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폴리우레탄-실리카 복합 발포체의 합성 및 물성에 관한 연구
Synthesis and Characterization of Polyurethane-silica Composite Foam 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.1, 2020년, pp.30 - 35  

강현석 (경기대학교 화학공학과) ,  김상범 (경기대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하여 복합 발포체의 단열 특성 및 기계적 물성을 분석하였다. 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하기 위해 폴리에스테르-실리카 복합 폴리올을 합성하였다. 폴리에스테르-실리카 복합 폴리올은 실리카 졸모노머 상태의 다이카복실산(dicarboxylic acid), 글리콜(glycol)과의 중합 반응을 통해 합성하였다. 합성된 복합 폴리올을 이용하여 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하여 물성을 분석하였다. 폴리우레탄-실리카 복합 발포체의 열전도도는 HPUF0, HPUF1, HPUF3, HPUF5 모두 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 압축강도실리카 함량이 증가함에 따라 HPUF0보다 증가하였으며 HPUF0보다 HPUF5가 약 25% 정도 기계적 물성이 향상되는 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, polyurethane-silica composite foams were synthesized to analyze thermal insulation characteristics and mechanical properties. In order to synthesize polyurethane-silica composite foams, polyester-silica composite polyols were first synthesized via a polymerization reaction with silica...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 폴리우레탄-실리카 복합 발포체는 실리카 졸 함량이 증가함에 따라 열전도도가 낮아지고 열안정성이 증가하지만 기계적 물성이 낮아지는 결과를 보고하였다[12].본 연구에서는 기존의 연구들에서 나타난 문제점인 실리카 함량의 증가에 따라 발생하는 응집현상과 실리카 졸 적용 시 압축강도의 감소를 해결하고자 하였다. 연구에서 사용된 실리카 졸은 sodium silicatesolution을 출발원료로 제조하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폴리우레탄이란? 폴리우레탄은 하이드록시기(hydroxyl group)를 갖는 폴리올과 이소시아네이트(isocyanate)와의 반응을 통해 합성되는 고분자 물질로 폼, 고무, 섬유, 접착제, 도료 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[1,2]. 특히 폼의 경우 크게 연질 폴리우레탄 폼과 경질 폴리우레탄 폼으로 구분할 수 있는데 이 중 경질 폴리우레탄 폼은 closed cell 구조를 갖으며 단열성능이 뛰어나 건축물, LNG 선박 등 많은 분야의 단열재로 사용되고 있다[3].
고분자물질에 실리카 에어로겔을 적용하는 연구에는 어떤 것들이 있는가? 이러한 실리카 에어로겔의 뛰어난 물성을 적용하면서 기계적 물성을 보완하기 위해 고분자물질에 실리카 에어로겔을 적용하는 연구들이 진행 중이다. 그 중 유/무기 단열재 중 가장 단열 성능이 뛰어난 경질 폴리우레탄 폼에 실리카 에어로겔을 적용하여 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하여 그 물성을 분석하는 연구들이 많이 진행되고 있다. Moghaddas 등의 연구에 의하면 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하기 위해 실리카 에어로겔을 폴리올 또는 이소시아네이트에 첨가하여 균일하게 분산시키기 위해 빠른 속도로 교반 후 초음파 처리를 진행하였다. 최종적으로 합성한 폴리우레탄-실리카 복합 발포체는 실리카 에어로겔 함량이 3 wt%가 첨가되었을 때 열전도도가 가장 낮은 값을 나타내었고, 실리카 에어로겔이 3 wt%가 넘게 첨가되었을 때 폴리올 또는 이소시아네이트의 점도가 증가하여 반응성이 낮아지고 이로 인해 복합체의 cell size가 커지게 되면서 열전도도가 높아짐을 보고하였고, Koo 등의 연구에서는 실리카 에어로겔의 함량이 증가함에 따라 열전도도 값은 낮아지지만 압축강도가 감소하는 결과를 나타내었다[8,15]. Yan 등의 연구에서는 실리카 에어로겔을 2가지 폴리올 시스템에 첨가하여 경질 폴리이소시아누레이트 폼(PIR)을 합성하였다. 실리카 에어로겔의 함량이 증가함에 따라 열전도도 값이 감소하는 결과를 나타내었다. 압축강도는 일정 함량의 실리카 에어로겔이 첨가되었을 시 향상되었지만 너무 많은 실리카 에어로겔이 첨가되면 압축강도가 감소하는 결과를 보고하였다[9]. 실리카 에어로겔을 단순히 첨가하여 복합 발포체를 합성할 때 실리카 에어로겔이 폴리우레탄과의 친화성이 약해 실리카 에어로겔이 서로 응집되는 문제가 생긴다. 이러한 응집 현상을 해결하기 위해 실리카 에어로겔 표면을 개질하여 작용기를 도입시켜 폴리우레탄과의 결합력을 향상시키면서 실리카 에어로겔의 분산성을 높이는 연구가 진행되었다. Nikje 등의 연구에서 친수성 실리카 입자의 표면을 개질시켜 아민 또는 하이드록시 작용기를 도입하였고 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하였다. 합성된 폴리우레탄-실리카 복합 발포체의 기계적 물성과 열안정성이 증가하지만 화학양론비의 파괴에 의해 유리전이온도(Tg)가 감소하는 결과를 보고하였다[10,11].
경질 폴리우레탄 폼은 무엇에 사용되는가? 폴리우레탄은 하이드록시기(hydroxyl group)를 갖는 폴리올과 이소시아네이트(isocyanate)와의 반응을 통해 합성되는 고분자 물질로 폼, 고무, 섬유, 접착제, 도료 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[1,2]. 특히 폼의 경우 크게 연질 폴리우레탄 폼과 경질 폴리우레탄 폼으로 구분할 수 있는데 이 중 경질 폴리우레탄 폼은 closed cell 구조를 갖으며 단열성능이 뛰어나 건축물, LNG 선박 등 많은 분야의 단열재로 사용되고 있다[3]. 하지만 국외의 많은 나라들에서 건축물 규제를 강화하고 있고, 최종적으로 제로에너지빌딩(nZEB)의 의무화를 진행하고 있으며 국내 또한 제로에너지빌딩 의무화를 진행하고 있어 경질 폴리우레탄 폼의 단열성능 향상 및 차세대 단열소재 개발을 필요로 하고 있다[4].
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참고문헌 (18)

  1. I. Javni, K. Song, J. Lin, and Z. S. Petrovic, Structure and propeties of flexible polyurethane foams with nano- and micro-fillers, J. Cell. Plast., 47(4), 357-372 (2011). 

  2. Y. C. Tu, P. Kiatsimkul, G. Suppes, and F. H. Hsieh, Physical properties of water blown rigid polyurethane foams from vegetable oil based polyols, J. Appl. Polym. Sci., 105, 453-459 (2007). 

  3. C. Yang, Z. H. Zhuang, and Z. G. Yang, Pulverized polyurethane foam particles reinforced rigid polyurethane foam and phenolic foam, J. Appl. Polym. Sci., 131(1), 1-7 (2014). 

  4. K. N. Kang and M. J. Park, Study on the major technology of zero energy architecture technique in residential building, Architectural Institute of Korea, 37(2), 480-483 (2017). 

  5. Y. Duan, S. C. Jana, A. M. Reinsel, B. Lama, and M. P. Espe, Surface modification and reinforcement of silica aerogels using polyhedral oligomeric silsesquioxanes, J. Am. Chem. Soc., 28, 15362-15371 (2012). 

  6. T. Y. Wei, T. F. Chang, and S. Y. Lu, Preparation of monolithic silica aerogel of low thermal conductivity by ambient pressure drying, J. Am. Ceram. Soc., 90(7), 2003-2007 (2007). 

  7. A. Rigacci, J. C. Marechal, M. Repoux, M. Moreno, and P. Achard, Preparation of polyurethae-based aerogels and xerogels for thermal superinsulation. J. Non-Cryst. Solids, 350, 372-378 (2004) 

  8. N. Nazeran and J. Moghaddas, Synthesis and characterization of silica aerogel reinforced rigid polyurethane foam for thermal insulation application, J. Non-Cryst. Solids, 461, 1-11 (2017). 

  9. C. Zhao, Y. Yan, Z. Hu, L. Li, and X. Fan, Preparation and characterization of granular silica aerogel/polyisocyanurate rigid foam composites, Constr. Build. Mater., 93, 309-316 (2015). 

  10. M. M. A. Nikje and Z. M. Tehrani, Polyurethane rigid foams reinforced by doubly modified nanosilica, J. Cell. Plast., 46, 159-172 (2010) 

  11. M. M. A. Nikje and Z. M. Tehrani, Novel modified nanosilica based on synthesized dipodal silane and its effects on the physical properties of rigid polyurethane foams, Des. Monomers Polym., 13, 249-260 (2010). 

  12. L. Verdolotti, M. Lavorgna, R. Lamanna, E. D. Maio, and S. Iannace, Polyurethane silica hybrid foam by sol gel approach: Chemical and functional properties, Polymer, 56, 20-28 (2015). 

  13. Y. Chen, S. Zhou, G. Chen, and L. Wu, Preparation and characterization of polyester/silica nanocomposite resins, Prog. Org. Coat., 54, 120-126 (2005). 

  14. V. D. Athawale and M. A. Kulkarni, Synthesis and performance evaluation of polyurethane/silica hybrid resins, Pigm. Resin Technol., 40, 49-57 (2011). 

  15. J. K, Yoon and K. W. Koo, A study on properties of thermal insulation board prepared by porous silica aerogel, Trans. Korean Inst. Electr. Eng., 61(9), 1362-1367 (2012). 

  16. G. Yang, X. Liu, and V. Lipik, Evaluation of silica aerogel-reinforced polyurethane foams for footwear applications, J. Mater. Sci., 53, 9463-9472 (2018). 

  17. S. Chen, J. Sui, and L. Chen, Positional assembly of hybrid polyurethane nanocomposites via incorporation of inorganic building blocks into organic polymer, Colloid Polym. Sci., 283, 66-73 (2004). 

  18. I. Javni, W. Zhang, V. Karajkov, and Z. S. Petrovic, Effect of nano- and micro-silica fillers on polyurethane foam properties, J. Cell. Plast., 38, 229-2g39 (2002). 

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