[논문]인계 난연제를 사용한 난연 EPDM 폼에서 팽창흑연 첨가효과 분석

장유리; 이덕희; 강경민; 이동엽

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장유리 (한국철도기술연구원 에코시스템연구실) , 이덕희 (한국철도기술연구원 에코시스템연구실) , 강경민 (LG 하우시스 연구소 고분자재료Lab.) , 이동엽 (한국철도기술연구원 에코시스템연구실)

다양한 첨가제가 들어가는 고분자 화합물(compound)의 제조에 있어 난연 발포 보조제인 팽창흑연(Expandable Graphite, EGP)은 흡유가가 낮기 때문에 비교적 많은 양을 첨가해도 혼합(Mixing)이 잘 되는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 대표적인 인계 난연제 APP(Ammonium Polyphosphate)를 사용한 난연 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 폼에 팽창흑연 첨가량을 증가시키면서 산소 지수와 발열량을 통해 난연 성능의 변화를 분석하였다. 산소지수는 ISO 4589-2 상온 산소지수 방법을, 발열량 평가는 ISO 5660-1 콘 칼로리미터를 활용하였다.

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문제 정의

024㎥/s의 조건에서 ISO 5660-1 규격을 적용하였다. 이 결과들로부터 발포특성을 고려하고 OI와의 상관관계 및 난연성을 판단하였다.
논할로겐 계의 대표적인 인계 팽창 난연제인 APP(Ammonium Polyphosphate)는 단독으로 사용하기엔 난연성에 한계가 있기 때문에 난연성 향상을 위하여 발포 보조제인 EGP(Expandable Graphite, 팽창흑연)를 첨가하여 사용한다. 이때 EGP의 첨가량을 증가시킴에 따른 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 폼의 난연 효과를 연구해 보았다.

제안 방법

APP와 DPE의 양을 증가 시켰을 경우에 같은 결과를 나타내는지 추가 실험을 진행하였다. 그 결과를 Figure 3 에 나타내었고, APP와 DPE를 증량하기 이전의 결과와 같이 EGP를 증가할수록 좋은 난연 효과를 내는 것을 확인 하였다.
대부분의 EPDM 소재는 카본블랙을 보강성 충전제로 사용하고 있으므로, 본 연구에서도 일정량의 카본블랙이 함유된 EPDM 화합물을 기본으로 하고, APP를 첨가하였다. 보조 난연제로 DPE(Dipentaerytritol)를 사용하였고, EGP 함량에 따른 발포 및 난연 특성의 변화를 조사하기 위해 EGP를 10, 30, 50, 70, 90phr로 첨가하여 EPDM foam을 제작하였다.
대부분의 EPDM 소재는 카본블랙을 보강성 충전제로 사용하고 있으므로, 본 연구에서도 일정량의 카본블랙이 함유된 EPDM 화합물을 기본으로 하고, APP를 첨가하였다. 보조 난연제로 DPE(Dipentaerytritol)를 사용하였고, EGP 함량에 따른 발포 및 난연 특성의 변화를 조사하기 위해 EGP를 10, 30, 50, 70, 90phr로 첨가하여 EPDM foam을 제작하였다.
콘 칼로리미터를 이용하여 발열량(Heat Release Rate, HRR)을 측정하였다. 발열량은 재료의 연소 시 소모되는 산소 소모량을 이용하여 열방출률을 측정한다.

이론/모형

산소지수는 산소-질소 혼합기에서 점화된 시료가 계속적으로 연소하는데 필요한 산소의 최저농도(용량%)를 측정하는 것이다. ISO-4589-2 시험규격에 따라 진행하였다.

성능/효과

EGP의 첨가효과를 알아보기 위하여 APP를 사용한 난연 EPDM에 EGP량을 증가시키면서 산소지수와 발열량 측정 시험을 통하여 난연 효과를 알아 본 결과, EGP의 양은 증가시킬수록 더 좋은 난연 효과를 확인할 수 있었다. 난연성을 증가시키기 위함만을 생각한다면 EGP를 많이 첨가하는 것이 옳은 선택일 수 있으나 particle의 양이 많아질수록 물성이 무너질 수 있으므로 최적의 첨가량을 찾는 것이 중요할 것으로 생각되며 이를 위한 추가연구를 진행할 것이다.
각 Sheet와 Foam sample에 대한 HRR 그래프를 Figure 2에 나타내었다. OI 결과와 같이 EGP의 첨가량이 증가할수록 난연성이 향상됨을 확인할 수 있다.
APP와 DPE의 양을 증가 시켰을 경우에 같은 결과를 나타내는지 추가 실험을 진행하였다. 그 결과를 Figure 3 에 나타내었고, APP와 DPE를 증량하기 이전의 결과와 같이 EGP를 증가할수록 좋은 난연 효과를 내는 것을 확인 하였다.
이를 통해, EGP량이 증가할 수록 Sheet보다는 Foam의 형태일 때 난연성이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 200℃ air hitting 후 LOI 값이 상승한 것을 통해 발포 효과가 있음을 확인하였다.
Figure 1과 같은 OI 결과를 얻었다. 이를 통해, EGP량이 증가할 수록 Sheet보다는 Foam의 형태일 때 난연성이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 200℃ air hitting 후 LOI 값이 상승한 것을 통해 발포 효과가 있음을 확인하였다.

후속연구

EGP의 첨가효과를 알아보기 위하여 APP를 사용한 난연 EPDM에 EGP량을 증가시키면서 산소지수와 발열량 측정 시험을 통하여 난연 효과를 알아 본 결과, EGP의 양은 증가시킬수록 더 좋은 난연 효과를 확인할 수 있었다. 난연성을 증가시키기 위함만을 생각한다면 EGP를 많이 첨가하는 것이 옳은 선택일 수 있으나 particle의 양이 많아질수록 물성이 무너질 수 있으므로 최적의 첨가량을 찾는 것이 중요할 것으로 생각되며 이를 위한 추가연구를 진행할 것이다.

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