[논문]물유리코팅에 따른 폴리우레탄 폼의 난연성능 개선에 대한 연구

김형준; 박제원; 나혜인; 임형미; 장가빈

doi:10.7731/kifse.43a374e9

물유리코팅에 따른 폴리우레탄 폼의 난연성능 개선에 대한 연구
Improvement of Flame-Retardant Performance of Polyurethane Foam Coated with Water Glass 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.34 no.2, 2020년, pp.7 - 13

김형준 (한국세라믹기술원 이천분원) , 박제원 (한양대학교 신소재공학과 대학원) , 나혜인 (한양대학교 신소재공학과 대학원) , 임형미 (한국세라믹기술원 융합기술사업단) , 장가빈 (코스모폴(주))

초록
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경질 폴리우레탄(Polyurethane) 폼(Foam)의 난연 성능을 개선하기 위하여 외부에 물유리를 코팅하였다. 무기질인 물유리 코팅층이 적용된 우레탄폼의 콘칼로리메터의 열방출율(Heat release rate)은 급격히 감소하였다. 폴리우레탄 표면에 코팅된 물유리는 화염에 노출되었거나 가열되었을 때 유리화 반응과 미 탈출 수분에 의한 발포현상으로 인해 유리질 폼을 형성하게 된다. 폴리우레탄 폼 위에 형성된 유리질 폼은 단열층이 되어 10 min 이상 폴리우레탄 폼의 연소를 억제하였다. 이러한 결과에 따라서 물유리는 경질 폴리우레탄 폼의 난연 특성을 개선할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, water glass was applied as a coating material to a rigid polyurethane foam to improve the flame-retardant properties of the foam. The heat release rate of the cone calorimeter of the urethane foam, in which the inorganic water-glass coating layer was applied, decreased rapidly. The water glass coated on the polyurethane surface formed a glassy foam by foaming with water, which did not escape during the vitrification reaction when the foam or glass was heated. The glassy foam formed on the polyurethane foam became a fire-resistant insulation layer that inhibited the combustion of the polyurethane foam for more than 10 min. Water glass was found to improve the flame-retardant properties of the rigid polyurethane foam.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

물유리가 내화 특성이 있다면 폴리우레탄와 같은 유기 발포체에 코팅이 될 경우, 화염이 단열재인 폴리우레탄 폼에 직접적으로 닿지 않도록 하여 연소지연을 함으로써 난연 수준을 향상시킬 수 있을 것으로 예상하였다. 또한, 난연 수지 개발에 널리 사용되는 것으로 알려진⁽⁸⁾금속수산화물(예, Al(OH)₃)을 물유리에 혼합하였을 때 발생하는 효과를 검토하고자 하였다.
물유리와 물유리 및 Al(OH)₃ 혼합물이 폴리우레탄과 같은 유기 발포체에 코팅이 될 경우, 폴리우레탄의 난연 수준이 향상 가능성에 대하여 연구하였다. 콘칼로리메터의 열방출율 시험 결과, 물유리가 적용된 폴리우레탄 폼의 경우 열방출율(Heat release rate)은 거의 5 kW/m² 이하의 매우 낮은 값을 나타내어 폴리우레탄 폼의 난연 수준의 개선을 기대할 수 있을 것으로 판단한다.
본 연구에서는 물유리가 황토와 탄화보드 간의 접착력 발현과 황토의 탈락방지와 내화성 향상의 목적으로 사용한 것에 주목하였다. 물유리가 내화 특성이 있다면 폴리우레탄와 같은 유기 발포체에 코팅이 될 경우, 화염이 단열재인 폴리우레탄 폼에 직접적으로 닿지 않도록 하여 연소지연을 함으로써 난연 수준을 향상시킬 수 있을 것으로 예상하였다.

제안 방법

연소 시험은 2가지로 분리하여 평가하였다. 우선 Figure 2(a)와 같은 간이 연소 시험 장치를 이용하여 화염에 의한 물유리와 폴리우레탄 foam의 변화를 확인하였다. 물유리가 적용된 이 화염에 대해 적절하다고 판단되는 조건의 시료를 KS F ISO 5660-1에 따라 열방출율(Heat release rate)을 평가하였다(Figure 2(b))⁽⁹⁾.
물유리와 물유리 혼합물의 가열 시 나타나는 현상을 확인하기 위해 전기로에 물유리를 스텐레스 트레이에 10 g을 넣고 10 ℃/min의 속도로 600 ℃까지 승온 시킨 후, 100 ℃ 구간 별로 물유리의 형태 변화를 관찰하였다. 물유리 이외에도 Al(OH)₃를 물유리에 첨가하여 시험을 하였으며, 물유리와 무기분말의 중량비는 2:1, 3:1, 5:1로 변화를 주어 적합한 비율을 도출하고자 하였다. 코팅 시 혼합물은 10 g 도포하였으며 Dry oven에서 80 ℃로 30 min 동안 건조하여 시료를 제조하였다.
물유리와 물유리 혼합물의 가열 시 나타나는 현상을 확인하기 위해 전기로에 물유리를 스텐레스 트레이에 10 g을 넣고 10 ℃/min의 속도로 600 ℃까지 승온 시킨 후, 100 ℃ 구간 별로 물유리의 형태 변화를 관찰하였다. 물유리 이외에도 Al(OH)₃를 물유리에 첨가하여 시험을 하였으며, 물유리와 무기분말의 중량비는 2:1, 3:1, 5:1로 변화를 주어 적합한 비율을 도출하고자 하였다.
온도에 따른 물유리의 상태변화와 중량변화는 TG-DSC (SDT Q600, TA Instruments, UK)를 사용하여 10 ℃/min의 속도로 650 ℃까지 측정하였다. 물유리의 양은 20-21 mg을 유지하였으며 Alumina pan을 이용하여 측정하였다.
물유리(가용성 규산염)는 KS-2종 ㈜영인화성의 제품을 사용하였으며, 제조사에서 제공된 특성 및 구성은 Table 2와 같다. 물유리의 점도 특성을 확인하기 위해서 Rheometer(HAAKE MARS Ⅲ, Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하여 상온(25 ℃)과 0 ℃에서 측정하였다. 회전시간은 0~300 s, 유지시간은 600 s이며 조건 당 3회 측정 후 평균값을 사용하였다.
연소 시험용 시료는 KSF ISO 5660-1 (연소성능시험-열방출, 연기발생, 질량감소율-제1부: 열 방출률(콘칼로리미터법))에 따라 100 mm × 100 mm × 50 mm 크기의 폴리우레탄 폼의 종이 면재 위에 물유리 양을 조절하면서 도포하여 제조하였다. 연소 시험은 2가지로 분리하여 평가하였다. 우선 Figure 2(a)와 같은 간이 연소 시험 장치를 이용하여 화염에 의한 물유리와 폴리우레탄 foam의 변화를 확인하였다.

대상 데이터

물유리(가용성 규산염)는 KS-2종 ㈜영인화성의 제품을 사용하였으며, 제조사에서 제공된 특성 및 구성은 Table 2와 같다. 물유리의 점도 특성을 확인하기 위해서 Rheometer(HAAKE MARS Ⅲ, Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하여 상온(25 ℃)과 0 ℃에서 측정하였다.
본 실험에 사용된 재료는 건축용 단열재로 사용하고 있는 종이 면재가 도포된 경질 폴리우레탄 폼(100 mm × 100 mm × 100 mm, 코스모폴(주)), 물유리, 수산화알루미늄(Al(OH)3, 삼전순약, 99%)이다.

이론/모형

물유리가 적용된 이 화염에 대해 적절하다고 판단되는 조건의 시료를 KS F ISO 5660-1에 따라 열방출율(Heat release rate)을 평가하였다(Figure 2
연소 시험용 시료는 KSF ISO 5660-1 (연소성능시험-열방출, 연기발생, 질량감소율-제1부: 열 방출률(콘칼로리미터법))에 따라 100 mm × 100 mm × 50 mm 크기의 폴리우레탄 폼의 종이 면재 위에 물유리 양을 조절하면서 도포하여 제조하였다.

성능/효과

결과적으로 물유리는 온도상승에 따라 수분의 방출과 유리화가 동시에 진행되는 것을 알수 있었다. 물유리 가열 시의 유리화가 진행되는 동안에도 수분의 방출이 지속되는 것은 TG-DTA 결과로부터 확인할 수 있었다.
혼합물이 폴리우레탄과 같은 유기 발포체에 코팅이 될 경우, 폴리우레탄의 난연 수준이 향상 가능성에 대하여 연구하였다. 콘칼로리메터의 열방출율 시험 결과, 물유리가 적용된 폴리우레탄 폼의 경우 열방출율(Heat release rate)은 거의 5 kW/m² 이하의 매우 낮은 값을 나타내어 폴리우레탄 폼의 난연 수준의 개선을 기대할 수 있을 것으로 판단한다. 이와 같이 폴리우레탄이 난연 성능 개선은 것은 화염노출 또는 가열시 폴리우레탄 표면에 코팅된 물유리의 유리화 과정에서 물유리 내 수분이 방출되지 못하여 잔류하던 수분이 유리막에 포획되면서 불연성과 단열성을 동시에 갖는 유리질 폼을 형성하였기 때문으로 생각하였다.
이와 같이 폴리우레탄이 난연 성능 개선은 것은 화염노출 또는 가열시 폴리우레탄 표면에 코팅된 물유리의 유리화 과정에서 물유리 내 수분이 방출되지 못하여 잔류하던 수분이 유리막에 포획되면서 불연성과 단열성을 동시에 갖는 유리질 폼을 형성하였기 때문으로 생각하였다. 한편, 수산화알루미늄을 혼합할 경우에는 혼합하지 않은 경우와 비교하여 열방출율의 차이는 거의 없었지만, 발포층의 두께가 작음을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구에서는 물유리가 황토와 탄화보드 간의 접착력 발현과 황토의 탈락방지와 내화성 향상의 목적으로 사용한 것에 주목하였다. 물유리가 내화 특성이 있다면 폴리우레탄와 같은 유기 발포체에 코팅이 될 경우, 화염이 단열재인 폴리우레탄 폼에 직접적으로 닿지 않도록 하여 연소지연을 함으로써 난연 수준을 향상시킬 수 있을 것으로 예상하였다. 또한, 난연 수지 개발에 널리 사용되는 것으로 알려진⁽⁸⁾금속수산화물(예, Al(OH)₃)을 물유리에 혼합하였을 때 발생하는 효과를 검토하고자 하였다.

참고문헌 (13)

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B. Son, T. Hwang and D. Goo, "Fire-Retardation Properties of Polyurethane Nanocomposite by Filling Inorganic Nano Flame Retardant", Polymer (Korea) Vol. 31, No. 5, pp. 404-409 (2007).
O. Kwon, J. Lee, K. Seo, C. Seo and S. B. Kim, "Effect of Flame Retardants on Flame Retardancy of Flexible Polyurethane Foam", Appl. Chem. Eng., Vol. 24, No. 2, pp. 208-213 (2013).
P. Lee, S. Jeoung, J. Ha, B. Kim and J. Han, "Flame Retardancy and Sound Absorption Properties of Polyurethane / Expandable Graphite Foams", Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 27, No. 6, pp. 441-445 (2019).

상세보기
S. Park, D. Son and J. Kim, "Improving Method for Flame Retardancy of Carbonized Board Made of Wood-based Panels", KR101444200B1 (2013).
J. Y. Kim, "Applications and Uses of Soluble Silicates", Hanrimwon, pp. 115-129 (2014).
B. N. Jang and J. Choi, "Research Trends of Flame Retardant and Flame Retardant Resin", Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 1, pp. 8-15 (2009).
KS F ISO 5660-1, "Reaction to Fire Test-Heat Release, Smoke Production and Mass Loss Rate-Part 1:Heat Release Rate (Cone Calorimeter Method) (2003).
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원문보기 상세보기
A. Varshneya and J. C. Mauro, "Fundamentals of Inorganic Glasses", Elsevier, 3rd Edition, p. 28 (2019).
A. Tonejc, M. Stubicar, A. M. Tonejc, K. Kosanovic, B. Subotic and I. Smit, "Transformation of γ-AlOOH (Boehmite) and Al(OH) 3 (Gibbsite) to α-Al 2 O 3 (Corundum) Induced by High-Energy Ball-milling", J. Mat. Sci. Lett., Vol. 13, pp. 519-520 (1994).

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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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