출처: http://www.unitedcomposites.net/jointpages/PDFfiles/PaperCruiseFerry1993b.pdf
선박 적용에서 화재안전 페놀 복합 재료의 사용
수송 차량의 개발을 통해 속도, 효율성 및 편안함을 증가할 수 있는 동시에 수송과 같은 공공 위험 영역에서 화재 표준을 개선할 필요성이 전 세계적으로 높아지고 있습니다. 열경화성 폴리머 수지를 기반으로 한 섬유 강화 복합 재료는 기존 재료에 비해 많은 이점을 제공하지만 일반적으로 화재 성능이 좋지 않습니다. 페놀수지는 열 및 연소에 대한 우수한 내성을 가지고 있음이 잘 알려져 있습니다.
그러나 섬유강화 복합 재료에서 그것은 고유의 약점과 극한의 처리 조건의 필요성으로 어려움을 겪고 있습니다. 지난 15년 동안 복합 산업에 이용 가능한 모든 기술을 사용하여 온화한 조건에서 가공할 수 있는 차세대 페놀수지가 등장했습니다. 이 수지로 제조된 복합 재료는 일반적으로 사용되는 수지와 유사한 구조적 특성을 제공할 수 있습니다.
또한 가장 엄격한 국제 화재표준을 충족하는 것으로 보이며, 고위험 대중교통 수단을 위한 금속 이외의 유일한 적합한 건축자재로 빠르게 받아들여지고 있습니다.
해상 운송은 종종 심각한 화재 위험을 나타냅니다. 페놀 복합 재료를 사용함으로써, 화재 방지에 의연해지지 않고 크루즈 선박 및 페리에서 구조 요소 및 장식 모두에 혁신적이고 비용 효과적이며 미적 디자인을 위한 많은 기회가 주어집니다. 이 자료는 해양 적용에서 페놀 복합 재료의 잠재성을 주요 특성의 제시하고 사례 기록 및 사용 기회를 고려하여 요약할 것입니다.
1. 서론
섬유강화 고분자 복합 재료는 해양에 적용되어 사용된 기존의 건축 자재인 강철과 알루미늄에 비해 많은 잠재적인 이점을 제공합니다. 몇 가지 명백한 이점은 다음과 같습니다.
① 낮은 밀도
② 낮은 열전도율
③ 우수한 내식성과 내 화학성
④ 무게 대비 고강도
⑤ 더 나은 설계 유연성
⑥ 복잡한 3D 구조의 비용 효율적인 생산
⑦ 우수한 피로 및 충격 특성
⑧ 향상된 음향 특성
⑨ 레이더/음파 투명도
⑩ 낮은 유지 보수
위에서 열거된 복합재의 인지된 이점은 상세하게 페놀 복합재와 관련하여 단원 3에서 개별적으로 설명할 것입니다. 이러한 장점은 폴리에스터, 에폭시, 비닐 에스테르 또는 메타크릴레이트와 같은 다른 수지 구조를 기반으로 한 복합 재료의 화재 성능을 고려할 때 크게 완화되며, 이는 모두 연소를 지원하고 다량의 연기와 독성 가스를 방출합니다. 난연성 첨가제를 사용하여 이러한 수지의 화재 성능을 향상시키기 위해 시도하면 일반적으로 강도가 감소하고, 무게가 증가하고 더 많은 유독 가스를 방출할 가능성이 있습니다.
다른 복합 수지와 비교하여, Cellobond FRP 범위(BP Chemicals Ltd)와 같은 페놀은 매우 심각한 화재 조건에서도 연소를 지원하지 않으며, 일단 연소를 유발하면 최소한의 연기 및 독성 가스를 방출합니다. 이러한 측정치는 국제 화재표준의 가장 엄격한 한계 내에 있으며, 예를 들어 페놀 합성물은 런던 지하철 시스템 및 영국 해군 잠수함에 사용할 수 있는 바람직한 유기 단열재입니다.
참고(Cellobond™ Phenolic Resins): http://www.neochemical.ru/File/EPCD-HXN-589_Composite_Cellobond_Resins_Phencat_Catalysts.pdf
페놀 복합재가 연소될 때, 탄화 숯이 빠르게 형성되어 기본 재료를 단열하고 보호합니다. 수지로부터 파생된 또 다른 귀중한 특성은 고온에서 물리적 특성을 유지하는 능력입니다. 페놀 구조의 대항하는 모든 화재 성능은 강화섬유 이외의 첨가제를 사용하지 않고도 달성됩니다.
최근 몇 년간 상업 및 방어 부문에서 선박에서 발생한 일련의 파괴적이고 치명적인 화재는 해양 환경에서 화재의 잠재적인 위험에 관심을 집중시켰습니다. 그 결과 국제해사기구(IMO)는 규제 기관과 함께 안전 기준을 재평가하고 있습니다. ‘가연성’ 내장에서 매우 낮은 화염 확산, 열 방출, 연기 방출 및 독성 연기 방출을 요구하는 새로운 제안이 채택되기 시작했습니다. 제안된 다른 요구 사항에는 알루미늄 칸막이벽과 선체 보호가 포함됩니다. 이러한 영역과 다른 영역에서 페놀 복합재는 선박 성능을 최대화할 수 있고 안전하고 바용 효율적 방법을 제공합니다.
2. 페놀 혼합물의 특성
1) 배경
페놀수지는 20세기 초경에 최초로 제조되어 상업적으로 사용된 가장 오래된 합성 중합체입니다. 극한의 열 작동 조건에서 열화에 대한 우수한 저항성을 종종 활용하는 이러한 수지의 적용에는 성형 재료, 산업용/장식용 판, 인쇄 회로기판, 연삭 휠 및 마찰 저항 재료 바인더가 포함됩니다.
1970년대 후반에 개발된 이러한 전통적인 시스템은 산을 기초로 한 촉매를 사용하여 저온 및 압력에서 경화되도록 설계된 새로운 범위의 페놀레졸 수지로 보완되었습니다. 그때부터 현재까지 이러한 수지 및 촉매는 개발 및 개선의 대상이 되어왔으며, 그래서 이제 복합 생산에 일반적으로 사용되는 모든 공정에서 상업적으로 실행이 가능합니다. 예를 들어 수동 박판, 수지 이송 성형(RTM), 고온 프레스 성형, 필라멘트 와인딩, 연속 받판 생산, 진공 사출 성형, 인발 성형, 스프레이 발포 및 진공 백 등입니다.
상기에 추가하여 새로운 지연반응 촉매 기술은 저온, 빠른 경화와 고강도 시스템을 제공하는 이러한 페놀수지를 기반으로 수지 침투 가공을 할 수 있게 되었습니다. 이 촉매 개발로 인해 대부분의 공정 경로가 잠재적으로 더 쉽고 안전하며 빨라졌습니다. 아래의 표는 제조기술에 따라 이용 가능한 Cellobond FRP 페놀수지/촉매 조합의 범위를 나타냅니다.
[수지 및 촉매 시스템의 선택]
경화된 페놀 복합재는 적갈색이며 착색된 경우 빛에 안정적이지 않습니다. 결과적으로 장식 마감재는 일반적으로 화재 특성을 크게 손상시키지 않는 페인트를 사용하여 얻습니다. 페놀 기판에 널리 적용되고 테스트된 적합한 페인트 시스템은 영국 Uxbridge의 Trimite Ltd에서 구입할 수 있습니다. 요변성[흔들리면 겔(gel)에서 유동성의 졸(sol)로 변화하지만, 정지하면 다시 겔로 돌아가는 성질]의 페놀 표면 혼합물은 일반적으로 우수한 도장성 표면을 제공하기 위해 사용됩니다.
이러한 재료는 필요한 경우 페인트 색상에 맞게 색소를 칠할 수 있으며 일잔 페인트 한 후에는 빛에 안정적입니다. 몰드에서 직접 장식 마감을 달성하기 위해 개발이 진행 중입니다. 평평한 표면 또는 2D 곡률의 경우, 허용되는 경우 얇은 난연성 멜라민 박판이 페놀 기판에 사용될 수 있습니다.
2) 물리적 특성(주변 온도)
이전의 많은 참고 문헌은 페놀 구조 복합재료의 기본 물리적 특성이 자세히 나와 있으며, 복합재에 대한 현재 설계 지침에는 페놀 데이터가 포함되어 있습니다. 아래 표에서는 보강재에 대한 다양한 굽힘 및 인장 특성을 나타냅니다. 일반적으로 페놀 복합재의 성능은 비충진 폴리에스터 복합재의 성능과 유사한 것으로 가정할 수 있습니다. 페놀은 난연제를 첨가하는 시스템과 비교하여 0~25% 범위 내에서 동등한 무게 감소를 통해 우수한 특성을 제공할 수 있습니다.
[페놀 복합재의 물리적 특성]
최근의 연구에서 페놀 복합재는 해양 품질에서 이소프탈산 폴리에스터와 유사한 피로 내성을 나타낸다고 결론지었습니다. 또한 개별적 테스트 결과 페놀 성분이 특정 폴리에스터, 에폭시, 비닐 에스터 및 메타크릴 수지와 동일하거나 더 나은 충격강도와 파괴 인성이 나타났습니다. 복합 성능은 호환 가능한 보강재 사용에 항상 크게 민감합니다. 결론적으로 페놀 복합재는 화재안전을 획기적으로 향상시키기 위해 기존 적용에서 다른 기반 복합재를 대체하도록 선택될 수 있습니다. 건축 자재로서 금속과의 비교는 단원 3에서 설명합니다.
3) 고온 및 저온 성능
페놀 복합재는 다른 일반적으로 사용되는 열경화성 기반 수지로 만든 것보다 훨씬 높은 온도에서 주변 온도 물리적 특성을 유지하지만 강도는 종종 75~125℃ 사이에서 급격히 저하됩니다. 페놀의 경우, 복합 강도의 주요 부분은 최대 200℃까지 유지되며, 유리 기반 복합재의 열 변형 온도는 250℃에 이릅니다. 250℃에서도 낮은 유리 함량 박판(30% 무게)은 자동차 업계에서 페놀/유리 열 차폐 성능에서 입증된 것처럼 4시간 후에도 초기 강도 70%를 유지합니다.
더 높은 온도로도 가능하며, 최근에 수행된 연구는 300℃에서 시험된 50% 무게 유리 페놀 박판은 인장강도가 70% 이상 유지되는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 –40℃에서 얻은 결과와 함께 저온에서 물성 개선을 보여줍니다.
4) 열적 특성
유리의 함량이 증가함에 따라 열팽창 계수 및 열전도 계수는 각각 감소 및 증가합니다. 열팽창 범위 계수는 강철 및 알루미늄에 대한 값을 포함하므로 페놀 합성물이 사용 중인 금속 프레임 또는 패널에 고정될 경우 차동 위험이 줄어듭니다. 여기에서 설명된 페놀수지의 화학 구조로 인해, DMTA(Dynamic Mechanical Thermal Anaysis)를 통해서도 유리 전환온도(Tg)를 식별할 수 없다는 것이 입증되었습니다. 이러한 특성은 200~250℃ 영역에 있는 것으로 가정합니다.
5) 환경 안정성
운송, 해양 또는 외부 환경에서 발생할 수 있는 조건을 견딜 수 있는 페놀 복합재의 능력을 결정하기 위해 다양한 기관에서 많은 작업이 수행되었습니다. 가속 및 실시간 테스트 기법이 모두 사용되었으며, 많은 결과가 이미 보고되었습니다. 내화학적 측면에서 페놀수지는 대부분의 다른 열경화성 매트릭스와 마찬가지로 성능이 우수하며 금속과 달리 부식의 영향을 받지 않습니다. 또 다른 유용한 특성은 조류 및 박테리아 성장에 높은 저항력입니다.
