출처: Mechanical Properties of Phenolic Foam Modified Insulation Board by Urethane Oligomer 자료
이 자료의 주요 연구 내용은 우레탄 저중합체 변형제를 만들어 페놀폼의 특성을 개선하는 것을 포함합니다. 다양한 특성화 방법은 페놀폼의 특성과 미세 구조를 분석하기 위해 채택되었습니다. 마지막으로 우수한 기계적 특성과 양호한 단열 효과를 가진 새로운 유형의 페놀폼이 만들어 졌습니다. 결과는 이 새로운 페놀폼이 좋은 단열 효과(열전도율 0.030W/m·K), 우수한 경도(겉보기 밀도 40~60kg/m³에 도달할 수 있음), 높은 인성(굽힘강도 4.0N/cm²에 도달할 수 있고 압축강도는 16% 개선되어 0.134Mpa에 도달할 수 있음)을 특징으로 합니다. 이 페놀폼은 외부 벽 단열의 건축 분야에서 광범위하게 사용될 수 있으며, 이는 에너지절약을 구축하는 데 중요합니다.
1. 서론
에너지문제가 전 세계적으로 주목을 받으면서 국가와 지역은 건물의 에너지절약 설계에 일련의 규정을 제정했습니다. 결과적으로 바람직한 단열 특성과 낮은 가격의(EPS, XPS, PU 등) 유기 단열재가 공공건물에 널리 사용되었습니다. 에너지 보존은 효과적으로 해결되었지만, 숨겨진 큰 화재 위험이 그에 따라 발생했습니다. 수 많은 큰 화재가 자주 발생하면 큰 사회적 손실, 심각한 사상자 및 환경오염이 발생합니다.
이러한 이유로 새로운 유형의 난연성 및 단열재의 개발은 지체없이 해결해야 할 주요 과제가 되었습니다. 페놀폼 단열재는 차세대 에너지절약 및 방화 재료입니다. 1700℃의 화염으로 10분 동안 가열하면 페놀폼 단열재는 표면 탄화를 나타내며 타지 않습니다. 불연성 및 유리한 단열 효과와 같은 장점을 특징으로 하는 페놀폼 단열재는 외벽을 건축하는데 가장 이상적인 단열재가 되었습니다.
그러나 높은 취성, 분쇄 경향 및 건축 중 낮은 강도와 같은 결함은 페놀폼 단열재가 광범위하게 사용되는 것을 막습니다. 이러한 결함을 목표로 일련의 연구를 수행했습니다.
MDI 유형의 폴리우레탄 예비 중합체는 페놀폼을 강화시키고 분쇄를 감소시킬 것이라는 연구가 있습니다. 그러나 이 재료의 높은 반응 활성 및 페놀수지와의 상용성이 낮기 때문에 MDI 유형의 폴리우레탄 예비 중합체의 생산 및 적용이 제한되었습니다. 이 자료는 폴리우레탄 예비 중합체의 변형된 제제를 중심으로 액체 페놀수지와 반응하는 폴리우레탄 변형제를 얻습니다. 경질 페놀수지 그룹에 다수의 가요성 분자를 적용함으로써 우수한 인성을 갖는 페놀폼 단열재는 발포에 의해 생성될 것입니다.
2. 폴리우레탄 변형제의 제조
폴리우레탄과 아세톤을 3:1의 질량비로 밀폐 용기에 담습니다. 수조 온도가 70℃에 도달하면 10분 동안 반응하도록 혼합합니다. 온도를 80℃로 올린 후, 신속하게 혼합하여 15분 동안 반응시켜 폴리우레탄 변형제를 얻습니다.
3. 페놀폼의 제조
페놀수지 100에 폴리우레탄의 변형제 2~8을 추가하고 전기 교반을 통해 상온에서 균일하고 신속하게 믹싱합니다. 혼합물에 3의 폼 안정제와 12의 폼 발포제(n-펜탄)을 혼합하고 신속하게 고속 믹싱합니다. 마지막으로 9의 산 경화제를 혼합물에 추가하여 고속으로 믹싱합니다. 폼이 하얗게 변하면, 즉시 발포 몰드 충전 및 발포를 위한 이형제로 코팅된 예열 몰드에 부어 넣습니다. 몰딩 후, 페놀폼을 오븐에 넣어 70℃에서 2시간 동안 연속 경화시킵니다.
4. 성능 테스트
① 겉보기 밀도: GB/T6343:1995
② 압축강도: GB/T8813:2008
③ 굽힘강도: GB/T9341:2008
④ 수분흡수: GB/T8810:2005
⑤ 열전도율: GB/T10294:2008
⑥ 치수 안정성: GB/T8811:2008
5. 결론 및 토론
(1) 경화제의 사용량이 단열보드의 특성에 미치는 영향
산 경화제의 사용량은 페놀폼보드(PF 단열재)의 특성에 영향을 미치는 중요한 매개 변수입니다. 산 경화제의 사용량이 낮으면 페놀폼보드(PF 단열재)의 발포 공정에서 효과적인 촉매 분석을 할 수 없습니다. 대신, 페놀폼보드(PF 단열재)에서 약간의 폼 및 폼 붕괴가 발생할 수 있습니다. 너무 많은 양의 경화제를 사용하는 경우, 더 강한 촉매가 발생하여 페놀폼보드(PF 단열재)에서 제어할 수 없는 강한 발포가 발생하고 따라서 발포체의 경도를 감소시킬 수 있습니다.
일반적으로 발포에서 8~12g의 페놀폼보드(PF 단열재)를 사용해야합니다. 복합 경제 결과를 고려할 때, 페놀폼보드(PF 단열재)에서 경화제의 양은 각각(페놀수지의 질량에 상응) 8%, 9% 및 10% 이어야합니다. 페놀폼보드(PF 단열재)의 겉보기 밀도를 테스트하여 경도, 강도를 나타내는 압축강도 및 산 경화제 사용량이 페놀폼보드(PF 단열재)의 특성에 미치는 영향에 대한 연구가 아래 표에 나타나있습니다.
[페놀폼 특성에 경화제의 사용량이 미치는 영향]
상기 표에서와 같이, 산 경화제의 사용량이 9%인 경우, 페놀폼 보드(PF 단열재)가 가장 강한 인성을 나타내며 압축강도는 0.115Mpa(1.173kgf/cm²)가 될 것입니다. 결과적으로 경화제의 사용량이 9%일 때, 다음의 모든 실험을 완료해야합니다.
(2) 폴리우레탄 변형제가 발포체의 겉보기 밀도 및 압축강도에 미치는 영향
폴리우레탄 변형제 사용량을 각각 0%, 2%, 4%, 6%, 및 8%(페놀수지의 질량에 상응)로 준비합니다. 발포를 위해 폴리우레탄 변형제를 페놀수지에 첨가하여 균일하게 믹싱합니다. 폴리우레탄 변형제의 사용량이 페놀폼 보드(PF 단열재)의 압축강도 및 겉보기 밀도에 미치는 영향을 테스트합니다.
[폴리우레탄 변형제의 사용량이 페놀폼 보드(PF 단열재)의 겉보기 밀도에 미치는 영향]
[폴리우레탄 변형제의 사용량이 페놀폼 보드(PF 단열재)의 압축강도에 미치는 영향]
상기 표에서와 같이 2% 폴리우레탄 변형제가 첨가될 때, 페놀폼 보드(PF 단열재)의 겉보기 밀도는 최대값, 즉 46.04kg/m³에 도달하며 중심 그룹과 비교하여 22.9%의 증가를 나타냅니다. 동시에 페놀폼 보드(PF 단열재)의 압축강도는 최대값, 즉 0.134MPa에 도달하여 중심 그룹과 비교하여 16.5%의 증가를 나타냅니다. 따라서 2% 폴리우레탄 변형제가 첨가될 때, 페놀폼 보드(PF 단열재)의 압축강도는 최대 즉, 최고 강성에 도달함을 알 수 있습니다.
이것은 소량의 폴리우레탄 변형제가 페놀폼 보드(PF 단열재)의 인성을 효과적으로 증가시킬 수 있음을 나타냅니다. 그 이유는 폴리우레탄 변형제 중에 이소시아네이트 및 페놀수지 중 하이드록시메틸이 가교 반응을 형성하여 상호 침투 네트워크 구조를 일으키기 때문입니다. 다량의 가요성 카바메이트 세그먼트의 생성은 페놀수지의 경질 구조를 변화시켜 페놀폼의 압축강도 및 인성을 증가시킵니다. 그러나 변형제의 사용량이 증가함에 따라, 보다 가교된 구조가 형성되어 발포 과정이 더 어려워지고 페놀폼 보드(PF 단열재)의 물리적 특성이 감소할 것입니다.
(3) 폴리우레탄 변형제가 폼의 굽힘강도에 미치는 영향
폼 재료에 힘의 작용으로 굽힘 변형이 나타나는 경우, 재료 자체는 압축 응력과 인장 응력을 동시에 받습니다. 두 응력의 분산되어 있는지 또는 아닌지는 페놀폼 보드(PF 단열재)의 인성을 결정합니다. 발포체의 굽힘강도에 변형제의 다른 사용량에 대한 영향의 결과는 아래 그림에 나타납니다.
[페놀폼 보드(PF 단열재)의 굽힘강도에 폴리우레탄 변형제 사용량이 미치는 영향]
상기 그림에서 폴리우레탄 변형제의 사용량이 증가함에 따라 발포체의 굽힘강도가 증가한 다음 감소합니다. 폴리우레탄 변형제의 첨가는 압축강도 및 인장강도 둘 다 모두를 증가시킬 수 있습니다. 따라서 하중, 즉 굽힘강도가 증가합니다. 2% 폴리우레탄 변형제를 첨가하면 페놀폼 보드(PF 단열재)의 굽힘강도가 최대가 됩니다.
2% 초과 폴리우레탄 변형제를 첨가하는 경우, 페놀 발포시스템의 가교도 어려워지고 얻어진 발포체는 불균일하고 정밀하지 못한 폼을 생성합니다. 이때, 발포체 구조는 압축강도에 크게 영향을 미쳐, 따라서 굽힘 강도가 감소합니다.
(4) 열 중량 분석
아래 그림은 폴리우레탄 변형제에 의한 페놀폼 보드(PF 단열재) 및 순수한 페놀폼에 대한 열 중량 곡선을 보여줍니다. 페놀수지에 2% 폴리우레탄 변형제를 첨가하여 페놀폼을 제조하고 수정되지 않은 페놀폼과 비교합니다. 페놀수지에 폴리우레탄 변형제의 변형 영향을 확인합니다. 그림에서 페놀폼 보드(PF 단열재)는 우수한 내열성을 보여줍니다.
순수한 페놀폼의 분해 온도는 350℃보다 낮고, 폴리우레탄 변형제에 의한 강화된 페놀폼 보드(PF 단열재)의 분해 온도는 350℃~400℃이며, 따라서 변형된 페놀폼 보드(PF 단열재)의 열 안정성이 개선되었습니다.
[열 중량 분석 및 순수 페놀폼과 폴리우레탄 변형제에 의한 페놀폼의 비교]
(5) 적외선 분광 분석
아래 그림은 폴리우레탄 변형제에 의한 순수 페놀폼 보드(PF 단열재)의 적외선 분광 및 변형된 페놀폼의 적외선 분광을 보여줍니다. 그림에서 알 수 있듯이 1600~1450cm⁻¹ 지점에서, 진동 피크는 벤젠 고리의 –C=C- 피크입니다. 3016.97cm⁻¹ 지점에서, 변동은 벤젠 고리의 C-H 흡수 피크입니다. 3436~3350cm⁻¹의 흡수 피크에 따르면, 변형된 페놀폼 보드(PF 단열재)의 흡수 피크 폭이 증가하게 되는데, 이는 폴리우레탄 변형제와 페놀수지가 반응하여 페놀폼 보드(PF 단열재)의 인성을 어느 정도 증가시킬 것임을 나타냅니다.
[폴리우레탄 변형제에 의에 강화된 페놀폼의 적외선 분광]
(6) 폴리우레탄 변형 페놀폼의 세포 구조
폼은 많은 수의 미세 기포로 만들어집니다. 폼 구조가 증강 인자에 의해 영향을 받을 때, 압축 특성 및 열 안정성과 같은 거시적 측면의 변화가 불가피하게 나타날 것입니다. 아래 그림은 개선된 페놀폼 보드(PF 단열재) 기포의 미세 구조입니다. 그림에서 기포는 다이아몬드 형상이고 일부 기포 구조가 파열되어 있음을 알 수 있습니다. 기포는 밀접하게 연결되고 균일하게 분배됩니다. 바람직한 기포 구조는 이상적인 단열 특성을 의미하며, 이는 또한 폴리우레탄 변형 페놀폼 보드(PF 단열재)의 높은 압축 및 열 안정성을 설명합니다.
[폴리우레탄 변형 페놀폼 보드(PF 단열재)의 SEM 이미지]
(7) 변형 페놀폼의 포괄적인 특성 분석
상기 실험 결과에 따르면, 페놀폼 보드(PF 단열재)에 2% 폴리우레탄 변형제를 첨가하여 변형시킬 수 있으며, 이것은 최대 0.13MPa의 압축 특성을 가진 페놀폼 보드(PF 단열재)를 얻을 수 있습니다. 아래 표는 이러한 조건에서 얻어진 페놀폼 보드(PF 단열재)의 주요 특성 매개 변수를 보여줍니다. 중국의 국가 표준 GB/T20974:2007 단열 페놀폼 보드(PF 단열재)의 요구 사항과 비교할 때, 모든 매개 변수는 변형된 페놀의 모든 지표가 국가 표준을 능가하고 변형된 페놀이 우수한 화재저항 및 단열성을 나타내는 것으로 나타났습니다.
[페놀폼 보드(PF 단열재)의 주요 성능 지표]
(8) 실험적 결론
이 자료는 페놀폼 보드(PF 단열재)을 변형하기 위한 폴리우레탄 변형제의 설계를 중심으로 합니다. 다양한 시험 분석 방법은 페놀폼의 변형제 변형을 보여주기 위해 채택되었습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다.
① 폴리우레탄 변형제는 페놀폼 보드(PF 단열재)의 강도를 향상시키는데 우수한 효과를 나타냅니다. 2% 폴리우레탄 변형제만 적용하는 경우, 변형된 페놀폼의 압축강도는 0.134MPa, 굽힘강도 4.0N/cm²입니다.
② 폴리우레탄 변형제와 페놀수지의 결합은 페놀수지의 그룹 구조를 변화시킨다는 것은 적외선 분석은 암시합니다. 열 중량 분석은 변형된 페놀폼 보드(PF 단열재)의 열 안정성이 향상되었음을 보여줍니다. 현미경을 통해 얻어진 페놀폼 보드(PF 단열재)의 미세 구조 이미지는 변형된 페놀폼 단열재(PF보드)가 완벽한 셀룰러 구조와 유리한 단열 특성을 가지고 있음을 보여줍니다.
③ 폴리우레탄 변형 페놀폼 단열재(PF보드)의 모든 국가 표준을 능가했으며, 변형된 페놀폼 단열재(PF보드)는 탁월한 화재저항 및 단열성과 우수한 인성을 나타냅니다.
이 제품은 페놀폼의 전형적인 높은 취성 및 낮은 강도의 기술적 문제를 해결하고 유리한 내화성과 단열성을 충분히 발휘합니다. 따라서 현재 외벽 건물의 외벽 단열시스템의 화재 안전 문제를 효과적으로 해결하고, 건물의 에너지절약 효과를 높이고 건물의 안전, 에너지절약 및 단열의 “이중 보안”을 실현하며 주거 환경 품질 및 건물의 에너지절약 효과와 벽에 새로운 단열재의 빠른 개발을 촉진합니다.