하고 상온에서 압축률 75% 조건에서 시험하였다.
난연제로서 팽창 흑연(Xincheng Graphite, China)을사용하였다.
또한 100 mm/min 의 시험 속도로 인장 실험을 하였고, 한 조건 당 5개의 시험편으로 시험을 하여 평균값을 사용하였다. 그리고 압축강도 시험은 만능재료시험기 (universal testing machine, UTM, 5567, Instron, USA) 을 사용하였으며 KS M ISO 3386-1 규격에 준하여 측정하였다.
폴리올로는 polyoxy alkylene polyol (M.W 3, 000, GP-3001, KPX chemical, KOREA) 을 65 mmHg, 100 ℃ 에서 3시간 동안 탈수하여 사용하였으며, toluene 2, 4-diisocyanate (TDI, Junsei Chemical, JAPAN), 실리콘 계면활성제(L-25, Momentive Performance Material Inc., USA), 촉매로서 dibutyltin dilaurate(DBTDL, Sigma- Aldrich, USA), 발포제로 사용된 물은 자체 제조한 증류수를 사용하였다.
특성을 고찰하였다. 합성을 위하여 polyoxyalkylene poly이과 toluene 2, 4-diisocyanate 를 기반으로 발포제로서 물과 계면활성제, 촉매를 이용하였다. 제조된 팽창흑연/폴리우레탄 폼 복합체는 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하였고, SEM 의한 셀 형성을 분석한 결과 팽창 흑연 함량이 증가할수록 셀이 불균일하고 붕괴되는 현상이 발생함을 확인할 수 있었다.

이론/모형

또한 100 mm/min 의 시험 속도로 인장 실험을 하였고, 한 조건 당 5개의 시험편으로 시험을 하여 평균값을 사용하였다. 그리고 압축강도 시험은 만능재료시험기 (universal testing machine, UTM, 5567, Instron, USA) 을 사용하였으며 KS M ISO 3386-1 규격에 준하여 측정하였다. 5cm x 5cm 의 시편을 준비하고 상온에서 압축률 75% 조건에서 시험하였다.
합성된 폼의 인장강도 및 신장률은 만능재료시험기 (universal testing machine, UTM, M-130, Instron, USA) 를 사용하였으며 ASTM D 412: 2016 규격에 준하여 측정하였다. 또한 100 mm/min 의 시험 속도로 인장 실험을 하였고, 한 조건 당 5개의 시험편으로 시험을 하여 평균값을 사용하였다.

성능/효과

그리고 3, 300~3, 500 cm-1 와 1,500 cm-1 에서의 피크는 우레탄의 N-H 피크로서 이들 피크로부터 우레탄이 형성되었음을 확인할 수 있었다. FT-IR 분석을 통하여 2, 250 cm-1 에서 NCO 흡수 피크가 폼 합성 반응 후 모두 소멸된 것을 확인하였다.
난연성은 합성된 폼의 탄화길이를 분석하였으며 팽창 흑연의 함량이 10 phr 이상 첨가될수록 우수한 난연 성능을 발현함을 알 수 있었다. X-ray diffraction (XRD) 에 의한 회절도 분석 결과 팽창 흑연의 함량이 증할수록 29 = 26° 부근에서 흑연의 결정피크가 나타남을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 팽창 흑연을 10~15 phr 사용할 경우 기계적 물성의 저하를 최소화 하면서 난연성이 우수한 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있었다.
압축강도와 밀도, 공기 투과도 시험결과 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 밀도가 증가하면서, 압축강도 값이 높아졌으며, 공기 투과도도는 낮게 나타났다. 난연성은 합성된 폼의 탄화길이를 분석하였으며 팽창 흑연의 함량이 10 phr 이상 첨가될수록 우수한 난연 성능을 발현함을 알 수 있었다. X-ray diffraction (XRD) 에 의한 회절도 분석 결과 팽창 흑연의 함량이 증할수록 29 = 26° 부근에서 흑연의 결정피크가 나타남을 확인할 수 있었다.
X-ray diffraction (XRD) 에 의한 회절도 분석 결과 팽창 흑연의 함량이 증할수록 29 = 26° 부근에서 흑연의 결정피크가 나타남을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 팽창 흑연을 10~15 phr 사용할 경우 기계적 물성의 저하를 최소화 하면서 난연성이 우수한 폴리우레탄 폼을 제조할 수 있었다.
제조된 팽창흑연/폴리우레탄 폼 복합체는 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하였고, SEM 의한 셀 형성을 분석한 결과 팽창 흑연 함량이 증가할수록 셀이 불균일하고 붕괴되는 현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 압축강도와 밀도, 공기 투과도 시험결과 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 밀도가 증가하면서, 압축강도 값이 높아졌으며, 공기 투과도도는 낮게 나타났다. 난연성은 합성된 폼의 탄화길이를 분석하였으며 팽창 흑연의 함량이 10 phr 이상 첨가될수록 우수한 난연 성능을 발현함을 알 수 있었다.
4에는 합성된 폴리우레탄 폼의 스트레스-스트레인 (stress-strain) 곡선을 나타내었으며, 압축강도는 Table 2 에 나타내었다. 전체적으로 팽창 흑연의 함량이 높아질수록 인장강도와 신장률이 감소하는 경향을 보였으며, 팽창 흑연의 함량이 15 phr 이상 첨가할 경우 폴리우레탄 폼의 인장강도가 급격히 감소하는 경향을 보였다. 팽창 흑연의 경우 판상 구조의 층상 화합물로서 폴리우레탄 폼이 형성될 때 셀이 불규칙적이고 파괴되는 현상을 유발하여 인장강도가 낮아지는 것으로 판단이 되며, Fig.
합성을 위하여 polyoxyalkylene poly이과 toluene 2, 4-diisocyanate 를 기반으로 발포제로서 물과 계면활성제, 촉매를 이용하였다. 제조된 팽창흑연/폴리우레탄 폼 복합체는 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 인장강도는 감소하였고, SEM 의한 셀 형성을 분석한 결과 팽창 흑연 함량이 증가할수록 셀이 불균일하고 붕괴되는 현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 압축강도와 밀도, 공기 투과도 시험결과 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 밀도가 증가하면서, 압축강도 값이 높아졌으며, 공기 투과도도는 낮게 나타났다.
전체적으로 팽창 흑연의 함량이 높아질수록 인장강도와 신장률이 감소하는 경향을 보였으며, 팽창 흑연의 함량이 15 phr 이상 첨가할 경우 폴리우레탄 폼의 인장강도가 급격히 감소하는 경향을 보였다. 팽창 흑연의 경우 판상 구조의 층상 화합물로서 폴리우레탄 폼이 형성될 때 셀이 불규칙적이고 파괴되는 현상을 유발하여 인장강도가 낮아지는 것으로 판단이 되며, Fig. 5의 SEM 결과에서도 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 파괴된 셀이 많아지는 것을 확인할 수 있었다. 압축강도는 재료가 가지는 고유의 특성 중 하나로 외력 이가 해져서 파괴되기까지의 변형저항을 의미하며 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 합성된 폴리우레탄 폼의 압축강도가 증가하였다.
팽창 흑연의 함량이 증가할수록 셀의 불균일 (damaged cell) 과 붕괴 (collapse) 되는 형태를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 팽창 흑연의 첨가량 증가에 따라서 비례적으로 셀 크기나 형태가 변화된다고 판단하기는 어렵지만 5 phr 이상 첨가하게 되면 셀의 크기나 형태가 변화하고 부분적으로 셀이 파괴되는 것을 알 수 있었다. 팽창 흑연은 난연제의 역할을 하지만 폴리우레탄 폼과의 분산성을 떨어지게 하고, 폼 형성을 방해하게 되며 결국에는 폴리우레탄 폼의 셀을 일정하고 닫힌 형태의 셀을 형성하기 어렵게 하는 것으로 판단이 된다.
5에는 합성된 폴리우레탄 폼의 셀 구조에 팽창흑연이 미치는 영향을 고찰하기 위하여 팽창 흑연의 함량을 달리하여 제조한 폼들의 파단면의 SEM 이미지를 나타내었다. 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 셀의 불균일 (damaged cell) 과 붕괴 (collapse) 되는 형태를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 팽창 흑연의 첨가량 증가에 따라서 비례적으로 셀 크기나 형태가 변화된다고 판단하기는 어렵지만 5 phr 이상 첨가하게 되면 셀의 크기나 형태가 변화하고 부분적으로 셀이 파괴되는 것을 알 수 있었다.
1과 같은 구조로 폼의 가열 표면에 열 절연층 (char layer) 을 형성하게 되며, 산소 확산을 방해하고, 열 침투량을 제한하여폼 매트릭스 내부로 화염이 전달되지 않는다 [12]. 팽창흑연을 10 phr 이상 첨가하였을 때부터 char 형성에 의한 폴리우레탄 폼의 탄화 길이가 짧아지고 난연성이우수함을 알 수 있었다.
일반적인 폴리우레탄의 경우 비정형 회절 피크가 거의 28 = 20°에서 나타난다 [14]. 합성된 폴리우레탄 폼은 29 = 20° 부근에서 결정피크가 약하게 나타남을 확인할 수 있었고, 팽창 흑연의 함량이 증가할수록 흑연의 고유의 결정피크 [15] 인 29 = 26° 부근에서 결정 피크가 나타나는 것을 확인하였다.

참고문헌 (15)

Woods, G., The ICI Polyurethane Book, New Jersey: ICI Polyurethanes, (1987).
Oertel, G., Polyurethane Handbook, Munich: Car; Hanser Verlag, (1985).
J.Q. Wang and W.K. Chow, J. Appl. Polym. Sci., 97, (2005).
S.V. Levchik and E.D. Weil, Polym. Int., 53, (2004).
G. Camino, L. Costa and M.P. Luda, Makromol. Chem., Macromol. Symp., 74, (1993).
Mikhail I. Katsnelson, graphite, Chicago: Encyclopaedia Britannica, Inc., (2007).
M.S. Dresselhaus and G. Dresselhaus, Adv. Phys., 30, (1981).
J. Li, L. Feng and Z. Jia, Mater. Lett., 60, (2006).
M. Thirumal, D. Khastgir, N.K. Singha, B.S. Manjunath and Y.P. Naik, J. Appl. Polym. Sci., 110, (2008).
L. Shi, B.H. Xie, J.H. Wang, C.R. Tian and M.Y. Yang, Polym. Int., 55, (2006).
F. Kang, Y. Leng and T.Y. Zhang, Carbon, 35, (1997).
M. Modesti and A. Lorenzetti, Eur. Polym. J., 39, (2003).
A.S. Dorcheh and M. H. Abbasi, Journal of Materials Processing Technology, 199, (2008).
Zhang T, Xi K, Yu X, Gu M, Guo S, Polymer, 44, (2003).
S. M. Kim and L. T. Drzal, Energy Mater. Sol. Cells., 93, (2009).

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증